Строительство транспортных тоннелей. «С обычными технологиями не успели бы к сроку Нестандартный подход: наращённый щит и тоннель для эскалатора

Если не собираешься делать из хода тайну, можно копать «берлинским» способом: роется траншея, в ней строятся стены и крыша будущего хода, после все засыпается. Но соседи придут посмотреть, каждый захочет такой же, только побольше, в итоге кто-то случайно выкопает ад. Лучше копай незаметно, по «парижскому» методу: роется вертикальный колодец, а из него ведут штольню вбок.

Где копать

Песчаные почвы - идеальный вариант. В свое время они позволили нарыть ходов под Берлинской стеной, в том числе знаменитый «Туннель 29» длиной 140 метров. Глину тяжело копать, к тому же выше шанс наткнуться на межпластовые воды. Полезно заранее пробурить скважины по всей траектории хода и выяснить, с чем будешь иметь дело.

Как укрепить

Если роешь штольню, не укрепляя стены и потолок, положи сверху плиту с датами жизни. Когда тебя завалит, родные смогут ограничиться фуршетом. Но лучше укрепляй ход каждые полметра крепью - рамой из просмоленных досок. Когда он будет готов, надо основательно обшить досками стены и потолок или даже забетонировать их, как делают палестинцы в тайных туннелях из сектора Газа в Израиль.

Как обустроить

Чтобы в туннеле было сухо, его надо делать под уклон. Желательно устроить и принудительную вентиляцию: вентилятор у входа и трубы с отверстиями по всей длине сооружения. Одной из проблем «туннеля жизни» в Сараеве, по которому люди выбирались из осажденного города, было отсутствие вентиляции. В итоге пришлось добывать кислородные маски.

Как не засыпаться

Копать подземный ход можно только в своей земле. Иначе в случае обнаружения его засыплют, а оплачивать мероприятие будешь ты. Перед началом процесса выясни, нет ли на пути кабелей, нефтепроводов и ракетных шахт. В этом поможет глубинный сканер. А под землей не повредят газоанализаторы на углекислый газ и метан, иначе туннель будет другой - с полетом к яркому свету и чувством благодати.

Первоначально тоннели служили для доставки воды и отвода сточных вод и нечистот; первые тоннели были построены в Римской империи. Для передвижения тоннели начали использовать в XVII веке, включая их в системы каналов. С появлением железных дорог в XIX веке и автомобилей в XX тоннели получили широкое распространение, став более длинными и конструктивно сложными. Наиболее распространенные способы построения тоннеля заключаются в прорытии траншеи и установке настила, создании подводного тоннеля из опускных секций, а также использовании буровой тоннелепроходческой машины.

Шаги

Часть 1

Факторы, учитываемые при строительстве тоннеля

Рассмотрите место, где будет проложен тоннель. От места строительства тоннеля зависят используемые метод и оборудование. Тоннели можно разделить на три типа:

Тоннели, прорытые в мягких породах. Чтобы такие тоннели не осыпались, их своды дополнительно укрепляют. Как правило, эти тоннели неглубоки; их прокладывают для поездов метро, доставки воды и канализационных стоков.
Тоннели в каменных породах. Своды таких тоннелей не требуют основательного дополнительного укрепления, нередко оно вообще не нужно. Подобные тоннели строят для автомобильных и железных дорог.
Подводные тоннели. Как следует из названия, эти тоннели прокладывают по дну рек, озер и каналов; например, под проливом Ла-Манш проходит так называемый Евротоннель. Эти тоннели самые сложные в строительстве, поскольку из них необходимо отводить воду на стадии возведения и при дальнейшей эксплуатации.
Прокладка тоннеля под городом также сопряжена с немалыми трудностями, так как почва над тоннелем может просесть под весом стоящих над ним зданий. Знание геологии конкретной местности позволяет предсказать, насколько просядет почва, и свести ее проседание к минимуму.

Изучите маршрут тоннеля. Длинные прямые тоннели довольно легко прокладываются при помощи буровой тоннелепроходческой машины. Сложнее обстоит дело со строительством искривленных тоннелей.
- Для прокладывания коротких тоннелей буровая машина не используется, поскольку это нерентабельно.
- Необходимость использования буров различных диаметров также затрудняет применение тонеллепроходческой машины, поскольку замена бура значительно замедляет работу.
- Применение буровой машины нерационально также, если тоннель имеет повороты или ответвления.
Подумайте о предназначении тоннеля. От этого будут зависеть дополнительные работы, которые необходимо провести после прорытия тоннеля перед тем, как ввести его в эксплуатацию.

Часть 2
Прорытие траншеи и установка настила
1. Выкопайте траншею. Из места, отводимого под тоннель, полностью удаляется порода, после чего над вырытым участком делается крыша. Такой вид тоннелей делается двумя способами:
  
  Сформируйте стены и крышу тоннеля. Стены и крышу можно сделать уже после того, как тоннель вырыт, либо создать заранее и поместить в тоннель, когда он будет готов. Можно использовать следующие материалы:
  - Гофрированные арки из стали.
  - Арки из бетона, отлитые заранее.
  - Стены, отлитые из бетона.
  - Распыляемый или порошковый бетон. Нередко его используют наряду с предварительно приготовленными арками.
2. Завершите тоннель. Конкретный способ зависит от использованного вами метода ("снизу вверх" или "сверху вниз").
Часть 3
Тоннель из опускных секций

Железнодорожные тоннели часто используют, когда нужно спрятать места, которые делаю макет нереалистичным. Вы, наверное, заметили, что предоставленные макеты имеют тоннели, чтобы скрыть крутые путевые повороты, которые кажутся нереальными. Тоннели часто используют как границу между макетом и станционным парком. Даже своим собственным видом они могут вызвать необходимый интерес и привлекательность к вашему макету, за достаточно низкую плату.

Обратите внимание.

В реальной жизни тоннели были и есть дорогими для строительства, достаточно часто выемка эксплуатируется до тех пор, пока не построят тоннель.
Старые паровозы выпускали много пара и дыма, по этому, иногда строили вентиляционные шахты в тоннелях для вытяжки дыма, по той самой причине строились тоннели, которые били намного выше движения поездов которые проходили по ним, опять-таки для того, чтобы дым смог выйти наружу.

Порталы тоннеля.

Там где железная дорога (или дорога) входит в тоннель, есть опорная конструкция, которая поддерживает грунт и утёс, это называется портал тоннеля.

Если вы хотите, чтобы у вашей модельной железной дороги был тоннель, то это неплохая идея, сначала решите каким способом вы будете его строить. То ли вы его построите с ноля, соберёте из готовых деталей или приобретёте уже готовый для использования.

Если вы планируете прокладывать свой собственный маршрут из деталей, здесь есть шаблонные листы, которые вы можете загрузить, сделать копии и вырезать для сооружения портала двухпутного туннеля масштабом как ОО, так и N.

Вы имеете возможность приобрести детали для конструирования портала тоннеля таких брендов как Scalescenes и M etcalfe .

Тоннели в масштабе ОО

(Ниже описано, как я делал свои железнодорожные тоннели)

Инструкция: С самого начала, я запланировал построить тоннель на моем макете. Угол, который я выбрал для застройки тоннеля, имел самый остроугольный изгиб, который выглядел слишком остроконечным, для главной линии по которой передвигались поезда-экспрессы.

У меня действительно были серьёзные проблемы, имея три входящие пути (объединённые в 2 пути) и два выходящих. Это означало, что покупка стандартных концов тоннеля невозможна, поэтому, необходимо было строить собственные.

После того, когда я определил местоположение концов тоннеля, я сделал несколько образцов тоннеля (картонные образцы больше всего подходят) чтобы проверить габариты подвижного состава моих самых длинных и самых высоких поездов (самым высоким является поезд класса 90 вместе пантографом) на всех линиях.

Образцы тоннеля были, затем, перемещены на доску 5 мм толщиной, на ней я обвел форму тоннеля. Лобзиком я вырезал два образца концов тоннеля и отшлифовал их, чтобы убрать дефекты среза. Потом они устанавливаются на макет для того, чтобы проверить подходит ли к габариту подвижного состава.

Для покрытия тоннеля я решил использовать доску толщиной больше чем 5 мм. Сначала я положил лист картона на концы, а затем отметил те места, где были входы. Потом я снял картон и ориентировочно обозначилнесколько линий, для придания желаемой формы. Затем я вырезал эту форму моим лобзиком.

Крыша тоннеля прикреплена к входам планочками 2 X 1 (см). Планочки 2 X 1 (см) сначала привинчиваются к верхним частям тоннельных порталов, которые потом служат опорой для платформы, а затем фиксируется (привинчивается) верхняя часть доски. Дополнительная деревянная планка 2 X 1 привинчивается в дальнем углу тоннеля для поддержки задней стороны.

Покрытие: Для заполнения сторон тоннеля я решил использовать некоторые остатки проволочной сетки и метод папье-маше. Сетка была вырезана необходимой формы, а затем шурупами прикреплена к верхней части тоннеля (смотрите фото ниже). Добавим клей чтобы, перестраховаться в том, что проволока не оторвется.

Проволочная сетка в основном использовалась как опора для папье-маше.

Метод папье-маше: Папье-маше - простой и дешёвый способ для создания топографического (холм) пейзажа. Папье-маше просто делается с помощью нескольких слоёв полос газет, которые были пропитаны раствором ПВА и воды. При наращивании слоёв путем наложения полос (лучше всего менять направления полос) вы сможете возвести прочную массу бумаги и клея, которая становится заострённой при высыхании. Проволока, которую я использовал, усилит прочность пласта.

Тоннели в масштабе N

На своём макете я решил использовать тоннель, чтобы замаскировать острые углы и скрыть то, что монтажная схема пути имеют петлевую форму.

Для моего тоннельного канала я предпочёл купить несколько уже готовых деталей, которые я могу установить на мой подготовленный макет, а затем покрасить для придания им реализма. Тоннели, которые я использовал в данной ситуации, являются двухпутными, размером N .

Обычно на макете можно увидеть четырёхдюймовый вход в тоннель, из-за этого я выбрал 5 дюймовый вход в тоннель с трубой. Я сразу понял, что трубка, от туалетной бумаги срезанная по длине примерно на 7 мм, идеально подойдёт по размеру устья тоннеля, и кроме всего прочего, она была уже изогнута.

После того, как я прочел комментарий на форуме о том, как делают темные тоннели, у меня возникла идея, сделать бумагу с рисунком кирпичной стены для того чтобы затемнить тоннель. Я аккуратно подрезал ее по размеру и приклеил к внутренней стороне тоннеля клей-карандашом. Я приклеил туалетную трубку с этой бумагой к порталу тоннеля суперклеем.

Следующим шагом была установка его на мой макет. Я осторожно установил его и протестировал его с помощью нескольких вагонов, чтобы убедиться, что ни один из них не будет задевать внутренние стороны тоннеля. Все прошло хорошо, и я установил его с помощью термопистолета, но ядумаю, что почти любой клей подойдет.

Сейчас тоннель готов для создания прочного искусственного ландшафта.

Перевод Hornby UА

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.

В начале 20-го века в связи с увеличением автомобильного, железнодорожного и прочих видов транспорта встал вопрос о снижении трафика и создании дополнительных транспортных развязок. В это время началось интенсивное строительство транспортных тоннелей: Московского, Петербурского, Нижегородского метрополитена и множества мелких наземных, подземных сооружений.

Технология строительства транспортных тоннелей

Тоннели - это наиболее сложный вид дорожного строительства. Для реализации проекта необходимы геологи, геодезисты, проектировщики, дорогостоящие машины и оборудование, квалифицированные рабочие.

Выбор способа строительства, глубины, длины зависит от климатических, топографических и геологических условий местности. Подземная дорога может пересекать любые труднопроходимые отрезки пути. Тоннели стоят сквозь непреодолимые препятствия рельефной местности, под водой, где мосты мешали бы судоходству, под городскими постройками (метрополитен), в скальных грунтах.

Строительство транспортных тоннелей производится открытым и закрытым способом. Иногда два способа комбинируются.

Открытый способ

Этот способ применяется для неглубокого залегания тоннеля на глубине 10-15 м. Он более дешевый и менее трудоемкий, чем закрытый способ. Технология предусматривает рытье котлована, укрепление стенок и обратную засыпку. Кроме основных работ по строительству также необходимо переносить существующие инженерные коммуникации, укреплять грунты над проходкой.

Существует несколько распространенных методов. В их число входит:

Котлованный метод. Наименее трудоемкий способ, который обеспечивает самые благоприятные условия для затвердения бетона, укладки гидроизоляции. Согласно технологии на всю длину тоннеля откапывается котлован, по дну котлована шагом 1-2 м забиваются сваи. Стены котлована оставляют под углом естественного откоса без крепления (если позволяет местность) или укрепляют вертикально временной крепью. Стандартным способом возводится обделка, а затем вся конструкция засыпается грунтом. Возможна укладка готовых монолитных конструкций на всю длину тоннеля. Метод использовался в метростроении Берлина, поэтому иногда его называют «берлинским».
Щитовой метод. При возведении тоннеля применяется передвижной щит с механизмами для разработки грунта и без. В последнем случае разработка ведется вручную, а оборудование выполняет функцию рабочих подмостей и двигающейся крепи. Механизм представляет собою чаще всего цилиндрический корпус, под защитой которого ведутся работы. Форма щита соответствует будущему поперечному сечению тоннеля.
Траншейный метод. Он заключается в рытье проходки по частям. Для вертикальных стен используют метод «стена в грунте». Его суть заключается в том, что до начала работ по периметру будущего поземного сооружения выбуривают небольшие траншеи шириной 0,4-1 м, длиной до водоупора. Пустоты траншей заполняются раствором глины, что укрепляет стенки. В процессе возведения крепи глинистый раствор заменяется монолитным или сборными железобетонными конструкциями.

В случае сильно обводненных грунтов, трещиноватых скальных грунтов, песчано-глинистой почвы и прочих неустойчивых геологических условий применяются специальное укрепление грунтов. К числу укрепления относят: водопонижение, замораживание грунта, цементация скальных пород, химическое закрепление, метод сжатого воздуха, пр.

Закрытый способ

Закрытый способ более трудоемкий и опасный. При этом способе бурение производятся на глубине от 20м, при невозможности проведения работ открытым способом - на мелком залегании проходки 10-15м. Строительство ведется одновременно на нескольких отрезках будущей проходки, что ускоряет сдачу в эксплуатацию. Разработку грунта, обделку ведут краев от каждого ствола до встречи к соседним стволам, т.е. до сбойки отдельных участков.

Метод предусматривает создание выработки - искусственной пустоты в земле, укрепление стенок рошпанами (поперечиной, соединяющей рамы), гидроизоляционные работы. После прокладки тоннеля его внутренние стены обшивают чугуном, сталью или укрепляют железобетоном, бетоном.

Для ведения проходческих работ в зависимости от размера тоннеля, инженерных условий используются различные методы:

Щитовой метод. Согласно технологии используется передвижной щит механизированного или немеханизированного типа выемки грунта. Не механизированный метод менее продуктивен и используется в тоннелях длиной до 1-1,5 км.

В процессе обустройства подземного сооружения производится механическая выемка грунта, разработанный грунт попадает на ротор с резцами, потом на конвейер и транспортируется на вагонетки. Скорость механизированной проходки составляет до 1200 м за месяц. В агрессивных и неустойчивых средах используются щиты с активным пригрузом. Во время работы укрепляется тоннельная обделка. Она может быть выполнена с помощью подачи бетона, сжатого воздуха, уплотнения грунта. Активный пригруз создается в призабойной зоне.

Справка. Первый проходческий щит был спроектирован в 1825 г. при сооружении метрополитена под Темзой. Его создал Марк Брюнель, когда наблюдал за корабельным червем. Изобретатель заметил, что голова червя была покрыта панцирем. С помощью зазубренной челюсти он буравил дерево. Углубляясь, червь оставлял за собой на стенках хода защитный слой извести.

Метод сплошного забоя. Разработка грунта производится сразу на полное сечение проходки, по стенам крепится деревометаллическое крепление для временной защиты на время обустройства тоннельной обделки.
Горный метод , основанный на последовательной выемке грунта частями с установкой крепежей из дерева. Под защитой крепежа также обустраивается обделка тоннеля.

В зависимости от существующей грунтовой породы выбирают ту или иную технологию.

Методы строительства транспортных тоннелей для устойчивых скальных и среднекрепких грунтов:

Горный метод с использованием буровзрывной техники. Забой бурится шпурами с взрывчатым веществом. После взрыва разрушенная порода транспортируется на поверхность. Устраивается временная крепь, поверх которой наносится слой из стальной арки и железобетонная или бетонная обделка.
Комбайновый метод. Он отличается способом разработки грунта. Выемка производится частично специальными комбайнами с различными типами ножей для дробления.
Новоавстрийский метод. Наиболее экономичный и распространенный метод, отличающийся низкой материалоемкостью. Он широко применим для городских тоннелей местного заложения. После создания проходки идет работа с образованием временной крепи на прилегающей грунтовой массе: укрепление анкерами в шахматном порядке, армирование. Основную нагрузку принимает на себя грунтовый массив. При этом постоянную обделку (нанесение внутреннего слоя бетона набрызгом толщ 10-35 см, и нанесение наружного слоя бетона толщ. 5-15 см) можно начинать на значительном удалении от забоя после того, как исчерпала себя временная крепь. Бетонные работы организовываются сразу по всей площади сечения тоннеля.

В слабых обводненных, агрессивных средах применим:

Щитовой метод с использованием пригруза в зоне забоя.
Применение сжатого воздуха, замораживание, обетонирование грунтов, откачивание подземных вод в районе проходки.

Для неустойчивых, подверженных пучению, сильнотрещиноватых грунтов используется:

Щитовой способ с использованием механизированной выгрузки грунта.
Новоавстрийский метод с использованием податливого свода.

В горах наиболее распространен горный метод с применением буровзрыных работ, проходческих машин в щитах. Под водой используют опускные или щитовые секции. В черте города наиболее приемлемый открытый способ. В нестандартных условиях применяют способ продавливания проходки, закрепление химическими реагентами или водопонижение, замораживание грунтов.

Обделки автотранспортных тоннелей выполняют из металла (чугун, сталь) или монолита (железобетон, бетон). Сводчатые очертания - чаще всего из набрызг-бетона или бетонирования в опалубках. Круговые обделки стыкуют из отдельных металлических или железобетонных элементов ребристого или сплошного сечения. Прямоугольные обделки обустраивают в виде рамных конструкций из сборного или монолитного железобетона. Для наземных тоннелей в месте начальных и конечных порталов обустраивают ограждающие и несущие подпорные стены, архитектурно оформляют их. Подводные автодорожные и городские тоннели в большинстве случае проектируют в виде рампоконструкций переменной высоты.

Характеристика транспортных тоннелей

Основные технические характеристики транспортных тоннелей:

размер продольного профиля, протяженность;
количество полос движения (2,3, 4, 7, 6, 8);
угол уклона (от 3 до 40‰, крайне редко до 60‰);
форма поперечного сечения проходки (круговое, сводчатое, прямоугольное);
траектория движения на участке (прямая, криволинейная с минимальным радиусом кривизны 250-400м);
глубина залегания (неглубокая до 10м, глубокая свыше 10-12м).

Размер и форма выбирается согласно ГОСТ 24451-80 с учетом используемых механизмов, размещения эксплуатационных устройств, приближения строений.

Инженерные системы в тоннелях

Каждый тоннель для бесперебойной и безопасной работы проектируется с инженерными системами. Это:

приточная и вытяжная вентиляции, дымоудаление;
газоанализатор;
электроосвещение; управление электроосвещением;
пожарная защита;
дренажная насосная станция для водоудаления;
противогололедная система;
система безопасности и управления дорожным движением;
обмен данными через оптоволоконный кабель от контроллера до диспетчерского пункта.

Современные системы проектируются автоматизированными. Они могут управляться дистанционно и ручными методами.

Кроме того, по правилам техники безопасности в стенах тоннелей строятся ниши под оборудование пожарной защиты, сигнализации, электрощитовые, через каждые 100 м делают эвакуационные выходы.

Справка. Воздухообмен тоннелей достигает несколько тысяч м3 за секунду. Например, в автотоннеле Сен-Готард приток воздуха 2150 м3/сек, что приравнивается к пересечению тоннеля 1850 машин за час.

Самые длинные и глубокие тоннели

Самым длинным туннелем в мире считается Делавэрский акведук, который расположен в штате Нью-Йорк США и построен в 1945 г. Его длина составляет 137 000 м. Это основной водопроводный тоннель штата, который пробурен через скальные породы.

Готардский тоннель, Швейцария (57 091 м) – самый длинный автотранспортный тоннель в мире. С северного конца он выходит возле деревушки Эрстфельд, а южный выход расположен возле поселка Бодио. Благодаря новой транспортной ветке время пребывания в пути от Цюриха до Милана сократилось на 1 час. Он представляет собой 2 параллельные линии для двухстороннего движения, соединенные галереями. Открыт в 2016 г.

Самый длинный метрополитен в мире Гуанчжоу, построенный в Китае в 2010г. Его протяженность – 60 400 м.

В России самая протяженная подземная дорога – это Московский метрополитен. Его длина составляет 37800 м. Он считался самым длинным метро в мире с 1978 по 1984 г., с 1990 по 1995 г..

Эйксуннский автодорожный тоннель считается самым глубоким в мире. Он проходит по дну Стурь-фьорда в норвежской провинции Мёре-ог-Румсдал, соединяет города Эйксунн и Рьянес Тоннель уходит в глубину на 287 м.