Инновации в тоннелестроении

Тенденции в развитии строительного производства в г. Москве указывают на то, что в  последнее время в строительной практике происходит вытеснение сборных  железобетонных конструкций подземных  сооружений и замена их монолитными. Применение монолитного железобетона обеспечивает достаточно высокое качество несущих элементов строительных конструкций за счет укладки бетонной смеси новым современным бетонолитным оборудованием с соблюдением всех требований к состоянию бетонной смеси и технологии ее укладки, за счет твердения бетона в естественных условиях и надлежащего ухода за ним, применения высококачественной щитовой опалубки. Монолитный железобетон обеспечивает возможность устройства узлов требуемой жесткости и исключает концентрацию напряжений в элементах конструкций. Возможность создания из монолитного железобетона конструкций различных размеров и конфигураций на месте строительства исключает проблемы, связанные с транспортировкой крупноблочных элементов на стройплощадку в городских условиях. Отсутствие стыковочных швов и зазоров обеспечивает более хорошую работу конструкции в целом, делает ее приемлемой с точки зрения более надежной гидроизоляции элементов, а также благоприятного внешнего вида.

2.2. Крупногабаритные сборные железобетонные  конструкции

 

Несмотря на широкое  применение конструкций тоннелей из монолитного железобетона, полное вытеснение из строительного процесса сборного и сборно-монолитного железобетона представляется нецелесообразным. Сборные  конструкции имеют целый ряд  неоспоримых преимуществ перед  монолитными, особенно при строительстве  протяженных («линейных») сооружений, имеющих постоянные форму и размеры  поперечного сечения на всем протяжении. Это гарантированное заводское  качество изготовления, подтвержденное строгим технологическим контролем, быстрота возведения, моментальное вступление конструкции в работу. При наличии  сплошной наружной гидроизоляции и  надежных деформационных швов отрицательное  влияние стыков сборных элементов  на работу конструкции несущественно.

 

Как свидетельствует  современный опыт транспортного  строительства, применение наряду с  монолитным сборного железобетона при  соответствующих условиях (наличие  вблизи места строительства завода ЖБК, благоприятные условия транспортирования  и монтажа сборных элементов) дает существенный технико-экономический  эффект, сокращая сроки и стоимость  строительства.

 

Во многих странах  успешно применяют крупноблочные  тоннельные обделки из железобетонных элементов повышенной водонепроницаемости  с упругими уплотнителями в стыках. Такие блоки массой до 20 т использовали на строительстве подводных тоннелей под Суэцким каналом в АРЕ, под Токийской бухтой в Японии, под р. Эльбой в Германии, на ряде тоннелей метрополитена, в том числе  в г.г. Москве и Казани и закрытой части автотранспортного тоннеля  глубокого заложения в районе Лефортово по трассе Третьего транспортного  кольца в г. Москве [11, 12].

 

Обделка Лефортовского тоннеля глубокого заложения на участке щитовой проходки длиной 2,21 км выполнена в виде колец наружным диаметром 13,75 м и внутренним - 12,35 м. Каждое кольцо состоит из крупных железобетонных блоков толщиной 0,7 м, шириной 2 м и массой 18 т . Блоки изготовлены из высокопрочного (В55) и водонепроницаемого бетона в специальных формах, обеспечивающих точность геометрических размеров ±2 мм.

Радиальные стыки  между блоками плоские, а кольцевые  имеют выступы и пазы. Для связи  блоков между собой по кольцевым  и радиальным граням предусмотрены  временные болты, которые демонтируют  после монтажа очередного кольца обделки.

 

Для повышения жесткости  обделки предусмотрена перевязка  швов соседних колец. В качестве гидроизоляции  обделки используют два контура  уплотнительных прокладок из эластомера.

 

Аналогичную обделку  применяют на строительстве двухъярусного  автотранспортного тоннеля под  Серебряноборским лесничеством в г. Москве.

 

Обделка подводного тоннеля  под Токийской бухтой в Японии состоит из сборных железобетонных колец наружным диаметром 13,9 м, толщиной 0,65 м и шириной 1,5 м. Связь между  блоками обеспечивается длинными болтами  в кольцевом и радиальном направлениях. Для компенсации возможных деформаций во время землетрясений в точках соединения обделки со стволом тоннеля  установлены гибкие блоки. Сборная  обделка рассчитана на все действующие  нагрузки от грунта, воды и сейсмических воздействий. Для предотвращения всплытия тоннеля предусмотрена вторичная  обделка из монолитного железобетона толщиной 0,35 м.

 

Для изготовления блоков, работающих в условиях агрессивного воздействия морской воды, был  применен бетон высокой прочности  и минимальной водопроницаемости  на основе доменных шлаков. Блоки испытывали па уменьшенных и полноразмерных моделях с микроскопическим исследованием  структуры бетона.

 

Примером успешного  применения крупногабаритных сборных  железобетонных конструкций может  служить строительство участка  тоннеля Майко в Японии [13]. Тоннель расположен в г. Кобе по трассе автомагистрали Хонсю - Сикоку и рассчитан на шестиполосное движение транспортных средств в обоих направлениях. Длина тоннеля 3,3 км, площадь поперечного сечения - 150 м2.

 

Южный участок тоннеля  длиной 232 м, проходящий по плотнозастроенной городской территории, сооружен открытым способом. Площадь над тоннелем в настоящее время используется под муниципальный парк. С целью минимизации сроков строительства, сокращения трудозатрат, снижения шума и вибрации, обеспечения безопасности работ применили новое конструктивно-технологическое решение: преднапряженные арочные конструкции из сборного железобетона с омоноличеннымн стыками.

 

Двухсводчатая арочная конструкция с центральным пилоном, толщина которого изменяется от 0,6 до 2,95 м, расположена на глубине 1,5 м от поверхности земли. Лотковая часть и стены тоннеля выполнены из монолитного железобетона, а сводчатое перекрытие - из сборных железобетонных элементов: двух бесшарнирных арок с омоноличеннымн стыками в замковом и пятовом сечениях в местах соединения со стенами и пилоном. Общий вид конструкции тоннеля приведен на рис. 5.

 

Использование сборного железобетона оправдано, в частности, тем, что на протяжении всего 232-метрового  участка размеры и форма тоннеля  не меняются. Введение преднапряжения в стыках позволило снять концентрацию напряжений в углах и других сечениях свода, где имеет место резкое изменение размеров, и уменьшить деформации конструкции. Такая обделка характеризуется также повышенной сейсмостойкостью.

 

Блоки арочного перекрытия изготовлены из бетона класса по прочности  на сжатие В45, что позволило снизить  их массу и лучше воспринимать усилия предварительного натяжения  арматуры.

 

 

Поскольку монолитные пилоны воспринимают усилия преднапряжения в верхней части, их выполняли из бетона класса В30, а для лотковой плиты использовали бетон класса В24. Преднапрягаемая арматура имела расчетные сопротивления 930 и 1080 Н/мм2, а ненапрягаемая - 345 Н/мм2.

 

Строительство участка  тоннеля вели в открытом котловане  по поточной схеме. Сборные железобетонные блоки были изготовлены с использованием жестких стальных опалубочных форм и арматурных каркасов и доставлены на стройплощадку трейлерами. Монтаж блоков выполняли гидравлическим гусеничным краном. По мере монтажа производили  инструментальный контроль за деформациями конструкций. Арочные элементы устанавливали  на временные подмости, удерживая  их до обжатия и омоноличивания стыков.

 

Стыковка полуарок в  замковом сечении осуществлялась путем  объединения выпусков арматуры и  омоноличивания зазора. Для временной фиксации стыков использовали высокопрочные болты.

 

После монтажа очередной  секции тоннеля длиной 12 м производили  обжатие стыков в поперечном направлении. Вначале выполнили натяжение  арматуры диаметром 26 мм в замке  свода, где в дополнение к высокопрочным  болтам использовали эпоксидный клей, обладающий высокой адгезией к бетону. На втором этапе обжимали пятовые  участки свода в местах примыкания к верхней части стен и пилонов. «Мертвые» концы анкеров были заранее заделаны в стены (пилоны). После установки полуарок преднапрягаемые стержни диаметром 32 мм были установлены и соединены на муфтах. Конструктивный зазор между сводом и стенами был заполнен стальными пластинами, а пустоты в стыках - безусадочной уплотняющей смесью.

 

Особое внимание было уделено точности изготовления блоков и установки их в проектное  положение, которая составила +2 мм на каждый блок шириной 1 м. Для обеспечения  водонепроницаемости конструкции  тоннеля зазоры между блоками  заполняли герметиком, а поверхность свода покрывали двухслойной водонепроницаемой мембраной.

 

Опыт применения комбинированной  сборно-монолитной конструкции тоннеля  Майко свидетельствует о ряде преимуществ такого решения. Прежде всего, появилась возможность одновременного ведения работ по возведению монолитных (лотка, стен, пилона) и сборных (сводчатого перекрытия) конструкций, что позволило сократить сроки строительства тоннеля с 28 до 18 месяцев по сравнению с полностью монолитным вариантом. Отпала необходимость в устройстве сложной и громоздкой опалубки для возведения монолитного двухсводчатого перекрытия.

 

Использование бесшарнирной арочной конструкции предпочтительно с точки зрения сейсмической стойкости сооружения, поскольку жесткие стыки обеспечивают перераспределение изгибающих моментов в конструкции за счет образования пластических шарниров, которые существенно поглощают энергию землетрясения. Кроме того, удалось значительно снизить уровень шума и вибрации в процессе строительства и повысить безопасность производства работ.

 

Рассмотренные конструкции  и технология их возведения применимы  также к крупнопролетным ответственным транспортным сооружениям: многополосным автотранспортным тоннелям, станциям метрополитена, подземным автостоянкам, гаражам и комплексам, а также к мостам, опорам и фундаментам.

2.3. Сталебетонные композитные конструкции

 

Совершенствование конструкций  транспортных тоннелей предусматривает  повышение степени индустриальности их изготовления, снижение расхода конструкционных материалов, трудоемкости и темпов возведения при обеспечении требуемой прочности, водонепроницаемости, надежности и долговечности.

 

В связи с этим представляет интерес разработанная в Великобритании рациональная и экономичная композитная  конструкция прямоугольного поперечного  сечения, предназначенная для строительства  подводных тоннелей способом опускных секций, а также для других подводных  или подземных сооружений, возводимых открытыми способами [14, 15].

 

Конструкция, выполненная  в виде сэндвича, состоит из внутренней и наружной стальных оболочек толщиной 8 - 12 мм, между которыми укладывают монолитный бетон. Для связи оболочек с бетоном  и восприятия нормальных и поперечных сил предусмотрены стальные стержни  диаметром 20 - 22 мм с высаженными  головками, приваренные к стальным листам. Поперечное сечение тоннельной обделки из композитных материалов приведено на рис. 6.

 

Таким образом можно  устраивать однопролетные или многопролетные облегченные обделки шириной  до 20 - 25 м и высотой до 10 м и  более и толщиной порядка 0,5 м. В  отличие от традиционных обделок  прямоугольного очертания из монолитного  или сборного железобетона с толщинами  перекрытия, стен и лотка до 1 м  и более новая конструкция  получается более тонкостенной и  легкой. Стальные оболочки выполняют  функции арматуры, опалубки и гидроизоляции, что значительно упрощает возведение конструкций и снижает их материалоемкость. Наличие двухслойной гидроизоляции  обеспечивает надежную защиту от воды как тоннеля, так и обделки.

 

Конструкции подводных  тоннелей могут быть изготовлены  на любой строительной площадке и  доставлены к месту опускания  в проектное положение на плаву, причем стройплощадка может находиться достаточно далеко от места строительства. Кроме того, значительно ускоряется процесс возведения тоннельных конструкций, достигается надежный контроль их качества.

 

Сравнительно небольшая  масса опускных секций подводных  тоннелей требует создания специального пригруза, предотвращающего возможность всплытия секций под действием выталкивающей силы. Пригруз в виде сплошных железобетонных блоков может быть размещен под проезжей частью тоннеля, а также на перекрытии секций.

 

Для оценки возможностей и экономической эффективности  композитной сталебетонной конструкции  в Университете г. Кардиффа (Великобритания) проведены комплексные научные  исследования, включавшие математическое моделирование, лабораторные и натурные эксперименты [15]. При этом рассматривались  конструкции обделок различного поперечного сечения в виде одно- и двухконтурных рам с плоским  и сводчатым перекрытием, с прямыми  и закругленными углами в местах примыкания стен к лотку и перекрытия.

 

Результаты проведенных  исследований подтвердили эффективность  и экономичность композитных  сталебетонных конструкций и  их преимущества перед традиционными  железобетонными обделками, что  явилось основанием для внедрения  таких обделок в практику тоннелестроения.

 

Первая попытка практического  применения сталебетонных конструкций  была предпринята при строительстве  подводного тоннеля под р. Конвей в Северном Уэльсе (Великобритания) [16]. Четырехполосный автодорожный тоннель длиной 1089 м расположен на трассе автомагистрали А55 в устье р. Конвей. Подводная часть тоннеля длиной 708 м запроектирована из шести железобетонных опускных секций длиной по 118 м, шириной 24,1 м, высотой 10,5 м, водоизмещением 30 тыс.м3. По наружной поверхности секций предусмотрена металлоизоляция из стальных листов толщиной 6 мм.