Когда мы будем жить в подземных городах?

 

 

Человечество веками вглядывалось не только в небо, но и пыталось хотя бы мысленно проникнуть внутрь самой Земли. Первыми путями познания были естественные пещеры, потом появились шахты и штольни. Великий английский инженер Марк Изамбар Брюнель в 1825 году создал первый в мире проходческий щит, позволивший строить длинные туннели. И вот в ХХ веке возникла надежда на создание техники, которая бы позволила уйти под землю, как в океан, в «свободное плавание», хотя в данном случае уместнее говорить о свободном рытье.

Однако до настоящего времени эти «подземные лодки» все же были в большей степени достоянием научной фантастики и всевозможных конспирологических теорий. А инженеры продолжали строить и совершенствовать проходческие щиты и комбайны. Эти две линии развития техники шли как бы параллельно друг другу, но вот наконец появилась надежда на то, что быль немножко станет похожа на сказку – российские инженеры из Томского политехнического университета и Института угля СО РАН готовы к испытанию прототипа проходческого устройства нового типа, который получил название «геоход».

Конечно же, этот геоход (Российский патент №2418950) не похож на автономные аппараты из научно- фантастических фильмов, которые буквально «ныряли» в земную твердь, вплоть до ядра. Внешне он не очень-то и отличается от обычных проходческих машин. Но специалист сразу поймет, что сибиряки с помощью такой машины, если все пойдет по плану, смогут здорово изменить подземный пейзаж России и многих других стран.

 

Щит в землю

Долгое время для проходки горизонтальных проходок использовалась только одна технология – взламывание породы в забое и последующее крепление свода, если в этом была необходимость. Эта метода используется и поныне, если туннели проходят в скальной породе. Тут особого мастерства добились финские и скандинавские проходчики, которые исключительно умело и терпеливо крошат свои гранитные скалы.

Однако в песчано-глинистых грунтах тоже пробивать туннель нелегко, он просто может обрушиться на головы проходчиков. Чтобы такого не случилось, английский инженер Марк Изамбар Брюнель, разрабатывая проект туннеля под Темзой, предложил конструкцию в виде стального стакана, в котором рабочие вынимали грунт с переднего торца, а с заднего укладывали кирпичную кладку, чтобы удержать своды туннеля. Когда порода впереди выбиралась, то гидравлические домкраты, упираясь в кирпичную кладку, толкали стальной стакан вперед, и цикл повторялся снова.

Так можно было работать в глинистых грунтах. Но если появлялись обводненные песчаные грунты, то все было плохо, туннель заливался водой с песком. Чтобы этого не происходило, за спинами рабочих устанавливалась герметичная перегородка и в забой подавался сжатый воздух – такая технология называется кессон. Он отжимал грунтовые воды, проходка шла успешнее, но... платой стали жизни рабочих, которые столкнулись с кессонной болезнью, вызванной выходом из камеры с высоким давлением на открытый воздух.

ХХ век стал веком туннелей. Метро, подземные коммуникации, водоводы, автострады – все это стало уходить под землю, чтобы освободить от себя дорогую поверхность, либо сократить путь.

Появились механизированные щиты,  которые способны проходить обводненные слабые грунты, что очень важно для работы под городами; скорость их проходки достигает 80 метров в сутки. И тем не менее очень многие вещи им не под силу.

 

Свобода в трех измерениях

Одна из важнейших проблем – это изменение положения продольной оси проходки туннеля проходческим щитом. Он слишком громоздок и велик. Но он не может быть другим, если работает в слабых грунтах. Это финны могут сверлить свои скалы в любом направлении, создавая весьма прихотливые конструкции туннелей. В водонасыщенном непрочном грунте, если работать со щитом классического типа, крутой поворот сделать невозможно. .

Вот в этом и кроется секрет сибирского геохода. Его лобовая часть представляет единое целое с корпусом, оснащенным винтовой резьбой, который вкручивается в мягкую породу. Герметичный корпус сам по себе крепит стенки, вдавливая в них разрушенную впереди породу, а следующий за ним сегмент служит анкером, то есть якорем, от которого винтовая голова отталкивается, совершая свое вращательное движение. Эта технология, получившая название геовинчестерной, по сути дела, копирует действия крота.

Разумеется, с помощью такого геохода можно будет гораздо проще строить новые туннели – ведь скорость проходки авторы изобретения обещают в несколько раз (до четырех) увличить относительно лучших нынешних образцов.

Но самое главное заключается в том, что запатентованная сибиряками конструкция геохода предполагает, что секции агрегата соединены между собой так, что появляется возможность поворота головной секции относительно ее продольной оси, а значит, он обладает большей гибкостью, чем стандартные механизированные проходческие щиты. В результате он сможет совершать маневры, которые до сих пор казались немыслимыми – например, обходить ранее заложенные инженерные коммуникации. 

 

Подземный океан

Разумеется, геоход никогда не сможет вгрызться в скальный грунт. Да это и не его задача. На Земле масса мест, где можно только мечтать о наличии прочного скального грунта. И одно из самых больших – это Русская равнина. От Петербурга и берегов Ладоги на севере и до Каспия и Черного моря на юге простирается пространство, покрытое рыхлыми породами, посреди которого находится крупнейшая депрессия – Московская синеклиза.

Эта огромная овальная вмятина в кристаллическом фундаменте, глубиной до четырех километров и примерно 1000 км в поперечнике по длинной оси, заполнена разнообразными осадочными породами. Выше залегают известняки, мергели и в огромном количестве глины и всевозможные пески. Мощность четвертичных, самых молодых отложений измеряется десятками и сотнями метров. Практически все они обводнены, и работа в этих грунтах – дело весьма сложное. Очень часто приходится применять методику замораживания грунтов, поскольку иначе невозможно преодолеть пространство древних речных долин.

При этом подземное пространство даже в этих архисложных условиях представляет особый интерес для градостроителей – недра Земли под городами интересны не только с точки зрения основания для небоскребов. Это перспективное место для жизни и работы человека в ближайшем будущем исходя из чисто экономических соображений. 

Известно, что температура грунтов ниже точки промерзания примерно соответствует среднегодовой температуре воздуха, которая в Москве колеблется около отметки 5,8 градуса. Слой постоянной температуры простирается до глубины примерно 20 метров, а затем чем глубже, тем теплее: так, под Москвой температура пород начинает повышаться на 1 градус Цельсия на каждые 38 метров глубины. Здесь летом легче охлаждать воздух, а зимой его согревать. Под землей нет смерчей и шквалов, снежных заносов и пылевых бурь. Все это в свете грядущих изменений климата превращается в весьма ценные выгоды. И если удастся снизить себестоимость подземного строительства – например, с помощью такого вот геохода, то подземные деловые центры и моллы станут обычным явлением.

 

То, чего не может быть...

А вот к центру Земли, судя по всему, мы будем кататься только в мечтах и глядя фантастические фильмы. Во-первых, неясно, как крушить скальные породы. Тут требуются очень прочные резцы и мощные двигатели. Нетрудно подать энергию по кабелю, но вот проблема: при разрушении породы выделяется тепло, которое будет перегревать систему. Не говоря уж про пассажиров.

Вновь вспомним про рост температуры с глубиной. 38 метров – 1 градус Цельсия. Это под Москвой. Более 40 градусов в скважинах глубиной 1600 метров. В среднем на каждые 100 метров температура растет на 3 градуса. Бывает больше, бывает меньше. Достоверно замеренные температуры – 274 градуса на глубине 5860 метров. Ну а на границе земной коры с мантией, судя по всему, температура превышает 1500 градусов, и так растет к центру Земли.

Вместе с температурой растет и давление. На границе земной коры оно достигает 13 тысяч атмосфер. Для сравнения: на дне океана, в Марианской впадине, – всего 1100 атмосфер. Если бы температура в океане росла как в земной коре, то на океанском дне было бы не слишком комфортно – примерно 333 градуса. Впору уже олово плавить.

А про большие глубины и говорить нечего – это царство безумных температур и давлений. И добраться до астеносферы, по которой плавают наши материки, пробив 30–40 километров земной коры, гораздо сложнее, чем долететь до Марса или даже до Сатурна. Но вот такой геоход в толщах марсианских пород, сложенных песчаными мерзлыми грунтами, был бы как нельзя кстати для строительства безопасного и сравнительно дешевого жилья и производственных помещений будущим колонистам.

 

slon.ru