Главная Обслуживание

Как построить туннель под водой? Эффективные способы строительства тоннелей Туннель под землей своими руками

Тоннели начали строить в глубокой древности, преимущественно для подачи воды и для военных целей. Первый горный железнодорожный тоннель длиной 1190 м был построен в 1826-1830 гг. в Англии. Крупнейший в мире однопутный железнодорожный Симплонский тоннель длиной 19,78 км, соединивший Италию со Швейцарией, был построен в 1898- 1906 гг. Железнодорожные тоннели в России начали строить с 1859 г. За три года были построены двухпутные тоннели длиной 427 и 1280 м на Петербург- Варшавской железной дороге. До конца прошлого столетия сооружено большое количество тоннелей на железных дорогах Кавказа, Сибири, Урала. Самым крупным был Сурамский тоннель в Закавказье длиной 4 км, построенный в 1886-1890 гг. До Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране было сооружено несколько десятков крупных горных однопутных и двухпутных тоннелей на железных дорогах Дальнего Востока. После Великой Октябрьской социалистической революции построены крупные тоннели на линиях Казань - Свердловск, Мерефа - Херсон, на Черноморской железной дороге и ряд тоннелей на востоке страны. Железнодорожные тоннели строили различными способами с обделками, защищающими движущиеся поезда от обвалов горных пород, из каменной кладки на известковых растворах, а позднее из бетона. Первая линия метрополитена была построена в Англии в 1863г. в Лондоне. С этого времени сеть метрополитенов быстро росла. В России строительство метрополитенов, начатое в 1930 г., ведется непрерывно. На 1 января 1988 г. протяженность Московского метрополитена составляла уже 224 км.

Тоннель (рис.1) – протяженное подземное или подводное сооружение для пропуска через высотное или контурное препятствие транспортных средств, пешеходов, воды, инженерных коммуникаций и пр.

Тоннели имеют обычно два выхода на поверхность, а в особых случаях только один (тупиковый тоннель транспортного рис. 1. или специального назначения).

Нормальная эксплуатация тоннеля обеспечивается комплексом согласованно работающих подземных и наземных сооружений и устройств, состав которых зависит от назначения, протяженности и места расположения тоннеля.

Железнодорожные и автодорожные тоннели, равно как и метрополитены, кроме железнодорожного пути или полотна проезжей части, должны иметь водоотводные, вентиляционные, оградительные и защитные сооружения и устройства, обеспечивающие безопасность движения и обслуживающего персонала.

Водоотводные устройства необходимы для удаления из тоннеля воды, проникающей через обделку или поступающей из водопровода при уборочных работах. Выполняются они в виде продольных лотков или труб, прокладываемых посередине или сбоку тоннеля.

Вентиляционные сооружения предназначены для очистки воздуха в тоннелях. Конструкция и состав этих сооружений зависят от системы вентиляции и длины тоннеля. При искусственной вентиляции могут сооружаться вентиляционные стволы, подземные камеры или наземные здания для вентиляторов.

К оградительным и защитным сооружениям относятся порталы, облицовочные и поддерживающие стены вдоль откосов предпортальных выемок, улавливающие стены и надолбы с заградительными валами и траншеями на пологих склонах, галереи в припортальных полувыемках на крутых косогорах, где имеется опасность обвалов, осыпей и лавин.

К водозащитным сооружениям относятся водосборные и водоотводные канавы на склонах гор, прорезаемых тоннелем, поверхностные и подземные дренажи.

К устройствам, обеспечивающим безопасность движения, относятся электрическое освещение тоннелей, оповестительная и заградительная сигнализации, телефонная связь, противопожарные установки и т. п.

Метрополитены из всех типов тоннелей отличаются наиболее сложным комплексом сооружений и устройств. Основными сооружениями метрополитена являются перегонные тоннели, станции, вестибюли, тяговые и понизительные электроподстанции, вагонные депо.

Для нормальной эксплуатации перегонных тоннелей необходимы вспомогательные сооружения: камеры для водоотливных установок, вентиляционные камеры и тоннели, вертикальные стволы вентиляционных шахт. В местах выхода перегонных тоннелей на поверхность устраиваются рампы - открытые выемки с подпорными стенами.

Строительство тоннелей- довольно-таки трудоемкий и дорогостоящий вид работ.

1. Классификация тоннелей.

Область применения тоннелей настолько велика, что позволяет дать лишь самую общую их классификацию по назначению, месту расположения, глубине заложения и способу строительства (рис. 2).

Они различаются также длиной (от нескольких десятков метров до нескольких десятков километров), формой и размерами поперечного сечения, конструкциями, условиями эксплуатации и пр.

По назначению выделяют транспортные тоннели, предназначенные для пропуска средств автомобильного или железнодорожного транспорта, поездов или скоростного трамвая, специальных видов транспорта (поездов на магнитной или воздушной подушке). Существуют также совмещенные транспортные тоннели для нескольких видов транспортных средств и пешеходов, судоходные тоннели и др.

Рис. 2.

В последнее время в ряде протяженных железнодорожных тоннелей осуществляется перевозка автомобилей на специальных платформах, что значительно экономит время, снижает экологическую нагрузку и стоимость проезда.

Гидротехнические тоннели сооружают в системе ГЭС, ГАЭС или АЭС для отвода и подачи воды к силовым агрегатам (энергетические и деривационные). К гидротехническим относятся также мелиоративные тоннели для осушения или орошения земель, тоннели для водоснабжения, а также лесосплавные тоннели.

Коммуникационные тоннели чаще всего располагают в городах для прокладки различных инженерных коммуникаций: электрических кабелей высокого или низкого напряжения, кабелей связи, теплосетей, водостока, водопровода, газопровода, канализации. Во многих случаях устраивают коллекторные тоннели для пропуска нескольких видов коммуникаций.

Горнопромышленные тоннели строят на горнодобывающих предприятиях, шахтах и рудниках. Они служат для транспортирования руды и породы, проветривания и осушения подземных выработок.

К тоннелям специального назначения относят подземные автостоянки и гаражи тоннельного типа, тоннели для научных исследований (например, ускорители заряженных частиц, тоннели для аэродинамических испытаний), газо- и нефтехранилища, подземные склады, тоннели оборонного характера.

По месту расположения транспортные тоннели подразделяют на горные, подводные и городские. ^ Горные тоннели сооружают преимущественно в горной местности для преодоления высотных препятствий: горных хребтов, отрогов гор, холмов, возвышенностей. Подводные тоннели располагают в месте пересечения контурных препятствий: рек, каналов, озер, водохранилищ, морских заливов и проливов. Городские автотранспортные и пешеходные тоннели служат для упорядочения движения транспорта и пешеходов на городских магистралях и улицах. Такое подразделение следует считать условным, поскольку горные и подводные тоннели могут располагаться и на участках городских территорий, разделенных высотными или водными препятствиями.

В зависимости от глубины заложения от поверхности земли H различают тоннели глубокого[H> (2-3)В] и мелкого заложения [H < (2-3)B], где B-наибольший размер (пролет или высота) поперечного сечения тоннеля.

В соответствии со способом строительства выделяют тоннели, сооружаемые закрытыми, открытыми или опускными способами, каждый из которых имеет несколько разновидностей.

Закрытые способы (горный, щитовой, продавливание) предусматривают ведение работ без нарушения поверхностных условий, а открытые способы (котлованный, траншейный) - с предварительным вскрытием поверхности земли. Используя опускные способы (опускные колодцы, опускные секции подводных тоннелей), конструкции тоннеля изготавливают на поверхности земли, а затем погружают на проектную отметку.

В наиболее сложных инженерно-геологических условиях для предварительного закрепления или осушения грунтового массива ранее перечисленные способы применяют в сочетании со специальными способами работ: водопонижением, искусственным замораживанием, тампонажем или химическим закреплением грунтов.

Выбор того или иного способа строительства определяется главным образом инженерно-геологическими условиями, длиной тоннеля и размерами его поперечного сечения, а также технико-экономическими и экологическими соображениями.

Горные и подводные тоннели чаще всего строят горным и Щитовым способами, а городские тоннели мелкого заложения котлованным или траншейным способами.

Горный способ применяют преимущественно в скальных грунтах. При этом тоннельную выработку раскрывают за один прием или по частям, закрепляя ее временной крепью, а затем на некотором расстоянии от забоя возводят постоянную конструкцию Обделку. В мягких и слабых грунтах наиболее эффективен щитовой способ, основанный на использовании передвижной крепи замкнутого очертания -- щита, под прикрытием которого разрабатывают грунт и возводят обделку (рис. 3,б ). При котлованном способе конструкции тоннеля возводят в предварительно устроенном котловане (рис. 3,в ), а при траншейном способе вначале в траншеях сооружают стены, на которые опирают перекрытие, а затем разрабатывают грунт между стенами и бетонируют лоток тоннеля (рис. 3,г ).
Рис. 3. Схемы строительства тоннелей.

Тоннель - сложный для осуществления и дорогой вид искусственных сооружений, достаточно широко применяемый при строительстве железных и автомобильных дорог. По своим конструктивным формам, размерам и условиям строительства тоннели в транспортном строительстве отличаются от других видов подобных сооружений - гидротехнических, коммунальных, промышленных, горно-разведочных и специального назначения

Тоннели могут быть перевальными, сооружаемыми через высокие водоразделы; косогорными, прокладываемыми вдоль склонов гор; петлевыми и спиральными (рис. 4), сооружаемыми для развития трассы дорог в горных условиях. При пересечении трассой автомобильной дороги крупных водных преград, для обеспечения постоянной транспортной связи между берегами наряду с мостовыми переходами сооружают подводные тоннели. Для преодоления глубоких, но сравнительно узких водных преград эффективны подводные тоннели на искусственных дамбах, отдельных опорах (тоннели-мосты), а также «плавающие» тоннели, заанкеренные в дно тросовыми оттяжками или удерживаемые на плаву специальными плавающими опорами.

Горные

Автотранспортные тоннели в городах сооружают для развязки движения в разных уровнях на пересечениях, примыканиях или разветвлениях магистралей для увеличения или выравнивания пропускной способности отдельных участков магистралей, улучшения планировочной структуры улично-дорожной сети, охраны окружающей среды, создания подъездных путей к подземным автостоянкам и гаражам, торговым центрам и пр. В крупных городах в нашей стране с населением более 1 млн. жителей, сооружают метрополитены. Как наиболее удобный вид городского пассажирского транспорта тоннели метрополитенов прокладывают в городах по направлениям наибольших пассажиропотоков.

При устройстве метрополитенов в пределах застроенных участков городов они прокладываются под поверхностью земли, иногда по геологическим и топорельефным условиям на большой глубине. На окраинах городов устраиваются наземные участки на так называемых «вылетных» линиях, предназначенных для связи метрополитенов с пригородными электрифицированными железными дорогами. Городские пешеходные тоннели сооружают в местах интенсивного уличного движения для обеспечения движения потоков городского транспорта и пешеходов в разных уровнях и для повышения безопасности движения.

По традиции тоннелепроходческим комплексам дают женские имена. Этот обычай появился с лёгкой руки Ричарда Ловата - основателя всемирно известной фирмы LOVAT. Он решил, что щиты его компании будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары. И сегодня тяжёлую мужскую работу в метро выполняют «Алана», «Альмира», «Анастасия», «Наталия», «Клавдия», «Ольга», «Ева», «Светлана», «Виктория», «Полина» и другие «дамы».

В среднем расстояние между станциями - 2–2,5 километра. Поезд проходит их за три минуты, а тоннелепроходческий комплекс преодолевает за сутки 12 метров. Пройти при строительстве тоннеля 350 метров в месяц - хороший показатель. Несмотря на сложные геологические условия, некоторые «леди» справляются быстрее. Например, «Татьяна» прошла больше 2,8 километра пути на несколько месяцев раньше срока, соединив станции «Очаково» и «Мичуринский проспект» правым перегонным тоннелем.

Щит привозят на стройплощадку по частям и собирают уже на месте в специальном котловане, который строители называют монтажной камерой. Её размер не меньше футбольного поля - 60 на 70 метров. Она будет началом нового тоннеля. Машина закончит свой путь в такой же камере, но с другим названием - демонтажная. Там её разберут и увезут на строительство нового тоннеля.
Длина щита, похожего на червя, может достигать 100 метров. Головная часть - это режущий механизм, который называется ротором. На нём - специальные резцы. Они буквально вгрызаются в породу, прокладывая путь. Сразу за ротором находится привод, который запускает режущий механизм.

В щите обязательно есть закрытая ёмкость для цементного раствора, заполняющего пустоты между тюбингами (элемент сборного крепления подземных сооружений (шахтных стволов, тоннелей и проч.).) и грунтом. А ещё - кессонная камера, домкраты, кабина оператора проходческого комплекса и даже комната для отдыха строителей. Последняя тоже не лишняя, потому что работа идёт круглосуточно. Рабочие трудятся в три смены; в сутки один щит обслуживают около 30 человек.

Комплекс прокладывает путь с помощью точнейшей навигационной электроники. Машинист щита постоянно сверяет координаты маршрута, ведь проходческий комплекс может отклониться от заданных параметров не больше чем на восемь миллиметров. Для каждого механизма составляют график, чтобы знать, где он заканчивает проходку, когда перейдёт на следующий этап.

Будущее пространство тоннеля формируют тюбинги - бетонные блоки. Когда он готов, строители укладывают рельсы и подводят инженерные сети. Куда же складывают грунт? Он поступает в специальные карманы щита, оттуда по конвейеру - в вагонетки, курсирующие по временным рельсам, а потом - на поверхность. Вагонетки вывозят грунт и поставляют нужные детали, например тюбинги. На стройплощадке грунт лежит недолго, его отправляют на специальные полигоны. В сутки на один щит требуется 30 грузовиков для вывоза грунта.
Иногда метростроевцам приходится импровизировать. Причина чаще всего в нехватке свободных площадок под строительство. Например, в «Москва-Сити», когда строили станцию «Деловой центр» жёлтой ветки, машину монтировали на пятачке не больше школьного спортзала. Щит пришлось наращивать под землёй, опуская кольцо за кольцом.

А на площадке «Петровского парка» на сборку механизма было очень мало времени. Обычно на монтаж щита уходит месяц-два, и чтобы собрать его быстрее, головную часть весом около 150 тонн не разбирали, а опустили целиком на глубину 28 метров. Для этого на бровке котлована установили 450–500-тонный кран. Специалисты провели много расчётов, чтобы убедиться, что он не обрушит котлован.
Есть у московских строителей и свои изобретения. Они первыми в мире проложили с помощью щитов тоннели под эскалаторы. Ноу-хау применили на станции «Марьина Роща» салатовой ветки. За рубежом эта практика не распространилась, потому что в Европе станции в основном строят на небольшой глубине и тоннели для эскалаторов роют вручную.

Щит «Лилия» работает за двоих - строит тоннель сразу для двух путей. Её вес превышает 1600 тонн, обхват «талии» - больше 10 метров, а «рост» - 66 метров. Один такой тоннелепроходческий механизированный комплекс, или щит, как его называют строители, может заменить два шестиметровых.Её главное преимущество - скорость. Если стандартный шестиметровый щит проходит около 250 погонных метров в месяц, то «Лилия» - 350–400.
Гигант «Лилия» нужен, чтобы строить двухпутные тоннели. Поезда в них едут навстречу друг другу. Если на обычной станции рельсы тянутся с обеих сторон одной платформы, то на новых пути в две стороны пройдут посередине зала, а две платформы разместятся по бокам. Поэтому их и называют двухпутными.

Главное преимущество двухпутного тоннеля в том, что используется один 10-метровый щит-гигант, а не два шестиметровых. Также этот метод строительства позволяет сократить число рабочих на стройке: для проходки двух тоннелей нужны 200 рабочих, а одного - 130. Такая технология снижает затраты примерно на 30 процентов.
Сегодня машины работают в десятки раз быстрее. Тоннели прокладывают ультрасовременные немецкие щиты Herrenknecht, канадские LOVAT и американские Robbins. Кстати, новенькая «Лилия», на создание которой ушёл почти год, тоже немка, как и «Анастасия» с «Альмирой». Её привезли из Германии в апреле.

Московские власти очень гордятся количеством и темпами строительства новых станций метро. В ближайший год они планируют открыть ещё шесть. Сейчас завершаются работы на станциях «Тропарёво», «Румянцево» и «Саларьево», которые продлят Сокольническую линию на юго-запад. Их откроют или в конце 2014-го, или в начале 2015 года.

Следующие в очереди - три станции на Люблинско-Дмитровской линии после «Марьиной рощи». По планам мэрии, их введут в эксплуатацию в 2015 году. Но строители не называют точные сроки. Дело в том, что, в отличие от большинства строящихся сейчас станций, «Бутырская», «Фонвизинская» и «Петровско-Разумовская» будут расположены глубоко под землёй. Такой способ строительства и сложнее, и дороже мелкого заложения. Власти стараются отказаться от него там, где это возможно. Кроме станций Люблинско-Дмитровской линии, в будущем планируют открыть только одну станцию глубокого заложения - «Нижнюю Масловку» на Втором кольце (ТПК). The Village побывал на станции «Фонвизинская» и узнал, что такое «сказочный грунт» и «переболтёжка» и как украинский кризис сказался на темпах строительства.

Фотографии

Иван Анисимов

«Фонвизинская» расположится в пяти-десяти минутах ходьбы от метро «Тимирязевская», на пересечении Огородного проезда, улиц Фонвизина и Милашенкова, ровно под станцией монорельса «Улица Милашенкова». Пересесть с одного вида транспорта на другой можно будет через специальный переход.

Планируемый пассажиропоток в часы пик - семь тысяч человек в час. Всего за день - 55 тысяч человек. Рядом со станцией построят транспортно-пересадочный узел, многофункциональные комплексы с офисными центрами, многоуровневые и перехватывающие парковки и надземную пешеходную зону.

Ведёт работы «Мосметрострой» под контролем единого оператора строительства метро «Мосинжпроекта». Они начались в 2011 году с прохождения шахтного ствола. Это капитальная горная выработка с выходом на поверхность. С её помощью пробивают дорогу к подземной части станции. По ней потом поднимают и спускают породу, материалы и оборудование. Строители тоже спускаются на станцию по стволу на специальном лифте.

После спуска попадаешь в лабиринт тоннелей. Он появился в результате проведения проходческих работ. По словам начальника участка Павла Калимуллина, сейчас на «Фонвизинской» они завершены уже на 91 %. Осталось поставить 30 колец в левом тоннеле (около 22,5 метра) и в так называемом наклонном ходе. Там будут располагаться эскалаторы. По плану установка колец завершится к 15 ноября. Одно кольцо в среднем устанавливают три дня. Чтобы его установить, породу взрывают, а потом вывозят на специальных тележках.

Калимуллин утверждает, что на «Фонвизинской» грунт «как в сказке». Поэтому проходческие работы завершили практически за год, что считается небывалым успехом для такого типа станций. Повезло, что тут очень крепкий известняк, обрушений почти не бывает, мало воды. А вот на строящейся по соседству второй «Петровско-Разумовской» вода однажды залила станцию почти по колено. Бригадир слесарей-монтажников горнопроходческого оборудования Сергей Тюрин вспомнил, что около 30 лет назад при проведении взрывных работ на «Полянке» рабочие нарвались на водяную линзу. Это небольшое подземное озеро. Воды было столько, что людей пришлось эвакуировать и выбираться со станции чуть ли не вплавь. Оборудование затопило. Тогда проблему устранили, протянув туда трубопровод большого диаметра. Глубинные насосы выкачивали воду и выплёвывали её в Москву-реку.

Проходческие работы - это первый этап строительства. Второй - гидроизоляция. Гидроизоляция состоит из трёх частей: чеканки, контроля нагнетания и переболтёжки. Сейчас на некоторых участках идёт именно этот процесс - замена болтов. Сначала ставят жёсткие металлические шайбы, чтобы не было деформации. А потом меняют их на асбобитумные, которые не пропускают воду. Сейчас дно станции практически полностью в воде. Её выкачают, и после проведения гидроизоляционных работ она туда попадать перестанет.

На «Фонвизинской» гидроизоляция уже идёт, но пока не очень активно. Начальник работ пожаловался The Village, что к Новому год ему нужно набрать 150 чеканщиков, чтобы работать сразу на всех участках станции.

Одновременно идёт «раскрытие проёмов». Сейчас площадка строительства разбита на три части - правую, среднюю и левую станции. Средняя - это то место, где будет расположена платформа. Правая и левая - место будущих путей. На станции их диаметр - 8,5 метра, в перегонах - 5,49. Проёмы будут расположены между ними, чтобы пассажиры могли попадать с платформы в поезда.

Третий этап строительства после гидроизоляции - возведение основных конструкций. Сюда входят отделка станции, подведение путей, установка эскалаторов - всё, что приведёт станцию в привычный пассажирам вид.

Но кое-что останется за кадром. Например, блок технических помещений. Он идёт параллельно с одним из тоннелей на протяжении 150 метров. Там находится сердце станции - трансформаторы, подстанции и всё, что необходимо для её функционирования.

Не видны пассажирам и чугунные тюбинги - чуть ли не главный элемент для строительства метро. Ими отгораживают станцию от грунта, и они отвечают за отсутствие деформаций. Тюбинги производят в Днепропетровске. Когда на Украине начался кризис, из-за задержки поставок строительство остановилось на 15−20 дней. Сейчас темпы восстановлены. Поэтому, по словам Павла Калимуллина, «Фонвизинскую», скорее всего, успеют сдать в 2015 году. Если, конечно, непредсказуемые подземные недра не преподнесут какой-нибудь сюрприз. Вот как она должна выглядеть:

Как прокладывают тоннели для метро. aslan wrote in September 25th, 2018

По традиции тоннелепроходческим комплексам дают женские имена. Этот обычай появился с лёгкой руки Ричарда Ловата — основателя всемирно известной фирмы LOVAT. Он решил, что щиты его компании будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары. И сегодня тяжёлую мужскую работу в метро выполняют «Алана», «Альмира», «Анастасия», «Наталия», «Клавдия», «Ольга», «Ева», «Светлана», «Виктория», «Полина» и другие «дамы».

В среднем расстояние между станциями — 2-2,5 километра. Поезд проходит их за три минуты, а тоннелепроходческий комплекс преодолевает за сутки 12 метров. Пройти при строительстве тоннеля 350 метров в месяц — хороший показатель. Несмотря на сложные геологические условия, некоторые «леди» справляются быстрее. Например, «Татьяна» прошла больше 2,8 километра пути на несколько месяцев раньше срока, соединив станции «Очаково» и «Мичуринский проспект» правым перегонным тоннелем.

Щит привозят на стройплощадку по частям и собирают уже на месте в специальном котловане, который строители называют монтажной камерой. Её размер не меньше футбольного поля — 60 на 70 метров. Она будет началом нового тоннеля. Машина закончит свой путь в такой же камере, но с другим названием — демонтажная. Там её разберут и увезут на строительство нового тоннеля.

Длина щита, похожего на червя, может достигать 100 метров. Головная часть — это режущий механизм, который называется ротором. На нём — специальные резцы. Они буквально вгрызаются в породу, прокладывая путь. Сразу за ротором находится привод, который запускает режущий механизм.

В щите обязательно есть закрытая ёмкость для цементного раствора, заполняющего пустоты между тюбингами (элемент сборного крепления подземных сооружений (шахтных стволов, тоннелей и проч.).) и грунтом. А ещё — кессонная камера, домкраты, кабина оператора проходческого комплекса и даже комната для отдыха строителей. Последняя тоже не лишняя, потому что работа идёт круглосуточно. Рабочие трудятся в три смены; в сутки один щит обслуживают около 30 человек.

Будущее пространство тоннеля формируют тюбинги — бетонные блоки. Когда он готов, строители укладывают рельсы и подводят инженерные сети. Куда же складывают грунт? Он поступает в специальные карманы щита, оттуда по конвейеру — в вагонетки, курсирующие по временным рельсам, а потом — на поверхность. Вагонетки вывозят грунт и поставляют нужные детали, например тюбинги. На стройплощадке грунт лежит недолго, его отправляют на специальные полигоны. В сутки на один щит требуется 30 грузовиков для вывоза грунта.

Иногда метростроевцам приходится импровизировать. Причина чаще всего в нехватке свободных площадок под строительство. Например, в «Москва-Сити», когда строили станцию «Деловой центр» жёлтой ветки, машину монтировали на пятачке не больше школьного спортзала. Щит пришлось наращивать под землёй, опуская кольцо за кольцом.

Есть у московских строителей и свои изобретения. Они первыми в мире проложили с помощью щитов тоннели под эскалаторы. Ноу-хау применили на станции «Марьина Роща» салатовой ветки. За рубежом эта практика не распространилась, потому что в Европе станции в основном строят на небольшой глубине и тоннели для эскалаторов роют вручную.

Щит «Лилия» работает за двоих — строит тоннель сразу для двух путей. Её вес превышает 1600 тонн, обхват «талии» — больше 10 метров, а «рост» — 66 метров. Один такой тоннелепроходческий механизированный комплекс, или щит, как его называют строители, может заменить два шестиметровых.Её главное преимущество — скорость. Если стандартный шестиметровый щит проходит около 250 погонных метров в месяц, то «Лилия» — 350-400.

Гигант «Лилия» нужен, чтобы строить двухпутные тоннели. Поезда в них едут навстречу друг другу. Если на обычной станции рельсы тянутся с обеих сторон одной платформы, то на новых пути в две стороны пройдут посередине зала, а две платформы разместятся по бокам. Поэтому их и называют двухпутными.

Сегодня машины работают в десятки раз быстрее. Тоннели прокладывают ультрасовременные немецкие щиты Herrenknecht, канадские LOVAT и американские Robbins. Кстати, новенькая «Лилия», на создание которой ушёл почти год, тоже немка, как и «Анастасия» с «Альмирой». Её привезли из Германии в апреле.

Строительство тоннелей мелкого заложения под дорогами, насыпями, дамбами, а также на застроенных городских территориях открытым способом сопряжено с необходимостью устройства объездных дорог, длительным закрытием пересекаемых магистралей и другими нарушениями поверхностных условий.

С целью минимизации этих нарушений в практике тоннелестроения находит применение траншейный вариант полуоткрытого способа, предусматривающий, в первую очередь, возведение конструкций по технологии «стена в грунте», на которые опирают перекрытие тоннеля. После обратной засыпки перекрытия восстанавливают поверхностные условия, а затем закрытым способом разрабатывают грунтовое ядро и возводят лотковую плиту .

С применением траншейного способа построены многочисленные транспортные тоннели и подземные сооружения мелкого заложения в крупных городах Европы, Америки и Японии. В г. Москве таким способом сооружены автотранспортные тоннели на Ленинском проспекте и проспекте Мира, подземный гараж на улице Эйзенштейна, многофункциональные подземные комплексы на Манежной площади и Софийской набережной и др. .

В последние десятилетия разработаны новые модификации полуоткрытого способа, основанные на использовании плоского или сводчатого перекрытия, опирающегося непосредственно на грунт, фундаменты из свай или массив закрепленного грунта. Под защитой перекрытия по технологии горного способа раскрывают тоннельную выработку и возводят обделку из набрызг-бетона, усиленного сплошными или решетчатыми арками. На рис. 11 показана технологическая последовательность сооружения тоннеля полуоткрытым способом.

Рис. 11 Технологическая последовательность сооружения тоннеля полуоткрытым способом: 1 - вскрытие котлована; 2 - устройство защитного свода; 3, 4, 5 - поэтапное раскрытие выработки

Такой способ сочетает в себе достоинства и недостатки открытого и закрытого способов работ и наиболее эффективен и экономичен в полускальных и мягких грунтах средней и слабой устойчивости при глубине заложения тоннеля от 2 до 12 м, причем с ее увеличением стоимость строительства снижается примерно на 25%.

В плотных и устойчивых грунтах, позволяющих опереть на них свод тоннеля, весьма эффективна разновидность полуоткрытого способа - так называемый «кернтнерский» способ, получивший наибольшее распространение в Австрии и Германии .Последовательность технологических операций при «кернтнерском» способе представлена на рис. 12.

Рис. 12 Последовательность технологических операций при «кернтнерском» способе: 1 - котлован;2 - свод; 3 - грунт обратной засыпки; 4 - грунтовое ядро; 5 - обделка стен и обратного свода

При глубине заложения тоннеля свыше 2 - 3 м и значительных нагрузках устраивают сводчатое перекрытие переменной жесткости с усиленными пятами. Его бетонируют на грунте или с использованием опалубки. В первом случае котлован разрабатывают вначале до шелыги свода, а затем профилируют в соответствии с очертанием последнего. Такую технологию применяют в достаточно плотных грунтах, способных воспринимать давление от свода и обратной засыпки. При наличии мягких слоев их удаляют, заменяя тощим бетоном. До бетонирования перекрытия на грунт укладывают пластиковую пленку, чтобы предотвратить сцепление с ним бетона, и ставят арматурные каркасы. Если несущая способность грунтов недостаточна для восприятия давления от свода, котлован вскрывают до уровня пят свода и устанавливают стационарную или передвижную опалубку. После набора бетоном требуемой прочности выполняют гидроизоляцию свода, засыпают оставшимся от вскрытия котлована грунтом и восстанавливают дорожную одежду над тоннелем. Дальнейшие работы ведут под сводом по технологии нового австрийского способа. Грунт разрабатывают экскаватором или тоннельной машиной со стреловым рабочим органом и удаляют автомобилями-самосвалами. Калотту проходят с опережением штроссы на 20 - 40 м.

По мере раскрытия профиля тоннеля наносят покрытие из набрызг-бетона, армированного стальными сетками или арками. После стабилизации деформаций контура выработки, определяемых приборами, разрабатывают лотковую часть и бетонируют обратный свод. Своевременное замыкание контура выработки значительно повышает степень ее устойчивости. В последнюю очередь возводят вторичную обделку из набрызг-бетона или монолитного бетона в передвижной опалубке.

Для повышения надежности сопряжения свода со стенами тоннеля под его пяты до бетонирования укладывают стальную ленту и прокладки из стир опора; после бетонирования во время раскрытия выработки устанавливают стальные арки, сопрягая их с арматурным каркасом пят.

В соответствии с вышеизложенной технологией полуоткрытого способа строительства многократно меняются условия статической работы свода, что необходимо учитывать при его расчете. Так, после его возведения конструкция практически не испытывает напряжений. Если свод устраивают в опалубке, в нем возникают напряжения от массы конструкции, а по окончании засыпки - от массы грунта и временной нагрузки. После разработки калотты свод работает, в основном, в поперечном направлении как бесшарнирная арка с упругим опиранием на грунт. В процессе разработки штроссы происходит перераспределение напряжений в своде и его работа приобретает пространственный характер. После возведения оболочки из набрызг-бетона вновь изменяется напряженное состояние свода: к продольным напряжениям (по мере твердения бетона) добавляются поперечные.

Впервые эту разновидность полуоткрытого способа применили в 1978 - 1979 гг. при строительстве автотранспортного тоннеля в г. Кернтене (Австрия). Четыре участка длиной 30 -50 м и площадью поперечного сечения 85 - 125 м 2 пройдены под защитой сводчатого перекрытия. По этой же технологии сооружены автотранспортные тоннели в гг. Бохуме, Бад-Бертрихе и Зингене, а также тоннели метрополитена в г. Кельне(Германия) .

В г. Бохуме тоннель проложен в разрушенных от тектонических воздействий песчаниках и сланцах. На глубине до 4,5 м сверху располагался культурный слой, песок, щебень и грубый шлам. Работы вели на четырех участках общей длиной 350 м. Аналогично вели проходку тоннелей в гг. Бад-Бертрихе и Зингене. При строительстве метрополитена в г. Кельне на участке длиной 505 м (410 м перегонных и 95 м станционных тоннелей) прежде всего по технологии «стена в грунте» устраивали ограждение котлована, под защитой которого разрабатывали грунт на глубину 4 м от поверхности земли и бетонировали перекрытие; под его защитой после обратной засыпки и восстановления движения транспортных средств проходили тоннели.

В слабоустойчивых грунтах применяют так называемый метод «рамной крепи», при котором для опирания пят свода устраивают искусственные фундаменты из стальных или железобетонных свай, по верху которых возводят обвязочную балку. Разработанный известным австрийским ученым Г. Зауэром метод предусматривает поэтапное строительство подземных сооружений мелкого заложения в следующей технологической последовательности (рис. 13).

На I этапе на участке длиной 50 - 100 м вскрывают неглубокий котлован с естественными откосами или креплением стен до низа перекрытия подземного сооружения. Дно котлована может быть плоским или криволинейным в соответствии с очертанием перекрытия, которое чаще всего выполняют арочной формы. В первом случае конструкция свода бетонируется в специальной опалубке, а во втором - непосредственно на грунте.

Работы II этапа включают устройство фундаментов сводчатого перекрытия из наклонных буровых свай, располагаемых по направлению радиуса кривизны свода в его пятовых сечениях. Конструкция и параметры свай определяются необходимой несущей способностью с учетом действующих нагрузок и прочностно-деформационных свойств грунтов в основании.

Рис. 13

На III этапе устанавливают арматурные каркасы и бетонируют свод на грунтовой или деревометаллической опалубке. После необходимой выстойки бетона свод покрывают гидроизоляционным и защитным слоями и засыпают грунтом, восстанавливая поверхностные условия над строящимся подземным сооружением.

Работы IV этапа предусматривают проходку подземной выработки под сводом закрытым способом. В зависимости от свойств грунтов и размеров поперечного сечения подземного сооружения могут быть реализованы технологии сплошного или ступенчатого забоя, нижнего уступа или нового австрийского способа (НАТМ).

По мере разработки и удаления грунта возводят обделку из монолитного бетона или набрызг-бетона, усиленного в случае необходимости сплошными или решетчатыми стальными арками. Таким образом, основные работы по проходке подземной выработки ведутся по хорошо известной и отработанной технологии с повышенной степенью безопасности под прикрытием ранее забетонированного свода, что благоприятно отражается на темпах строительства. Так, по данным практики, темпы возведения свода составляют 200 - 400 м/мес., а проходки - 150 - 300 м/мес.

Однако основные достоинства метода «рамной крепи» заключаются в том, что достигается быстрое восстановление движения транспортных средств над строящимся подземным сооружением, сводятся к минимуму перекладки подземных коммуникаций, нарушения грунтового массива и поверхности земли, сокращаются сроки производства работ. Это технически простое и эффективное решение впервые было применено на строительстве тоннеля у г. Бад-Бетриха. Под пяту свода заранее подвод или фундаменты из буровых свай с обвязкой, которую объединяли со сводом.

В настоящее время по такой технологии сооружаются отдельные участки железнодорожного тоннеля Дернбах длиной 3,3 км .На северном участке тоннеля, проходящем на мелком заложении, в перемежающихся песчаниках и кварцитах с прослойками глины и ила, железобетонный свод опирали на буронабивные сваи длиной до 30 м и диаметром 1 м. Свод возводили в котловане с естественными откосами, с одной стороны, и ограждающей заанкеренной в грунт стенкой, с другой стороны.

Аналогичным образом сооружали центральный участок тоннеля под автомагистралью А48 на глубине от 4до 8 м. Движение транспортных средств было прервано на две недели. На южном участке свод тоннеля также опирали на буровые сваи диаметром 1 м и длиной до 30м.

В ряде случаев свод опирают на наклонные микросваи диаметром 0,4 - 0,6 м и длиной 4 - 6 м, устраиваемые по дну котлована. Сваи предназначены не только для восприятия усилий со свода, но и для крепления стен тоннеля во время подземной экскавации грунта. Такую технологию применили при строительстве тоннелей метрополитена вг. Бразилиа (Бразилия) в сложных инженерно-геологических условиях (сжимаемые и неустойчивые водоносные грунты) при глубине заложения около 3 м .

Микросваи из стальных двутавровых балок высотой 20,32 см и длиной 5 - 9 м погружали вибратором, закрепленным на стреле экскаватора. Свод бетонировали на грунте и частично в опалубке. Выработку раскрывали сплошным и ступенчатым забоем и закрепляли стальными арками и набрызг-бетоном.

При строительстве тоннелей в неустойчивых грунтах свод опирают на массив из закрепленного глубинным инъецированием грунта (цементным раствором, жидким стеклом с хлоридом кальция или синтетической смолой). При недостаточном боковом отпоре грунта, а также смещениях свода в горизонтальном и вертикальном направлениях свыше допустимых величин, последний закрепляют стальными затяжками, что возможно только при бетонировании его в опалубке. После завершения всех работ затяжки снимают.

Для устройства опорных элементов весьма перспективен метод струйной цементации, обеспечивающий быстрое и надежное закрепление как связных, так и несвязных неустойчивых грунтов.

При заложении тоннелей на глубине 2 - 4 м вместо сводчатого часто устраивают плоское перекрытие, устойчивость которого повышают, опирая его концы на короткие наклонные буровые сваи или столбы из искусственно закрепленного грунта. Таким образом, можно сооружать одно- и двухпролетные тоннели. В последнем случае по мере раскрытия профиля выработки в средней части устанавливают промежуточный ряд колонн или сплошную стенку. Схемы сооружения однопролетного и двухпролетного тоннелей с плоским перекрытием представлены на рис. 14.

Новая разновидность полуоткрытого способа - «зиллертальский» способ - был разработан и реализован австрийской фирмой «Бетон и Мониербау» на строительстве тоннеля Бретфол длиной1,33 км на трассе федеральной автомагистрали В169 (Германия) . На южном участке тоннеля длиной 60 м свод из монолитного железобетона опирали на стены из буросекущихся свай, которые доходили до поверхности земли, что позволило сократить размеры котлована.

Технологическая последовательность работ показана на рис.15. В первую очередь возводили стены из буросекущихся свай, а затем вскрывали котлован с криволинейной подошвой до низа сводчатого перекрытия.

Рис. 14 Схема сооружения тоннелей с плоским перекрытием: а - однопролетный тоннель; б - двухпролетный тоннель; 1 - бетонирование перекрытия; 2 - вскрытие котлована; 3 - устройство наклонных стенок; 4 - тоннельная выработка; 5 - плита перекрытия; 6 - обратная засыпка

Последнее возводили из монолитного железобетона, упирая его в стены из буро-секущихся свай. Далее работы вели по традиционной технологии полуоткрытого способа, разрабатывая грунтовое ядро и бетонируя обратный свод.

«Зиллертальский» способ предусматривает иную статическую работу конструкции тоннеля по сравнению с «кернтнерским». Распор свода передается на стены из буровых свай, компенсируя активное боковое давление грунта в верхней части стен. После разработки грунтового ядра свод удерживается силами трения. Для увеличения сил трения между сводом и стеной в последнюю заделывают стальные стержни диаметром 36 мм и длиной 60 мм.

Рис. 15 Технологическая последовательность работ при «Зиллертальском» способе строительства: 1 - конструкция, выполненная по технологии «стена в грунте»; 2 - котлован; 3 - свод; 4 - грунтовое ядро; 5 - внутренняя обделка тоннеля

Таким образом, перекрытие тоннеля, а также обратный свод работают как арочные распорки, что исключает необходимость заанкеривания стен в грунт.

Опыт применения различных модификаций полуоткрытого способа работ показал его надежность и безопасность. Основные горнопроходческие операции выполняются открытым способом под защитой перекрытия с высокой степенью жесткости и несущей способности как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Скорость строительства составляет 200 - 400 м/мес. при устройстве перекрытия и 150 - 300 м/мес. При проходке и креплении выработки. Достигается быстрое восстановление движения транспортных средств над строящимся тоннелем, сводятся к минимуму перекладка подземных коммуникаций, нарушения грунтового массива и поверхности земли, уровень шума и вибрации, сокращаются сроки производства работ. Несмотря на некоторые недостатки, полуоткрытый способ может составить конкуренцию традиционным - открытому и закрытому, особенно при сооружении тоннелей мелкого заложения в слабоустойчивых грунтах.

Статьи по теме