ТРЕБОВАНИЯ К ПЛАНУ И ПРОФИЛЮ ТОННЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ТРАССЫ
Железнодорожные тоннели. Применение тоннелей на высокогорных участках железнодорожных линий расширяет возможности их трассирования и улучшает условия эксплуатации.
План и профиль пути в тоннеле проектируют по нормам, установленным для открытых участков трассы (см. СНиП II-Д.1-62), с учетом особенностей, связанных с расположением линии в подземной выработке.
Рекомендуется располагать тоннели на прямых участках пути, так как тоннели, расположенные на кривых, имеют существенные недостатки. К ним относятся: необходимость уширения габаритов приближения строений на кривых (см. § 26), вызывающего увеличение размеров выработки и объема работ по сооружению тоннельной обделки; усложнение подземной разбивки оси тоннеля; увеличение износа рельсов (особенно на кривых малых радиусов), находящихся во влажном воздухе тоннеля в неблагоприятных условиях; ухудшение условий вентиляции. Однако в ряде случаев расположение тоннелей на кривых является неизбежным.
Необходимость в устройстве тоннелей часто возникает на напряженных ходах, прокладываемых с максимально возможным уклоном трассирования: руководящим уклоном i p или уклоном кратной тяги i кр, уменьшенным на величину удельного сопротивления i эк на кривых.
Если уклон местности превышает допустимый уклон трассирования, приходится прибегать к искусственному развитию линии, т.е. удлинять ее, чтобы преодолеть разность высот начальной и конечной точек.
При этом трассу прокладывают по горным склонам в виде извилистой линии с использованием особенностей рельефа местности (рис. 9). Благоприятным для развития линии является наличие боковых долин, впадающих в главную долину. Заход линии в боковую долину (рис. 9, а) или в две боковые долины, расположенные недалеко одна от другой (рис. 9, б), позволяет устроить петлю большого протяжения с набором значительной высоты. При этом возникает необходимость в сооружении тоннелей.
Рис. 9. Заход трассы в долины
В случае отсутствия боковых долин или их неудобства для развития линии последнее выполняют на склонах главной долины в виде комбинации петель (рис. 10). Для резкого изменения направления линии, проходящей по склону долины, используют открытые выемки или петлевые тоннели (рис. 10, а).
В случае невозможности петлевого развития (узкие долины с крутыми изрезанными склонами) применяют развитие линии с устройством спирального тоннеля, обеспечивающего необходимый подъем линии внутри горного массива с поворотом ее на 360° (рис. 10, б). В месте пересечения, осуществляемого в разных уровнях, сооружают путепровод, а при достаточном слое пород над сводом нижнего тоннеля его используют в качестве основания для верхнего пути.
Рис. 10. Петлевой и спиральный тоннели
Для преодоления значительных высотных препятствий развитие линии часто дополняют устройством перевального тоннеля, соединяющего склоны соседних долин (см. рис. 1). Это позволяет понизить уровень пересечения препятствия, соответствующий выходу на перевал с устройством открытой выемки, и сократить длину подходов.
По рекомендациям СНиП (II-Д.1-62) радиусы кривых в тоннелях должны быть, как правило, не менее 600 м. Однако в случае петлевых и спиральных тоннелей выполнение этого требования связано со значительным увеличением их длины, пропорциональной величине радиусов, и строительной стоимости. При соответствующем технико-экономическом обосновании величину минимального радиуса можно принять равной 400 м, а в трудных горных условиях — уменьшить по согласованию с МПС до 250 м (на линиях I и II категорий).
Трассирование линии вдоль изрезанных берегов озер и морей сопряжено с необходимостью сооружения тоннелей при пересечении мысов (рис. 11). Длина мысового тоннеля тем больше, чем больше радиус кривой, на которой он расположен. Очевидно, и в этом случае целесообразно рассмотреть вопрос об уменьшении радиуса кривой, чтобы сократить капитальные затраты на строительство тоннеля, имея, однако, в виду, что наличие кривой малого радиуса не должно ограничивать скорости движения поездов на данном участке. Это возможно в том случае, если тоннель расположен на горбе профиля и поезд подходит к нему со скоростью, меньшей допустимой на кривой принятого радиуса.
Рис. 11. Мысовой тоннель
Перевальные тоннели, обеспечивающие пересечение высотного препятствия, устраивают, как правило, на прямой (рис. 12). Лишь входные участки перевального тоннеля часто находятся на кривых, так как подходы к ним располагают вдоль склонов. В этом случае целесообразна пробивка так называемой визирной штольни, являющейся продолжением прямолинейной оси основной части тоннеля. Наличие визирной штольни обеспечивает значительные удобства при производстве работ (облегчение разбивки оси тоннеля, транспорта и отвала породы, улучшение вентиляции подземной выработки),
В сложных случаях развития возникает необходимость в сооружении ряда тоннелей различных типов.
Рис. 12. Перевальный тоннель
В продольном профиле тоннели устраивают односкатными и двускатными. Односкатный профиль (рис. 13) имеют тоннели, устраиваемые при развитии линии, так как их используют для набора высоты (петлевые, спиральные, мысовые, а также короткие перевальные тоннели; двускатный профиль (рис. 14) имеют перевальные и подводные тоннели.
Рис. 13. Односкатные тоннели
Рис. 14. Двускатные тоннели
Достоинством тоннелей с односкатным профилем является значительная разность высот между порталами, обеспечивающая тепловой напор, способствующий естественной вентиляции во время постройки тоннеля (после сбойки передовых забоев) и его эксплуатации, и быстрое удаление воды благодаря крутым уклонам. Основным недостатком тоннелей с односкатным профилем является трудность удаления воды, поступающей в выработку, при проходке с верхнего портала. В этом случае вода стекает к забою, что отрицательно отражается на скорости проходки даже при хорошо налаженном искусственном водоотливе. Наличие естественной тяги после сбойки улучшает проветривание выработки, но имеет и недостатки, так как поступление в забой свежего воздуха с большими скоростями (особенно в зимнее время) может вызвать простудные заболевания у рабочих и ухудшить условия твердения бетона тоннельной обделки. Поэтому односкатный профиль применяют главным образом в тоннелях на кривых, используемых для набора высоты, а в перевальных и мысовых тоннелях — лишь при их коротком протяжении, позволяющем выполнить работу в установленные сроки при проходке с одного нижнего портала.
Двускатные тоннели лишены отмеченных недостатков (кроме подводных, требующих искусственного водоотлива), но естественная вентиляция их затруднена вследствие недостаточности теплового напора.
Особым случаем является сооружение тоннелей в суровых климатических условиях, где большое значение имеет быстрый отвод воды, проникающей в тоннель. В таких тоннелях рекомендуется, как правило, устраивать односкатный профиль с продольным уклоном не менее 6‰.
По условиям водоотвода уклон в тоннеле не должен быть менее 3‰. Лишь в исключительных случаях допускается уменьшение продольного уклона до 2‰. Горизонтальные разделительные площадки, уменьшающие разность сопрягаемых в тоннеле уклонов, могут иметь длину от 200 до 400 м. При этом естественный сток воды к границам площадки обеспечивается переменной глубиной водоотводного лотка, имеющегося в тоннеле. Более целесообразна замена разделительной площадки двумя участками, имеющими встречные уклоны 3‰.
Максимальный уклон, допустимый в тоннеле, меньше максимального уклона на открытом участке, т.е. в тоннеле необходимо смягчение уклона. Причиной этого являются снижение в тоннеле коэффициента сцепления между рельсами и колесами локомотива и наличие воздушного сопротивления при движении подвижного состава, действующего в тоннеле как поршень.
Уменьшение сцепления обусловлено повышенной влажностью воздуха в тоннеле, ведущей к образованию пленок воды на головках рельсов. При хорошей вентиляции, а также в сухих тоннелях влажность воздуха сравнительно невелика и падение коэффициента сцепления менее существенно.
Воздушное сопротивление зависит от ряда факторов (скорость движения подвижного состава, степень заполнения им поперечного сечения тоннеля, сопротивление тоннеля как воздуховода) и составляет от 0,2 до 1 кгс/тс. Оно больше в однопутных и меньше в двухпутных тоннелях и повышается с увеличением длины тоннеля.
Сравнивая значения силы тяги по сцеплению на открытом участке и в тоннеле, можно получить величину максимального уклона, допустимого в тоннеле, расположенном на прямой.
Практически максимальный допускаемый уклон в тоннеле на кривой находят по формуле
i т = mi р – i эк,
(1)
где i p — руководящий уклон; i эк — уклон, эквивалентный сопротивлению на кривой; т — коэффициент смягчения уклона, принимаемый по табл. 1, взятой из СНиП II-Д.8-62 (его величина назначена с учетом воздушного сопротивления, испытываемого поездом в тоннеле).
Таблица 1
Коэффициенты т для определения наибольшего уклона пути в тоннеле
| Длина тоннеля, км | До 0,3 | 0,3–1,0 | 1,0–3,0 | Более 3,0 |
| m | 1,0 | 0,90 | 0,85 | От 0,80 до 0,75 (в зависимости от длины тоннеля) |
Смягчение уклона должно быть произведено не только в самом тоннеле, но и на подходе к нему со стороны подъема на участке, длина которого равна полезной длине приемо-отправочных путей раздельных пунктов данной линии (рис. 15). Это требование вызвано необходимостью уменьшить сопротивление движению состава на подходе к тоннелю, так как локомотив, войдя в тоннель, уменьшает силу тяги по сцеплению и при отсутствии смягчения не сможет втянуть состав в тоннель.
Автодорожные тоннели. План и продольный профиль тоннельных участков дорог должны удовлетворять требованиям для открытых участков (см. СНиП II-Д.5-62) и некоторым дополнительным положениям, приведенным ниже.
Рис. 15. Смягчение уклона на подходе к тоннелю
При проектировании автодорожных тоннелей желательно их располагать на прямых. Тоннели на кривых, неизбежные при развитии линии, обладают следующими недостатками: необходимость увеличения ширины проезжей части с устройством виражей для обеспечения безопасности движения; трудности подземной разбивки оси сооружения; ухудшение видимости, имеющей большое значение в тоннеле для безрельсового транспорта, особенно при встречных потоках автомашин.
Поэтому минимальный радиус кривой в автодорожном тоннеле принимают равным 250 м. При этом обеспечивается плавное движение автомашин с расчетными скоростями. В исключительно сложных условиях рельефа или в черте городской застройки радиус кривой можно уменьшить до 100 м при специальном обосновании.
Продольный профиль тоннеля проектируют с учетом возможности улучшения естественной тяги воздуха, для чего необходима разность высот порталов. При длине горного тоннеля до 300 м обязательно применение односкатного профиля, в благоприятных условиях обеспечивающего естественное проветривание.
При большей длине тоннеля характер продольного профиля выбирают на основании технико-экономического сравнения вариантов.
Тоннели при развитии линии, используемые для набора высоты, устраивают, как правило, односкатными.
Двускатные тоннели обеспечивают естественную тягу лишь при наличии вентиляционных шахт, но более удобны в эксплуатации и не требуют искусственного водоотлива при проходке.
Городские и подводные тоннели устраивают двускатными.
По условиям водоотвода продольный уклон в тоннеле принимают равным не менее 4 ‰. Короткие горизонтальные разделительные элементы профиля протяжением 250—500 м заменяют обычно двумя элементами профиля с уклоном 3 ‰ от середины к концам.
Наличие в автодорожном тоннеле хорошей вентиляции, ровный температурный режим, отсутствие осадков и усовершенствованное дорожное покрытие делают условия эксплуатации автомобильной дороги в тоннеле лучшими, чем на открытом участке. Коэффициент сцепления колес автомобиля с полотном дороги в тоннеле (за исключением входных участков протяжением 75—125 м) достигает 0,4—0,5. Воздушное сопротивление движению автомашин невелико вследствие малого заполнения ими поперечного сечения тоннеля. Поэтому по условиям сцепления уклон в тоннеле не ограничивается. Но в тоннелях длиной более 300 м не следует допускать уклонов более 40 ‰ так как при больших уклонах резко возрастает расход горючего и соответственно увеличивается объем воздуха, необходимого для вентиляции.
НАЗНАЧЕНИЕ ВЫСОТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ И МЕСТ ПОРТАЛОВ ТОННЕЛЕЙ
При преодолении высотного препятствия большое значение имеет высота расположения перевального тоннеля, определяющая длину последнего. Тоннели, пересекающие водораздел у его подошвы, носят название базисных, или подошвенных; расположенные у вершины — вершинных.
Выбор высоты расположения тоннеля определяется рядом факторов, которые должны быть учтены.
Важное значение имеет топография местности, в первую очередь характер склонов пересекаемого горного массива.
В большинстве случаев крутизна склонов увеличивается с подъемом, и если в нижней части горного массива небольшое смещение тоннеля кверху вызывает значительное сокращение его длины, то в средней части повышение уровня расположения тоннеля мало влияет на изменение длины тоннеля. В то же время с подъемом увеличиваются крутизна и изрезанность склонов, затрудняющие трассирование и постройку подходов (в связи с необходимостью заходов трассы в боковые долины, пересечение которых часто затруднительно), а длина последних резко увеличивается. Особое значение имеет длина подходов к тоннелю в районах с большими атмосферными осадками, так как в этом случае необходимо проводить мероприятия по защите дороги от лавин и заносов. При оценке гидрометеорологических факторов серьезное внимание следует уделять также направлению, силе и влажности господствующих ветров, так как от этих факторов зависит заносимость подходов к тоннелю и возможность его естественного проветривания.
Решающее значение для принятия решения могут иметь геологические и гидрогеологические факторы: неустойчивость косогоров, наличие оползневых и карстовых явлений, а также участков осыпей в районе намечаемых подходов требуют специальных технических мероприятий (перенос подходов на отдельных участках трассы в глубь горного массива, устройство галерей, селеспусков и т.п.), стоимость которых может оказаться весьма значительной. Необходимо считаться также с возможностью размыва дорожного полотна горными потоками, которая возрастает с увеличением высоты подъема и крутизны склонов.
На высотное положение тоннеля влияет также род транспорта, для которого тоннель предназначен, так как род транспорта определяет допустимые уклоны и радиусы кривых. Поэтому высота пересечения может быть выше для автодорожных тоннелей, чем для тоннелей железнодорожных, а для последних при электрической тяге выше, чем при паровой или тепловозной.
Выбор высотного положения тоннеля необходимо обосновать и с экономических позиций, т.е. сравнить по стоимости несколько технически целесообразных вариантов.
Сравнивают участки железной или автомобильной дороги, включающие подходы и тоннель, между двумя точками (А и Б), за которыми трасса дороги по всем вариантам одинакова (рис. 16).
Рис. 16. Высотное положение тоннелей
Несмотря на большее протяжение подходов при более высоком расположении тоннеля (2-й вариант), величина строительных расходов С для варианта с ниже расположенным тоннелем (1-й вариант) обычно оказывается большей (С 1 > С 2) вследствие высокой стоимости тоннеля. Однако 1-й вариант обладает несомненными эксплуатационными преимуществами. Длина линии между точками А и Б является меньшей, отсутствует необходимость бесполезного подъема перемещаемых по линии грузов на значительную высоту, уклоны линии могут быть уменьшены, а скорости движения увеличены, отпадает необходимость в мероприятиях по защите линии от заносов и осыпей. Вследствие этого годовые эксплуатационные затраты Э по 1-му варианту значительно меньше, чем по 2-му варианту (Э 2 > Э 1). Если принять 1-й вариант, то потребуется n лет, чтобы за счет сокращения эксплуатационных расходов окупить избыточные в сравнении со 2-м вариантом капитальные затраты. Срок окупаемости
лет.
(2)
При сравнительно небольшом сроке окупаемости (10—15 лет) целесообразно принять базисное решение, как более соответствующее основному направлению технической политики на железнодорожном транспорте — увеличению пропускной способности и грузооборота транспортных магистралей.
Однако и при большом сроке окупаемости может быть принят вариант базисного расположения тоннеля, как более прогрессивный.
Примером экономической целесообразности перехода от вершинного к базисному расположению перевального тоннеля является первоначальный проект замены существующего Сен-Готардского тоннеля длиной 14,98 км, пересекающего Центральные Альпы на высоте 1100—1145 м над уровнем моря, Большим Сен-Готардским тоннелем длиной 45 км на высоте 280—470 м (по принятому проекту длина тоннеля составляет 16,32 км).
В условиях социалистического хозяйства денежные показатели не имеют такого решающего значения, как в хозяйстве капиталистическом. Выбор варианта следует делать на основе оценки всех характеризующих варианты факторов с учетом народнохозяйственного значения принимаемого решения.
При выбранной высоте пересечения длина тоннеля определяется местами расположения его входов — порталов.
Положение порталов назначают из экономических и конструктивных соображений с учетом конкретных местных условий. При этом необходимо иметь в виду, что увеличение глубины предпортальной выемки вызывает увеличение стоимостей портала, а также срезки и укрепления лобового откоса, расположенного над ним. Значительная срезка лобового склона горного массива нарушает устойчивость пород над припортальным участком и требует проведения на большой высоте значительных земляных работ, которые в этих условиях трудно механизировать.
Кроме того, глубина выемки ограничивается свойствами пород, в которых ее устраивают. В неблагоприятных геологических условиях создание глубоких выемок связано с возможностью образования оползней и обвалов и ухудшает условия безопасности движения.
Опыт проектирования показывает, что в глинистых породах глубина предпортальной выемки не должна превосходить 12—15 м. В скальных породах глубина выемки может достигать 20—25 м, однако обычно ее устраивают значительно меньшей. Это объясняется тем, что при крутом лобовом откосе горного массива уменьшение глубины предпортальной выемки резко сокращает объем земляных работ в выемке и над порталом, вызывая сравнительно небольшое увеличение длины тоннеля.
Минимальную глубину предпортальной выемки в скальных породах назначают так, чтобы над обделкой предпортальных колец оставался достаточный слой породы (около 2—3 м), обеспечивающий возможность проходки припортального участка закрытым способом по единой технологической схеме, принятой при постройке тоннеля.