Становление строительной геотехнологии как науки

Становление строительной геотехнологии в России относится к началу XX века и связано с созданием научных основ проектирования и строительства шахт и рудников, организацией исследований по проблемам горного дела и строительной геотехнологии в частности.
Интенсивное развитие строительной геотехнологии в основном относится к 30-40-м годам прошлого века. Этому в значительной мере способствовало внедрение механизации основных процессов горнопроходческих работ на базе электрификации горной промышленности. В этот период были начаты исследования по разработке специальных способов строительства выработок с применением сжатого воздуха, замораживания водоносных и тампонирования трещиноватых горных пород и их реализация в практике. Разрабатывались способы бурения стволов и скважин большого диаметра.
Большое значение в этот период сыграли систематизация, анализ и обобщение производственного опыта в области проведения горных выработок обычными и специальными способами, оптимизации параметров буровзрывного комплекса, создания мобильных средств механизированной погрузки породы и тяжелых бурильных машин, а также средств проходческого водоотлива и вентиляции.
В 50-60-х гг. меняются и совершенствуются техника и технология проходческих работ. Создаются и внедряются высокопроизводительные машины и комплексы, механизирующие бурение шпуров и погрузку породы при проходке стволов. Развиваются исследования процессов проходки стволов и определяются области целесообразного применения различных средств механизации. Разрабатываются рекомендации по совершенствованию технологии бурения шпуров, погрузки породы, проходческого подъема, водоотлива, вентиляции, возведения постоянной крепи, армировки и других процессов.
При строительстве горизонтальных выработок внедряются новые типы пневматических бурильных машин с механической подачей на забой, высокопроизводительные погрузочные машины различного типа, совершенствуется призабойный транспорт, организуются массовые скоростные проходки, внедряются проходческие комбайны и щитовые комплексы. Разрабатываются новые конструкции крепей и механизмов для их установки в выработке, применяются научно-обоснованные методы расчета крепи. Проводятся исследования по разработке различных типов буровых установок для бурения стволов и скважин большого диаметра. Выходят в свет фундаментальные научные труды по бурению стволов, искусственному замораживанию пород при проведении горных выработок, химическому закреплению песчаных грунтов. Разрабатывается теория процессов теплопередачи в горных породах при их замораживании.
Получают широкое развитие исследования в области тоннелестроения и метростроения. Начиная со строительства первой очереди Московского метрополитена, научные исследования были направлены на создание высокопроизводительной техники для строительства тоннелей, новых технологических процессов, прогрессивных конструкций тоннелей. Для отечественного тоннелестроения характерен массовый переход от чугунных обделок к железобетонным, обоснование и внедрение технологии щитового способа строительства тоннелей мелкого заложения и др.
Получает развитие строительство подземных гидротехнических сооружений. В состав комплексов подземных гидросооружений, располагаемых преимущественно в скальных породах, входят тоннели, шахты, камеры, конструкции которых чрезвычайно разнообразны. К специфике этих сооружений относятся и их размеры. Площадь поперечного сечения тоннелей для пропуска воды достигает 290 м2, площадь камерных выработок для размещения в них машинных залов ГЭС превышает 1500 м2, диаметры стволов шахт - до 30 м. Усилиями отечественных ученых разрабатываются научные основы их проектирования и способы строительства тоннелей и камер с использованием средств комплексной механизации подземных работ на базе самоходного оборудования и применения облегченных крепей, позволяющие вести проходку сплошным забоем и по элементам сечения последовательно или параллельно во времени.
Разрабатываются методы расчета параметров буровзрывных работ, вентиляции, крепления и погрузки породы в тоннелях и камерах, алгоритмы построения циклов проходческих и бетонных работ, обеспечивающие наивысшие для данных условий скорости строительства подземных сооружений.
На рубеже 50-60-х годов была построена первая в мире подземная атомная станция. В эти же годы в горнодобывающих отраслях промышленности внедряются мощные стволовые проходческие комплексы, обеспечивающие высокую механизацию проходки стволов, разрабатываются принципы автоматизации погрузки и выгрузки породы, проходческого подъема, двухступенчатого водоотлива. Отрабатывается новая технология механизации возведения монолитной бетонной крепи с применением створчатой опалубки и подачей бетона в ствол самотеком по трубам. Создаются методы оптимизации продолжительности проходческого цикла, учитывающие глубину шпуров, производительность погрузки и подъема породы, а также горно-геологические и технические условия проходки. На основе научных исследований и обобщений опыта организуются скоростные проходки вертикальных стволов, позволившие установить мировые рекорды. Продолжаются теоретические и экспериментальные исследования по созданию проходческих комбайнов и самоходного оборудования.
В этот же период значительный вклад был внесен в разработку теории разрушения горных пород при бурении, в оптимизацию режимов бурения, создание конструкций бурильных машин и бурового инструмента, средств борьбы с пылеобразованием. Разработаны теоретические основы гидродинамики промывочных растворов, проектирования бурового инструмента, режимов бурения, динамики буровых установок, регенерации промывочного раствора. Обосновывается возможность расширения области целесообразного применения способа замораживания горных пород для строительства стволов в условиях больших глубин, высоких напоров и засоленности подземных вод, температуры среды и фильтрации. Внедряется способ погружения крепи в тиксотропной рубашке при проходке стволов в сложных горно-геологических условиях.
Научные обобщения отечественного и зарубежного опыта обеспечили более высокий уровень производства работ по строительству тоннелей и подземных сооружений большего поперечного сечения. Особо следует отметить разработку и широкое применение механизированных тоннелепроходческих машин, самоходного мощного бурового оборудования. Проводятся исследования по внедрению комбайновой технологии проходки выработок в крепких породах. Внедряется высокоэффективный способ строительства тоннелей с монолитнопрессованной обделкой.
В 70-80-х годах проводятся широкие исследования по обоснованию новых прогрессивных конструкций крепей горных выработок и обделок подземных сооружений, том числе из набрызг-бетона, по разработке анкерной крепи. Формируется научная и учебная дисциплина «Механика подземных сооружений». Проводятся исследования с целью создания конструкций подземных хранилищ нефти и газа и технологий их строительства. Проводятся теоретические и опытно-экспериментальные исследования по применению ядерных взрывов для создания подземных емкостей.
Обобщаются исследования по всему комплексу строительства горных выработок и подземных сооружений в различных условиях. Систематизируются теоретические исследования и производственный опыт строительства тоннелей и подземных сооружений больших размеров, в которых отражены выбор способа и технологии строительства, методы расчета основных параметров производств, процессов организации работ, метод установления области целесообразного применения высокопроизводительных машин и комплексов, научные основы автоматизированных систем проектирования организации и производства горно-строительных работ.
Большое внимание уделяется развитию и совершенствованию строительства стволов с использованием тампонирования горных пород. Развиваются нетрадиционные способы замораживания при строительстве промышленных и городских подземных сооружений.
К настоящему времени исследованиями отечественных ученых-метростроителей были созданы и внедрены прогрессивные конструкции станций односводчатого и пилонного типов глубокого заложения с применением сборного железобетона. В метростроении эффективно используются отечественные механизированные проходческие щиты, комплексы для проходки тоннелей из цельных секций при открытом способе работ.
На базе выполненных исследований и создания конструкций машин и механизмов, схем организации работ формируются методологические основы научно-технического освоения подземного пространства. Все это позволило сформулировать понятие «освоение подземного пространства» как область научной и производственной деятельности по строительству подземных сооружений, а также использованию естественных и техногенных полостей для размещения в них различных по функциональному назначению объектов жизнеобеспечения человеческого общества.
Основополагающей идеей освоения подземного пространства является принцип использования и сохранения недр как видоизменяемого ресурса жизнеобеспечения общества. Указанный принцип предполагает, что извлечение тех или иных ресурсов недр необходимо планировать с учетом возможности создания условий для воспроизводства новых ресурсов, использование которых позволит не только компенсировать первоначальные затраты, но и получать дополнительный хозяйственный, экономический или социальный эффект.
Научное содержание проблемы освоения подземного пространства предполагает использование системных представлений о взаимосвязанности природных и техногенных процессов, динамических характеристик геологических структур Земли, опирается на обширную информационную базу знаний об особенностях рельефа, тектоническом строении, закономерностях проявлений различных физических полей, достижениях в технологиях подземного строительства, создании оборудования для подземных объектов и, следовательно, нуждается в интеграции различных наук. Однако центральное место в системе этих наук, обеспечивающих решение проблемы освоения подземного пространства, занимает строительная геотехнология.