Проектирование и строительство транспортных тоннелей


Е. К. Сурнина, И. Г. Овчинников










                ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ





Учебное пособие









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 624.195(075)
ББК39.112я73
     С90





Рецензенты:
заведующий кафедрой мостов и тоннелей Российского университета транспорта (МИИТ) доктор технических наук, профессор А. А. Пискунов}

кафедра мостов и транспортных тоннелей Уральского государственного университета путей сообщения









     Сурнина, Е. К.
С90 Проектирование и строительство транспортных тоннелей: учебное пособие / Е. К. Сурнина, И. Г. Овчинников. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 220 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0430-3
    Рассмотрены вопросы инженерных изысканий, проектирования и строительства транспортных тоннелей. Представлены сведения о материалах, конструкциях обделок и гидроизоляции подземных сооружений; приведены нагрузки и расчетные схемы тоннельных обделок. Дано описание систем вентиляции, освещения и других эксплуатационных систем и устройств тоннелей. Рассмотрены способы производства работ при строительстве транспортных тоннелей в различных инженерно-геологических условиях.
    Для студентов строительных направлений подготовки и специалистов в области строительства.
                                                       УДК624.195(075)
                                                       ББК39.112я73




ISBN 978-5-9729-0430-3    © Сурнина Е. К., Овчинников И. Г., 2020
                          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

        ВВЕДЕНИЕ


    Развитие экономики России тесно связано со строительством и реконструкцией транспортной сети. Для обеспечения перевозок грузов и пассажиров необходимо развитие и перевооружение всех видов транспорта и дальнейшее совершенствование единой транспортной сети. Для осуществления этой задачи необходимо строительство новых автомобильных и железных дорог в равнинных и горных условиях. Для преодоления высотных, контурных и водных препятствий, возникающих на трассе новых дорог, необходимо в ряде случаев сооружать горные и подводные тоннели.
    Серьезные транспортные проблемы возникают в крупных городах в связи с ростом уровня автомобилизации. Перенасыщение городов автомобилями создает транспортный кризис, парализует уличное движение и неблагоприятно отражается на жизни населения. В настоящее время в крупных городах разработаны и реализуются комплексные программы, направленные на развитие и совершенствование всех транспортных сетей в городе, рациональное сочетание и использование всех видов транспорта.
    В общем комплексе городских транспортных сооружений важное место занимают подземные сооружения. Автодорожные и пешеходные тоннели, линии метрополитена, подземные автостоянки и гаражи - вот далеко не полный перечень подземных сооружений, без которых невозможна жизнь современного крупного города.
    Наряду с отдельными, не связанными между собой подземными сооружениями, возводят крупные подземные транспортные и многофункциональные комплексы, соединенные между собой сетью протяженных тоннелей. Во многих городах предусматривается строительство внеуличных подземных автомагистралей значительной протяженности. Большое количество тоннелей и подземных сооружений предстоит построить и для новых скоростных видов транспорта.
    Учебное пособие охватывает круг вопросов, связанных со строительством тоннелей. В нем нашли отражение современные достижения теории и практики строительства подземных сооружений - как российские, так и зарубежные, знание которых необходимо студентам специальности «Мосты и транспортные тоннели» - будущим инженерам-строителям транспортных сооружений.
    В пособии рассматриваются основные способы строительства горных и подводных автодорожных, городских автотранспортных и пешеходных тоннелей в различных инженерно-геологических условиях. Структура и содержание настоящего пособия определены тематикой и объемом лекционных курсов для студентов-специалистов направления подготовки «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» и бакалавров направления «Строительство» профиль «Мосты и транспортные тоннели».

з

        РАЗДЕЛ 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОННЕЛЕЙ


Глава 1. Основные понятия о тоннелях

    К тоннелям в широком смысле слова могут быть отнесены любые подземные сооружения. В узком - протяженные подземные сооружения, длина которых значительно превышает их поперечное сечение.
    Транспортные тоннели - это горизонтальные или наклонные подземные искусственные сооружения, проводящие дорогу под препятствием, в отличие от мостов, обеспечивающих непрерывность движения над препятствием.

1.1. Классификация тоннелей


Таблица 1.1

  Признаки                                                                    
классификации             Разновидности и характеристика тоннелей             
      1                                      2                                
              1. Тоннели на путях сообщения (транспортные):                   
              - железнодорожные,                                              
              - метрополитены - городские подземные железные дороги;          
              - автодорожные, в том числе городские, для развязки уличного    
              движения;                                                       
              - судоходные, исторически раньше других появившиеся на путях    
              сообщения;                                                      
              - совмещенные транспортные для одновременного пропуска          
              различных видов транспорта;                                     
              - пешеходные переходы под городскими улицами.                   
              2. Гидротехнические, среди которых различаются:                 
              - гидростанционные, подводящие и отводящие воду от турбин ГЭС;  
     По       - ирригационные (оросительные);                                 
 назначению   - водоснабженческие для подачи воды в населенные пункты;        
              - дренажные (осушительные), в частности на оползневых           
              участках.                                                       
              3. Тоннели городского хозяйства:                                
              - канализационные;                                              
              - водосточные;                                                  
              - энергоснабженческие;                                          
              - совмещенные для прокладки различных коммуникаций, очень       
              экономичные в эксплуатации, но дорогие в постройке.             
              4. Горнопромышленные: транспортные, дренажные, вентиляционные   
              5. Подземные сооружения специального назначения: склады, ангары,
              хранилища газа или горючего, убежища глубокого заложения,       
              подземные заводы, стартовые сооружения ракет, подземные гаражи  
              и т. п.                                                         

4

Окончание таблицы 1.1

1               2                                                                  
                1. Горные: сооружаемые в гористой местности для преодоления        
   По месту     высотных препятствий.                                              
 расположения   2. Городские: сооружаемые в городах под улицами, площадями,        
                застроенными кварталами.                                           
                3. Подводные: сооружаемые для преодоления водных препятствий.      
                1. Мелкого заложения: расположенные на глубине до 15 м             
  По глубине    (сооружаются чаще всего в открытых котлованах).                    
   заложения    2. глубокого заложения: расположенные на глубине более 15 м        
                (сооружаемые без нарушения земной поверхности).                    
 В зависимости  1. Одноуровневые.                                                  
от арх.-простр. 2. Моггоурывнввые                                                  
     формы                                                                         
                1. Сооружаемые открытым способом (котлованный, траншейный):        
                тоннельные конструкции целиком или по частям возводятся            
                в предварительно вскрытых котлованах или траншеях с последующей    
                засыпкой грунтом готового сооружения.                              
                2. Сооружаемые полузакрытым способом: часть конструкции тоннеля    
                сооружается без вскрытия земной поверхности, часть - со вскрытием. 
                3. Сооружаемые закрытым способом (горный, щитовой,                 
                продавливание): проходка тоннеля производится без вскрытия         
      По        земной поверхности. Характерны для глубокого заложения             
   способам     тоннелей. При производстве работ горным способом (применяется      
  сооружения    в скальных грунтах) тоннельное сечение раскрывается по частям      
                или на полное сечение с постановкой временной крепи.               
                При щитовом способе (применяется в мягких и слабых грунтах)        
                в качестве временного крепления используется подвижная             
                металлическая крепь - щит, под защитой которой производятся как    
                разработка грунта, так и монтаж тоннельной конструкции             
                (обделки);                                                         
                4. Сооружаемые специальными способами: с помощью                   
                предварительного укрепления грунтов, опускания готовых             
                тоннельных секций, с использованием в забое сжатого воздуха и т. д.

1.2. Основная тоннельная терминология

    Горная выработка - искусственно образованная в земной коре полость, предназначенная для размещения тоннеля или для вспомогательных строительных целей. По положению в пространстве выработки делятся на горизонтальные (рис. 1.1), наклонные и вертикальные (рис. 1.2).
    Глубина заходки W- объем грунта, разрабатываемый за один прием.
    Штольня - небольшая выработка, используемая для раскрытия выработки тоннеля на полное сечение или для вспомогательных целей.
    Ствол - вертикальная выработка, имеющая выход на дневную поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ и для вентиляции.


5

Рис. 1.1. Горизонтальна выработка:
1 - штросса (нижняя часть); 2 - калотта (верхняя сводчатая часть);
3 - кровля выработки; 4 - забой (торец выработки, в котором разрабатывается грунт);5 - подошва выработки; 6 - штольня

Рис. 1.2. Вертикальная выработка:
1 - подходная штольня; 2 - устье ствола; 3 - ствол;
4 - околоствольная выработка;5 - водосборник (зумпф)

    Тоннельная обделка - постоянная несущая конструкция, воспринимающая внешние нагрузки, ограждающая подземную выработку и образующая внутреннюю поверхность подземного сооружения.
    На рис. 1.3 приведена обделка горного тоннеля, которая состоит из свода 1, стен 2 и обратного свода 3. Обратный свод сооружается только при большом боковом давлении грунтов или наличии пучения глинистых грунтов с давлением снизу вверх.


6

    Портал тоннеля - архитектурно оформленный вход и выход из тоннеля. В горном тоннеле портал является поперечной подпорной стеной, удерживающей от сползания грунт лобового откоса предпортальной выемки. В глубоких выемках он сочетается с продольными подпорными стенами.
     Рампа - сооружение, служащее для перехода транспортных средств с проезжей части на поверхности земли в тоннель и наоборот.



Рис. 1.3. Элементы поперечного сечения тоннеля:
1 - верхний свод тоннельной обделки; 2 - ее стены; 3 - обратный свод обделки; 4 - вентиляционные каналы (вытяжной (-) и нагнетательный (+));
5 - проезжая часть; 6 - контур тоннельной выработки

1.3. Технико-экономическая целесообразность строительства транспортных тоннелей

    Строительство транспортных тоннелей представляет большие трудности, чем строительство наземных сооружений. Поэтому необходимость в их строительстве должна быть тщательно обоснована. Выбор вариантов трассы тоннелей и комплекса сооружений тоннельных переходов осуществляется на основе сравнения с вариантами трасс и комплексов сооружений мостовых переходов (для подводных тоннелей) и вариантов трасс обходов барьерных мест (препятствий) в плане и в профиле препятствия (для горных и городских тоннелей).
    В процессе проведения трассы автомобильных и железных дорог встречаются природные препятствия, которые необходимо преодолеть. Они делятся на высотные и контурные.
    К высотным препятствиям относят холмы, горные хребты и водоразделы. При трассировании железной или автомобильной дороги возможны три решения преодоления этого препятствия:
    1. Обход высотного препятствия.



7

    В этом случае значительно удлиняется трасса и увеличиваются уклоны, что приводит к ухудшению эксплуатационных показателей.
    2.     Развитие трассы с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки.
    Длина дороги получается меньшей, чем в первом случае, но возрастает потребность в применении больших уклонов; возникает необходимость в защите высоко расположенных участков линии от снежных заносов, лавин и обвалов путем устройства галерей и других инженерных сооружений.
    3.     Сооружение тоннеля, соединяющего склоны высотного препятствия (рис. 1.4).
    При выборе этого варианта значительно сокращается длина дороги и уменьшаются уклоны, ликвидируются излишние повороты, улучшается комфортность движения и эксплуатационные показатели. Однако сооружение тоннеля, особенно расположенного в подошве высотного препятствия и имеющего в связи с этим большую длину, вызывает значительное увеличение сроков строительства и капитальных затрат.

Рис. 1.4. Преодоление высотного препятствия

    Поэтому выбор трассы пути сообщения производят на основании техникоэкономического сравнения вариантов.
    К контурным препятствиям относят участки оползней, карстов, осыпей, лавин и снежных заносов, реки, озера, болота, а также населенные пункты. Оползни и осыпи угрожают стабильности земляного полотна и безопасности движения.
    Для преодоления этих препятствий можно рассмотреть следующие варианты:
    1. Обход контурных препятствий.
    Это удлиняет трассу и увеличивает эксплуатационные расходы.
    Поэтому в некоторых случаях может быть экономически целесообразно не обходить препятствие, а преодолеть его при помощи специальных сооружений -эстакад или тоннелей.
    2. На эстакаде возможно расположить пути при оползнях малой мощности.

8

    3.      Однако при мощных (более 5 м) оползнях и наличии глубоких потоков подземных вод наиболее правильным решением задачи часто является перенос трассы вглубь горного массива - за пределы оползневой зоны (рис. 1.5). Это же решение может оказаться целесообразным при наличии в районе трассы мощных осыпей, возникающих на скальных косогорах (круче 30-35°), сложенных из трещиноватых выветрелых грунтов.
    Защита пути от снежных лавин и заносов потребует больших эксплуатационных расходов и серьезных инженерных мероприятий вплоть до устройства на опасных участках галерей из бетона или железобетона.
    4.      Тоннель, расположенный вне зоны, опасной в отношении лавин и заносов, в этом случае обеспечит бесперебойность и безопасность движения, а так
же уменьшит эксплуатационные расходы.

Рис. 1.5. Преодоление участков оползней, осыпей и снегозаносимости

    При преодолении водных препятствий необходимо сделать выбор между мостом и тоннелем (рис. 1.6).
    В сравнении с мостовым переходом тоннельное пересечение имеет следующие преимущества:
      -  отсутствие помех судоходству;
      -  защищенность от ветра, атмосферных осадков, льда, волн при пересечении крупных рек и проливов;
      -  меньшая длина пересечения при высоком габарите судов и широкой пойме;
      -  удобство подходов к пересечению в городских условиях;
      -  нет нарушения бытового режима водоемов.

9

Рис. 1.6. Преодоление водного препятствия

    Однако тоннельное решение имеет ряд недостатков:
      -  необходима постоянная вентиляция, без которой часто невозможна эксплуатация подводного тоннеля;
      -  срок сооружения тоннеля, как правило, больше, чем срок сооружения моста;
      -  стоимость тоннельного пересечения может быть выше стоимости мостового перехода, так как для сооружения тоннеля необходимо выполнить больший объем земляных работ, чем при сооружении моста.
    Однако следует иметь в виду, что с увеличением ширины водного препятствия стоимость 1 пог. м моста увеличивается, а стоимость 1 пог. м тоннеля уменьшается; с увеличением высоты моста возрастают объемы земляных работ на подходах.
    В отношении безопасности производства работ мостовой переход не имеет преимуществ по сравнению с тоннельным пересечением. Проходка подводных тоннелей герметическими щитами обеспечивает полную безопасность работ и гарантирует их своевременное выполнение, так как работы могут производиться в течение всего года независимо от сезона и климатических условий.
    Особенно возрастают преимущества тоннельного пересечения при сооружении тоннеля из крупных секций, изготовляемых на берегу и опускаемых в котлован, устраиваемый по оси пересечения подводным землечерпанием.
    При преодолении морских проливов тоннельные переходы вообще не сравнимы с мостовыми. Построить мост протяженностью в 54 км (длина подводного тоннеля Сейкан, построенного в 1993 г.) или в 52 км (длина тоннеля под проливом Ла-Манш, построенного в 1994 г.) чрезвычайно трудно. Большие трудности возникнут при эксплуатации такого моста.
    Выбор между мостовым переходом и тоннельным пересечением делают на основании технико-экономического сравнения с учетом современных технологий строительства тоннелей.
    В некоторых случаях при пересечении крупных водных препятствий целесообразно сооружение комбинированных тоннельно-мостовых переходов, состоящих из мостов низкого уровня и подводного тоннеля на судоходном участке.

10