Инновации в тоннелестроении

 

В качестве альтернативного  решения была рассмотрена конструкция  сталебетонной секции прямоугольного поперечного сечения.

 

Сравнение вариантов  конструкций показало, что за счет уменьшения толщины перекрытия, лотка  и стен сталебетонной секции ее пролет может быть сокращен до 23,972 м, а высота - до 10,198 м по сравнению с 24,1 и 10,5 м  для железобетонной секции, базовая  стоимость сокращена на 10%. Несмотря на очевидные преимущества сталебетонных  секций, они не были применены из-за недостаточной проработки конструктивных решений.

 

Первый опыт практического  применения композитных сталебетонных  секций модифицированной конструкции  был осуществлен в Японии на строительстве 520-метрового участка подводного тоннеля в порту Мииатоджима в г. Кобе [17].

 

На основе проведенных  в Великобритании и Японии научных  исследований композитных конструкций  были запроектированы две тоннельные секции. Конструкция прямоугольного поперечного сечения выполнена  в виде двойной стальной оболочки, усиленной стальными диафрагмами  и ребрами жесткости из стальных пластин. Поперечное сечение и объемный фрагмент секции показаны на рис. 7.

 

Основным отличием такой  конструкции от разработанных в  Великобритании является использование  вместо поперечных стержней стальных пластин, что повышает пространственную жесткость каркаса и улучшает его совместную работу с бетоном  заполнения.

 

Модифицированные конструкции  были тщательно рассчитаны на неблагоприятные  сочетания действующих нагрузок на всех этапах строительства и эксплуатации тоннеля. Анализ стоимостных показателей  показал экономичность сталебетонных  секций по сравнению с железобетонными. Исключение передвижной опалубки и  арматурных каркасов, отказ от применения дорогостоящего сухого дока для изготовления секций определили целесообразность применения композитных конструкций.

 

Стальные элементы были изготовлены на заводе, а укрупнительная сборка производилась на строительной площадке. После спуска стальных каркасов на воду выполняли бетонирование  конструкций на плаву, используя  высокопластичную бетонную смесь. Строительство тоннеля было завершено в 1999 г.

 

Успешный опыт применения тонкостенных сталебетонных конструкций  в Японии является основанием для  более широкого внедрения их в  практику мирового тоннелестроения. Помимо конструктивных, технологических и  экономических преимуществ композитные  конструкции обладают также повышенной огнестойкостью и более высоким  сопротивлением взрывным воздействиям, чем обычные железобетонные.

 

Их целесообразно  применять не только на строительстве  подводных, но и береговых участков тоннелей и других подземных сооружений мелкого заложения (тоннелей и станций  метрополитена, автотранспортных и  пешеходных тоннелей, подземных автостоянок  и гаражей, транспортных комплексов и др.), возводимых открытыми и  опускными способами, а также  способом продавливания.

 

Сталебетонные конструкции  могут быть использованы в качестве одно- и многопролетных обделок прямоугольного и сводчатого очертания, несущих  и ограждающих конструкций, выполненных  по технологии «стена в грунте», опускных колодцев и кессонов.

3. ЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ СТРОИТЕЛЬСТВА  ТОННЕЛЕЙ

3.1. Полуоткрытые способы

 

Строительство тоннелей мелкого заложения под дорогами, насыпями, дамбами, а также на застроенных  городских территориях открытым способом сопряжено с необходимостью устройства объездных дорог, длительным закрытием пересекаемых магистралей  и другими нарушениями поверхностных  условий.

 

С целью минимизации  этих нарушений в практике тоннелестроения  находит применение траншейный вариант  полуоткрытого способа, предусматривающий, в первую очередь, возведение конструкций  по технологии «стена в грунте», на которые опирают перекрытие тоннеля. После обратной засыпки перекрытия восстанавливают поверхностные  условия, а затем закрытым способом разрабатывают грунтовое ядро и  возводят лотковую плиту [2].

 

С применением траншейного  способа построены многочисленные транспортные тоннели и подземные  сооружения мелкого заложения в  крупных городах Европы, Америки  и Японии. В г. Москве таким способом сооружены автотранспортные тоннели  на Ленинском проспекте и проспекте  Мира, подземный гараж на улице  Эйзенштейна, многофункциональные  подземные комплексы на Манежной площади и Софийской набережной и др. [24].

 

В последние десятилетия  разработаны новые модификации  полуоткрытого способа, основанные на использовании плоского или сводчатого перекрытия, опирающегося непосредственно  на грунт, фундаменты из свай или массив закрепленного грунта. Под защитой  перекрытия по технологии горного способа  раскрывают тоннельную выработку и  возводят обделку из набрызг-бетона, усиленного сплошными или решетчатыми арками. На рис. 11 показана технологическая последовательность сооружения тоннеля полуоткрытым способом.

 

Такой способ сочетает в  себе достоинства и недостатки открытого  и закрытого способов работ и  наиболее эффективен и экономичен в  полускальных и мягких грунтах средней  и слабой устойчивости при глубине  заложения тоннеля от 2 до 12 м, причем с ее увеличением стоимость строительства  снижается примерно на 25%.

 

В плотных и устойчивых грунтах, позволяющих опереть на них свод тоннеля, весьма эффективна разновидность полуоткрытого способа - так называемый «кернтнерский» способ, получивший наибольшее распространение в Австрии и Германии [2]. Последовательность технологических операций при «кернтнерском» способе представлена на рис. 12.

 

При глубине заложения  тоннеля свыше 2 - 3 м и значительных нагрузках устраивают сводчатое  перекрытие переменной жесткости с  усиленными пятами. Его бетонируют на грунте или с использованием опалубки. В первом случае котлован разрабатывают  вначале до шелыги свода, а затем  профилируют в соответствии с  очертанием последнего. Такую технологию применяют в достаточно плотных  грунтах, способных воспринимать давление от свода и обратной засыпки. При  наличии мягких слоев их удаляют, заменяя тощим бетоном. До бетонирования  перекрытия на грунт укладывают пластиковую  пленку, чтобы предотвратить сцепление  с ним бетона, и ставят арматурные каркасы. Если несущая способность  грунтов недостаточна для восприятия давления от свода, котлован вскрывают  до уровня пят свода и устанавливают  стационарную или передвижную опалубку. После набора бетоном требуемой  прочности выполняют гидроизоляцию  свода, засыпают оставшимся от вскрытия котлована грунтом и восстанавливают  дорожную одежду над тоннелем. Дальнейшие работы ведут под сводом по технологии нового австрийского способа. Грунт  разрабатывают экскаватором или  тоннельной машиной со стреловым  рабочим органом и удаляют  автомобилями-самосвалами. Калотту проходят с опережением штроссы на 20 - 40 м.

 

По мере раскрытия  профиля тоннеля наносят покрытие из набрызг-бетона, армированного стальными сетками или арками. После стабилизации деформаций контура выработки, определяемых приборами, разрабатывают лотковую часть и бетонируют обратный свод. Своевременное замыкание контура выработки значительно повышает степень ее устойчивости. В последнюю очередь возводят вторичную обделку из набрызг-бетона или монолитного бетона в передвижной опалубке.

 

Для повышения надежности сопряжения свода со стенами тоннеля  под его пяты до бетонирования  укладывают стальную ленту и прокладки  из стиропора; после бетонирования во время раскрытия выработки устанавливают стальные арки, сопрягая их с арматурным каркасом пят.

 

В соответствии с вышеизложенной технологией полуоткрытого способа  строительства многократно меняются условия статической работы свода, что необходимо учитывать при  его расчете. Так, после его возведения конструкция практически не испытывает напряжений. Если свод устраивают в  опалубке, в нем возникают напряжения от массы конструкции, а по окончании  засыпки - от массы грунта и временной  нагрузки. После разработки калотты свод работает, в основном, в поперечном направлении как бесшарнирная арка с упругим опиранием на грунт. В процессе разработки штроссы происходит перераспределение напряжений в своде и его работа приобретает пространственный характер. После возведения оболочки из набрызг-бетона вновь изменяется напряженное состояние свода: к продольным напряжениям (по мере твердения бетона) добавляются поперечные.

 

Впервые эту разновидность  полуоткрытого способа применили  в 1978 - 1979 гг. при строительстве автотранспортного  тоннеля в г. Кернтене (Австрия). Четыре участка длиной 30 - 50 м и площадью поперечного сечения 85 - 125 м2 пройдены под защитой сводчатого перекрытия. По этой же технологии сооружены автотранспортные тоннели в гг. Бохуме, Бад-Бертрихе и Зингене, а также тоннели метрополитена в г. Кельне (Германия) [25, 26].

 

В г. Бохуме тоннель проложен в разрушенных от тектонических  воздействий песчаниках и сланцах. На глубине до 4,5 м сверху располагался культурный слой, песок, щебень и грубый шлам. Работы вели на четырех участках общей длиной 350 м. Аналогично вели проходку тоннелей в гг. Бад-Бертрихе и Зингене. При строительстве метрополитена в г. Кельне на участке длиной 505 м (410 м перегонных и 95 м станционных тоннелей) прежде всего по технологии «стена в грунте» устраивали ограждение котлована, под защитой которого разрабатывали грунт на глубину 4 м от поверхности земли и бетонировали перекрытие; под его защитой после обратной засыпки и восстановления движения транспортных средств проходили тоннели.

 

В слабоустойчивых грунтах  применяют так называемый метод  «рамной крепи», при котором для  опирания пят свода устраивают искусственные фундаменты из стальных или железобетонных свай, по верху которых возводят обвязочную балку. Разработанный известным австрийским ученым Г. Зауэром метод предусматривает поэтапное строительство подземных сооружений мелкого заложения в следующей технологической последовательности (рис. 13).

 

На I этапе на участке длиной 50 - 100 м вскрывают неглубокий котлован с естественными откосами или креплением стен до низа перекрытия подземного сооружения. Дно котлована может быть плоским или криволинейным в соответствии с очертанием перекрытия, которое чаще всего выполняют арочной формы. В первом случае конструкция свода бетонируется в специальной опалубке, а во втором - непосредственно на грунте.

 

Работы II этапа включают устройство фундаментов сводчатого перекрытия из наклонных буровых свай, располагаемых по направлению радиуса кривизны свода в его пятовых сечениях. Конструкция и параметры свай определяются необходимой несущей способностью с учетом действующих нагрузок и прочностно-деформационных свойств грунтов в основании.

 

На III этапе устанавливают арматурные каркасы и бетонируют свод на грунтовой или деревометаллической опалубке. После необходимой выстойки бетона свод покрывают гидроизоляционным и защитным слоями и засыпают грунтом, восстанавливая поверхностные условия над строящимся подземным сооружением.

 

Работы IV этапа предусматривают проходку подземной выработки под сводом закрытым способом. В зависимости от свойств грунтов и размеров поперечного сечения подземного сооружения могут быть реализованы технологии сплошного или ступенчатого забоя, нижнего уступа или нового австрийского способа (НАТМ).

 

По мере разработки и  удаления грунта возводят обделку из монолитного бетона или набрызг-бетона, усиленного в случае необходимости сплошными или решетчатыми стальными арками. Таким образом, основные работы по проходке подземной выработки ведутся по хорошо известной и отработанной технологии с повышенной степенью безопасности под прикрытием ранее забетонированного свода, что благоприятно отражается на темпах строительства. Так, по данным практики, темпы возведения свода составляют 200 - 400 м/мес., а проходки - 150 - 300 м/мес.

 

Однако основные достоинства  метода «рамной крепи» заключаются  в том, что достигается быстрое  восстановление движения транспортных средств над строящимся подземным  сооружением, сводятся к минимуму перекладки подземных коммуникаций, нарушения  грунтового массива и поверхности  земли, сокращаются сроки производства работ. Это технически простое и  эффективное решение впервые  было применено на строительстве  тоннеля у г. Бад-Бетриха. Под пяту свода заранее подводили фундаменты из буровых свай с обвязкой, которую объединяли со сводом.

 

В настоящее время  по такой технологии сооружаются  отдельные участки железнодорожного тоннеля Дернбах длиной 3,3 км [27]. На северном участке тоннеля, проходящем на мелком заложении, в перемежающихся песчаниках и кварцитах с прослойками глины и ила, железобетонный свод опирали на буронабивные сваи длиной до 30 м и диаметром 1 м. Свод возводили в котловане с естественными откосами, с одной стороны, и ограждающей заанкеренной в грунт стенкой, с другой стороны.

 

Аналогичным образом  сооружали центральный участок  тоннеля под автомагистралью  А48 на глубине от 4 до 8 м. Движение транспортных средств было прервано на две недели. На южном участке свод тоннеля  также опирали на буровые сваи диаметром 1 м и длиной до 30 м.

 

В ряде случаев свод опирают  на наклонные микросваи диаметром 0,4 - 0,6 м и длиной 4 - 6 м, устраиваемые по дну котлована. Сваи предназначены не только для восприятия усилий со свода, но и для крепления стен тоннеля во время подземной экскавации грунта. Такую технологию применили при строительстве тоннелей метрополитена в г. Бразилиа (Бразилия) в сложных инженерно-геологических условиях (сжимаемые и неустойчивые водоносные грунты) при глубине заложения около 3 м [28].

 

Микросваи из стальных двутавровых балок высотой 20,32 см и длиной 5 - 9 м погружали вибратором, закрепленным на стреле экскаватора. Свод бетонировали на грунте и частично в опалубке. Выработку раскрывали сплошным и ступенчатым забоем и закрепляли стальными арками и набрызг-бетоном.

 

При строительстве тоннелей в неустойчивых грунтах свод опирают  на массив из закрепленного глубинным  инъецированием грунта (цементным раствором, жидким стеклом с хлоридом кальция или синтетической смолой). При недостаточном боковом отпоре грунта, а также смещениях свода в горизонтальном и вертикальном направлениях свыше допустимых величин, последний закрепляют стальными затяжками, что возможно только при бетонировании его в опалубке. После завершения всех работ затяжки снимают.