Инновации в тоннелестроении

 

Для устройства опорных  элементов весьма перспективен метод  струйной цементации, обеспечивающий быстрое и надежное закрепление  как связных, так и несвязных  неустойчивых грунтов.

 

При заложении тоннелей на глубине 2 - 4 м вместо сводчатого часто устраивают плоское перекрытие, устойчивость которого повышают, опирая его концы на короткие наклонные  буровые сваи или столбы из искусственно закрепленного грунта. Таким образом, можно сооружать одно- и двухпролетные тоннели. В последнем случае по мере раскрытия профиля выработки в средней части устанавливают промежуточный ряд колонн или сплошную стенку. Схемы сооружения однопролетного и двухпролетного тоннелей с плоским перекрытием представлены на рис. 14.

 

Новая разновидность  полуоткрытого способа - «зиллертальский» способ - был разработан и реализован австрийской фирмой «Бетон и Мониербау» на строительстве тоннеля Бретфол длиной 1,33 км на трассе федеральной автомагистрали В169 (Германия) [29]. На южном участке тоннеля длиной 60 м свод из монолитного железобетона опирали на стены из буросекущихся свай, которые доходили до поверхности земли, что позволило сократить размеры котлована.

 

Технологическая последовательность работ показана на рис. 15. В первую очередь возводили стены из буросекущихся свай, а затем вскрывали котлован с криволинейной подошвой до низа сводчатого перекрытия.

Последнее возводили  из монолитного железобетона, упирая его в стены из буро-секущихся  свай. Далее работы вели по традиционной технологии полуоткрытого способа, разрабатывая грунтовое ядро и бетонируя  обратный свод.

 

«Зиллертальский» способ предусматривает иную статическую работу конструкции тоннеля по сравнению с «кернтнерским». Распор свода передается на стены из буровых свай, компенсируя активное боковое давление грунта в верхней части стен. После разработки грунтового ядра свод удерживается силами трения. Для увеличения сил трения между сводом и стеной в последнюю заделывают стальные стержни диаметром 36 мм и длиной 60 мм.

Таким образом, перекрытие тоннеля, а также обратный свод работают как арочные распорки, что исключает  необходимость заанкеривания стен в грунт.

 

Опыт применения различных  модификаций полуоткрытого способа  работ показал его надежность и безопасность. Основные горнопроходческие  операции выполняются открытым способом под защитой перекрытия с высокой  степенью жесткости и несущей  способности как в продольном, так и в поперечном направлениях.

 

Скорость строительства  составляет 200 - 400 м/мес. при устройстве перекрытия и 150 - 300 м/мес. при проходке и креплении выработки. Достигается  быстрое восстановление движения транспортных средств над строящимся тоннелем, сводятся к минимуму перекладка подземных  коммуникаций, нарушения грунтового массива и поверхности земли, уровень шума и вибрации, сокращаются  сроки производства работ. Несмотря на некоторые недостатки, полуоткрытый способ может составить конкуренцию  традиционным - открытому и закрытому, особенно при сооружении тоннелей мелкого  заложения в слабоустойчивых  грунтах.

3.2. Применение щитов прямоугольного  поперечного сечения

 

Сооружение тоннелей мелкого заложения на застроенных  городских территориях открытыми  способами вызывает нарушения нормальной жизни города, связанные с ограничением движения транспортных средств и  пешеходов в районе строительства, загрязнением воздушного бассейна, повышением уровня шума и вибрации, возможным  повреждением фундаментов расположенных  поблизости зданий и др.

 

Применение закрытых способов (горного и щитового) не требует вскрытия дневной поверхности  по всей трассе тоннеля и не вызывает существенных нарушений городской  жизни. Вместе с тем при строительстве  тоннелей мелкого заложения традиционным горным способом неизбежны осадки грунтового массива, вызванные переборами грунта, многочисленными перекреплениями и др.

 

При щитовом способе  работ возможно ограничение осадок грунтового массива, однако круговая форма  поперечного сечения, характерная  для щитового способа, является нерациональной для тоннелей мелкого заложения, не испытывающих значительных внешних  нагрузок. Так, проходка пешеходных тоннелей щитами кругового поперечного сечения  неэффективна, поскольку площадь  выработки используется лишь на 60%.

 

Применяемые в практике городского подземного строительства  прямоугольные щиты незамкнутого сверху профиля требуют вскрытия дневной  поверхности на всем протяжении тоннеля. В связи с вышеизложенным заслуживает  внимания опыт Японии по созданию и  внедрению щитовых агрегатов  прямоугольного поперечного сечения  для проходки городских тоннелей мелкого заложения закрытым способом [2].

 

Основные преимущества прямоугольных щитов перед круговыми  следующие:

 

- рациональное использование  всего выработанного пространства;

 

- уменьшение объемов  разрабатываемого грунта (примерно  на 40%) и снижение стоимости строительных  работ;

 

- увеличение толщины  защитной кровли над тоннелем  и возможность проходки под  инженерными коммуникациями;

 

- снижение осадок  поверхности земли в процессе  проходки;

 

- повышение степени  устойчивости тоннельной обделки  против неуравновешенного давления  грунта, вызванного проходческими  работами или устройством фундаментов  вблизи строящегося тоннеля.

 

Щиты прямоугольного поперечного сечения могут быть использованы при строительстве  перегонных тоннелей метрополитена, тоннелей для пропуска легковых автомобилей, пешеходных и коллекторных тоннелей в мягких и слабых грунтах [30].

 

Первый прямоугольный  щит замкнутого профиля был создан для проходки коллекторного тоннеля  длиной 534 м в г. Нагоя (Япония). Трасса тоннеля проходит на глубине 4 м от поверхности земли в толще аллювиальных отложений, представленных илистыми глинами, крупно- и среднезернистыми песками и илистыми песками. Уровень грунтовых вод расположен на глубине 10 м от дневной поверхности.

 

Щитовой агрегат длиной 5,0 м, шириной 4,3 м, высотой 3,1 м и массой 48 т состоит из ножевой, опорной  и хвостовой частей и оснащен 14 гидравлическими домкратами с  ходом поршня 1,2 м и усилием 1400 кН. В ножевой части смонтирован  удлиненный шандорный козырек, выдвигаемый 20-тонным домкратом и поддерживаемый шестью вертикальными домкратами. Наличие выдвижного козырька и забойных домкратов предотвращает выпуски грунта в забое щита.

 

На хвостовой оболочке щита монтировали секции прямоугольной  обделки тоннеля из шести железобетонных блоков шириной 1,0 м и толщиной 0,25 м и центральной стальной подпорки.

 

Стыки между блоками  устраивали на болтах, скрепляющих  накладки, приваренные к рабочей  арматуре блоков. На рис. 16 приведена  схема прямоугольного щитового агрегата.

 

Для монтажа обделки  использовали рычажный укладчик, способный  перемещаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Вначале монтаж одной секции обделки  занимал 150 мин, а затем 80 мин (на 200-й  секции) и 65 мин (на 350-й секции); соответственно время проходческого цикла было уменьшено с 400 до 200 мин.

 

По мере монтажа обделки  в строительный зазор на участке  хвостовой оболочки щита нагнетали  стабилизирующую смесь из песка, мелкого гравия, бентонита и воды. Измеренное во время передвижки щита смещение относительно вертикальной оси  не превышало ±20 мм и стабилизаторы  не потребовались. При этом линейные горизонтальные смещения щита и обделки  составляли соответственно 0,6 и 1,8 см, а  вертикальные - соответственно 5,5 и 3,8 см.

 

По результатам систематических  измерений были построены графики  изменения осадок поверхности земли  над тоннелем при разных расстояниях  от расчетного створа до забоя щита. Максимальные значения составили 42 мм, что не превышает осадок при проходке круговыми щитами.

 

В период строительства  тоннеля производили также измерения  давления грунта и усилий в обделке, для чего на контакте обделки с  грунтом установили 36 датчиков давления. Анализ результатов длительных измерений показал, что нагрузки на тоннель и усилия в обделке не превышали расчетных.

 

В процессе проектирования и строительства тоннеля возникли различные проблемы, для решения  которых были проведены комплексные  экспериментальные исследования в  лабораторных и натурных условиях [31]. Одной из проблем явилось обеспечение  требуемой жесткости стыков между  блоками, которые под действием  изгибающих моментов имеют тенденцию  к раскрытию. Были проведены исследования работы обделки под нагрузкой  для трех типов стыков: омоноличенного, болтового и болтового в сочетании со сваркой закладных деталей и обмазкой торцовых поверхностей эпоксидным клеем.

 

Модель секции обделки  в масштабе 1/2 натуральной величины обжимали со всех сторон гидравлическими  домкратами, имитируя постоянную вертикальную равномерно распределенную нагрузку интенсивностью 100 кН/м2 и изменяющееся по высоте стен горизонтальное давление грунта.

 

В результате экспериментальных  исследований было установлено, что  наиболее подходящими следует считать  болтовые стыки с приваренными к  рабочей арматуре блоков накладками и покрытые эпоксидным клеем. Несущая  способность и жесткость таких  стыков незначительно отличаются от несущей способности и жесткости  тела блоков. Этот вывод был подтвержден  полномасштабными испытаниями обделки  под нагрузкой, в натурных условиях.

 

Вторая проблема касалась создания специализированного укладчика  блоков обделки. Как правило, при  монтаже круговых обделок рабочий  орган рычажного укладчика вращается  вокруг центральной оси, удлиняется и укорачивается. Для монтажа  прямоугольных обделок, помимо этого, необходимо обеспечить вертикальное и  горизонтальное перемещение блокоукладчика. Такой агрегат с гидравлическим приводом был создан и испытан в производственных условиях. Кроме того, была изготовлена специальная тележка с поворотным столом для перевозки блоков обделки.

 

Третья проблема связана  с опасностью поворота щита относительно его вертикальной оси при передвижке. Если в щитах кругового сечения  их закручивание не препятствует точному  монтажу колец обделки, то даже незначительный крен прямоугольного щита не позволит соединить соседние секции обделки  между собой.

 

Для оценки возможного диапазона  углов поворота щита и разработки мер по их предотвращению были проведены  экспериментальные исследования. Модели щитов кругового, эллиптического и  прямоугольного сечения помещали в  желатиновую среду, имитирующую  грунтовый массив. Были установлены  соотношения между крутящим моментом и углом поворота модели и показано, что для закручивания модели прямоугольного щита на тот же угол, что и круглого, требуется в 4 - 5 раз больший крутящей момент. Были созданы специальные  электронные и оптические приборы  для контроля за поворотами щита, его  вертикальными и горизонтальными  смещениями, а также ножевые стабилизаторы, вдавливаемые в грунт домкратами и препятствующие закручиванию щита.

 

Четвертая проблема относится  к осуществлению безосадочной проходки и решается своевременным заполнением строительного зазора в зоне хвостовой оболочки щита. Опытным путем определили оптимальный состав нагнетаемой смеси (на 1 м3 смеси - 600 кг песка, 780 кг мелкого гравия, 600 л воды, 60 кг бентонита и 2 кг добавок) и давление нагнетания.

 

Опыт строительства  тоннеля в г. Нагое (Япония) и результаты экспериментальных исследований были использованы при строительстве  двух коллекторных тоннелей в г. Токио (Япония). Один из них длиной 370 м и  сечением 5×4,15 м заложен под руслом реки на глубине до 20 м от поверхности  воды между двумя шахтными стволами.

 

Щит со скругленными углами имел длину 6,6 м (хвостовая оболочка - 2,05 м, ножевая часть - 1,8 м), высоту 4,38 м и ширину 5,23 м. Породу в забое  щита разрабатывали буровзрывным способом. Обделку тоннеля собирали из железобетонных рамных элементов толщиной 0,35 м, шириной 1,0 м и средней вертикальной перегородки  толщиной 0,25 м, расположенной несимметрично  относительно оси тоннеля. Обделку  монтировали с перевязкой продольных швов соседних секций.

 

Дальнейшее развитие щитовой техники для проходки тоннельных выработок прямоугольного поперечного сечения связано  с созданием механизированных щитовых  агрегатов нового поколения. В настоящее  время в Японии применяются механизированные щиты прямоугольной формы с нетрадиционными  рабочими органами:

 

- барабанного типа  с двумя и более барабанами, расположенными перпендикулярно  оси тоннеля и оснащенными  резцами, скалывателями или шарошками (рис. 17,а);

 

- роторного типа, состоящими  из нескольких режущих дисков  одинаковых или разных размеров, несущих породоразрушающие инструменты (рис. 17,б).

 

 

 

Разработаны щиты с различным  соотношением размеров рабочего органа для проходки как «горизонтальных» прямоугольных выработок, пролет которых  в 2 - 3 раза превышает высоту, так  и «вертикальных» с высотой более  пролета.

 

В зависимости от инженерно-геологических  условий щиты оборудуют пригрузочными камерами с бентонитовым или грунтовым пригрузом.

 

Применение прямоугольных  механизированных щитов лежит в  основе двух новых технологий строительства  тоннелей мелкого заложения в  слабоустойчивых грунтах, получивших название [32]:

 

Технология BSM предназначена для строительства подземных сооружений мелкого заложения на застроенных городских территориях при наличии густой сети подземных коммуникаций, не подлежащей перекладке.

 

В этом случае ограждающие  конструкции, выполненные по технологии «стена в грунте», а также буровые  или забивные сваи не могут быть устроены с поверхности земли  и применение классического котлованного или траншейного способов оказывается  невозможным.

 

Сущность технологии BSM заключается в том, что непосредственно под инженерными коммуникациями с помощью прямоугольного щита проходят одну или несколько подземных выработок, объединяют их между собой, а затем из объединенной выработки устраивают ограждающие конструкции, выполненные по технологии «стена в грунте», в виде буровых или виброопускных свай. Под защитой ограждающей конструкции разрабатывают грунт и возводят обделку подземного сооружения.