Котлованный способ строительства тоннелей

Открытый способ строительства

ОТКРЫТЫЙ СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА подземных сооружений (а. surface method of соnstruction of underground facilities; н. offene Bauweise im Tiefbau; ф. соnstruction des ouvrages souterrains par la methode a ciel ouvert; и. metodo abierto de соnstruccion de las obras subterraneas) — комплекс взаимосвязанных производственных процессов по сооружению подземных выработок со вскрытием дневной поверхности (до глубины 10-20 м, иногда до 60 м) для размещения в них различных народно-хозяйственных объектов (например, метрополитенов, подземных электростанций, гаражей, складских помещений).

Различают котлованный и траншейный способы строительства подземных сооружений. Котлованный способ предусматривает возведение подземных конструкций в предварительно вскрытых котлованах с обратной засыпкой их грунтом и восстановлением дорожного покрытия над подземным сооружением. В устойчивых грунтах и при наличии свободной городской территории возможно вскрытие котлованов с естественными откосами крутизной 1:0,75-1:1,5 без специального крепления стен. В большинстве случаев стены котлована делают вертикальными с ограждением их временной или постоянной крепью. В грунтах естественной влажности или осушенных водопонижением чаще всего устраивают крепление из металлических свай, между которыми устанавливают затяжку из досок, железобетонных плит или наносят покрытие из набрызг-бетона. В водонасыщенных грунтах, когда нельзя применить искусственное водопонижение, устраивают сплошное шпунтовое ограждение котлована или производят искусственное замораживание его стен (см. Замораживание грунтов).

При большой глубине котлована требуется дополнительное раскрепление свай поперечными металлическими распорками-расстрелами трубчатого или прокатного профиля в один или несколько ярусов по высоте. Взамен распорной системы крепления в отдельных случаях применяют предварительно напряжённые анкеры (грунтовые, буровые, инъекционные, цилиндрические и др.). Для ограждения стен котлованов взамен забивных металлических свай и шпунта могут применяться бетонные буронабивные сваи или опущенные в заранее пробуренные скважины железобетонные сваи-стойки различного поперечного сечения. Между железобетонными стойками устраивают ограждение из стеновых панелей или монолитного железобетона, которое включают в состав постоянной конструкции подземного сооружения.

Реклама

Работы по строительству подземных сооружений котлованным способом ведут по поточной технологии: забивка свай, разработка грунта в котловане с помощью экскаватора, устройство затяжки, установка распорной или анкерной крепи, возведение конструкции и её гидроизоляция (или установка блоков цельносекционной обделки тоннелей), засыпка её грунтом и извлечение свай или шпунта. При строительстве городских тоннелей мелкого заложения открытым способом строительства применяют подвижную металлическую крепь (механизированный комплекс со щитом открытого профиля), перемещающуюся с использованием гидравлических домкратов путём отталкивания от опускаемой сзади щита секции цельнозамкнутой обделки тоннеля (см. Щит проходческий). Работы с применением подвижной крепи ведут в любых нескальных грунтах, за исключением плывунных и илистых, при глубине котлована до 10-12 м и площади его поперечного сечения до 100 м 2 .

Траншейный способ работ («стена в грунте») используют чаще всего при расположении подземных сооружений в непосредственной близости от зданий или их фундаментов, а также в условиях интенсивного уличного движения. Принцип его заключается в разработке по контуру будущего сооружения траншей, в которых возводят конструкции стен, а затем ведут разработку грунтового ядра. Для разработки траншей шириной 0,5-0,8 м применяют бурофрезерные механизированные траншеекопатели (глубина до 50 м), буровые агрегаты (глубина до 60 м), специальные штанговые экскаваторы и траншейные драглайны (глубина до 20 м), грейферы различных типов, подвешенные на стрелах или телескопической мачте к экскаватору (глубина до 30 м). Для крепления траншей используют глинистый раствор (бентонитовую суспензию), плотность которого определяют из условия, чтобы давление раствора на стенки траншеи превышало активное давление грунта и воды. В закреплённую глинистым раствором траншею опускают арматурные каркасы и бетонируют конструкции стен, вытесняя глинистый раствор бетонной смесью. Технология укладки бетонной смеси такая же, как и при подводном бетонировании с применением трубы и с использованием вибробункера, башенного крана, ковша-бункера, укладчика с телескопической стрелой. В ряде случаев применяют также сборные железобетонные панели, опуская их в заполненные глинистым раствором траншеи. При траншейном способе стены являются одновременно крепью и конструктивным элементом подземного сооружения.

При строительстве одноярусных сооружений (тоннели) разработку грунта производят экскаватором в один приём после окончания возведения стен, при многоярусных сооружениях (гаражи и др.) грунтовое ядро разрабатывают последовательно сверху вниз. Одновременно с разработкой грунта производят крепление траншейных стен в основном анкерами или в каждом ярусе подземного сооружения возводят межъярусные перекрытия, выполняющие роль распорок между стенами.

Источник

Строительство транспортных тоннелей: сложности и технология процесса

Строительство транспортных тоннелей значительно отличается от возведения обычных дорог, так как добавляется сразу несколько ключевых факторов, от которых зависит прочность и безопасность сооружения. Несмотря на то, что эту задачу нельзя назвать новой (тоннели строят уже лет 200), проще она не становится.

И если факторы, связанные с природой, можно учесть заранее и принять соответствующие решения, то не всегда получается вовремя оценить нарушения технологии строительства. В нашей статье мы расскажем, как возводят транспортные тоннели, с какими сложностями приходится сталкиваться и какие проблемы возникают в процессе эксплуатации.

Сложности при проектировании и строительстве транспортных тоннелей

Тоннелем называется вытянутое искусственное сооружение (которое в длину намного больше, чем в поперечном сечении), расположенное под землёй горизонтально или под наклоном.

Транспортные тоннели на первый взгляд кажутся очень простыми сооружениями, но их строительство сопряжено со множеством проблем, у которых есть объективные причины.

Это, во-первых, постоянное воздействие давления при проходке тоннеля (если она ведётся горным способом), которое ещё и меняется с течением времени: когда освобождается контур выработки, давление минимально, но затем, по мере деформации горных пород, оно растёт. Возводимый транспортный тоннель может обрушиться внутрь выработки, если не предпринять шаги по предотвращению деформации массива.

Во-вторых, зачастую при строительстве транспортных тоннелей заранее не известно инженерно-геологическое состояние горного массива и условия, в которых предстоит работать.

Из-за этого сильно затянулось строительство, например, Северо-Муйского тоннеля в составе БАМа. В ходе работ обнаружилось, что скальные породы в этом месте пронизаны множеством трещин, сквозь которые в выработку просачивались пар и горячая вода. В таких условиях эффективно работать было, как минимум, затруднительно, а иногда и вовсе невозможно. Невысокие темпы строительства и низкая производительность труда при проходке выработки также были вызваны стеснёнными условиями и крайне ограниченным фронтом работ.

Ввиду этих особенностей строительства транспортных тоннелей, необходимо всестороннее обоснование выбора строительных технологий. В ходе строительства исполнителям следует строго следовать указаниям и рекомендациям технических условий, быть максимально собранными и ответственными.

Нюансы проектирования транспортных тоннелей

Как правило, проектирование транспортного тоннеля осуществляется в два шага. Вначале обследуют местность, где предполагается строить тоннель, и обосновывают выбранные решения технически и экономически. На основе полученных данных составляют технический проект, в котором, помимо плана, присутствуют поперечные и продольные сечения будущего сооружения, конструкции обделки, перечень используемых материалов, указываются места будущих стройплощадок и порталов, способы производства работ и их график с конечными сроками. Кроме того, необходимо ещё решить вопросы водо- и энергоснабжения, найти участки для размещения отвалов, проработать транспортные связи.

Технический проект строительства транспортного тоннеля всегда включает в себя сводную смету и отдельные сметы по каждому виду работ и объекту, присутствующему в плане.

Утверждённый техплан становится основой для рабочих чертежей, по которым будут вестись строительные и монтажные работы. Стараются максимально использовать типовые проекты, но с поправкой на местные условия строительства.

По сложности строительство подземного тоннеля значительно превосходит возведение наземных сооружений. Чтобы освободить место для тоннельной конструкции, нужно удалить огромную массу грунта и горной породы, и всё это – под горным давлением и в окружении подземных вод, которые могут затопить место строительства. Основная часть работ выполняется в тесной выработке, которую иногда дополнительно загромождает временная крепь. Как-то расширить фронт работ практически невозможно. Поэтому проходка тоннелей горным способом обычно осуществляется лишь в два забоя.

При строительстве транспортных тоннелей существенную роль играет организация работ: их сроки и стоимость должны быть чётко определены, порядок действий продуман.

Тоннельное строительство регламентируется, помимо утверждённого проекта, также правилами безопасности и актуальными техническими условиями. Обычно применяют поточный метод, при котором отдельные части возводятся последовательно, а работы идут непрерывно.

Проектировщики разрабатывают ПОС – проект организации строительства, который состоит из генплана, топографического плана местности (на нём обозначены все необходимые объекты), схем стройплощадок, схем механизации работ (надземных и подземных), пояснительной записки.

Транспортные тоннели входят в число особо сложных объектов капитального строительства. Проекты таких сооружений во многом определяются решениями, выбранными в проекте организации строительства.

В плане производства тоннельных работ содержится их календарный план и графики поставок (стройматериалов, оборудования, конструкций, трудовых ресурсов, энергии, транспорта), график использования основного строительного оборудования, технологические схемы работ, а также пояснительная записка.

План и проект необходимы для того, чтобы строительство, в том числе возведение транспортных тоннелей, велось согласно научной организации труда, позволяющей своевременно внедрять технические инновации, учитывать передовой опыт.

Цель проекта – построить тоннель в самые сжатые сроки. Чем быстрее строятся и вводятся в эксплуатацию подобные объекты, тем меньше расходы (которые находятся в прямой зависимости от длительности работ), а именно, издержки на оплату труда рабочего персонала, на содержание стройплощадок и административно-управленческих работников. До 60 % всех накладных расходов, связанных со строительством транспортного тоннеля, приходятся на эти виды затрат.

Технология строительства транспортных тоннелей

Климат, геологические и топографические условия местности определяют выбор технологий строительства, протяженность и глубину подземной транспортной артерии. Тоннели могут проходить сквозь труднопроходимый участок, местность со сложным рельефом, через скалу, под населённым пунктом со всеми его сооружениями (как тоннели метрополитена) или под водой (в тех местах, где надземный мост затруднил бы судоходство).

Существуют два способа строительства транспортных тоннелей: закрытый и открытый. В некоторых случаях их комбинируют.

Открытый способ

Тоннели с неглубоким, до 10-15 м, залеганием обычно строят открытым способом, который менее трудоёмок и относительно дёшев. Для тоннеля роют котлован, затем укрепляют его стенки и делают обратную засыпку. Комплекс строительных работ также включает в себя укрепление грунта под проходкой, при необходимости – перенос инженерных коммуникаций с участков, где они будут мешать тоннелю.

Технологических методов здесь несколько:

• Котлованный: самый незатратный в плане трудоёмкости, лучше всех позволяет уложить гидроизоляцию и забетонировать обделку. Данная технология предполагает рытьё котлована по всей длине будущего объекта. На дно на расстоянии одного-двух метров вбивают сваи. Стены не закрепляют, оставляя под углом естественного откоса (если это возможно в данной местности) либо укрепляют при помощи временной крепи. Обделка сооружается стандартным способом и засыпается грунтом. При необходимости всю протяжённость тоннеля можно покрыть монолитными бетонными конструкциями. Котлованный метод также носит название берлинского: при помощи него были построены многие тоннели метрополитена в Берлине.
• Щитовой: с использованием передвижного щита, который может содержать механизмы для разработки грунта (при их отсутствии почва разрабатывается вручную, а щит применяется как движущаяся крепь и рабочие подмостья). Обычно щит имеет форму цилиндра (в соответствии с будущим поперечным сечением тоннеля). Работы ведутся внутри него, под его защитой.
• Траншейный: тоннель проходят по частям. Вертикальные стены сооружают методом «стена в грунте». Перед тем как начинать работы, по всему периметру создаваемого тоннеля бурят мелкие (диаметром 0,4-1 м) траншеи до водоупора, заполняя полые места глинистым раствором для укрепления стенок. На стадии устройства крепи этот раствор убирают, устанавливая на его место железобетонные конструкции – сборные или монолитные.

Проблемные, неустойчивые грунты – трещиноватые скалы, песчано-глинистые или сильно увлажнённые почвы – необходимо специально укрепить. Для этого есть несколько технологий на выбор: замораживание, цементирование пород, использование химических составов или сжатого воздуха, строительное водопонижение и т. д.

Закрытый способ

Гораздо более трудоёмок и опасен закрытый способ строительства транспортных тоннелей. Его применяют там, где бурить открытым способом невозможно: на глубине более 20 м, при залегании проходки близко к поверхности (на 10-15 м). Одновременно строятся сразу несколько участков проходки (стволов), чтобы побыстрее возвести объект и запустить его в эксплуатацию. Разработка породы и обделка ведутся от краёв каждого из стволов до места стыковки со следующим участком.

При закрытом методе всегда образуется выработка – искусственно созданная пустота в слоях земли. Стенки укрепляют при помощи рам и поперечин (рошпанов), гидроизолируют. Когда тоннель уже проложен, изнутри его тоже укрепляют при помощи обычной или железобетонной рубашки, стальных или чугунных конструкций.

Проходческие работы выполняются различными методами. Выбор зависит от геологических условий местности и габаритов будущего транспортного тоннеля.

Уже знакомый нам щитовой метод – проходка с использованием движущегося щита с механизированной или ручной выемкой земляных масс. Механизированный щит более продуктивен, но для тоннелей до 1-1,5 км обычно применяют немеханизированные. Разработанный грунт оказывается на роторе с резцами, а затем посредством конвейера отвозится к вагонетке. Механизированная проходка осуществляется со скоростью до 1,2 км/месяц. Неустойчивые почвы и агрессивные условия среды требуют наличия у щита в призабойной зоне активного пригруза. Обделку сооружения обязательно укрепляют, уплотняя грунт, обрабатывая его сжатым воздухом или бетонируя.

Возможные нарушения при строительстве тоннелей

Низкое качество работ при возведении тоннелей приводит к появлению производственных дефектов, из-за которых падает эксплуатационная надёжность готового объекта. При оценке качества строительных работ совокупность характеристик сооружения или отдельных его элементов сравнивают с параметрами, которые зафиксированы в различных нормативных документах: ГОСТах, СНиПах, техрегламентах, наконец, в проекте самого тоннеля.

Невозможно соблюсти проект с точностью до миллиметра: реальный тоннель в любом случае будет от него незначительно отличаться. Но в некоторых случаях эти отклонения, даже небольшие, пагубно сказываются на условиях дальнейшей эксплуатации транспортного тоннеля. Например, если проходка осуществляется буровзрывным способом и в некоторых местах периметра обделки появляются переборы грунта, то в этих участках концентрируются напряжения, и обделка может треснуть. Не менее критична и недостаточная эллиптичность (круговая форма) колец, из которых состоят сборные обделки: они утрачивают некоторую часть своей несущей способности. Нежелательно, чтобы за обделкой оставались пустоты, что часто бывает не только по геологическим причинам (растворимость грунта, наличие карстовых образований в породе), но и в случае, если цементно-песчаный раствор за обделку нагнетали недостаточно сильно.

Многолетний опыт использования транспортных тоннелей говорит о том, что если бетонная обделка интенсивно покрывается трещинами и сколами, то снаружи наверняка имеются пустоты. Когда обделка плотно прижата к окружающим массам грунта, то они взаимодействуют по всему периметру, благодаря чему отделка меньше деформируется и в её сечениях не накапливаются напряжения. Заполненность трещин и полостей в массиве вокруг обделки заметно влияет на показатель упругого отбора почвы, который, в свою очередь, определяет условия статической работы обделки.

Помимо перечисленных причин, заобделочные полости при строительстве транспортных тоннелей могут образовываться, когда остаются части забутовки или временной крепи из древесины – материала, подверженного гниению. Из-за таких пустот условия работы обделки могут сильно ухудшиться со временем, и дефекты тоннеля начнут представлять реальную опасность. К тому же результату приводит нарушение геологического строения грунта, если проходка осуществляется с вывалами, осыпями кровли и сдвиганием слоёв: массив разуплотняется, в нём образуются полые участки.

Что касается обделок из монолитного бетона, то основная опасность нарушить технологический регламент подстерегает строителей на этапе бетонирования, а конкретно – во время перерывов. Грунтовая вода чаще всего просачивается через обделку в местах «холодных швов» (если, конечно, обделка не была гидроизолирована снаружи). Чтобы этого не случилось, во время технологического перерыва в бетонировании можно использовать уплотняющие мастики либо «шпонки», разбухающие от влаги. Однако данная мера предосторожности, увы, не применялась в прошлом при строительстве тоннелей (которые используются по сей день), да и в наше время ремонт деформационных и холодных швов зачастую осуществляется без неё.

Чтобы улучшить качество бетона, из которого формируется обделка тоннеля, его желательно подавать бетононасосом, проводить грамотный операционный и выходной контроль на этапах изготовления и укладки, правильно ухаживать за бетоном, обеспечивая необходимые условия твердения. Что касается состава бетона, то на него позитивно влияет добавление крупных заполнителей (предварительно промытых и дозируемых по отдельности), а также специальных добавок органического и неорганического происхождения для водонепроницаемости, морозостойкости, повышения плотности материала.

Источник