СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ТОННЕЛЯ, ПОГРУЖЕННОГО НА МОРСКОЙ ДОННЫЙ ГРУНТ
METHOD AND DEVICE FOR CONSTRUCTION OF TUNNEL SUBMERGED TO SEA BOTTOM GROUND

Настоящее изобретение относится к строительству тоннеля, погруженного под массу воды.
Предлагались многочисленные технологические способы для строительства тоннеля под массой воды, главным образом под массой морской воды.
Некоторые технологические способы относятся к случаю, когда тоннель требуется построить, по существу, в грунте, расположенном под нижней границей массы воды, примеры приведены, например, в публикациях DE 50882, JP 9316901, GB 348204, EP 0899422, JP 09-273382, JP 2024489, US 1441698, US 4889448.
Широко распространенный в этом случае способ решения заключается, в сущности, в использовании буровой тоннелепроходческой машины для бурения земли, удалении извлеченного бурением материала к хвостовой части буровой тоннелепроходческой машины и строительстве тоннеля из последовательных секций по мере продвижения вперед буровой тоннелепроходческой машины, как при прокладке тоннеля через горы.
Тоннель, построенный под нижней границей массы воды таким способом, имеет преимущество в том, что он не создает препятствий для потока водного транспорта, но с другой стороны, среди других недостатков, он требует строительства подъездных технических сооружений, длина которых будет пропорциональна глубине, на которой тоннель проходит под нижней границей массы воды.
Настоящее изобретение относится к случаю, когда тоннель должен быть построен частично или полностью в воде на естественном или искусственном морском донном или речном донном грунте, и в дальнейшем выражение морской донный грунт следует толковать, как предусматривающее все эти случаи.
В публикации DE 3333850 описан технологический способ, в котором тоннель строят из последовательных секций, предварительно изготовленных в герметичном котловане и постепенно продвигаемых в воду к месту их эксплуатации.
Другой стандартный технологический способ заключается в сооружении кольцеобразных секций тоннеля на поверхности (на суше или плавучей установке), их доставке к месту спуска на воду, погружении их в проектное положение на морском донном грунте и сборке их между собой.
Такой технологический способ требует наличия площадки, подходящей для строительного дока, где можно сооружать секции или установки для спуска на воду предварительно изготовленных секций, и вызывает серьезное нарушение режима работы потока водного транспорта, особенно в силу того, что длина секций, как правило, очень большая - несколько десятков метров, или даже сотен метров, и больше.
Одна из задач изобретения состоит в том, чтобы избежать строительства сложной наземной инфраструктуры (строительного дока или установки для спуска на воду) для значительного уменьшения препятствий для судоходства и уменьшения себестоимости строительства и подготовительно-наладочного времени.
Поставленная задача решена посредством способа, в котором стандартную опускную секцию сооружают на морском донном грунте (независимо от того, является ли он естественным, подготовленным, или искусственным, или получаемым в результате предварительных дноуглубительных работ или его засыпки ранее вынутой породой) посредством установки, пригодной для работы в состоянии погружения, и которую по мере необходимости продвигают вперед в воде по морскому донному грунту вдоль линии, намеченной для прохождения тоннеля; эта установка содержит герметичное рабочее пространство с атмосферным давлением, пригодное для защиты персонала и оборудования, требуемого для сооружения и установки на месте секции; при этом поддерживают герметичность тоннеля по мере его строительства; при этом предусмотрено достаточное пространство для сообщения между уже построенным участком тоннеля и рабочим пространством установки, чтобы обеспечить сооружение и установку новой секции; и при этом тоннель по мере его строительства используют по мере необходимости для транспортировки в рабочее пространство элементов, требуемых для изготовления секции.
Способ согласно изобретению может при его осуществлении обладать одной или более из следующих дополнительных преимущественных характерных особенностей, по отдельности или в сочетании:
- тоннель строят короткими последовательными секциями длиной не более нескольких метров с предпочтительными длинами блоков менее 3 метров;
- установку по мере ее продвижения вперед используют для частичного или полного приведения морского донного грунта в готовность к прокладке тоннеля посредством технических средств, интегрированных в этой установке;
- грунт подготавливают посредством профилирования грунта или слоя, помещенного поверх грунта;
- вдоль линии, намеченной для строительства, выкапывают котлован, по необходимости с добавлением грунтового основания и этот котлован профилируют;
- грунт укрепляют или повышают его несущую способность по мере продвижения установки вперед посредством технических средств, интегрированных в этой установке, или со стороны внутренней части уже построенного туннеля;
- установку поэтапно переставляют на морском донном грунте перед последней установленной секцией для того, чтобы в каждом случае создать пространство, необходимое для установки следующей секции и закачивания ее постоянного основания;
- установку продвигают вперед по морскому донному грунту посредством проталкивания вперед, выталкивая из уже построенной части тоннеля;
- создают тягу для движения вперед посредством силовых цилиндров;
- к установке прикладывают удерживающее тяговое усилие, действующее в обратную сторону, в направлении уже построенной части тоннеля, в случае необходимости облегчить управление установкой, уплотнить поперечные перемычки и обеспечить временную устойчивость последних секций, установленных при недостаточном фронтальном гидростатическом напоре на установку;
- это удерживающее тяговое усилие прикладывают посредством тяговой лебедки, прикрепленной к установке тросом, проходящим через уже построенный участок тоннеля;
- установку оснащают балластируемым отсеком для регулирования нагрузочного усилия установки на грунт и для облегчения управления ею в вертикальной плоскости;
- в балластируемом отсеке помещают технические средства для подготовки грунта и/или его технологической обработки для укрепления или повышения его несущей способности;
- установку также используют для сооружения не погружаемых, частично погружаемых и/или незначительно погружаемых подъездных секций тоннеля.
Каждую секцию тоннеля можно сооружать любым подходящим способом, включая сборку предварительно изготовленных частей и укладку бетона на месте производства работ.
В одном предпочтительном варианте выполнения способа каждую секцию сооружают в форме кольца, получаемого сборкой сегментов секции посредством стационарного или подвижного устройства, помещенного в герметичном рабочем пространстве, при этом между сегментами помещают продольные уплотнения.
Согласно изобретению для компенсации любого отсутствия или недостаточности гидростатического давления на тоннель или на переднюю часть установки в подъездных зонах, в которых тоннель не погружен или погружен незначительно и для повышения индивидуальной устойчивости стандартной секции предусматривают сжатие уплотнений между сегментами секции посредством создания в секции после ее установки предварительного поперечно направленного напряжения.
Изобретение также относится к устройству для осуществления способа.
Устройство содержит:
- установку, предназначенную для работы в состоянии погружения, которая содержит герметичное изнутри рабочее пространство с атмосферным давлением, пригодное для защиты персонала и оборудования, требуемого для сооружения секции; это пространство открыто со стороны уже построенной части тоннеля для обеспечения сооружения новой секции;
- средство для обеспечения герметичности вокруг отверстия между рабочим пространством и последней установленной секцией;
- средства для подготовки основания тоннеля;
- средство для осуществления контролируемого перемещения установки вперед по морскому донному грунту в случае необходимости создания пространства, требуемого для сооружения новой секции;
- средство для обеспечения герметичности тоннеля по мере его строительства;
- средства для регулирования усилия, которое установка прилагает на морской донный грунт и к тоннелю;
- средства для доставки через тоннель к установке компонентов и источников питания, требуемых для сооружения.
Предпочтительным является то, что в отдельных вариантах выполнения это устройство обладает одной или более из характерных особенностей, по отдельности или в сочетании:
- установка содержит средства для подготовки грунта, чтобы улучшать состояние морского донного грунта в определенном месте в соответствии с требованиями по сооружению секций тоннеля;
- эти средства для подготовки грунта содержат средства для профилирования и/или средства для укрепления грунта, робототехнические или иные;
- средства для профилирования содержат инструменты для выравнивания исходного грунта или слоя, предварительно помещенного на этот грунт и могут также содержать средства для проверки и/или просмотра в кабине управления состояния выравнивания;
- средства для профилирования содержат профилирующие инструменты, прикрепленные к рычагам, установленным на салазки или на одну или более горизонтальные балки;
- для регулирования нагрузочного усилия установки на морской донный грунт установка содержит балластируемый отсек;
- балластируемый отсек в нижней части открыт, средства для профилирования помещены во внутреннюю часть этого балластируемого отсека или способны втягиваться в нее, а установка оборудована средством для впрыскивания сжатого воздуха в балластируемый отсек по мере необходимости;
- устройство содержит средства для обеспечения усилия для удерживания установки в тоннеле, когда фронтальный гидростатический напор на установку недостаточен;
- эти средства представляют собой средства тяги, которые прикладывают к установке тяговое усилие, действующее в обратную сторону;
- эти средства тяги содержат тяговую лебедку, помещенную на некотором расстоянии позади установки и прикрепленную к установке тросом, проходящим через уже построенный участок тоннеля;
- установка содержит средство для приложения к установке толкающего усилия для того, чтобы перемещать ее вперед и контролировать ее траекторию вдоль линии сооружения тоннеля;
- в упомянутом рабочем пространстве расположены средства для обработки предварительно изготовленных сегментов секций для установки секции тоннеля;
- установка содержит силовые цилиндры, установленные для прикладывания к установке толкающего усилия посредством выталкивания из последней установленной секции;
- в упомянутом герметичном пространстве расположено средство для закачивания заполняющего материала в пустоту, оставляемую установкой по мере ее продвижения вперед, между грунтом и нижней частью секций, образующих тоннель;
- установка содержит отделение для противовесов;
- устройство содержит предварительно изготовленные секции тоннеля с длиной блока не больше нескольких метров, или сегменты секций для сооружения таких секций;
- устройство содержит предварительно изготовленные секции тоннеля с длиной блока в большинстве случаев меньше, чем, примерно, 3 метра или сегменты секций для сооружения таких секций.
Следовательно, в своей наиболее полной разработке изобретение заключается в строительстве тоннеля на морском донном грунте с поэтапным приращением посредством специальной погружаемой установки, выполняющей функции:
- предохранения (и, в случае необходимости, поддержки) конструкции оболочки, составляющей основу будущего тоннеля, или внешней обсадной трубы упомянутой оболочки;
- последовательного размещения персонала и оборудования по мере продвижения тоннеля вперед;
- рабочей базы для любых вспомогательных работ (выравнивания основания, дноуглубительных работ, заполнения пространства под нижней частью тоннеля, засыпки выемки ранее вынутой породой, защиты, обработки грунта, и т.д.);
- временной герметизации между уже построенным участком тоннеля и корпусом самой установки.
Конструкция тоннеля может отличаться от традиционных подводных тоннелей из опускных секций, поскольку ограничивающие условия не являются одинаковыми:
- она может быть полностью или частично выполнена из предварительно изготовленных или отлитых на месте элементов, предварительно напряженных или иных;
- можно возвести один или более рядов колонн или перегородок для обеспечения одной или более линий промежуточной поддержки и/или, в случае перегородок, воздухонепроницаемых отделений;
- как в случае традиционных тоннелей, она может быть выполнена из секций, соединенных между собой уплотнениями, обеспечивающими герметичность и гибкость по отношению к любому виду деформации тоннеля;
- возможно воздействие второй стены тоннеля для гидроизоляции или жесткости;
- как в случае традиционных тоннелей, она может быть выполнена из секций, соединенных между собой уплотнениями, обеспечивающими герметичность и гибкость по отношению к различным смещениям.
Далее следует схематическое описание примера выполнения настоящего изобретения со ссылкой на фигуры прилагаемых чертежей, на которых представлено:
- фиг.1 - продольная схема тоннеля, подлежащего строительству согласно изобретению;
- фиг.2 - продольное сечение уже построенного участка тоннеля и установки, разработанной и используемой согласно изобретению для строительства тоннеля;
- фиг.3-5 - поперечные сечения в плоскостях 1-1, 2-2 и 3-3 по фиг.2;
- фиг.6 - поперечное сечение стандартной секции завершенного тоннеля; и
- фиг.7 - продольная схема тоннеля в процессе строительства, демонстрирующая систему тяги, действующей в обратную сторону.
На фиг.1 схематично представлен туннель 1, построенный методом открытой проходки, помещенный на грунт 2 под массой воды 3. Этот тоннель содержит два подъездных участка 1a, 1b, которые выходят на поверхность, например, на насыпи или берега 4 и 5 массы воды 3, и основной погруженный участок (1с). После завершения строительства тоннель был покрыт защитным насыпным грунтом (К) (по желанию заказчика).
Погруженный участок, а также, предпочтительно, выходящие на поверхность подъездные участки и незначительно погруженные участки тоннеля, выполнены из последовательных секций, поперечное сечение которых определено в соответствии с использованием тоннеля, известным, по сути, способом.
В этом примере поперечные сечения фиг.2-6 представляют стандартную секцию сдвоенного двухкамерного тоннеля с двумя полосами движения, поперечное сечение которого образует форму цифры восемь.
Согласно изобретению тоннель построен из последовательных секций с длиной блока, составляющей примерно один метр.
На фиг.2 показано 6 уже установленных на место секций Т1-Т6 и начало установки новой секции.
Установка (М), используемая согласно изобретению, показана весьма схематично на фиг.3, но достаточно для специалиста.
Прицепы R, схематично показанные на фиг.7, расположены позади и прикреплены к установке. Эти прицепы, известные по сути в техническом оснащении наземных буровых тоннелепроходческих машин, перевозят вспомогательное оборудование, требуемое для эксплуатации установки, материально-техническое обеспечение для всех видов снабжения, как, например, жидким строительным раствором для заливки пустот, сжатым воздухом, электроэнергией, водой, вентиляцией, сегментами тоннеля, и т.п.
Эта установка, пригодная для работы в состоянии погружения, содержит рабочее пространство 6 и балластируемый отсек 7, и, по необходимости, отделение для противовеса, схематично показанное, как L. Противовесы предназначены для компенсации в определенном месте и временно любого несоответствия веса тоннеля в отношении плавучести.
Рабочее пространство 6 является герметичным по периметру и в передней части (в направлении продвижения тоннеля вперед), и оно соединено с уже построенным участком тоннеля посредством хвостовой обшивки 27. Рабочее пространство разработано для того, чтобы разместить в нем персонал и все необходимое для того, чтобы построить, по меньшей мере, стандартную секцию, подлежащую установке.
Например, стандартная секция тоннеля представляет собой кольцо, выполненное из предварительно изготовленных сегментов, которые по мере необходимости доставляют через уже построенный участок тоннеля к рабочему пространству с насыпи или берега, и рабочее пространство оборудовано соответствующими средствами (например, подъемным устройством щита для проходки тоннеля) для захвата сегментов и помещения их так, чтобы построить кольцеобразную секцию.
Эти средства могут быть подобными тем, которые используют в наземных буровых тоннелепроходческих машинах, разработанных для сборки и установки сегментов кольца для тоннеля в пробуренном теле скалы.
Поэтому на фиг.2 просто представлено схематичное изображение этих средств строительства и установки, использующих поперечный манипулятор (8) с поворотной степенью подвижности, неподвижно установленный на продольной опоре (8) и разработанный для захвата сегмента секции и помещения его на место его эксплуатации.
Чтобы не загромождать фигуру, склад сегментов, ожидающих захвата и установки, не показан.
На ней показан только один из сегментов V кольца Т7 на поперечном сечении фиг.2.
В конструкции, представленной для этого примера, кольцо состоит из одиннадцати сегментов - V, пронумерованных от V1 до V11 на фиг.5, и вертикальной центральной перегородки (12), разделяющей две камеры тоннеля.
Уплотнения (не показаны) обеспечивают герметичность между сегментами и между секциями способом, по сути известным в технологии посекционного строительства наземных тоннелей.
В рабочем пространстве 6 расположены силовые цилиндры Р для:
- толкания установки вперед для создания пространства, требуемого для установки кольцеобразной секции тоннеля;
- управления установкой и направления ее на грунте;
- приложения на стены тоннеля продольного предварительного напряжения для поддержания уплотнения между кольцами в сжатом состоянии и продольной устойчивости последних установленных на место колец.
Эти силовые цилиндры толкают, с одной стороны, к фронтальной стенке (14), представляющей собой щит перед рабочим пространством, и, с другой стороны, к последней установленной секции. Для установки нового сегмента в секцию силовые сегменты приводят в действие в направлении ранее установленных сегментов секции, за исключением тех, которые расположены за новым сегментом, подлежащим установке, как показано на фиг.2, где силовой цилиндр Р1 был отведен для установки сегмента V.
На практике, как показано на фиг.4, на каждый сегмент секции приходится предпочтительно, по меньшей мере, два силовых цилиндра.
Перед рабочим пространством 6 установка содержит открытый в передней и нижней части балластируемый отсек 20, который содержит рычаги 21, установленные с возможностью поворота вперед, назад и в сторону, и которые можно поместить на одну или более горизонтальные балки 22.
Эти рычаги переносят профилирующие инструменты 23.
В большинстве случаев, как хорошо видно на фиг.6, после подготовки дна 2 траншеи, например, посредством проведенных с поверхности дноуглубительных работ, на днище помещают слой 24 основания большой толщины и используют профилирующие инструменты установки, чтобы соскрести избыточную толщину 24а с верхней части, впереди и по сторонам этого слоя, как показано на фиг.2, и, тем самым, сформировать образующий слой.
После установки секции и, в то же время, по мере продвижения установки вперед, под секцию закачивают несущий слой 25 тоннеля (фиг.5) с установки, которая оборудована для этой цели (оборудование на фигурах не показано) для компенсации толщины хвостовой обшивки 27 установки (см. фиг.7).
В рабочем пространстве 6 расположено устройство 26 для впрыскивания сжатого воздуха в балластируемый отсек, выше уровня воды в нем.
Это впрыскивание предназначено для регулирования наклона и направления установки в вертикальной плоскости, и для регулирования нагрузочного усилия передней части установки на грунт.
Чтобы обеспечить давление установки на тоннель и сжатие уплотнений между секциями тоннеля при отсутствии достаточного гидростатического напора в передней части установки (в случае ограниченной глубины тоннеля и во всех случаях, в подъездных зонах, где тоннель не погружен или погружен только незначительно), тяговое усилие в направлении тоннеля прилагают к установке посредством силового цилиндра или устройства 28 лебедочного типа, расположенного в тоннеле или на стартовой насыпи или берегу, и прикрепленного к установке, например, тросами 29. Эти средства только схематично показаны на фиг.7.
Когда гидростатическое давление на секцию является недостаточным, в секциях в поперечном направлении создают предварительное напряжение, как схематично показано в виде тросов 30 на фиг.6.
Секции могут быть соединены между собой, например, блокирующими соединителями, соединением болтами и/или посредством временных или постоянных стержней или тросов 31 напрягаемой арматуры, как схематично показано на фиг.6.
Предназначенный, как правило, для соединения двух берегов или насыпей, тоннель содержит два подъездных участка, которые монтируют, предпочтительно, также этой установкой.
Описанные предпочтительные варианты не ограничивают изобретения.