§ 70. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СПЕЦИАЛЬНЫХ СПОСОБАХ СООРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Наравне со способом щитовой проходки подводных тоннелей могут быть применены и другие способы, основанные на иных строительных приемах.
Для сооружения тоннельных переходов через реки или небольшие, морские проливы применяют открытый способ ведения работ в огражденных котлованах. В других случаях опускают с поверхности на проектную отметку готовые железобетонные или стальные секции длиной до 100—150 м, сооружаемые в сухих доках или на верфях вне трассы тоннеля. По мере готовности такие секции спускают на воду и буксируют на плаву к месту их установки.
Глубина расположения тоннеля зависит от глубины осадки судов.
Основанием для таких секций могут служить: выровненное дно подводной выемки или русла водотока (водоема), дамба, бетонные подушки или опоры, возвышающиеся над дном. В последнем случае тоннель получает новую конструктивную форму (так называемый тоннельно-мостовой переход, или тоннель-мост).
Последнее решение представляет значительный интерес, так как оно позволяет осуществлять подводные переходы под глубокими морскими проливами.
Если глубина водной преграды не превышает 30—35 м, допускается применять способ опускных тоннелей-кессонов обычных или гидромеханизированных.
При проектировании глубоко заложенных подводных тоннелей неизбежно применение тоннелей большого протяжения. В частности, проектируемый подводный тоннель под Ла-Маншем должен проводиться в меловых и юрских отложениях на глубине около 100 м от уровня моря. Общая длина тоннеля достигнет 38 км при весьма пологих уклонах подходных рамп.
Одновременно с сооружением главного перехода, состоящего из двух одинаковых тоннелей внутренним диаметром 5 м, должен возводиться тоннель диаметром 3 м, располагаемый рядом и несколько ниже, который первоначально будет использоваться как вспомогательный при проходке основного-тоннеля, а впоследствии как водоотводный.
Еще более глубокий и длинный тоннель сооружают в Японии под морским проливом между островами.
§ 71. СРАВНЕНИЕ ТОННЕЛЬНЫХ И МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
В практике тоннельного и мостового строительства часто возникает вопрос о сравнительных показателях тоннельных и мостовых переходов через крупные водные преграды с низкими берегами. При этом необходимо исходить из одинаковых эксплуатационных условий для сухопутных и водных путей сообщения, т.е. исключать из рассмотрения разводные мосты, которые не обеспечивают непрерывности судоходства. Сопоставлению с тоннельными переходами подлежат только мосты высокого уровня. Исключением могут быть некоторые городские мосты, периодичность эксплуатации которых допускается.
На схеме тоннельного и мостового переходов (рис. 231) приведены основные параметры, характеризующие высоту и длину переходов:
h1 — превышение отметок берега и нормального уровня воды;
h2 — высота подмостового габарита;
h3 — превышение отметок головки рельса (проезжей части моста) и верхней части габарита;
h4 — глубина расположения головки рельса (проезжей части тоннеля) ниже уровня воды;
Hт — глубина заложения тоннеля;
lм2 — длина подходных насыпей;
Lм — полная длина мостового перехода;
i — продольный уклон подходных насыпей;
lт1 — длина подводной части тоннеля;
lт2 — длина подходных участков тоннеля;
Lт — полная длина тоннельного перехода;
iт — продольный уклон подходных участков тоннелей.
В случае значительной высоты заданного подмостового габарита для океанских судов (около 50 м) и низких берегов к преимуществам тоннельного перехода относится меньшая длина всего перехода и в равной степени меньшая разность отметок головки рельса и уровня воды, т.е.
Увеличение конкурентоспособности тоннельных переходов по сравнению с мостами при пересечении водных преград объясняется следующими причинами: усовершенствование техники щитовой проходки и почти полная механизация комплекса строительного процесса, а также разработка новых приемов герметизированной щитовой проходки, в результате чего безопасность, качество, темпы и надежность строительства подводных тоннелей значительно увеличиваются; широкое применение специальных способов сооружения подводных тоннелей (опускание готовых секций, как правило, на подготовленное основание).
При интенсивном судоходстве наличие опор в русле уменьшает маневренность судов и создает опасность для них, что заставляет увеличивать судоходные пролеты мостов и приводит к значительному удорожанию последних. Выбирая вариант пересечения крупных рек и проливов, нельзя не учитывать преимущества подводных тоннелей, защищенных от воздействия ударов волн и льда при строительстве и эксплуатации. К важным преимуществам подводных тоннелей следует также отнести полную независимость работ от внешних факторов (время года, уровень воды, ледоход, ледостав, штормовые явления).
В городских условиях сопоставление вариантов переходов должно быть сделано с учетом архитектурных соображений, но при этом следует учитывать, что пересечения мостовых переходов с набережными в разных уровнях вызывают необходимость значительного развития подходов.
К числу недостатков подводных тоннелей по сравнению с мостами следует отнести необходимость устройства искусственной вентиляции и освещения транспортных тоннелей. Современная техника тоннелестроения позволяет достигнуть таких сроков и стоимости постройки подводных тоннелей, которые позволяют им конкурировать с мостами. Выбор варианта тоннельного или мостового перехода через водные преграды при низких берегах производится технико-экономическим сравнением конкурирующих вариантов. При высоких берегах принимается мостовой переход, всегда имеющий меньшую длину по сравнению с тоннельным.
Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены
Источник
Специальные способы сооружения тоннелей
Сооружение подводных тоннелей из опускных секций. Выбор способа постройки подводного тоннеля зависит от ширины и глубины пересекаемого водоема, скорости течения и интенсивности судоходства.
В некоторых случаях целесообразно строительство тоннеля открытым способом с использованием временных насыпных дамб, ограждающих участок производства работ.
Более широко применяется постройка тоннеля с использованием опускных секций, которые представляют собой отдельные звенья конструкции длиной до 150 м.
В зависимости от условий подводные тоннели могут быть расположены на различных основаниях. При глубине русла 20…30 м секции опускают на дно котлована, подготовленного подводным способом средствами гидромеханизации. Глубина котлована назначается с таким расчетом, чтобы после опускания и засыпки секции и восстановления прежнего уровня дна водотока над тоннелем был слой грунта не менее 2 м (рисунок 9.75, а).
При достаточных глубинах и малых скоростях течения секции тоннеля могут быть размещены на подводной насыпи (рисунок 9.75, б).
а – при расположении в котловане; б — при расположении на насыпи
Рисунок 9.75 – Варианты расположения подводного тоннеля
При больших глубинах водного препятствия тоннель может опираться на отдельные опоры – вариант моста тоннеля (рисунок 9.76). Во всех случаях тоннель не должен создавать помех судоходству. Из рассмотренных вариантов чаще применяют опускание тоннеля на дно котлована. Готовые секции от места постройки к месту установки, как правило, буксируют по воде, используя их плавучесть. Поэтому место их изготовления может находиться на значительном удалении от места монтажа тоннеля.
Опускные секции могут изготавливаться на стапелях, подобно морским судам, либо в сухих доках. При большом количестве секций целесообразно на берегу водоема подготовить котлован с отметкой дна на 8…10 м ниже уровня воды и отделенный от водотока временной перемычкой или затвором, открываемым после изготовления секции или партии секций для затопления котлована и вывода секций на плаву в водоем.
Рисунок 9.76 – Подводный тоннель на опорах
В процессе изготовления секции ее торцы герметично закрывают временными диафрагмами. Обычно секции проектируют так, чтобы они имели небольшую отрицательную плавучесть, гарантирующую всплытие тоннеля. Но в этом случае возникает необходимость для обеспечения плавучести присоединять секции к понтонам или другим плавсредствам.
Перед опусканием секции в проектное положение на дне котлована подготавливают основание. С этой целью по дну котлована укладывают слой песка или щебня толщиной 50…100 см, который подают с баржи вниз по трубам и выравнивают специальным выравнивающим устройством, подвешенным к тележке, которая перемещается по фермам, установленным на двух баржах. Точность выравнивания достигается ± 3 см.
Проектное положение опускаемой секции может обеспечиваться также с помощью четырех угловых железобетонных блоков, связанных попарно в поперечном направлении трубчатыми элементами. Как показано на рисунке 9.77 проектное положение секции обеспечивается вертикально и горизонтально расположенными домкратами. Опускание секций, имеющих отрицательную плавучесть, осуществляется под собственным весом с использованием строповочных устройств.
1 – секция тоннеля; 2 – строповочное устройство; 3 – опорный блок; 4 – соединительный трубчатый элемент; 5 вертикальный и горизонтальный регулировочные домкраты.
Рисунок 9.77 — Соединение опорного блока с секцией
При положительной плавучести секцию тоннеля опускают под воду путем заполнения водой резервуаров, расположенных по концам секции. Секции с незначительной положительной плавучестью могут подтягиваться лебедками и полиспастами. Лебедки располагаются на рабочих площадках высоких рам (рисунок 9.78).
1 – рабочая площадка; 2 – полиспаст; 3 – бетонная опора; 4 – камера для спуска рабочих в секцию тоннеля.
Рисунок 9.78 — Схема опускания секции с небольшой положительной плавучестью
Опускаемая секция устанавливается на расстояние 20…30 см от ранее опущенной. Стыкование секций друг с другом является одним из наиболее ответственных моментов. Для облегчения процесса установки секции в проектное положение применяют различной конструкции улавливающие устройства (рисунок 9.79). На торцевых диафрагмах секций закреплены временные съемные упоры, один из которых снабжен улавливающей скобой, а другой – фиксирующим зубом. После попадания зуба в скобу секция будет находиться в проектном положении.
1 – установленная секция; 2 – устанавливаемая секция; 3 – съемный выступ; 4 – улавливающая скоба; 5 – резиновая прокладка; 6 – опорный (фиксирующий) «зуб»; 7 – временная торцевая диафрагма
Рисунок 9.79 — Схема стыкования секций тоннеля под водой
Последние конструктивные решения стыка секций позволяют производить их стыкование без вмешательства водолазов (рисунок 9.80). При этом предусмотрена по периметру одной из секций постановка резиновой прокладки, обеспечивающей герметичность стыковочной камеры. Стыкуемая секция соединяется с ранее установленной шарнирным замком и притягивается к ней при помощи домкратов, развивающих усилие в несколько сот тонн. При этом происходит обжатие резиновой прокладки и герметизация стыковочной камеры. После выпуска из нее некоторого объема воды образуется зона разрежения. При этом за счет неуравновешенного гидростатического давления воды происходит дополнительное обжатие стыка секций усилием нескольких тысяч тонн. Так достигается полное обжатие резинового уплотнителя и герметизация стыковой камеры.
Рисунок 9.80 – Схема стяжного устройства
После выпуска воды из камеры производят разборку торцевых диафрагм и устройство постоянной конструкции стыка.
Опускные тоннели-кессоны. Способ сооружения опускных тоннелей-кессонов имеет много общего со способом сооружения тоннелей из опускных секций. Он может находить применение при постройке коротких тоннелей, заложенных в слабых водоносных грунтах глубиной до 35 м.
Кессонные секции изготавливают на поверхности грунта или в котловане, отрытом до уровня грунтовых вод (рисунок 9.81). Материалом опускных секций служит железобетон. В кессонной камере создается избыточное давление воздуха, препятствующее поступлению в рабочую зону грунтовых вод. По мере опускания секции давление в кессонной камере повышают. После достижения проектной отметки (не более 35 м от поверхности воды) кессонная камера заполняется бетоном, в основании тоннеля создается мощная бетонная плита. Смежные секции опускают так, чтобы между ними было пространство 1…3 м.
1 – секция тоннеля; 2 – шахтная труба; 3 – кессонная камера; 4 – временная диафрагма
Рисунок 9.81 — Схема кессонной секции тоннеля
Объединение секций производят разными способами. В торцевой части одной из секций создают шлюзовую камеру. Раскрывают проем во временной диафрагме и через него проходят штольню до соседней диафрагмы. Затем штольню раскрывают до сечения секции и бетонируют обделку. Все работы выполняют под давлением сжатого воздуха. Можно использовать и другой способ. В области стыка устраивают шпунтовое ограждение; внутри полости ограждения разрабатывают грунт без откачки воды; методом ВПТ между секциями укладывают бетонную смесь. После набора проектной прочности разбирают временные диафрагмы секций, пробивают монолитный бетон по размеру тоннеля и устраивают гидроизоляцию. Могут быть и другие способы.
РАЗДЕЛ IV. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПЛАНИРОВАНИЕ РАБОТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МОСТОВ И ТРУБ
Глава 10. Проектирование организации строительства искусственных сооружений
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Способы сооружения тоннелей
Тоннели на путях сообщения, как известно, служат средством преодоления различного рода препятствий или для развития линий под землей.
Тоннель — горизонтальное или наклонное подземное искусственное сооружение, длина которого значительно превышает его поперечные размеры.
Это простое с виду сооружение таит в себе множество сложностей для строителей, которые обусловлены рядом причин.
В первую очередь сюда можно отнести тот факт, что проходка тоннелей, если она осуществляется горными способами, ведется под постоянным воздействием изменяющегося во времени горного давления. Наименьшая величина горного давления имеет место в момент освобождения контура выработки. Со временем деформация горных пород возрастает, вместе с ней возрастает и горное давление. Если не принять своевременных мер по недопущению деформации горного массива, произойдет его обрушение внутрь выработки.
Другим фактором, создающим трудности сооружения тоннелей, является во многих случаях отсутствие достаточной информации о инженерно-геологическом состоянии горного массива и условиях производства работ.
По этой причине, например, значительно затянулись сроки строительства Северо-Муйского тоннеля на БАМе. Строители встретились здесь с сильно трещиноватыми скальными породами. Через трещины в тоннельную выработку поступала горячая вода и пар, что затрудняло, и порой делало невозможным ведение проходческих работ.
Неблагоприятным для строителей фактором можно назвать ограниченный фронт работ и весьма стесненные условия производства проходки тоннельной выработки, что приводит к низкой производительности труда, небольшим темпам проходки.
Отмеченные особенности строительства тоннелей требуют всестороннего обоснования способа их сооружения, строгого соблюдения рекомендаций и указаний технических условий строительства, максимальной собранности и ответственности исполнителей.
Существует множество способов сооружения тоннелей. Выбор способа постройки тоннеля зависит от:
места расположения тоннеля (мысовой, перевальный, подводный);
размеров тоннеля (сечения и длины);
наличия средств механизации.
Принятый для данных условий способ проходки тоннеля должен обеспечить:
полную безопасность работ;
высокие темпы и качество работ;
минимальные затраты сил и средств.
Все множество способов постройки тоннелей можно объединить в три основные группы (рисунок 9.1): открытые, закрытые и специальные.
Рисунок 9.1 – Способы сооружения тоннелей
Открытые способы применяют при неглубоком заложении тоннеля – до 20…25 м. При этом тоннельные конструкции целиком или по частям возводят в котлованах или траншеях с последующей засыпкой готового сооружения. Различают котлованный, траншейный и щитовой открытые способы.
Закрытые способы применяют при глубоком заложении тоннелей. Здесь строительство тоннеля осуществляется без вскрытия поверхности земли. Проходка тоннеля осуществляется горными или щитовым способами.
При горных способах работ создается подземная выработка, закрепляемая временной крепью. Под ее защитой в дальнейшем создается постоянная тоннельная конструкция, называемая обделкой (рисунок 9.2). Обделка тоннеля выполняется из монолитного бетона или сборных железобетонных или чугунных элементов – тюбингов.
При производстве работ горными способами тоннельное сечение обычно раскрывается по частям, путем последовательной проходки ряда вспомогательных выработок, предохраняемых от обрушения породы системой креплений.
1 – верхний свод; 2 – стена; 3 – обратный свод
Рисунок 9.2 – Схема тоннельной обделки
При щитовом способе в качестве временного крепления используется металлическая подвижная крепь – щит (рисунок 9.3). Щитовой способ обычно применяют в мягких породах и породах средней крепости. Крепкие породы разрабатывают тоннельными машинами, исполнительный орган которых оборудован специальными шарошками.
1 – щитовые домкраты; 2 – забой; 3 – сборная обделка
Рисунок 9.3 — Схема немеханизированного щита
Горные способы применяют в разных условиях строительства тоннелей. Термин «горные способы» заимствован из области горно-рудного дела, где разработка породы при проходке выработок осуществляется с использованием ручного или механизированного инструмента, а также буровзрывных работ, своеобразной конструкции временной крепи. Значительное многообразие горных способов можно объединить условно в три группы, характеризующиеся последовательностью проходки горной выработки и устройства тоннельной конструкции. Это способы полного профиля, опертого свода и опорного ядра.
Способы полного профиляприменяют в породах разной крепости от мягких до крепких скальных пород. При проходке тоннеля этим способом в слабых породах требуется последовательное раскрытие профиля горной выработки и возведение мощного временного крепления (рисунок 9.4).
Рисунок 9.4 – Конструкция деревянной временной крепи при проходке тоннельной выработки способом полностью раскрытого профиля
В крепких породах тоннельная выработка раскрывается по частям или сразу на полный профиль, временная крепь ставится значительно слабее и проще по конструкции или вообще не ставится (рисунок 9,5). Особенностью этой группы способов является то, что тоннельная обделка сооружается после разборки всего сечения тоннельной выработки.
а — способом уступного забоя; б – способом сплошного забоя; в — способом передовойштольни (пилот-тоннеля); 1, 2 – этапы работ по проходке тоннеля; II, III – устройство тоннельной обделки
Рисунок 9.5 — Проходка тоннелей в крепких породах
Способ опертого сводаприменяют в породах средней крепости, способных выдержать давление пят свода обделки с учетом всех нагрузок, действующих на свод. При данном способе вначале разрабатывают верхнюю часть сечения тоннельной выработки, затем сооружают свод, под прикрытием которого разрабатывают низ и возводят стены (рисунок 9.6).
1, 2, 4, 5, 7 – последовательность разработки породы; III, VI, VIII – очередность устройства обделки
Рисунок 9.6 – Очередность работ по устройству тоннеля способом опертого свода
Способы опорного ядра (рисунок 9.7) применяют в мягких породах, плывунах и при большом сечении тоннельной выработки. Проходку тоннельной выработки начинают с разборки породы по периметру профиля тоннельной выработки, параллельно или вслед за разборкой всего контура сооружают обделку и лишь, затем удаляют породу в центре выработки.
1, 3, 5, 6, 8, 9 – последовательность разработки породы тоннельной выработки; II, IV, VII, X – последовательность устройства обделки
Рисунок 9.7 – Очередность работ по сооружению тоннеля способом опорного ядра
Перечисленные способы строительства тоннелей (за исключением щитовых) можно считать классическими. Они сформировались еще в девятнадцатом столетии, отличаются характерными для них особенностями и параметрами. Формирование теории и практики их строительства проходило в странах Западной Европы: Германии, Австрии, Бельгии и др., поэтому в отечественной горнотехнической литературе наряду с русскими названиями широко применялись иностранные термины.
Классические способы сооружения тоннелей в мягких породах (раскрытие на полное сечение по частям, опертого свода, опорного ядра) характеризуются большой трудоемкостью, поскольку разработку грунта и устройство обделки ведут отдельными частями на узком фронте работ при загромождении сечения выработки временным креплением. В таких условиях ведения горных работ исключается возможность применения высокопроизводительной горнопроходческой техники и достижение высоких темпов проходки.
Интенсивное развитие тоннелестроения во второй половине XIX и в XX веке внесло существенное усовершенствование в классические способы тоннелестроения, которое позволило разработать новые методы горнопроходческих работ, отвечающие современному уровню развития горной техники и технологии. К таким методам относятся:
Метод проходки с устройством податливого свода (новоавстрийский метод);
Метод проходки с устройством арочно-бетонной крепи (предложен советскими специалистами);
Новый вариант метода опорного ядра.
Специальные способыприменяют в сложных гидрогеологических условиях. При наличии плывунных или сильно обводненных грунтов, поверхностной воды и др. В этих случаях могут применить опускание заранее заготовленных конструкций тоннеля кессонным способом или опускание их под воду. При глубоком заложении тоннелей слабые плывунные грунты могут быть обработаны специальными химическими составами или заморожены.
При сооружении тоннелей под существующими дорогами, а также в городских условиях. Когда недопустимы сдвижки породного массива, применяют способ продавливания отдельных готовых элементов тоннеля. Этим способом обычно сооружают тоннели небольшой длины – до 100…150 м. За счет высокой степени индустриализации при использовании готовых элементов тоннеля достигается сокращение сроков строительства в два — три раза, трудоемкости и стоимости на 15…20 %.
Искусственно созданная полость в толще пород называется выработкой. Тоннельные выработки могут быть полными, соответствующими полному сечению тоннеля и временными. Временные выработки предназначены для последовательного раскрытия тоннельного сечения или сооружаются для специальных целей в качестве разведочных, вспомогательных, транспортных и т.д. Временные выработки еще называются рабочими. Все горные выработки, кроме расположенных в крепких нетрещиноватых породах, закрепляются несущей конструкцией – постоянной обделкой или временной крепью.
Тоннельная выработка делится на две части (рисунок 9.8):
А – верх или калотта и Б – низ или штросса и ограничивается сверху кровлей, снизу – подошвой и с боков — стенами. Торец выработки, в котором разрабатывают породу, носит название забоя.
В свою очередь верх разделяется на:
— малый – А1 (малая калотта);
— средний – А2 (средняя калотта);
— большой – А3 (большая калотта).
Низ разделяют на: — центр — Б1 (штроцетта);
Рисунок 9.8 – Элементы тоннельной выработки
Рабочие выработки тоннеля. Штольня – горизонтальная выработка небольшого сечения с временной крепью. Штольни предназначены для развертывания фронта работ. Кроме того, в штольнях прокладываются подземные ходы геодезической основы, вентиляционные трубы, водоотвод и другие коммуникации.Название и предназначение штольни определяется ее местом положения в тоннельной выработке (рисунок 9.9)
1 – нижняя штольня; 2 – верхняя штольня; 3 – центральная штольня; 4 – боковая штольня; 5 – боковая штольня 1-го яруса; 6 – боковая штольня 2‑го яруса; 7 – боковая штольня 3-го яруса; 8 – котлован; 9 – вертикальный ходок, воронка или фурнель, сечением 0,4×0,85 м; 10 – уклон (бремсберг); 11 – воронка ступенчатого профиля; 12 – боковая откаточная штольня, пройденная под углом к оси тоннеля
Рисунок 9.9 – Рабочие выработки тоннеля
Нижняя штольня может быть разведочной, транспортной или дренажной, она же обеспечивает основной выход из тоннеля.
Верхняя штольня предназначена для открытия фронта работ на верхнем горизонте.
Центральная и боковые штольни предназначены для последующего развертывания фронта работ.
Фурнель, уклон и воронка ломаного профиля служат для связи верхней и нижней штолен, для подачи материалов и транспортирования разработанной в верхнем горизонте породы.
Размер штолен (рисунок 9.10) определяется габаритом применяемого транспорта. Обычно высота составляет 1,9…2,2 м, ширина штольни принимается равной ширине транспортного средства, прохода для рабочих 0,7 м с одной стороны и зазора между крепью и транспортом 0,25 м с другой стороны.
Рисунок 9.10 – Размеры штольни
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
