ТОННЕЛЬ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ
SHALLOW TUNNEL IN SOFT WATER-SATURATED GROUND CONDITIONS

Изобретение относится к области строительства, а точнее, к строительству тоннелей.
Известны тоннели глубокого заложения, которые прокладывают при слабых верхних напластованиях в устойчивых грунтах на большой глубине (А.Н. Драновский, А.Б. Фадеев, Подземные сооружения в промышленном и гражданском строительстве. Изд. Казанского университета, 1993 г., стр.30, рис.2.11). Конструкция тоннелей глубокого заложения и технология строительства хорошо известны и успешно применяются в настоящее время. Однако сооружение тоннелей глубокого заложения требует больших трудозатрат и материалоемкости, помимо этого связь тоннелей глубокого заложения с поверхностью осуществляется с помощью эскалаторов или лифтов, которые представляют собой достаточно сложные механизмы, надежность которых может обеспечиваться только большими затратами при эксплуатации. Системы энергоснабжения и вентиляции тоннелей глубокого заложения также представляют собой сложную и весьма затратную систему.
Известны также тоннели мелкого заложения (А.Н. Драновский, А.Б. Фадеев, Подземные сооружения в промышленном и гражданском строительстве, Изд. Казанского университета, 1993 год, стр.31, Рис.2.13). Тоннели мелкого заложения представляют собой менее сложные подземные сооружения, для эксплуатации таких тоннелей не требуется эскалаторов и мощных вентиляционных систем, кроме того, расширяется область применения тоннелей, т.к. не только возможно строительство метро-тоннелей, но и тоннели для скоростного трамвая, автомобильного транспорта, а также для устройства коммуникационных тоннелей.
Вместе с тем, города, в которых применяются тоннели, как правило, располагаются в непосредственной близости от водоемов. Берега и территории, прилегающие к ним, образованы напластованиями слабых водонасыщенных грунтов, которые при малой прочности зачастую под воздействием вибрационных и динамических нагрузок расструктуриваются, раструктерируются, теряют прочность и легко деформируются.
Таким образом, следует заключить, что строительство транспортных тоннелей мелкого заложения является наиболее перспективным направлением в тоннелестроении только при решении проблемы устойчивости основания.
В настоящее время для повышения устойчивости грунтовых оснований известны различные варианты: замораживание, тампонаж (нагнетание цементного раствора, битума, синтетических скол и т.п.).
Однако замораживание имеет высокую стоимость, значительно повышает трудозатраты и не может проводиться на длительное время на весь период эксплуатации сооружения, а тампонаж имеет локальный эффект и при мощных напластованиях слабых грунтов не может быть использован. Наиболее близким конструктивным решением, которое может решить проблему надежности тоннелей мелкого заложения, является конструкция каркаса здания, возводимого вблизи существующих зданий (Решение Роспатента о выдаче патента на изобретение по заявке №2009129347/03 (040845), дата подачи заявки 29.07.2009, Автор Белый А.Г. и др.). Конструкция каркаса здания образована свайным основанием и несущими консольными конструкциями, Сваи-стойки помещены в полые трубы, установленные в верхнем слабом водонасыщенном грунтовом основании, а пространство между внешней поверхностью свай-стоек и внутренней поверхностью полых труб загермитизировано компенсаторами, при этом сваи-стойки нижними концами опираются на нижележащий слой грунтового основания с высокими физико-механическими свойствами. Каркас здания усилен безраскосными фермами.
Вместе с тем, представленная конструкция не может быть применена для строительства транспортных тоннелей мелкого заложения, поскольку при разработке не учтено влияние динамических нагрузок, возникающих при движении транспорта вибрация, инерционные и тормозные нагрузки). Следует также отметить, что динамические нагрузки могут привести к расструктуриванию слабых водонасыщенных грунтов и к непредсказуемым осадками грунтового основания.
Таким образом, в настоящее время нет удовлетворительного технического решения по надежной конструкции тоннелей мелкого заложения в слабых водонасыщенных грунтах, в связи с чем предлагается новая конструкция в которой обделка тоннеля представляет собой пролетные строения образующие эстакады и сваи-стойки, которые помешены в полые трубы, установленные в верхнем слабом грунтовом основании, а пространство между внешней поверхностью свай-стоек и внутренней поверхностью полых труб загерметизированы компенсаторами, при этом сваи-стойки своими нижними концами опираются на нижележащий слой с высокими физико-механическими характеристиками; сваи-стойки для восприятия динамических нагрузок объединяются перекрестными связями, образуя геометрически неизменяемую систему, при этом связи закреплены верхними концами к верхним частям свай-стойки, а нижними концами к грунтовым анкерам, которые закреплены в грунтовом основании с высокими физико-механическими свойствами. Пролетные строения эстакады дополнительно опираются на термо и виброизолирующее основание, уложенное непосредственно на грунт, в результате чего снижается уровень динамических нагрузок на слабое грунтовое основание, вследствие чего не произойдет расстуктурирования грунта.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана принципиальная схема тоннеля мелкого заложения (Разрез А-А): 1 - пролетное строение, образованное из тоннельной обделки и образующее эстакаду, которая опирается на сваи-
, помещенные в полые трубы - 3 и заглубленные в грунтовое основание повышенной прочности 4, при этом полые трубы - 3 размещены только в верхнем слабом слое грунтового основания -5, а пространство между внешней поверхностью сваи 2 и внутренней поверхностью полой трубы 3 загерметизирована компенсаторами - 6; для восприятия инерционных и тормозных нагрузок в продольном и поперечном направлении установлены (фиг.2, разрез Б-Б) перекрестные связи с грунтовыми анкерами 7; которые заделаны в грунтовом основании повышенной прочности 4; пролетное строение 1 дополнительно опирается на термо и виброизолирующее основание 8, которое препятствует расструктурированию слабого грунтового основания - 5 при вибрации от движения транспорта, кроме того, пролетное строение - 1 дополнительно опирается на упругое основание.
Таким образом, задачи, поставленные при разработке новой конструкции тоннелей мелкого заложения, в основном, решены.
Следует отметить, что устройство свайного опирания пролетных строений представляет собой относительно несложную и хорошо известную технологическую операцию (см. например, А.С. Силин, Н.М. Глотов, В.И. Карпинский, Фундаменты опор мостов из сборного железобетона. Изд. Транспорт, М. 1954). В настоящее время для слабых водонасыщенных грунтов разработаны и применяются новые конструкции и технологии для устройства свайных оснований в условиях существующей плотной застройки (см. например, Р.А. Мангушев, А.И. Осокин, Геотехника Санкт-Петербурга, Изд. Ассоциации строительных вузов, М. 2010).
Также следует отметить, что строительство транспортных тоннелей глубокого заложения под мощным напластованием слабых грунтов, поскольку сооружение эскалаторов или лифтов не только затратно, но и является сложной геотехнической проблемой, особенно в условиях существующей застройки.
Предложенная конструкция тоннеля стабилизирует напряжения и деформации слабого грунтового основания при строительстве в сейсмических районах, так как элементы конструкции усилят основание как косвенная арматура.
Также предложенная конструкция может быть использована в районах вечной мерзлоты, поскольку оттаивание мерзлого грунтового основания не явится аварийной ситуацией, а какие-либо осадки основания могут быть восполнены засыпкой качественной печано-гравийной смесью.