Зарубежные подземные сооружения научного назначения

Подані гірничо-будівельні параметри та технологія спорудження закордонних підземних структур наукового призначення – пришвидшувачей елементарних частинок (проект TESLA, Гамбург, Німеччина та VHLC, Чикаго, США) – котрі дозволяють розширити пізнання о матерії та вивчити можливість використання рентген...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Кауфман, Л.Л., Лысиков, Б.А., Лабинский, К.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2006
Schriftenreihe:	Физико-технические проблемы горного производства
Schlagworte:	Технико-экономические проблемы горного производства
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107655
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Зарубежные подземные сооружения научного назначения / Л.Л. Кауфман Б.А. Лысиков, К.Н. Лабинский // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 237-249. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-107655
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1076552016-10-24T03:03:05Z Зарубежные подземные сооружения научного назначения Кауфман, Л.Л. Лысиков, Б.А. Лабинский, К.Н. Технико-экономические проблемы горного производства Подані гірничо-будівельні параметри та технологія спорудження закордонних підземних структур наукового призначення – пришвидшувачей елементарних частинок (проект TESLA, Гамбург, Німеччина та VHLC, Чикаго, США) – котрі дозволяють розширити пізнання о матерії та вивчити можливість використання рентгенівських промінів у наукових цілях. The mining and building parameters and the building technology of foreign underground structures of scientific function – an elementary particle accelerators (project TESLA, Hamburg, Germany and VHLC, Chicago, USA) – which allows to enlarge knowledge about matter and explore the possibility of usage of X-rays in science are shown in this article. 2006 Article Зарубежные подземные сооружения научного назначения / Л.Л. Кауфман Б.А. Лысиков, К.Н. Лабинский // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 237-249. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107655 622.002.5.004 ru Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Технико-экономические проблемы горного производства Технико-экономические проблемы горного производства
spellingShingle	Технико-экономические проблемы горного производства Технико-экономические проблемы горного производства Кауфман, Л.Л. Лысиков, Б.А. Лабинский, К.Н. Зарубежные подземные сооружения научного назначения Физико-технические проблемы горного производства
description	Подані гірничо-будівельні параметри та технологія спорудження закордонних підземних структур наукового призначення – пришвидшувачей елементарних частинок (проект TESLA, Гамбург, Німеччина та VHLC, Чикаго, США) – котрі дозволяють розширити пізнання о матерії та вивчити можливість використання рентгенівських промінів у наукових цілях.
format	Article
author	Кауфман, Л.Л. Лысиков, Б.А. Лабинский, К.Н.
author_facet	Кауфман, Л.Л. Лысиков, Б.А. Лабинский, К.Н.
author_sort	Кауфман, Л.Л.
title	Зарубежные подземные сооружения научного назначения
title_short	Зарубежные подземные сооружения научного назначения
title_full	Зарубежные подземные сооружения научного назначения
title_fullStr	Зарубежные подземные сооружения научного назначения
title_full_unstemmed	Зарубежные подземные сооружения научного назначения
title_sort	зарубежные подземные сооружения научного назначения
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Технико-экономические проблемы горного производства
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/107655
citation_txt	Зарубежные подземные сооружения научного назначения / Л.Л. Кауфман Б.А. Лысиков, К.Н. Лабинский // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 237-249. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
series	Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv	AT kaufmanll zarubežnyepodzemnyesooruženiânaučnogonaznačeniâ AT lysikovba zarubežnyepodzemnyesooruženiânaučnogonaznačeniâ AT labinskijkn zarubežnyepodzemnyesooruženiânaučnogonaznačeniâ
first_indexed	2025-07-07T20:15:21Z
last_indexed	2025-07-07T20:15:21Z
_version_	1837020554917314560
fulltext	Технико-экономические проблемы горного производства 237 УДК 622.002.5.004 ЗАРУБЕЖНЫЕ ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ НАУЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ горн. инж., к.т.н. Кауфман Л.Л. (Нью-Йорк, США), к.т.н. Лысиков Б.А., к.т.н. Лабинский К.Н. (ДонНТУ) Подані гірничо-будівельні параметри та технологія спорудження закордонних підземних структур наукового призначення – пришвидшувачей елементарних частинок (проект TESLA, Гамбург, Німеччина та VHLC, Чикаго, США) – котрі дозволяють розширити пізнання о матерії та вивчити можливість використання рентгенівських промінів у наукових цілях. FOREIGN UNDERGROUND STRUCTURES OF SCIENTIFIC FUNCTION Kaufman L.L., Lisikov B.A., Labinskiy K.N. The mining and building parameters and the building technology of foreign underground structures of scientific function – an elementary particle accelera- tors (project TESLA, Hamburg, Germany and VHLC, Chicago, USA) – which allows to enlarge knowledge about matter and explore the possibility of usage of X-rays in science are shown in this article. Современные научные лаборатории широко используют подзем- ное пространство для установки высокоточных физических прибо- ров, требующих особых условий работы. Известны примеры разме- щения научных объектов в подземных полостях на большой глуби- не, что вызывается необходимостью создания для чувствительных детекторов породного щита от космических лучей, попадающих на поверхность Земли из внешнего пространства [1]. Достоинствами подземного строительства научных лабораторий являются также стабильность и безопасность фундаментов, поддер- живающих оборудование в рабочем состоянии с чрезвычайной точ- ностью. Обеспечивается возможность изоляции радиации, генери- руемой ускоренными частицами при их столкновениях, и рентгенов- ских лучей, применяемых в физических экспериментах. По этим причинам такие современные научные центры, как ус- корители элементарных частиц, обычно располагаются под землей. Технико-экономические проблемы горного производства 238 Два типа ускорителей – циклические, имеющие кольцевую форму, и линейные, вытянутые по прямой линии, размещаются в туннелях. В литературе [1] представлены наиболее известные научные под- земные структуры: физическая лаборатория Саудан, расположенная в Сан-Луи, штат Минессота; национальная лаборатория Хоумстейк, штат Южная Дакота; Карлсбадская подземная национальная лаборатория, штат Нью-Мексика, США; обсерватория-лаборатория Камиока, Япо- ния по наблюдению за нейтронами космического происхождения; ла- боратория Балби, Великобритания по исследованию «темной материи»; наибольшая в мире Европейская лаборатория физики частиц CERN, Женева; нейтринная обсерватория Садбери, Онтарио, Канада. Далее описаны два перспективных проекта строительства весьма крупных ускорителей экспериментальных частиц, которые будут сооружены в Европе и США и представляют особый интерес с точки зрения строительства подземных сооружений. Проект TESLA [2] (Tev – Energy Superconducting Linear Accel- erator) ускоритель элементарных частиц. В состав TESLA входят сверхпроводимый линейный ускоритель, который заставляет электроны сталкиваться с их античастицами – позитронами, а также источник рентгеновского лазерного излучения. Комплекс TESLA имеет две главных задачи: расширить знания о материи и изучить возможности использования рентгеновских лучей в научных применениях. Он будет входить в состав существующей лаборатории DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) наибольшего в Германии центра исследований элементарных частиц, расположенно- го в Гамбурге (рис. 1, 2). В состав DESY входят два циклических ус- корителя НERA (Hadron Electron Ring Accelerator) и PETRA (Positron – Electron – Tandem Ring Accelerator). НERA с длиной окружности 6,3 км – больший из двух ускорителей в комплексе DESY. Он располо- жен в туннеле с внутренним диаметром 5,2 м на глубине 10-20 м. Здесь протоны сталкиваются с электронами и позитронами, обеспе- чивая возможность изучения внутренней структуры протонов. Ком- плекс PETRA с длиной окружности 2,3 км служит в качестве разгон- ного ускорителя протонов, электронов и позитронов для НERA. Геологические формации района Шлезвиг-Гольштейн (Schleswig- Holstein), где расположен комплекс TESLA, состоит из ледниковых отложений. Туннель ускорителя будет проводиться по валунной гли- не, характерной для северной Германии, с варьируемыми включения- ми тонкого и среднего песка, гальки и глинистых илов. Технико-экономические проблемы горного производства 239 Рис. 1. Карта расположения комплекса TESLA Рис. 2. Схема ускорителя ТESLA: 1 – туннель;2 – демпфирующее кольцо; 3 – ускоритель позитронов; 4 – ускоритель электронов; 5 – экспериментальный зал и детектор элементарных частиц; 6 – криогенный (охладительный) зал; 7 – лаборатория рентгеновского лазерного излучения Технико-экономические проблемы горного производства 240 При расположении на глубинах между 12 и 30 м от поверхности туннель проводится, главным образом, ниже уровня грунтовых вод. Геологические и гидрогеологические условия дают возможность применить для проходки буровые туннельные машины щитовой конструкции и сегментную крепь. Около 3/4 маршрута туннеля бу- дет иметь породное покрытие (слой между поверхностью и тунне- лем) более 12 м, что вдвое превышает наружный диаметр туннеля равный примерно 6 м. В вертикальной плоскости туннель следует изгибам поверхности. Туннель TESLA общей длиной 33 км начинается от существую- щего комплекса DESY (рис. 3) и идет в северном и северо-западном направлении через район Пинненберг (Pinnenberg). Проектируемый комплекс состоит, главным образом, из двух линейных ускорителей с длиной каждого 15 км. Один будет ускорять электроны, посту- пающие из источника в существующей лаборатории DESY, второй – Рис. 3. Карта расположе- ния южного демпфи- рующего кольца ускори- теля: 1 – демпфирующее кольцо; 2 – криогенный зал; 3 – инъектирующие ускорители; 4 – предус- корители; 5 – главный электронный ускори- тель; 6 – микротуннель; 7 – существующий ком- плекс НЕRA; 8 – запад- ный зал НЕRA Технико-экономические проблемы горного производства 241 позитроны, стартующие в деревне Вестерборн (Westerborn). Элек- троны и позитроны сталкиваются в районе деревни Эллурхуп (Eller- hoop). Перед входом в ускорители электронный и позитронный пуч- ки формируются в демпфирующих (гасящих колебания) кольцах длиной 17 км каждое, имеющих радиус закругления 145 м. Внут- ренний диаметр туннелей этих колец равен 3,4 м. В селении Эллерхуп в зоне электронно-позитронных столкнове- ний находится исследовательский центр и комплекс рентгеновского лазерного излучения. Семь дополнительных залов различного на- значения располагаются вдоль маршрута туннеля с интервалами 5 км и связаны с ним стволами доступа. Общая схема ускорителя показана на рис. 4. Экспериментальный зал и ствол доступа показаны на рис. 5. Рис. 4. Общая схема ускорителя TESLA Туннель проводится щитовой буровой машиной с давлением в призабойной зоне, создаваемым повторно используемой бентонито- вой суспензией, которая препятствует обрушению забоя, притока грунтовых вод в туннель и выносит измельченную породу. Туннель крепится предварительно напряженными железобетонными сегмен- тами, намечен также тампонаж закрепного пространства. Предусмотрено 19 стволов доступа к туннелю TESLA, из ко- торых 11 – постоянные и служащие, как для целей строительст- ва, так и для обслуживания научной деятельности. Восемь ство- лов будут временными, они нужны только для строительства, а после его окончания закрываются. Стволы имеют внутренний диаметр 15 м, глубину от 20 до 30 м, крепятся монолитным бе- тоном или железобетонными сегментами и оборудуются подъ- емными установками, лифтами, лестницами, воздуховодами, трубами и кабелями. Технико-экономические проблемы горного производства 242 Рис. 5. Схема экспериментального зала и ствола доступа в туннель Кроме туннелей, под землей располагаются экспериментальные залы, наибольший из которых имеет размеры 160х32х19 м. Этот зал имеет отдельный ствол доступа, обеспечивающий спуск-подъем специфического оборудования. В комплексе рентгеновского лазера подземным способом строят- ся пять туннелей с диаметрами от 3,5 до 6 м, открытым способом – туннель раструбной формы высотой 7 м, шириной 6-12 м и глубиной от 12 до почти 40 м. Сооружается увеличенное грунтовое покрытие объемом 450 тыс. м3 для гарантированной защиты от рентгеновского излучения. Общая длина рентгеновских туннелей равна примерно 6 км (рис. 6, 7). Сечение туннеля ускорителя и размещение в нем обо- рудования показано на рис. 8. Предусмотрены мероприятия по противопожарной защите тун- неля. Каждые 500 м его длины устанавливаются водяные завесы. Изоляция горящих участков туннеля обеспечивается постоянными поперечными герметическими перемычками, занимающими 2/3 се- чения туннеля. Оставшаяся часть сечения используется для разме- щения транспортного и аварийного проходов, которые при пожаре автоматически закрываются. Для вывода дыма и испаряющегося ге- лия (хладоносителя) под кровлей туннеля размещается воздуховод площадью около 1 м2, оборудованный детектором дыма. Технико-экономические проблемы горного производства 243 б Рис. 6. План и разрез комплекса TESLA: а – план; б – разрез б Рис. 7. План и разрез рентгеновского лазерного комплекса: а – план; б – разрез Особое внимание уделяется аварийным выходам людей. Из-за наличия герметических перемычек и водяных завес маршруты спа- сения перед достижением безопасной зоны не превышают 500 м. Стандарты параметров таких маршрутов аналогичны нормативам транспортных туннелей, хотя количество работающих людей в тун- неле ускорителя существенно меньше находящихся одновременно в транспортном туннеле. Персонал будет инструктирован и трениро- ван, на входах в туннель устанавливается оборудование контроля входа, осуществляется мониторинг количества и мест нахождения людей. а Технико-экономические проблемы горного производства 244 а б Рис. 8. Сечение туннеля и схема размещения оборудования: а – сечение туннеля; б – размещение оборудования в туннеле; 1 – демпфирующее коль- цо; 2 – транспортная система; 3 – физическое и электрическое оборудование Технико-экономические проблемы горного производства 245 Общая стоимость проекта TESLA – около 4 млрд. евро. Исследо- вательские работы по проекту строительства начались в 1992 г. В 2003 г. принято решение о международном сотрудничестве в осуще- ствлении проекта. Строительство должно начаться в 2006 г. Его ожидаемый срок – 8 лет. Ускоритель VLHC [3] (Very Large Hadron Collider – «очень большой ускоритель элементарных частиц») будет построен в рай- оне лаборатории Фермилаб (Fermilab), Чикаго, штат Иллинойс, США (рис. 9, 10). Ускоритель относится к циклическому типу и представляет из себя туннельное кольцо длиной 233 км, включая экспериментальные залы, стволы доступа к туннелю и другие под- земные сооружения. Рис. 9. Карта расположения комплекса VLHC: 1 – озеро Мичиган; 2 – Чи- каго; 3 – глубина туннеля ускорителя; 4 – существующая лаборатория Фермилаб; 5 – вариант северного расположения туннеля VLHC; 6 – вари- ант южного расположения туннеля VLHC; 7 – границы штатов; 8 – грани- цы графств Технико-экономические проблемы горного производства 246 Рис. 10. Макет взаимного расположения существующего комплекса DESY и проекта VLHC: 1 – главный инъектор существующего комплекса DESY; 2 – ускоритель Tevatron существующего комплекса DESY; 3 – эксперимен- тальные залы ускорителя; 4 – криогенный зал; 5 – проекция туннеля VLHC на поверхность; 6 – стволы доступа в туннель; 7 – фрагмент туннеля VLHC; 8 – проекция туннеля VLHC на вертикальную плоскость; 9 – геологические формации В настоящее время выполняется концептуальная проработка проекта с принятием основных технических решений. Рассматрива- ются три варианта расположения туннеля, называемые Северное наклонное, Северное горизонтальное и Южное наклонное кольца, два варианта диаметра туннеля – 3,66 м (рис. 11) и 4,88 м. С учетом геологических условий и природоохранных требований предпочте- ние отдается северным вариантам расположения. Глубина туннеля составляет 90-150 м. Туннель и другие подзем- ные сооружения располагаются в известняке, доломите, песчанике и сланце. При строительстве стволов доступа пересекаются леднико- вые грунты, залегающие над коренными породами. Проходка туннеля осуществляется буровой туннельной маши- ной. Гарантированная длина участка туннеля, проходимого маши- ной без капитального ремонта составляет 4844 м, что соответствует расстоянию между стволами доступа. В конце такого участка маши- на должна быть выдана на поверхность для ремонта. Работы будут вестись 5 дней в неделю двумя 10-часовыми сме- нами. Технико-экономические проблемы горного производства 247 На участках с наилучшими условиями проходки применяется бесщитовая буровая машина. Диаметр туннеля, формируемый ею и равный 3,66 м или 4,88 м является окончательным, поскольку не требует установки бетонной крепи. В отдельных зонах ослабленных горных пород устанавливаются анкерные болты длиной 3 м. Приток воды на таких участках не уменьшает скорости проходки. При необ- ходимости проводится предварительный тампонаж водоносных по- род из забоя туннеля. На участках с повышенными притоками воды применяется туннельная машина с открытым забоем и «пальчиковым» щитом (singer shield), т.е. щитом, разделенным на отдельные продольные секции, расстояние между которыми может изменяться в зависи- мости от встреченных геологических условий. Диаметр туннеля, формируемый машиной, составляет 4,26 м или 5,48 м. Временная крепь туннеля состоит из анкеров длиной 3 м, устанавливаемых комплектами по 3 в кровле туннеля. Расстояние между комплекта- ми равно 6 м и 4,5 м в зависимости от выбранного диаметра тунне- ля. Производится предварительный тампонаж обводненных пород из забоя. Предпринимаются меры по борьбе с притоками воды в местах ее интенсивного выделения. В качестве постоянной крепи, устанавливаемой с отставанием от щита, применяется монолитный бетон толщиной 300 мм. Рис. 11. Сечение туннеля ускорителя VLHC (вари- ант диаметра 3,66 м): 1 – монорельс; 2 – подвеска кабелей; 3 – стадии обо- рудования туннеля; 4 – трубопроводы хладоноси- теля (гелия); 5 – кабели связи; 6 – дренажная ка- навка Технико-экономические проблемы горного производства 248 На участках с большими притоками воды, требующими немед- ленных мер по изоляции туннеля, проходка ведется буровой тун- нельной машиной с герметическим щитом. Формируемый машиной диаметр туннеля составляет 4,06 м или 5,28 м. В качестве крепи ис- пользуются сегменты из предварительно напряженного железобето- на толщиной 200 мм, устанавливаемые непосредственно за туннель- ной машиной после каждого цикла выемки пород. Вдоль маршрута туннеля с интервалом 4800 м проходятся 48 стволов доступа. Они имеют, в основном, круглое сечение, некото- рые – прямоугольное. Стволы используются для запуска и приема буровых туннельных машин, вентиляции, применения для ускорите- ля криогенной (охлаждающей) технологии. Некоторые стволы будут пройдены к специальным экспериментальным полостям (рис. 12). Большинство стволов достигнет обратного свода туннеля, однако, в отдельных случаях они могут иметь глубину большую или мень- шую, чем глубина туннеля. Рис. 12. Изометрическая схема и разрез комплекса экспериментальных за- лов на поверхности и под землей со стволом доступа в туннель: а – изомет- рическая схема; б – разрез Технико-экономические проблемы горного производства 249 Проходка стволов осуществляется буровым способом. Как в на- носах, так и в коренных породах используется временная крепь, тампонаж, бетонная постоянная крепь и контроль притока воды. Все полости проходятся буровзрывным способом с использованием ме- тодов, обеспечивающих гладкую поверхность стен и целостность окружающих пород. Применяется деление сечения полости на по- очередно разрабатываемые секции. Бурение скважин для взрывания в опережающей верхней секции туннеля производится горизонталь- но, в расширяемых секциях, отстающих от опережающей, - верти- кально. Опережающая секция крепится временной крепью – анкер- ными болтами и набрыз-бетоном. Параметры крепи определяются свойствами горных пород. Расстояние между анкерными болтами колеблется от 1,54 до 2,58 м, толщина набрызг-бетона от 73 до 220 мм. Минимальная длина анкерных болтов равна половине пролета полости для пролетов менее 6 м и четверти пролета для пролетов от 18 до 30 м. Предварительная общая стоимость строительства оцениваeтся в 4 млрд. долларов, подземных работ – 2 млрд. долларов. Срок строи- тельства – 10 лет. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кауфман Л.Л., Лысиков Б.А. Подземные структуры (в 2х час- тях). Ч. 1. Монография. – Донецк: Норд-Пресс, 2006. – 361 с. 2. http://tesla-new.desy.de/content/index_eng.html 3. http://vlhc.org

Зарубежные подземные сооружения научного назначения

Institution

Ähnliche Einträge