Строительство тоннеля закрытым способом

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

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