Одним из возможных вариантов решения возникших проблем может стать развитие «многоуровневого» использования городской среды с активным освоением подземного пространства. Этому способствует широкий диапазон номенклатуры возможного размещения объектов в подземном пространстве, а также большой и продолжительный опыт работы в данной области в нашей стране и за рубежом

В общем комплексе городских транспортных сооружений важное место занимают подземные сооружения. Наряду с отдельными, не связанными между собой подземными сооружениями возводятся крупные подземные транспортные и многофункциональные комплексы (рис.1), соединенные сетью протяженных тоннелей.

Рис. 1 . Развитие уровней городского подземного пространства

Современные города расширяются не только по горизонтали, но и по вертикали с использованием наземного и подземного пространства. Вертикальное зонирование способствует разделению транспортных и пешеходных потоков, транзитного и местного, скоростного и обычного транспорта [1].

Возрастающие объемы жилищного и коммунального строительства, дальнейшее развитие дорожно-транспортных сетей, возведение новых инженерных объектов и сооружений, промышленных предприятий и т. п. требуют отвода значительной городской территории, дефицит которой, особенно в центральных районах городов с каждым годом возрастает. Необходимо повышение плотности застройки, образование новых искусственных уровней, использование объемных градостроительных решений. При этом возможны различные варианты расположения транспортных магистралей и пешеходных путей: в уровень с землей, над или под землей (рис.2).

В настоящее время разрабатывается новый генеральный план города Москвы, в который впервые включены зоны многофункционального общественного подземного пространства. Определены перспективные территории его освоения и сформированы детальные концепции для инвесторов [2].

Успешному решению городских транспортных проблем способствуют комплексное освоение и использование подземного пространства, т. е. размещение под землей различных объектов и сооружений для пропуска транспорта и прокладки инженерных коммуникаций, временных и постоянных стоянок автомобилей, объектов инженерного оборудования, предприятий торговли, коммунального обслуживания и т. п.

Рис. 2 . Вариант транспортного использования городского подземного пространства

1 – гаражи-стоянки, 2 – тоннель для пешеходов, 3 – транспортный тоннель.

В первую очередь подземное пространство должно осваиваться в центральных районах городов, имеющих наибольший дефицит в свободных территориях и максимально загруженных транспортом, с учетом естественного рельефа местности (холмов, возвышенностей, откосов, горных склонов и т. п.), что в значительной степени облегчает устройство подземных путей [4]. При разведке района расположения подземного сооружения выполняются следующие мероприятия:

- уточнение рельефа местности;

- разметка места посадки подземного сооружения;

- установление характера зале­гания грунтов, определение их вида, состояния и характеристик;

- выявление высокого уровня грунтовых вод (ВУГВ).

Эти сведения получают в результате изучения карт, в том чис­ле геологических, справочников и других материалов, а также путем обследования района возведения сооружений и бурения скважин. Характер залегания грунтов и их характеристики выявляются до глубины на 2—4 м ниже пола подземного сооружения, кото­рая определяется с учетом необходимой величины защитной грун­товой толщи.

Комплексное использование подземного пространства ограничивает дальнейший рост территории крупных и крупнейших городов и позволяет радикально решить многочисленные градостроительные, транспортные, инженерные и социальные задачи. При активном использовании подземного пространства появляется возможность:

- значительно улучшить архитектурно-планировочную структуру городов;

- освободить поверхность земли от многочисленных сооружений вспомогательного характера;

- рационально использовать городские территории для жилищного строительства, создания парков, скверов, стадионов, зеленых насаждений, «безавтомобильных» зон;

- улучшить санитарно-гигиеническое состояние города;

- сохранить архитектурные памятники;

- эффективно разместить объекты инженерного оборудования;

- использовать в случае необходимости подземные сооружения для целей гражданской обороны [3].

При освоении подземного пространства следует принимать во внимание факторы, которые приводят как к увеличению, так и к уменьшению удельных показателей стоимости строительства. Проекты подземного строительства обладают социальной эффективностью, которая практически не поддается стоимостной оценке, при этом может быть определена на основе анализа следующих факторов: безопасность дорожного движения пешеходов, общественного транспорта и автомобилистов в местах пересечения УДС (количество аварий, число травм); обеспеченность территории объектами социальной инфраструктуры; обеспеченность парковками; обеспеченность «открытыми общественными пространствами»: спортивными площадками, выставочными залами, мини-кинотеатрами и т. п.; создание условий для развития малого бизнеса (строительство объектов торговой, офисной недвижимости) [1].

Решение транспортной проблемы возможно за счет:

- обеспечения непрерывного и скоростного движения городского транспорта;

- разделения пешеходных и транспортных потоков;

- создания компактных транспортных комплексов (пересадочных узлов, вокзалов и т. л.);

- организации автомобильных стоянок;

- улучшения транспортного обслуживания населения.

Подземное строительство осложняется тем, что имеет большое количество скрытых опасностей, к тому же условия работы могут неожиданно меняться. Это обусловлено рядом проблем инженерно-геологического характера, которые непременно учитываются и принимаются во внимание в строительном процессе. Вдобавок к этому при подземном строительстве необходимо использовать современные строительные материалы, отвечающие сложным условиям расположения объекта.

Перспективным направлением в этом вопросе является производство строительных материалов с применением нетрадиционного сырья – отходов промышленности (золошлаковых смесей) и золы уноса (см. табл. 1).

Таблица 1. Виды продукции, произведенной с добавлением компонентов ЗШС

В последние годы использование вторичных ресурсов в производстве строительных материалов изучается многими отечественными и зарубежными исследователями.

Научная школа под руководством д.т.н. В.С. Лесовика и д.т.н. В.В. Строковой БГТУ имени В.Г. Шухова изучает и разрабатывает способы использования ЗШС тепловых электростанций в качестве наполнителя для цементных строительных материалов [2]. Коллектив ученых из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого под руководством д.т.н. Н.И. Ватина совместно с зарубежными учеными работает над проблемой эффективного использования отходов тепловой энергетики [3]. Китайские ученые достигли больших успехов в производстве бетона с высокими эксплуатационными свойствами за счет использования модифицированной золы-унос и нанокремнезема [4].

Ведущими учеными в области геоэкологии, также, разрабатываются способы решения проблемы загрязнения окружающей человека среды и природных экосистем тяжелыми металлами и процессы получения геополимерного бетона из обработанных щелочным раствором (силикатов натрия Na₂O(SiO₂)_n и (или) калия K₂O(SiO₂)_n) компонентов ЗШС путем формирования геополимерного материала [5, 6, 7].

Переработку отходов теплоэнергетики выполняют по двум направлениям: производство вторичных строительных материалов и производство товарной продукции. Благодаря этому получены эффективные композиционные цементы и бетоны с применением местного сырья и отходов предприятий промышленности (золошлаковых смесей) для комплексного формирования перечня инновационных строительных материалов и конструкций [8].

Геоэкологические аспекты утилизации золошлаковых отходов, образующихся при сжигании твердого топлива на энергоустановках тепловых электростанций (ТЭС) и накопленных на специализированных полигонах, необходимо решать путем производства геополимеров. Основой геополимерного бетона являются продукты, остающиеся после сжигания каменного угля, такие как зола-унос, шлак, ЗШО – то есть такой материал, который в основном состоит из алюмосиликата. Кроме того, компонентами геополимерных вяжущих могут быть:

• алюмосиликатные материалы природного и искусственного происхождения;
  
• термически обработанные каолины;
• полевошпатные и другие горные породы.

Научно-прикладные исследования по разработке комплексной экономически эффективной технологии переработки гидратированных золошлаковых отходов углесжигающих электростанций и отходов углеобогащения проводятся лабораторией технологий использования вторичных ресурсов Политехнического института ДВФУ под руководством к.х.н. А.В. Таскина, совместно с Дальневосточным представительством международного научно-образовательного центра «Геоника (геомиметика)» [9].

Согласно ГОСТ 31108-2016 и ГОСТ 25818-2017, зола подразделяется на основную (с высоким содержанием CaO) и кислую (с высоким содержанием SiO₂), где кислая демонстрирует пуццоланические свойства, а основная может проявлять гидравлические свойства. Высококальциевая (основная) зола обладает более чем 10% содержания CaO, а смешанное содержание оксидов Al₂O₃, SiO₂ и Fe₂O₃ варьируется от 50 до 70%. Низкокальциевая зола-уноса класса F, на основе антрацитового или каменного угля, содержит менее 10% CaO, в то время как остальные составляющие представлены оксидами алюминия, кремния и железа [10, 11].

Ценность подобных сырьевых ресурсов повышается, если попутно происходит утилизация различных отходов, например, гидроудаленных золошлаковых смесей. В сочетании с основным компонентом ЗШО, который активируется растворами гидроксида или силиката натрия или калия, используются модифицирующие добавки, такие как гидроокись алюминия, гранулированный шлак, каолин и метакаолин [12].

При создании геополимерного вяжущего на основе активации алюмосиликатов, полученных из золы, растворами щелочей происходит процесс, в результате которого, получается твердая алюмосиликатная структура похожая на камень. При изготовлении образцов геополимерного бетона в лаборатории «Использование технологии вторичных ресурсов» ДВФУ, смесь была уложена в формы размером 160x40x40 мм, подвергнута вибрационному уплотнению, а после высушена в сушильном шкафу при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 70 часов [13].

В результате получились образцы прямоугольного сечения (рис. 1). Которые затем прошли испытания на соответствующем оборудовании на изгиб при растяжении и предел прочности при сжатии.

Рисунок 1. Образцы геополимерного бетона

Для приготовления бетонной смеси на геополимерном вяжущем необходимо:

• провести очистку ЗШО от недожога и металлов;
  
• прокалить золошлаковую смесь в муфельной печи;
  
• приготовить раствор активатора (зола, обработанная щёлочью в процессе автоклавирования);
  
• смешать мелкие и крупные заполнители и золу в сухом виде и перемешать;
  
• ввести активатор в сухую смесь и перемешать;
  
• распределить раствор по формам;
• подвергнуть раствор вибрационному уплотнению и сушке.

Заключение

Разработка научно обоснованного технологического способа производства геополимерных строительных материалов позволит решать геоэкологические задачи крупнотоннажной утилизации золошлаковых отходов и перевода предприятий энергетики на малоотходный режим работы.

Геополимерный бетон, произведенный на основе золошлаковых отходов, может иметь значительные преимущества перед обычным портландцементным бетоном по эксплуатационным характеристикам. Использование золошлаковых отходов и активаторов гарантирует высокую прочность, коррозионную стойкость и долговечность бетона.

Проводя геоэкологические мероприятия использования золошлаковых отходов, включая их воздействие на окружающую среду, выявляются преимущества и использования этих отходов в различных отраслях промышленности, таких как строительство, добыча полезных ископаемых и производство энергии, расширяются возможности применения ЗШО.

Кроме того, становится возможным устойчивое управление процессом утилизации золошлаковых отходов, минимизируя их негативное воздействие на окружающую среду.