Проектирование тоннелей
В курсе лекций рассматриваются наиболее существенные вопросы проектирования тоннелей на железных и автомобильных дорогах, для студентов факультета «Мосты и тоннели».
Рассмотрены - состав реального проекта и стадии его выполнения; вариантное проектирование и технико–экономическое сравнение вариантов тоннельных участков линий; влияние инженерно–геологических условий на выбор варианта трассы; технико–экономическое сопоставление и выбор вариантов конструкций тоннелей; особенности проектирования подводных тоннелей и подходных рамп; защита тоннелей от поверхностных и грунтовых вод и некоторые особенности проектирования тоннелей в районах с суровыми климатическими условиями.
В лекциях приводятся основные способы сооружения тоннелей, наиболее важные нормативы и некоторые вспомогательные данные, необходимые для проектирования.
План тоннелей
План тоннелей на кривых имеет ряд существенных недостатков. Поэтому следует стремиться располагать тоннели на прямых участках линии. Однако это не всегда удается по условиям рельефа и инженерно–геологическим данным.
Устройство тоннеля на кривой часто бывает целесообразным для преодоления мысового препятствия при развитии линии по долине горной реки (рис. 1.1, а и б). В этом случае достигается значительное сокращение длины тоннеля и объемов строительных работ.
Рис. 1.1 – Мысовой тоннель: а – план; б – вид со стороны портала
Приходится также располагать тоннели на кривых при трассировании дороги по оползневым и обвалоопасным участкам долины. Сооружение защитных галерей и эстакад в таких местах не всегда бывает целесообразно и надежно, в связи с чем зачастую вопрос безопасности движения решается путем перенесения трассы линии в глубь массива. Необходимость расположения части тоннеля на кривых возникает также в тех редких, но, к сожалению, встречающихся случаях, когда в результате недостаточно тщательных инженерно–геологических изысканий на ранее запроектированной прямолинейной трассе обнаруживаются участки, требующие обхода (карстовые пещеры, подземные водоемы, участки тектонических нарушений и т. д.). Например, при строительстве Лечбергского тоннеля в Швейцарии, в результате прорыва в тоннель воды р. Кандер, протекавшей над его трассой, было принято решение обойти это место кривой с удлинением тоннеля на 870 м.
Другим примером может служить тоннель «В. Каларов» в Болгарии, при проходке которого была встречена зона разрушенных гнейсоглинистых пород с большим притоком подземных вод. Для обхода этой зоны проект тоннеля был изменен – прямолинейная трасса частично заменена криволинейным участком из пяти сопрягающих кривых (рис. 1.2). Криволинейный в плане тоннель рекомендуется располагать полностью на круговой кривой одного радиуса или, в крайнем случае, на кривых близких по значениям радиусов, что способствует применению однотипного проходческого оборудования (буровых и кружальных рам, элементов опалубки и т. д.) и конструкций обделки. Кривые различного радиуса осложняют также работы по разбивке трассы тоннеля и перенесению ее внутрь массива.
Рис. 1.2 – Изменение трассы тоннеля при обходе зоны тектонических нарушений
Особенно нежелательно расположение тоннеля на разнотипных элементах плана при сборной обделке тоннеля, так как в этом случае увеличивается количество типоразмеров сборных элементов и усложняется сопряжение колец обделки и технология работ по ее монтажу.
Для железнодорожных тоннелей наименьший рекомендуемый радиус кривых установлен 600 м. В трудных горных условиях на линиях I–II категорий при соответствующем технико–экономическом обосновании наименьший допускаемый радиус кривой принимается 400 м.
Автодорожные тоннели на дорогах любых категорий, как правило, не должны располагаться на кривых радиусом менее 250 м и лишь в особо тяжелых горных условиях этот радиус может быть уменьшен до 100 м. при специальном обосновании.
Для обеспечения безопасности движения автомобилей с наибольшими скоростями на дорогах I категории с кривыми менее 3000 м и на дорогах других категорий менее 2000 м устраиваются виражи, а на кривых радиусом 700 м и менее, кроме того, предусматривается уширение проезжей части.
Очень большое значение для безопасности движения автомобилей на кривых имеет расстояние «видимости» S (рис. 1.3). Оно должно быть. не менее общей длины тормозного пути автомобиля плюс 5÷10 м (запасное расстояние от остановившегося автомобиля до препятствия). Расчет ведется из условия расположения глаза водителя на высоте 1,2 м от поверхности проезжей части при нахождении автомобиля на расстоянии 1,5 м от кромки проезжей части. Например, на кривых радиусом 100–250 м длина хорды S составляет 40–60 м, что требует ограничение скорости движения до 30–50 км/ч.
Рис. 1.3 – Схема к определению расстояния видимости в автодорожном тоннеле
Профиль тоннелей
В зависимости от трассы линии тоннели в профиле проектируются односкатными и двускатными (рис. 1.4). В последнем случае профиль горных тоннелей имеет подъемы к середине (располагается «на горбе»), подводных тоннелей – подъемы к порталам (располагается «в яме»).
Рис. 1.4 – Продольный профиль тоннелей: а – односкатный; б – двускатный
Располагать тоннели на горизонтальных участках нельзя в связи со сложностью водоотвода. Исключение допускается лишь на разделительных площадках длиной 200–400 м между двумя встречными уклонами в двускатных тоннелях. Однако и в этом случае более целесообразна замена горизонтальной площадки двумя участками с встречными наименьшими уклонами.
По условиям водоотвода продольный уклон пути в железнодорожных тоннелях принимается не менее 30/00 (в исключительных случаях – 20/00), а в районах с суровыми и особо суровыми климатическими условиями, где вероятность замерзания воды в водоотводных лотках особенно велика, – не менее 60/00.
Руководящий уклон, или уклон кратной тяги, принятый на примыкающих открытых участках линии, сохраняется в тоннелях при их длине до 300 м. При большей длине уклон в тоннеле и на подходах к нему на участке, равном длине поезда, должен быть смягчен. Длина поезда принимается равной длине приемо–отправочных путей (850–1250 м).
Наибольший допускаемый уклон линии в тоннеле составит: на прямом участке
на кривой
где iр – руководящий уклон (или уклон кратной тяги iкр), 0/00; iэк – уклон, эквивалентный сопротивлению в кривой, 0/00; m – коэффициент смягчения уклона, определяемый по таблице 1.1.
Автодорожные тоннели длиной более 300 м проектируются в профиле односкатными и двускатными, а при длине до 300 м – односкатными. При прочих равных условиях предпочтительнее односкатный профиль тоннеля в связи с улучшением естественного проветривания, хотя в этом случае требуется искусственный водоотлив при проходке с верхнего портала.
Таблица 1.1 – Коэффициент m для определения наибольшего уклона пути в железнодорожном тоннеле
Продольный уклон автодороги в тоннеле по условиям водоотвода должен быть не менее 40/00. Разделительные площадки в двускатных тоннелях проектируются длиной от 250 до 500 м и устраиваются обычно в виде двух участков со встречными уклонами в 30/00.
Максимальный уклон автодороги в тоннеле не должен, как правило, превышать 400/00 по условиям оптимальных режимов вентиляции автодорожных тоннелей в связи с повышенным расходом горючего, а значит и увеличением выделения вредных газов при движении автомобилей на подъем с большим уклоном. Исключение допускается лишь на особо трудных участках, где уменьшение уклона приводит к значительным затратам, связанным с дополнительным развитием трассы дороги или увеличением длины тоннеля.
Стадии проектирования тоннелей
Строительство тоннелей осуществляется по предварительно разработанной проектной документации, а финансирование производится по сметам. Проект и смета согласовываются строительной организацией, рассматриваются экспертной комиссией и утверждаются соответствующей инстанцией. Без тщательно разработанной и утвержденной проектно–сметной документации строительство и финансирование запрещено законом.
Проектирование объекта ведется проектной организацией на основе задания, выдаваемого заказчиком, и заключенного с ним договора на проектно–изыскательские работы.
Задание на проектирование составляется при непосредственном участии проектной организации, так как качество выполнения проекта в значительной степени зависит от тщательности и глубины составления задания.
При передаче в проектную организацию задания на проектирование заказчик представляет проектировщикам необходимые исходные данные и материалы. К ним относятся: данные о существующих в районе будущего строительства других сооружениях, подземных и наземных коммуникациях, документация по отводу земель под строительство, данные по строительному оборудованию и т. д. Объем и сроки представления исходных данных определяются договором заказчика с проектной организацией.
В обязанности заказчика входят, кроме того: наблюдение за сроками проектирования и выполнением изыскательских работ; прием проектно–сметной документации с проверкой качества ее исполнения; представление проектных материалов на утверждение.
Проектная организация обязана защищать проект перед экспертной комиссией и утверждающей инстанцией. Проектирование обычно ведется комплексно с обязательной увязкой технологической, строительной, электротехнической, сантехнической и других частей проекта.
Непосредственная ответственность за исполнение проекта возлагается на главного инженера проекта, назначаемого руководством проектной организации
Проектирование ведется в соответствии с действующими строительными нормами и правилами (СНиП), техническими условиями, указаниями, инструкциями и нормативами (ТУ, СН, ВТУ и др.).
В проектах должны учитываться новейшие достижения отечественной и зарубежной науки и техники, обеспечивающие наиболее высокие технико–экономические показатели при наименьших капитальных вложениях и эксплуатационных затратах.
Проектирование тоннелей осуществляется обычно в две стадии – вначале составляется и утверждается технически проект, а на второй стадии на основе утвержденного технического проекта разрабатываются рабочие чертежи. Состав проектной документации для обеих стадий проектирования определяется действующими эталонами.
В техническом проекте решаются все основные вопросы строительства на основании технико–экономического обследования местных условий. При этом должны быть установлены: экономическая целесообразность, техническая возможность и сроки строительства; план, профиль и габариты тоннеля; места расположения порталов, конструкции обделок; способы производства работ, места расположения строительных площадок; источники снабжения электроэнергией, водой, местными строительными материалами; необходимый объем вспомогательных и культурно–бытовых объектов и сооружении; сметная стоимость и технико–экономические показатели строительства.
В пояснительной записке к техническому проекту приводятся краткие сведения по всем частям проекта с обоснованием принятых технических решений, а в сводной смете технико–экономические обоснования и показатели – сметная стоимость 1 м тоннеля, стоимость 1 м2 сооружения и др.
Чертежи технического проекта включают план и профиль тоннеля, портал, конструкции обделок, схему и конструкции дренажных и водоотводных устройств, план–график строительства, комплексный укрупненный сетевой график, генеральный план строительных площадок, схемы электроснабжения с подстанцией, оповестительной и заградительной сигнализации, местной связи.
Утвержденный технический проект со сводной сметой является основанием для финансирования строительства, заказа оборудования и механизмов и разработки рабочих чертежей.
Рабочие чертежи разрабатываются проектной организацией на основе утвержденного технического проекта и выдаваемых заказчиком технических данных по заказанному оборудованию.
В рабочих чертежах обеспечивается уточнение и детализация всех разделов технического проекта, необходимые для осуществления строительных и монтажных работ, включая установку оборудования и устройство коммуникаций.
При выполнении рабочих чертежей отступления от технического проекта допускаются лишь в тех случаях, когда они улучшают принятые ранее конструкции, технологические процессы и технико–экономические показатели.
Рабочие чертежи выдаются строительной организации комплектно в установленные графиком сроки. Как правило, чертежи на объем строительства очередного года должны быть выданы до 1 сентября года, предшествующего строительству.
Рабочие чертежи включают: общеувязочные чертежи (разрезы, планы), на которых указывается расположение основных конструкций, оборудования, коммуникаций, сантехнических, электротехнических устройств и т. д.; деталировочные чертежи всех элементов конструкций, сооружений и оборудования.
К рабочим чертежам прилагаются ведомости потребности в основных строительных материалах и конструкциях.
По всем разделам проектов, требующим согласования с другими ведомствами и местными организациями, должны быть получены соответствующие письменные согласования.
При составлении технического проекта и рабочих чертежей необходимо стремиться к максимальному использованию утвержденных типовых решений и конструкций, разработанных на основе последних достижений науки, техники и практики строительства.
Вариантное проектирование
Метод вариантного проектирования заключается в том, что наиболее значительные проектные решения принимаются путем обоснованного выбора их из ряда составленных вариантов, сравниваемых между собой по присущим им достоинствам и недостаткам. Этот метод широко используется в отечественной практике проектирования тоннелей всех назначений. Применение его гарантирует от случайных, иногда ошибочных выводов и обеспечивает оптимальность принимаемых решений, что способствует повышению эффективности капиталовложений в тоннельное строительство.
Обязательным условием правильного использования метода вариантного проектирования является равноценность сравниваемых вариантов по обеспечению выполнения задач, поставленных перед сооружением в целом или его отдельным проектируемым элементом. Поэтому нельзя, например, проводить сопоставление двухпутного и однопутного тоннелей, но можно сравнить тоннель, строящийся сразу под два пути с двумя однопутными тоннелями, сооружаемыми в два этапа, соответственно перспективе развития перевозок на дороге.
Также важны равная степень обследования местных условий и одинаковый уровень технической разработанности для каждого варианта. Недопустимо, в частности, сравнивать варианты расположения тоннеля на местности разработанные в одном случае на основе данных полевых изысканий, а в другом по мелкомасштабной топографической карте. Сомнительными получились бы и результаты сопоставления двух систем вентиляции тоннеля, из которых одна апробирована практикой, а друга я еще не вышла из стадии лабораторных исследований.
Перечень вопросов, которые охватываются варьированием при проектировании тоннелей, широк и разнообразен. В общем случае возможны следующие варианты: размещения путей или рядов автомобильного движения; расположения тоннеля в плане и по высотным отметкам; формы и числовых параметров продольного профиля и плана трассы; длины тоннеля и расположения его порталов; системы вентиляции и размещения вентиляционных устройств и сооружений; материала обделки, конструкции и гидроизоляции тоннеля на различных участках; системы водоотвода и характера освещения; способов производства работ и т. д.
При разработке проекта конкретного сооружения количество вариантов резко уменьшается, так как, например, назначение тоннеля или его расположение на местности и ряд других особенностей могут быть безоговорочно определены заданием на проектирование, а некоторые логически согласуемые технические задачи имеют и взаимосвязанные определенные проектные решения.
Варьирование в процессе разработки проектов новых тоннельных сооружении производится, как правило, от общего к частному. Это означает, прежде всего, что оптимальный способ преодоления высотного препятствия или водной преграды выбирается в тесной связи с выбором варианта общего направления пути сообщения и с учетом всего комплекса местных условии.
Так, например, еще на заре отечественного тоннелестроения инж. Г. Ф. Перрот, проектируя Каунасский железнодорожный тоннель, первый в России – проводил тщательное сопоставление тоннельного варианта участка трассы, позволявшего подойти к берегу реки Неман на сравнительно низких отметках, с вариантом линии без тоннеля, который зато требовал постройки длинного и высокого моста через ту же реку.
Вообще, первым объектом варьирования при проектировании тоннеля во многих случаях является парадоксальный вопрос: нельзя ли обойтись без построения тоннеля, всегда относящегося к разряду наиболее сложных и дорогих искусственных сооружений на путях сообщения. Поэтому, проектируя подводный тоннель через водную преграду, обязательно сопоставляют его с вариантом мостового перехода или с другими типами переправ; необходимой частью проекта горного тоннеля будет сравнение тоннельного участка трассы с бестоннельным вариантом, включающим в зависимости от местных условий открытую выемку или обход; выбирая тип сооружения для развязки в разных уровнях пересечения уличных магистралей, проводят сравнение транспортного или пешеходного тонне я с надземным мостом–путепроводом.
После установления типа сооружения переходят к разработке вариантов для определения отметок горного тоннеля или уточнения местоположения подводно–тоннельного перехода.
Горные дороги характеризуются значительной высотой над уровнем моря, косогорностью, большой разностью отметок на отдельных участках и сложностью возведения земляного полотна, искусственных сооружений, станций и разъездов. Высокое расположение тоннеля в горных условиях вызывает необходимость устройства сложного развития трассы и применения более крутых предельных участков, чем при проектировании подошвенных тоннелей. Намечаемая отметка тоннельного пересечения зависит от назначения дороги, топографии и геологических условий местности. В общем виде можно сказать, что чем больше размеры перевозок, тем больше оснований понижать расположение тоннеля. Увеличение его длины при этом полнее компенсируется сокращением длины трассы, а следовательно, и эксплуатационных расходов.
При проектировании подводных тоннелей один из вариантов обычно располагается вблизи от прямого направления линии и обеспечивает наименьшую длину трассы, а другие – в стороне, но с лучшими показателями непосредственно перехода (искусственного сооружения). Варианты тоннелей по способу производства работ, конструкции, роду материалов и прочим особенностям разрабатываются и сопоставляются после фиксации местоположения и согласования каждого из возможных решений с остальными взаимосвязанными элементами проекта транспортной магистрали и прежде всего с трассой и ее строительно–эксплуатационными показателями.
Характерный пример внимательного отношения к выбору места расположения и трассы тоннельного перехода через водную преграду можно найти в проекте железнодорожного тоннеля под р. Волгой на линии Н. Новгород (ныне г. Горький) – Котельнич (рис. 1.5). Принятое после обстоятельного изучения пяти вариантов решение о пересечении реки Волги на 3 км выше по течению от места впадения в нее реки Оки (вариант II) обеспечивало наиболее благоприятные перспективы развития прилегающего большого железнодорожного узла. Одновременно достигалось заметное сокращение длины железнодорожной линии, пропускавшейся к тому же по мало застроенной территории и пересекавшей Волгу там, где ее русло и поймы наиболее сужаются.
Рис. 1.5 – Варианты трассы железнодорожного подводно–тоннельного перехода через р. Волгу
Вариант I имел перед другими некоторые топографические преимущества: переход приходился на участок реки с хорошо сформированным руслом и неширокой левобережной поймой. В то же время выбор его значительно удлинил бы железнодорожную линию, был связан с большим сносом строений, а также излишними строительными и эксплуатационными расходами. Те же, но еще ярче выраженные недостатки имел вариант III, пересекавший на правом берегу ярморочную и пристанскую территорию. Неблагоприятными были условия и на левой сильно развитой пойме, изрезанной озерами и песчаными косами. Направление паводковых течений по ней отклонялось на большой угол от руслового потока, а непосредственное соседство вливающихся вод реки Оки должно было сказываться сильным уменьшением поверхностных и средних скоростей течения и отложения передвигающихся наносов.
Варианты перехода, расположенные ниже устья реки Оки (IV и V), были связаны со значительным увеличением длины и стоимости строительства тоннеля, который пришлось бы прокладывать под рекой с почти удвоенным живым сечением по сравнению с верховыми створами. Кроме того, эти варианты очень существенно усложняли железнодорожную сеть в пределах Нижегородского узла, требовали сооружения моста через реку Оку и усложняли линию по главному направлению Москва–Котельнич на 40–50 км с соответствующим увеличением стоимости строительства и эксплуатационных расходов.