Инжене́рные сооруже́ния, объёмные, плоскостные или линейные строительные конструкции, возводимые для выполнения производственных процессов, хранения материалов, перемещения людей и грузов, а также осуществления иных видов деятельности. Инженерные сооружения различают по назначению, геометрической форме, размеру, точности изготовления, конструктивным особенностям, месту создания и сложности.

По месту создания инженерные сооружения делятся на подземные, наземные, подводные, надводные и космические. Связанные друг с другом здания и инженерные сооружения образуют населённые пункты и инженерные комплексы.

Разработка проектов и строительство инженерных сооружений в Российской Федерации ведётся на основании утверждённого Министерством архитектуры, строительства и жилищно-коммунального хозяйства России «Перечня нормативных документов в строительстве, действующих на территории Российской Федерации». Реализация инженерных сооружений включает в себя три этапа: инженерные изыскания, проектирование, строительство.

Классификации

По функциональному назначению инженерные сооружения условно делятся на

• на промышленные (комбинаты, заводы, фабрики, предприятия топливно-энергетического комплекса);

• объекты энергетики (тепловые, атомные, ветровые, солнечные электростанции, теплоэлектроцентрали, линии электропередачи);

• гидротехнические (плотины, ГЭС, шлюзы, водоспускные сооружения, каналы и др.);

• транспортные (железные и автомобильные дороги, мосты, морские и речные порты, аэропорты и др.);

• объекты связи (антенные системы, линии связи);

• гражданские (жилые дома, здания культурно-бытового назначения, административные здания);

• сельскохозяйственные (элеваторы, силосные сооружения, животноводческие комплексы).

По геометрической форме инженерные сооружения делятся на площадные (населённые пункты, промышленные предприятия, гидроузлы, электростанции); линейные (автомобильные дороги, каналы, линии электропередач, трубопроводы); точечные (силосные башни, телебашни).

По размерам инженерные сооружения делятся на малые сооружения местного значения, средние сооружения районного и областного значения и крупные объекты государственного значения.

Конструктивные и технологические особенности разделяют инженерные сооружения по точности их изготовления, характеризуемой допустимым отклонением геометрических размеров от их проектных значений: а) техническая точность – при отклонении порядка 10 мм; б) повышенная точность – при отклонении от 1 до 10 мм; в) прецизионная точность – от 0,2 до 1 мм.

По сложности инженерные сооружения разделяют:

• на несложные (объекты массового жилищно-гражданского строительства, объекты лёгкой, мясной, молочной и текстильной промышленности и др.);

• сложные (тепловые электростанции; предприятия машиностроения, автомобильной промышленности и др.);

• уникальные (сверхмощные доменные печи, атомные электростанции, гидростанции, магистральные, железные и автомобильные дороги, крупные спортивные сооружения и др.);

• прецизионные и уникальные (крупные радиотелескопы, высотные телебашни, солнечные печи).

К инженерным сооружениям относятся инфраструктурные компоненты (и их комплексы) следующих коммуникационных сетей: линий электропередач; газопроводов; котельных; теплотрасс; водопроводов; сетей наружной и внутренней канализации; очистных сооружений; дорог; мостов; кабельных телевизионных, телефонных и телеграфных линий; оптоволоконных линий сети Интернет.

Исторический очерк

История развития инженерного дела берёт своё начало со времён зарождения цивилизаций. Так, например, земляные дамбы с каменной облицовкой, обнаруженные в Иерусалиме и в Иордании, строились ещё в 3200 г. до н. э. В Древнем Египте был сооружён канал, соединяющий Красное море с Нилом, называемый Каналом фараонов. Канал начали сооружать ещё во 2-м тыс. до н. э., так, Аристотель сообщает, что первым строителем канала считается Сесострис [собирательный образ египетских фараонов, часто отождествляемый с Рамсесом II (13 в. до н. э.)]. Геродот писал, что Нехо II (610–595 до н. э.) начал строить канал от Нила до Красного моря, но не закончил его. Около 500 г. до н. э. канал был достроен царём Дарием I. Император Траян (98–117) углубил канал и увеличил его судоходность, затем канал вновь был заброшен. В 776 г. канал засыпали, чтобы не уводить торговые пути от центра Халифата.

Города Древней Греции снабжались водой, которая протекала по трубам к общественным водозаборным фонтанам. Сооружения крупных водопроводов Коринфа относятся к концу 7 в. до н. э. При Поликрате на о. Самос был построен знаменитый водопровод, для которого пришлось пробить туннель длиной в 1 км. Трубы располагались в штольне, пробитой в горе. Позже (7–6 вв. до н. э.) на Ближнем Востоке, где вавилоняне, урарты, ассирийцы и египтяне строили сложные ирригационные системы, появились первые акведуки-мосты. Для строительства акведуков сначала находили источник воды, затем выкапывали вокруг него водохранилище, а после этого устраивали наземные и подземные акведуки. Древние трубы для систем акведуков изготавливались из глины, дерева и даже из свинца. Во 2 в. до н. э. в Риме было возведено 9 больших водопроводов, которые обеспечивали 1350 источников воды, 15 фонтанов, десятки общественных бань и 11 роскошно оборудованных терм. Общая длина водоводов, снабжавших Рим водой, составляла около 430 км. Также ко 2-й половине 2 в. до н. э. относится создание арочных акведуков. Пон-дю-Гар является примером самого высокого сохранившегося древнеримского акведука. Античный акведук Аква-Вирго до сих пор снабжает водой фонтан Треви, фонтан Баркачча на площади Испании и фонтан Четырёх рек на римской площади Пьяцца Навона.

В Древнем Риме при пятом царе Луции Тарквинии Приске (616–579 гг. до н. э.) создана часть античной системы канализации Клоака Максима, которая была построена для осушения болота между Палатинским и Капитолийским холмами. Клоака предназначалась для отвода бытовых стоков из домов и общественных уборных, отвода воды из терм и фонтанов, а также удаления дождевых стоков вместе со смываемой грязью и мусором. На месте высушенных болот были построены форум, водопровод, Большой Цирк между Палатином и Авентином для проведения регулярных скачек и празднеств.

В Иране вблизи Персеполя открыты три гравитационные плотины, которые относятся к периоду династии Ахеменидов (558–327 гг. до н. э.). Комплекс ирригационных сооружений с арочным мостом и дамбой «Банд-э Кайсар», предназначенный для водоснабжения г. Шуштар (провинция Хузестан), являлся первым такого рода сооружением на территории Ирана. Строительство самой большой мостовой плотины велось в 260–270 гг., оказало большое влияние на развитие сасанидского инженерного искусства и неоднократно повторялось впоследствии.

К выдающимся инженерным сооружениям Древнего Рима относится сеть дорог, которой была покрыта вся территория Римской империи. Сооружённая в 4–3 вв. до н. э., римская Аппиева дорога до сих пор используется как транспортная артерия не только Рима, но и всего мира. Наиболее древние римские дороги выполнялись из больших полигональных блоков, проезжая часть состояла из каменного или бетонного основания. Усиленное строительство дорог в 3 и 2 вв. до н. э. способствовало освоению техники римского бетона.

В 75–80 гг. в Риме был возведён Колизей, самый большой амфитеатр античного мира. Это уникальное инженерное сооружение вмещало свыше 50 тыс. человек. Амфитеатр построен из кирпича на фундаменте толщиной 13 м, наружные кольца сложены из блоков травертина с анкерами, облицовка выполнена из мрамора, который позже, в Средневековье, сняли для строительства новых зданий.

Крупнейшим памятником, сохранившимся до нашего времени, является Великая китайская стена, построенная в период «Сражающихся царств» (481–221 гг. до н. э.) и перестроенная в 3 в. до н. э. Длина стены составляет 6250 км. Также в Китае с глубокой древности большое внимание уделялось строительству мостов. Изначально они сооружались только из дерева и бамбука. В Китае были изобретены висячие мосты. Первый цепной подвесной мост был построен около 206 г. до н. э. Во времена династии Сун были построены уникальные мосты с большими пролётами, величина которых доходила до 21 м. При строительстве таких мостов использовались каменные блоки весом до 200 т. Однопролётный арочный мост Аньцзи (Чжаочжоу), построенный в 610 г., до сих пор продолжает служить людям. В конструкции моста Аньцзи использованы четыре небольшие сквозные арки и первые в мире арочные антревольты (плоскость стены, прорезанная аркой или арками без архивольтов).

В Средние века возводились плотины практически во всех странах Западной Европы. Первая земляная (грунтовая) плотина была построена в 1191 г. во Франции. В 1516–1519 гг. Леонардо да Винчи проектировал гидротехнический комплекс во Франции длиной более 200 км, соединяющий бассейны рек Средиземного моря и Атлантического океана. Канал был построен спустя 150 лет. В Испании в 1580–1594 гг. была построена высочайшая плотина, представляющая собой гравитационную (сопротивляющуюся сдвигу собственным весом) стенку из каменной кладки.

Во времена промышленной революции в Англии был изобретён портландцемент. В 1867 г. французский инженер Ж. Монье изобрёл железобетон. Французский инженер Э. Фрейсине предложил в 1917 г. вибрирование бетона для уплотнения бетонной смеси в момент её укладки в тело плотины. После этого бетон и железобетон стали широко применяться в плотиностроении. Первая бетонная плотина высотой 53 м, длиной 210 м была возведена в Калифорнии для водоснабжения Сан-Франциско в 1887–1889 гг.

Начало научно-технической революции относится к концу 1940-х – 1-й половине 1950-х гг. Эта революция явилась материально-технической предпосылкой дальнейшего развития техники, а также создания мощной индустриальной базы в виде гигантских предприятий с широкой механизацией и конвейеризацией труда.

История развития инженерных сооружений в России

На Руси с 9–10 вв. князья, отправляясь со своими дружинами в военные походы, приказывали розмыслам «городы и палаты строити» и «мосты мостити». Розмыслами в средневековой Руси называли специалистов, руководивших строительством городов, возведением военных укреплений, оборонительных сооружений и др. В правление киевского князя Ярослава Владимировича Мудрого (1016–1018, 1019–1054) существовали военные строители, носившие названия «городники» (занимались строительством крепостей) и «мостники» (строили мосты). Также существовали профессиональные группы «порочных мастеров», которые занимались устроением разного рода машин (пороков) для осады крепостей.

История сохранила имена талантливых русских розмыслов. Одним из первых упоминается новгородский посадник Павел, начавший в 1114 г. возведение каменной крепости в Ладоге (ныне Старая Ладога). В Ипатьевской летописи упоминается в 1198 г. имя строителя Петра Милонега, построившего стены Выдубицкого монастыря, о которых говорили как о великом чуде. Розмысл дьяк В. Кулемин в 1492 г. построил укрепления вокруг г. Владимир. В 1536 г. И. Бобров укрепил Вологду. Розмысл Ф. С. Конь в 1586 г. построил Белый город в Москве, а затем крепостные стены Смоленска. Также в исторических материалах встречаются такие имена, как В. Кузьмин, Борис и Шелога (Селога), строившие храмы, мосты, дворцы и городские стены.

С 11 в., после Крещения Руси, начинает развиваться каменное строительство. Так, начинают строиться каменные церкви и дворцы, позже, с 12 в., – богатые жилые дома. С 14 в. из камня возводятся и оборонительные стены городов.

Мостостроение получило широкое распространение в таких городах, как Москва, Новгород, Псков, Смоленск, Полоцк и Минск, а точечно практически во всех городах, т. к. почти все они стояли на реках и были окружены рвами. В отличие от балочных и подкосных мостов все русские деревянные мосты были построены из круглого леса, что требовало особого искусства при устройстве врубок и сопряжений. Наплавной тип моста был наиболее распространённым. Мосты такого типа состояли из ряда плотов, лодок или барок, поддерживавших настил. Подобный наплавной мост через реку Днепр построен ещё в киевское княжение Владимира Всеволодовича Мономаха в 1115 г.

«Великий мост» – общее название мостов через реку Волхов, существовавших в Новгороде с 12 в. до 1944 г. Название «Великий мост» появляется в Новгородской первой летописи в 1228 г.: «Тои же осени вода бысть велми велика в Волхове: поима около озера сена у людеи и по Волхову. Тогда же померзъшю озеру и стоявшю 3 дни, и възодра уг ветр, и изломавши, внесе все в Волхово, и възодра 9 городень великаго моста, и принесе к Пидбе под святыи Николу 8 городень в нощь, а 9-ю рознесе, месяца декабря в 8 день, на память святого Патапия». Мост через реку Волхов, связывавший Софийскую и Торговую стороны города, имел опоры в виде срубов, городней с верхней сквозной частью, на которую опирался бревенчатый настил полотна. Первое летописное указание об устройстве подъёмных мостов на Руси относится к 1229 г. Подъёмный механизм состоял из коромысла, которое вращалось между столбами (жеравцами), и цепей.

Во времена монголо-татарского ига развитие инженерного искусства было остановлено. В период усиления Московского великого княжества возродилось строительство и мостов, и иных инженерных сооружений.

Первые сведения о строительстве плотин для водяных мельниц на Руси относятся к 14 в. Одно из первых письменных упоминаний о них приводится в завещании великого князя владимирского Дмитрия Ивановича Донского, датированном 1389 г., в котором говорится о мельницах на реке Яузе.

Иностранные специалисты сыграли заметную роль в истории русского инженерного дела, способствуя становлению в России инженерной профессии. Начало развитию инженерного дела путём привлечения иностранных специалистов было положено великим князем московским Иваном III Васильевичем (1440–1505). Одним из первых архитекторов, приехавших в Москву в 1475 г., был А. Фиораванти. Свою деятельность он начал с реконструкции Кремля. По проектам и при участии Фиораванти было возведено несколько храмов, каменных палат, стен, башен и др.

Вершиной строительного искусства 16 в. является храм Василия Блаженного в Москве, построенный в 1555–1561 гг. по заказу царя Ивана IV Васильевича Грозного в память о взятии Казани. Решения, найденные при сооружении храмов, применялись для гражданских сооружений. Так, в 1660 г. в Коломенском была построена башня для водопровода.

В 1577 г. в Русском государстве учреждён Пушкарский приказ, который в дальнейшем способствовал созданию стандартов строительства. В царствование Василия Ивановича Шуйского (1606–1610), который придавал большое значение образованию и расширению доступа к нему, были открыты новые школы и университеты, где студенты получали образование в различных областях знаний. Это способствовало развитию науки, культуры и технологий в России, тем самым было положено начало и теоретическому образованию русских инженеров.

В 17 в. Русское государство было самым крупным государством в Старом Свете. Промышленность России допетровского периода включала в себя железоделательные заводы, соляные, кожевенные, стекольные и писчебумажные мануфактуры и др. При Петре I в России началось интенсивное строительство. По всей стране начали строиться плотины для водоснабжения горно-металлургических, лесопильных, текстильных предприятий. Одновременно с созданием российского флота начинается строительство судоходных систем, соединивших бассейны разных рек. В 18–19 вв. были сооружены Тихвинская, Северо-Двинская, Вышневолоцкая и Мариинская водные системы. Большое внимание уделялось развитию транспорта, было положено начало созданию морского, речного и гужевого транспорта. По личному проекту Петра I была вырублена просека для строительства дороги Москва – Санкт-Петербург.

Подготовка инженерных кадров, начатая в петровский период, позволила на более профессиональном и научном уровнях решать технические и технологические задачи. 2-я половина 18 в. характеризуется высокими темпами роста промышленных предприятий. К этому времени в России насчитывалось около 2,3 тыс. заводов и фабрик. К концу 18 в. Россия имела самые различные отрасли промышленности, которые почти полностью обеспечивали потребности страны.

В начале 19 в. были введены в строй каналы, которые соединили реку Волгу с Северной Двиной и Балтийским морем, Днепр соединили каналами с Вислой, Неманом, Западной Двиной. В 1-й половине 19 в. были построены шоссейные дороги между Санкт-Петербургом и Москвой, Варшавой, Ярославлем, Нижним Новгородом. К середине 19 в. в России насчитывалось около 9,6 тыс. км шоссейных дорог. В период 1861–1900 гг. было построено и введено в эксплуатацию 51,6 тыс. км железных дорог.

В конце 19 в. в покрытиях инженерных сооружений широко применялось сварочное железо. Одним из примеров таких сооружений был купол Казанского собора в Санкт-Петербурге, выполненный по проекту А. Н. Воронихина. Использование металлических конструкций стало возможным с появлением и развитием электросварки. Этот способ соединения металлических конструкций позволил снизить трудоёмкость и расход материалов. Массовое применение металлических конструкций показало, что они требуют периодической покраски для защиты от коррозии, а при пожаре быстро теряют свою несущую способность и разрушаются. Новым, более долговечным, экономичным и огнестойким материалом стал железобетон, который начали применять в России в 1886 г. для перекрытий по металлическим балкам. Применение бетона в сочетании со стальной арматурой получало всё большее развитие по мере совершенствования теорий расчёта, технологий изготовления конструкций, способов их транспортировки, монтажа и эксплуатации. На сегодняшний день железобетон является основным композитным материалом, применяемым при строительстве зданий и сооружений любого назначения.

Научно-техническая революция привела к появлению принципиально новых видов технологий, основанных на применении электричества, физических, химических и биологических процессов, ультразвука, лазера, потоков элементарных частиц, электромагнитного поля, плазмы и других явлений и состояний вещества, используемых в качестве технологических агентов. Для этого периода характерен процесс ускорения использования научных достижений в производстве, благодаря чему открывались новые перспективы развития технологий для инженерных сооружений.

Крупным достижением науки и техники было создание в Москве в 1949–1950 гг. первого в мире завода-автомата по производству поршней для автомобильных двигателей. Характерно, что данная автоматическая система машин без участия человека в непосредственном технологическом процессе полностью выполняла весь комплекс обработки изделия – от отливки до упаковки готовых поршней в ящики. За человеком сохранились лишь контроль за производством и управление заводом. В 1954 г. в СССР вступила в строй первая в мире атомная электростанция, получили дальнейшее развитие ракетная техника и освоение космоса, телевидение и т. д.

Инженерные сооружения России (20–21 вв.)

Ходынская радиостанция – первая мощная московская радиостанция длинноволнового диапазона. Радиостанция начала действовать 7(20) декабря 1914 г. В 1930-х гг. Xодынская радиостанция стала мощным передающим радиоцентром страны.

Шуховская башня – памятник архитектуры советского рационализма, расположенный в Москве. Башня построена в 1920–1922 гг. по проекту архитектора и изобретателя В. Г. Шухова.

Байкало-Амурская магистраль – железная дорога, проходящая через Восточную Сибирь и Дальний Восток, протяжённостью 4324 км. Является одной из крупнейших железнодорожных магистралей в мире.

Красноярская ГЭС – гидроэлектростанция, входящая в Енисейский каскад ГЭС; составляет его третью ступень. Является второй по мощности электростанцией в России. В комплекс Красноярского гидроузла входит единственный в России судоподъёмник.

Обнинская АЭС – первая в мире подключённая к электросети атомная электростанция, запущена в промышленную эксплуатацию в 1954 г. Электростанция прослужила безаварийно 48 лет, что на 18 лет дольше запланированного срока.

Космодром Байконур – крупнейший в мире по площади действующий космодром, основанный в Советском Союзе 12 января 1955 г. и введённый в эксплуатацию 15 мая 1957 г.

Космодром Плесецк – советский и российский космодром, обеспечивающий часть российских космических программ, связанных с оборонными, а также прикладными, научными и коммерческими пусками непилотируемых космических аппаратов. Единственный действующий космодром в Европе.

Белоярская АЭС – вторая атомная электростанция в СССР, получившая мировую известность в связи с многолетней успешной эксплуатацией быстрых реакторов. Строительство объекта началось в 1958 г., ввод в эксплуатацию в 1964 г.

Нововоронежская АЭС – одна из первых промышленных атомных электростанций СССР, первая станция с реакторами типа ВВЭР (водо-водяные энергетические реакторы корпусного типа с обычной водой под давлением). Строительство АЭС началось в 1958 г., первый энергоблок запущен в 1964 г.

Нефтепровод «Дружба» построен в 1960-х гг. для доставки нефти с месторождений Волго-Уральского нефтегазоносного района в страны Восточной Европы. Система трубопроводов включает в себя 46 насосных станций, 38 промежуточных насосных станций, а также резервуарные парки, вмещающие 1,5 млн м³ нефти.

Саяно-Шушенская ГЭС – крупнейшая по установленной мощности электростанция в России (1963–1988).

Курская АЭС – атомная электростанция в России, построенная в рамках широкой программы по строительству атомных электростанций в СССР. Строительство началось в 1971 г., ввод в эксплуатацию в 1976 г.

Аммиакопровод Тольятти – Одесса – самый большой в мире аммиакопровод протяжённостью 2417 км, мощностью 2,5 млн т/год. Решение о строительстве аммиакопровода было принято в 1975 г., первая очередь аммиакопровода была введена в строй в октябре 1979 г.

«Ямал – Европа» – транснациональный магистральный экспортный газопровод, введённый в действие в 1999 г.

«Академик Ломоносов» – российская плавучая атомная теплоэлектростанция. Является самой северной в мире атомной электростанцией. Проект реализовывался с 2007 по 2020 гг.

Русский мост – вантовый мост, построенный (2008–2012) во Владивостоке через пролив Босфор Восточный. Мост соединяет п-ов Назимова с мысом Новосильского на о. Русский.

«Северный поток» – самый протяжённый морской газопровод длиной свыше 1224 км; является морской частью одной из веток системы газопроводов «Ямал – Европа». Максимальная глубина прохождения трубы 210 м. Прокладка трубопровода начата в 2010 г.

Космодром Восточный возведён с целью обеспечения доступа в космос, гарантированного выполнения международных и коммерческих космических программ, сокращения затрат на космодром Байконур и улучшения социально-экономической обстановки в Амурской области. Начало строительства первой очереди 2013 г.

Крымский мост – грандиозное инженерное сооружение, один из крупнейших мостов России. Инфраструктурный объект, состоящий из двух параллельных мостов – автодорожного и железнодорожного, имеет общую протяжённость 19 км. Строительство моста велось в 2016–2019 гг.

Курская АЭС-2 – строящаяся атомная электростанция, целью которой является замещение двух энергоблоков Курской АЭС после окончания срока их эксплуатации. Строительство АЭС начато в 2014 г.

«Северный поток–2» – сложнейшее инженерное сооружение, многокилометровый подводный магистральный газопровод из России в Германию через Балтийское море длиной 1234 км (2468 км по двум ниткам). Представляет собой расширение газопровода «Северный поток». Строительство началось в 2018 г. и велось до 2021 г.

БРЕСТ – быстрый реактор естественной безопасности со свинцовым теплоносителем, российский проект реакторов на быстрых нейтронах, с двухконтурной схемой отвода тепла к турбине и закритическими параметрами пара. Строительство стартовало 8 июня 2021 г.

Выдающиеся инженерные сооружения (20–21 вв.)

Большой адронный коллайдер – самый большой и мощный в мире ускоритель частиц; запущен в 2008 г. Большой адронный коллайдер состоит из кольца сверхпроводящих магнитов (длина 27 км) с рядом ускоряющих структур, повышающих энергию частиц на пути их движения. Коллайдер построен Европейской организацией по ядерным исследованиям.

Орбитальная космическая станция «Мир» – советско-российский пилотируемый научно-исследовательский орбитальный комплекс, функционировавший в околоземном космическом пространстве с февраля 1986 г. по март 2001 г. Над проектом работали 280 организаций под эгидой 20 министерств и ведомств. Обслуживали комплекс транспортные корабли «Союз» и «Прогресс». 

Международная космическая станция – пилотируемая орбитальная станция, используемая как многоцелевой космический исследовательский комплекс с 2000 г. В проекте участвуют 15 стран: Бельгия, Бразилия, Германия, Дания, Испания, Италия, Канада, Нидерланды, Норвегия, Россия, США, Франция, Швейцария, Швеция, Япония.

Космический телескоп «Хаббл» – автоматическая обсерватория (телескоп) на орбите Земли, названная в честь американского астронома Эдвина Хаббла. «Хаббл» – совместный проект НАСА и Европейского космического агентства и входит в число Больших обсерваторий НАСА. Запущен 24 апреля 1990 г.

Космическая обсерватория «Чандра», запущена НАСА в 1999 г. для исследования космоса в рентгеновском диапазоне электромагнитного спектра. Названа в честь американского физика и астрофизика индийского происхождения С. Чандрасекара, известного в основном работами о белых карликах.

Кольская экспериментальная опорная сверхглубокая скважина – самая глубокая горная выработка в мире. Являлась частью системы сверхглубоких скважин в СССР. Расположена в 15 км к востоку от посёлка Никель и 12 км к западу от г. Заполярный.

Пальмовые острова – архипелаг искусственных островов в Объединённых Арабских Эмиратах, в эмирате Дубай, в который входят три крупных острова в форме пальм: Пальма Джумейра, Пальма Джабаль Али, Пальма Дейра. Между островами расположены искусственные архипелаги Мир и Вселенная, состоящие из мелких островов.

«Акаси-Кайкё» – висячий мост в Японии. Его полная длина составляет 3911 м, центральный пролёт имеет длину 1991 м, а боковые – по 960 м. Высота пилонов составляет 298 м.

Евротоннель – тоннель под Ла-Маншем длиной около 51 км, из которых 39 км проходит под проливом Ла-Манш. Был торжественно открыт в 1994 г. Американское общество инженеров-строителей объявило Евротоннель одним из семи чудес света современности.

Pan–STARRS – система телескопов панорамного обзора и быстрого реагирования для обнаружения 99 % пересекающих земную орбиту астероидов, обладающих поперечным сечением свыше 300 м.

«Три ущелья» – самая большая в мире гидроэлектростанция, которая находится недалеко от г. Саньдоупин, в провинции Хубэй. Является крупнейшей в мире электростанцией по установленной мощности в 22,5 ГВт.

Фолкеркское колесо – первый в мире вращающийся судоподъёмник высотой 35 м, соединяющий каналы Форд-Клаид и Юнион. На строительство судоподъёмника ушло 1,2 тыс. т стали. Колесо приводится в движение гидравлическими двигателями, благодаря чему всего за час небольшое судно может перейти из одного канала в другой. 

«Бурдж-Халифа» – самое высокое и самое многоэтажное здание в мире, с самым быстрым лифтом, с самым высоко расположенным рестораном и смотровой площадкой. Высота здания достигает 828 м. Строительство небоскрёба началось в 2004 г. и шло со скоростью 1–2 этажа в неделю.

«Сингапур Флайер» – сингапурское колесо обозрения, построенное в 2005–2008 гг. Колесо имеет общую высоту 165 м, что до 2014 г. делало его самым высоким колесом обозрения в мире.

«Око Дубая» – колесо обозрения, расположенное в Дубае (ОАЭ). Общая высота от основания до верхней точки 250 м.

Деформации инженерных сооружений

Деформация инженерных сооружений включает в себя осадку, набухание и усадку, оседание, подъём (или выпучивание) и перемещение в сторону. Вертикальные деформации оснований зданий и сооружений делятся на осадки и просадки.

Деформации оснований сооружений происходят за счёт перемещения частиц грунта и их сжимаемости. Основные факторы, которые влияют на сжимаемость грунта включают в себя:

• величину сжимаемой толщи и пористость;

• размер, форму и вес фундамента;

• распределение давления по подошве фундаментов, включая конструктивную жёсткость;

• материалы и типы надфундаментных конструкций;

• природные факторы (просадка, пучение, изменение влажности пород, воздействие грунтовых вод) и др.

Характеристика деформаций фундамента:

• полная осадка отдельных точек фундамента;

• средняя осадка сооружения;

• разности осадок двух точек или двух циклов наблюдений;

• послойная деформация грунтов оснований/толщи тела здания;

• перекос конструкции (только для относительно жёстких зданий и сооружений) – отношение максимальной разности неравномерных осадок двух соседних опор к расстоянию между ними;

• крен (только для абсолютно жёстких зданий и/или сооружений), представляющий собой наклон/поворот основных плоскостей всего сооружения в результате неравномерных осадок без нарушения его цельности и геометрических форм. В строительной практике различают: крен здания и/или сооружения, характеризующийся отклонением его вертикальной оси от отвесной линии, выражающийся в угловой, линейной, относительной мере; крен фундамента, который представляет собой отклонение плоскости подошвы от горизонта, выражающийся в линейной или относительной мере;

• относительный прогиб (перегиб) фундамента;

• кручение здания, которое представляет собой сложную деформацию (поворот параллельных сечений здания и/или сооружения вокруг продольной оси в разные стороны и на разные углы);

• горизонтальное смещение отдельной точки сооружения, характеризующееся разностью координат;

• трещины в виде разрывов в отдельных конструкциях здания и/или сооружения, возникающие вследствие неравномерных осадок и дополнительных напряжений.

Контроль эксплуатационного состояния сооружений осуществляется путём натурных наблюдений с использованием различных методов и средств, таких как: тензометрические, динамометрические, акустические, вибрационные, магнитометрические, радиационные, геодезические и др. Наблюдения за осадками зданий и сооружений выполняют различными способами, такими как гидронивелирование, геометрическое нивелирование, тригонометрическое нивелирование, нивелирование стереофотограмметрическим и фотограмметрическим методами.

Для определения деформаций сооружений используются такие приборы, как индикаторы часового типа, датчики уровня, тензометры, цифровые нивелиры, безотражательные электронные тахеометры, наземные лазерные сканеры и др. Выполненные с помощью этих приборов измерения обрабатываются для получения геометрических характеристик состояния сооружения. К основным преимуществам цифровой измерительной техники перед аналоговыми относятся: быстрота измерений, высокая точность, удобство получения первичных данных, автоматическая обработка, а также практически полное исключение влияния человеческого фактора, вплоть до достижения конечного результата работы.

Тензометрический способ основан на определении деформации или выявлении изменений ключевых параметров (оптические, акустические, электростатические и т. д.) материала, вызванных механическим напряжением детали или конструкции. При наблюдении за масштабными объектами одна система может вести наблюдения за температурой, вторая за наклоном и т. д.

Для измерения деформаций инженерных сооружений на объектах создаются измерительные комплексы систем испытаний и долговременного контроля, включающие в себя ряд подсистем контроля характеристик эксплуатационного состояния сооружений, в том числе комплект геодезического контроля стабильности (ГКС).

ГКС делится на 5 основных видов, отличающихся применяемыми геодезическими приборами и методами измерений, размещением и конструкцией опорных сетей и деформационных марок комплекта ГКС на объекте:

• ГКС высотного положения – высотный контроль, применяемый для сооружений и их элементов, перемещающихся в вертикальном направлении, и определяющий осадки, подъёмы, вертикальные деформации – удлинения, укорочения и др.;

• ГКС планового положения – плановый контроль, применяемый для сооружений и их элементов, перемещающихся в горизонтальном направлении (плановые перемещения – сдвиги);

• ГКС азимутального положения – азимутальный контроль, применяемый для сооружений и их элементов, разворачивающихся вокруг вертикальной оси, для определения азимутальных разворотов;

• ГКС кренов – контроль, применяемый для элементов, разворачивающихся вокруг горизонтальной оси;

• ГКС трещин – контроль трещин в конструкциях, применяемый для определения высоты (глубины) и раскрытия трещин.

Совместное применение высотного и планового контроля позволяет определять общие перемещения сооружений, происходящие в пространстве. Совместное применение контроля азимутального положения (разворотов) и кренов позволяет определять развороты вокруг наклонных осей.

Оценка колебаний и состояния инженерных сооружений башенного типа

К объектам башенного типа относят силосные башни, ректификационные колонны, вентиляционные и дымовые трубы, грануляционные башни, градирни, копры над стволами шахт, водонапорные башни, радиотелевизионные антенные опоры и др. Сооружения башенного типа делятся на высокие (250–400 м), средней высоты (150–250 м) и невысокие (до 150 м). Под контролем пространственного положения сооружений башенного типа подразумевается определение абсолютной величины их уклона и его направления, приращение уклона и изменение его направления, скручивание сооружения и др. Подобные деформации приводят к потере устойчивости сооружения.

Уклон является основным показателем деформации конструкции башенного типа, возникающей из-за неравномерности осадки фундамента, неточного расчёта оснований, тектонических и техногенных процессов, искривления верхней части сооружения и др. Для определения уклона вычисляется разность положений геометрических центров верхнего и нижнего сечения конструкции с последующей экстраполяцией полученных результатов на всю высоту объекта. Существуют систематические, срочные и специальные наблюдения за инженерными сооружениями. Наблюдения систематического характера производятся по заранее определённому плану, например один раз в месяц, квартал, год и т. д.

При проектировании инженерных сооружений башенного типа важную роль играет динамический расчёт на ветровые нагрузки. Ветровые нагрузки и односторонний солнечный нагрев оказывают существенное влияние на направление и величину уклона, вследствие чего верхняя часть башни совершает колебания. Например, колебание башни трубчатого сечения на отметке 316 м достигает 460 мм. Натурные исследования определяют взаимодействие ветра с сооружением и позволяют в некоторой степени уточнять динамический расчёт.

Осадки башен определяются геометрическим или тригонометрическим нивелированием, гидронивелированием, микронивелированием, а также фото- и стереофотограмметрическим способами. К распространённым относится способ геометрического нивелирования путём периодического высокоточного нивелирования осадочных марок, закреплённых на инженерном сооружении. Высокоточное геометрическое нивелирование практически полностью решает вопрос определения осадок башен. Для контроля осадки основания башни в её фундаменте устанавливают не менее четырёх осадочных реперов. После систематических измерений осадок вычисляют значение прироста уклона.

Контроль прямолинейности поясов башни выполняется в 1–й год после ввода опоры в эксплуатацию и регулярно через каждые 3 года в период эксплуатации, а также при возникновении отклонений, превышающих допуск.

Ныне основой натурных измерений являются геодезические работы. Также инженерная геодезия используется в процессе проектирования инженерных сооружений с целью уточнения динамического расчёта. Измерение колебаний и наклонов объектов осуществляется геодезическими методами неразрушающего контроля. Для бесконтактных оптических измерений параметров колебаний используются геодезические и фотограмметрические приборы.

К традиционным геодезическим методам измерения параметров колебаний инженерных сооружений башенного типа относятся теодолиты и приборы вертикального проектирования. Теодолиты с соответствующим увеличением зрительной трубы подбираются в зависимости от требуемой точности измерений, а также от дальности визирования. Для повышения точности отсчёта применяют визирные цели с шашечными делениями. Данный метод измерения параметров колебаний широко используется при наблюдениях за прогибом сооружения от статического напора ветра и от неравномерного нагрева сооружения. Основной недостаток данного метода заключается в возможности наблюдать в один физический момент за колебаниями только одной точки сооружения.

Измерение частот (периодов) колебаний осуществляется измерением времени между моментами прохождения нуль-пункта визирной цели через биссектор сетки нитей. Среднеквадратичная ошибка определения периода таким методом составляет порядка 0,15 с.

Визуально-оптические методы имеют зависимость от метеоусловий, особенно при наблюдениях за сооружением высотой порядка несколько сотен метров, когда облака закрывают верхнюю часть сооружения.

Фотограмметрический метод позволяет определять на один момент времени положение целого ряда точек, изобразившихся на снимке. Применение наземных фотограмметрических методов для наблюдения за колебаниями сооружений башенного типа под действием ветра незаменимо, поскольку требуется определить положение трёх точек башни одновременно. В наблюдаемых высотах устанавливаются специальные светящиеся цели. В качестве съёмочной камеры служит камера малоформатного зеркального аппарата с телеобъективом. Этот метод не зависит от атмосферных явлений и времени суток. При применении инфракрасной плёнки можно провести измерения и при низкой облачности или тумане. Средняя ошибка метода составляет 6–8 мм.

В практике строительства инженерных сооружений башенного типа широко используются динамические гасители колебаний. Данное устройство уменьшает амплитуду колебаний сооружения при собственных частотах колебаниях сооружения от 0,6 до 2,0 герц, а также реализует более точную настройку гасителя колебаний на рассчитанную частоту и регулирует частоту настройки в период эксплуатации сооружения.

Наледеобразование и оценка его воздействия на инженерные сооружения

Для инженерных сооружений имеется типизация наледной опасности в зависимости от изменения средних мощностей наледей в различных мерзлотно-гидрогеологических районах. Проблема предотвращения отрицательного воздействия наледей на инженерные сооружения особенно актуальна при освоении Севера, Забайкалья и других районов России. Впервые данная проблема обозначилась в конце 19 – начале 20 вв. при строительстве и эксплуатации Забайкальской железной и Амуро-Якутской автомобильной магистралей. Наледи оказывают отрицательное воздействие на основания сооружений; строительные свойства материалов насыпей, дамб, подсыпок, промышленных и гражданских сооружений. Полевые и экспериментальные исследования воздействия наледей на горные породы, строительные материалы и конструкции инженерных сооружений позволяют получать количественную и качественную информацию об их устойчивости в условиях криогенного выветривания.

Инженерные сооружения на автомобильных дорогах

Для обеспечения бесперебойного, круглосуточного и круглогодичного безопасного движения с расчётными скоростями и нагрузками автомобильные дороги оснащаются специальными инженерными сооружениями, обеспечивающими эффективную работу дорожной конструкции.

Инженерные сооружения на дорогах делятся на следующие группы:

1) сооружения для обеспечения потребностей транспорта (в городской черте);

2) сооружения на автомобильных дорогах через препятствия;

3) сооружения для обеспечения устойчивости земляного полотна;

4) специальные сооружения;

5) сооружения для пропуска водных потоков.

Сооружения первой группы, предназначенной для обеспечения потребностей транспорта, включают в себя 4 вида: пересекающие естественные препятствия местности; предназначенные для ускорения или улучшения условий движения автомобилей и пешеходов; обеспечивающие пропуск специальных видов транспортных средств; предназначенные для устройства стоянок автомобилей.

К первому виду относятся мосты и виадуки. Мосты позволяют проложить транспортную магистраль над различными препятствиями. Они служат для пропуска подвижной нагрузки (транспортных средств и пешеходов) через водные преграды, овраги, ущелья, разного рода коммуникации, в том числе и транспортные. Виадук пересекает глубокие овраги, ущелья, горные реки. По конструкции мосты и виадуки определяются в большой степени видом естественного препятствия (глубиной реки или оврага, скоростью течения воды, судоходством и др.), а также транспортными требованиями.

Сооружения 2, 3 и 4-го видов возводят, руководствуясь прежде всего требованиями организации движения транспорта. В отличие от обычных мостов и виадуков такие сооружения называются транспортными. 2-й вид включает в себя путепроводы и эстакады. Путепровод служит для пропуска одной транспортной магистрали над другой на разных уровнях. Путепроводы, используемые только для пешеходного движения, называют пешеходными мостами. Обычно путепровод имеет 1–5 пролётов. Эстакада обеспечивает возможность беспрепятственного пропуска автомобильного транспорта над поверхностью земли. Эстакадой можно назвать и путепровод с большим числом пролётов, однако путепроводы возводят лишь на пересечениях транспортных магистралей, а эстакады имеют более широкое применение: например, для увеличения пропускной способности улиц и дорог; для пропуска скоростных автомагистралей над городской застройкой; для уширения набережных и организации движения вдоль рек и др.

Дорожные искусственные сооружения должны удовлетворять производственным, эксплуатационным, расчётно-конструктивным, экономическим и архитектурным требованиям. Производственные и эксплуатационные требования предусматривают обеспечение удобного и безопасного движения по мосту или другому искусственному сооружению без снижения скорости. К этой группе относят следующие требования:

• ширина проезжей части и тротуаров должна соответствовать расчётной пропускной способности;

• полотно должно быть устроено из прочных, износостойких материалов;

• все сооружения должны иметь конструкцию с длительным сроком службы и удобную для осмотра в процессе эксплуатации;

• применяемые конструкции искусственных сооружений должны отвечать требованиям индустриального изготовления и механизированного возведения при высоких темпах строительства и хорошем качестве работ.

Прочность сооружения достигается, если усилия (напряжения) во всех его элементах и соединениях не превосходят допускаемых. Устойчивость обеспечивается, если пролётные строения опоры устойчивы против опрокидывания и сдвига, а сжатые элементы – против выпучивания от продольного изгиба.

Требования к жёсткости сооружения выражаются в допустимых величинах его деформации под действием нагрузок. Экономические требования вытекают из необходимости выбора при проектировании такого решения, при котором затраты средств и материалов для постройки сооружения, а также трудоёмкость работ будут наименьшими. Кроме экономической оценки учитывают срок службы, возможную реконструкцию сооружения, а также эксплуатационные расходы. Выбор оптимального варианта проводится в рамках технико-экономического обоснования объекта капитального строительства.

К потребительским свойствам на стадии эксплуатации относятся:

• пропускная способность – максимально возможное количество транспортных средств, пропускаемое сооружением без задержек и заторов, а также возможность пропуска под ним в поперечном направлении водного потока, судов, транспорта или коммуникаций;

• грузоподъёмность (моста) – характеристика, определяемая максимальной временной подвижной нагрузкой определённого вида;

• безопасность движения – свойство, которое характеризуется максимальной допустимой скоростью автотранспорта по сооружению;

• долговечность транспортного сооружения – свойство сохранять работоспособность при требуемом уровне содержания и ремонта в течение определённого промежутка времени.