СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ТОННЕЛЯ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ НА ДНЕ АКВАТОРИИ
METHOD FOR ARRANGEMENT OF SHALLOW SUBWAY AT WATER AREA BOTTOM

Настоящее изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к технологии прокладки автодорожного тоннеля, либо тоннеля иного назначения под руслом реки или под дном иной мелководной акватории. Преимущественно оно может быть использовано для укладки готовых секций тоннеля и стыковки их с уложенной ранее частью тоннеля. Особенностью является то, что строительные и монтажные работы могут выполняться независимо от рельефа дна и скорости течения при глубинах воды до 10 и более метров. При этом минимизируется опасность для жизни людей и степень воздействия на окружающую среду по сравнению с проведением в данных условиях этих работ другими способами.
Известно авторское свидетельство СССР №1067142, МКИ Е02D 5/20, опубликованное в БИ № 2, 1984 г., выданное на изобретение «Система для временного осушения участка дна». В нем раскрыт способ возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории. Этот способ включает создание временного гидротехнического ограждения из набора оболочек, образуемых, например, из металлического шпунта. Из них каждую по мере увеличения глубины акватории возводят поэлементно по периметру замкнутого в плане избранного участка дна и формируют замкнутый в плане огражденный участок акватории. Затем из огражденного пространства удаляют воду и далее внутри него на дне сухим способом производят строительные работы по возведению тоннеля. По их завершению гидротехническое ограждение поэлементно демонтируют с возможным последующим использованием ее элементов.
Это известное техническое решение имеет существенные недостатки, которые заключаются в том, что:
- используют много составных элементов, имеющих различную форму, и из которых в водной среде образуют замкнутую ограждающую конструкцию непосредственно на участке дна, что требует длительного строительного периода;
- сформированное временное гидротехническое ограждение не может быть использовано в качестве вертикально нагружаемой конструкции для обеспечения процесса строительства тоннеля внутри ограждения.
Известно изобретение «Способ возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории» (см. Патент РФ №2252300, E02D 29/063, Е02В 17/00, опубл. 2005.05.20). Он включает образование временного гидротехнического ограждения по периметру замкнутого в плане участка дна и удаление воды из огражденного пространства, выполнение внутри него строительных работ сухим способом с последующим демонтажом гидротехнического ограждения. Особенностью этого известного способа является то, что первоначально изготавливают единое с управляемой плавучестью гидротехническое ограждение без донной части. Потом его транспортируют и выводят на трассу тоннеля и притапливают до дна путем уменьшения его плавучести. Фиксируют на дне с помощью фиксаторов и системы якорей. При этом верхнюю часть гидротехнического ограждения, размещенную над уровнем воды, выравнивают по горизонту и размещают на ней крановое оборудование и площадки для временного складирования строительных материалов. Затем возводят шпунтовые стенки внутри огражденного пространства. Потом удаляют воду из огражденного пространства, разрабатывают донный грунт путем отрывки котлована, а затем создают несущее свайное поле тоннеля, на котором размещают сборные или монолитные железобетонные секции тоннеля. После проведения работ внутри огражденного пространства гидротехническому ограждению возвращают исходную плавучесть.
Это известное техническое решение выбирается в качестве прототипа, так как направлено на решение аналогичной задачи, что и заявляемый способ возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории. Кроме того, данное изобретение является последней разработкой по тематике предлагаемого технического решения и имеет с ним наибольшее число совпадающих существенных признаков. Однако прототип имеет существенные недостатки, которые заключаются:
- в необходимости выравнивания положения с управляемой плавучестью гидротехнического ограждения без донной части в горизонтальной плоскости;
в сложности позиционирования гидротехнического ограждения без донной части, хотя и с управляемой плавучестью, на точке при наличии течений, что связано с необходимостью его удержания и балластировки при погружении, особенно на глубину 5 и более метров;
- в допустимости возникновения флаттера (эффекта падающего листа), когда имеется сильное течение воды;
- в трудностях решения задач по транспортировке и позиционировании такого гидротехнического ограждения из-за наличия сильных порывов ветра и больших волнений, что обусловлено огромными габаритами указанного ограждения.
Таким образом, прототип не позволяет оперативно возводить тоннель мелкого заложения на дне акватории и требует повышенного расхода средств на свое применение.
Задачей является создание нового способа возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории с достижением следующих технических результатов:
- сократить время на возведение упомянутого тоннеля;
- уменьшить трудозатраты на его возведение;
- улучшить условия для маневрирования технологическим процессом при возведении тоннеля мелкого заложения на дне акватории.
Задача решена следующим образом. В известном способе возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории, включающем использование единого с управляемой плавучестью средства без донной части, вывод этого средства на трассу возведения тоннеля, позиционирование и фиксацию на выбранном на ней месте с помощью фиксаторов, выравнивание по горизонту, возведение на дне акватории замкнутого в плане участка путем ограждения его пространства с помощью шпунтовой стенки, выборку из него донного грунта с созданием несущего поля тоннеля с размещением на нем сборных или монолитных секций тоннеля, а после проведения работ внутри огражденного пространства его демонтируют и единое с управляемой плавучестью средство без донной части перемещают на следующее место на трассе возведения тоннеля и цикл повторяют. Согласно настоящему изобретению, в качестве единого с управляемой плавучестью средства без донной части используют самоподъемную с майной по средине плавучую баржу (СПБ), на которой в качестве фиксаторов используют четное количество, не менее четырех опускаемых опор, обеспечивающих при необходимости подъем СПБ на высоту, исключающую воздействия волновых нагрузок на корпус СПБ, направляющие (тавры), расположенные вертикально по внутренним стенкам майны с возможностью заглубления в грунт, и кессоны, выполненные с возможностью взаимодействия с направляющими путем перемещения по ним при погружении и подъеме каждого кессона с помощью кранового оборудования, входящего в состав СПБ, а также шпунт, размещенный на СПБ и с возможностью его заглубления с внутренней стороны кессонов, вывод СПБ на выбранное место на трассе возведения тоннеля осуществляют самоходом и/или с помощью буксиров, позиционирование и фиксацию СПБ над упомянутым местом акватории ведут с помощью опускаемых опор, которыми задают высоту СПБ над уровнем акватории, обеспечивающую требуемый клиренс при максимальном подъеме уровня воды и возможной высоты волн, возведение на дне акватории замкнутого в плане участка путем ограждения его пространства с помощью шпунтов ведут путем создания над ним колодца, который образуют из кессонов, поочередно погружая их один на другой по направляющим, расположенным по внутренним стенкам майны СПБ, и герметично соединяя между собой, при этом нижнюю кромку первоначально погруженного кессона заглубляют в дно акватории на глубину, соответствующую верхней поверхности секции тоннеля, расположенной на дне акватории в месте фиксации положения СПБ, затем внутри этого колодца заглубляют шпунт в грунт дна на величину, превышающую высоту секции тоннеля, формируют границу выема грунта, после выбора грунта из огражденного шпунтом пространства создают несущее поле и размещают на нем секцию тоннеля, после чего пространство между секцией и шпунтом заполняют песком и монтируют на секции каркас, засыпают его балластировочным материалом и уже затем производят демонтаж и СПБ переводят на новое место возведения тоннеля.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет получить способ, для достижения следующих технических результатов, как-то: упростить и повысить надежность обустройства тоннеля, обеспечить формирования соответствующих звеньев тоннеля на дне акватории.
По данной теме заявителем проведен патентно-информационный поиск, который показал, что заявляемая совокупность существенных признаков не известна. Поэтому данное техническое решение можно признать новым.
Существенные отличия заявляемого способа возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории, включающего использование единого с управляемой плавучестью средства без донной части, по сравнению с прототипами заключаются в том, что применен набор кессонов. Их поштучно монтируют между собой и опускают и поднимают по направляющим, размещенным по стенкам майны СПБ. Это позволяет в вертикальном направлении наращивать из кессонов соответствующее сооружение для выполнения подводных работ и иметь жесткую конструкцию, противодействующую течениям и давлению воды в месте расположения этих кессонов на дне акватории. При этом с помощью кессонов обеспечивается формирование замкнутого в плане участка дна акватории с возможностью его осушения. Формирование шпунтовой стенки внутри такого колодца позволяет углубить пространство до проектной отметки и создать несущее поле для установки очередной секции тоннеля.
Предлагаемое изобретение обладает изобретательским уровнем, так как оно для специалиста средней квалификации логически не следуют из известного уровня техники. Так, например, из БСЭ, со ссылкой на следующую литературу: Зингоренко Г.И. и Силин Н.А. Гидромеханизация кессонных работ, М., 1949; Хализев Е.П., Выбор оптимального режима работы гидромеханизационных установок в кессонах, М., 1957; Правила безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (Кессонные работы), 2 изд., М., 1960, известно, что кессон (от франц. caisson - ящик) - ограждающая конструкция для образования под водой или в водонасыщенном грунте рабочей камеры, свободной от воды. Поступление воды в рабочую камеру предотвращается нагнетанием в нее сжатого воздуха. Кессон обычно сооружается на поверхности и погружается в грунт под действием собственного веса и веса надкессонного строения по мере выемки грунта. Кессон может опускаться с суши, с искусственного насыпного или намытого островка или с поверхности воды. Основная рабочая операция при опускании кессона - разработка и выдача на поверхность грунта. Скальные и твердые глинистые грунты разрабатываются взрывным способом или пневматическими инструментами. При проходке песчаных и поддающихся размыву глинистых грунтов работы ведутся средствами гидромеханизации, грунты размываются гидромониторами и удаляются из кессона. гидроэлеваторами. Гидромеханизация кессонных работ существенно сокращает количество работающих в К., уменьшает вредность производства и расход сжатого воздуха, ускоряет и удешевляет строительство. При кессонных работах компрессорная станция непрерывно подает в кессон сжатый воздух, поддерживая в нем необходимое воздушное давление. В зависимости от величины воздушного давления в рабочей камере, согласно правилам безопасности, должны проводиться мероприятия, предупреждающие возможность заболевания рабочих кессонной болезнью: регламентируется продолжительность рабочего дня, время шлюзования, т.е. перехода от атмосферного давления к рабочему, и вышлюзовывания (обратного процесса) и т.д.
В современном строительстве применяются железобетонные кессоны. Боковые стенки их (консоли) внизу заканчиваются стальным ножом, врезающимся в грунт в процессе опускания кессона. В верхнем перекрытии (потолке) имеются шахтные отверстия, над которыми монтируются шахтные трубы и шлюзовой аппарат, обеспечивающий доставку людей и материалов из зоны сжатого воздуха в зону атмосферного давления и обратно. После достижения ножом кессона проектной отметки рабочая камера полностью или частично заполняется бетоном или песком; иногда, при небольших эксплуатационных нагрузках и при прочном, малодеформируемом основании, рабочие камеры оставляют незаполненными.
Для подводных работ, не связанных с необходимостью заглубления в грунт (главным образом ремонтные и восстановительные работы в гидротехническом строительстве), иногда применяется съемный кессон - металлический или железобетонный ящик, открытый снизу (воздушный колокол) и опускаемый на дно. Сообщение с кессоном осуществляется с помощью вертикальных шахт, выводимых выше уровня воды.
Однако никто еще не формировал из кессонов вертикальный ствол для работы под водой и для осушения в огражденном им участке дна. Кроме того, в предлагаемых изобретениях кессоны опускают по направляющим, установленным по стенкам майны СПБ, что позволяет использовать устойчивое положение СПБ, имеющей фиксаторы своего положения в виде выдвижных опор и массы самой СПБ.
Известно судно типа СПБ «Судно - трубоукладчик (варианты) и способ прокладки трубопроводов (варианты)» (Патент РФ №2230967, F16L 1/19, опубл. 2004.06.20). Суть этого известного способа прокладки трубопровода с судна, которое выполняет функцию системы прокладки подводного трубопровода, заключается в том, что поочередно ведут соединения частей трубопровода в нитку с последующей ее укладкой на дно акватории через майну, имеющуюся на судне и расположенной по его середине. Но в этом судне майна не имеет направляющих, по которым можно было бы опускать последовательно два или более кессонов и соединять их герметично с возможностью последующего разъединения.
По сравнению с аналогами и прототипом заявляемый способ формирования замкнутого в плане участка дна акватории с возможностью его осушения отличается следующими признаками, как-то:
- плавучая система выполнена в виде судна или баржи с майной, имеющей размеры больше габаритных размеров, используемых кессонов и секций по укладке тоннеля;
на плавучей системе установлены выдвижные опорные колонны, позволяющие судну или барже занять над участком дна акватории жесткую позицию и по которым судно или баржа может подниматься или опускаться. Это позволяет уменьшить влияние волн и течения на процесс опускания и подъема кессонов по направляющим, установленным по внутренним стенкам майны СПБ.
- регулировать величину плавучести кессонов от отрицательного до положительного значения для увеличения нагрузки на ножи (нижней кромки нижнего кессона) при достижении ею заданной отметки или снижения нагрузки на краны в остальных случаях путем подачи в эти полости воздуха.
Наличие кранового оборудования на СПБ с достаточным вылетом стрелы дает возможность осуществлять не только операции по подъему/опусканию груза, но и осуществлять формирование шпунтовых стенок не только внутри майны, но и снаружи СПБ, что позволяет вести работы по прокладке тоннеля в непосредственной близости от берега.
Кроме того, данный способ позволяет формировать тоннель внутри огражденного пространства с обеспечением стыковки тоннельных секций между собой под разным углом разворота одной относительно другой, что достигается соответствующим позиционированием СПБ.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом, что подтверждается чертежами:
фиг.1 - схема позиционирования СПБ на месте укладки секции тоннеля;
фиг.2 - общий вид СПБ со сформированным колодцем;
фиг.3 - вид сбоку на СПБ со сформированным колодцем и шпунтовой стенкой;
фиг.4 - вид на ранее уложенную секцию и шпунтовую стенку с удаленным грунтом.
В сущности, данный способ реализуется следующим образом:
- ведут позиционирование СПБ на очередной точке монтажа секции тоннеля
- фиксируют положение СПБ на опорах на высоте, обеспечивающей необходимый клиренс при максимальном подъеме уровня воды и возможной высоты волн
- формируют колодец из кессонов
- заглубляют кессоны в грунт на глубину, соответствующую верхней поверхности секций тоннеля в данной точке
- формируют внутри кессонов границы выема грунта из шпунтов, заглубляемых на величину, превышающую (для исключения смещения нижней части шпунта внутрь) высоту секции тоннеля
- выбирают грунт, из огражденного шпунтом, для размещения секции тоннеля
- выравнивают дно углубления с подсыпкой гравия и монтажом несущего поля тоннеля из бетонных плит - снятие конструкции заглушки с торца предыдущей секции
- доставляют с завода железобетонные изделия монтируемой секции, ее опускают, стыкуют и сочленяют ее с предыдущей секцией
- монтируют конструкции заглушки на торце установленной секции
- заполняют пространства между секцией и шпунтом песком
- вынимают торцевую шпунтовую стенку
- монтируют бетонный каркас над секцией и засыпают его (для балластировки и исключения размыва) гравием
- заполняют до уровня дна образовавшуюся полость крупным песком
- демонтируют колодец и направляющие.
Для установки шпунтовой стенки, в пространстве которой будет размещаться следующая секция, по бокам торца укладываемой секции имеются шлицы для установки шпунта, а над самим торцом монтируется, в зависимости от условий строительства, постоянный или временный вертикальный козырек до уровня дна акватории, препятствующий осыпанию грунта (песка) при последующей выборке грунта из пространства, ограниченного шпунтовой стенкой.
Расстояние между каркасом для засыпки балласта и козырьком определяется в процессе проектирования с учетом возможной погрешности позиционирования СПБ.
Как следует из описания данного способа, процесс укладки секции осуществляется в 2 этапа.
Этап 1.
Плавучее средство 1 (фиг.1), изготовленное в заводских условиях в виде самоподъемной с майной 2 посередине плавучей баржи (СПБ) и размещенным на ней крановым оборудованием 3, имеет площадки 4 для временного складирования строительных материалов 5. На этой же СПБ 1 располагают фиксаторы 6 ее положения над местом 7 формирования замкнутого в плане участка 8 дна акватории 9 с возможностью его осушения. При этом в качестве фиксаторов 6 используют четное, не менее четырех, количество опускаемых опор, обеспечивающих при необходимости подъем корпуса СПБ 1 на высоту, исключающую воздействие волновых нагрузок на корпус СПБ 1. С внутренней стенки 10 майны 2 устанавливают направляющие (тавры) 11. Поверх палубы СПБ 1, например, на ее площадках 4 для временного складирования строительного материала располагают набор кессонов 12. Их изготавливают с возможностью взаимодействия с направляющими 11 путем перемещения по ним при их погружении с помощью кранового оборудования 3 на дно и при подъеме со дна, а так же с возможностью взаимодействия между собой с созданием герметичного в горизонтальной плоскости разъема 13 (фиг.2).
Для проведения строительных работ СПБ с помощью буксиров или самоходом выводят на место укладки очередной секции тоннеля, позиционируют и фиксируют положение СПБ с помощью фиксаторов, т.е. опор. Как уже отмечалось, в качестве фиксаторов 6 используют четное, не менее четырех, количество опускаемых опор, обеспечивающих при необходимости подъем корпуса СПБ 1 на высоту, исключающую воздействие волновых нагрузок и течения на корпус СПБ 1. После подъема СПБ на необходимый уровень над водой с помощью кранового оборудования через шлицы, расположенные на стенках майны, производят опускание направляющих 11 (фиг.2) на дно акватории, с помощью вибропогружателей - заглубление в грунт дна и опускание по ним кессонов 12, обеспечивая их герметичное соединение между собой 13 (фиг.2, 3).
Необходимо отметить, что:
1. Для позиционирования СПБ над местом проведения работ используются спутниковые системы (система GPS или GLONAS) или соответствующие реперы, а также магнитометрические и/или акустические датчики.
2. В случае необходимости для производства работ возможно использование воздушного колокола (гипербарической камеры), образованного кессонами и верхней крышкой со шлюзом (фиг.1).
3. Размеры майны в плане для производства перечисленных выше работ должны составлять примерно 10×15 м или, для сокращения времени на позиционирование, возможен вариант с майной, удлиненной примерно в 2 раза.
4. Конструктивной особенностью СПБ, отличающей ее от других типов систем, является наличие на стенках майны шлицов (направляющих) для фиксирования в горизонтальной плоскости погружаемых в грунт дна акватории балок, имеющих в поперечном сечении форму тавра.
Для обеспечения свободного скольжения погружаемых в дно балок эти шлицы должны иметь амортизированные ролики.
Конструктивные размеры и прочностные характеристики балок и шлицов должны определяться исходя из нагрузок, возникающих от течения воды и глубины акватории, на которой будет использоваться эта СПБ.
5. Кессоны, представляющие собой короба без дна и верхней крышки, должны иметь высоту, ориентировочно, около 4-5 м и обладать необходимой прочностью, которая обеспечивала бы устойчивость стенок кессонов при воздействии на них столба воды, соответствующего глубине акватории. При этом в качестве промежуточных опор внешние стенки кессонов должны иметь шлицы, аналогичные шлицам, расположенным на стенках майны. Величина зазоров между роликами кессонов и балками, погруженными в грунт, должна учитывать величину возможного смещения балок (стрелку прогиба).
6. Нижняя кромка нижнего кессона должна быть выполнена в форме ножа, с тем, чтобы при заглублении сопротивление грунта было минимальным. Верхняя кромка нижнего кессона и обе кромки остальных кессонов должны иметь прорезиненную или иную прокладку для обеспечения необходимой герметичности стыков между соединяемыми кессонами, которая обеспечивается специальными замками (фиксаторами), расположенными на внешней стороне кессонов.
7. Для соединения кессонов между собой в процессе их опускания и для разборки их - при подъеме на стенках майны должны быть предусмотрены поворотные или выдвигаемые в сторону стенок кессонов фиксаторы, на которые опираются горизонтальные ребра кессонов. Конструкция таких фиксаторов традиционная и не требует пояснения.
8. Для использования кессонов в качестве гипербарической камеры СПБ должна иметь компрессор, рассчитанный на создание в полости 1,5-2 атмосферы избыточного давления (в зависимости от проектной глубины, предусмотренной техническим заданием). В самой шлюзовой камере должно быть предусмотрено 2 отделения: для входа и выхода работающих, в которых в соответствующих режимах проводятся операции компрессии и декомпрессии.
9. При больших глубинах акватории и скоростях течения, действующего на кессоны, устойчивость СПБ против опрокидывания и вибрации обеспечивается дополнительной балластировкой путем заполнения цистерн того или иного борта. В результате этого создается дополнительный восстанавливающий момент, противодействующий опрокидыванию сооружения. При большой вязкости грунта для заглубления нижних кромок нижнего кессона, помимо их балластировки водой, возможно использование массы самой СПБ путем снижения нагрузки на опоры.
Этап 2.
1) После заглубления нижней кромки кессона верхней поверхности ранее уложенной секции производятся следующие работы (см. фиг.3 и 4).
2) Осушается пространство внутри колодца, образованного кессонами.
3) Устанавливается каркас и производится формирование шпунтовой стенки 15.
4) Путем гидроразмыва и, в случае необходимости, с помощью грейфера производится выемка грунта из пространства, ограниченного шпунтом.
5) Донная часть углубления засыпается гравием, на который укладываются бетонные плиты 18, обеспечивающие проектное положение укладываемой секции.
6) С торца последней из уложенных ранее секций 14 снимается конструкция заглушки.
7) Производится опускание секции тоннеля, ее стыковка и стяжка с ранее уложенной.
8) На торец секции устанавливается конструкция заглушки.
9) Сверху секции устанавливается каркас, аналогичный каркасу 17, в который засыпается гравий, обеспечивающий необходимую балластировку секции.
10) Производится засыпка пространства между шпунтом и секцией песком до выравнивания с уровнем дна. При этом для засыпки верхнего слоя, для обеспечения экологичности, может быть использован ранее выбранный грунт.
11) Осуществляется разборка торцевой части шпунтовой стенки.
12) Производится демонтаж колодца (кессонов и направляющих) и перебазирование на новую позицию.
В случае, если майна рассчитана на укладку 2 секций без смены позиций, то на СПБ должно быть предусмотрено крепление поперечной рамы с направляющими шлицами для фиксации тавров направляющих для кессонов.