Как строят подземные туннели в ручную. Как вырыть подземный ход. Технология строительства транспортных тоннелей

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.

Водоемы всегда создавали проблемы для инженеров. Сначала, реки были мощными помощниками торговли. Но рано или поздно, людям понадобилось попасть на другую сторону.

Такие лодки как паромы, были самым ранним и наиболее очевидным решением. В конце концов, инженеры начали строить мосты. Вскоре, однако, нашлись люди, которые захотели сделать тоннели под водоемы. Помимо того, что нанимать первоклассную команду кротов и бобров, как это могло быть сделано?

Работники открывали затворы по одному, чтобы прокопать несколько сантиметров грязи. После того, как был достигнут небольшой прогресс, весь щит будет продвинут вперед. За ним строят толстую кирпичную стену, которая станет оболочкой туннеля.

Это конечно была очень трудоемкая работа. Например, его работникам понадобилось девять лет (с 1825 по 1843), чтобы построить тоннель под рекой Темза в Лондоне длиной 365 метров. Он стал первым подводным тоннелем в мире.

Технология продвинулась далеко со времён Брюнеля. Сегодня подводные туннели создаются огромными тоннелепроходными машинами. Эти машины стоят миллионы долларов, но они могут создать большие туннели в очень короткое время.

Круглая пластина с дисковыми резаками вращается, чтобы прорубить скалу сантиметр за сантиметром, медленно и уверенно. Когда машина выкапывает туннель, то помогает укрепить стенки, которые в конечном итоге и являются поддержкой туннеля.

Франция и Англия использовали 11 массивных туннельных бурильных машин, чтобы создать всего через три рекордных года - три трубы, которые и составляют 51-километровый тоннель под Ла-Маншем. Тоннель называют Евро-туннелем или тоннелем под Ла-Маншем. Сейчас эти туннели соединяют две страны под водой.

Другой новый метод создания подводных тоннелей, траншейный метод. Чтобы использовать этот метод, строители роют траншею в русле реки или океана. Потом они топят готовые стальные или железобетонные трубы в траншею. После трубы засыпают толстым слоем породы, рабочие соединяют секции труб и откачивают оставшуюся в них воду.

Этот метод был использован для создания тоннеля Теда Уильямса, который соединяет южную часть Бостона с аэропортом Логан. 12 гигантских стальных труб, которые были потоплены в траншее была каждая 100 метров в длину и помещала в себе уже полностью готовую инфраструктуру!

Инженеры всегда придумывают новые идеи. На основе экспериментальных породо-режущих методов, завтра подводные тоннели могут быть построены с помощью высоконапорной струи воды, лазера или ультразвуковой машины.

Новые технологии могут помочь в строительстве туннелей, которые когда-то казались невозможными. Например, некоторые инженеры хотели бы построить Трансатлантический тоннель, чтобы соединить Нью-Йорк с Лондоном. 4960-километровый туннель мог бы предоставить место поезду, который смог бы проехать со скоростью 8000 километров в час. Путешествие, которое сейчас занимает 7 часов на самолете когда-нибудь может занять менее одного часа!

Этапы строительства метро:

Выбор места расположения

В первую очередь метро прокладывают в отдаленные районы столицы. При этом учитывается, сколько там проживает людей и сколько жилья построят в будущем, а также есть ли в районе промышленные предприятия, бизнес-кластеры и большие офисные центры, в которые ежедневно люди приезжают на работу. На выбор места для новой станции влияет и такой фактор, как заселенность соседних районов и даже Подмосковья. Зачастую станцию решают строить там, где движение автомобилей наиболее плотное.

Инженерные изыскания

На этом этапе происходит сбор сведений, необходимых для дальнейшей разработки технико-экономического обоснования проекта и рабочей документации на строительство. В состав инженерных изысканий для строительства метро должны входить геологические, геодезические, экологические и другие виды изысканий по необходимости.

Проектирование

На этом этапе определяются глубина заложения, типы конструкций и способ проходки подземных тоннелей, составляется проектно-сметная документация. Проще говоря, проектировщики определяют оптимальный «маршрут» подземной дороги и место заложения станции.

Проект готовится таким образом, чтобы строительство не повредило архитектурные памятники, здания на поверхности, парки и скверы и при этом стоило бюджету как можно меньше затрат. Если трасса тоннеля проходит вблизи уже существующих объектов, то при необходимости разрабатываются методы инженерной защиты этих сооружений от шума, вибраций и блуждающих токов, возникающих при строительстве и эксплуатации линий метрополитена.

Строительство

От того, какие объекты расположены на поверхности, главным образом зависит, как глубоко уйдет новая станция. Под уличными магистралями метро может «спрятаться » совсем на небольшой глубине - менее 20 метров. Это самый экономичный вариант, который выбран для большинства новых станций. Если сверху - жилые дома, то «спускаться» придется глубже.

Различают закрытый способ строительства, без вскрытия поверхности, и открытый способ, при котором тоннели и станции строятся, соответственно, в разрытых траншеях и котлованах и после засыпаются грунтом.

Закрытый способ применяется при строительстве линий глубокого заложения, станции мелкого заложения строятся преимущественно открытым способом.

Строительство «глубокого» метро начинается с прокладки шахтного ствола для клети (лифта), который будет доставлять метростроевцев и необходимое оборудование «на рабочее место». Площадку, которая вырывается вокруг ствола, можно сравнить с огромной лестничной клеткой. Отсюда начинается прокладка тоннеля. На той же клети после бурения ежедневно на поверхность вывозятся десятки тонн грунта.

Чем глубже станция, тем она дороже и требует больше ресурсов. В 2011 году в Москве было решено большинство новых станций прокладывать открытым способом. Достаточно выкопать котлован, установить бетонные конструкции, выполнить обратную засыпку и уже внутри полученного коридора укладывать пути. Это не только дешевле, но и гораздо быстрее, чем строить станции глубокого заложения.

Проходка и укрепление тоннелей осуществляется чугунными тюбингами или водонепроницаемыми железобетонными блоками обделки.

Монтаж эскалаторов

Параллельно с прокладкой тоннеля строится сама станция и система переходов, затем в метро прокладываются коммуникации и монтируются эскалаторы.

На станциях метро глубокого залегания эскалаторы устанавливаются в длинных наклонных тоннелях - выходах. Большая длина таких эскалаторов накладывает особые требования к прочности их конструкции и надежности тормозов.

При мелком заложении используются поэтажные эскалаторы. Что важно - все новые станции также оборудуются лифтами для людей с ограниченными физическими возможностями.

Внутреннее оформление

Столичный метрополитен по праву считается красивейшим в мире. В большинстве стран станции утилитарны и неотличимы одна от другой. Несмотря на то что теперь станции Московского метрополитена строятся по типовым проектам, для каждой из них разрабатывается свое, особенное архитектурное и дизайнерское решение.

Проекты дизайна строящихся станций московского метрополитена можно посмотреть .

Типовые проекты:

Для станций мелкого заложения используются три основных типа:

• сводчатая станция, с открытой, без колонн, платформой;
• двухпролетная с колоннами посередине платформы (для станций мелкого заложения);
• трехпролетная (для станций мелкого заложения).

В центре Москвы, ввиду плотности исторической застройки, используется старый тип станций глубокого заложения двух видов - колонные и пилонные.

Технологии в помощь метростроевцам

Тоннелепроходческие комплексы

В 30-е годы первые станции московского метро строились вручную: киркой и лопатой. Сегодня же в арсенале метростроителей - передовые технологии. Для прокладки тоннелей метро используют полностью автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Наверное, ее можно сравнить со «стальным червем», который просверливает путь в толще породы, оставляя за собой готовый тоннель.

По легенде, изобретатель первого в мире «проходческого щита» англичанин Марк Брунель действительно придумал такую конструкцию после того, как пригляделся к «работе» обыкновенного корабельного червя, когда служил на флоте. Он заметил, что голова моллюска покрыта жесткой раковиной, с помощью зазубренных краев которой червь буравил дерево, оставляя за собой на стенках хода гладкий защитный слой извести.

Идея машины, которая в разы упростила прокладку тоннелей, оформилась в конструкцию в 1817 году, когда русский император Александр I обратился к Брунелю с просьбой спроектировать тоннель под Невой в Санкт-Петербурге. Правда, в России инженеру поработать так и не удалось - император в конечном итоге решил возвести в намеченном месте мост.

Тем не менее в 1818 году первый щит Брунеля был запатентован, а в 1825 году с его помощью началось строительство тоннеля под Темзой.

В первой машине грунт выбирали сразу 36 шахтеров, располагавшихся каждый в своей ячейке. После выемки грунта на несколько сантиметров щит сдвигали немного вперед. Это была непростая работа, учитывая постоянно просачивающуюся воду (дно реки располагалось всего в нескольких метрах выше сводов этого двойного тоннеля). Несколько наводнений в забое унесли жизни семи рабочих, а однажды чуть не погиб сын Брунеля. Более того, на подземной стройке не раз вспыхивал болотный газ. И всё же работа завершилась триумфом.

В первый же день после открытия удивительного сооружения через тоннель прошли 15 тысяч человек. С тех пор Великобритания заслуженно считается пионером щитовой проходки, а сам щитовой метод в специальной литературе получил название «лондонский».

В нашей стране в метростроении проходческий щит был впервые использован в 1934 году для проходки сложного участка первой очереди московского метро между Театральной площадью и Лубянкой. А при строительстве второй очереди московского метро на трассах одновременно уже работало 42 щита - рекорд по объему используемой техники. С тех пор по этой технологии сооружено более 70% метротоннелей столицы.

На первых щитах, как уже отмечалось, грунт выбирался рабочими вручную с помощью отбойного молотка и удалялся через уже построенный тоннель на вагонетках. Для движения щита вперед использовались винтовые домкраты, которые упирались в готовый участок тоннельной обделки и толкали машину вперед.

Размеры тоннелей росли, совершенствовалась и конструкция «червя»: в передней его части появились горизонтальные площадки, которые позволили рабочим разрабатывать грунт одновременно с двух (а иногда и более) ярусов. Однако из-за большого количества ручного труда и частых аварий скорость проходки оставляла желать лучшего.

Значительно ускорило процесс использование сборной обделки из крупных элементов - первоначально - чугунных тюбингов. Гигантские кольца, формирующие тоннели, стали собирать из нескольких элементов.

Следующим этапом «эволюции» тоннелепроходческих комплексов стала разработка конструкций с так называемым «грунтопригрузом». При работе такого щита порода подается сначала в герметичную камеру, из которой грунт по принципу «мясорубки» удаляется с помощью шнекового конвейера.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях, и современные щиты рассчитаны на проходку тоннелей в различных грунтах, в том числе и в неустойчивых. Комплексы работают в два цикла: сначала разрабатывают грунт, затем возводят обделку, производя монтаж блоков. Средняя скорость «проходки» щитов сегодня - 250 - 300 м в месяц, средняя стоимость - 13 - 15 млн евро.

Московские строители первыми в мире с помощью тоннелепроходческих щитов стали прокладывать наклонные тоннели для эскалаторных зон . По заказу Мосметростроя канадская фирма Lovat разработала и изготовила тоннелепроходческий комплекс с наружным диаметром 11 м. Именно с его использованием столичные метростроевцы впервые совершили щитовую проходку тоннеля для эскалаторов. Это произошло на станции «Марьина роща» Люблинско-Дмитровской линии метро.

Кстати, будни метростроителей вовсе не лишены романтики: когда-то Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы-изготовителя тоннелепроходческих щитов LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары. С его легкой руки родилась традиция - присваивать щитам женские имена. Вот почему в Москве трудятся машины с именами «Клавдия», «Катюша», «Полина» и «Ольга».

Решение геологических проблем

Самый коварный враг проходчиков подземных шахт - это плывуны: массы почти пылеобразного песка с примесью 10 - 15% глины, как губка пропитанного водой.

Еще в 30-е годы прошлого века, когда в столице строилось первое метро, метростроители столкнулись с очень непростыми гидрогеологическими условиями. Тогда же была применена система против обрушения грунта и других типичных проблем, угрожающих тоннелям, которая по сей день считается одной из самых продуманных и надежных. Речь идет о заморозке грунта, основанной на простой, но эффективной системе.

Различают несколько способов замораживания, старейший из них - так называемый «рассольный» .

Он состоит в том, что место работ отгораживается от общей массы водоносного грунта стеной из мерзлоты. Замороженный грунт в метр-два толщиной при температуре -12 градусов практически выдерживает любое давление горных пород и прекрасно противостоит проникновению грунтовых вод. Как же заставить холод спуститься под землю? Это получается с помощью искусственных приспособлений из специальных холодильных машин.

Холодильная машина основана на том, что хладагент (жидкий аммиак, фреон и т.д.), который из цистерн пускают в подготовленные замораживающие колонки, при своем испарении отбирает у окружающей среды теплоту. Его пары вновь сжижаются с помощью компрессора и конденсатора, а холод, образовавшийся в испарителе, идет на охлаждение незамерзающего рабочего рассола хлористого кальция. Рассол при температуре -25 градусов поступает в охлаждающую систему. Для ее установки по контуру выработки пробуриваются скважины диаметром 150 - 200 миллиметров на расстоянии одного метра друг от друга. В скважины опускаются замораживающие колонки, состоящие из двойных труб. Замораживающий рассол поступает по средней трубе, а по наружной трубе после естественного нагрева в грунте возвращается в холодильную машину. Таким образом, циркуляция рассола происходит непрерывно.

Примерно через месяц работы холодильной машины грунт вокруг отдельных замораживающих колонок смерзается в монолитную массу, защищающую место выработки от проникновения грунтовых вод и осыпания стенок. Теперь холодильная машина должна лишь поддерживать кольцо мерзлоты до тех пор, пока не будут произведены выработка и закрепление ее стенок.

Более современный способ - низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота . Он представляет собой бесцветную жидкость, температура испарения которой очень низка (при атмосферном давлении она равна -195,8 о С).

Получают жидкий азот на специальных заводах путем сжижения атмосферного воздуха при низких температурах и последующего разделения его на жидкий азот и кислород, имеющие разные температуры испарения. Жидкий азот транспортируют в специальных емкостях (танках).

В отличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).

Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод. На замораживание 1 м 3 грунта с содержанием воды до 30% расходуется 1000 л жидкого азота. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен и нетоксичен.

Однако оба этих способа в последнее время применяются достаточно редко. Жидкий азот - удовольствие неоправданно дорогое, к тому же на «схватку» грунта уходит более месяца. Поэтому заморозка сегодня используется лишь при проходке наклонных эскалаторных тоннелей.

Для прочих случаев есть более совершенная и достаточно экономичная альтернатива - технология струйной цементации грунтов, или jet grouting . Это метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора. В результате струйной цементации грунта в нем образуются цилиндрические колонны диаметром 600 - 2000 мм.

Технология появилась практически одновременно в трех странах - Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия она мгновенно распространилась по всему миру.

Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором в режиме mix-in-place (перемешивание на месте). В результате в грунтовом массиве формируются сваи из нового материала - грунтобетона - с достаточно высокими несущими и противофильтрационными характеристиками.

Устройство свай из грунтобетона выполняется в два этапа: производство прямого (бурение скважины) и обратного хода буровой колонны. В процессе обратного хода производят подъем колонны с одновременным ее вращением.

С помощью jet grouting получают очень прочный котлован, строят надежные основания под любые строения. В шахматном порядке создают свайное поле, одна свая перекрывает другую, и получается монолит - скала. И на ней можно строить что угодно. Эта технология особенно эффективна, когда приходится возводить объекты в песчаном грунте, в мягкопластичной глине или в других мягких грунтах.

Благодаря этим технологиям сегодня метростроевцы могут работать в самых сложных геологических условиях, прокладывая тоннели, которые приводят метро в новые районы столицы.

«Драгоценные » инструменты

Не обошлось в метростроении и без нанотехнологий. Сегодня строители могут использовать инновационные инструменты - алмазные рабочие сверла, фрезы и жала .

Изначально это ноу-хау использовалось для сверления железобетонов и других строительных материалов и оказалось настолько удобным, что стало использоваться для сложных горнопроходческих работ в скальном грунте. Она значительно повышает уровень безопасности работ и скорость проходки - строительство ускоряется буквально в разы. Интересно, что стоимость "алмазного" оборудования не намного выше обычного - разница в цене составляет всего 10 - 15%.

Традиционные морально устаревшие инструменты не в состоянии обеспечить такое количество технологических преимуществ. Так, алмазное сверло может делать отверстия в любой плоскости и под любым углом, при помощи контурного метода можно получить правильные прямоугольные отверстия любой нужной величины, при этом получается идеальный контур. "Драгоценные" инструменты позволяют работать в самых узких и тесных пространствах, им под силу материал любой твердости. Что немаловажно - метод бесшумен и экологичен.

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

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.

1. 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.

2. 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

   Выройте траншею в месте пролегания тоннеля. Этот метод похож на предыдущий, однако он используется для создания тоннелей под водой. Выкопайте траншею вдоль всего маршрута, по которому пройдет тоннель.

   Положите в вырытую траншею стальные трубы. Трубы должны быть запечатаны с торцов, чтобы в них не проникла вода. Если тоннель предназначен для автомобильного транспорта, трубы должны содержать построенное заранее дорожное полотно.

   Заполните трубы чем-либо, чтобы они не деформировались под давлением воды на глубине. Например, при строительстве тоннеля Теда Вильямса в Бостоне трубы заполняли полутораметровыми камнями.

   Сняв с торцов труб крышки, соедините их вместе. Фрагменты автомобильной или железной дороги, созданные в трубах заранее, также состыкуются друг с другом.

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.