Как строят туннель под рекой. Эффективные способы строительства тоннелей

-=Репортаж о Метро=-

В этом году Московскому метро исполняется 80 лет. Официальный день рождения столичной подземки отмечается 15 мая (тогда метро впервые открылось для жителей города), но первый технический состав прошел уже в феврале. Любопытный факт: в первый год с момента открытия стоимость проезда постоянно снижалась. Сперва с 50 копеек до 40, а затем и вовсе до 30.

Строительство первой линии било не то что мировые рекорды, оно выходило за пределы человеческих возможностей. Ветку общей протяжённостью 11,6 км, с 13 станциями и всем комплексом сооружений, было решено построить за три года. Для адских и авральных работ было привезено несколько тысяч заключенных, хотя и без них нашлось немало людей, готовых внести лепту в амбициозное сооружение. Все операции в шахтах - разработка, погрузка и размельчение породы, откатка вагонеток - производились без помощи машин. Сегодня эти первые станции красной ветки - одни из самых красивых и величественных, настоящее сердце московского метрополитена.

А как происходит рождение новых станций сегодня? Конечно, никто не ставит коммунистических рекордов, и не привлекает к работам осужденных. Тем не менее, строительство тоннелей глубоко под землей остается сложнейшей задачей. Об этом я подготовил большой и интересный пост.

Для начала стоит пояснить: станции метро бывают двух типов - мелкого и глубокого заложения. Первые строят в открытом котловане, для вторых роют шахту, и ведут все работы на большой глубине. Под катом я покажу оба типа на примере будущих станций московского метро - Петровского парка и Фонвизинской...

Станция Петровский парк - мелкого заложения. Видно, что глубина котлована не более 4-х этажей, некоторые подземные парковки находятся куда глубже. Распорки между противоположными стенами котлована называются расстрелы, они предотвращающую осыпание во время строительства:

3.

Место для эскалатора. Хотя, судя по высоте, тут могли бы обойтись и ступеньками:

4.

Станция планируется двухэтажной. Балконы по сторонам платформы чем-то напоминают те, что на Комсомольской:

5.

Петровский парк - строящаяся станция будущего Второго кольца метро , которое пересечет все существующие радиальные ветки, но ближе к окраинам Москвы:

6.

Тоннель метро сооружается тонеллепроходческим механизированным комплексом (ТПМК), работа которого напоминает движение червя под землей . По легенде, на идею изобретения проходческого щита английского инженера Марка Брюнеля навели наблюдения за движениями корабельного червя, прокладывающего себе дорогу в дубовой щепке. Изобретатель заметил, что только лишь голова моллюска покрыта жесткой раковиной. С помощью ее зазубренных краев червь буравил дерево. Углубляясь, он оставлял на стенках хода гладкий защитный слой извести. Взяв этот принцип за основу, Брюнель запатентовал большой чугунный проходческий щит, который проталкивают под землей домкратами. Затем тоннель обкладывают тюбингом - это такой элемент крепления подземных сооружений:

7.

Тюбинг для станций мелкого залегания представляет собой изогнутые бетонные плиты. Состыковка абсолютно герметична:

8.

Землю вывозят специальным составом:

9.

Кажется, по техническим рельсам особенно не накатаешься, но даже у такой элементарной "электротележки" куча элементов управления:

10.

По словам строителей - на этом участке в основном глинистая почва:

11.

Краном цепляют каждый вагон и поднимают на поверхность:

12.

13.

Землю высыпают в специальную яму, откуда несколько раз в день ее увозят на грузовиках.

Если не вдаваться в детали, на этом технология строительства мелких станций и заканчивается: щит прокладывает тоннель, а в открытом котловане в это время идет обустройство платформы и технических помещений будущей станции. Другое дело - станция глубокого заложения...

14.

Станция Фонвизинская сегодня выглядит так. Это "дырка" в земле, на дне которой угадываться туннель будущего эскалатора:

15.

Схема станции и линий метро на городской схеме:

16.

Строительная площадка очень компактная. Это не удивительно - главная стройка идет под землей:

17.

Желтое здание стоит прямо над стволом шахты. Этот колодец ведет прямиком к подземным работам:

18.

Как видно на схеме (вид сверху), ствол шахты находится не над самой станцией, а немного в стороне. Колодец опускается метров на 60, и копают его вручную. Удивительно, но других технологий нет, только отбойный молоток и лопата.

Технические тоннели (выработки). Метро не начинают строить сразу с платформы станции. Сначала роют временные тоннели, которые идут вокруг будущей станции. По этим тоннелям вывозят землю и заводят оборудование.

Станционные тоннели. По ним будет ходить подвижной состав. Тоннелей два - в одну сторону, и в другую.

Платформа. Большой и высокий тоннель, из которого впоследствии сделают платформу станции. Его края граничат с тоннелями поездов.

Тягово-понизительная подстанция (ТПП). Важнейший стратегический элемент всего метрополитена, который подает напряжение на рельсы и, собственно, обеспечивает движение поездов.

19.

Начальник участка подробно объясняет устройство станции на проекте, после чего мы спускаемся по землю, чтобы увидеть все своими глазами:

20.

Левая и права клеть - это лифты в колодце шахты. По ним поднимают и людей, и оборудование:

21.

Лифтами управляют люди из соседнего здания, где установлена гигантская лебедка. Обратите внимание на тормозные диски, очень похожи на автомобильные:

22.

Клеть опускается и поднимается очень быстро - 3 метра в секунду. Дверей нет, есть ручки за которые можно держаться при движении. Кнопок, как в домашнем лифте тут нет, все управляется вручную людьми (все-таки, не в подвал спуститься):

23.

24.

Под землей работает от 800 до 1000 человек. Каждый сотрудник имеет свой номер и фишку на общем стенде. При спуске он обязан повернуть фишку красной стороной, а при выходе - зеленой. Таким образом, в случае ЧП можно моментально определить сколько человек находится в шахте и кто именно:

25.

Мобильники под землей не работают, вся связь ведется через такие аппараты - шахтофоны. Выглядит просто и надежно, как советский танк:

26.

Внизу этот аппарат выглядит так. Сомневаюсь, что через восьмерку можно выйти на межгород:

27.

Первое, что видим, спустившись под землю - технологический тоннель. Его, а также все остальные подходные выработки засыпят после окончания строительства. Все временные тоннели оснащаются рельсами; грузы, инструменты и землю перевозят по ним:

28.

Секции с рельсами собираются словно детская железная дорога. Да и выглядят примерно так же, только в масштабе 1:1

29.

По миниатюрным рельсам движутся миниатюрные электропоезда. Если в детстве вы фанатели от железной дороги - обязательно приходите сюда работать:)

30.

Питаются они, как трамваи от электропровода, и лучше к нему не притрагиваться руками:

31.

Вагончики носятся довольно энергично:

32.

Рельсы ведут прямо в лифты, откуда вагон можно отправить на поверхность. Есть технический отсек, куда поднимают вагончики и опорожняют в специальный контейнер (его потом увозят на утилизацию). Огромный ершик слева сгребает грязь с поворотного механизма:

33.

Еще один технологический тоннель опоясывает станцию. Его тоже ликвидируют на финальном этапе, а пока тут ездят тележки:

34.

По нему мы попадаем в главную зону - будущую платформу станции. В отличие от станции мелкого заложения, тут используют не бетонный тюбинг, а чугунный, способный выдержать сильнейшее давление:

35.

Стягиваются элементы вот такими болтами:

36.

Три тоннеля, соединенных между собой проходами - скелет будущей платформы станции:

37.

38.

Центральный тоннель, в котором будет перрон немного больше, чем тоннели с поездами:

39.

Станции глубокого залегания не "копают", а прокладывают с помощью направленных взрывов. Тонеллепроходческий щит на этой станции бесполезен, грунт очень плотный.

Это конец платформы, откуда пойдет эскалатор на поверхность:

40.

Хоть на фото непонятно, это диагональный тоннель эскалатора, который ведет вверх:

41.

42.

Справа чугунные трубы, через которые пойдет электрика:

43.

Самый высокий тоннель - ТПП, высотой на три этажа:

44.

Женщины под землей не работают. Спуститься могут лишь в одном случае, если женщина - маркшейдер (специалист по проведению пространственно-геометрических измерений в недрах земли):

46.

Перед тем как вернуться в лифт, нужно обмыть сапоги от грязи:

47.

А это станция Котельники. Она почти готова, осталось только навести финальный марафет. Уже этой весной она примет первых пассажиров:

48.

Турникеты. Пока есть возможность проходить без карточки:

49.

Эскалаторы. С одной стороны идут отделочные работы:

50.

С другой стороны уже все готово:

51.

Освещение работает "вполсилы", но с открытием станции тут станет намного светлее:

52.

Поскольку станция неглубокая, платформенная ее часть похожа на железобетонную коробку:

53.

При этом перегонный тоннель круглый и выложен бетонным тюбингом (он прокладывался с помощью проходческого щита):

54.

Все стены в коммуникациях и проводах:

55.

ТПП есть и в Котельниках. Это святая святых, строго режимный объект. Пока он не работает, нам разрешили войти внутрь. Внешне этот узел, откуда подается ток на ближайшие линии, ничем не примечателен. Потолки низкие, часто приходилось идти в три погибели:

56.

Это конечная станция, и тут происходит разворот составов. Я представлял себе некоторую линию полукругом, на которой поезда разворачиваются в обратную сторону. В реальности, конечно, все происходит иначе:

57.

Поезд заходит в тупик, машинист выходит из головы состава и идет по технической платформе в другой конец. Вот и весь "поворот".

В час пик, когда много людей и требуется максимальная частота движения, машинисты меняются еще быстрее: в прибывший состав садится машинист предыдущего, а тот, что вышел - идет в другой конец, чтобы сменить следующего:

58.

Вдалеке уже горит свет платформы:

И наконец главный вопрос, который меня волновал долгое время - где ночуют поезда? Оказывается, составы выстаиваются в шеренгу от тупика, и растягиваются аж на три станции метро от конечной!

60.

P.S. По словам руководства Стройкомплекса, в этом году планируется построить не менее 12 км новых линий метро, и открыть 8 новых станций (Котельники и Фонвизинская в их числе). Подробно с планами строительства новых станций можно ознакомиться

Московские власти очень гордятся количеством и темпами строительства новых станций метро. В ближайший год они планируют открыть ещё шесть. Сейчас завершаются работы на станциях «Тропарёво», «Румянцево» и «Саларьево», которые продлят Сокольническую линию на юго-запад. Их откроют или в конце 2014-го, или в начале 2015 года.

Следующие в очереди - три станции на Люблинско-Дмитровской линии после «Марьиной рощи». По планам мэрии, их введут в эксплуатацию в 2015 году. Но строители не называют точные сроки. Дело в том, что, в отличие от большинства строящихся сейчас станций, «Бутырская», «Фонвизинская» и «Петровско-Разумовская» будут расположены глубоко под землёй. Такой способ строительства и сложнее, и дороже мелкого заложения. Власти стараются отказаться от него там, где это возможно. Кроме станций Люблинско-Дмитровской линии, в будущем планируют открыть только одну станцию глубокого заложения - «Нижнюю Масловку» на Втором кольце (ТПК). The Village побывал на станции «Фонвизинская» и узнал, что такое «сказочный грунт» и «переболтёжка» и как украинский кризис сказался на темпах строительства.

Фотографии

Иван Анисимов

«Фонвизинская» расположится в пяти-десяти минутах ходьбы от метро «Тимирязевская», на пересечении Огородного проезда, улиц Фонвизина и Милашенкова, ровно под станцией монорельса «Улица Милашенкова». Пересесть с одного вида транспорта на другой можно будет через специальный переход.

Планируемый пассажиропоток в часы пик - семь тысяч человек в час. Всего за день - 55 тысяч человек. Рядом со станцией построят транспортно-пересадочный узел, многофункциональные комплексы с офисными центрами, многоуровневые и перехватывающие парковки и надземную пешеходную зону.

Ведёт работы «Мосметрострой» под контролем единого оператора строительства метро «Мосинжпроекта». Они начались в 2011 году с прохождения шахтного ствола. Это капитальная горная выработка с выходом на поверхность. С её помощью пробивают дорогу к подземной части станции. По ней потом поднимают и спускают породу, материалы и оборудование. Строители тоже спускаются на станцию по стволу на специальном лифте.

После спуска попадаешь в лабиринт тоннелей. Он появился в результате проведения проходческих работ. По словам начальника участка Павла Калимуллина, сейчас на «Фонвизинской» они завершены уже на 91 %. Осталось поставить 30 колец в левом тоннеле (около 22,5 метра) и в так называемом наклонном ходе. Там будут располагаться эскалаторы. По плану установка колец завершится к 15 ноября. Одно кольцо в среднем устанавливают три дня. Чтобы его установить, породу взрывают, а потом вывозят на специальных тележках.

Калимуллин утверждает, что на «Фонвизинской» грунт «как в сказке». Поэтому проходческие работы завершили практически за год, что считается небывалым успехом для такого типа станций. Повезло, что тут очень крепкий известняк, обрушений почти не бывает, мало воды. А вот на строящейся по соседству второй «Петровско-Разумовской» вода однажды залила станцию почти по колено. Бригадир слесарей-монтажников горнопроходческого оборудования Сергей Тюрин вспомнил, что около 30 лет назад при проведении взрывных работ на «Полянке» рабочие нарвались на водяную линзу. Это небольшое подземное озеро. Воды было столько, что людей пришлось эвакуировать и выбираться со станции чуть ли не вплавь. Оборудование затопило. Тогда проблему устранили, протянув туда трубопровод большого диаметра. Глубинные насосы выкачивали воду и выплёвывали её в Москву-реку.

Проходческие работы - это первый этап строительства. Второй - гидроизоляция. Гидроизоляция состоит из трёх частей: чеканки, контроля нагнетания и переболтёжки. Сейчас на некоторых участках идёт именно этот процесс - замена болтов. Сначала ставят жёсткие металлические шайбы, чтобы не было деформации. А потом меняют их на асбобитумные, которые не пропускают воду. Сейчас дно станции практически полностью в воде. Её выкачают, и после проведения гидроизоляционных работ она туда попадать перестанет.

На «Фонвизинской» гидроизоляция уже идёт, но пока не очень активно. Начальник работ пожаловался The Village, что к Новому год ему нужно набрать 150 чеканщиков, чтобы работать сразу на всех участках станции.

Одновременно идёт «раскрытие проёмов». Сейчас площадка строительства разбита на три части - правую, среднюю и левую станции. Средняя - это то место, где будет расположена платформа. Правая и левая - место будущих путей. На станции их диаметр - 8,5 метра, в перегонах - 5,49. Проёмы будут расположены между ними, чтобы пассажиры могли попадать с платформы в поезда.

Третий этап строительства после гидроизоляции - возведение основных конструкций. Сюда входят отделка станции, подведение путей, установка эскалаторов - всё, что приведёт станцию в привычный пассажирам вид.

Но кое-что останется за кадром. Например, блок технических помещений. Он идёт параллельно с одним из тоннелей на протяжении 150 метров. Там находится сердце станции - трансформаторы, подстанции и всё, что необходимо для её функционирования.

Не видны пассажирам и чугунные тюбинги - чуть ли не главный элемент для строительства метро. Ими отгораживают станцию от грунта, и они отвечают за отсутствие деформаций. Тюбинги производят в Днепропетровске. Когда на Украине начался кризис, из-за задержки поставок строительство остановилось на 15−20 дней. Сейчас темпы восстановлены. Поэтому, по словам Павла Калимуллина, «Фонвизинскую», скорее всего, успеют сдать в 2015 году. Если, конечно, непредсказуемые подземные недра не преподнесут какой-нибудь сюрприз. Вот как она должна выглядеть:

Строительство тоннелей мелкого заложения под дорогами, насыпями, дамбами, а также на застроенных городских территориях открытым способом сопряжено с необходимостью устройства объездных дорог, длительным закрытием пересекаемых магистралей и другими нарушениями поверхностных условий.

С целью минимизации этих нарушений в практике тоннелестроения находит применение траншейный вариант полуоткрытого способа, предусматривающий, в первую очередь, возведение конструкций по технологии «стена в грунте», на которые опирают перекрытие тоннеля. После обратной засыпки перекрытия восстанавливают поверхностные условия, а затем закрытым способом разрабатывают грунтовое ядро и возводят лотковую плиту .

С применением траншейного способа построены многочисленные транспортные тоннели и подземные сооружения мелкого заложения в крупных городах Европы, Америки и Японии. В г. Москве таким способом сооружены автотранспортные тоннели на Ленинском проспекте и проспекте Мира, подземный гараж на улице Эйзенштейна, многофункциональные подземные комплексы на Манежной площади и Софийской набережной и др. .

В последние десятилетия разработаны новые модификации полуоткрытого способа, основанные на использовании плоского или сводчатого перекрытия, опирающегося непосредственно на грунт, фундаменты из свай или массив закрепленного грунта. Под защитой перекрытия по технологии горного способа раскрывают тоннельную выработку и возводят обделку из набрызг-бетона, усиленного сплошными или решетчатыми арками. На рис. 11 показана технологическая последовательность сооружения тоннеля полуоткрытым способом.

Рис. 11 Технологическая последовательность сооружения тоннеля полуоткрытым способом: 1 - вскрытие котлована; 2 - устройство защитного свода; 3, 4, 5 - поэтапное раскрытие выработки

Такой способ сочетает в себе достоинства и недостатки открытого и закрытого способов работ и наиболее эффективен и экономичен в полускальных и мягких грунтах средней и слабой устойчивости при глубине заложения тоннеля от 2 до 12 м, причем с ее увеличением стоимость строительства снижается примерно на 25%.

В плотных и устойчивых грунтах, позволяющих опереть на них свод тоннеля, весьма эффективна разновидность полуоткрытого способа - так называемый «кернтнерский» способ, получивший наибольшее распространение в Австрии и Германии .Последовательность технологических операций при «кернтнерском» способе представлена на рис. 12.

Рис. 12 Последовательность технологических операций при «кернтнерском» способе: 1 - котлован;2 - свод; 3 - грунт обратной засыпки; 4 - грунтовое ядро; 5 - обделка стен и обратного свода

При глубине заложения тоннеля свыше 2 - 3 м и значительных нагрузках устраивают сводчатое перекрытие переменной жесткости с усиленными пятами. Его бетонируют на грунте или с использованием опалубки. В первом случае котлован разрабатывают вначале до шелыги свода, а затем профилируют в соответствии с очертанием последнего. Такую технологию применяют в достаточно плотных грунтах, способных воспринимать давление от свода и обратной засыпки. При наличии мягких слоев их удаляют, заменяя тощим бетоном. До бетонирования перекрытия на грунт укладывают пластиковую пленку, чтобы предотвратить сцепление с ним бетона, и ставят арматурные каркасы. Если несущая способность грунтов недостаточна для восприятия давления от свода, котлован вскрывают до уровня пят свода и устанавливают стационарную или передвижную опалубку. После набора бетоном требуемой прочности выполняют гидроизоляцию свода, засыпают оставшимся от вскрытия котлована грунтом и восстанавливают дорожную одежду над тоннелем. Дальнейшие работы ведут под сводом по технологии нового австрийского способа. Грунт разрабатывают экскаватором или тоннельной машиной со стреловым рабочим органом и удаляют автомобилями-самосвалами. Калотту проходят с опережением штроссы на 20 - 40 м.

По мере раскрытия профиля тоннеля наносят покрытие из набрызг-бетона, армированного стальными сетками или арками. После стабилизации деформаций контура выработки, определяемых приборами, разрабатывают лотковую часть и бетонируют обратный свод. Своевременное замыкание контура выработки значительно повышает степень ее устойчивости. В последнюю очередь возводят вторичную обделку из набрызг-бетона или монолитного бетона в передвижной опалубке.

Для повышения надежности сопряжения свода со стенами тоннеля под его пяты до бетонирования укладывают стальную ленту и прокладки из стир опора; после бетонирования во время раскрытия выработки устанавливают стальные арки, сопрягая их с арматурным каркасом пят.

В соответствии с вышеизложенной технологией полуоткрытого способа строительства многократно меняются условия статической работы свода, что необходимо учитывать при его расчете. Так, после его возведения конструкция практически не испытывает напряжений. Если свод устраивают в опалубке, в нем возникают напряжения от массы конструкции, а по окончании засыпки - от массы грунта и временной нагрузки. После разработки калотты свод работает, в основном, в поперечном направлении как бесшарнирная арка с упругим опиранием на грунт. В процессе разработки штроссы происходит перераспределение напряжений в своде и его работа приобретает пространственный характер. После возведения оболочки из набрызг-бетона вновь изменяется напряженное состояние свода: к продольным напряжениям (по мере твердения бетона) добавляются поперечные.

Впервые эту разновидность полуоткрытого способа применили в 1978 - 1979 гг. при строительстве автотранспортного тоннеля в г. Кернтене (Австрия). Четыре участка длиной 30 -50 м и площадью поперечного сечения 85 - 125 м 2 пройдены под защитой сводчатого перекрытия. По этой же технологии сооружены автотранспортные тоннели в гг. Бохуме, Бад-Бертрихе и Зингене, а также тоннели метрополитена в г. Кельне(Германия) .

В г. Бохуме тоннель проложен в разрушенных от тектонических воздействий песчаниках и сланцах. На глубине до 4,5 м сверху располагался культурный слой, песок, щебень и грубый шлам. Работы вели на четырех участках общей длиной 350 м. Аналогично вели проходку тоннелей в гг. Бад-Бертрихе и Зингене. При строительстве метрополитена в г. Кельне на участке длиной 505 м (410 м перегонных и 95 м станционных тоннелей) прежде всего по технологии «стена в грунте» устраивали ограждение котлована, под защитой которого разрабатывали грунт на глубину 4 м от поверхности земли и бетонировали перекрытие; под его защитой после обратной засыпки и восстановления движения транспортных средств проходили тоннели.

В слабоустойчивых грунтах применяют так называемый метод «рамной крепи», при котором для опирания пят свода устраивают искусственные фундаменты из стальных или железобетонных свай, по верху которых возводят обвязочную балку. Разработанный известным австрийским ученым Г. Зауэром метод предусматривает поэтапное строительство подземных сооружений мелкого заложения в следующей технологической последовательности (рис. 13).

На I этапе на участке длиной 50 - 100 м вскрывают неглубокий котлован с естественными откосами или креплением стен до низа перекрытия подземного сооружения. Дно котлована может быть плоским или криволинейным в соответствии с очертанием перекрытия, которое чаще всего выполняют арочной формы. В первом случае конструкция свода бетонируется в специальной опалубке, а во втором - непосредственно на грунте.

Работы II этапа включают устройство фундаментов сводчатого перекрытия из наклонных буровых свай, располагаемых по направлению радиуса кривизны свода в его пятовых сечениях. Конструкция и параметры свай определяются необходимой несущей способностью с учетом действующих нагрузок и прочностно-деформационных свойств грунтов в основании.

Рис. 13

На III этапе устанавливают арматурные каркасы и бетонируют свод на грунтовой или деревометаллической опалубке. После необходимой выстойки бетона свод покрывают гидроизоляционным и защитным слоями и засыпают грунтом, восстанавливая поверхностные условия над строящимся подземным сооружением.

Работы IV этапа предусматривают проходку подземной выработки под сводом закрытым способом. В зависимости от свойств грунтов и размеров поперечного сечения подземного сооружения могут быть реализованы технологии сплошного или ступенчатого забоя, нижнего уступа или нового австрийского способа (НАТМ).

По мере разработки и удаления грунта возводят обделку из монолитного бетона или набрызг-бетона, усиленного в случае необходимости сплошными или решетчатыми стальными арками. Таким образом, основные работы по проходке подземной выработки ведутся по хорошо известной и отработанной технологии с повышенной степенью безопасности под прикрытием ранее забетонированного свода, что благоприятно отражается на темпах строительства. Так, по данным практики, темпы возведения свода составляют 200 - 400 м/мес., а проходки - 150 - 300 м/мес.

Однако основные достоинства метода «рамной крепи» заключаются в том, что достигается быстрое восстановление движения транспортных средств над строящимся подземным сооружением, сводятся к минимуму перекладки подземных коммуникаций, нарушения грунтового массива и поверхности земли, сокращаются сроки производства работ. Это технически простое и эффективное решение впервые было применено на строительстве тоннеля у г. Бад-Бетриха. Под пяту свода заранее подвод или фундаменты из буровых свай с обвязкой, которую объединяли со сводом.

В настоящее время по такой технологии сооружаются отдельные участки железнодорожного тоннеля Дернбах длиной 3,3 км .На северном участке тоннеля, проходящем на мелком заложении, в перемежающихся песчаниках и кварцитах с прослойками глины и ила, железобетонный свод опирали на буронабивные сваи длиной до 30 м и диаметром 1 м. Свод возводили в котловане с естественными откосами, с одной стороны, и ограждающей заанкеренной в грунт стенкой, с другой стороны.

Аналогичным образом сооружали центральный участок тоннеля под автомагистралью А48 на глубине от 4до 8 м. Движение транспортных средств было прервано на две недели. На южном участке свод тоннеля также опирали на буровые сваи диаметром 1 м и длиной до 30м.

В ряде случаев свод опирают на наклонные микросваи диаметром 0,4 - 0,6 м и длиной 4 - 6 м, устраиваемые по дну котлована. Сваи предназначены не только для восприятия усилий со свода, но и для крепления стен тоннеля во время подземной экскавации грунта. Такую технологию применили при строительстве тоннелей метрополитена вг. Бразилиа (Бразилия) в сложных инженерно-геологических условиях (сжимаемые и неустойчивые водоносные грунты) при глубине заложения около 3 м .

Микросваи из стальных двутавровых балок высотой 20,32 см и длиной 5 - 9 м погружали вибратором, закрепленным на стреле экскаватора. Свод бетонировали на грунте и частично в опалубке. Выработку раскрывали сплошным и ступенчатым забоем и закрепляли стальными арками и набрызг-бетоном.

При строительстве тоннелей в неустойчивых грунтах свод опирают на массив из закрепленного глубинным инъецированием грунта (цементным раствором, жидким стеклом с хлоридом кальция или синтетической смолой). При недостаточном боковом отпоре грунта, а также смещениях свода в горизонтальном и вертикальном направлениях свыше допустимых величин, последний закрепляют стальными затяжками, что возможно только при бетонировании его в опалубке. После завершения всех работ затяжки снимают.

Для устройства опорных элементов весьма перспективен метод струйной цементации, обеспечивающий быстрое и надежное закрепление как связных, так и несвязных неустойчивых грунтов.

При заложении тоннелей на глубине 2 - 4 м вместо сводчатого часто устраивают плоское перекрытие, устойчивость которого повышают, опирая его концы на короткие наклонные буровые сваи или столбы из искусственно закрепленного грунта. Таким образом, можно сооружать одно- и двухпролетные тоннели. В последнем случае по мере раскрытия профиля выработки в средней части устанавливают промежуточный ряд колонн или сплошную стенку. Схемы сооружения однопролетного и двухпролетного тоннелей с плоским перекрытием представлены на рис. 14.

Новая разновидность полуоткрытого способа - «зиллертальский» способ - был разработан и реализован австрийской фирмой «Бетон и Мониербау» на строительстве тоннеля Бретфол длиной1,33 км на трассе федеральной автомагистрали В169 (Германия) . На южном участке тоннеля длиной 60 м свод из монолитного железобетона опирали на стены из буросекущихся свай, которые доходили до поверхности земли, что позволило сократить размеры котлована.

Технологическая последовательность работ показана на рис.15. В первую очередь возводили стены из буросекущихся свай, а затем вскрывали котлован с криволинейной подошвой до низа сводчатого перекрытия.

Рис. 14 Схема сооружения тоннелей с плоским перекрытием: а - однопролетный тоннель; б - двухпролетный тоннель; 1 - бетонирование перекрытия; 2 - вскрытие котлована; 3 - устройство наклонных стенок; 4 - тоннельная выработка; 5 - плита перекрытия; 6 - обратная засыпка

Последнее возводили из монолитного железобетона, упирая его в стены из буро-секущихся свай. Далее работы вели по традиционной технологии полуоткрытого способа, разрабатывая грунтовое ядро и бетонируя обратный свод.

«Зиллертальский» способ предусматривает иную статическую работу конструкции тоннеля по сравнению с «кернтнерским». Распор свода передается на стены из буровых свай, компенсируя активное боковое давление грунта в верхней части стен. После разработки грунтового ядра свод удерживается силами трения. Для увеличения сил трения между сводом и стеной в последнюю заделывают стальные стержни диаметром 36 мм и длиной 60 мм.

Рис. 15 Технологическая последовательность работ при «Зиллертальском» способе строительства: 1 - конструкция, выполненная по технологии «стена в грунте»; 2 - котлован; 3 - свод; 4 - грунтовое ядро; 5 - внутренняя обделка тоннеля

Таким образом, перекрытие тоннеля, а также обратный свод работают как арочные распорки, что исключает необходимость заанкеривания стен в грунт.

Опыт применения различных модификаций полуоткрытого способа работ показал его надежность и безопасность. Основные горнопроходческие операции выполняются открытым способом под защитой перекрытия с высокой степенью жесткости и несущей способности как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Скорость строительства составляет 200 - 400 м/мес. при устройстве перекрытия и 150 - 300 м/мес. При проходке и креплении выработки. Достигается быстрое восстановление движения транспортных средств над строящимся тоннелем, сводятся к минимуму перекладка подземных коммуникаций, нарушения грунтового массива и поверхности земли, уровень шума и вибрации, сокращаются сроки производства работ. Несмотря на некоторые недостатки, полуоткрытый способ может составить конкуренцию традиционным - открытому и закрытому, особенно при сооружении тоннелей мелкого заложения в слабоустойчивых грунтах.

Водоемы всегда создавали проблемы для инженеров. Сначала, реки были мощными помощниками торговли. Но рано или поздно, людям понадобилось попасть на другую сторону.

Такие лодки как паромы, были самым ранним и наиболее очевидным решением. В конце концов, инженеры начали строить мосты. Вскоре, однако, нашлись люди, которые захотели сделать тоннели под водоемы. Помимо того, что нанимать первоклассную команду кротов и бобров, как это могло быть сделано?

Работники открывали затворы по одному, чтобы прокопать несколько сантиметров грязи. После того, как был достигнут небольшой прогресс, весь щит будет продвинут вперед. За ним строят толстую кирпичную стену, которая станет оболочкой туннеля.

Это конечно была очень трудоемкая работа. Например, его работникам понадобилось девять лет (с 1825 по 1843), чтобы построить тоннель под рекой Темза в Лондоне длиной 365 метров. Он стал первым подводным тоннелем в мире.

Технология продвинулась далеко со времён Брюнеля. Сегодня подводные туннели создаются огромными тоннелепроходными машинами. Эти машины стоят миллионы долларов, но они могут создать большие туннели в очень короткое время.

Круглая пластина с дисковыми резаками вращается, чтобы прорубить скалу сантиметр за сантиметром, медленно и уверенно. Когда машина выкапывает туннель, то помогает укрепить стенки, которые в конечном итоге и являются поддержкой туннеля.

Франция и Англия использовали 11 массивных туннельных бурильных машин, чтобы создать всего через три рекордных года - три трубы, которые и составляют 51-километровый тоннель под Ла-Маншем. Тоннель называют Евро-туннелем или тоннелем под Ла-Маншем. Сейчас эти туннели соединяют две страны под водой.

Другой новый метод создания подводных тоннелей, траншейный метод. Чтобы использовать этот метод, строители роют траншею в русле реки или океана. Потом они топят готовые стальные или железобетонные трубы в траншею. После трубы засыпают толстым слоем породы, рабочие соединяют секции труб и откачивают оставшуюся в них воду.

Этот метод был использован для создания тоннеля Теда Уильямса, который соединяет южную часть Бостона с аэропортом Логан. 12 гигантских стальных труб, которые были потоплены в траншее была каждая 100 метров в длину и помещала в себе уже полностью готовую инфраструктуру!

Инженеры всегда придумывают новые идеи. На основе экспериментальных породо-режущих методов, завтра подводные тоннели могут быть построены с помощью высоконапорной струи воды, лазера или ультразвуковой машины.

Новые технологии могут помочь в строительстве туннелей, которые когда-то казались невозможными. Например, некоторые инженеры хотели бы построить Трансатлантический тоннель, чтобы соединить Нью-Йорк с Лондоном. 4960-километровый туннель мог бы предоставить место поезду, который смог бы проехать со скоростью 8000 километров в час. Путешествие, которое сейчас занимает 7 часов на самолете когда-нибудь может занять менее одного часа!

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.