Технологии подземного строительства: глобальная перспектива

Технологии подземного строительства охватывают широкий спектр методов и техник, используемых для строительства, ремонта и обслуживания инфраструктуры под поверхностью земли. От транспортных тоннелей и инженерных сетей до фундаментов и хранилищ — эти технологии играют жизненно важную роль в современном обществе. В этой статье представлен всесторонний обзор технологий подземного строительства с глобальной точки зрения, рассматриваются их применение, преимущества, проблемы и будущие тенденции.

Что такое подземное строительство?

Подземное строительство включает в себя возведение сооружений и инфраструктуры под поверхностью земли. Это может включать:

• Тоннели для транспорта (автомобильные дороги, железные дороги, метро)
• Трубопроводы для воды, газа и нефти
• Коммунальные тоннели для силовых и коммуникационных кабелей
• Хранилища (например, запасы нефти и газа, центры обработки данных)
• Фундаменты для зданий и других сооружений
• Горные работы
• Геотермальные энергетические системы

Технологии, используемые в подземном строительстве, варьируются в зависимости от конкретных требований проекта, геологических условий и экологических соображений. Некоторые распространенные методы включают:

• Традиционная проходка тоннелей (буровзрывной метод): Этот традиционный метод включает бурение шпуров в породе или грунте и использование взрывчатых веществ для выемки материала. Он часто используется для больших тоннелей в твердых скальных породах.
• Тоннелепроходческие комплексы (ТПК): ТПК — это сложные машины, которые могут прокладывать тоннели в самых разных грунтовых условиях. Они часто используются для длинных тоннелей и могут автоматизировать многие процессы выемки и крепления.
• Открытый способ работ: Этот метод включает в себя рытье траншеи с поверхности, строительство сооружения внутри траншеи, а затем обратную засыпку. Он часто используется для неглубоких тоннелей и подземных сооружений в городских районах.
• Бестраншейные технологии: Эта категория включает в себя различные методы, которые минимизируют нарушение поверхности. Эти технологии особенно полезны в городских районах, где важно избегать нарушения движения транспорта и работы предприятий.

Виды бестраншейных технологий

Бестраншейные технологии, также известные как технологии без вскрытия грунта, предлагают ряд методов для прокладки или ремонта подземной инфраструктуры с минимальной выемкой грунта. Этот подход значительно снижает нарушение поверхности, воздействие на окружающую среду и социальные издержки по сравнению с традиционными методами открытой прокладки. Ключевые виды бестраншейных технологий включают:

Горизонтально-направленное бурение (ГНБ)

ГНБ включает в себя бурение пилотной скважины по запланированной траектории, а затем расширение скважины до нужного диаметра. Затем через скважину можно протянуть трубопроводы, кабельные каналы и кабели. ГНБ подходит для пересечения рек, дорог и других препятствий.

Пример: При строительстве газопровода «Северный поток» через Балтийское море использовалось ГНБ для минимизации воздействия на окружающую среду в уязвимых прибрежных зонах.

Микротоннелирование

Микротоннелирование — это дистанционно управляемый метод продавливания, используемый для прокладки трубопроводов с высокой точностью. Обычно он используется для трубопроводов меньшего диаметра (например, канализационных, водопроводных) и требует стартового и приемного котлованов.

Пример: Микротоннелирование часто используется в густонаселенных городских районах, таких как Токио, Япония, для прокладки новых канализационных линий без нарушения транспортного потока.

Разрушение трубы (Pipe Bursting)

Разрушение трубы включает в себя разрушение существующей трубы с одновременным затягиванием на ее место новой. Этот метод используется для замены изношенных трубопроводов без значительных земляных работ.

Пример: Многие города в Соединенных Штатах используют метод разрушения трубы для замены стареющих чугунных водопроводов.

Санация методом полимерного рукава (CIPP)

Санация CIPP включает в себя введение в существующую трубу пропитанного смолой рукава с последующим его отверждением для формирования новой бесшовной трубы внутри старой. Этот метод используется для восстановления трубопроводов без вскрытия грунта.

Пример: Санация CIPP широко используется в Европе для восстановления канализационных труб, продления их срока службы и предотвращения утечек.

Шнековое бурение

При шнековом бурении используется вращающийся шнек для выемки грунта с одновременным продавливанием обсадной трубы в скважину. Этот метод подходит для прокладки трубопроводов под дорогами и железнодорожными путями.

Пример: Шнековое бурение широко используется в Австралии для прокладки трубопроводов под железнодорожными путями.

Преимущества технологий подземного строительства

Технологии подземного строительства имеют несколько преимуществ по сравнению с традиционными методами наземного строительства:

• Уменьшение нарушения поверхности: Бестраншейные технологии минимизируют земляные работы, снижая заторы на дорогах, шумовое загрязнение и неудобства для предприятий и жителей.
• Защита окружающей среды: Подземное строительство может минимизировать воздействие на чувствительные экосистемы, избегая нарушения поверхности и снижая риск эрозии и седиментации.
• Экономия затрат: Хотя первоначальные затраты на некоторые методы подземного строительства могут быть выше, долгосрочная экономия может быть значительной за счет сокращения неудобств, ускорения сроков строительства и снижения затрат на техническое обслуживание.
• Повышение безопасности: Подземное строительство может быть безопаснее наземного, поскольку оно снижает риск несчастных случаев, связанных с дорожным движением, земляными работами и погодными условиями.
• Улучшение эстетики: Подземная инфраструктура скрыта от глаз, что может улучшить эстетику городских районов и сохранить природные ландшафты.
• Повышенная безопасность: Подземная инфраструктура менее уязвима для вандализма, саботажа и стихийных бедствий.

Проблемы технологий подземного строительства

Несмотря на свои преимущества, технологии подземного строительства также сопряжены с рядом проблем:

• Геологическая неопределенность: Подповерхностные условия часто плохо изучены, что может привести к непредвиденным геологическим условиям и задержкам в строительстве. Крайне важны тщательные геотехнические изыскания.
• Контроль грунтовых вод: Грунтовые воды могут создавать значительные проблемы при подземном строительстве, требуя систем водопонижения для предотвращения затопления и неустойчивости.
• Ограниченные пространства: Работа в ограниченных пространствах может быть опасной и требует специальной подготовки и оборудования.
• Стоимость оборудования: Специализированное оборудование, такое как ТПК и установки ГНБ, может быть дорогостоящим в приобретении и обслуживании.
• Нехватка квалифицированной рабочей силы: Подземное строительство требует квалифицированных кадров, включая инженеров, операторов и техников. В этой области наблюдается растущий дефицит квалифицированных специалистов.
• Соблюдение нормативных требований: Проекты подземного строительства подпадают под действие различных нормативных актов, касающихся безопасности, охраны окружающей среды и получения разрешений.
• Общественное восприятие: Опасения общественности по поводу шума, неудобств и воздействия на окружающую среду могут задерживать или останавливать проекты подземного строительства. Эффективная коммуникация и взаимодействие с общественностью имеют важное значение.

Глобальное применение технологий подземного строительства

Технологии подземного строительства используются во всем мире в различных областях:

• Транспорт: Тоннели для автомобильных дорог, железных дорог и метрополитена необходимы для городского транспорта и междугороднего сообщения. Примеры включают тоннель под Ла-Маншем, соединяющий Великобританию и Францию, Готардский базовый тоннель в Швейцарии и системы метро в таких городах, как Нью-Йорк, Лондон и Пекин.
• Водоснабжение и водоотведение: Трубопроводы для водоснабжения, сбора сточных вод и отвода ливневых вод имеют решающее значение для общественного здравоохранения и охраны окружающей среды. Примеры включают проект «Великая рукотворная река» в Ливии, который транспортирует воду из подземных водоносных горизонтов в прибрежные города, и Глубоководную канализационную систему (DTSS) в Сингапуре, представляющую собой систему глубоких тоннелей для транспортировки сточных вод.
• Энергетика: Трубопроводы для транспортировки нефти и газа, подземные хранилища энергетических запасов и геотермальные энергетические системы необходимы для энергетической безопасности и устойчивости. Примеры включают газопровод «Северный поток», соединяющий Россию и Германию, подземные хранилища природного газа в Европе и Северной Америке, а также геотермальные электростанции в Исландии и Новой Зеландии.
• Телекоммуникации: Подземные каналы для волоконно-оптических кабелей и другой коммуникационной инфраструктуры имеют решающее значение для современных сетей связи. Примеры включают глобальную сеть подводных кабелей, соединяющих континенты, и подземную инфраструктуру, поддерживающую сотовые сети в городских районах.
• Горнодобывающая промышленность: Подземные горные работы позволяют добывать ценные ресурсы из земли, включая минералы, металлы и уголь. Примеры включают медные рудники в Чили, золотые прииски в Южной Африке и угольные шахты в Австралии.

Будущие тенденции в технологиях подземного строительства

Сфера технологий подземного строительства постоянно развивается, появляются новые инновации и тенденции:

• Автоматизация и робототехника: Расширение использования автоматизации и робототехники для повышения эффективности, безопасности и точности в подземном строительстве. Это включает автоматизированные ТПК, роботизированные системы инспекции и ремонта, а также автономное оборудование для выемки грунта.
• Цифровизация и BIM: Внедрение информационного моделирования зданий (BIM) и других цифровых технологий для улучшения планирования, проектирования, строительства и эксплуатации подземной инфраструктуры. Это включает в себя 3D-моделирование, симуляции в виртуальной реальности и анализ данных.
• Практики устойчивого строительства: Акцент на практиках устойчивого строительства для минимизации воздействия на окружающую среду, сокращения отходов и сохранения ресурсов. Это включает использование переработанных материалов, энергоэффективного оборудования и экологически чистых методов строительства.
• Передовые материалы: Разработка и использование передовых материалов, таких как высокопрочный бетон, фиброармированные полимеры и «умные» материалы, для улучшения эксплуатационных характеристик и долговечности подземных сооружений.
• Удаленный мониторинг и датчики: Внедрение технологий удаленного мониторинга и датчиков для контроля состояния подземной инфраструктуры и выявления потенциальных проблем до того, как они станут критическими. Это включает использование датчиков, дронов и спутниковых снимков.
• Искусственный интеллект (ИИ): Использование ИИ для предиктивного обслуживания, оценки рисков и оптимизации строительных процессов. ИИ может анализировать огромные объемы данных для выявления закономерностей и прогнозирования потенциальных сбоев, что ведет к проактивному обслуживанию и улучшению принятия решений.
• Расширение использования бестраншейных технологий: Дальнейшее развитие и внедрение бестраншейных технологий для минимизации нарушения поверхности и воздействия на окружающую среду. Это включает разработку новых бестраншейных методов и совершенствование существующих технологий.

Роль геотехники

Геотехника играет решающую роль во всех аспектах подземного строительства. Инженеры-геотехники отвечают за исследование подповерхностных условий, анализ устойчивости грунта, проектирование систем крепления и мониторинг состояния подземных сооружений. Ключевые геотехнические соображения включают:

• Свойства грунта и породы: Определение прочности, жесткости, проницаемости и других свойств грунта и породы.
• Гидрогеологические условия: Оценка уровня грунтовых вод, скорости потока и химического состава.
• Устойчивость откосов: Оценка устойчивости откосов и насыпей вблизи подземных выработок.
• Анализ осадки: Прогнозирование величины осадки, которая произойдет в результате подземного строительства.
• Методы улучшения грунтов: Применение методов улучшения грунтов для стабилизации и улучшения их свойств.
• Инструментальный контроль и мониторинг: Установка приборов для мониторинга состояния подземных сооружений и выявления потенциальных проблем.

Практические рекомендации для профессионалов

Вот несколько практических рекомендаций для профессионалов, работающих в области подземного строительства:

• Инвестируйте в тщательные геотехнические изыскания: Всестороннее понимание подповерхностных условий необходимо для успешного подземного строительства.
• Внедряйте цифровые технологии: BIM и другие цифровые технологии могут повысить эффективность, улучшить сотрудничество и принятие решений.
• Приоритет безопасности: Подземное строительство может быть опасным, поэтому важно уделять первоочередное внимание безопасности и обеспечивать надлежащую подготовку и оборудование.
• Взаимодействуйте с общественностью: Эффективная коммуникация и взаимодействие с общественностью могут помочь заручиться поддержкой проектов подземного строительства.
• Будьте в курсе новейших технологий: Сфера подземного строительства постоянно развивается, поэтому важно быть в курсе последних технологий и тенденций.
• Рассматривайте практики устойчивого развития: Внедряйте практики устойчивого строительства для минимизации воздействия на окружающую среду и сохранения ресурсов.
• Устраняйте нехватку навыков: Инвестируйте в программы обучения и развития для решения проблемы растущего дефицита квалифицированной рабочей силы в отрасли подземного строительства.
• Разрабатывайте сильные стратегии управления рисками: Внедряйте надежные стратегии управления рисками для выявления и смягчения потенциальных рисков.

Заключение

Технологии подземного строительства — это жизненно важная область, играющая решающую роль в современном обществе. По мере роста населения и увеличения плотности застройки в городских районах спрос на подземную инфраструктуру будет продолжать расти. Внедряя новые технологии, ставя в приоритет безопасность и развивая сотрудничество, мы можем построить более устойчивое и жизнеспособное будущее под поверхностью земли. Глобальная перспектива имеет решающее значение, поскольку разные регионы сталкиваются с уникальными проблемами и возможностями в подземном строительстве. Обмен знаниями и передовым опытом между странами будет иметь важное значение для развития этой области и обеспечения ее долгосрочного успеха.