СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ
METHOD TO ERECT UNDERWATER TUNNELS

Подводные тоннели через реки предпочтительное распространение получили при наличии паводков и мощных ледоходов, проходящих при высоких уровнях воды, неустойчивости русла, а также по требованиям градостроительного характера. Перечисленные факторы присущи северным рекам, преимущественно берущим начало в южных широтах и впадающим в северо-восточные моря. Поэтому данное изобретение относится к подземным и подводным сооружениям и может быть использовано при строительстве автомобильных и железнодорожных тоннелей, проходимых под водоемами, преимущественно в условиях криолитзоны.
Известен способ сооружения подводных тоннелей на дамбе, включающей проходку подземного участка тоннелей, строительство рампы, закрытой части тоннеля под водой на дамбе [Конюхов Д.С. Использование подземного пространства. Учеб. пособие для ВУ3-ов. - М.: Архитектура. - 2004. - 296 c. - C.148-156].
Недостатком способа является ограниченная область применения, преимущественно при пересечении глубоких водных преград, а также наличие возможных помех и препятствий для судоходства.
Известен также способ сооружения подводных тоннелей, заглубленных в дно, включающий вначале проходку наклонного участка тоннелей, затем подводного участка и комплекса работ по оборудованию тоннелей водоприемниками, насосной станцией и креплению их стенок [Конюхов Д.С. Использование подземного пространства. Учеб. пособие для ВУ3-ов. - М.: Архитектура. - 2004. - 296 с. - С.149-153].
Недостатком способа является высокая стоимость строительства, преимущественное применение при широком водотоке с плоскими и низкими берегами, при преодолении мелких водных преград и ложе водотока, образованной из толщи слабых грунтов.
Известен способ возведения подводных тоннелей, включающий проходку наклонных и горизонтальных выработок, создание выработки арочной формы или раскрытии выработок по частям, крепление стенок и свода тоннеля монолитным бетоном и водоотведение с помощью дренажных лотков [Волков В.П. Тоннели и метрополитены. - М.: Транспорт. - 1975. - 542 с. - С.244-246].
Недостатком такого способа является ненадежность конструкции, которая не обеспечивает полную гидроизоляцию тоннелей от проникновения вод.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ сооружения подводных тоннелей, включающий проходку наклонных и горизонтальных выработок, создание выработки арочной формы, крепление ее стенок и свода монолитным железобетоном, оклеечную наружную гидроизоляцию из битумной мастики, рампу и водонепроницаемый затвор, водоотведение с помощью дренажных лотков [Волков В.П. Тоннели и метрополитены. - М.: Транспорт. - 1975. - 542 с. - С.70-73].
Недостатком способа является низкая эффективность горнопроходческих работ и слабая надежность гидроизоляции тоннеля в условиях криолитизоны, где постоянно идут процессы фазовых колебаний температуры природной среды, сопровождающиеся постоянными оттайками и промораживанием вечномерзлых пород.
Целью изобретения является обеспечение эффективности горнопроходческих работ и повышение надежности гидроизоляции тоннеля.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способа сооружения подводных тоннелей, его длину разделяют на участки с открытым и подземным способами проходки, причем на открытом участке строят наклонную въездную траншею при минимальном уровне воды в реке техникой открытых работ, в конце траншеи сооружают подковообразной формы защитный бордюр из железобетона, возводят стенки, арочный свод тоннеля с оснасткой, поверх которых укладывают гидроизоляционную рубашку из синтетического материала тайпар и засыпают вынутым грунтом, проходку подводного участка тоннеля ведут в щадящем режиме проходческими комбайнами встречными забоями до стыковки их на проектной отметке, а проскоки воды в тоннель собирают в зумпфе с последующей откачкой насосами через скважины на поверхностную нагорную канаву, соединенную с водоемом.
В предлагаемом способе новыми признаками в сравнении с прототипом являются:
- создание новой технологической схемы сооружения подводных тоннелей с применением комбинаций подземных и открытых горных выработок;
- использование нового принципа возведения наклонного участка тоннели путем проходки глубокой въездной траншеи с сооружением в ее конце подковообразной формы бордюр из железобетона;
- использование для условий криолитозоны нового гидроизоляционного материала тайпар в конструкции тоннеля, устойчивого к фазовым колебаниям температуры окружающей среды после вскрытия вечномерзлых пород;
- создание новой схемы удаления проскоков воды из тоннеля через дренажный лоток, зумпф, скважина, нагорная канава и водоем.
Все указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов сооружения подводных тоннелей под водоемами и обеспечивают следующие усиленные новые положительные свойства:
- применение комбинаций открытых и подземных выработок сокращает сроки строительства подводных тоннелей;
- использование наклонной траншеи с защитным подковообразным бордюром из бетона снижает общие затраты на строительство тоннелей и защищает их от затопления при подъеме уровня воды в реке;
- защита тоннеля от просачивающейся воды с помощью гидроизоляционной рубашки из синтетического материала тайпар обеспечивает надежность конструкции в условиях криолитозоны;
- новая схема удаления проскоков воды из тоннеля снижает затраты на водоотлив благодаря исключению специальной дорогостоящей схемы водоотведения;
- применение скважины и нагорной канавы в схеме водоотлива улучшает экологическую ситуацию в регионе благодаря сбросу незагрязненной воды в речную сеть.
Способ поясняется чертежами. На фиг.1 - схема расположения подводного тоннеля в плане; на фиг.2 - поперечное сечение подводного тоннеля; на фиг.3 - продольный профиль подводного тоннеля; на фиг.4 расчетная схема определения объемов работ по сооружению подводного тоннеля.
Способ осуществляется следующим образом.
Сооружения подводного тоннеля 1 начинают при минимальном уровне воды 2 в реке 3 (фиг.1). Проходят с противоположных берегов реки въездные траншеи 4, вынутый при этом грунт складируют в отвалы 5 на борту траншеи. В конце въездной траншеи возводят подковообразной формы защитный бордюр 6 из железобетона выше максимального уровня воды 7 в реке. Причем проходку въездной траншеи 4 ведут с применением техники открытых горных работ - экскаваторами или погрузчиками с вывозкой пород автосамосвалами на борт траншеи. После проходки и формирования въездной траншеи возводят стенки 8 и арочный свод тоннеля 9 из монолитного железобетона (фиг.2), после которого поверх его укладывают гидроизоляционную рубашку из синтетического материала тайпар 10 и засыпают вынутом грунтом 5, восстанавливая первоначальный рельеф поверхности 11 (фиг.3). Проходку подводного участка тоннеля ведут двумя встречными забоями 12 с применением техники подземных работ - проходческими комбайнами. В процессе проходки подводного участка тоннеля создают зумпфы 13 для сбора просачивающейся в тоннель воды, которая стекает по дренажному лотку 14. Вода из зумпфов 13 перекачивается насосами через скважины 15 в нагорную канаву 16, откуда она самотеком выливается в речную сеть.
Техническая сущность и преимущества нового технического решения раскрыты на примере проходки подводной тоннели через реку в условиях экстремального климата криолитзоны Севера.
Исходные данные для расчетов приняты следующие:
р
- ширина реки, Ш=3 км;
т
2
- площадь поперечного сечения автомобильной тоннели, S=83,25 м (см. ниже);
т
°°
- угол наклона тоннели на наклонном участке, α=6°=10°/;
3
3
о
- стоимость выемки 1 м горных пород открытым способом, с=3,41 долл./м;
3
3
п
- стоимость рсзработки 1 м горных пород подземным способом, с=10,23 долл./м;
3
3
э
о
- стоимость переэкскавации 1 м горных пород из расчета, с=0,2·с=0,7 долл./м.
Расчетная схема определения объемов работ по сооружению подводного тоннеля приведена на фиг.4.
Расчеты выполнены в следующей последовательности:
т
1. Общая длина подводного тоннеля, L,
т
г
н
L=L+2L,
г
н
г
р
где L, L - соответственно длина горизонтального и наклонного участков тоннелей, км, L=Ш=3 км:
н
г
т
L=Н·α,
г
Н - глубина заложения тоннеля, м;
г
б
p
з
H=h+h+h,
б
б
p
p
з
з
h - высота берега реки, м, h=20 м; h - средняя глубина реки, м; h=8 м; h - глубина заложения тоннеля от дна реки, м; h=14 м;
н
г
т
L=Н·α=(20+8+14)·10=420 м,
т
откуда L=3000+2·420=3840 м.
2. Обоснование параметров автодорожной тоннели.
В качестве примера принят двухполосный автомобильный тоннель, площадь поперечного сечения которого согласно нормативным данным литературы [Волков В.П. Тоннели и метрополитены. - М.: Транспорт. - 1975. - 542 с. - С.63-65] вычисляется по формуле:
т
т
т
S=Ш·H,
т
где Ш - ширина двухпутного автомобильного тоннеля, м;
т
Н - средняя высота тоннеля, м.
т
Ш - 8 м + 8 м + 1 м + 1 м + 0,25 м + 0,25 м = 18,5 м,
где 8 м - ширина проезжей части в одном направлении, м;
1 м - ширина служебного тротуара, м;
1 м - зазор между автомобилями при двухполосном направлении, м;
0,25 м - ширина защитной полосы с обеих сторон проезжей части, м.
т
Средняя высота автомобильного тоннеля, Н=4,5 м, тогда,
т
т
т
2
S=Ш·Н=18,5·4,5=83,25 м.
г
3. Объемы работ по проходке подводного участка тоннеля - V,
г
г
т
2
3
V=L S=3000 м·83,25 м = 249750 м.
н
4. Объемы работ по проходке наклонного участка тоннеля - V,
н
но
нп
V=V+V,
но
3
где V - объемы работ по проходке наклонного участка тоннеля, выполняемые открытым способом, м;
нп
3
V - объемы работ по проходке наклонного участка тоннеля, выполняемые подземным способом, м.
Открытым способом проходится участок тоннеля в виде въездной траншеи на глубину до уровня воды в реке.
Тогда объемы работ по ее проходке будут равны:
но
но
б
тр
·
V=L·h/2Ш,
но
где L - длина въездной траншеи, м;
тр
тр
Ш - ширина въездной траншеи, м, Ш=30 м.
но
б
т
L=h·α=20·10=200 м
но
3
V=200·20/2·30=60000 м.
нп
Длина наклонного подземного участка тоннеля - L,
нп
н
но
L=L-L=420-200=220 м.
Объемы работ по проходке наклонного подземного участка тоннеля,
нп
нп
т
3
V=2·L·S=2·220·83,24=36626 м.
Следовательно,
н
но
нп
3
V=V+V=60000+36626=96626 м.
пт
5. Затраты на проходку тоннеля - З:
пт
по
пп
З=З+З,
по
где З - затраты на проходку участка тоннеля, выполняемую открытым способом, долл.;
пп
З - затраты на проходку участка тоннеля, выполняемую подземным способом, долл.,
по
о
по
З=С·V=3,41·60000=204600 долл.
пп
п
пп
З=С·V=10,23·36626=374684 долл.
п
о
3
где С≃З·С=3,41·3=10,23 долл./м,
пт
откуда, З=204600+374684=579284 долл.
6. Затраты на сооружение тоннельных обделок.
Принята конструкция обделки из монолитного бетона, основные параметры которой согласно литературы [Волков В.П. Тоннели и метрополитены. - М.: Транспорт. - 1975. - 542 с. - С.69-77] составили:
- толщина обделки из бетона, m=0,6 м;
3
- объем бетона на 1 пог. м обделки, ΔV=8,9 м.
б
т
Тогда общий расход бетона Q для сооружения подводной тоннели длиной L=3840 м равен,
б
т
Q=L·ΔV+ΔQ,
3
где ΔQ - расход бетона для выполнения проезжей части тоннеля толщиной Δh=0,15 м, м;
т
т
3
ΔQ=Δh·Ш·L=0,15·18,5·3840 м = 10656 м,
б
3
Q=3840·8,9+10656=44832 м.
б
Затраты на укладку бетона З составят:
б
б
б
б
З=С·Q=Q·44832=4,53 млн долл.
б
где С - стоимость укладки 1 м бетона, долл.,
б
3
3
С=101 долл./м (3032 руб./м по данным ОАО «Якутцемент»).
2
3
2
Затраты на гидроизоляцию путем покрытия тоннельных обделок тайпаром определены из расчета стоимости 1 м пленки равной 1,43 долл./м (43 долл./м). При этом использование тайпара в качестве армирующего полотна крепи тоннеля повышает надежность гидроизоляции не только за счет присущих ему свойств, но и приобретения дополнительных положительных качеств:
- тайпар не гниет и не разлагается;
- обладает высокой стойкостью к раздиру и прокалыванию, химической стойкостью и фильтрующими свойствами;
- увеличивает сроки работоспособности конструкций;
- не впитывает воду и выполняет армирующую функцию;
- оказывает препятствие проникновению мелких частиц в конструкции, а осаждение большого количества их на поверхности создает непроницаемую пленку;
- повышает прочность гидроизоляции при укладке его совместно с битумной эмульсией.
т
7. Расчет затрат на покрытие тоннеля тайпаром производится следующим образом. Расход тайпара на 1 пог. м выработки Р составит:
т
т
т
Р=2Ш+2Н=2·18,5+2·4,5=46 м.
т
На всю длину тоннеля LT расход тайпара ΣР равен:
т
т
т
2
ΣР=Р·L=46·3840=176640 м.
Тогда затраты на покрытие тоннеля тайпаром будут равны:
т
т
т
З=ΣР·С,
т
т
2
2
2
где С - стоимость 1 м пленки тайпар, С=1,43 долл./м (43 руб./м).
т
З=176640·1,43=252595 долл.
то
Общие затраты на сооружение тоннельных обделок - З,
то
б
т
З=З+З=4530000+252595=4782595 долл.
Суммарные затраты на сооружение тоннеля:
тон
пт
б
т
З=З+З+З=579284+4530000+252595=5361879 долл.=5,36 млн долл.
тон
З=5,36 млн. долл. = 178,7 млн руб.
Ожидаемая экономическая эффективность от внедрения подводной тоннели рассчитана в соответствии с мостовым переходом. Согласно источника [Андросов А.Д., Семенов В.А., Захаров Ю.В. Целесообразность строительства подземных тоннелей под рекой Лена. - М.: МГГУ. - 2006. - ГИАБ №2. - С.175-179] стоимость 1 км моста с двухполосным автомобильным движением составит 0,5 млрд руб. Тогда стоимость моста длиной в 3 км будет равна:
м
С=3,0 0,5=1,5 млрд. руб. = 50 млн долл.
Следовательно, ожидаемое снижение капитальных затрат от внедрения подводного тоннеля - Э, составит:
м
т
Э=С-С=50,0-5,36=44,6 млн долл.
В таблице 1 приведены сравнительные технико-экономические показатели внедрения рекомендуемого варианта строительства тоннеля под водоемами в условиях криолитзоны.
Таблица 1
Основные технико-экономические показатели строительства подводного тоннеля в сопоставлении с мостовыми переходами
№№ п/п
Наименование показателей
Традиционный вариант (мост)
Рекомендуемый вариант (тоннель)
1
Ширина реки, км
3,0
3,0
2
Длина моста, км
3,0
-
3
Длина тоннеля, км
-
3,84
4
Затраты на проходку двухполосного автомобильного тоннеля, тыс. долл.
397,056
5
Затраты на сооружение тоннельных обделок из бетона, тыс. долл.
4782,6
6
Затраты на покрытие тоннеля гидроизоляционным материалом (тайпар), тыс. долл.
252,595
7
Суммарные затраты на сооружение тоннеля, млн долл.
5,36
8
Затраты на строительство двухполосного автомобильного моста, млн долл.
50,0
9
Ожидаемое снижение капитальных затрат от внедрения подводного тоннеля, млн долл.
44,6
Следовательно, ожидаемое снижение капитальных затрат от внедрения подводного тоннеля составило 44,6 млн долл., т.е. 1 км длины тоннеля по сравнению с мостовым переходом обеспечивает снижение капитальных затрат на 11,61 млн долл. В расчетах не учтены эксплуатационные затраты, поскольку они практически одинаковые в обоих вариантах и не окажут существенного влияния на снижение эффективности тоннельных переходов.