2577

1.2. ЭЛЕМЕНТЫ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В процессе выполнения горных работ внутри породного массива с целью разведки и добычи полезных ископаемых, проведения инженерно-геологических изысканий и строительства подземных сооружений в земной коре образуется полость, которую называют горной выработкой.

По положению в пространстве выработки разделяют на горизонтальные, наклонные и вертикальные.

Тоннель является горизонтальной или наклонной выработкой. Тоннель сводчатого очертания имеет две части: верхнюю сводовую, называемую калоттой, и нижнюю, называемую штроссой (рис. 1.2). Выработка меньшего поперечного сечения, служащая для вспомогательных целей при строительстве тоннеля, называется штольней. Горизонтальные выработки имеют кровлю, стены и подошву. Торец выработки, в котором разрабатывают породу, называется забоем.

Вертикальные горные выработки, имеющие выход на поверхность и предназначенные для обслуживания подземных работ, носят название шахтных стволов. Ствол имеет устье – верхнюю часть, собственно ствол, околоствольную выработку (шахтный двор), соединяющую ствол с горизонтальными выработками, обычно штольнями, и водосборник (зумпф) (рис. 1.3). В поперечном сечении стволы имеют круглую или прямоугольную форму.

Конструкция горной выработки, служащая для поддержания ее в безопасном состоянии и выполняемая из бетона, монолитного или сборного железобетона, а также из чугунных тюбингов, называется обделкой или постоянной крепью и состоит из свода, стен, обратного свода или лотка (рис. 1.4). В крепких породах об-

										4
			1
Рис. 1.2. Горизонтальная выра-									6
ботка (тоннель): 1 – калотта; 2	–
		2
штросса; 3 – штольня; 4 – кровля; 5	–
подошва; 6 – забой; 7 – заходка								5

			7
	3

12

2

3

4

1

			5
Рис. 1.3. Вертикальная выра-					Рис. 1.4. Тоннельная
ботка: 1 – штольня; 2 – устье ство-					обделка: 1 – верхний свод:
ла; 3 – шахтный ствол; 4 – около-					2 – стена; 3 – обратный
ствольная выработка (шахтный					свод
двор); 5 – водосборник (зумпф)

делка состоит из верхнего свода и стен или только из одного верхнего свода.

1.3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Транспортные тоннели представляют собой сложные и дорогие комплексы инженерных конструкций и эксплуатационного оборудования. Поэтому необходимость их строительства тщательно обосновывается.

В процессе проведения трассы автомобильных дорог встречаются естественные природные препятствия, которые необходимо преодолеть. Эти препятствия могут быть как в плане (контурные), так и в профиле (высотные). Контурными препятствиями являются районы действия оползней и карстов, осыпей, лавин и снежных заносов, реки, каналы, озера, болота, а также населенные пункты; высотными – холмы, горные хребты, отроги гор, водоразделы, глубокие долины, возвышенности.

13

Контурные препятствия оказывают влияние преимущественно на план трассы, но иногда они влияют и на ее продольный профиль. Обход контурных препятствий приводит к удлинению трассы, а, следовательно, к увеличению эксплуатационных расходов. Поэтому в некоторых случаях может быть экономически и эксплуатационно целесообразнее не обходить такие препятствия, а преодолеть их при помощи специальных сооружений – мостов, эстакад или тоннелей. Кроме того, контурное препятствие может иметь столь большие размеры и такое расположение, что его обход становится вообще невозможным. Например, при пересечении мощных оползней, осыпей, лавиноопасных участков, крупных водотоков и водоемов, а также при развязках интенсивного городского движения тоннели могут оказаться наиболее рациональными сооружениями в техническом и экономическом отношениях.

Если маломощные оползни можно преодолеть с помощью эстакады, то при высоте оползающих масс свыше 5 м и наличии глубоких потоков подземных вод более экономично провести тоннель в глубине горного массива за пределами оползневой зоны. Такое же решение может быть целесообразным при наличии в районе трассы мощных осыпей, которые возникают на скальных косогорах крутизной 30 35 , сложенных трещиноватыми выветрелыми породами (рис.1.5).

Граница района заносимости и лавин

Тоннель

Тоннель

Оползень

Осыпь

Рис. 1.5. Преодоление участков оползней, осыпей, заносимости и лавин

14

Ввысокогорных районах мощный снежный покров и большая крутизна склонов являются причиной образования лавин и снежных заносов и требуют больших эксплуатационных расходов и инженерных мероприятий вплоть до устройства дорогостоящих защитных галерей на опасных участках. В этом случае бесперебойность и безопасность движения, а также уменьшение эксплуатационных расходов могут быть обеспечены при сооружении тоннеля за пределами лавиноопасных зон и зон снежных заносов.

Сооружение горных тоннелей на автомобильных дорогах способствует защите окружающей среды. Улучшаются техникоэксплуатационные показатели трассы дороги (уменьшение количества кривых в плане и увеличение их радиусов, снижение величины продольных уклонов); сокращаются объемы земляных работ при сооружении насыпей и выемок; сохраняются природные ландшафты, леса, луга, пахотные земли; снижаются объемы вредных газов от двигателей автомобилей, уровни шума и вибрации.

Всложных условиях преодоления водных преград производится сравнение наземного и подземного расположений трассы, т.е. выбор строительства моста или тоннеля (рис. 1.6). Важнейшими преимуществами тоннельного перехода перед мостовым являются: отсутствие помех судоходству; защищенность от воздействия ветра и атмосферных осадков, ударов льда и волн при пересечении крупных рек и проливов; независимость строительных работ от сезонных колебаний ледохода, уровня воды и т.п.; меньшая длина пересечения при высоком габарите судов в широкой пойме; удобство подходов к пересечению в городских условиях. Подводные тоннели в отличие от мостов не нарушают бытовой режим водоемов.

Мост Подходы

Подходы

Подмостовой

габарит

Тоннель

Рис. 1.6. Преодоление водного препятствия

15

Однако тоннельное решение имеет ряд неудобств. При эксплуатации подводного тоннеля необходимы мощная вентиляция и периодический водоотлив; срок сооружения тоннеля, как правило, больше срока сооружения моста, т.к. работы ведутся более узким фронтом; стоимость тоннеля может быть выше, чем стоимость моста, потому что для сооружения тоннеля нужно выполнить больший объем земляных работ, чем при строительстве моста. Но при этом следует иметь в виду, что с увеличением подводного препятствия стоимость 1 пог. м моста увеличивается, особенно при длине водной преграды свыше 1 2 км, а стоимость 1 пог. м тоннеля уменьшается; т.е. с увеличением ширины водной преграды до 2 км и более стоимость строительства моста повышается в 2 4 раза, а стоимость строительства тоннеля возрастает незначительно (в 1,3 1,5 раза). К тому же с увеличением высоты моста возрастают объемы земляных работ на подходах. По безопасности производства работ строительство мостового перехода не имеет преимуществ по сравнению со строительством тоннеля. Следует также учитывать, что возведение мостовых опор с глубокими фундаментами, особенно при наличии в основании слабых и неустойчивых грунтов, представляет крайне сложную инженерную задачу. При проходке подводного тоннеля специальными проходческими щитами обеспечивается полная безопасность работ и гарантируется их своевременное выполнение независимо от сезона и климатических условий.

При преодолении таких водных преград как морские проливы тоннельные переходы вообще не сравнимы с мостовыми. В Японии между островами Хонсю и Хоккайдо в 1993 г. закончено строительство подводного тоннеля Сейкан длиной 54 км, в 1994 г. – строительство подводного тоннеля под проливом Ла-Манш (52 км), запроектирован тоннель под Гибралтаром (48 км) и ряд других. Мосты такой протяженности невозможно построить без чрезвычайных трудностей, а эксплуатировать – тем более.

Выбор между мостовым и тоннельным вариантом производится на основании технико-экономического сравнения с учетом современных методов тоннельного строительства.

В условиях современного города высокая интенсивность движения на его улицах требует применения второго яруса дви-

16

жения – эстакад или тоннелей. Эстакады гораздо дешевле при строительстве, чем тоннели, но имеют большие недостатки при эксплуатации: загромождение поверхности опорами эстакад, создающими помехи движению; нарушение эстакадами городского архитектурного ансамбля; затемнение домов; большой шум от поездов и автомобилей; запыление и загазованность воздуха. В отличие от эстакад городские автотранспортные и пешеходные тоннели способствуют повышению безопасности движения транспорта и пешеходов, улучшают санитарно-гигиеническое состояние воздуха, снижают уровень шума и вибрации, улучшают архитектуру и градостроительные условия.

Некоторые нарушения экологической ситуации в процессе строительства тоннелей (загазованность и запыленность воздуха при работе строительных машин и транспорта, а также шум и вибрация, возможность деформации грунтового массива и земной поверхности) ликвидируются или уменьшаются путем применения инженерной защиты окружающей среды. К ней относятся использование очистных сооружений, мер по защите водоемов от загрязнений сточными водами, мер по сохранению лесов и лугов, оснащение строительных машин газоочистителями и шумоглушителями и т.п.

Высотные препятствия при трассировании автомобильных дорог преодолеваются тремя вариантами: обходом, развитием линии с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки; сооружением тоннеля (рис. 1.7).

Выемка

Развитие

линий

Тоннель

Рис. 1.7. Преодоление высотного препятствия

17

При обходе высотного препятствия необходимо значительное удлинение трассы и увеличение уклонов, вплоть до максимальных, что ведет к ухудшению эксплуатационных показателей.

Развитие трассы с открытым пересечением перевала позволяет уменьшить длину дороги, но при этом возрастает потребность в применении максимальных уклонов и крутых поворотов

– серпантин. Возникает необходимость в защите высокогорных участков дороги от снежных заносов, лавин и обвалов путем устройства галерей и других инженерных сооружений.

Строительство тоннеля улучшает эксплуатационные показатели и комфортабельность движения транспорта в сложных условиях местности (уменьшаются длина и уклоны дороги, обеспечивается защита от внешних неблагоприятных воздействий), но вызывает увеличение капитальных затрат по сравнению с наземными вариантами трассы. Поэтому окончательный выбор вида искусственного сооружения для преодоления природного препятствия производится на основании технико-экономического сравнения вариантов методом вариантного проектирования.

Вначале сравниваются способы преодоления препятствий: в горах – обход, перевал, горный тоннель; через водоемы – паромная переправа, мост, подводный тоннель; в городах – регулируемое пересечение в одном уровне, эстакада, городской тоннель (автотранспортный либо пешеходный). Сопоставляются технологические преимущества и недостатки всех способов, а также экономический эффект, который может быть выявлен при сравнении всех затрат на возведение и эксплуатацию тоннеля и аналогичного наземного сооружения. Строительство тоннеля можно считать экономически целесообразным при выполнении условия

Кн Эн Кт Эт ,

где Кн, Кт – капитальные вложения соответственно в наземное и тоннельное строительство, тыс. руб.; Эн, Эт – эксплуатационные расходы, тыс. руб./год.

Обычно при увеличении капитальных вложений на строительство тоннеля по сравнению с наземным объектом значительно снижаются годовые эксплуатационные расходы за счет улуч-

18

шения условий движения транспорта, повышения скоростей сообщения, ускорения оборачиваемости оборотных средств.

После установления принципиального преимущества тоннеля разрабатываются варианты тоннельной проходки. Сравнение вариантов также производят по техническим и экономическим показателям. Главными техническими показателями являются длина тоннеля, глубина его заложения, типы конструкций, способ производства работ. Сопоставление технических показателей особенно важно, когда экономические показатели близки между собой. К экономическим показателям относятся капитальные вложения на строительство тоннеля, приобретение и монтаж оборудования и эксплуатационные расходы на содержание и обслуживание тоннеля, на ремонтные работы и амортизационные отчисления.

Экономическое сравнение производится по расчетному сроку Т (год) окупаемости дополнительных капиталовложений в более дорогой по стоимости вариант строительства:

Т К1 К2 Э2 Э1 ,

где К1 и К2 – капитальные вложения по первому и второму вариантам; Э1 и Э2 – эксплуатационные расходы по вариантам.

Если полученный расчетный срок окупаемости Т меньше установленного нормативного Тн , то экономически выгодным считается вариант с большими капиталовложениями, которые, как правило, обеспечивают меньшие эксплуатационные расходы. Нормативный срок окупаемости Тн=10 лет.

Для сравнительной экономической характеристики вариантов также используется величина, обратная сроку окупаемости – коэффициент эффективности капиталовложений Е:

Е 1Т .

Например, сравниваются варианты: 1 – тоннель большой длины с короткими удобными подходами (рис. 1.8), который обеспечивает облегченные условия эксплуатации и, следовательно, низкие эксплуатационные расходы, но имеет высокую стои-

19

Рис. 1.8. Варианты высотного расположения трассы: 1 – с базисным тоннелем; 2 – с промежуточным; 3 – с вершинным; 4 – с открытой выемкой; 5, 6 и 7 – подходы к тоннелям; 8 – подходы к выемке

мость строительства; 4 – открытая перевальная выемка со значительным развитием трассы, большим количеством кривых и углов поворота с максимальными уклонами. Стоимость строительства этого варианта, естественно, ниже, но длина подходов может быть очень большой и вызывать весьма высокие эксплуатационные расходы; промежуточные варианты – 2 и 3. Среди всех этих вариантов всегда можно найти оптимальный по высоте расположения, при котором наибольшая эффективность характеризуется минимальной суммой приведенных и эксплуатационных расходов

С К Ен Э,

где Ен – нормативный коэффициент экономической эффективности, для автодорог равен 0,10.

Таким образом оцениваются технико-экономическая целесообразность и эффективность строительства транспортных тоннелей: автодорожных горных и подводных, городских автотранспортных и пешеходных.

Целесообразность строительства в крупных городах метрополитена – городской внеуличной скоростной железной дороги, предназначенной для перевозки пассажиров, – появляется при очень значительном увеличении объема пассажирских перевозок, когда существующий наземный пассажирский транспорт (автобус, троллейбус, трамвай) уже не может разрешить городскую транспортную проблему по перевозке пассажиров. Экономически

20

оправданным считается строительство метрополитена при средней нагрузке транспортной городской сети около 7 млн пассажиров в год на 1 км двухпутной линии, что соответствует максимальной интенсивности пассажиропотока в одном направлении в часы «пик» около 40 тыс. человек в час. По расчетам, в Омске после окончания строительства первой линии метрополитена длиной 11 км (11 станций) нагрузка сети составит около 13 млн пассажиров в год на 1 км линии.

Г л а в а 2

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАЛОЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ

2.1. ЗНАЧЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

Тоннели располагают в толще породного массива и для обоснованного проектирования и последующего строительства необходимо знать инженерно-геологические и гидрогеологические условия трассы. От этого зависят выбор типа конструкции тоннеля, его расположение в глубине массива, способ производства работ. Тщательная и своевременная оценка инженерногеологических условий во многом определяет сроки и стоимость строительства тоннеля и условия его эксплуатации.

Основной задачей инженерно-геологических изысканий является наиболее вероятный прогноз процессов, которые могут возникнуть при проходке тоннеля. При этом необходимо установить неблагоприятные факторы, которые обусловлены особенностями строения горного массива, и степень сложности инженер- но-геологических условий при строительстве тоннеля. В соответствии с действующими нормами проектирования сложными ин- женерно-геологическими условиями считаются: наличие слабых пород, не оказывающих сопротивления деформациям обделки под нагрузкой; наличие несвязных водоносных пород при гидростатическом давлении более 0,1 МПа; наличие слабых полу-

21