31.08.2015  

Проблемы и технологии строительства коротких тоннелей мелкого заложения

В статье рассматриваются различные технологии строительства коротких тоннелей мелкого заложения, анализируются их достоинства и недостатки.
Необходимость в строительстве коротких (20-30 м) тоннелей большого сечения мелкого заложения возникает достаточно часто. Наиболее распространенный пример — это пешеходные переходы и путепроводы тоннельного типа под железными и автомобильными дорогами. Кроме того, часто складывается такая ситуация, когда автомобильный или железнодорожный тоннель, заложенный преимущественно открытым способом, содержит несколько участков, в пределах которых применение открытого способа невозможно из-за большого количества коммуникаций или других объектов на поверхности. В этой ситуации становится обоснованным применение закрытых методов строительства.
Все предлагаемые на данный момент методы можно разделить на 3 группы:
• щит той или иной модификации;
• защитный экран, выполненный на всю длину проходки;
• проходка под защитой технологий закрепления грунтов.
Метод щитовой проходки при строительстве объектов такого рода применяется весьма редко, и некоторое количество объектов, построенных таким методом, следует рассматривать скорее как экспериментальные. Например, на рисунке 1 показаны модели многороторных щитов производства японской корпорации IHI.
 
Рис. 1. Модели многороторных щитов производства корпорации IHI, Япония
 
Применение щитов сдерживается многочисленными недостатками технологии:
1. Приобретение щита специальной конфигурации требует значительных инвестиций.
2. Геометрия тоннеля является жестко заданной для данного конкретного щита, что очень усложняет повторное применение оборудования.
3. Затраты времени и других ресурсов, связанные с монтажом и демонтажом оборудования, приобретают определяющее значение в экономике и сроках строительства. Высокая производительность при проходке не позволяет компенсировать эти затраты.
4. Сложность эксплуатации оборудования приводит к возникновению эффекта «кривой обучения» — периода, в течение которого экипаж приспосабливается к машине и не развивает полной технической производительности. При длине тоннеля 20-30 метров (или даже 60 метров) экипаж так и не успевает полностью освоить технику до конца проходки.

Достаточно большое распространение получили методы, предполагающие выполнение экрана той или иной конструкции (рис. 2, 3).
Собственно экран представляет собой ряд из труб, как правило, соединенных замками, выполненных вплотную друг к другу. В случае небольшой длины (5-10 м) для устройства экрана используются бурошнековые установки. При больших длинах применяются микротоннелепроходческие комплексы.
В России наработан большой опыт строительства такого рода. В мире есть примеры, когда такое решение применялось для строительства подземных станций с площадью забоя свыше 200 м2. При этом экран выполнялся из железобетонных труб и в дальнейшем был использован как часть конструкции постоянной обделки.
Технология трубного экрана имеет ряд недостатков, сдерживающих ее более широкое применение. Среди них:
• высокая стоимость экрана, особенно если рассматривать экран как временную крепь, полностью исключенную из постоянной конструкции. Применение технологии микротоннелирования на длинах порядка нескольких десятков метров с экономической точки зрения малоэффективно. Большой объем затрат на монтаж и демонтаж щита существенно повышает себестоимость каждого метра проходки;
• негерметичность экрана. Ввиду этого проходка ниже уровня грунтовых вод требует дополнительных мероприятий;
• высокий риск, связанный с наличием в экране щелей. Обеспечение идеального прилегания труб друг к другу является технологически сложной задачей, поэтому нельзя исключить наличие зазоров между трубами. Эта вероятность повышается с увеличением длины;
• нулевая несущая способность экрана по изгибающему моменту в продольном направлении. Даже при наличии замков связь между трубами слишком слаба, чтобы принимать ее в расчет. Это требует установки мощных арок для предотвращения прогиба и обрушения экрана в продольном направлении.
Следует обратить внимание, что экономические характеристики трубных экранов могут быть радикально повышены в случае применения железобетонных труб и железобетонных арок вместо стальных и при вводе экрана в состав постоянной обделки, как это сделано на станции «Венеция» Миланской пригородной железной дороги (рис. 4). Строительные работы были успешно выполнены в 1997 году по проекту компании «Роксоил Спа».

Третьим направлением является применение технологий закрепления грунта, как правило, в комплексе с набрызгбетоном. Технология предполагает формирование либо сплошного массива, либо зонта или экрана из закрепленного грунта. При этом закрепление может производиться как с поверхности, так и непосредственно из забоя.
Возможность вести работы из забоя является важным преимуществом технологии, потому что позволяет, во-первых, снять ограничения на длину тоннеля и, во-вторых, выполнять тоннели любой геометрической конфигурации. Так как, например, для пешеходных переходов часто требуется устройство большого количества различных вспомогательных помещений (кладовые, электрощитовые, насосные), возможность выполнять подземные объекты со сложной геометрией становится важным преимуществом. Также не следует недооценивать возможность выполнения различного рода ответвлений и примыканий, что крайне затруднено в случае применение двух вышеописанных технологий.

Рис. 2. Пример экрана из труб под железной дорогой
 

Рис. 3. Пример экрана из труб

 

Рис. 4. Станция «Венеция», Миланская железная дорога

При выполнении зонтов для повышения механической прочности закрепленный грунт может быть армирован (рис. 5-7). Армирующим элементом может выступать, например, обсадная труба.
Также в последнее время получили распространение технологии выполнения армированного джета при помощи самозабуривающихся анкеров с одноразовыми мониторами (например, технология «Атлант Джет», разработанная ГК «ИнжПроектСтрой», рис. 8).


Рис. 5. Выполнение зонта из труб с цементацией


Рис. 6. Зонт из армированного джета

Рис. 7. Выполнение
набрызгбетонной временной крепи под защитой зонта

Рис. 8. Анкерная свая «Атлант мини-джет» (слева);
свая и армирующий элемент (в разрезе) (справа)
 
При правильном проектировании можно добиться любых прочностных характеристик экрана из армированного джета, в том числе превышающих характеристики экрана из труб. При этом экран из армированного джета имеет ряд весьма важных преимуществ, а именно:
• является водонепроницаемым;
• выполнение джета в шахматном порядке позволяет практически полностью исключить вероятность образования «окон»;
• так как колонны перекрываются между собой, полученная мембрана из закрепленного грунта имеет также некоторую прочность на изгиб в продольном направлении, что повышает безопасность ведения работ и снижает требования к временному креплению.
Экран из джета позволяет достичь более высоких экономических показателей за счет того, что:
• применяемое оборудование является неспециализированным и очень универсальным, и в случае отсутствия работ по подземному строительству может применяться для выполнения множества других общестроительных задач;
• машины для устройства джета являются самоходными и высокомеханизированными. Сразу после выгрузки на площадке машина, по сути, может приступать к работе (в отличие от микротоннелепроходческого комплекса, для которого нужен трудоемкий монтаж). Перемещение по строительной площадке (и внутри тоннеля) осуществляется своим ходом, без лифтов или грузоподъемных машин;
• комплект оборудования для устройства джета значительно дешевле, чем, например, микротоннелепроходческий комплекс.
Немаловажным плюсом является то, что технология не требует мощных подключений к электричеству и сетям водоснабжения.
 
 

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Экология сегодня — экономия з...
Приживутся ли в России «зеленые» технологии в строительстве?
Дарья КНИГИНА
 

ПОДПИСАТЬСЯ

Получайте последние новости и обновления от журнала “Инженерные сооружения”