Тоннельное и подземное строительство
Подземное строительство — это специализированная отрасль гражданского и горного строительства, занимающаяся изучением, проектированием и строительством пространств, расположенных под поверхностью земли, как в скальных породах, так и в грунтах. Эта дисциплина приобретает всё большую актуальность в развитии современной инфраструктуры, особенно в густонаселённых городских условиях и в регионах со сложным рельефом, таких как Чили. От туннелей для общественного и дорожного транспорта до гидроэлектростанций, глубоких горных выработок и городских коммунальных сетей — подземные решения позволяют эффективно, безопасно и экологически устойчиво использовать пространство.

В стране с уникальными геологическими характеристиками, такой как Чили, с её высокой сейсмической активностью, крутыми горными хребтами и компактной городской застройкой, подземное строительство не только представляет собой техническое решение территориальных проблем, но и служит катализатором экономического роста, развития транспортной инфраструктуры и безопасности людей. Детальное понимание поведения горного массива, взаимодействия грунта и крепи, а также рисков, связанных с выемкой грунта в изменяющихся условиях, требует междисциплинарного подхода, сочетающего геотехнику, механику горных пород, конструкции и управление рисками.

Целью данной статьи является последовательное и последовательное введение в фундаментальные концепции подземного строительства с учетом чилийской действительности. В ней будут рассмотрены все аспекты, от принципов геотехнического проектирования и выбора методов строительства до эксплуатационных и технологических критериев, позволяющих решать задачи этой дисциплины. Это учебное пособие, предназначенное для студентов старших курсов, а также инженеров-строителей и горных инженеров, заинтересованных в получении всестороннего технического представления о проектировании и выполнении подземных работ в Чили.

Стратегическое значение для Чили

Географические, геологические и городские условия Чили делают подземное строительство основополагающим инструментом развития страны. Вертикальный и горизонтальный рост городов, таких как Сантьяго, Вальпараисо и Консепсьон, наряду с необходимостью сохранения надземного пространства, обусловили использование подземных решений для транспортной инфраструктуры, управления ливневыми стоками, канализации и энергетической инфраструктуры.
Кроме того, страна расположена в Тихоокеанском огненном кольце – зоне высокой сейсмической активности, что предъявляет к гражданским сооружениям высокие требования к прочности и пластичности конструкций. Подземные сооружения, будучи заключёнными в массиве, могут обеспечить благоприятные сейсмические характеристики по сравнению с их наземными аналогами при условии правильного проектирования и выполнения.

В таких странах, как Чили, с обширными горными хребтами, прибрежными городами и высокой сейсмической активностью, подземное строительство особенно актуально. Примеры стратегических применений включают:
Метро Сантьяго, где более 140 км туннелей находятся в эксплуатации и расширяются.
Андские туннели в двусторонних проектах, таких как перевал Лас-Леньяс или Кристо-Редентор.
Подземные гидроэлектростанции, использующие особенности рельефа Анд для создания аддукционных туннелей.
Проекты глубокой добычи полезных ископаемых на севере страны, где входные туннели позволяют разрабатывать минерализованные месторождения под сотнями метров вскрышных пород.

Сегодня подземное строительство объединяет концепции устойчивого развития, городской устойчивости и энергоэффективности. Мегаполисы стимулируют строительство подземных городов, а горнодобывающая промышленность переходит к глубокой добыче с использованием автономных и цифровых систем. Интеграция таких технологий, как BIM, геотехнические датчики, искусственный интеллект и цифровые двойники, переосмысливает жизненный цикл этих проектов. Историческая эволюция подземного строительства
Доиндустриальное происхождение: Использование подземных пространств восходит к древним временам, яркими примерами которых являются гидравлические системы галерей в Персии (кяризы), римские катакомбы и города троглодитов в Анатолии. Эти ранние сооружения возводились из связных материалов или мягких пород с использованием ручных инструментов и на основе эмпирических знаний об устойчивости.

Индустриальная эпоха и механизация: Развитие промышленной революции ознаменовало собой поворотный момент в подземном строительстве. Потребность в железнодорожном транспорте и добыче полезных ископаемых привела к развитию буровзрывных работ и методов крепления, что привело к появлению таких тоннелей, как Монте-Сени (1871 г.) и Готтард (1882 г.). Были внедрены систематические методы крепления с использованием деревянных подпорных стен, металлических ферм, кирпича и раствора. XX век и техническая консолидация: В XX веке подземное строительство оформилось как научная дисциплина, особенно после разработки в 1960-х годах метода NATM (Нового австрийского метода проходки тоннелей), впервые включившего концепцию «массы как части крепи». Также появились первые тоннелепроходческие комбайны (ТПК), началось использование торкрет-бетона и появились достижения в области компьютерного моделирования.

Общее введение в инженерное дело

1. Подземное строительство

Подземное строительство — это техническая и научная дисциплина, которая занимается проектированием, анализом, строительством, эксплуатацией и обслуживанием сооружений, расположенных полностью или частично под поверхностью земли, будь то в грунте или скальных массивах. Эта отрасль инженерии охватывает широкий спектр сооружений, таких как автомобильные и железнодорожные туннели, станции метро, ??гидроэлектростанции, подземные водохранилища, глубокие дренажные системы, горнодобывающие предприятия, городские сети коммуникаций и стратегические складские помещения.
Разработка подземных сооружений требует междисциплинарных знаний, включая геотехнику, структурную геологию, механику горных пород, гидравлику, проектирование конструкций, методы разработки и крепления грунтов, а также технологии мониторинга и управления. В контексте национальной инфраструктуры Чили подземное строительство играет стратегическую роль в устойчивом развитии городов, эффективном использовании природных ресурсов и обеспечении устойчивости к стихийным бедствиям, таким как землетрясения и оползни. В горнодобывающей отрасли Чили является мировым лидером по производству меди, молибдена и лития, что позволило накопить богатый опыт разработки глубоких подземных сооружений,
таких как входные штольни, шахты, галереи, дробильные камеры, вентиляционные системы и фортификационные сооружения. Таким образом, подземное строительство становится сквозным направлением развития чилийской горнодобывающей отрасли.

1.1. Отличительные характеристики подземных работ

Подземные работы обладают рядом отличительных характеристик, которые четко отличают их от наземных строительных работ. Эти характеристики варьируются от геотехнического поведения окружающей среды, строительных и проектных задач до экономических, экологических факторов и факторов безопасности.

1. Прямое взаимодействие с окружающим скальным массивом или рельефом

Одной из наиболее определяющих и отличительных характеристик подземных работ по сравнению с традиционными наземными инженерными работами является прямое, непрерывное и неизбежное взаимодействие с окружающим скальным массивом или рельефом. Это взаимодействие не только определяет конструкцию конструкции, метод строительства и общую устойчивость выработки, но и определяет реакцию системы «выработка-грунт» на механические и структурные свойства геологической среды. В отличие от наземных сооружений, где нагрузки передаются на грунт или скальную породу, выступающую в качестве пассивной опоры, в подземных сооружениях геотехническая среда становится активным структурным компонентом, чье участие определяет как величину напряжений, так и развитие механизмов разрушения. Механическое взаимодействие с грунтом: система «выработка-грунт»
В подземном строительстве поведение конструкции необходимо анализировать с учетом связанной системы «выработка-грунт», где оба компонента влияют друг на друга. Эта система не является ни линейной, ни однородной, а реагирует на набор переменных, включая:
Физико-механические свойства скального массива (прочность, деформируемость, сцепление, внутреннее трение, анизотропия и т. д.).
Геометрию выработки и ее ориентацию относительно геологических структур.
Напряженное состояние в месте проведения работ до начала работ.
Последовательность строительства и степень ограничения, которая сохраняется или теряется в процессе выемки грунта.
Реологические свойства грунта с течением времени (упругость, пластичность, текучесть, ползучесть и т. д.).

Это взаимодействие по сути трёхмерное, хотя его часто изучают в двумерных условиях с разумными упрощениями. В любом случае, воздействие на грунт создаёт возмущение, вызывающее перераспределение напряжений, что может привести к локальной неустойчивости, сближению стен, появлению трещин, обрушений, разбуханию или выдавливанию, в зависимости от типа грунта или породы.

Классификация грунта как среды взаимодействия
С точки зрения взаимодействия со строительной площадкой грунт можно классифицировать как:

Прочный и устойчивый грунт, способный выдерживать выемку грунта с минимальной опорой. Например, массивные граниты.

Слабый или трещиноватый грунт, требующий немедленного применения опорных решений или активного ограничения. Например, выветренные сланцы, слоистые сланцы.

Сжимаемый и реактивный грунт, такой как мягкие глины или водонасыщенные грунты, которые проявляют высокую деформируемость, просадочность или ползучесть. Набухающие или водочувствительные грунты, такие как сульфатные мергели или монтмориллонитовые глины, могут изменять объём или свойства под воздействием воды.
Реакция скального массива на выемку грунта определяет степень и тип развивающегося взаимодействия. Эту реакцию можно измерить с помощью кривых сходимости давления, параметров сходимости и снятия напряжения или трёхмерных численных моделей с использованием программного обеспечения для конечных элементов или конечных разностей.
Влияние выемки грунта: потеря начального равновесия
Каждая выемка грунта создаёт нарушение равновесия напряжений в пласте, изменяя предыдущее состояние напряжений, которое поддерживало устойчивость скального массива. При удалении грунта для создания полости ограничивающие напряжения снимаются и образуется зона разгрузки напряжений, которая часто сменяется зоной концентрации касательных напряжений вокруг границы выемки.
Это перераспределение может привести к:
индуцированному образованию трещин (например, отколу или отслаиванию в твёрдых породах). Пластичность вокруг котлована, приводящая к образованию зон постоянной деформации.
Схождение контура к вырытому пространству, приводящее к остаточным деформациям при отсутствии адекватной опоры.

Распространение ранее существовавших нарушений сплошности, таких как разломы, трещины или слоистости, которые могут дестабилизировать участки вырытой границы.
Это явление взаимодействия подчеркивает фундаментальную роль грунта как естественной структурной опоры, что является центральной предпосылкой NATM (Нового австрийского метода разработки), который направлен на структурное вовлечение грунта посредством адаптивного ограничения.
Роль опоры во взаимодействии
Опора — это не просто пассивный структурный элемент: это технический ответ, предназначенный для изменения взаимодействия между вырытой траншеей и окружающим массивом.
Существует два основных подхода:
Пассивная опора, которая просто противодействует деформациям, вызванным грунтом (например, жесткая крепь).
Активная опора, которая участвует в перераспределении напряжений, ограничивает массив и оптимизирует стабилизацию (например, анкерные болты, раннее набрызгивание торкрет-бетона, гибкие металлические кольца). Выбранный тип крепи радикально меняет взаимодействие с массивом: активная крепь может контролировать начальную конвергенцию, предотвращая переход массива в фазу пластификации или обрушения.
Взаимодействие с грунтовыми водами и гидрогеологическими условиями
Наличие грунтовых вод является фактором, существенно влияющим на взаимодействие конструкции с грунтом. Вода действует как:
Дестабилизирующий элемент, снижая эффективное сопротивление грунта за счет увеличения давления поровой воды.
Химический агент, разрушающий некоторые материалы, влияющий на долговечность крепи.
Активный гидромеханический компонент, способный вызывать потоки, давления и внутреннюю эрозию, которые изменяют равновесие напряжений.
В водонасыщенных или чувствительных грунтах выемка грунта может создавать неблагоприятные гидравлические градиенты, вызывая просачивание, неустойчивость поверхностей забоя, образование трубопроводов и даже сифонирование. Поэтому гидромеханическое взаимодействие является неотъемлемой частью проектирования подземных сооружений.

Значение для проектирования и строительства
Понимание прямого взаимодействия со скальным массивом означает, что проектирование не может основываться исключительно на традиционных структурных параметрах. Необходимо интегрировать:
Репрезентативные геомеханические модели (эмпирические, аналитические или численные).
Геотехнические приборы, позволяющие отслеживать взаимодействие в режиме реального времени (экстензометры, болтовые тензодатчики, измерители конвергенции).
Адаптируемость конструкции к изменениям грунтовых условий.
Планы действий на случай непредвиденных нестабильностей или неожиданной реакции массива.
Короче говоря, взаимодействие со скальным массивом делает каждое подземное сооружение уникальным геотехническим сооружением, в функционировании которого геологическая среда играет активную роль.
Прямое взаимодействие со скальным массивом или окружающей местностью является центральной осью подземного строительства, что является его принципиальным отличием от поверхностных работ.
Эта отличительная особенность требует междисциплинарного подхода, объединяющего передовые геотехнические знания, механику горных пород, структурный анализ, гидрогеологию и практический опыт. Разработка подземного сооружения — это не создание пустоты, а динамическое изменение природной системы, находящейся в равновесии, которое необходимо понимать, контролировать и стабилизировать.
Типы взаимодействия подземного сооружения с окружающим скальным массивом или рельефом

1. Всеохватывающее давление и трёхмерное поведение грунта

В отличие от поверхностных работ, подземные работы тесно взаимодействуют
с окружающей местностью в замкнутой среде, где исходные напряженные условия
скального массива или грунта изменяются в результате выемки грунта. Это условие ограничения создаёт полностью трёхмерное поведение в механической реакции грунта, представляя собой один из наиболее отличительных и влиятельных аспектов
проектирования, строительства и обеспечения устойчивости туннелей, пещер и других подземных сооружений.
Всеохватывающее давление в контексте подземных работ относится к совокупности напряжений, которые грунт естественным образом создаёт во всех направлениях на вырытый объём. Это давление действует как оболочка напряжения, способствующая начальному равновесию
скального массива перед любым вмешательством. Его величина и распределение зависят от напряженного состояния в месте залегания, глубины залегания, механических свойств геологического материала, гидравлического градиента и тектонических факторов. В естественных условиях выделяют два основных компонента:
Вертикальное давление (??): связано с весом вышележащего грунта, также известное как литостатическое давление или вскрышные породы.
Горизонтальное давление (??): возникает в результате бокового стеснения грунта, которое может быть обусловлено пассивными факторами (саморегуляция массива) или активными факторами (тектонические процессы).
Соотношение между этими двумя видами давления выражается коэффициентом бокового давления грунта (K? = ?? / ??), который является важнейшим параметром для оценки степени ограниченности пространства.
Влияние ограниченности пространства на реакцию грунта
При выемке объёма в изначально ограниченном пространстве происходит перераспределение напряжений. Это нарушение создаёт зоны релаксации и концентрации напряжений по периметру выемки, что приводит к появлению таких явлений, как:
• Локальное смятие или откол в своде из-за потери ограниченности пространства. • Отслоения в венцах и фронтонах, зависящие от анизотропии напряжений.
• Пластическая перестройка или ползучесть в мягких массивах или водонасыщенных связных грунтах.
В этом контексте ограничение пространства оказывает стабилизирующий эффект: сохраняя часть напряжения вокруг выемки (например, с помощью раннего укрепления или методов NATM), можно уменьшить деформации, контролировать сближения и ограничить структурную деградацию окружающей среды.

Трехмерная природа поведения грунта
Поведение грунта вокруг подземного сооружения невозможно адекватно описать с помощью одномерных или упрощенных двумерных моделей.
Вместо этого требуется трехмерный подход, учитывая сложное пространственное взаимодействие между:
Геометрией выработки (сечение, длина, кривизна).
Ориентацией главного напряжения относительно оси тоннеля.
Последовательностью строительства и эволюцией крепи.
Наличием зон разломов, литологических контактов или уровня грунтовых вод.
Это трехмерное поведение проявляется в различных формах, включая:
Дифференциальную конвергенцию между сводом, фронтонами и внутренней частью тоннеля.
Смещением оси тоннеля вне плоскости.
Передачей продольных напряжений за счет трения, жесткости крепи или взаимодействия с обделкой. Значение для геотехнического проектирования
Ограничивающее давление и трёхмерная реакция грунта являются переменными, которые напрямую влияют на проектирование туннелей и пещер по нескольким направлениям:
Выбор метода разработки: Такие методы, как NATM, используют остаточное ограничивающее давление для стабилизации окружающей среды перед окончательной облицовкой.
Конструкция первичной крепи: Величина и ориентация напряжений влияют на выбор анкерных болтов, сетки, торкрет-бетона и стальных арок.
Оценка сходимости и времени реакции опоры: Скорость установки опоры должна соответствовать скорости деградации, вызванной ослаблением ограничивающего давления.
Трёхмерное численное моделирование: Моделирование взаимодействия грунта и конструкции требует трёхмерных моделей с расширенными критериями пластичности (например, Хука-Брауна, модифицированного Мора-Кулона, Кэма-Клэя).
Ограничивающее давление и трёхмерное поведение грунта являются основополагающими элементами для понимания и проектирования подземных сооружений. В отличие от наземных сооружений, где нагрузки действуют в чётко определённых направлениях, подземные работы сталкиваются с охватывающим полем напряжений, которое трансформируется в процессе выемки грунта. Способность распознавать, моделировать и контролировать эту трёхмерную среду крайне важна для безопасности, устойчивости и эффективности подземных работ.

Критическая зависимость от результатов геолого-геотехнической разведки

Критическая зависимость от результатов геолого-геотехнической разведки является одним из основополагающих принципов планирования, проектирования и реализации проектов гражданского строительства, горнодобывающей промышленности и подземной инфраструктуры, поскольку качество и глубина знаний о рельефе местности напрямую определяют технический, экономический и эксплуатационный успех любого проекта. Эта зависимость относится к степени, в которой принятие стратегических решений зависит от информации, полученной на этапах предварительного изучения недр, будь то изыскания, лабораторные испытания, структурно-геологическое картирование или геотехническое моделирование. Техническое определение: Критическая зависимость от результатов геолого-геотехнической разведки может быть определена как насущная необходимость иметь точную, репрезентативную и своевременную информацию о горном массиве или природном грунте перед проектированием или строительством инженерного проекта.
Это обусловлено тем, что свойства грунта неоднородны, демонстрируют пространственную изменчивость и могут существенно влиять на устойчивость, долговечность и стоимость проекта. Основы критической зависимости
1) Природа грунта как сложной системы
Скальный массив и грунты представляют собой крайне неоднородные, анизотропные и нелинейные природные системы. Их прочность, деформируемость, проницаемость и поведение под динамическими или статическими нагрузками невозможно оценить без эмпирического анализа. Эта природная сложность означает, что любое проектирование без предварительной разведки сопряжено со значительными неопределенностями.
2) Технические риски, возникающие из-за незнания особенностей недр: К рискам, связанным с недостаточным изучением недр, относятся:
Неустойчивость откосов или забоев котлованов.
Разрушения конструкций из-за неравномерной осадки.
Неконтролируемая инфильтрация грунтовых вод.
Неправильный выбор методов строительства.
Перерасход средств и перерывы в строительстве из-за непредвиденных обстоятельств.

3) Взаимозависимость с проектированием
Геотехнические модели (профили, зонирование, параметры прочности и жёсткости, уровни грунтовых вод и т. д.) являются непосредственными исходными данными для проектирования конструкций, опор и строительной системы. Без них невозможно точное применение стандартизированных методов расчёта или проектирования, а также надёжная оценка взаимодействия грунта и конструкции.

Признаки высокой критической зависимости
Критическую зависимость можно считать высокой в ??следующих случаях:
• Наличие сложных или тектонически измененных геологических условий.
• Подземные среды с риском высокого давления воды или газа.
• Проекты, пересекающие несколько литологических структур или зон разломов.
• Сооружения, чувствительные к осадкам или вибрациям.
• Строительство в густонаселенных районах с тесным взаимодействием с существующими фундаментами.

Последствия недостаточной разведки
Наиболее серьёзные последствия недооценки этой зависимости включают в себя:
• Дорогостоящие перепроектирования во время строительства (аварийное проектирование).
• Непредвиденные ремонтные работы.
• Геотехнические аварии или локальные обрушения.
• Задержки по контрактам и судебные разбирательства из-за непредвиденных геотехнических условий.
• Чрезмерные земляные работы или перерасход средств из-за чрезмерного объема превентивных мер.
Рекомендации по снижению отрицательной критической зависимости
Разработайте поэтапную программу разведки, от менее детальной к более детальной (от региональной разведки до углубленных лабораторных испытаний).
Привлекайте к работе междисциплинарные команды геологов, геотехников, инженеров-строителей и специалистов по строительству с самых ранних этапов.
Постоянно обновляйте геотехническую модель по мере реализации проекта, учитывая данные, полученные в ходе исследования фактической открытой местности.
Применяйте геофизические методы и вероятностное численное моделирование для снижения пространственной неопределенности.

1.1.4. Особые условия окружающей среды

Температура, влажность, вентиляция, видимость и давление могут быть неблагоприятными и изменчивыми.
Распространены гипербарическая среда, атмосфера с вредными газами (метан, радон, CO), высокая влажность или высокие геотермальные температуры.

Требуются система принудительной вентиляции, непрерывный мониторинг окружающей среды и особые условия для оборудования и персонала.

1. Ограничения доступа и логистика

Доступ к выемке ограничен и часто осуществляется через вспомогательные туннели, вертикальные шахты или сервисные галереи.
Логистика транспортировки материалов, оборудования и персонала значительно сложнее, чем на поверхности.
Сроки реагирования на чрезвычайные ситуации увеличиваются, что требует специальных планов спасательных работ и резервных систем.

1. Последовательный и непрерывный процесс строительства

Последовательный и непрерывный процесс строительства является одной из наиболее отличительных особенностей подземных работ, особенно по сравнению с поверхностным строительством.
В области подземного строительства последовательный и непрерывный процесс строительства относится к прогрессивному, взаимозависимому процессу, обусловленному выемкой скального массива или грунта для обеспечения безопасного и функционального выполнения работ. В отличие от многих поверхностных работ, где несколько фронтов могут продвигаться параллельно и с некоторой степенью независимости, в подземных работах продвижение обычно ограничено одним или несколькими выемочными забоями, и каждый последующий этап требует частичного или полного завершения предыдущего этапа.
Основные характеристики этого последовательного процесса
Однонаправленная или ограниченная последовательность: Как правило, выемка грунта осуществляется от портала или шахты внутрь, в одном направлении или с небольшим количеством ответвлений. Это накладывает физические и временные ограничения на график строительства. Последовательность работ: Этапы выемки грунта, первичного укрепления, гидроизоляции, окончательной обделки, а также механического или электрического монтажа не могут быть выполнены одновременно по всей длине тоннеля, а должны осуществляться постепенно по мере продвижения выемки.
Высокая геотехническая зависимость: Последовательность строительства критически зависит от фактических условий скального массива или грунта, которые могут непредсказуемо меняться, требуя корректировки темпов, методов выемки и типа крепи.
Пространственные и логистические ограничения: Ограниченность подземного пространства препятствует накоплению ресурсов, техники и персонала на рабочем забое и ограничивает доступ, транспортировку материалов и удаление обломков, что увеличивает время и усиливает последовательный характер процесса.

Необходимость постоянного мониторинга: поскольку каждый этап обусловлен предыдущим, геотехнический мониторинг, контроль сходимости и структурная реакция грунта имеют решающее значение для разрешения продолжения работ или изменения последовательности.
Контекстный пример: NATM (Новый австрийский метод проходки тоннелей)
В NATM эта характеристика чётко выражена:
• Выкапывается короткий участок (например, 1-2 метра),
• Немедленно устанавливается основная крепь (торкрет-бетон, анкеры, сетка),
• Ожидается стабилизация грунта (мониторинг),
• Затем принимается решение о безопасности дальнейшего продвижения.
Эту цепочку нельзя разорвать или ускорить произвольно, не нарушив при этом стабильность и безопасность проекта.
Важность для управления проектами
Последовательный и условный характер выполнения подземных работ существенно влияет на общее управление проектом, поскольку накладывает ряд уникальных ограничений, которые влияют на планирование, составление графиков, затраты, контроль рисков, логистику, заключение контрактов и производительность. В этом разделе эти аспекты подробно анализируются с точки зрения применения к туннелям, пещерам, подземным станциям и техническим галереям.

1) Влияние на планирование и составление графиков работ
Последовательный ход выполнения работ препятствует одновременному выполнению больших объемов работ, что ограничивает возможность распараллеливания действий.
Следовательно, планировщики должны:

Разрабатывать графики со строгой последовательной логикой (например, диаграммы Ганта с тесно связанными отношениями «Окончание-Начало»).

Включать временные буферы (минимальный резерв времени) для компенсации задержек, вызванных непредвиденными геотехническими нестабильностями или инцидентами на рабочей поверхности.

Использовать методы планирования, такие как метод линии баланса (LoB) или метод управления проектами по методу критической цепи (CCPM), которые позволяют моделировать обусловленные линейные прогрессии.

Учитывать переменную скорость выполнения работ, которая не всегда зависит от линейной производительности, а скорее от геотехнических условий на местности.

2) Влияние на оценку и контроль затрат
В связи с постепенным и чувствительным характером процесса:
Затраты невозможно оценить равномерно на погонный метр без учета геотехнического риска, что требует адаптивного бюджетирования.
Необходимо построить S-образные кривые, учитывающие возможные сценарии замедления из-за интенсивной поддержки или устранения утечек.
Косвенные затраты, связанные с остановкой процесса (простой оборудования, потеря производительности, простои), должны быть тщательно оценены.
Необходимо внедрить динамические системы контроля затрат, такие как управление освоенным объемом (EVM), с периодической корректировкой освоенного объема на основе фактических показателей работы забоя.

3) Ограничения логистики и поставок
Ограниченное пространство в тоннелях ограничивает подачу и выгрузку материалов.
Для этого требуется:
Управление высокосинхронизированным логистическим потоком, где каждое действие
зависит от предшествующей эвакуации забоя и ввода новых ресурсов или оборудования. Точное планирование промежуточного складирования материалов, особенно для крепи (торкрет-бетон, анкеры, металлические каркасы), без перегрузки полезного пространства.
Координация использования мобильной техники (кареток, погрузчиков, бетономешалок, самосвалов)
с узкими временными окнами эксплуатации, избегая перегрузки оборудования.

4) Управление геотехническими рисками и техническими непредвиденными обстоятельствами
Каждый выемочный участок представляет собой новый, неизвестный геомеханический сценарий, и последовательный процесс не позволяет с уверенностью предвидеть все риски. Следовательно:
Необходимо внедрить динамическую систему управления рисками с матрицами рисков, которые можно обновлять заранее (Реестр геотехнических рисков).
Системы контроля и мониторинга (MPBX, измерители конвергенции, экстензометры) используются для подтверждения необходимости продолжения работ или усиления крепи.

Необходимо разработать планы быстрого реагирования на такие инциденты, как частичное обрушение, проникновение воды, зоны разбухания или утечка газа.

5) Ограничения по контракту и управление строительством
Последовательный характер проекта требует, чтобы контракты адаптировались к изменчивости хода работ:
Предпочтение отдается гибким контрактным условиям, таким как контракты на основе единиц измерения, с положениями, позволяющими вносить корректировки в зависимости от возникающих условий.
В сложных проектах используются такие схемы, как контракты, основанные на результатах, или даже контракты с альянсами.
В случае разногласий по поводу производительности или непредвиденных геотехнических условий часто используются комиссии по урегулированию споров или механизмы быстрого разрешения споров.

6) Соответствие производительности и ключевым показателям эффективности проекта

Последовательный процесс строительства влияет на ключевые показатели эффективности (КПЭ) производительности, учитывая, что:
Производительность на одну поверхность определяется множеством постоянно меняющихся факторов: литологией, типом крепи, временем затвердевания торкрет-бетона, временем эвакуации. Крайне важно установить базовые показатели производительности с поправкой на фактические (неидеальные) грунтовые условия, которые служат ориентиром для принятия решений.
Ключевые показатели эффективности (KPI) по безопасности и аварийности также сильно зависят от загруженности производства и ограниченного пространства.

7) Необходимость интегрированных систем управления и информации

Для надлежащего управления подобными проектами необходимо внедрить следующее:
4D-ориентированные BIM-модели, интегрирующие графики выполнения работ в трехмерную геологическую среду.
Интероперабельные геотехнические базы данных, позволяющие обновлять геологическую модель по мере выполнения работ и корректировать проект в режиме реального времени.
Панели управления производством, подключенные к датчикам туннеля (Интернет вещей – IoT), для оповещения об отклонениях от ожидаемого поведения.

Последовательный, зависящий от хода строительства процесс строительства представляет собой структурную ось управления подземными проектами, влияя на все аспекты жизненного цикла проекта, от первоначального планирования до контроля качества и эксплуатации.

В отличие от наземного строительства, ограниченный, геологически обусловленный процесс строительства требует адаптивной, высокореактивной и технически специализированной рабочей логики.
Такой процесс требует от руководства разработки гибких моделей планирования с возможностью корректировки с учетом поведения грунта.
Он также требует строгой синхронизации ресурсов, контрактного проектирования, учитывающего непредвиденные обстоятельства, и проактивного управления геотехническими рисками на основе непрерывного мониторинга и динамической интерпретации данных.
Производительность, затраты и графики работ не могут быть оценены линейно или статически, а должны быть смоделированы как функции, зависящие от множества технических и эксплуатационных переменных, включая тип рельефа, систему крепи, подземную логистику и фактическую производительность выемочных забоев.

Следовательно, эффективное управление подземным проектом заключается не в контроле жесткого графика, а в организации динамичной последовательности технических, финансовых и эксплуатационных решений в режиме реального времени и с высокой степенью неопределенности. В конечном счёте, правильное понимание и управление последовательностью процесса подземного строительства — это не просто технический параметр, а необходимое условие для реализации безопасных, экономически жизнеспособных и успешных проектов. Способность проектной группы адаптироваться к этой логике будет иметь решающее значение между эффективным проектом и проектом, подверженным техническому или финансовому краху.

1.1.7. Высокая зависимость от безопасности и контроля рисков
Подземные работы сопряжены с повышенным риском обрушения, затопления, взрыва, отравления, пожара и попадания в ловушку.

Требуются системы непрерывного геотехнического мониторинга, системы раннего оповещения, планы эвакуации и строгие протоколы безопасности.

1.1.8. Сниженное воздействие на поверхность

Несомненным преимуществом является их низкое визуальное и экологическое воздействие на поверхность, что делает их идеальными для городских территорий или охраняемых территорий.

Однако они могут вызывать неравномерную осадку или создавать помехи существующим работам, что требует применения контрольно-измерительных приборов и мониторинга.

1.1.9. Высокие первоначальные затраты и значительные инвестиции в предварительное проектирование
Стоимость погонного метра тоннеля обычно выше, чем у наземных работ.

Значительная часть затрат приходится на этапы проектирования, изысканий и обеспечения, а не на сами земляные работы.

Однако они требуют более низких долгосрочных эксплуатационных расходов, особенно
при транспортировке, хранении или на охраняемых промышленных объектах.

1.1.10. Долговечность и устойчивость
После правильного строительства подземные сооружения обычно очень
долгие и устойчивые, даже более 100 лет.
Они требуют минимального обслуживания по сравнению с надземными сооружениями,
если вентиляция, дренаж и защита от коррозии были должным образом учтены.
Заключение: Размышления об отличительных характеристиках подземных сооружений
Подземные сооружения представляют собой инженерную специальность, требующую
комплексного, междисциплинарного и глубоко адаптивного подхода. В отличие от надземных сооружений, их проектирование, планирование и строительство зависят от переменных, которые не всегда
видимы или предсказуемы, таких как геология, напряженное состояние скального массива,
наличие грунтовых вод или изменения качества почвы. Это делает
подземную среду динамичной, трехмерной и неопределенной, где инженерия
должна постоянно взаимодействовать с природой для достижения безопасных и устойчивых решений.

Несмотря на высокие первоначальные затраты, логистические сложности и присущие им риски, подземные работы предлагают несравненные преимущества: они освобождают пространство на поверхности, минимизируют воздействие на окружающую среду и обеспечивают более прочную и защищенную от внешних факторов инфраструктуру. Поэтому они стали стратегически важными в густонаселенных городских условиях, при реализации крупномасштабных горнодобывающих проектов или создании долгосрочных гидротехнических систем. Понимание их отличительных особенностей позволяет не только оптимизировать реализацию проектов, но и рационально выбирать, когда и как отдавать предпочтение подземным решениям по сравнению с наземными. Поэтому современное инженерное дело должно учитывать логику недр в своей концепции развития как возможность, а не как трудность, признавая, что подземные работы — это больше, чем просто выемка грунта: это сложные системы взаимодействия технологий, природы и функционального дизайна. Подземные работы обладают уникальными характеристиками, которые существенно отличают их от поверхностных работ:
Взаимодействие с грунтом: геологический массив одновременно выполняет функции нагрузки и опоры, что требует глубокого понимания его механических, гидравлических и структурных свойств.
Ограниченные условия: ограничения пространства, вентиляции, эвакуации и логистики требуют адаптации методов строительства к более сложным условиям. Геотехническая неопределенность: Несмотря на достижения в области геологоразведки и геологического моделирования, сохраняется определенная степень неопределенности, связанная с неоднородностью рельефа, что требует гибкого планирования и систем мониторинга в режиме реального времени.
Высокая техническая специализация: От использования специального оборудования (ТБМ, буровая установка для восстающих выработок, NATM и др.) до проектирования активных и пассивных крепей, для обеспечения безопасности и эффективности требуется основательная техническая подготовка. Подземные работы и поверхностные работы
В этой таблице представлен краткий обзор фундаментальных различий между этими двумя видами работ, что имеет ключевое значение для принятия решений в инфраструктурных или горнодобывающих проектах.

1. Основные области применения туннельного строительства в национальном контексте (Чили)

В последние десятилетия туннельное строительство в Чили приобрело всё большую актуальность в связи с развитием городов, необходимостью улучшения межрегиональных связей, интенсивной эксплуатацией природных ресурсов и устойчивым ростом энергетического сектора. Уникальное географическое положение Чили, характеризующееся продольными горными хребтами, узкой береговой линией, густонаселёнными городскими территориями и высокой сейсмичностью, благоприятствовало использованию подземных решений как в городских, так и в сельских условиях. В этом контексте туннельное строительство зарекомендовало себя как эффективный инструмент для решения геоморфологических, экологических, технических и социальных проблем, укрепляя свои позиции в качестве стратегической дисциплины для страны.
Ниже представлены основные области применения туннельного строительства в Чили с конкретными примерами и акцентом на технических и функциональных аспектах каждого случая:

1.2.1. Городская и междугородняя дорожная инфраструктура
Строительство автодорожных туннелей стало прямым ответом на проблемы обеспечения транспортной доступности в городах со сложным рельефом, таких как Сантьяго, Вальпараисо и Консепсьон, а также на необходимость соединения регионов через горные перевалы или труднодоступные районы.
В области туннелестроения городская и междугородняя дорожная инфраструктура относится к совокупности строительных, функциональных и вспомогательных элементов, образующих наземные транспортные сети, предназначенные для обеспечения движения транспортных средств и пешеходов в городских условиях (в густонаселенных районах) и междугородних условиях (между населенными пунктами). Эта инфраструктура включает в себя не только собственно проезжую часть или дорогу, но и системы водоотведения, вентиляции, освещения, безопасности, мониторинга состояния конструкций, интеллектуальную сигнализацию и сопутствующие работы, необходимые для обеспечения функциональности, устойчивости и безопасности подземного транспорта.

С геотехнической и структурной точки зрения, их проектирование требует интеграции моделей поведения скального массива или грунтов основания, анализа взаимодействия грунта с конструкцией, оценки динамических нагрузок (таких как землетрясения и транспортная нагрузка), а также критериев проектирования, основанных на конкретных стандартах (таких как AASHTO, PIARC или местные нормативные акты, такие как NCh3206 в Чили). В городских районах подземные решения отвечают потребности в оптимизации использования пространства, уменьшении загруженности поверхности и защите застроенной среды, в то время как в междугородних районах туннели позволяют преодолевать естественные препятствия, такие как горные хребты или реки, сокращая расстояния и повышая эффективность транспортной системы в региональном или национальном масштабе. Городские туннели, построенные по концессионной модели
В Сантьяго концессионная модель привела к строительству нескольких городских туннелей, предназначенных для снижения транспортных заторов и повышения мобильности:
Туннель Сан-Кристобаль: пересекает одноименный холм, обеспечивая
прямое сообщение между Провиденсией и Уэчурабой. Длина туннеля составляет 1,8 км, он был проложен в андезитовых породах буровзрывным методом с окончательной облицовкой из торкрет-бетона и железобетона.
Тоннель Ла-Пирамида: соединяет Витакуру с Ла-Деэсой через туннель в скальном массиве. Он включает в себя поперечные эвакуационные галереи и системы принудительной продольной вентиляции.

Тоннели Северного прибрежного шоссе и туннель Кеннеди: они проходят под рекой Мапочо и вдоль самой реки в густонаселенных районах. При строительстве использовались методы проходки NATM с первичным торкретированием и самонарезными анкерами, а также методы открытой разработки на речных участках с полным вскрытием русла.
Междугородные и горные туннели
Анды и Прибрежные горы представляют собой серьёзные проблемы для обеспечения непрерывности дорожного движения. Некоторые известные туннели в этом районе включают:
Туннель Эль-Мелон (регион Вальпараисо): ключевой участок трассы 5 «Север», состоящий из двух параллельных труб. Он позволяет пересекать Прибрежные горы, оптимизируя время в пути и повышая безопасность.
Туннель Лас-Раисес (регион Араукания): Имея длину более 4,5 км, это один из самых длинных туннелей в Южной Америке. Проложенный в вулканической породе, он имеет железобетонную облицовку и принудительную вентиляцию. Он критически важен для движения транспорта между Лонкимаем и Викторией.
Будущие проекты включают туннель Агуа-Негра, который должен соединить Чили с Аргентиной через регион Кокимбо, протяженностью более 13,9 км на высоте более 4000 м над уровнем моря, и туннель Чакабуко II, являющийся частью реконструкции трассы Route 5 North.
Техническое сравнение: туннели в городской и междугородней дорожной инфраструктуре
Дополнительные технические комментарии:
Дифференциальное сейсмостойкое проектирование: в городских районах сейсмостойкое проектирование учитывает взаимодействие
с критически важными конструкциями и высокой плотностью населения. В междугородних условиях больше внимания уделяется общей устойчивости скального массива и непрерывности обслуживания после землетрясения.
Вентиляция: городские туннели требуют более сложных систем из-за высокой интенсивности движения и ограниченной естественной вентиляции. С другой стороны, длинные междугородние туннели требуют
дальней принудительной вентиляции с промежуточными станциями или вертикальными шахтами.
Экологическое и социальное воздействие: городские проекты должны сталкиваться с более сложными оценками социального воздействия (шум, вибрация, пыль), в то время как междугородние проекты сталкиваются с естественными экологическими проблемами (флора, фауна, экосистемы).

1.2.2. Подземный общественный транспорт (метро Сантьяго)
Расширение метро Сантьяго представляет собой одно из наиболее важных применений туннельного строительства в городских условиях. Метрополитен, имеющий более 140 км подземных линий, является основным видом общественного транспорта страны.

Построенные и действующие линии (L1, L2, L3, L4, L5, L6): используют туннели, проложенные преимущественно методом NATM с контролируемым бурением, временным укреплением торкрет-бетоном, сеткой и анкерами, а также окончательной облицовкой набрызгиваемым или монолитным железобетоном.

Линия 7 (в стадии строительства): включает в себя глубокие участки в районах с высокой плотностью населения и сложными геотехническими условиями. Используются смешанные решения
между NATM и механизированной проходкой (TBM), с особым акцентом на контроль деформаций, гидроизоляцию и непрерывный геотехнический мониторинг. Технические особенности: В районах с наличием грунтовых вод или водонасыщенных грунтов (например, на линии 6 в районе Серрильоса) применяются методы искусственного замораживания грунта, инъекции для укрепления и использование непроницаемых экранов.

1.2.3. Подземная добыча и доступ к промышленным объектам

Чили, будучи ведущим мировым производителем меди, создала обширную сеть туннелей для подземных горных работ. Эти туннели выполняют эксплуатационные, инфраструктурные и подъездные функции.
Крупные шахты
Эль-Теньенте (Коделько): Это крупнейший подземный рудник в мире, с более чем 3000 км туннелей. Здесь используются конвейерные галереи, вентиляционные туннели, выемочные туннели, въездные рампы и туннели для закачки воды.
Подземная шахта Чукикамата (Коделько): переход от открытой к подземной добыче посредством крупногабаритных туннелей, проложенных в скальных породах, с использованием погрузочно-доставочной техники, буровых установок и методов усиленной крепи. Включает наклонные транспортные туннели и вертикальные шахтные стволы. Специализированные тоннели
Вентиляционные и дренажные тоннели: при глубокой разработке месторождений они необходимы для поддержания безопасных условий. Они требуют детального геотехнического проектирования и усиленных опорных конструкций.

Коммуникационные и инфраструктурные галереи: Здесь размещаются электрические системы, сети связи, техническая вода, сжатый воздух и т. д.
Используемые технологии: Такие методы, как бурение восстающих выработок, бурение с помощью буровой установки (BBM) и спиральные проходческие туннели, адаптированные к высокопрочным скальным массивам и внутренним напряжениям.

1.2.4. Гидротехнические и гидроэнергетические сооружения

Развитие гидроэнергетики в Чили привело к строительству гидравлических туннелей для транспортировки, приведения, сброса или создания давления. Эти сооружения связаны с русловыми станциями или водохранилищами и требуют тщательного структурного, гидравлического и геотехнического проектирования.
Проводящие туннели
Проект Альто-Майпо: включает в себя более 70 км туннелей, пройденных в сложных геотехнических условиях. Для длинных участков использовались два тоннелепроходческих комплекса (ТБМ), а также NATM на критических участках. Для их строительства требуется непроницаемая облицовка, продольные траншеи и гасители давления. Такие электростанции, как Ralco, Angostura и Alfalfal II, оснащены туннелями переменного диаметра, подземными камерами водоотвода и вертикальными шахтами, проложенными с помощью буровых установок для восстания выработок или буровых шахтных комплексов (SBM).
Отводные и обводные туннели
На электростанциях с водохранилищами или в районах с обильными осадками туннели позволяют отводить избыточный поток или регулировать его. Они спроектированы с учетом кратковременных гидравлических напряжений (гидравлических ударов), долговременной устойчивости и использования высокопрочных бетонных облицовок.

1.2.5. Подземная инфраструктура для городских коммуникаций
В таких городах, как Сантьяго, Вальпараисо и Консепсьон, туннели были построены для размещения важнейших подземных коммуникаций, оптимизируя пространство на поверхности и повышая безопасность эксплуатации.
Коллекторы дождевой и канализационной воды позволяют транспортировать большие объемы воды, не мешая движению транспорта. Они прокладываются с помощью буровых установок малого диаметра или трубопрокатных установок. Туннели для высоковольтных и оптоволоконных кабелей: защищают электротехническую инфраструктуру от погодных условий и вандализма. Требуют технической вентиляции, планового доступа и теплового проектирования.

Проекты по повышению устойчивости городов: проводится оценка подземных решений для хранения воды, технических камер и заглубленных насосных станций, особенно в районах, подверженных риску затопления.
Тоннельное строительство в Чили стало междисциплинарной дисциплиной, предлагающей структурные, эксплуатационные и экологические решения для различных стратегических секторов страны. От дорожного сообщения до добычи меди и возобновляемых источников энергии, подземное строительство позиционируется как эффективный ответ на топографические ограничения, городскую нагрузку и потребность в устойчивой инфраструктуре. Постоянное внедрение новых технологий, передовых методов геотехнического проектирования и моделей управления рисками делает эту специальность основополагающим элементом устойчивого развития страны.

1.3. Проблемы и будущие тенденции в области тоннельного строительства в национальном контексте

В последние десятилетия в Чили наблюдается устойчивое развитие подземной инфраструктуры в ответ на растущую потребность в оптимизации землепользования, улучшении межгородской связи, содействии проектам подземной добычи полезных ископаемых и модернизации городских сетей. Тоннельное строительство позиционирует себя как стратегическая дисциплина, позволяющая выполнять работы в густонаселенных или географически сложных районах, где наземные решения нецелесообразны с технической, экологической или социальной точки зрения.
Разработка туннелей для дорожной, железнодорожной, гидравлической, энергетической и горнодобывающей инфраструктуры набирает обороты, включая такие знаковые проекты, как туннель Эль-Мелон II, городские туннели Костанера-Норте и Веспучио-Ориенте, а также крупные транспортные галереи для гидроэнергетических и горнодобывающих проектов в Андском регионе. В то же время интерес к подземным решениям в городской среде, таким как станции метро, ??путепроводы и канализационные сети, расширил сферу применения подземного строительства в междисциплинарном контексте.

1.3.1. Характеристика территории Чили и ее влияние на тоннельное строительство

География и геодинамика территории страны представляют собой постоянную проблему для планирования и строительства туннелей. Чили расположена на стыке тектонических плит, что обеспечивает высокую сейсмическую активность, сложный рельеф и значительное литологическое разнообразие. Это требует тщательной геотехнической характеристики и разработки строительных решений, адаптированных к местным условиям. Изменчивость горного массива, наличие активных разломов, возможность разжижения неконсолидированных грунтов и взаимодействие с глубокими водоносными горизонтами требуют всё более совершенных технологий разведки, моделирования и мониторинга.

Аналогичным образом, экстремальные погодные условия, такие как отрицательные температуры в высокогорье или обильные осадки на юге, влияют на выбор методов строительства, проектирование дренажных систем и критерии эксплуатационной безопасности.

1.3.2. Недавние достижения и установленная мощность в стране

В Чили наблюдается рост отрасли тоннелестроения, которая располагает высококвалифицированными специалистами, специализированными строительными компаниями и техническими возможностями для реализации сложных проектов. Развитие метрополитена Сантьяго, включающего более 140 километров городских туннелей, привело к значительному росту человеческого капитала, а также к совершенствованию таких технологий, как NATM (новоавстрийский метод проходки тоннелей), TBM (тоннелепроходческая машина) и передовые системы гидроизоляции.
Горнодобывающая промышленность, в свою очередь, продвигала такие технологии, как бурение восстающих выработок, бурение с помощью боксов, а также разработку высокопрочных скальных подходных тоннелей, включая адаптивные системы армирования и геомеханический мониторинг в режиме реального времени. Существуют также центры прикладных исследований, такие как Кафедра гражданского строительства Чилийского университета и Центр передовых горнодобывающих технологий (AMTC), которые сотрудничают в разработке инновационных решений.

1.3.3. Стратегические мотивы развития подземного строительства в Чили

Среди мотивов развития подземного строительства в Чили:
Оптимизация городского пространства, предотвращение перегрузки поверхности и высвобождение земель для жилых или рекреационных нужд.
Трансгорная взаимосвязанность с двусторонними проектами, требующими строительства протяженных тоннелей.
Устойчивые и экологически безопасные транспортные системы в рамках развития умных городов.
Модернизация сетей канализации и водоотведения в ответ на рост городов и изменение климата.
Доступ к глубоким запасам полезных ископаемых с учетом критериев производительности, безопасности и устойчивости.
Эти мотивы нашли отражение в Национальной политике городского развития и в отраслевых стратегиях в области транспорта, энергетики и горнодобывающей промышленности, что подтверждает стратегическую роль подземной инфраструктуры.

1.4. Новые технические проблемы при строительстве тоннелей в Чили

1.4.1. Высокая геотехническая изменчивость и неопределенность характеристик скального массива
Одной из наиболее часто встречающихся технических проблем при строительстве тоннелей в Чили является высокая неоднородность скального массива, как в городских тоннелях, так и в горных выработках. Даже при обширной программе бурения и геотехнических исследованиях степень неопределенности, связанная с непрерывностью пластов, наличием трещин, зон сдвига или интрузий мягких пород, может серьезно повлиять на устойчивость выработки. В Чили взаимодействие с активными структурными системами, такими как система разломов Ликинье-Офки или разлом Сан-Рамон в столичном регионе, требует внедрения вероятностных подходов и современных трехмерных геомеханических моделей, адекватно отражающих механическую анизотропию, переменную проницаемость и постпиковое поведение массива. Это требует принятия гибких и адаптивных схем проектирования, способных реагировать на непредвиденные условия во время строительства.

1.4.2. Увеличение глубины и длины туннелей

Как в горнодобывающей промышленности, так и в дорожной и энергетической инфраструктуре, проекты туннелей в Чили имеют тенденцию к углублению и удлинению в продольном направлении, что повышает сложность вентиляции, отвода газа, литостатического давления и логистических трудностей эксплуатации.
Горнодобывающие туннели в высокогорных Андах на глубине более 800 м сталкиваются с проблемами, связанными с давлением смыкания, выделением тепла из-за пластической деформации массива (термической ползучести) и риском горного удара. Эти экстремальные условия требуют термомеханических исследований, анализа индуцированных напряжений и применения технологий крепления, превосходящих традиционные методы. Кроме того, автодорожные туннели длиной более 5 км, например, запланированные для международного маршрута через перевал Лас-Леньяс или Центрально-Андской оси, требуют систем принудительной вентиляции, раннего обнаружения пожаров, интегрированных систем спасения и непрерывного мониторинга выбросов. Эти технические требования должны быть учтены на этапе разработки концепции проекта. Увеличение глубины и длины туннелей влечет за собой ряд технических, геотехнических, строительных, экономических, эксплуатационных и связанных с безопасностью последствий, которые необходимо комплексно учитывать на начальных этапах.

Строительство туннелей на большой глубине и большой протяженности представляет собой одну из основных современных задач в подземном строительстве. По мере роста требований к инфраструктуре, будь то городские транспортные системы, водопроводные сети, подземная добыча полезных ископаемых или гидроэлектростанции, возникает необходимость в проектировании сооружений, проходящих через большие площади скального массива или достигающих уровней глубоко под поверхностью.
Глубина и длина – это не просто геометрические параметры, а критические условия, которые существенно влияют на геотехнические свойства рельефа, конструктивные требования к туннелю, логистику строительства, вспомогательные системы, эксплуатационные расходы и условия безопасности.
В этом контексте крайне важно тщательно понимать все технические последствия, возникающие из-за этих геометрических факторов, чтобы обеспечить правильное, рациональное и безопасное планирование, проектирование и эксплуатацию туннеля. Геотехнические последствия

1) Геостатические напряжения и поведение массива на большой глубине: По мере увеличения глубины туннеля вертикальные напряжения, вызванные весом вышележащей массы, также увеличиваются. Это вертикальное напряжение (?v) обычно рассчитывается по формуле:

Горизонтальные напряжения (?h) могут быть больше, меньше или равны вертикальным напряжениям в зависимости от тектонического состояния и геологической истории рельефа. Они обычно оцениваются с использованием эмпирических коэффициентов K, таких как:
Значительное увеличение этих напряжений может привести к критическим структурным состояниям в скальном массиве, особенно в областях с низкими геомеханическими свойствами или при наличии слабых структур, таких как трещины, разломы или зоны сдвига.
Индуцированные геомеханические явления: Горный удар: проявляется как внезапное и интенсивное высвобождение упругой энергии, накопленной в породе. Это явление часто встречается в тоннелях на глубине более 600–800 м и может поставить под угрозу безопасность персонала и целостность конструкции.
Откол: прогрессирующее отделение фрагментов породы от выработанной поверхности, связанное с высокими касательными напряжениями. Высокие конвергенции: чрезмерные деформации вокруг границы тоннеля,
особенно в низкомодульных материалах с вязкопластичным поведением. 2) Структурное поведение и пластификация: На больших глубинах скальный массив имеет тенденцию к сокращению своего диапазона упругости и переходу к пластическому или вязкопластическому поведению в зависимости от его минералогического состава, влажности, температуры и степени трещиноватости. Это приводит к:
Необходимости в крепях, способных функционировать в условиях больших деформаций.
Потенциальной потере герметичности вокруг выработки.
Увеличению зон повреждений, особенно в выработках без непосредственного крепления.

3) Экстремальные гидрогеологические условия: Глубина напрямую влияет
на пьезометрические условия и поведение подземных вод. В целом:
Давление поровой воды увеличивается приблизительно линейно с глубиной
и может превышать 2–3 МПа на глубоких участках.
Расход воды, перехваченный туннелем, может быть значительным
при пересечении ограниченных водоносных горизонтов.
Дренажные системы должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать высокое гидростатическое давление
и, во многих случаях, должны работать непрерывно в течение всего срока службы туннеля.
Дополнительные последствия:
Риск гидравлической нестабильности или вымывания мелких частиц.
Необходимость гидроизоляционных работ, таких как инъекции цементного раствора, непроницаемые мембраны или герметичные облицовки.
Термические изменения, вызванные потоком воды, которые могут изменить внутреннюю температуру туннеля.

Влияние на проектирование конструкций тоннеля
1) Повышенные требования к опорам: Конструкция тоннеля должна отвечать совокупности воздействий, действующих на его контур и опорную конструкцию. На больших глубинах:
Геостатические нагрузки могут достигать десятков МПа.
Обделка должна выдерживать как сходящиеся давления (деформации к оси), так и дифференциальные давления.
В тоннелях с давлением воды гидростатическое воздействие накладывается на напряжения массы, что требует более высоких расчетов на сжатие.
2) Обделка с активной структурной функцией: В отличие от поверхностных тоннелей,
где опоры могут выполнять функцию пассивной опоры, в глубоких тоннелях
необходимо проектировать активные структурные системы, такие как:
Торкрет-бетон с волокнами или структурной сеткой.
Замкнутые металлические арки с соединительными элементами.
Монолитные железобетонные обделки, рассчитанные на постоянные нагрузки.
В некоторых случаях используются двухслойные обделки с промежуточной непроницаемой мембраной. Влияние на строительство
1) Сложная внутренняя логистика: в длинных (несколько километров) или глубоких (более 500 м) туннелях логистика становится критически важной:
Сроки транспортировки материалов и персонала значительно увеличиваются.
Вентиляцию необходимо обеспечить на протяжении всего проекта с промежуточными станциями или принудительной вентиляцией из нескольких источников.
Для удаления породы требуются непрерывные системы, такие как конвейерные ленты, железнодорожные вагоны или грузовики с четко скоординированными циклами.

2) Сложности с подачей электроэнергии и вспомогательных услуг
Силовые кабели должны иметь увеличенное сечение и усиленную защиту из-за расстояний и падений напряжения.
Системы связи должны включать ретрансляторы и оптоволоконные сети для обеспечения непрерывности сигнала.
Снабжение технической водой, охлаждающей жидкостью и смазочными материалами требует детального гидравлического и механического проектирования.
3) Вентиляция и контроль окружающей среды
В глубоких тоннелях естественный рост температуры горного массива (из-за геотермического градиента, примерно 2,5–3 °C на 100 м) может привести к повышению температуры более чем на 35 °C.
Необходимо проектировать системы вентиляции с вытяжкой горячего воздуха, подачей свежего кислорода и удалением вредных газов.
Накопление пыли и газов (CO, NOx, твердых частиц) при использовании взрывчатых веществ или дизельного оборудования требует систем мониторинга и очистки. Экономические и финансовые последствия
Стоимость тоннеля не растёт линейно с увеличением его длины или глубины, а экспоненциально возрастает из-за возросших рисков, сложности строительства и необходимости применения конструктивных усилений и вспомогательных систем.
Глубина тоннеля увеличивает инвестиционные потребности в:
Геотехнических исследованиях (глубоких скважинах, сейсморазведке).
Специальном оборудовании (например, бронированных тоннелепроходческих комплексах, буровых установках для восстающих выработок или вентиляторных проходческих установках).
Тяжелом техническом обслуживании в процессе эксплуатации.
Также увеличиваются расходы на страхование, непредвиденные расходы и резервы на случай непредвиденных геологических проблем.

Увеличение глубины и длины туннелей кардинально меняет технические требования и условия проектирования, строительства и эксплуатации этих подземных сооружений. Правильное планирование требует комплексного подхода, сочетающего передовые знания в области геомеханики, конструкций, вспомогательных систем, логистики и экономики. Речь идет не о расширении сферы применения традиционного решения, а о принятии совершенно иной парадигмы, основанной на глубоком понимании поведения скального массива и взаимодействия множества систем.

1.4.3. Проходка в сложных гидрогеологических условиях

Инфильтрация грунтовых вод представляет собой один из самых серьезных рисков для устойчивости туннелей, особенно в районах с высоким уровнем подпитки, таких как предгорья Анд или скальные массивы с взаимосвязанными системами трещин. Гидрогеологический контроль становится актуальной технической задачей не только для обеспечения устойчивости выемки, но и для предотвращения воздействия на поверхностные или подземные водоносные горизонты, используемые для водоснабжения населения. В этой связи важны внедрение систем глубокого дренажа,
гидроизоляция с помощью геосинтетических мембран, предварительная цементация (инъекция герметика)
и использование тоннелепроходческих комплексов под давлением при пересечении водонасыщенных зон. Трехмерное гидрогеологическое моделирование и моделирование неустановившихся режимов течения являются важнейшими инструментами для управления рисками проникновения воды в чилийские туннели.

1.4.4. Контроль поведения массива во время выемки грунта (геотехнический мониторинг)

Такие методы строительства, как Новоавстрийский метод тоннеля (NATM) и
метод наблюдения, особенно важны в Чили в связи с необходимостью динамичного реагирования на фактическое поведение массива во время выемки грунта. В этом отношении ключевую роль играет геотехническое оборудование: многоточечные экстензометры, датчики давления в крепи, инклинометры и измерители конвергенции, позволяющие в режиме реального времени оценивать реакцию массива и первичной крепи. В чилийском контексте внедрение технологий онлайн-мониторинга, интегрированных с платформами BIM (Building Information Modeling) и подключенных к системам оповещения, становится необходимой тенденцией, особенно в городских и горнодобывающих туннелях с высокой интенсивностью движения. Однако сохраняются пробелы в систематизации данных, совместимости оборудования и автоматизированном принятии решений.

1.4.5. Безопасность эксплуатации и реагирование на сейсмические события

В связи с высокой сейсмической активностью Чили необходимо учитывать сейсмическую реакцию туннелей на этапе проектирования, учитывая как деформацию массива, так и взаимодействие с поверхностными конструкциями, порталами, жесткой обделкой и строительными швами. Поведение туннелей во время землетрясений может различаться в зависимости от их глубины, типа грунта или скальных пород, геометрии поперечного сечения и качества крепи.

Внедрение псевдостатических и нелинейных динамических моделей деформации, использование сейсмоизоляторов в сопутствующих конструкциях и армирование критических зон болтами, фиброй и пластичным торкрет-бетоном – вот некоторые из стратегий, применяемых в стране. Однако проблема определения четких нормативных критериев для сейсмостойкого проектирования туннелей в Чили остается актуальной, поскольку действующие нормативные акты (такие как DS 50 и GCU) не в полной мере решают эту проблему при строительстве подземных сооружений.

1.4.6. Логистическая связь и ограничения доступа во время строительства

Логистика доступа к забоям туннелей в городских или горных районах создает значительные эксплуатационные проблемы. В городских условиях ограничения по движению, шуму и вибрации требуют разработки сложных планов управления окружающей средой и населением, а также применения технологий выемки грунта с низким воздействием на окружающую среду. В отдаленных или труднодоступных районах транспортировка оборудования, торкрет-бетона и опорных элементов требует строгой координации и модульных решений. Кроме того, при планировании необходимо учитывать потенциальную необходимость в окнах для технического обслуживания, временных объездах, вспомогательных туннелях или вентиляционных шахтах, строительство которых должно быть интегрировано в общий график и учитывать факторы безопасности, экологические разрешения и участие общественности.

1.5. Сложные геологические и геотехнические условия: значение для проектирования и строительства

1.5.1. Структурная геология Чили и её влияние на поведение массива

Территория Чили представляет собой геологическую структуру, в которой доминируют активные орогенические процессы, магматические интрузии, субдукционная тектоника и интенсивные метаморфические процессы. Такая конфигурация обуславливает формирование чрезвычайно сложного скального массива, характеризующегося весьма разнообразной литологией: от трещиноватых вулканических пород до слабоконсолидированных осадочных пород и высокопрочных магматических пород, прерываемых активными системами разломов, зонами сдвига и резкими литологическими контактами. В этом контексте структурная геология играет определяющую роль в обеспечении устойчивости тоннеля, влияя на такие параметры, как ориентация и устойчивость разрывов, степень выветривания горных пород, анизотропия модуля деформации и гидравлическая связность. Механическое поведение массива становится ярко выраженно направленным и нелинейным, особенно когда разрывы вызывают сдвиги, изгиб или расклинивание в выработанных участках. Поэтому при проектировании необходимо учитывать не только средние прочностные и деформационные свойства, но и внутреннюю структуру массива, представленную калиброванными трёхмерными геомеханическими моделями, способными моделировать ослабленные области, изначально существующие трещины и эволюцию напряжений по мере продвижения выемки.
1.5.2. Геомеханическая классификация и её роль в предварительном проектировании
В отечественной практике в качестве инструментов предварительного проектирования крепи в основном используются системы классификации RMR (Rock Mass Rating), Q Бартона и, в меньшей степени, GSI (Geological Strength Index). Хотя эти методологии обеспечивают практическую оценку поведения массива и определение необходимого типа крепи, к их применимости в сложных геологических условиях следует относиться с осторожностью.
Традиционные классификации не всегда адекватно отражают фактическое поведение сильно анизотропных массивов, массивов в литологическом переходе или массивов с остаточными отложениями. Кроме того, в глубоких тоннелях, где геостатические напряжения и тепловые эффекты значительны, необходимо дополнять классификации современными численными моделями (такими как FLAC3D, RS2, UDEC), которые позволяют более реалистично моделировать поведение системы «горные породы – напряжение – крепь». Рекомендуемой практикой при реализации сложных проектов в Чили является использование геотехнического зонирования трассы, разделяющего туннель на однородные участки с учетом литологии, структуры, гидравлических свойств и напряженных условий, для определения конкретных опор для каждого участка и оптимизации использования материалов и ресурсов.
1.5.3. Взаимодействие с зонами разломов, тектоническими контактами и активными геологическими структурами
Наличие зон разломов является одним из наиболее определяющих факторов при проектировании туннелей в Чили. Эти зоны могут характеризоваться брекчиевыми или катакластическими породами, высокой проницаемостью, высоким давлением воды и недренированными механическими свойствами, что серьезно подрывает устойчивость выработки, если не будет должным образом распознано и учтено. Например, в Центральных Андах часто встречаются горные туннели,
пересекающие милонитовые зоны сдвига или контакты между андезитами, диоритами и гидротермальными метаморфизованными телами, что приводит к крупномасштабным механическим разрывам. Эти конструкции не только влияют на прочность массива, но и могут действовать как активные «гидравлические системы», что чревато внезапными инфильтрациями, внутренними оползнями и прогрессирующими обрушениями, если не контролировать их с помощью специализированного дренажа и укрепления.

Проект должен включать в себя конкретные решения, такие как:
• Предварительное нагнетание низковязких растворов (микроцементация).

• Укрепление с помощью ферм и торкрет-бетона со структурными волокнами.

• Разведочные штольни для уточнения геометрии разлома.

• Корректировка метода строительства (переход с NATM на TBM и наоборот).

• Защита с помощью микросвайных зонтов или металлических труб в переходных зонах.

1.5.4. Давление горных пород и чрезмерная конвергенция: влияние глубины и деформируемости
С увеличением глубины естественное ограничивающее давление имеет тенденцию
усиливаться, увеличивая риск пластического поведения горного массива. Это явление может привести к замедленной конвергенции, постепенному закрытию туннеля или, в крайних случаях, к горным ударам. В Чили подобное поведение наблюдалось во входных туннелях к глубоким шахтам в центральном
регионе Анд.
В районах, где массив проявляет полупластичное поведение, например, в некоторых
последовательностях метаморфизованных аргиллитов, сланцев или сланцев, деформация может
сохраняться в течение нескольких недель после выемки, вызывая неконтролируемую конвергенцию. Поэтому при проектировании необходимо предусмотреть гибкие опоры с контролируемой деформационной способностью, системы непрерывного мониторинга и элементы, позволяющие регулировать их с течением времени (например, саморегулирующиеся болты или скользящие элементы). Аналогично, численное моделирование должно учитывать не только начальный режим напряжений, но и перераспределение, вызванное выемкой грунта, которое может изменить зоны пассивного или активного давления в зависимости от геометрии тоннеля, последовательности строительства и типа крепи.

1.5.5. Тепловые аспекты в глубоких или геотермальных тоннелях

В тоннелях, сооружаемых на большой глубине или в районах с высокими геотермическими градиентами (например, в вулканических регионах на севере и юге страны), необходимо учитывать тепловое воздействие на материалы, используемые при выемке грунта, крепь и оборудование.
Высокие температуры могут повлиять на прочность торкрет-бетона, ускорить коррозионные процессы в металлических элементах и ??поставить под угрозу безопасность рабочих. Поэтому необходимо проектировать системы принудительной вентиляции, теплоизоляцию крепи и выбирать термостойкие материалы, особенно в тоннелях с температурой выше 35–40 °C. В тоннелях с геотермальным потенциалом также существует возможность интеграции энергии через теплообменники «горная порода-вода», хотя это требует детального термогеомеханического проектирования, чтобы избежать возникновения индуцированных напряжений или потери структурной целостности обделки.

1.5.6. Интеграция геологических рисков в процесс проектирования и тендера

Одной из основных текущих проблем является адекватное управление геологическими рисками на ранних стадиях проекта. Во многих случаях неопределенность условий горного массива приводит к перерасходу средств, изменению проекта в ходе строительства или договорным спорам из-за отсутствия договорных схем, адекватно учитывающих присущую изменчивость грунта.

Рекомендуется, особенно для проектов, закупаемых государством, включать
специальные положения о распределении рисков, использование адаптированных контрактов NEC или FIDIC и
достаточные геотехнические изыскания для уменьшения технической неопределенности на этапе торгов. Это позволяет проектировать на основе признанных геотехнических сценариев с четкими пороговыми значениями вмешательства и определенными стратегиями смягчения последствий.
Техническое заключение по главе I: Концептуальное резюме и технический прогноз
Изучение подземных пространств, изложенное в этой вводной главе, представляет собой фундаментальную отправную точку для строгого подхода к дисциплине подземного строительства. Эта отрасль инженерии, в отличие от других наземных инфраструктур, требует узкоспециализированной интеграции различных прикладных наук: структурной геологии, механики грунтов и горных пород, подземной гидравлики, динамики конструкций, геотехнического проектирования, систем обеспечения, строительной логистики и управления рисками.
Одним из ключевых элементов, выявленных в этом введении, является
многомерность подземного проектирования, как с точки зрения функциональности, так и взаимодействия с окружающей средой. В отличие от других сооружений, конструкция туннелей и подземных полостей определяется не только геометрией или конструкционной нагрузкой, но и реакцией геомеханической среды, временем воздействия без опоры, наличием грунтовых вод, задержкой нагрузки и эффектами ограничения, вызванными методом выемки грунта. Грунт — не пассивный элемент, а активный агент сложного механического поведения, которое необходимо понимать, контролировать и контролировать на каждом этапе проекта.

В этой главе также показано, что подземные пространства эволюционировали от конкретных решений инфраструктурных проблем, таких как пересечение гор или перенаселенных городских территорий, до стратегических инструментов устойчивого развития, позволяющих осуществлять трехмерную реорганизацию городских и сельских территорий, разгружать наземное пространство и оптимизировать функциональное распределение территории. Рассмотренная история развития демонстрирует постепенное развитие знаний и методов строительства, которые прошли путь от эмпирических, кустарных решений до высокоточных методов, основанных на численном моделировании, непрерывном геотехническом мониторинге и роботизированных системах выемки и поддержки. Эта эволюция сопровождалась сменой парадигмы в проектировании: от детерминированного подхода, ориентированного на прочность материалов, к вероятностным и адаптивным моделям, способным учитывать геологическую неопределенность и изменения в поведении массива во время строительства.

На уровне нормативного регулирования и стратегического планирования также было отмечено, что подземные пространства играют всё более важную роль в городских, энергетических и горнодобывающих планах таких стран, как Чили, где топографические, сейсмические и территориальные условия делают эти инфраструктуры не альтернативой, а необходимостью. Повторяющаяся сейсмическая активность, пересеченная местность и растущее давление городской среды на поверхность создают оптимальные условия для развития автодорожных туннелей, городских метрополитенов, подземных гидроэлектростанций и подъездных путей к подземным шахтам.

Наконец, техническая классификация, предложенная в этой главе, выполняет двойную функцию: не только систематизирует знания, но и прогнозирует конкретные проблемы, с которыми столкнётся каждый тип проекта. Высокогорный гидравлический туннель будет иметь иные требования, чем городской оптоволоконный микротуннель, как с точки зрения выемки грунта, опор, дренажа, так и воздействия на окружающую среду.

Прогноз на следующие главы

Основываясь на этой прочной концептуальной основе, в следующих главах будут подробно рассмотрены
специальные технические основы, позволяющие проектировать, выемку грунта, мониторинг и стабилизацию
подземных работ в различных условиях. В частности:
В главе 2 будут рассмотрены геологические и геотехнические условия,
определяющие поведение горного массива и его реакцию на подземные горные работы, включая системы классификации, структурные модели горного массива и критерии характеризации.
В главе 3 будут рассмотрены технологии выемки грунта, от традиционных до механизированных методов, включая выбор оборудования,
последовательности операций, типичные профили продвижения и управление взрывными работами.
В последующих главах будут подробно рассмотрены системы крепи и крепи, проектирование конструкций, гидравлические критерии, вентиляция, геотехнический мониторинг, а также управление строительными и эксплуатационными рисками.
Таким образом, формируется комплексное техническое видение, которое позволит инженеру или студенту понять не только теоретические аспекты подземного строительства, но и его практическое применение в национальном и латиноамериканском контексте с использованием междисциплинарного, адаптивного и крайне строгого подхода.