Тоннель-кессон
ТОННЕЛЬ-КЕССОН (а. tunnel-caisson; н. Caisson-Tunnelbau-verfahren; ф. tunnel-caisson; и. tunel-cajon) — подземная или подводная конструкция, сооружаемая погружением отдельных секций тоннеля с поверхности земли (воды) на проектную отметку под сжатым воздухом.
Тоннели-кессоны применяют при строительстве участков тоннелей различного назначения в слабых водоносных грунтах с крупными каменистыми включениями. Пространственные секции тоннеля-кессона сводчатого или прямоугольного поперечного сечения пролётом от 10-12 до 40-50 м преимущественно из монолитного железобетона с толщиной стен и перекрытия 0,4-0,6 м снабжены по торцам временными диафрагмами, а в нижней части — рабочей камерой высотой не менее 2,2-2,5 м. Последнюю перекрывают воздухонепроницаемым железобетонным потолком сплошного или ребристого сечения толщиной 0,5-1 м, в котором оставляют отверстия для пропуска шахтных труб. Секции тоннеля-кессона изготавливают на поверхности земли и погружают на проектную отметку, разрабатывая грунт в рабочей камере механическими или гидравлическими способами. Сжатый воздух в рабочую камеру подают по трубам от компрессорной установки. По мере опускания тоннеля-кессона давление сжатого воздуха увеличивают в соответствии с гидростатическим давлением. Максимально допустимая величина давления сжатого воздуха по условиям пребывания людей в кессоне не должна превышать 0,35 МПа и, следовательно, предельная глубина погружения тоннеля-кессона составляет 35 м. Для возможности прохода людей в рабочую камеру, подачи материалов и инструмента, выдачи разработанного грунта над шахтными трубами размещают шлюзовые аппараты для совместного или раздельного шлюзования. Шлюзовые аппараты закрепляют на копровой установке, соединённой с подъёмником, бункерами для грунта и пр. Количество шлюзовых аппаратов определяют из расчёта 1 аппарат на 100 м 3 площади рабочей камеры. Опущенные в проектное положение секции тоннеля-кессона стыкуют между собой под защитой шпунтового ограждения, с предварительным водопонижением, с применением съёмных кессонов и пр. После опускания тоннеля-кессона торцовые диафрагмы разбирают, а рабочую камеру забучивают или бетонируют. При строительстве подводных тоннелей секции тоннеля-кессона могут быть опущены с искусственных островов, с подмостей или доставлены на плаву и опущены непосредственно с воды.
Опускные тоннели-кессоны применяли при строительстве тоннелей метрополитена в Москве, Париже, Амстердаме, а также участков ряда подводных тоннелей. На современном этапе области применения тоннеля-кессона ограничивают в связи с тяжёлыми и вредными для здоровья людей условиями труда при повышенном давлении воздуха. Ведутся работы по созданию «безлюдных» автоматизированных кессонов, где разработка и удаление грунта должны производиться средствами гидромеханизации без участия людей. Это позволит также увеличить глубину погружения тоннеля-кессона. Эффективность применения тоннеля-кессона может быть повышена за счёт использования искусственного водопонижения и тиксотропной рубашки.
Источник
Строительство горизонтальных подземных тоннелей кессонным способом
Библиотека / Строительство метрополитенов / Проходка тоннелей под сжатым воздухом (кессонный способ)
Проходка тоннелей под сжатым воздухом (кессонный способ)
При проходке тоннелей в сложных гидрогеологических условиях сжатый воздух используют в следующих целях:
для отжатия воды из зоны проходки и осушения забоя при ведении проходческих работ в неустойчивых плывунных грунтах или грунтах с большим водопритоком;
для создания дополнительного давления на забой (если такое давление может заменить временную крепь) при проходке в связных породах, подстилающих дно водоема или слой водонасыщен-ных грунтов с гидростатическим напором (для предотвращения их деформации и поступления воды в тоннель).
Проходка тоннелей под сжатым воздухом (кессонная проходка) имеет ряд особенностей.
При подходе забоя тоннеля к участку водоносных грунтов (рис. 94) в пройденной части тоннеля, имеющей постоянную обделку, сооружают воздухонепроницаемую (герметичную) шлюзовую перегородку. Эта перегородка отделяет сооруженную часть тоннеля от находящейся впереди рабочей зоны, в которой создают повышенное давление воздуха. Конструкция шлюзовой перегородки должна быть рассчитана на давление сжатого воздуха, в 1,5 раза превышающее давление воздуха в рабочей зоне.
Через воздухонепроницаемую перегородку пропускают коммуникации, для подачи в рабочую зону сжатого воздуха электроэнергии, воды и для других целей.
Рис. 94. Схема проходки тоннеля с применением сжатого воздуха в горизонтальном направлении:
1 — проходческий щит; 2 — рабочая зона; 3 — тюбингоукладчик; 4 — предохранительный экран; 5 — аварийный помост; 6 — шлюзовая перегородка; 7 — шлюзовые аппараты; 8 — зона нормального атмосферного давления; 9 — трубопроводы сжатого воздуха; 10 — горный комплекс для проходки тоннелей; 11 — бытовые помещения; 12 — компрессорная
Для прохода людей из построенной части тоннеля, т. е. из зоны с нормальным атмосферным давлением в рабочую зону и обратно, а также для транспортирования материалов и грунта в шлюзовой перегородке устраивают специальные камеры-шлюзовые аппараты.
При переходе из зоны нормального атмосферного давления в зону повышенного давления люди находятся в шлюзовых аппаратах в течение всего периода времени, пока давление воздуха в них поднимается до давления, равного давлению в рабочей зоне. Процесс перехода из зоны нормального давления в рабочую зону, связанный с постепенным повышением давления воздуха в шлюзовых аппаратах, называют шлюзованием, или компрессией. Обратный процесс — переход из рабочей зоны в зону нормального давления — (постепенное понижение давления воздуха в шлюзовых аппаратах) называют вышлюзованием, или декомпрессией. Время пребывания людей в шлюзовых аппаратах в период компрессии и декомпрессии установлено специальными нормами, приведенными в Правилах безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы).
Особенности выполнения проходческих работ. Основными операциями при проходке тоннелей под сжатым воздухом в пределах рабочей зоны являются разработка и погрузка породы в забое, установка временного крепления, возведение постоянной обделки и ее гидроизоляция, шлюзование и вышлюзование.
Цикл работ по проходке тоннеля под сжатым воздухом считают законченным, если после снятия повышенного давления в рабочей зоне через возведенную постоянную обделку внутрь тоннеля не просачивается вода или плывунный грунт.
Наиболее ответственным участком работ является забой, где под влиянием сжатого воздуха происходит частичное изменение свойств грунта (изменяется его влажность, нарушается устойчивость, изменяется режим грунтовых вод). Нарушение установленного режима подачи сжатого воздуха в забой или резкое изменение инженерно-геологических условий сказывается на состоянии работ и темпах проходки тоннеля.
Давление сжатого воздуха в рабочей зоне на уровне подошвы выработки должно быть равным гидростатическому, а при отсутствии притока воды в лоток тоннельного забоя оно может быть понижено до величины, равной гидростатическому давлению на уровне 1 / 3 диаметра от подошвы выработки.
Применение сжатого воздуха в тоннелестроении ограничивается следующими условиями: максимально допустимым давлением воздуха, при котором могут работать люди без вреда для здоровья, степенью воздухонепроницаемости породы, окружающей выработку, минимальной толщиной слоя породы над выработкой, исключающей возможность прорыва сжатого воздуха на поверхность. .
Максимальное давление воздуха в рабочей зоне, при котором можно вести строительные работы, в соответствии с действующими Правилами безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы) составляет 0,39 МПа.
Проходку тоннелей под сжатым воздухом ведут, как правило, щитовым способом. При проходке тоннеля обычным щитом однородный грунт в забое разрабатывают ярусами последовательно сверху вниз, начиная с верхнего яруса, одновременно во всех ячейках одного яруса.
В неустойчивых песчаных грунтах, залегающих в верхней части забоя, грунт разрабатывают в пределах аванбека щита с передвижкой ее на часть цикла (30-40 см), перекрепление забоя ведут одновременно с выемкой грунта.
При оборудовании щита специальными устройствами, разделяющими забой на ярусы, в целях ускорения работ допускается одновременная разработка грунта в нескольких ярусах, однако без опережения заходок в нижних ярусах.
Взрывные работы в забое можно вести с использованием электровзрывания, рассчитанного только на рыхление массива грунта мелкими шпурами и небольшими зарядами. При залегании неустойчивых грунтов в верхней части забоя, а устойчивых скальных в нижней части шпуры располагают так, чтобы между взрываемой частью забоя и неустойчивыми грунтами оставалась перекрывающая толща устойчивых ненарушенных грунтов.
Рис. 95. Схема расположения предохранительных устройств при проходке тоннелей под сжатым воздухом:
1 — щит; 2 — блокоукладчик; 3 — предохранительный экран; 4 — предохранительный помост; 5 — лестница; 6 — подвески крепления помоста к тюбингам; 7 — шлюзовая перегородка; 8 — герметическая дверь; 9 — ребра жесткости экрана
В процессе проходки до снятия повышенного давления выполняют весь комплекс работ по созданию надежной гидроизоляции тоннельной обделки.
Устройство для обеспечения безопасности. К таким устройствам относятся аварийный шлюз, предохранительные (аварийные) перемычки, предохранительный экран, аварийный помост (рис. 95).
Аварийным шлюзом является один из шлюзовых аппаратов, установленных в верхней части шлюзовой перегородки, который служит для спасения людей в случае аварии в сооружаемом тоннеле. При ведении всех работ дверь аварийного шлюза, выходящая в рабочую зону, всегда должна быть открыта.
Аварийную перемычку устраивают при длине рабочей зоны более 250 м, она предназначена для отсечения участка построенного тоннеля в случае возникновения аварийного положения в забое. Перемычка имеет проем с герметической дверью, открывающейся ь сторону забоя.
При проходке тоннелей кессонным способом под водоемами устраивают дополнительные предохранительные устройства (предохранительный экран и аварийный помост), обеспечивающие возможность работающим в кессоне в случае необходимости быстро покинуть рабочую зону. Предохранительный экран — это металлическая воздухонепроницаемая перегородка (диафрагма) с герметической дверью, предназначенная для предотвращения затопления участка тоннеля между экраном и шлюзами. Экран устанавливают в верхней половине тоннеля на расстоянии от забоя не более 50 м и периодически переносят его вслед за продвижением забоя.
Аварийный помост служит для соединения предохранительного экрана с аварийным шлюзом, его устраивают в верхней части тоннеля на всем протяжении от экрана до шлюзовой перегородки.
В связи с повышенным содержанием кислорода в воздухе рабочей зоны возможно активное возгорание предметов, находящихся в тоннеле. Поэтому рабочая зона должна быть оборудована устройствами, необходимыми для предупреждения и тушения пожаров. Для этой цели прокладывают специальный пожарный водопровод со стояками для разбора воды, увеличивают число пожарных постов с огнетушителями, которые могут работать при повышенном давлении.
Для наблюдения за давлением сжатого воздуха в рабочей зоне и шлюзовых аппаратах, расходом сжатого воздуха, его составом, температурой и степенью загрязненности служит система контрольно-измерительных приборов (манометры, счетчики, газоанализаторы, термометры и др.).
В соответствии с требованиями Правил безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (кессонные работы) за состоянием здоровья работающих под сжатым воздухом на строительстве тоннелей органами Министерства здравоохранения установлен специальный медицинский надзор. Для обеспечения соблюдения этих требований организуют кессонный здравпункт или амбулаторию, оборудованные специальными рекомпрессионными камерами.
Все работающие в кессоне периодически проходят специальную медицинскую комиссию.
Источник
§ 106. ОПУСКНЫЕ ТОННЕЛИ-КЕССОНЫ
Способ сооружения опускных тоннелей-кессонов имеет много общего со способом сооружения тоннелей из опускных секций. Тоннель также собирают из готовых секций, но опускание их на проектные отметки выполняется кессонным способом. На рис. 379 показана тоннель-кессонная секция в начальной стадии опускания. В основании секции размещена кессонная камера 2, в торцах — временные диафрагмы 3. Наращиваемая шахтная труба 1 имеет конечную высоту, достаточную для того, чтобы после опускания кессонной секции верх трубы был выше горизонта воды.
В сооружении подводных тоннелей способ опускных кессонов имеет ограниченное применение в связи с развитием более прогрессивного способа опускных секций. Однако вне водных преград при постройке коротких и сравнительно неглубоко, до 35 м, заложенных участков тоннеля в слабых водоносных грунтах опускные кессоны могут успешно конкурировать со щитовой проходкой и приемами, основанными на искусственном укреплении грунтов.
Тоннель-кессонные секции изготовляют на поверхности земли или для сокращения объема кессонирования — в котловане, отрытом до уровня грунтовых вод. При использовании искусственного водопонижения глубина котлована может быть увеличена. Материалом тоннель-кессонной секции служит железобетон. Гидроизоляция — наружная или внутренняя из стальных листов. Если кессонные секции устанавливают по трассе тоннеля, большая часть которого построена щитовым способом и выполнена из чугунной обделки, то внутреннюю конструкцию секции также собирают из чугунных тюбингов. Внутренний габарит в кессонных секциях несколько увеличивается для компенсации возможных неточностей при опускании.
По мере опускания секции давление в кессонной камере повышают. Максимальная величина заглубления ниже горизонта воды — 35 м. По достижении секцией проектных отметок кессонная камера заполняется бетоном, и, таким образом, в основании конструкции образуется мощная бетонная плита.
Смежные секция опускают так, чтобы в проектном положении между ними остался целик грунта толщиной 1—3 м. Для создания непрерывной тоннельной конструкции необходимо выполнить соединение — стык секций между собой. Это соединение выполняют одним из способов, перечисленных ниже:
- 1) В торцовой части одной из стыкуемых секций оборудуют небольшую шлюзовую камеру. Под сжатым воздухом во временной диафрагме раскрывают проем и через него проходят короткую штольню до диафрагмы другой секции. Из штольни раскрывают выработку на все сечение тоннеля и бетонируют обделку тоннеля в промежутке между секциями. После устройства гидроизоляции стыка полностью разбирают временные диафрагмы, а тоннель-кессонные секции начинают работать совместно, объединенные стыком, равнопрочным конструкции.
- 2) Область стыка с поверхности ограждают шпунтом, под защитой которого канатно-храповым экскаватором удаляют водоносный грунт, и между торцами секций остается только вода, которая вытесняется бетонной смесью, поданной по трубам. После приобретения уложенным в стык бетоном проектной прочности разбирают временные диафрагмы, пробивают внутреннюю часть бетонного массива между секциями и устраивают гидроизоляцию.
- 3) Бетонный воротник, охватывающий торцы обеих секций, выполняют при помощи трех специальных стальных кессонов небольших размеров. Два из них опускают до отметок подошвы секций у стен и по мере их подъема бетонируют вертикальные участки воротника, прилегающие к стенам секций. Затем опускают третий кессон, опирающийся на перекрытия секций и боковые бетонные части воротника. Из этого кессона разрабатывают целик грунта между секциями и бетонируют лотковую и верхнюю части воротника. Остальные работы выполняют так же, как и в предыдущих способах.
Кроме недостатков, общих для всех работ, выполняемых под сжатым воздухом, способ опускных тоннелей-кессонов отличается высокой стоимостью, связанной со значительным расходом бетона, большая часть которого идет на заполнение кессонной камеры, а также с необходимостью перемещения большого количества грунта в зоне сжатого воздуха. Выполнение стыка — также очень трудоемкая и многоэтапная операция, выполняемая в стесненном пространстве. В связи с трудностью обеспечения качества при подводном бетонировании стыковым воротникам секций придают большие запасы по толщине.
Развитие способа тоннелей-кессонов идет в направлении создания автоматических кессонов, исключающих нахождение рабочих в зоне сжатого воздуха. В таких кессонах грунт разрабатывается гидромониторами и перемещается в виде пульпы.
Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены
Источник
