Подземное и полуподземное строительство

Широкий комплекс вопросов подземного строительства, начиная от выбора места, его инженерно-геологического исследования, и кончая методами строительства, рассмотрен в целом ряде работ, описание которых имеется, например, в [108]. Подземное строительство издавна привлекало внимание строителей как возможность размещения разнообразных объектов с временным или длительным пребыванием людей. Первыми подземными сооружениями были естественные пещеры, служившие для обитания людей и из защиты от непогоды и нападения зверей и враждебных племен. Затем это были объекты для хранения продуктов, использующие постоянство температуры под землей, для добычи полезных ископаемых, для защиты ценностей.

Рис. 6.13. Освещенный сверху вход в древний подземный город в Африке.

Подземное пространство издавна привлекало внимание как место размещения разнообразных объектов с временным или длительным пребыванием людей (рис. 6.13). Вначале его использовали для устройства жилья и хранения продуктов (пещеры, землянки, подземные поселки), защиты от врагов и климатических воздействий, затем — для добычи полезных ископаемых. Характерными примерами подземного строительства прошлого являются древние города: Каппадокия (Турция), расположенный на восьми подземных этажах, рассчитанных на 50 тысяч человек; Чуфут-Кале и Мангуп-Кале (Крым); подземные храмы в Индии и многие другие города.

Обычно древние подземные города устраивали в прочных сухих грунтах, не требующих какого-либо укрепления после создания выработок. Качество среды в таких подземных жилищах было чрезвычайно низким (рис. 6.14). По мере развития и совершенствования типов наземных зданий в современных городах интерес к подземному строительству несколько сократился (хотя большинство обычных наземных зданий имело подвальную часть, представляющую собой небольшое подземное сооружение; подвалы как части производственных зданий или даже как отдельные производственные объекты получили широкое распространение [4]).

Много столетий специальные подземные здания почти не возводили, а подземное пространство использовали сравнительно редко; в подземных выработках после добычи полезных ископаемых также не размещали какие-либо объекты, кроме складов и хранилищ. Первые крупные проекты подземного строительства решали в первую очередь транспортные проблемы. Уже в начале XX века под современным городом предлагалось расположить транспортные коммуникации и стоянки для растущего автотранспорта, а также разнообразные трубы коммуникаций. Считалось, что такое решение позволит перенести под землю транспортные и связанные с ними пассажирские потоки, и даст возможность освободить улицы для пешеходов (рис. 6.15). Сейчас и в России, и во многих зарубежных странах специалисты все чаще размещают здания под землей при мелком или глубоком заложении. Для этого, с одной стороны, специально разрабатывают котлованы или делают выработки, с другой — используют имеющиеся горные выработки. Подземное строительство жилых, общественных и производственных зданий в последние годы получает все большее распространение, а постоянное появление новых методов строительства, патентов на конструкции и способы сооружения подземных зданий подтверждает перспективность этого направления Однако, застройка подземного пространства под городами не должна быть чересчур интенсивной. Иначе будет герметично изолирована вся поверхность естественного грунта, растения будут существовать на тонком слое кровли — газона с искусственным поливом, исчезнет естественный круговорот воды и других веществ, что приведет к гибели флоры и фауны.

Поэтому сплошного освоения всего подземного пространства под городами не должно быть, подземные здания должны иметь форму структуры в плане с регулярными разрывами для контакта почвенно-растительного слоя с грунтом подземного пространства. В настоящее время в мире накоплен опыт возведения подземных и полуподземных зданий и сооружений самого различного назначения — от производственных цехов до общественных центров, от спортивных залов до жилых зданий.

Сечение одной из крупнейших в мире подземной выработки для сооружения хоккейного стадиона. Цифрами 1−5 показана последовательность ее раскрытия.

Опыт строительства и эксплуатации подземных объектов подтвердил многочисленные положительные аспекты освоения подземного пространства, возможность успешной и экономичной эксплуатации зданий под землей. Интересные объекты возведены в России, США, Франции, Англии, Норвегии, Финляндии, ряде других стран. Перечень достигнутых размеров и номенклатуры подземных сооружений впечатляющ: так, к Олимпийским играм 1994 г. в Норвегии был возведен подземный хоккейный стадион длиной 91, пролетом 61 и высотой 23,5 м.

Площадь подземного спорткомплекса в Холмлиа составляет 6800 м 2, а объем сооружений — 53 тыс. м 2. В подземном спортивном центре Хельсинки имеется три зала пролетами 28,6, 18,7 и 15 м. Подземный каток в Тампере имеет пролет 32 м и объем 37 тыс. м 2. Под центром Парижа есть огромный подземный общественный центр. В г. Тромсе возведено крупнейшее подземное убежище на 8 тыс. чел., длиной 130 и пролетом 26 м, площадью 30 тыс. м 2 и объемом 150 тыс. м 3. В г. Зальцбурге построен подземный гараж на 1500 автомобилей. В России и других странах имеются примеры строительства очень крупных, защищенных от военных воздействий, подземных промышленных объектов военного назначения, например, заводов. Сейчас в практике подземного строительства все большее развитие получают гражданские объекты. Так, в Москве построен крупный подземный (скорее — полуподземный, обвалованный сверху с устройством кровли — газона) торговый комплекс на Манежной площади (рис. 6.18); в настоящее время продолжается строительство подземной части будущего делового центра Москвы «Москва — Сити», которая может стать самым большим подземным сооружением в мире: площадь подземных этажей составит около 100 тыс. м 2. Правда, это будут в основном развитые в плане и по глубине многоярусные подвальные части обычных наземных зданий.

В Москве возводятся подземные стоянки и гаражи для автомобилей: например, в ее центральной части, у гостиницы «Москва», возведена подземная четырехъярусная автостоянка. При подземном строительстве в Москве чаще всего используют плоскостные конструкции, и только в сооружениях метро применяют различные типы оболочек. В связи с высоким уровнем грунтовых вод в городе на одно из первых мест выходит проблема обеспечения водонепроницаемости подземных зданий. Не менее важной проблемой является высокая стоимость возведения подземных зданий и сооружений: в зависимости от методов возведения и глубины расположения стоимость одного и того же объекта может отличаться на порядок.

Недалеко от Кремля строится многофункциональный комплекс «Царев сад», в состав которого входят четыре подземных яруса. Он интересен не только тем, что система гидроизоляции предусматривает постоянную защиту по типу «бассейна», без выполнения дренажа, но и устройством озеленения (садов на кровле).

Много лет подземное пространство использовали в сравнительно редких случаях, например, для размещения транспортных и других коммуникаций; в подземных выработках после добычи полезных ископаемых обычно не размещали какие-либо объекты, кроме складов. В современном строительстве на первый план выдвинулись сложные противоречивые проблемы, которые сделали актуальным рациональное использование подземного пространства:

• — необходимость нового строительства в условиях исключительного дефицита незастроенных территорий;
• — сохранение окружающей природной среды, создание биопозитивных сооружений; восстановление ранее занятых ландшафтов после перевода объектов под землю;
• — экономия энергии при эксплуатации зданий и сооружений;
• — необходимость реконструкции исторических центров с возведением новых зданий и устройством современных коммуникаций;
• — использование неудобных для наземной застройки территорий;
• — необходимость размещения прецизионных производств, требующих отсутствия вибраций, колебаний температуры;
• — обеспечение защиты населения в особый период.

Указанные проблемы решают, размещая здания под землей при мелком или глубоком заложении. При этом, с одной стороны, специально разрабатывают котлован или делают выработки с использованием способов подземной разработки грунта (горный и щитовой способы; опускные колодцы и др.). С другой стороны, используют имеющиеся горные выработки. Подземное строительство жилых, общественных и производственных зданий в последние годы получило большое распространение, а постоянное появление новых патентов и авторских свидетельств на конструкции и способы сооружения подземных зданий позволяет судить о большой перспективности этого направления строительства. Современные подземные здания можно классифицировать по назначению, глубине заложения, этажности, освещению. По глубине заложения подземные здания и сооружения делятся на полузаглубленные (обвалованные), мелкого заложения (обычно не ниже 10 м от дневной поверхности грунта) и глубокого заложения (как правило, глубже 10 м). У полузаглубленных зданий крыша расположена не ниже дневной поверхности грунта, основными нагрузками являются боковое давление грунта и вес засыпки на кровле. Чем больше глубина заложения, тем большую роль играет давление грунта, от которого зависят типы конструкций и размеры пролетов. Конструктивные решения подземных зданий определяются способами производства работ, а также глубиной заложения и назначением зданий. Работы можно производить открытым и закрытым (горным) способами.

По условиям расположения подземные здания могут быть отдельно расположенными под незастроенными участками, под застроенными участками, а также входящими в состав наземных зданий. По этаэюности они могут быть однои многоэтажными (чаще применяется термин «многоярусные»), по числу пролетов — одно — и многопролетными, по конструктивным решениям — каркасными и бескаркасными. В качестве материала конструкций чаще всего применяют железобетон, бетон. Частично используют прочный грунт. По назначению здания делятся на такие виды:

• — жилые дома (только обвалованные);
• — производственные объекты, особенно требующие защиты от вибрации, пыли, переменных температур;
• — складские объекты — холодильники, овощехранилища, склады, резервуары, книгохранилища, архивы;
• — зрелищные, спортивные здания — кинотеатры, выставочные залы, музеи, клубы, спортзалы, тиры, плавательные бассейны, общественные центры;
• — административные здания и центры;
• — объекты коммунально-бытового обслуживания — мастерские, бани, прачечные, почты, сберкассы, ателье, комбинаты бытового обслуживания,
• — торгово-бытовые центры;
• — транспортные объекты — станции и тоннели подземного транспорта, вокзалы, гаражи, стоянки, транспортные центры;
• — объекты торговли и общественного питания — столовые, рестораны, магазины, рынки, торговые центры;
• — учебно-воспитательные сооружения — детские сады, школы, вузы, учебные центры.

По способу освещения здания могут быть: с естественным боковым освещением, устраиваемым через окна с приямками, внутренние дворики и др.; с верхним зенитным освещением через проемы или фонари в кровле; с комбинированным естественным и искусственным освещением иногда в сочетании со световодами и рассеивателями; с полностью искусственным освещением. Основные типы подземных обвалованных, мелкого и глубокого заложения жилых, общественных и производственных зданий можно размещать на территории с крутыми уклонами, со спокойным рельефом местности, на свободных или застроенных участках, отдельно стоящими или являющимися подземной частью всего объекта. Жилые дома возводят только при условии естественного освещения, в общественных и производственных зданиях допускается искусственный свет. Один из важных вопросов для подземных зданий — создание у людей ощущения, что здание расположено выше уровня земли. Это достигается:

• — односторонним естественным боковым освещением в обвалованных объектах;
• — естественным верхним освещением в полузаглубленных зданиях;
• — естественным освещением через световоды в сооружениях мелкого и глубокого заложения;
• — ярким искусственным освещением в сочетании с окраской в светлых тонах помещений;
• — устройством криволинейных покрытий и перекрытий в форме оболочек со значительной подъемистостью;
• — выполнением фальшивых оконных проемов с размещением за ними ярких фотопейзажей (с развитием техники голографииголографических картин).

Рис. 6.20. Типы и схемы освещения жилых, общественных и производственных зданий: а, б — жилые обвалованные; в — мелкого заложения; г — е — на склонах; ж — мобщественные; н — гараж; п — р — производственные многоэтажные; с — в горной выработке; т — ф — глубокого заложения; 1 -здание; 2 — шахта для ввода освещения; 3 -окно; 4 — отражающий цилиндр; 5 — вход в кинотеатр; 6 — надземное здание; 7 — армирование целика породы; 8 — обделка из железобетона, стали, чугуна.

При экономическом обосновании необходимо сопоставлять первоначальные затраты на строительство обычных и заглубленных зданий и расходы на энергию, содержание, ремонт (т. е. эксплуатационные расходы), а в ряде случаев учитывать и особенности эксплуатации (отсутствие вибрации и др.). Для подземных зданий характерны преимущества при эксплуатации в результате экономии электроэнергии, отсутствия вибрации, колебаний температуры. Первоначальные затраты на строительство могут быть ниже, чем для наземных зданий, если используют готовые выработки, созданные в прочном грунте, или выше, если разрабатывают грунт и затем устраивают фундамент, стены, перекрытия, подобные конструкциям наземных зданий. Так, первоначальная стоимость жилых полузаглубленных домов на 30% выше, чем при наземном размещении. Однако в результате снижения расхода энергии на отопление эффективность полуподземного здания постепенно повышается.

С целью исключения фильтрации грунтовых вод в подземное здание и защиты железобетона от действия агрессивных грунтовых вод устраивают гидроизоляцию. Ее предусматривают в виде наружного покрытия, внутренней гидроизоляции или закрепления грунта силикатизацией, цементацией, смолизацией, битумизацией. Необходима также изоляция от проникновения в подземное помещение газов (особенно радона) и мероприятия по очистке воздуха. Для экономической оценки городских земель и эффективности подземного строительства служит комплекс градостроительной оценки территорий по двум показателям — инженерно-экономическим и социально-экономическим. Сэкономленные в результате подземного размещения зданий территории оценивают инженерно-экономическими и экологическими показателями.

Общественные здания, в которых не требуется естественное освещение, можно выполнять заглубленными, без естественного освещения, с различной степенью заглубления: например, кинотеатры — при минимальном заглублении, обеспечивающем создание озеленяемого пространства над покрытием; другие учреждения, предприятия (например, гаражи) — при глубоком заложении. Как показывает опыт строительства, в том числе имеющего и массовый характер, в конструкциях жилых зданий успешно используют железобетон (сборный и монолитный), кирпич, дерево, сталь; применяют плоскостные и пространственные конструкции. Чаще в конструкциях стремятся создать пространственную форму, легче вписывающуюся в рельеф склона, обеспечивающую впечатление легкости покрытия. Интересным решением является бетонирование куполов на обвалованных жилых зданиях в надувной опалубке или методом торкретирования по пластмассовой опалубке на ребрах жесткости из проката.

Рис. 6.21. Общий вид полу заглубленных жилых зданий: а — возвышающиеся; б — сквозные; в — атриумные; г — на склонах.

Одна из особенностей конструктивных решений заглубленных зданий — в учете повышенной теплозащиты из-за обваловки грунтом. Поэтому на большей части наружной поверхности не требуется такая же толщина стен, как и для наземной части из условия теплотехнического расчета, или такая же толщина слоя теплоизоляции на покрытии. Достаточна уменьшенная толщина железобетонных или кирпичных стен с устройством эффективной дополнительной наружной теплоизоляции, обычно в верхней части заглубленного здания. Возможно и традиционное решение стен заглубленного жилого дома, когда они имеют постоянную толщину, вычисленную из расчета верхней части стен, контактирующей с наружным воздухом. Тогда отпадает надобность в выполнении вертикальной теплоизоляции по обвалованным наружным стенам, устраивают только гидроизоляцию и слой дренажа. Это решение менее экономично, чем проектирование стен с перепадом толщины с эффективной теплоизоляцией. Поэтому в описанных ниже узлах даны решения вертикальных наружных поверхностей с теплоизоляцией.

Жилые обвалованные здания на ровном рельефе или на склонах сооружают в один — два этажа, как правило, в виде индивидуальных отдельно стоящих домов. Однако на склоне, таким образом, может быть построено и многоэтажное террасное полузаглубленное здание. По конфигурации полузаглубленные жилые дома можно разделить на возвышающиеся, сквозного типа и атриумные (рис. 6.21); к ним следует добавить и здания на склонах. Возвышающиеся здания отличаются тем, что одна сторона свободна от засыпки, располагаются они чаще всего на наклонном рельефе (лучше с ориентацией открытой стены с окнами на юг). Их покрытие может быть обваловано или не покрыто грунтом, на нем выполняют уклон в соответствии с уклоном обваловки. Здание характеризуется односторонней пригрузкой от обваловки. При строительстве и на ровном участке требуется грунт для трехсторонней обваловки и небольшого заглубления здания. В плане рекомендуется не увеличивать размер свободной от засыпки стены с целью снижения теплопотерь.

При планировке возвышающегося жилого дома все основные помещения располагают у открытой стены, причем параллельно этой освещенной поверхности устраивают за основными помещениями коридор, а за коридором — подсобные помещения (санузлы, кладовые, кухня и др.). Ввиду того, что только через одну сторону здания в него проникает свет, стремятся выполнить жилой дом компактным в плане, переходя, при необходимости, к двухэтажному зданию, или к созданию второй открытой стены, или к ломаной, криволинейной форме здания в плане. Здание сквозного типа располагают на спокойном рельефе, оно имеет ряд световых проемов в нескольких направлениях, характеризуется небольшим заглублением в грунт, входами со всех сторон, обваловкой отдельных частей стен и кровли. Обваловка кровли, как правило, горизонтальна. В таких зданиях давление грунта благоприятно, нет односторонней нагрузки. Освещение и проветривание эффективнее, чем возвышающегося, в связи с устройством большого числа проемов. Оконные проемы выполняются по периметру в наружных стенах. В местах границы между обваловкой и открытыми фасадами, а также на участках подходов к зданию необходимо предусматривать подпорные стены.

Здания атриумного типа отличаются устройством внутреннего дворика или пространства, через которое проникает свет, воздух, осуществляется сообщение между примыкающими к атриуму частями здания. Атриумное здание может быть четырехсторонним с закрытым внутренним двором или с открытой четвертой стороной. По периметру внутреннего двора располагают комнаты, далее — кольцевой коридор. Подсобные помещения находятся в неосвещенной части, у наружных стен. Атриум может быть перекрыт прозрачным ограждением, при этом он используется как аккумулятор тепловой энергии. Доступ в атриумные здания предусматривают через лестницу сверху или через боковую открытую четвертую сторону здания. Все окна выходят внутрь атриума.

Здания на склонах, частично заглубленные в грунт (террасного типа), имеют одну открытую для освещения и вентиляции сторону. Отдельные этажи располагают со сдвижкой в плане, зависящей от уклона рельефа, при этом на части кровли каждого этажа устраивают горизонтальную обваловку. Такие здания могут быть многоэтажными и развитыми в плане, при этом возникает проблема устройства коммуникаций. Для движения людей устраивают наклонные лифты, лестницы. Как и в других типах зданий, у открытой стены проектируют основные помещения, за ними — коридор, освещаемый вторым светом, а далее — подсобные помещения. В общем случае конструкции жилого заглубленного или обвалованного здания состоят из следующих элементов: покрытия (с гидроизоляцией, утеплителем, дренажем); стен наружных (с гидроизоляцией, утеплителем, дренажом) и внутренних; фундаментов; парапетной стенки, испытывающей давление грунта; междуэтажных перекрытий; подпорных стен снаружи и внутри здания. Простой конструктивной схемой здания считается плоскостная (конструкции покрытия, перекрытий, стен и фундаментов состоят из плоских элементов). Однако, в связи с большими нагрузками от грунта и эстетическими требованиями более предпочтительна пространственная конструктивная схема.

Один из важных вопросов проектирования — взаимосвязь заглубленных зданий с рельефом грунта. Для ровного рельефа рационально проектирование полузаглубленных или обвалованных зданий с отсыпкой небольших насыпей вдоль наружных стен. На пологом (небольшом) уклоне можно полностью или частично заглубить здание в грунт.

Не менее важно правильно выбрать конструктивное решение жилого дома. Обычно разделяют два типа: более удобные для внутренней планировки плоские конструктивные элементы и менее удобные пространственные (сводчатые, сферические и др.). Плоские покрытия позволяют организовать удобные плоские или скатные кровли с небольшим слоем обваловки (рис. 6.22). При плоских конструкциях стен облегчается проектирование освещения.

В случае если предусматриваются пространственные конструкции, то затрудняется устройство кровли, усложняется выполнение световых проемов и др. Вместе с тем эти конструкции помогают воспринимать увеличенные распределенные нагрузки на покрытие при меньшем расходе материалов, повысить размер пролетов без внутренних опор, улучшить архитектурную выразительность интерьера жилых зданий. Плоские конструкции покрытия устраивают обычно в виде многопустотных сборных предварительно напряженных плит с теплои гидроизоляцией. По плитам укладывают слой выравнивающей цементной стяжки толщиной 20…40 мм, по стяжке — гидроизоляцию, далее — жесткую теплоизоляцию толщиной 150 мм, дренирующий слой песка 75 мм и растительный грунт. Толщину слоя грунта над покрытием принимают исходя не только из минимальных теплопотерь, но и с учетом вида растительности на поверхности. Для травяного покрова достаточен слой грунта толщиной 45 см, для мелких и средних кустарников — до 75, для небольших деревьев — около 100 см. Обвалованное здание стремятся вписать в естественный пейзаж, высаживая растения, характерные для местности. Грунт для засыпки используют в виде смеси местного грунта с добавками, помогающими росту зеленых насаждений. В местах интенсивного пешеходного движения в грунтовую смесь добавляют до 90% песка. В состав грунтовой смеси обычно вводят просеянный верхний слой грунта — 10%, песок — 40…50 и торф −26…−50%. Жилые дома возводят в открытом котловане и выполняют из монолитного или сборного железобетона; стены могут из кирпича, блоков, панелей, внутреннюю обшивку лучше устраивать из дерева. Фундаменты заглубленных жилых домов чаще всего выполняют ленточными из монолитных или сборных блоков.

Для возвышающихся зданий с односторонним горизонтальным давлением грунта изменяют ширину подошвы фундаментов в соответствии с расчетом. Глубину заложения фундаментов под свободные стены устанавливают как для фундаментов надземных зданий, а для обвалованных стен — с учетом высоты обваловки, как для фундаментов зданий с подвалом. Так как для двухэтажных возвышающихся зданий суммарное значение бокового давления грунта велико и ему не противодействует давление с противоположной стороны, здание по подошве рассчитывают на сдвиг. Для удержания откосов грунта в местах прохода и проезда к обвалованному зданию служат архитектурно выразительные подпорные стенки (рис. 6.23).

Иногда экологичные обвалованные жилые здания могут быть вполне конкурентоспособны как по стоимости строительства, так и по затратам в период эксплуатации, по сравнению с традиционными типами жилых домов: например, в поселке Хокертон (Англия) готовится строительство нескольких запроектированных недорогих жилых домов, которые северной стороной врезаются в холм, а на открытой южной стороне расположены широкие окна и остекленные двери. Здание утеплено по периметру (со стороны грунта) слоем пенополистирола, дополнительной теплоизоляцией служит грунт обваловки, в том числе на озелененной кровле.

Все жилые дома почти полностью автономны, местное водоснабжение предусмотрено из артезианской скважины, местная канализация замкнута на выработку удобрения, установлен ветроаг-регат, на юг ориентированы солнечные батареи и гелионагреватели на кровле. Один трехспальный дом стоит 50 тыс. фунтов стерлингов, что сравнительно немного для условий Англии. Здания не только будут очень дешевы в эксплуатации, но и не нарушают экологическое равновесие.

Здания общественного назначения могут быть выполнены при самом различном заглублении как атриумные, возвышающиеся, сквозные, на склонах и пр.

Рис. 6.24. Типы общественных зданий: а — атриумные; б, в — возвышающиеся; г — сквозное; д — мелкого заложения; е — на склоне; 1 — обвалов-ка; 2 — атриум; 3 — фундамент; 4 — обвалованная стена; 5 — перекрытие; 6 —покрытие; 7 — подпорная стена.

Но здания с постоянным пребыванием детей (школы и пр.) должны иметь естественное освещение. Атриумное здание Квебекской консерватории имеет подземный двор — атриум, в который выходят два яруса основных помещений и балкон второго яруса (этажа). Интересно обвалованное атриумное здание детского сада в г. Осака (Япония), сообщающееся с наружной территорией через четыре прохода, соединенные с внутренним двором, имеющим озеленение и бассейн.

Возвышающееся здание двухэтажной школы в г. Джефферсон (США) снабжено дополнительным световым фонарем для освещения помещений, удаленных от свободной стены. Трехэтажный общественный центр микрорайона во Франции выполнен сквозным, обвалованным и не заглубленным относительно грунта. Очень просты по технологии строительства решения подземных кинотеатров — типовой проект ЦНИИЭП учебных зданий (см. рис. 6.24,д) и предложение автора по устройству кинотеатра в холме. В настоящее время разработаны и осуществлены сотни оригинальных проектов общественных центров (один из самых известных — подземный центр в Париже), различных общественных зданий. Недавно в Скандинавии построен большой олимпийский стадион под землей.

Конструкции зданий производственного назначения могут быть самыми разнообразными по объему, заглублению, количеству ярусов.

Наиболее широко распространены одноярусные здания, они просты в производстве работ. Они могут быть выполнены как из монолитного, так и из сборного железобетона. Особенностью таких зданий является действие симметричных противоположно направленных горизонтальных сил, что исключает необходимость устройства систем связей (как это делается в наземных зданиях). В конструкции зданий входят, как обычно, фундаменты, стены, колонны, ригели и плиты. Наиболее ответственными узлами таких зданий, как и вообще всех подземных объектов, являются узлы и стыки, крепления колонн и стен, а также стыки между отдельными стеновыми блоками и панелями. Эти узлы воспринимают большие моменты вследствие значительного горизонтального и вертикального давления грунта, а также могут быть местами протечек грунтовой воды. Для создания водонепроницаемых стыков рекомендуется применение для заделки расширяющегося бетона на напрягающем цементе НЦ.

Основным элементом, воспринимающим вертикальное давление грунта в таких зданиях, является покрытие. Как правило, в подземных зданиях, как и в любых производственных объектах, стремятся к максимально возможному шагу колонн и росту пролетов. В таких условиях наилучшей конструкцией, хорошо воспринимающей распределенное давление грунта высокой интенсивности, а также создающей визуальное впечатление легкости покрытия и отсутствия тяжелой нагрузки на нем, является пространственное покрытие (рис. 6.26). В качестве покрытий могут быть применены практически любые оболочки, структуры, мембраны, а также эффективные большепролетные предварительно напряженные плиты — коробчатые, «двойное Т». Сетка колонн таких зданий может быть до 24×24 м и даже больше, при толщине грунтового покрытия до 3 м, вполне достаточной для устройства озеленения. Путем устройства фонарей на наиболее высокой части оболочек можно ввести в здание дневной свет. Для повышения эффективности освещения можно использовать концентраторы светового потока, в том числе и управляемые компьютером для слежения за солнцем. Ввод дневного света возможен несколькими методами:

• 1. Световые фонари, выполняемые на покрытии подземных зданий, и располагающиеся выше дневной поверхности грунта.
• 2. Вертикальные шахты, в том числе с системами зеркал, с цилиндрическими зеркалами, служащими для отражения дневного света в глубь помещений нижних ярусов.
• 3. Трубы, покрытые внутри светоотражающей пленкой; при вводе света в одном из торцов таких труб и устройстве боковых проемов в них из этих проемов будет поступать свет.

Такие трубы можно распределить на разных ярусах, а в торцы их вводить сконцентрированный при помощи зеркал дневной (или солнечный) свет.

• 4. Ввод концентрированного потока света в вертикальную шахту и распределение его в горизонтальном направлении по ярусам с помощью системы зеркал.
• 6. Устройство солнечных батарей с аккумуляторами над подземным зданием и постоянное освещение его помещений с помощью этого источника, с использованием энергоэкономичных ламп и автоматическим включением и выключением их при перемещении людей.

Для устройства протяженных одноярусных зданий неглубокого заложения рационально применение арочных покрытий, выполняющих двойную роль — покрытия и стенового ограждения.

Арки могут быть выполнены из стального гнутого профиля, или таврового и коробчатого поперечного сечения из железобетона. Наиболее эффективно использование полуарок, объединяемых на монтаже сварным стыком в цельную арку. Получаемые в таких зданиях большие подземные объемы могут использоваться как одноярусные, или как многоярусные, если устроить встроенные сборно-разборные этажерки. Если верхнюю часть арочного покрытия поднять над дневной поверхностью грунта, то можно осветить здание, заменив бетон стеклоблоками в плите арки.

Многоярусные производственные здания могут быть каркасными, или с неполным каркасом. Шаг колонн в многоярусных зданиях — 6 м, пролет же может быть увеличен до 12 — 18 м, а пролет верхнего яруса, нагруженного весом небольшого почвенно-растительного слоя, — до 24 — 36 м.

Для многоярусных подземных производственных зданий применяются конструкции, наилучшим образом, воспринимающие интенсивные горизонтальные и вертикальные нагрузки! При сравнительно неглубоком заложении и отсутствии грунтовых вод можно применять обычные ленточные, столбчатые и свайные фундаменты. Для восприятия горизонтальных нагрузок подошва фундаментов может быть наклонена или иметь специальный «зуб». Если есть необходимость в защите от грунтовых вод — нужно выполнить полностью изолированное от грунта здание с фундаментом в виде сплошной плиты, а при большом заглублении — в виде выпуклой в сторону грунта оболочки. Экономически эффективное стеновое ограждение производственных «зданий — выпуклые в сторону грунта оболочки, лучше всего — цилиндрические. Подъемистость оболочек может увеличиваться по мере роста глубины и интенсивности давления грунта. Работая преимущественно на сжатие, оболочки имеют минимальную толщину, не подвержены образованию трещин и проникновению воды. Лучшим подземным зданием с точки зрения минимизации расхода материалов, обеспечения долговечности, является здание с ограждающими конструкциями, в том числе и фундаментами, выполненными в форме оболочек.

В связи с необходимостью освоения созданных человеком открытых выработок возникла необходимость строительства в этих выработках, отличающихся обычно прочными грунтами. В них могут быть построены подземные или надземно-подземные здания обычных типов. Подземные или наземные выработки характеризуются самыми различными размерами и глубиной заложения (табл. 6.1). Проблема освоения таких разнообразных выработок появилась недавно, поэтому пока нет широкого комплекса архитектурно-конструктивных для строительства в полученных подземных (закрытых или открытых) объемах. Между тем открытые выра ботки загрязняют ландшафты, а закрытые — могут быть причиной осадки дневной поверхности. Поэтому выработки нужно застраивать, заполнять, чтобы, во-первых, продуктивно использовать эти большие объемы, и, во-вторых, исключить их повышенную деформируемость. Параметры выработок, остающихся после добычи сырья Таблица 6.1.

Здания в выработках имеют особенности: во-первых, размеры зданий заданы габаритами выработок; во-вторых, крепость вмещающего грунта может быть настолько велика, что не требуется какое-либо его крепление, и затруднена его разработка. Поэтому здание можно вписать в выработку, ограничившись устройством панелей потолков и стен, играющих декоративную роль (рис. 6.29). Прочный грунт можно использовать и для опирания перекрытий через опорные подушки.

Подземные здания выполняют разнообразными способами, причем некоторые из них позволяют возводить объекты практически без нарушения почвенно-растительного слоя, или в условиях плотной городской застройки. При этом наружная гидроизоляция может быть совершенно надежна, если использовать укладку сплошной мембраны из пластика, прикрепленного к бетону анкерами, изготовленными совместно с пленкой (пластиной). Для свободного стока поверхностной грунтовой воды вниз по стене к дренажной трубе рекомендуется укладка по гидроизоляции специального слоя дренажного покрытия из пластика.

Подземное размещение ряда объектов в городе (например, стоянки автомобилей) весьма эффективно с экологической точки зрения (рис. 6.30). На территории двора нет ни одного автомобиля, жильцы въезжают в подземный гараж и затем прямо из него поднимаются в квартиры. Поэтому территория такого двора может быть интенсивно озеленена, и безопасна для отдыха детей.

Нами с помощью студентов было выполнено опытное эскизное проектирование подземного автохозяйства, расположенного в настоящее время как плоскостной объект в конце улицы Б. Академической г. Москвы. Автохозяйство имеет большую бетонированную площадку для стоянки автобусов и машин, корпус для их обслуживания, административное здание. Рядом с ним расположены жилые дома. Проектируемое подземное здание имело 3 яруса высотой по 7,2 м, каркас был выполнен в сборном железобетоне, с сеткой колонн нижних ярусов 12×24 м и верхнего — 24×24м. В качестве покрытия здания была запроектирована пологая оболочка на квадратном плане. На поверхности по проекту оставался только небольшой въезд, ниже шли пандусы для проезда на ярусы. Над покрытием подземного здания оставлен почвенно-растительный слой толщиной не менее Зм, по которому устроен парк. Были получены следующие положительные результаты:

Практически полное исчезновение с поверхности загрязняющего (в том числе и визуально) объекта. Почти полное сокращение площади застройки.

Освобождение дневной поверхности под парк.

Исключение платы за землю со стороны автопредприятия.

Повышение долговечности кузовов ввиду сокращения атмосферных воздействий.

Повышение защиты против краж оборудования.