Тоннели

 

 

Для проходки в песчаных грунтах щиты стали оснащаться в  головной части горизонтальными рассекающими площадками, удерживающими забой от осыпания такой щит вдавливается в породу домкратами, грунт ссыпается вниз и собирается погрузчиком.

Следующим шагом стало  практически полное исключение ручного  труда, за счет механизации процесса разработки породы в забойной части. Как правило, на оси щита устанавливается  мощный стальной ротор с резцами, который разрабатывает породу в забое. Дальше порода подается на конвейер, откуда пересыпается в вагонетки и вывозится по уже построенному тоннелю. Существуют щиты и с ковшовым рабочим органом - для более мягких пород.

Впервые в СССР опытный  механизированный щит работал в 1949 году на строительстве Кольцевой  линии в Москве и построил несколько  сотен метров тоннеля на участке "Киевская" - "Парк Культуры". Широкое применение механизированных щитов началось со второй половины 50-х в на Рижском радиусе (механизированный щит т.н. московской конструкции), в Ленинграде по всей трассе (т.н. ленинградский щит) и в Киеве (соответственно, киевский щит). Разная конструкция обуславливалась разными грунтами: в Москве - "бутерброд" из известняков/юрских глин/сухих супесей и суглинков, в Петербурге - плотные сухие кембрийские глины, в Киеве - мягкие пластичные глины.

Для проходки в сложных  водонасыщенных грунтах стало применяться  кессонирование (работа под давлением сжатого воздуха) забойной части. Труд проходчика превратился в квалифицированную работу оператора. Современные средства навигации - гироскопы и лазерные теодолиты позволяют щиту точно выдерживать проектные значения трассы, как в плане, так и в профиле. Ручной труд сохранился только при необходимости замены изношенных резцов. Мировой рекорд скорости проходки - 1250 метров тоннеля в месяц - поставлен серийным щитом КТ-1-5,6 на участке строительства перегонного тоннеля в Ленинграде на участке от "Пионерской" до "Удельной" в 1981 году. В 70-х - 80-х годах эти щиты считались одними из самых совершенных в мире.

При сооружении тоннелей в  неустойчивых водонасыщенных грунтах  требовалось применение сложных  специальных методов - водопонижение, замораживание грунта, что значительно  снижало скорость и увеличивало  стоимость строительства. Все больше ужесточались требования, случавшиеся в прошлом просадки поверхности ныне недопустимы, ведь вблизи поверхности земли пролегла огромнейшая сеть водо- и газопроводов, электрических кабелей, линий связи, обеспечивающих жизнь крупного города.

Всех этих недостатков  лишены щиты с так называемым "грунтопригрузом" (EPB, Earth Pressure Balance).

 

Рисунок 17-Тонелепроходческий комплекс Lovat

 

 

При работе щита разрабатываемая порода подается сначала в герметичную камеру грунтопригруза. Из этой камеры грунт удаляется с помощью шнекового конвейера (как в мясорубке) только тогда, когда его давление в камере сравняется с давлением в забое, за этим следят специальные датчики. Таким образом, обеспечивается постоянное поддержание давления на забой, как при движении щита вперед, так и при отводе щитовых домкратов для монтажа очередного кольца обделки.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических  условиях. В плывунных неустойчивых грунтах, при значительном давлении грунтовых вод, при недопустимости даже незначительных просадок поверхности используются проходческие комплексы с гидропригрузом ("Slurry Shield"). В таких комплексах в призабойную часть, под необходимым давлением (речь может идти о десятке атмосфер) нагнетается бентонитовый раствор, что позволяет поддерживать забой в стабильном положении даже в самых тяжелых плывунных грунтах. Разработанная порода, измельченная до состояния пульпы, отводится вместе с бентонитом по трубопроводу. В сепарационной камере происходит отделение породы и рекультивация бентонитового раствора. Отделенный от бентонита грунт вывозится по уже построенному тоннелю, а бентонитовый раствор возвращается в камеру гидропригруза. В зависимости от условий проходки и характеристик грунтов, рецептура бентонитового раствора постоянно корректируется. В составе комплекса действует химическая лаборатория, исследующая состав грунта и вносящая соответствующие изменения в рецептуру раствора.

При необходимости проведения работ в призабойной области - замены резцов ротора и т.д. (кстати, все эти работы можно выполнять из камеры грунтопригруза, то есть, находясь "внутри" щита), бентонитовый раствор в камере гидропригруза вытесняется сжатым воздухом. Остатки бентонита в виде пленки и подушка сжатого воздуха удерживают забой, в то время как специалисты получают доступ к исполнительным органам щита.

С помощью тоннелепроходческих  комплексов с гидропригрузом построены тоннели в самых сложных инженерно-геологических условиях, подобный комплекс "Виктория" использовался при проходке новых тоннелей через зону "Размыва" в Санкт Петербурге. В Москве тоннелепроходческий комплекс Херренкнехт диаметром 14,2 метра успешно завершил проходку автодорожного тоннеля под рекой Яузой и Лефортовским парком по трассе третьего транспортного кольца. Сейчас этот комплекс ведет проходку совмещенного авто-метротоннеля по трассе будущего Краснопресненского проспекта под Серебряноборским лесничеством.

 

 

.

Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ Святой Барбары. С его легкой руки берет свое начало романтическая традиция. Теперь красивые имена есть не только у щитов с маркой "LOVAT" но и у комплексов других производителей. Поэтому в Москве трудятся такие щитовые проходческие комплексы как "Клавдия", "Катюша", "Полина" и "Ольга". В Казани - "Сююмбике" и "Алтынчяч" (Златовласка), а тяжелейшие условия "Размыва" в Санкт-Петербурге героически преодолела "Виктория".  

 

 

Рисунок 18-Тоннелепроходческий комплекс SELLI-LOVAT RME-394

 

 

 

В этом разделе представлена лишь небольшая часть щитовых проходческих комплексов. Существуют щиты для сооружения тоннелей с монолитной прессобетонной обделкой, щиты для обделки, разжимаемой в грунт, щиты для строительства тоннелей из труб, микрощиты и даже щитовые комплексы для открытого способа работ.

Инженерная мысль не стоит  на месте и сегодня строятся комбинированные Тоннелепроходческие комплексы, которые могут работать в режиме как гидро- так и грунтопригруза, для более полного соответствия геологическим условиям, встречающимся на трассе тоннеля.

 

6.2 Поперечное сечение, продольный профиль и план 

4.1  Основные параметры  поперечного сечения автодорожных  тоннелей, габариты приближения строений и оборудования следует принимать в зависимости от категории автомобильной дороги и длины тоннеля по ГОСТ 24451.  
4.2  Элементы плана и профиля автодорожных тоннелей должны назначаться исходя из условий обеспечения необходимой видимости при заданной расчетной скорости. Радиусы кривых в плане должны быть не менее 250 м.  
4.3  Продольный профиль проезжей части автодорожных тоннелей длиной до 300 м должен быть с уклоном одного знака.                 
4.4  Продольный уклон в железнодорожных и автодорожных тоннелях должен быть не менее 3+, за исключением участков переходных вертикальных кривых.                 
4.5  Максимальные продольные уклоны в автодорожных тоннелях не должны превышать 40+, а в сложных топографических и инженерно-геологических условиях при длине тоннеля до 500 м - 60+.  
4.6  При расположении портала горного тоннеля или рампового участка подводного тоннеля у заливаемой поймы дно водоотводного лотка у портала или отметка верхней точки проезжей части рампы должны быть не меньше чем на 1,0 м выше наивысшего уровня паводковых вод (наводнений) с вероятностью превышения 1:300 (0,33 %) с учетом подпора, ледохода и высоты волны. При невозможности выполнения этого требования необходимо устраивать в тоннеле защитные устройства.

6.3 Строительные конструкции

5.1 Материалы для обделок  и гидроизоляции тоннелей, притоннельных  подземных сооружений, порталов, припортальных подпорных стен, рамп. Также для внутренних строительных конструкций должны отвечать требованиям прочности, огнестойкости, долговечности, устойчивости к химической агрессивности грунтовых вод и воздействию микроорганизмов, не выделять токсичных соединений в условиях строительства и эксплуатации тоннеля при нормальных и аварийных температурных режимах и иметь установленные в законодательном порядке обязательные сертификаты. Гидроизоляция должна выдерживать без разрыва допускаемые проектом деформации обделок.  
5.2 Класс бетона по прочности на сжатие следует принимать не ниже:                 
В30 - для сборных железобетонных обделок;      
В25 - для железобетонных монолитных обделок и опускных секций подводных тоннелей;  
В15 - для бетонных монолитных и набрызг-бетонных обделок;  порталов; оголовков; внутренних монолитных железобетонных конструкций.                 
5.3 Плотность и проектные марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости следует назначать в зависимости от принятой системы гидроизоляции и защиты тоннельной обделки от коррозии, от климатических и гидрогеологических условий района расположения тоннеля и в соответствии со СНиП 2.03.01 и СНиП 2.03.11 для 1 класса сооружений.

5.4 - обделки по всему контуру должны иметь плотное примыкание к грунту.                 
5.5 Горные тоннели, сооружаемые в обводненных грунтах при невозможности дренирования подземных вод; а также подводные тоннели должны иметь обделки из водонепроницаемых материалов или гидроизоляцию.                 
5.6 Выступающая из лобового откоса часть тоннеля должна быть оформлена в виде горизонтальной площадки длиной не менее 2,0 м, покрыта плотной засыпкой толщиной не менее 1,5 м и защищена от размыва жестким покрытием.               
Парапет портала, поддерживающий засыпку и обеспечивающий задержание осыпающегося грунта с лобового откоса, должен возвышаться над засыпкой не меньше чем на 1,10 метров.      
Лобовые откосы , должны быть укреплены.    
5.7 Раструбный участок во въездной зоне тоннелей должен быть длиной не менее 20 м с увеличением площади поперечного сечения не меньше чем на 50%.   
5.8 Ширина эвакуационных проходов в сервисных штольнях, штольнях безопасности и соединительных выработках должна быть не менее 1800 мм, а высота - не менее 2200 мм.  
5.9 Уровень чистого пола ниш и камер в железнодорожных тоннелях должен быть на одном уровне с подошвой ближайшего к ним рельса; а в автодорожных тоннелях на одном уровне со служебным проходом или верхом защитной полосы.                 
5.11 Конструкции обделок тоннелей, порталов, сооружаемых в районах (зонах) сейсмичностью 7 баллов и более, должны удовлетворять требованиям СНиП II-7.                 
5.12 Расстояние между антисейсмическими деформационными швами тоннельной обделки следует устанавливать с расчетом и совмещать их с температурно-осадочными деформационными швами. Расстояние между которыми в обделках из монолитного бетона и набрызг-бетона должно быть не более 20 м, а из монолитного железобетона - 40 м.

 

 

 

6.4 Гидроизоляция тоннельных обделок

В современном тоннелестроении  применяют разнообразные виды гидроизоляционных материалов. Сплошную гидроизоляцию устраивают из рулонных органических или синтетических пленочных материалов, различных композиций на основе синтетических смол, тонких стальных листов.

Монолитные обделки тоннелей, заложенных в устойчивых скальных грунтах, защищают от воды наружной гидроизоляцией, которую устанавливают до возведения обделки. Поверх пленочной гидроизоляции сооружают армокаркасы.

 

6.5 Опалубка

 

Для механизации возведения монолитной бетонной обделки однопутного железнодорожного тоннеля, разрабатываемого на полное сечение используется самоходная металлическая опалубка «Saga Сogio» (Япония). Общая длина опалубки 20.5 м обеспечивает заходку на 20 м. Ширина и высота опалубки соответственно равны 5.6 и 8.2 м. Масса опалубки - 100 т. Мощность пневмодвигателя перемещения опалубки 10.3 кВт.

Самоходная сборно-разборная  опалубка «Wortington» (Италия) предназначена для механизации возведения монолитной бетонной обделки сводовой части двухпутных тоннелей. Габарит портала тележки в свету для пропуска транспорта: ширина - 3.6 м., высота - 3.7 м. Масса опалубки - 110 т.

 

 

 

 

6.6 Возведение постоянной обделки тоннеля

 

Основными материалами для  возведения тоннельных обделок являются монолитный бетон, монолитный и сборный  железобетон, чугун и сталь. Их выбор  производится в зависимости от условий  района строительства и способа тоннельных работ. В отличие от временных горных крепей, обделка имеет постоянное назначение. Форма и размеры обделки определяются габаритами, глубиной заложения и назначением тоннеля, а также характером воспринимаемых нагрузок (давление горных пород, гидростатическое давление, подвижные нагрузки и т.д.).

 

Рисунок 17-Чугунные тюбинги

 

Монолитные обделки в  основном применяют при сооружении тоннелей особо сложной конструкции и большого сечения. Сборные обделки наиболее распространены при щитовой и эректорной проходках, преимущественно в тоннелях метрополитена

Технологические схемы производства бетонных работ при сооружении тоннелей назначаются в зависимости от крепости пород, способов проходки, глубины заложения, протяженности и профиля тоннеля, а также от применяемых средств механизации.