Строительство тоннеля открытого способа

Строительство туннелей: способы и цели

Тоннелем называют горизонтальный или наклонный искусственный проход под землей. Такие объекты создаются для разных целей. Есть пешеходные, велосипедные, автомобильные, железнодорожные, тоннели подземных коммуникаций, метро, трамваев и т. д.

Наиболее «тоннельным» видом транспорта является метро. Большая часть его линий проложена проходах, которые могут находиться на разной глубине под землей. Автомобильные и железнодорожные тоннели прокладывают под горами и холмами, чтобы укоротить общую длину маршрута. Иногда бывает целесообразнее проложить тоннель, чем возводить мост.

История

Созданием этих объектов люди занимались с древних времен. Первые искусственные сооружения такого типа появились уже в каменном веке. В скалах прорубались пещеры, катакомбы, каменоломни, шахты рудников. Странами, где этим стали заниматься раньше, чем где бы то ни было, являлись Египет и Греция, а также города Рим и Вавилон. Там тоннели рыли в целях добычи полезных ископаемых, при строительстве храмов, гробниц, прокладки водоводов. При работах использовались самые простые орудия, а скальные породы, в которых прорубали проход, не закреплялись.

Самый первый подводный тоннель был построен под рекой Евфрат в районе 2160 года до нашей эры.

Иногда строили тоннели и в Средневековье, преимущественно в военных целях. В поздней фазе Средневековья активно создавались судоходные проходы. Первый железнодорожный тоннель появился в 1826-1830 гг. А первый автомобильный был построен в 1927 году под рекой Гудзон.

В СССР особенно часто строились железнодорожные подземные сооружения. Их прокладывали через Урал, Кавказ, Крым. Строительство автомобильных тоннелей стало актуальным с увеличением числа машин после распада СССР.

Что из себя представляет?

Тоннель – это искусственная пустота вытянутой формы, проложенная в горной породе. Если порода прочная, то проход не закрепляют, а если рыхлая, то устанавливают искусственные закрепительные сооружения. Они называются обделкой и принимают на себя значительную часть горных нагрузок, а также участвуют в гидроизоляции. На входах и выходах сооружают так называемые порталы. Они могут иметь архитектурный вид.

Способы строительства туннелей

Существует два типа – закрытый и открытый. Первый способ используют для прокладки проходов на большой глубине (более 20 метров), а также для тоннелей мелкого заложения. Открытые применяют при прокладке неглубоких ходов. Плюсом этого способа является более низкая стоимость, а минусом – необходимость отведения от места стройки находящихся в ее зоне коммуникаций и транспортных путей.

Закрытые способы прокладки тоннелей

Выбор способа, по которому будут строить тоннель, зависит от типа породы, которую нужно будет прорывать, и назначения объекта. Закрытые способы часто применяют при строительстве тоннеля метро и железнодорожных тоннелей. Грунты могут быть крепкие, мягкие, трещиноватые, обводненные.

• При горном способе прокладки используются буровые и взрывные работы. Основным элементом проходки является заложение взрывчатого вещества и осуществление направленного взрыва. Обломки разрушенной породы удаляются из забоя на поверхность. Образующаяся полость сначала укрепляется, а затем осуществляется обделка. Используют этот способ в том случае, когда горные породы устойчивые и крепкие.
• Комбайновый тип прокладки также основан на разрушении породы. Однако для этого используют специальную тоннелепроходческую технику. Это так называемые комбайны для рытья тоннелей. Так же, как и предыдущий, этот способ применяют в случае высокой и средней крепости пород.
• Новоавстрийский метод строительства туннелей применяется для мягких и трещиноватых пород. Основан на создании временных креплений за счет набрызгивания на поверхность породы бетона, а также укреплении анкерами. Это повышает устойчивость свода в зоне забоя. Что же касается постоянной обделки, то она может выполняться на удалении от места забоя, для чего используют механизмы высокой производительности.
• Щитовый способ прокладки основан на использовании проходческого щита, которым выполняется прокладка тоннеля по всему сечению, после чего осуществляется обделка. Этот метод также применяется для рыхлых и трещиноватых пород.
• При наличии высокой степени обводненности, неустойчивости грунтов и наличии агрессивных сред используют специальные методы проходки. Для этого может применяться закрепление специальным раствором, замораживание, водоотведение, работа с сжатым воздухом. Также могут быть использованы щитовые методы, дополненные активным пригрузом забоя.

Открытые способы прокладки тоннелей

Применение открытого способа строительства туннелей целесообразно при рытье проходов мелкого заложения. При этом используют следующие технологии:

• Котлованный метод заключается в создании котлована на всю ширину и глубину строящегося объекта. Стены могут быть искусственно укреплены, либо соответствовать естественному залеганию пород. После обделки тоннеля котлован засыпают. Этот способ использовался при строительстве метро в Берлине.
• Щитовой способ строительства туннелей заключается в использовании прямоугольного щита для обделки.
• Траншейных метод нередко применяют при прокладке пешеходных тоннелей. Он заключается в рытье котлована по частям.

Заключение

Таким образом, строительство транспортного тоннеля может осуществляться разными способами, что зависит от поставленных задач и особенностей грунтов. Наибольшее распространение имеют тоннели железнодорожные и для метрополитена.

Источник

Строительство транспортных тоннелей

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

Технология строительства транспортных тоннелей

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

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

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

Открытый способ

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

Существует несколько распространенных методов. В их число входит:

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

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

Закрытый способ

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

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

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

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

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

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

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

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

Методы строительства транспортных тоннелей для устойчивых скальных и среднекрепких грунтов:

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

В слабых обводненных, агрессивных средах применим:

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

Для неустойчивых, подверженных пучению, сильнотрещиноватых грунтов используется:

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

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

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

Характеристика транспортных тоннелей

Основные технические характеристики транспортных тоннелей:

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

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

Инженерные системы в тоннелях

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

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

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

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

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

Самые длинные и глубокие тоннели

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

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

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

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

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

Источник