Инновации в тоннелестроении

 

- на начальной стадии  доливки расход в 2 - 3 раза превышал  вышеуказанное значение;

 

- приблизительно через  два месяца после начала доливки  расход воды начинал падать  из-за засорения доливочных труб, в связи с этим потребовалась очистка доливочных скважин путем откачки из них воды и продувки сжатым воздухом.

 

Как видно из рис. 32, применение компенсирующей доливки практически  не отразилось на эффективности внутреннего  водопонижения, однако исключило резкое опускание кривой депрессии и  возможные деформации грунтового массива  вблизи подземной станции метрополитена.

 

В тех случаях, когда  водопонижение оказывается неэффективным  или практически невозможным, применяют  подводную разработку грунта и подводное  бетонирование фундаментной плиты, а также специальные способы  стабилизации основания (струйную цементацию, искусственное замораживание, химическое закрепление). При этом следует учитывать  высокую стоимость работ по замораживанию  и химическому закреплению грунтов  и опасность загрязнения подземных  вод химическими реагентами.

 

Подводную разработку грунта ниже уровня грунтовых вод осуществляют при помощи грейферов, установленных  на бровке котлована, закрепленного  водонепроницаемым ограждением (стальной шпунт или конструкция, выполненная  по технологии «стена в грунте»). После  разработки котлована до проектной  отметки методом вертикально-перемещающейся трубы бетонируют фундаментную плиту. Затем котлован осушают и возводят перекрытие и лоток подземного сооружения (рис. 33). Во избежание всплытия фундаментной плиты ее делают массивной или  заанкеривают в коренные грунты.

 

При строительстве автотранспортного  тоннеля длиной 500 м в г. Дюссельдорфе (Германия) работы вели в котловане  со шпунтовой крепью (шпунт типа Ларсен на глубину 16,8 м) [66]. По длине котлован был разделен на отсеки временными поперечными стенками. Из двух вариантов фундаментной плиты - толщиной 4 м без анкеров и толщиной 1,3 м с анкерными сваями длиной 7,9 м - был принят последний. Плиту бетонировали подводным способом.

 

Аналогичным образом  сооружен тоннель на кольцевой автомобильной  дороге вокруг г. Мюнхена (Германия) [67]. Котлован длиной 1400 м был разделен на девять отсеков длиной от 110 до 220 м.

 

Фундаментную плиту  станции метрополитена в г. Брюсселе заанкерили в прочный водоупорный пласт с помощью буронабивных свай с уширенным основанием [65].

 

Помимо свайных фундаментов  устраивают фундаменты из закрепленного  грунта. Например, при строительстве  подземной автостоянки в Италии в толще водоносных гравелистых  грунтов после разработки котлована  на 0,5 м выше уровня грунтовых вод  методом струйной цементации возвели  противофильтрационную грунтоцементную  плиту толщиной 2 м, заложенную на 2,5 м ниже днища подземного сооружения [68].

 

При глубоком залегании  водоупорных пластов для уменьшения притока грунтовых вод в котлован ниже ограждающих стен устраивают противофильтрационные  завесы из глиногрунтовых или глиноцементных материалов. В случае если ограждения представляют собой конструкции, выполненные по технологии «стена в грунте», нижняя их часть может быть устроена как противофильтрационная (до водоупора).

 

Стабилизационные меры на стадии эксплуатации

 

Расположенный в водоносных грунтах ниже уровня грунтовых вод  тоннель в зависимости от его  длины представляет собой локальную  или протяженную преграду для  воды в направлении ее движения. Перед тоннелем возникает подпор, а с противоположной стороны - понижение уровня грунтовых вод. Вследствие этого увеличивается  одностороннее давление воды на стены  и лоток тоннеля, повышается опасность его всплытия, возрастают скорости фильтрации, что может вызвать суффозию под лотком и осадки основания.

 

Характер обтекания  водой тоннеля зависит от глубины  его заложения, расположения в плане  относительно направления водного  потока и расстояния от лотка до водоупора. В наибольшей степени «эффект плотины» проявляется при эксплуатации многоярусных тоннелей, в состав которых входят конструкции, выполненные по технологии «стена в грунте», заглубленные ниже подошвы.

 

Если стены не заделаны в водоупор (рис. 34,а), то под тоннелем происходит возрастание скоростей фильтрации, что может привести к размыву грунта основания, особенно при близком залегании водоупора.

 

При заделке стен характер обтекания сооружения фильтрационным потоком изменяется и может произойти  перелив воды через перекрытие тоннеля (см. рис. 34,б).

 

С целью предотвращения подпора подземных вод перед  тоннелем во избежание нарушений  его конструкций принимают следующие  меры: устраивают проемы в нижней части  стен тоннеля;

 

- прокладывают дюкеры-трубопроводы  в стенах и лотковой части  тоннеля с водоприемными и  инфильтрационными трубами;

 

- устраивают дренажную  систему с удалением грунтовых  вод вне или внутри тоннеля.

 

При заглублении несущих  конструкций, выполненных по технологии «стена в грунте», в водоупор в них следует предусматривать проемы для пропуска потоков грунтовых вод (до 20% площади стен) или чередовать секции траншейных стен разной глубины (так называемая «гребенка»). На период строительства тоннеля грунт в проемах стен может быть заморожен.

 

В качестве примера такого решения можно привести опыт строительства  и эксплуатации тоннелей в г. Эссене (Германия) [69]. В стенах из буровых  свай были предусмотрены вертикальные зазоры шириной 1 м, занимающие около 12% площади стен.

 

Для сохранения режима подземных  вод предусматривают систему  продольных и поперечных дюкеров. В  процессе строительства участка  тоннелей метрополитена в г. Франкфурте-на-Майне (Германия) в водоносных грунтах  под подошвой тоннеля были заложены продольные трубопроводы диаметром 0,15 м и длиной по 50 м, объединенные с  поперечными дюкерами в виде заполненных  гравием траншей глубиной 1,5 м  и шириной 10 м. В траншеи уложены  пять водопропускных труб диаметром 0,15 м.

 

В некоторых случаях  для выравнивания уровней грунтовых  вод по разные стороны от тоннеля  поперечные дюкеры пропускают через  сооружение и снабжают устройствами для регулирования давления воды (рис. 35). Весьма эффективным оказывается  устройство дренажной системы в  основании и по наружной поверхности  стен тоннеля из слоя хорошо фильтрующего грунта или специальных дренирующих  конструкций. В настоящее время  созданы разнообразные одно- и  многослойные дренирующие конструкции  из синтетических материалов, в состав которых входят гидроизолирующий и  фильтрующий слои. Наибольшее распространение  получили фильтрующие мембраны из геотекстиля (полипропилена), пропускающие воду и задерживающие частицы грунта, предотвращая тем самым заиливание дренажной системы, вымывание и вынос грунта [70].

 

 

В Австрии, Швейцарии, Германии, Франции и других странах широко используют специальные ковровые материалы (энкамат, энкадрен и др.), которые крепятся дисковыми анкерами к изолируемой поверхности из расчета 1 - 4 анкера на 1 м2. Фильтрующую воду отводят по водосборным лоткам или трубам. Благодаря пространственному расположению волокон такие материалы обладают большой прочностью и пластичностью, сохраняя высокие дренирующие свойства в течение длительного времени.

 

Для обоснованного проектирования городских подземных сооружений мелкого заложения в водоносных грунтах наряду с детальными гидрогеологическими  изысканиями необходимы исследования характера взаимодействия водного  потока с тоннелем в процессе его  строительства и эксплуатации.

 

В качестве методов исследований целесообразно использовать объемное математическое моделирование на основе численных методов, а также лабораторные и натурные наблюдения и измерения. По результатам исследований должны быть разработаны и обоснованы конкретные инженерные решения, обеспечивающие минимизацию  нарушений тоннеля и городской  среды и предотвращающие возникновение  аварийных ситуаций.

 

На основе анализа  данных современного опыта в качестве возможных стабилизационных мер  на стадии строительства подземного сооружения следует рекомендовать:

 

- применение различных  систем искусственного водопонижения  с компенсирующей доливкой воды  в грунт;

 

- подводную разработку  грунта в котловане ниже уровня  грунтовых вод и подводное  бетонирование фундаментной плиты  с разделением котлована на  отдельные отсеки;

 

- усиление фундаментной  плиты буровыми анкерными сваями  или грунтовыми анкерами;

 

- устройство искусственного  основания из закрепленного струйной  цементацией грунта;

 

- создание противофильтрационных  завес ниже подошвы тоннеля  по технологии «стена в грунте».

 

Стабилизационные меры на стадии эксплуатации тоннеля включают в себя:

 

- устройство проемов  в нижней части конструкций,  выполненных по технологии «стена  в грунте» (до 20% площади стен);

 

- прокладку дюкеров-трубопроводов  в стенах и лотковой части  тоннеля с водоприемными и  инфильтрационными трубами,

 

- устройство дренажной  системы в днище и стенах  тоннеля из слоя фильтрующего  грунта или синтетических дренирующих  конструкций типа энкамата, энкадрена и др.

 

Приведенные выше положения  затрагивают лишь некоторые аспекты  важной и сложной проблемы взаимодействия тоннелей мелкого заложения с  подземными водами. Актуальность проблемы обусловлена возрастающими объемами подземного строительства в г. Москве и других крупных городах России в условиях прогрессирующего подтопления  территорий. В связи с этим возникает  необходимость дальнейшего анализа  и обобщения отечественного и  зарубежного опыта в рассматриваемой  области и проведения теоретических  и экспериментальных исследований для выработки конкретных рекомендаций технического и экологического характера, которые должны найти отражение  в соответствующих нормативных  документах, регламентирующих вопросы  проектирования, строительства и  эксплуатации тоннелей мелкого заложения  в водоносных грунтах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Анализ современного опыта проектирования и строительства  транспортных тоннелей свидетельствует  о существенном прогрессе в области  конструирования тоннельных обделок, технологии и организации подземно-строительных работ на основе применения специализированных машин, механизмов и оборудования, автоматизированных систем управления технологическими процессами.

 

При строительстве тоннелей открытыми способами применяют  преимущественно конструкции из монолитного железобетона. Однопролетные  и многопролетные рамные системы  характеризуются высокой несущей  способностью и жесткостью. За счет применения универсальной опалубки и высокопроизводительного бетоноукладочного  оборудования достигаются высокие  темпы возведения таких конструкций, обеспечивается надлежащее качество сооружения.

 

В ряде случаев может  оказаться целесообразным использование  одно- и двухсводчатых арочных конструкций из преднапряженного сборно-монолитного железобетона с омоноличенными стыками.

 

При проходке тоннелей щитовым  способом применяют сборные обделки  из крупных блоков со связями растяжения и упругими уплотнителями в стыках. Эффективность таких конструкций  подтверждена успешным опытом их применения на строительстве закрытого участка  Лефортовского тоннеля в г. Москве и ряда тоннелей за рубежом.

 

Представляются перспективными тонкостенные композитные сталебетонные  конструкции, характеризующиеся повышенной прочностью, жесткостью, огнестойкостью и сопротивляемостью динамическим воздействиям.

 

Дальнейшее совершенствование  конструкций тоннелей, сооружаемых  траншейным способом, предусматривает  в частности внедрение контрфорсных конструкций, выполненных по технологии «стена в грунте» из монолитного, сборного и сборно-монолитного железобетона, входящих в состав постоянных несущих  конструкций тоннеля. Применение таких  стен позволяет во многих случаях  отказаться от трудоемких в возведении и дорогостоящих усиливающих  элементов.

 

При сооружении тоннелей в сложных топографических, градостроительных  и инженерно-геологических условиях следует ориентироваться на инновационные  технологии: полуоткрытый способ работ, проходку щитами прямоугольного поперечного  сечения, проходку под защитой опережающих  крепей.

 

В практике тоннелестроения  хорошо зарекомендовали себя различные  модификации полуоткрытого способа: «кернтнерский», «рамной крепи» и «зиллертальский», обеспечивающие высокие темпы проходки (до 400 м/мес.), быстрое восстановление движения транспортных средств над строящимся тоннелем, минимизацию перекладок подземных коммуникаций и нарушений поверхностных условий.

 

Весьма перспективным  направлением проходки тоннелей на застроенных  территориях следует считать  применение механизированных щитов  замкнутого прямоугольного сечения, оснащенных рабочими органами барабанного или  роторного типа. Внедрение таких  щитов в практику отечественного тоннелестроения будет способствовать рациональному использованию сечения  выработки, сокращению объемов разрабатываемого грунта, ограничению осадок поверхности  земли и снижению стоимости строительства.

 

Современный опыт сооружения тоннелей в нарушенных и слабоустойчивых  грунтах свидетельствует об эффективности  применения опережающих крепей в  виде экранов из труб, грунтоцементных  свай, бетонных сводов, забойных фибергласовых элементов.