Как делают туннели под реками. Как это сделано, как это работает, как это устроено

Самой трудной частью строительства дороги-дублёра Курортного проспекта в Сочи являются тоннели, которые приходится строить в горах в сложных геологических условиях. Фактически от того, как быстро будут проложены тоннели, зависят сроки сдачи дороги в эксплуатацию. Если учесть, что эта дорога хоть и не входит официально в олимпийскую стройку, но является олимпийским объектом, необходимость уложиться в сроки становится вопросом первоочередной важности. Поэтому для того, чтобы сдать все объекты в срок, корпорация «Трансстрой», которая занимается строительством тоннелей на второй и третьей очередях дороги-дублёра, успешно применяет новый метод проходки. О ходе работ в тоннелях дороги-дублёра и применении этой уникальной для России технологии «Эксперту ЮГ» рассказал руководитель сочинского филиала Корпорации«Трансстрой»Александр Суханов .

- Какими объектами на дороге - дублёре занимается корпорация ?

По нашему контракту мы строим четыре тоннеля. Каждое направление движения - это отдельный тоннель, то есть фактически тоннелей восемь. Проходку некоторых ведём с двух сторон. Длина тоннелей - от 650 до 1560 метров. Хочу отметить, что тоннели считаются одними из самых сложных сооружений в строительстве.

- На какой стадии находятся сейчас работы ?

В тоннелях номер три (657 и 677 метров) с севера построили 477 и 161 метр верхнего уступа. С юга готовим площадку, проходку начнём в июне. На тоннелях номер четыре (668 и 669 метров) с юга прошли в одном направлении 82 метра - опять же верхнего уступа, в июне начнём проходку с севера. На тоннелях номер семь (их длина 804 и 824 метра) с севера пройдено 270 и 60 метров, с юга - по 230 метров в каждом.

В тоннелях номер восемь на южном портале сделано 160 и 84 метра, из которых 100 метров уже полностью готовы - выполнена железобетонная конструкция тоннелей. А вот с северного портала мы зайти пока не можем - не решены некоторые технические вопросы проекта.

- А проблем со сроками в связи с этим не возникает ?

На старте был ряд организационных вопросов, которые тормозили начало строительства - это трудности с отводом земли и предоставлением строительной площадки, длительный процесс пересмотра технических решений и прочее. Все эти проблемы находились не в нашей компетенции, ускорить процесс мы не могли. К примеру, выйти на площадку и начать подготовительные работы по самому протяжённому тоннелю номер восемь мы сумели лишь в августе прошлого года. Мобилизовали технику, провели комплекс мер по укреплению стены портала входа в тоннель, а непосредственно саму проходку начали 1 января 2012 года. До сих пор остаётся открытым организационный вопрос выделения строительной площадки на северном портале восьмого тоннеля. Не решены вопросы землеотвода на тоннелях четыре и семь.

Не по своей вине потеряв много времени, мы сегодня наверстываем упущенное. Ведь это олимпийская автомагистраль, сроки сдачи которой нельзя существенно сдвинуть. Поэтому вопрос затрат времени на строительство - на первом месте. Сроки сдачи тоннелей являются определяющими - причём не только для работ, выполняемых нами, но и для всего дублёра.

Для ускорения мы предложили и использовали два инженерных подхода и решения.

Во-первых, чтобы не терять время и не зависеть от затянувшейся процедуры предоставления нам строительной площадки для ведения работ с фронта восьмого тоннеля, мы предложили войти в тоннель с середины, прорубив к нему штольню. Сделав вход-штольню, мы получили четыре тоннеля по 750 метров каждый вместо двух. Это оригинальное инженерное решение позволяет начать проходку тоннеля изнутри в разные стороны. Таким образом, только на одном тоннеле по двум шахтам у нас навстречу друг другу должно пойти восемь тоннельных комплексов. Это может в два раза увеличить скорость строительства. Нужна лишь воля и быстрое принятие организационного решения заказчиком- и мы нарастим мощности, начнём вести работы через штольню, в несколько раз увеличим скорость.

Во-вторых, мы использовали новейшую, уникальную для России технологию проходки, так называемый итальянский метод ADECO, что означает «Анализ и контроль деформации грунта». В нашей стране он применяется впервые, хотя широко распространён, например, в Италии и Швейцарии, где с его помощью построены многие тоннели. Внедрять метод и использовать его стали с южного портала - всё того же самого длинного восьмого тоннеля. Сделали это достаточно быстро. На первых порах, конечно, столкнулись с некоторыми сложностями, но сегодня уже вышли на проектную мощность. Достигли темпов 1,3 метра готового тоннеля в сутки, то есть 40 метров в месяц. Обращаю внимание - это не просто скорость проходки уступом, а именно скорость строительства готового тоннеля. При этом изначально итальянцами была озвучена скорость в один метр в сутки, а мы идём сегодня со скоростью 1,3 метра. Впрочем, этот показатель поймут только тоннельщики. Здесь необходимо уточнение. Все тоннели, за одним исключением, мы ведём обычным, так называемым «новоавстрийским» методом, а вот восьмой тоннель - по новой, уникальной для России технологии.

- А в чём особенность нового метода проходки ?

Он позволяет проходить тоннель и разрабатывать грунт на полное сечение. До этого все тоннели в России строили двумя уступами. Так мы строим третий, четвёртый и седьмой тоннели. Сначала проходим верхнюю половину тоннеля, закрепляем её, монтируем все необходимые конструкции для удержания горной породы на этой половине забоя, а затем тоннель проходим ещё раз - разрабатываем нижнюю половину, опять закрепляем железобетонными конструкциями, и только после этого выполняем так называемую «обделку» тоннеля. По новому методу в тоннеле номер восемь мы работаем на полное сечение сразу, то есть тоннель проходится один раз и с регламентированным отставанием в 60 метров начинается бетонирование его обделки. Эти работы идут параллельно. Скорость, на которой мы сейчас работаем по восьмому тоннелю, - это скорость строительства уже готового тоннеля. Получается, что мы строим его почти в два раза быстрее, что также оказывается значительно экономичнее.

- А почему раньше не применяли метод разработки грунта на полное сечение ?

Раньше просто не было технологий, которые могли бы сдерживать горное давление внутри тоннеля. Теперь есть.

- А если не брать в расчёт фактор времени , насколько дорого обходится эта технология ?

- Безусловно, новое оборудование стоит недёшево, но Трансстрой готов вкладывать средства в современные технологии, и отдача следует незамедлительно: значительно снижены энергозатраты, за счёт более высоких темпов работ экономим на стоимости проживания персонала, есть экономия за счёт внедрения производственной системы. Но самое главное - повышается техническая культура производства, квалификация наших специалистов.

Быстрее, чем в Европе

- За счёт чего удаётся вести строительство тоннеля быстрее проектной мощности ?

Мы стараемся оптимизировать организационные приёмы, дорабатываем технологические элементы - всё в комплексе позволяет ускорить темпы строительства. Конечно, мы не вторгаемся в механическое устройство техники, а лишь улучшаем технологию, привносим что-то новое там, где нет строгого регламента. Например, мы придумали специальный технологический мостик, который позволяет вести проходку дальше и одновременно начинать облицовку тоннеля. Ведь если мы нижнюю часть бетонируем, то, по идее, уже не можем в течение трёх суток подъехать к забою. Разработанная нами конструкция очень проста. У итальянцев тоже есть такой мостик, но он более сложен технологически и требует постоянного опережения на большую длину - и работа у них идёт медленнее.

Мы не просто освоили метод, отработали его, но и усовершенствовали. Теперь, например, хотим пойти этим методом из штольни восьмого тоннеля в стороны - к югу и северу. Для этого готовы нарастить мощности. Сегодня только этот метод позволяет набрать необходимую скорость при проходке тоннелей на дублёре. Именно его использование является ключевым фактором, который позволит уложиться в директивные сроки строительства тоннелей на проекте. Сегодня необходимо скорейшее проектное решение по северному порталу восьмого тоннеля, и строительство можно завершить в заданные сроки.

В данный момент, без преувеличения, мы обладаем уникальным в России опытом и технологией тоннелестроения. Развивая итальянский метод, разрабатываем свою систему прокладки тоннеля под железнодорожными магистралями. Хотим предложить такой подход Москве. Но уверены, что и в Сочи есть проекты, где опыт и навыки компании станут востребованы. Транспортное строительство является высококонкурентной отраслью - приобретая и используя новые технологии строительства, проводя постоянную модернизацию производственных мощностей, мы сегодня вкладываемся в будущее, обеспечиваем себе уверенные рыночные позиции на завтра.

Этапы строительства метро:

Выбор места расположения

В первую очередь метро прокладывают в отдаленные районы столицы. При этом учитывается, сколько там проживает людей и сколько жилья построят в будущем, а также есть ли в районе промышленные предприятия, бизнес-кластеры и большие офисные центры, в которые ежедневно люди приезжают на работу. На выбор места для новой станции влияет и такой фактор, как заселенность соседних районов и даже Подмосковья. Зачастую станцию решают строить там, где движение автомобилей наиболее плотное.

Инженерные изыскания

На этом этапе происходит сбор сведений, необходимых для дальнейшей разработки технико-экономического обоснования проекта и рабочей документации на строительство. В состав инженерных изысканий для строительства метро должны входить геологические, геодезические, экологические и другие виды изысканий по необходимости.

Проектирование

На этом этапе определяются глубина заложения, типы конструкций и способ проходки подземных тоннелей, составляется проектно-сметная документация. Проще говоря, проектировщики определяют оптимальный «маршрут» подземной дороги и место заложения станции.

Проект готовится таким образом, чтобы строительство не повредило архитектурные памятники, здания на поверхности, парки и скверы и при этом стоило бюджету как можно меньше затрат. Если трасса тоннеля проходит вблизи уже существующих объектов, то при необходимости разрабатываются методы инженерной защиты этих сооружений от шума, вибраций и блуждающих токов, возникающих при строительстве и эксплуатации линий метрополитена.

Строительство

От того, какие объекты расположены на поверхности, главным образом зависит, как глубоко уйдет новая станция. Под уличными магистралями метро может «спрятаться » совсем на небольшой глубине - менее 20 метров. Это самый экономичный вариант, который выбран для большинства новых станций. Если сверху - жилые дома, то «спускаться» придется глубже.

Различают закрытый способ строительства, без вскрытия поверхности, и открытый способ, при котором тоннели и станции строятся, соответственно, в разрытых траншеях и котлованах и после засыпаются грунтом.

Закрытый способ применяется при строительстве линий глубокого заложения, станции мелкого заложения строятся преимущественно открытым способом.

Строительство «глубокого» метро начинается с прокладки шахтного ствола для клети (лифта), который будет доставлять метростроевцев и необходимое оборудование «на рабочее место». Площадку, которая вырывается вокруг ствола, можно сравнить с огромной лестничной клеткой. Отсюда начинается прокладка тоннеля. На той же клети после бурения ежедневно на поверхность вывозятся десятки тонн грунта.

Чем глубже станция, тем она дороже и требует больше ресурсов. В 2011 году в Москве было решено большинство новых станций прокладывать открытым способом. Достаточно выкопать котлован, установить бетонные конструкции, выполнить обратную засыпку и уже внутри полученного коридора укладывать пути. Это не только дешевле, но и гораздо быстрее, чем строить станции глубокого заложения.

Проходка и укрепление тоннелей осуществляется чугунными тюбингами или водонепроницаемыми железобетонными блоками обделки.

Монтаж эскалаторов

Параллельно с прокладкой тоннеля строится сама станция и система переходов, затем в метро прокладываются коммуникации и монтируются эскалаторы.

На станциях метро глубокого залегания эскалаторы устанавливаются в длинных наклонных тоннелях - выходах. Большая длина таких эскалаторов накладывает особые требования к прочности их конструкции и надежности тормозов.

При мелком заложении используются поэтажные эскалаторы. Что важно - все новые станции также оборудуются лифтами для людей с ограниченными физическими возможностями.

Внутреннее оформление

Столичный метрополитен по праву считается красивейшим в мире. В большинстве стран станции утилитарны и неотличимы одна от другой. Несмотря на то что теперь станции Московского метрополитена строятся по типовым проектам, для каждой из них разрабатывается свое, особенное архитектурное и дизайнерское решение.

Проекты дизайна строящихся станций московского метрополитена можно посмотреть .

Типовые проекты:

Для станций мелкого заложения используются три основных типа:

сводчатая станция, с открытой, без колонн, платформой;
двухпролетная с колоннами посередине платформы (для станций мелкого заложения);
трехпролетная (для станций мелкого заложения).

В центре Москвы, ввиду плотности исторической застройки, используется старый тип станций глубокого заложения двух видов - колонные и пилонные.

Технологии в помощь метростроевцам

Тоннелепроходческие комплексы

В 30-е годы первые станции московского метро строились вручную: киркой и лопатой. Сегодня же в арсенале метростроителей - передовые технологии. Для прокладки тоннелей метро используют полностью автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Наверное, ее можно сравнить со «стальным червем», который просверливает путь в толще породы, оставляя за собой готовый тоннель.

По легенде, изобретатель первого в мире «проходческого щита» англичанин Марк Брунель действительно придумал такую конструкцию после того, как пригляделся к «работе» обыкновенного корабельного червя, когда служил на флоте. Он заметил, что голова моллюска покрыта жесткой раковиной, с помощью зазубренных краев которой червь буравил дерево, оставляя за собой на стенках хода гладкий защитный слой извести.

Идея машины, которая в разы упростила прокладку тоннелей, оформилась в конструкцию в 1817 году, когда русский император Александр I обратился к Брунелю с просьбой спроектировать тоннель под Невой в Санкт-Петербурге. Правда, в России инженеру поработать так и не удалось - император в конечном итоге решил возвести в намеченном месте мост.

Тем не менее в 1818 году первый щит Брунеля был запатентован, а в 1825 году с его помощью началось строительство тоннеля под Темзой.

В первой машине грунт выбирали сразу 36 шахтеров, располагавшихся каждый в своей ячейке. После выемки грунта на несколько сантиметров щит сдвигали немного вперед. Это была непростая работа, учитывая постоянно просачивающуюся воду (дно реки располагалось всего в нескольких метрах выше сводов этого двойного тоннеля). Несколько наводнений в забое унесли жизни семи рабочих, а однажды чуть не погиб сын Брунеля. Более того, на подземной стройке не раз вспыхивал болотный газ. И всё же работа завершилась триумфом.

В первый же день после открытия удивительного сооружения через тоннель прошли 15 тысяч человек. С тех пор Великобритания заслуженно считается пионером щитовой проходки, а сам щитовой метод в специальной литературе получил название «лондонский».

В нашей стране в метростроении проходческий щит был впервые использован в 1934 году для проходки сложного участка первой очереди московского метро между Театральной площадью и Лубянкой. А при строительстве второй очереди московского метро на трассах одновременно уже работало 42 щита - рекорд по объему используемой техники. С тех пор по этой технологии сооружено более 70% метротоннелей столицы.

На первых щитах, как уже отмечалось, грунт выбирался рабочими вручную с помощью отбойного молотка и удалялся через уже построенный тоннель на вагонетках. Для движения щита вперед использовались винтовые домкраты, которые упирались в готовый участок тоннельной обделки и толкали машину вперед.

Размеры тоннелей росли, совершенствовалась и конструкция «червя»: в передней его части появились горизонтальные площадки, которые позволили рабочим разрабатывать грунт одновременно с двух (а иногда и более) ярусов. Однако из-за большого количества ручного труда и частых аварий скорость проходки оставляла желать лучшего.

Значительно ускорило процесс использование сборной обделки из крупных элементов - первоначально - чугунных тюбингов. Гигантские кольца, формирующие тоннели, стали собирать из нескольких элементов.

Следующим этапом «эволюции» тоннелепроходческих комплексов стала разработка конструкций с так называемым «грунтопригрузом». При работе такого щита порода подается сначала в герметичную камеру, из которой грунт по принципу «мясорубки» удаляется с помощью шнекового конвейера.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях, и современные щиты рассчитаны на проходку тоннелей в различных грунтах, в том числе и в неустойчивых. Комплексы работают в два цикла: сначала разрабатывают грунт, затем возводят обделку, производя монтаж блоков. Средняя скорость «проходки» щитов сегодня - 250 - 300 м в месяц, средняя стоимость - 13 - 15 млн евро.

Московские строители первыми в мире с помощью тоннелепроходческих щитов стали прокладывать наклонные тоннели для эскалаторных зон . По заказу Мосметростроя канадская фирма Lovat разработала и изготовила тоннелепроходческий комплекс с наружным диаметром 11 м. Именно с его использованием столичные метростроевцы впервые совершили щитовую проходку тоннеля для эскалаторов. Это произошло на станции «Марьина роща» Люблинско-Дмитровской линии метро.

Кстати, будни метростроителей вовсе не лишены романтики: когда-то Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы-изготовителя тоннелепроходческих щитов LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары. С его легкой руки родилась традиция - присваивать щитам женские имена. Вот почему в Москве трудятся машины с именами «Клавдия», «Катюша», «Полина» и «Ольга».

Решение геологических проблем

Самый коварный враг проходчиков подземных шахт - это плывуны: массы почти пылеобразного песка с примесью 10 - 15% глины, как губка пропитанного водой.

Еще в 30-е годы прошлого века, когда в столице строилось первое метро, метростроители столкнулись с очень непростыми гидрогеологическими условиями. Тогда же была применена система против обрушения грунта и других типичных проблем, угрожающих тоннелям, которая по сей день считается одной из самых продуманных и надежных. Речь идет о заморозке грунта, основанной на простой, но эффективной системе.

Различают несколько способов замораживания, старейший из них - так называемый «рассольный» .

Он состоит в том, что место работ отгораживается от общей массы водоносного грунта стеной из мерзлоты. Замороженный грунт в метр-два толщиной при температуре -12 градусов практически выдерживает любое давление горных пород и прекрасно противостоит проникновению грунтовых вод. Как же заставить холод спуститься под землю? Это получается с помощью искусственных приспособлений из специальных холодильных машин.

Холодильная машина основана на том, что хладагент (жидкий аммиак, фреон и т.д.), который из цистерн пускают в подготовленные замораживающие колонки, при своем испарении отбирает у окружающей среды теплоту. Его пары вновь сжижаются с помощью компрессора и конденсатора, а холод, образовавшийся в испарителе, идет на охлаждение незамерзающего рабочего рассола хлористого кальция. Рассол при температуре -25 градусов поступает в охлаждающую систему. Для ее установки по контуру выработки пробуриваются скважины диаметром 150 - 200 миллиметров на расстоянии одного метра друг от друга. В скважины опускаются замораживающие колонки, состоящие из двойных труб. Замораживающий рассол поступает по средней трубе, а по наружной трубе после естественного нагрева в грунте возвращается в холодильную машину. Таким образом, циркуляция рассола происходит непрерывно.

Примерно через месяц работы холодильной машины грунт вокруг отдельных замораживающих колонок смерзается в монолитную массу, защищающую место выработки от проникновения грунтовых вод и осыпания стенок. Теперь холодильная машина должна лишь поддерживать кольцо мерзлоты до тех пор, пока не будут произведены выработка и закрепление ее стенок.

Более современный способ - низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота . Он представляет собой бесцветную жидкость, температура испарения которой очень низка (при атмосферном давлении она равна -195,8 о С).

Получают жидкий азот на специальных заводах путем сжижения атмосферного воздуха при низких температурах и последующего разделения его на жидкий азот и кислород, имеющие разные температуры испарения. Жидкий азот транспортируют в специальных емкостях (танках).

В отличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).

Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод. На замораживание 1 м 3 грунта с содержанием воды до 30% расходуется 1000 л жидкого азота. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен и нетоксичен.

Однако оба этих способа в последнее время применяются достаточно редко. Жидкий азот - удовольствие неоправданно дорогое, к тому же на «схватку» грунта уходит более месяца. Поэтому заморозка сегодня используется лишь при проходке наклонных эскалаторных тоннелей.

Для прочих случаев есть более совершенная и достаточно экономичная альтернатива - технология струйной цементации грунтов, или jet grouting . Это метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора. В результате струйной цементации грунта в нем образуются цилиндрические колонны диаметром 600 - 2000 мм.

Технология появилась практически одновременно в трех странах - Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия она мгновенно распространилась по всему миру.

Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором в режиме mix-in-place (перемешивание на месте). В результате в грунтовом массиве формируются сваи из нового материала - грунтобетона - с достаточно высокими несущими и противофильтрационными характеристиками.

Устройство свай из грунтобетона выполняется в два этапа: производство прямого (бурение скважины) и обратного хода буровой колонны. В процессе обратного хода производят подъем колонны с одновременным ее вращением.

С помощью jet grouting получают очень прочный котлован, строят надежные основания под любые строения. В шахматном порядке создают свайное поле, одна свая перекрывает другую, и получается монолит - скала. И на ней можно строить что угодно. Эта технология особенно эффективна, когда приходится возводить объекты в песчаном грунте, в мягкопластичной глине или в других мягких грунтах.

Благодаря этим технологиям сегодня метростроевцы могут работать в самых сложных геологических условиях, прокладывая тоннели, которые приводят метро в новые районы столицы.

«Драгоценные » инструменты

Не обошлось в метростроении и без нанотехнологий. Сегодня строители могут использовать инновационные инструменты - алмазные рабочие сверла, фрезы и жала .

Изначально это ноу-хау использовалось для сверления железобетонов и других строительных материалов и оказалось настолько удобным, что стало использоваться для сложных горнопроходческих работ в скальном грунте. Она значительно повышает уровень безопасности работ и скорость проходки - строительство ускоряется буквально в разы. Интересно, что стоимость "алмазного" оборудования не намного выше обычного - разница в цене составляет всего 10 - 15%.

Традиционные морально устаревшие инструменты не в состоянии обеспечить такое количество технологических преимуществ. Так, алмазное сверло может делать отверстия в любой плоскости и под любым углом, при помощи контурного метода можно получить правильные прямоугольные отверстия любой нужной величины, при этом получается идеальный контур. "Драгоценные" инструменты позволяют работать в самых узких и тесных пространствах, им под силу материал любой твердости. Что немаловажно - метод бесшумен и экологичен.

В начале 20-го века в связи с увеличением автомобильного, железнодорожного и прочих видов транспорта встал вопрос о снижении трафика и создании дополнительных транспортных развязок. В это время началось интенсивное строительство транспортных тоннелей: Московского, Петербурского, Нижегородского метрополитена и множества мелких наземных, подземных сооружений.

Технология строительства транспортных тоннелей

Тоннели - это наиболее сложный вид дорожного строительства. Для реализации проекта необходимы геологи, геодезисты, проектировщики, дорогостоящие машины и оборудование, квалифицированные рабочие.

Выбор способа строительства, глубины, длины зависит от климатических, топографических и геологических условий местности. Подземная дорога может пересекать любые труднопроходимые отрезки пути. Тоннели стоят сквозь непреодолимые препятствия рельефной местности, под водой, где мосты мешали бы судоходству, под городскими постройками (метрополитен), в скальных грунтах.

Строительство транспортных тоннелей производится открытым и закрытым способом. Иногда два способа комбинируются.

Открытый способ

Этот способ применяется для неглубокого залегания тоннеля на глубине 10-15 м. Он более дешевый и менее трудоемкий, чем закрытый способ. Технология предусматривает рытье котлована, укрепление стенок и обратную засыпку. Кроме основных работ по строительству также необходимо переносить существующие инженерные коммуникации, укреплять грунты над проходкой.

Существует несколько распространенных методов. В их число входит:

Котлованный метод. Наименее трудоемкий способ, который обеспечивает самые благоприятные условия для затвердения бетона, укладки гидроизоляции. Согласно технологии на всю длину тоннеля откапывается котлован, по дну котлована шагом 1-2 м забиваются сваи. Стены котлована оставляют под углом естественного откоса без крепления (если позволяет местность) или укрепляют вертикально временной крепью. Стандартным способом возводится обделка, а затем вся конструкция засыпается грунтом. Возможна укладка готовых монолитных конструкций на всю длину тоннеля. Метод использовался в метростроении Берлина, поэтому иногда его называют «берлинским».
Щитовой метод. При возведении тоннеля применяется передвижной щит с механизмами для разработки грунта и без. В последнем случае разработка ведется вручную, а оборудование выполняет функцию рабочих подмостей и двигающейся крепи. Механизм представляет собою чаще всего цилиндрический корпус, под защитой которого ведутся работы. Форма щита соответствует будущему поперечному сечению тоннеля.
Траншейный метод. Он заключается в рытье проходки по частям. Для вертикальных стен используют метод «стена в грунте». Его суть заключается в том, что до начала работ по периметру будущего поземного сооружения выбуривают небольшие траншеи шириной 0,4-1 м, длиной до водоупора. Пустоты траншей заполняются раствором глины, что укрепляет стенки. В процессе возведения крепи глинистый раствор заменяется монолитным или сборными железобетонными конструкциями.

В случае сильно обводненных грунтов, трещиноватых скальных грунтов, песчано-глинистой почвы и прочих неустойчивых геологических условий применяются специальное укрепление грунтов. К числу укрепления относят: водопонижение, замораживание грунта, цементация скальных пород, химическое закрепление, метод сжатого воздуха, пр.

Закрытый способ

Закрытый способ более трудоемкий и опасный. При этом способе бурение производятся на глубине от 20м, при невозможности проведения работ открытым способом - на мелком залегании проходки 10-15м. Строительство ведется одновременно на нескольких отрезках будущей проходки, что ускоряет сдачу в эксплуатацию. Разработку грунта, обделку ведут краев от каждого ствола до встречи к соседним стволам, т.е. до сбойки отдельных участков.

Метод предусматривает создание выработки - искусственной пустоты в земле, укрепление стенок рошпанами (поперечиной, соединяющей рамы), гидроизоляционные работы. После прокладки тоннеля его внутренние стены обшивают чугуном, сталью или укрепляют железобетоном, бетоном.

Для ведения проходческих работ в зависимости от размера тоннеля, инженерных условий используются различные методы:

Щитовой метод. Согласно технологии используется передвижной щит механизированного или немеханизированного типа выемки грунта. Не механизированный метод менее продуктивен и используется в тоннелях длиной до 1-1,5 км.

В процессе обустройства подземного сооружения производится механическая выемка грунта, разработанный грунт попадает на ротор с резцами, потом на конвейер и транспортируется на вагонетки. Скорость механизированной проходки составляет до 1200 м за месяц. В агрессивных и неустойчивых средах используются щиты с активным пригрузом. Во время работы укрепляется тоннельная обделка. Она может быть выполнена с помощью подачи бетона, сжатого воздуха, уплотнения грунта. Активный пригруз создается в призабойной зоне.

Справка. Первый проходческий щит был спроектирован в 1825 г. при сооружении метрополитена под Темзой. Его создал Марк Брюнель, когда наблюдал за корабельным червем. Изобретатель заметил, что голова червя была покрыта панцирем. С помощью зазубренной челюсти он буравил дерево. Углубляясь, червь оставлял за собой на стенках хода защитный слой извести.

Метод сплошного забоя. Разработка грунта производится сразу на полное сечение проходки, по стенам крепится деревометаллическое крепление для временной защиты на время обустройства тоннельной обделки.
Горный метод , основанный на последовательной выемке грунта частями с установкой крепежей из дерева. Под защитой крепежа также обустраивается обделка тоннеля.

В зависимости от существующей грунтовой породы выбирают ту или иную технологию.

Методы строительства транспортных тоннелей для устойчивых скальных и среднекрепких грунтов:

Горный метод с использованием буровзрывной техники. Забой бурится шпурами с взрывчатым веществом. После взрыва разрушенная порода транспортируется на поверхность. Устраивается временная крепь, поверх которой наносится слой из стальной арки и железобетонная или бетонная обделка.
Комбайновый метод. Он отличается способом разработки грунта. Выемка производится частично специальными комбайнами с различными типами ножей для дробления.
Новоавстрийский метод. Наиболее экономичный и распространенный метод, отличающийся низкой материалоемкостью. Он широко применим для городских тоннелей местного заложения. После создания проходки идет работа с образованием временной крепи на прилегающей грунтовой массе: укрепление анкерами в шахматном порядке, армирование. Основную нагрузку принимает на себя грунтовый массив. При этом постоянную обделку (нанесение внутреннего слоя бетона набрызгом толщ 10-35 см, и нанесение наружного слоя бетона толщ. 5-15 см) можно начинать на значительном удалении от забоя после того, как исчерпала себя временная крепь. Бетонные работы организовываются сразу по всей площади сечения тоннеля.

В слабых обводненных, агрессивных средах применим:

Щитовой метод с использованием пригруза в зоне забоя.
Применение сжатого воздуха, замораживание, обетонирование грунтов, откачивание подземных вод в районе проходки.

Для неустойчивых, подверженных пучению, сильнотрещиноватых грунтов используется:

Щитовой способ с использованием механизированной выгрузки грунта.
Новоавстрийский метод с использованием податливого свода.

В горах наиболее распространен горный метод с применением буровзрыных работ, проходческих машин в щитах. Под водой используют опускные или щитовые секции. В черте города наиболее приемлемый открытый способ. В нестандартных условиях применяют способ продавливания проходки, закрепление химическими реагентами или водопонижение, замораживание грунтов.

Обделки автотранспортных тоннелей выполняют из металла (чугун, сталь) или монолита (железобетон, бетон). Сводчатые очертания - чаще всего из набрызг-бетона или бетонирования в опалубках. Круговые обделки стыкуют из отдельных металлических или железобетонных элементов ребристого или сплошного сечения. Прямоугольные обделки обустраивают в виде рамных конструкций из сборного или монолитного железобетона. Для наземных тоннелей в месте начальных и конечных порталов обустраивают ограждающие и несущие подпорные стены, архитектурно оформляют их. Подводные автодорожные и городские тоннели в большинстве случае проектируют в виде рампоконструкций переменной высоты.

Характеристика транспортных тоннелей

Основные технические характеристики транспортных тоннелей:

размер продольного профиля, протяженность;
количество полос движения (2,3, 4, 7, 6, 8);
угол уклона (от 3 до 40‰, крайне редко до 60‰);
форма поперечного сечения проходки (круговое, сводчатое, прямоугольное);
траектория движения на участке (прямая, криволинейная с минимальным радиусом кривизны 250-400м);
глубина залегания (неглубокая до 10м, глубокая свыше 10-12м).

Размер и форма выбирается согласно ГОСТ 24451-80 с учетом используемых механизмов, размещения эксплуатационных устройств, приближения строений.

Инженерные системы в тоннелях

Каждый тоннель для бесперебойной и безопасной работы проектируется с инженерными системами. Это:

приточная и вытяжная вентиляции, дымоудаление;
газоанализатор;
электроосвещение; управление электроосвещением;
пожарная защита;
дренажная насосная станция для водоудаления;
противогололедная система;
система безопасности и управления дорожным движением;
обмен данными через оптоволоконный кабель от контроллера до диспетчерского пункта.

Современные системы проектируются автоматизированными. Они могут управляться дистанционно и ручными методами.

Кроме того, по правилам техники безопасности в стенах тоннелей строятся ниши под оборудование пожарной защиты, сигнализации, электрощитовые, через каждые 100 м делают эвакуационные выходы.

Справка. Воздухообмен тоннелей достигает несколько тысяч м3 за секунду. Например, в автотоннеле Сен-Готард приток воздуха 2150 м3/сек, что приравнивается к пересечению тоннеля 1850 машин за час.

Самые длинные и глубокие тоннели

Самым длинным туннелем в мире считается Делавэрский акведук, который расположен в штате Нью-Йорк США и построен в 1945 г. Его длина составляет 137 000 м. Это основной водопроводный тоннель штата, который пробурен через скальные породы.

Готардский тоннель, Швейцария (57 091 м) – самый длинный автотранспортный тоннель в мире. С северного конца он выходит возле деревушки Эрстфельд, а южный выход расположен возле поселка Бодио. Благодаря новой транспортной ветке время пребывания в пути от Цюриха до Милана сократилось на 1 час. Он представляет собой 2 параллельные линии для двухстороннего движения, соединенные галереями. Открыт в 2016 г.

Самый длинный метрополитен в мире Гуанчжоу, построенный в Китае в 2010г. Его протяженность – 60 400 м.

В России самая протяженная подземная дорога – это Московский метрополитен. Его длина составляет 37800 м. Он считался самым длинным метро в мире с 1978 по 1984 г., с 1990 по 1995 г..

Эйксуннский автодорожный тоннель считается самым глубоким в мире. Он проходит по дну Стурь-фьорда в норвежской провинции Мёре-ог-Румсдал, соединяет города Эйксунн и Рьянес Тоннель уходит в глубину на 287 м.

Железнодорожные тоннели часто используют, когда нужно спрятать места, которые делаю макет нереалистичным. Вы, наверное, заметили, что предоставленные макеты имеют тоннели, чтобы скрыть крутые путевые повороты, которые кажутся нереальными. Тоннели часто используют как границу между макетом и станционным парком. Даже своим собственным видом они могут вызвать необходимый интерес и привлекательность к вашему макету, за достаточно низкую плату.

Обратите внимание.

В реальной жизни тоннели были и есть дорогими для строительства, достаточно часто выемка эксплуатируется до тех пор, пока не построят тоннель.
Старые паровозы выпускали много пара и дыма, по этому, иногда строили вентиляционные шахты в тоннелях для вытяжки дыма, по той самой причине строились тоннели, которые били намного выше движения поездов которые проходили по ним, опять-таки для того, чтобы дым смог выйти наружу.

Порталы тоннеля.

Там где железная дорога (или дорога) входит в тоннель, есть опорная конструкция, которая поддерживает грунт и утёс, это называется портал тоннеля.

Если вы хотите, чтобы у вашей модельной железной дороги был тоннель, то это неплохая идея, сначала решите каким способом вы будете его строить. То ли вы его построите с ноля, соберёте из готовых деталей или приобретёте уже готовый для использования.

Если вы планируете прокладывать свой собственный маршрут из деталей, здесь есть шаблонные листы, которые вы можете загрузить, сделать копии и вырезать для сооружения портала двухпутного туннеля масштабом как ОО, так и N.

Вы имеете возможность приобрести детали для конструирования портала тоннеля таких брендов как Scalescenes и M etcalfe .

Тоннели в масштабе ОО

(Ниже описано, как я делал свои железнодорожные тоннели)

Инструкция: С самого начала, я запланировал построить тоннель на моем макете. Угол, который я выбрал для застройки тоннеля, имел самый остроугольный изгиб, который выглядел слишком остроконечным, для главной линии по которой передвигались поезда-экспрессы.

У меня действительно были серьёзные проблемы, имея три входящие пути (объединённые в 2 пути) и два выходящих. Это означало, что покупка стандартных концов тоннеля невозможна, поэтому, необходимо было строить собственные.

После того, когда я определил местоположение концов тоннеля, я сделал несколько образцов тоннеля (картонные образцы больше всего подходят) чтобы проверить габариты подвижного состава моих самых длинных и самых высоких поездов (самым высоким является поезд класса 90 вместе пантографом) на всех линиях.

Образцы тоннеля были, затем, перемещены на доску 5 мм толщиной, на ней я обвел форму тоннеля. Лобзиком я вырезал два образца концов тоннеля и отшлифовал их, чтобы убрать дефекты среза. Потом они устанавливаются на макет для того, чтобы проверить подходит ли к габариту подвижного состава.

Для покрытия тоннеля я решил использовать доску толщиной больше чем 5 мм. Сначала я положил лист картона на концы, а затем отметил те места, где были входы. Потом я снял картон и ориентировочно обозначилнесколько линий, для придания желаемой формы. Затем я вырезал эту форму моим лобзиком.

Крыша тоннеля прикреплена к входам планочками 2 X 1 (см). Планочки 2 X 1 (см) сначала привинчиваются к верхним частям тоннельных порталов, которые потом служат опорой для платформы, а затем фиксируется (привинчивается) верхняя часть доски. Дополнительная деревянная планка 2 X 1 привинчивается в дальнем углу тоннеля для поддержки задней стороны.

Покрытие: Для заполнения сторон тоннеля я решил использовать некоторые остатки проволочной сетки и метод папье-маше. Сетка была вырезана необходимой формы, а затем шурупами прикреплена к верхней части тоннеля (смотрите фото ниже). Добавим клей чтобы, перестраховаться в том, что проволока не оторвется.

Проволочная сетка в основном использовалась как опора для папье-маше.

Метод папье-маше: Папье-маше - простой и дешёвый способ для создания топографического (холм) пейзажа. Папье-маше просто делается с помощью нескольких слоёв полос газет, которые были пропитаны раствором ПВА и воды. При наращивании слоёв путем наложения полос (лучше всего менять направления полос) вы сможете возвести прочную массу бумаги и клея, которая становится заострённой при высыхании. Проволока, которую я использовал, усилит прочность пласта.

Тоннели в масштабе N

На своём макете я решил использовать тоннель, чтобы замаскировать острые углы и скрыть то, что монтажная схема пути имеют петлевую форму.

Для моего тоннельного канала я предпочёл купить несколько уже готовых деталей, которые я могу установить на мой подготовленный макет, а затем покрасить для придания им реализма. Тоннели, которые я использовал в данной ситуации, являются двухпутными, размером N .

Обычно на макете можно увидеть четырёхдюймовый вход в тоннель, из-за этого я выбрал 5 дюймовый вход в тоннель с трубой. Я сразу понял, что трубка, от туалетной бумаги срезанная по длине примерно на 7 мм, идеально подойдёт по размеру устья тоннеля, и кроме всего прочего, она была уже изогнута.

После того, как я прочел комментарий на форуме о том, как делают темные тоннели, у меня возникла идея, сделать бумагу с рисунком кирпичной стены для того чтобы затемнить тоннель. Я аккуратно подрезал ее по размеру и приклеил к внутренней стороне тоннеля клей-карандашом. Я приклеил туалетную трубку с этой бумагой к порталу тоннеля суперклеем.

Следующим шагом была установка его на мой макет. Я осторожно установил его и протестировал его с помощью нескольких вагонов, чтобы убедиться, что ни один из них не будет задевать внутренние стороны тоннеля. Все прошло хорошо, и я установил его с помощью термопистолета, но ядумаю, что почти любой клей подойдет.

Сейчас тоннель готов для создания прочного искусственного ландшафта.

Перевод Hornby UА

Щит «Лилия» работает за двоих — строит тоннель сразу для двух путей. Эта машина и крупнее, и быстрее своих «сестёр», тоже носящих женские имена: «Альмира», «Ольга», «Светлана», «Виктория», «Анастасия»... Современная техника, конечно, не чета кирке и лопате, которыми строились первые станции московской подземки в 1930-е годы.

Её вес превышает 1600 тонн, обхват «талии» — больше 10 метров, а «рост» — 66 метров. Эта «дама»-гигант носит имя Лилия, которое скорее напоминает о цветке или хрупкой женщине, но никак не о железной машине. «Лилия» прокладывает тоннели для метро. Один такой тоннелепроходческий механизированный комплекс, или щит, как его называют строители, может заменить два шестиметровых. В преддверии 2017 года Лилия начала проходку тоннеля между станциями «Косино» и «Юго-Восточная» .

Метростроевцы считают это событие знаковым. Комплекс для Москвы уникален: он превосходит остальные не только размерами, но и умениями. «Лилия» прокладывает , по которому в разные стороны пойдут сразу два поезда. Её главное преимущество — скорость. Если стандартный шестиметровый щит проходит около 250 погонных метров в месяц, то «Лилия» — 350-400.

Мощные машины с «хрупкими» именами

По традиции тоннелепроходческим комплексам дают женские имена. Этот обычай появился с лёгкой руки Ричарда Ловата — основателя всемирно известной фирмы LOVAT. Он решил, что щиты его компании будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары . И сегодня тяжёлую мужскую работу в метро выполняют «Алана», «Наталия», «Клавдия», «Ольга», «Ева», «Светлана», «Виктория», «Полина» и другие «дамы».

В среднем расстояние между станциями — 2-2,5 километра. Поезд проходит их за три минуты, а тоннелепроходческий комплекс преодолевает за сутки 12 метров. Пройти при строительстве тоннеля 350 метров в месяц — хороший показатель. Несмотря на сложные геологические условия, некоторые «леди» справляются быстрее. Например, «Татьяна» прошла больше 2,8 километра пути , соединив станции «Очаково» и «Мичуринский проспект» правым перегонным тоннелем.

Навигационная электроника и комната отдыха в железном «черве»

Щит привозят на стройплощадку по частям и собирают уже на месте в специальном котловане, который строители называют монтажной камерой. Её размер не меньше футбольного поля — 60 на 70 метров. Она будет началом нового тоннеля. Машина закончит свой путь в такой же камере, но с другим названием — демонтажная. Там её разберут и увезут на строительство нового тоннеля.

Длина щита, похожего на червя, может достигать 100 метров. Головная часть — это режущий механизм, который называется ротором. На нём — специальные резцы. Они буквально вгрызаются в породу, прокладывая путь. Сразу за ротором находится привод, который запускает режущий механизм.

В щите обязательно есть закрытая ёмкость для цементного раствора, заполняющего пустоты между тюбингами и грунтом. А ещё — кессонная камера, домкраты, кабина оператора проходческого комплекса и даже комната для отдыха строителей. Последняя тоже не лишняя, потому что работа идёт круглосуточно. Рабочие трудятся в три смены; в сутки один щит обслуживают около 30 человек.

Комплекс прокладывает путь с помощью точнейшей навигационной электроники. Машинист щита постоянно сверяет координаты маршрута, ведь проходческий комплекс может отклониться от заданных параметров не больше чем на восемь миллиметров. Для каждого механизма составляют график, чтобы знать, где он заканчивает проходку, когда перейдёт на следующий этап.

Будущее пространство тоннеля формируют тюбинги — бетонные блоки. Когда он готов, строители укладывают рельсы и подводят инженерные сети. Куда же складывают грунт? Он поступает в специальные карманы щита, оттуда по конвейеру — в вагонетки, курсирующие по временным рельсам, а потом — на поверхность. Вагонетки вывозят грунт и поставляют нужные детали, например тюбинги. На стройплощадке грунт лежит недолго, его отправляют на специальные полигоны. В сутки на один щит требуется 30 грузовиков для вывоза грунта.

Нестандартный подход: наращённый щит и тоннель для эскалатора

Иногда метростроевцам приходится импровизировать. Причина чаще всего в нехватке свободных площадок под строительство. Например, в «Москва-Сити», когда строили станцию «Деловой центр» жёлтой ветки, машину монтировали на пятачке не больше школьного спортзала. Щит пришлось наращивать под землёй, опуская кольцо за кольцом.

А на площадке «Петровского парка» на сборку механизма было очень мало времени. Обычно на монтаж щита уходит месяц-два, и чтобы собрать его быстрее, головную часть весом около 150 тонн не разбирали, а опустили целиком на глубину 28 метров. Для этого на бровке котлована установили 450-500-тонный кран. Специалисты провели много расчётов, чтобы убедиться, что он не обрушит котлован.

Есть у московских строителей и свои изобретения. Они первыми в мире проложили с помощью щитов тоннели под эскалаторы. Ноу-хау применили на станции «Марьина Роща» салатовой ветки. За рубежом эта практика не распространилась, потому что в Европе станции в основном строят на небольшой глубине и тоннели для эскалаторов роют вручную.

Секрет двухпутных тоннелей

Гигант «Лилия» нужен, чтобы строить двухпутные тоннели. Поезда в них едут навстречу друг другу. Если на обычной станции рельсы тянутся с обеих сторон одной платформы, то на новых пути в две стороны пройдут посередине зала, а две платформы разместятся по бокам. Поэтому их и называют двухпутными.

Такие тоннели щиты проходят медленнее, чем обычные, шестиметрового диаметра. Зачем же их строят? Во-первых, срок проходки всё же короче, потому что прокладывают один тоннель вместо двух. Во-вторых, такая технология снижает затраты .

В Москве за три года построят таких тоннелей. Два двухпутных участка появятся на Кожуховской линии метро и ещё два — на Третьем пересадочном контуре, на севере и востоке Москвы. Этот способ используют во всём мире. Например, в Мадриде таким образом построены 90 процентов всех тоннелей. К слову, и саму технологию называют испанской.

Как червь помог изобрести тоннелеп роходческую машину

По легенде, английский инженер Марк Брюнель создал машину для прокладки тоннелей, присмотревшись к корабельному червю. Его голова покрыта жёсткой раковиной, с помощью которой червь буравит дерево и оставляет на стенках хода слой извести.

Российский император Александр I просил изобретателя спроектировать тоннель под Невой и проложить его с помощью такой машины, но планы не сбылись. Император решил построить в намеченном месте мост, и щит впервые проложил тоннель не в Петербурге, а в Лондоне.

Московские рекорды

В арсенале московских метростроевцев поначалу было лишь восемь лошадей и один грузовик, даже лопаты приходилось брать у дворников. Впервые в Москве проходческий щит спустился под землю в 1933-1934 годах, когда строился участок между Лубянкой и Театральной площадью. Под его защитой строить тоннели на глубине стало не только легче, но и безопаснее. Американский инженер Джордж Морган, консультировавший строителей, предупреждал, что щит не может проходить больше 75 сантиметров в сутки. Но московские рабочие установили рекорд: им удалось увеличить скорость и пройти больше 4,5 метра за 24 часа.

Сегодня машины работают в десятки раз быстрее. Тоннели прокладывают ультрасовременные немецкие щиты Herrenknecht, канадские LOVAT и американские Robbins. Кстати, новенькая «Лилия», на создание которой ушёл почти год, тоже немка, как и «Анастасия» с «Альмирой». Её привезли из Германии в апреле.