ПОДВОДНЫЙ ДВУХУРОВНЕВЫЙ ТОННЕЛЬ В ЗОНЕ ПЛОТНОЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

1. Название:
Подводный двухуровневый тоннель в зоне плотной городской застройки
2. Область техники, к которой относится полезная модель.
Строительство тоннелей.
3. Уровень техники
Одним их самых эффективных способов развития транспортной городской инфраструктуры в условиях плотной городской застройки является строительство тоннелей. Практикуемые в настоящее время подходы к использованию тоннелей ограничивают их функциональное применение, в то время как растущие транспортные потоки и наличие объектов городской застройки требуют кардинального изменения роли тоннелей в организации дорожного движения. Среди факторов, ограничивающих применение тоннелей для совершенствования городской транспортной сети, являются:
1. Отсутствие принципиальной возможности в рамках одного тоннеля организовать свободное движение автотранспорта при пересечении транспортных потоков, движущихся в попутном и противоположном направлении.
2. Отсутствие в тоннеле возможности, в условиях запрета перестроения по полосам, занимать правую (левую) полосу для совершения маневра выезда из тоннеля вправо (влево) при примыкании к тоннелю ветки слева (справа).
3. Требование о сохранении количества полос на выезде с одного конца тоннеля и выезде с другого.
4. Отсутствие свободных городских территорий под строительство эстакад для упорядочивания движения встречных и попутных пересекающихся потоков автотранспорта, движущегося в тоннеле.
5. Отсутствия возможности съезда со всех направлений и выезда из тоннеля во все направления движения непосредственно с набережных без сооружения дополнительных эстакад и «клеверных» развязок.
Технические решения, являющиеся прототипом описываемой полезной модели.
«Винчестерный» тоннель
Принцип винчестерного тоннеля заключается в том, что встречные транспортные потоки идут по нему не параллельно друг другу, а один над другим.
Преимущества:
Сохранение геометрии уличного пространства, в случае плотной городской застройки. Недостатки
Отсутствие возможности маневра по смене полос движения как в попутном направлении, так и по встречным потокам.
Ограниченное функциональное применение тоннеля
Не решает комплексных задач по организации движения на перекрестках без сооружения дополнительных эстакад и путепроводов.
Низкая эффективность такого вида тоннелей по сравнению с объемом капиталовложений в его строительство.
Двухуровневый тоннель и способ его строительства
(Евразийский патент 004136 В1, дата публикации: 25.12.2003 г.
Решает техническую задачу размещения в тоннеле малого диаметра двух транспортных потоков - автомобильного и рельсового.
Преимущества:
Совмещений двух разнотипных транспортных потоков
Показан принцип разделения тоннельного пространства на функциональные зоны и способ сооружения перекрытий.
Недостатки: - не решает транспортные задачи, обозначенные в данной заявке на полезную модель.
Городская подводная эстакадная тоннельная система
(Urban underwater overpass tunnel system) Европатент CN 102587417 (A) - 2012-07-18
Суть идеи, представленной патентом, заключается в том, что к основной подрусловой тоннельной ветке (Фиг. 1), примыкают рамповые тоннели, которые соединяют основную ветку с другой поверхностью дороги. Данная реализация является лишь попыткой перераспределить транспортные потоки, движущиеся по тоннелю и не решает главные задачи, обозначенные в заявке на полезную модель, а именно, возможность транспортного средства при въезде в любой из терминалов на одном конце тоннеля достичь все его терминалы на другом конце без перестроений по полосам движения и пересечения с попутными транспортными потоками, а также отсутствие транспортных развязок по обеим сторонам тоннеля, обеспечивающих съезд с него и выезд. В частности, обозначив более четко терминалы тоннеля как a, b, c, d, e, f и пронумеровав ветки тоннеля и его рамповые тоннели из Фиг. 1, можно сделать следующие выводы (Фиг. 2):
1. В данной схеме расположения основного тоннеля и рамповых веток нельзя реализовать идею возможности выезда из тоннеля во все терминалы тоннеля, расположенных на одной стороне водоема при въезде в один из терминалов на его другой стороне. Так при въезде в терминал f по полосе 2 возможно выехать только в терминал b. В узлах V и IV пересечение транспортных потоков, движущихся по полосам 2 и 4 невозможно, т.к. нарушается запрет перестроения в тоннеле транспортных средств с одной полосы движения на другую. По этой же причине при въезде в терминал е по ветке 4 можно выехать только в терминал d на противоположном конце тоннеля, при въезде в терминал с по полосе 3 можно выехать только в терминал а.
2. В представленной на фиг. 2 схеме, в узле I существует пересечение ветки 3 с ветками 1 и 2, что также идет в разрез с декларированном в заявке на полезную модель подходе об отсутствии пересечений тоннельных веток с транспортными потоками, движущимися в противоположных направлениях, а также отсутствием дополнительных эстакад и сооружений на противоположных концах тоннеля для регулирования транспортных потоков.
3. Для организации движения от терминала тоннеля с терминалу а по ветке 3 требуется сооружение дополнительно петли, что снижает скорость движения в тоннеле, увеличивает его стоимость.
Кроме того, данная конструкция является одноярусной, что существенно ограничивает возможности такого тоннеля.
Преимущества:
Позволяет сделать выезд из тоннеля на набережную
Позволяет более эффективно использовать подводный тоннель
Недостатки:
Отсутствует возможность выезда из тоннеля во все его терминалы, расположенные на одной стороне тоннеля при въезде в один из терминалов на его другой стороне
Для организации движения по тоннелю необходимо строительство дополнительных эстакад, путепроводов и большой поворотной петли
В качестве аналога выбран Европатент CN 102587417 (А) - 2012-07-18
4. Раскрытие сущности полезной модели
4.1. Задачи полезной модели
Задачей полезной модели является:
1. Создание такой конструкции тоннеля, въезд и выезд из которого осуществляется со всех направлений, без сооружения дополнительных въездных и разворотных эстакад и с соблюдением норм и правил, принятых для сооружения подобного рода объектов.
2. Увеличение эффективности функционирования тоннеля путем вовлечения в зону его действия примыкающих к тоннелю городских магистралей.
4.2. Технический результат
Технический результат представленной полезной модели заключается в том, что разработан уникальный тип тоннеля, конструкция которого позволяет:
Осуществлять въезд в тоннель со всех направлений и выезд из него на все транспортные магистрали, вовлеченные в зону охвата тоннеля без сооружения дополнительных разворотных эстакад и «клеверных» развязок.
Осуществлять маневрирование (перестроения между полосами движения) транспортных средств внутри тоннеля с учетом технических и нормативных ограничений.
Настраивать внутреннюю конструкцию тоннеля на конкретную градостроительную обстановку тех городских районов, которые входят в зону охвата тоннеля.
В случае необходимости, изменять внутреннюю конструкцию тоннеля без реконструкции всего основного тоннеля в целом, оперативно реагируя на изменение градостроительной и дорожной ситуации.
4.3. Сведения, раскрывающие сущность полезной модели
В качестве полезной модели предлагаются технические решения, позволяющие быстро и эффективно строить тоннели любой сложности и конфигурации, не вторгаясь и не изменяя существующую градостроительную обстановку, обеспечивая въезд в тоннель и выезд из него с набережных, а также со всех транспортных магистралей, примыкающих к тоннелю без сооружения разворотных эстакад и различных «клеверных» развязок.
Введем обозначения:
- подрусловой тоннель - система тоннельных сооружений для движения автомобильного транспорта, располагающихся под руслом водоема и прилегающих к нему территорий; -основной тоннель-часть подруслового тоннеля, располагающаяся под руслом водоема и соединяющая один его берег с другим;
- терминал тоннеля - точка съезда или выезда из подруслового тоннеля вместе с рамповым участком, располагающаяся на дорожной поверхности транспортных магистралей, примыкающих к подрусловому тоннелю;
- тоннельная ветка - тоннельная конструкция, соединяющая основной тоннель с одним из его терминалов.
Конструктивно основная часть подруслового тоннель представляет из себя двухуровневую прямоугольную или иной формы транспортную эстакаду с заданным количеством обособленных полос для движения, расположенных в тоннельном пространстве таком образом, что все маневры транспортных средств, необходимые для выезда из тоннеля в нужном направлении и на требуемую магистраль при жесткий привязке терминалов тоннеля к существующей городской дорожной сети, осуществляются внутри основного тоннеля, с соблюдением всех конструктивных и эксплуатационных ограничений.
Подрусловой тоннель, спроектированный на основе данных технических решений, позволит соединить набережные, различные участки дорог и магистралей, входящие в зону его охвата, с помощью единой тоннельной конструкции, позволяющей исключить проектирование и строительство специальных развязок, которые разделяют встречные и пересекающиеся транспортные потоки.
С помощью патентуемых технических решений заявляются авторские права на строительство подрусловых тоннелей следующего вида:
1. Схема подруслового тоннеля, представленная на фиг. 3, при которой съезд и выезд в тоннель осуществляется только с набережных. Сам тоннель соединяет терминалы тоннеля на левой и правой набережных a-b, b-a, а-с, с-а, d-c, c-d, d-b, b-d.
2. Схема подруслового тоннеля, представленная на фиг. 4, при которой съезд и выезд в тоннель осуществляется с набережных, а также с автодороги, которая примыкает к руслу слева. В этом случае подрусловой тоннель соединяет терминалы тоннеля на набережных как на фиг. 3, а также терминал тоннеля, расположенный на примыкаемой магистрали, с терминалами тоннеля на противоположной набережной, т е. e-b, e-d, b-e, d-e.
3. Схема подруслового тоннеля, представленная на фиг. 5 представляет вариант схемы, изображенной на фиг. 4, в которой количество примыкающих слева магистралей и расположенных на них терминалов больше двух (терминалы g и f), с распределением транспортных потоков по этим магистралям через транспортную развязку е, а также с обеспечением сквозного, безсветофорного движения по набережной. В данном случае транспортная развязка е может быть выполнена либо в виде открытой транспортной эстакады, либо в виде тоннеля, реализованного на патентуемых технических решениях. При этом терминалы f и g соединяются с терминалами b и с через развязку е, (f-e-b, f-e-c и g-e-b, g-e-c). Непрерывность движения по набережной обеспечивается дополнительными тоннелями одностороннего движения 7 (е-а) и 8 (d-e)
4. Схема подруслового тоннеля, представленная на фиг. 6, при которой съезд и выезд в тоннель осуществляется с набережных, а также с автодороги, которая примыкает к руслу справа. В этом случае подрусловой тоннель соединяет терминалы тоннеля на набережных по схеме, представленной на фиг. 3, а также терминал тоннеля, расположенный на этой дороге с терминалами тоннеля на противоположной набережной, т е. f-a, a-f, f-c, c-f.
5. Схема подруслового тоннеля, представленная на фиг. 7, при которой съезд и выезд в тоннель осуществляется с набережных, а также с автодороги, которая пересекает русло по тоннелю и имеет терминалы по обоим его сторонам. В этом случае подрусловой тоннель соединяет терминалы тоннеля на набережных как на фиг. 3, терминалы тоннеля с набережными как на фиг. 4 и фиг. 6, а также терминалы, расположенные на этой магистрали с обеих сторон от русла водоема, т.е. e-f, f-e.
6. Любая комбинация первых пяти схем.
На фиг. 3-7 тоннельные ветки, соединяющие терминалы тоннеля с основным тоннелем, нумеруются цифрами (1-9), а для упрощения описания конструкции подруслового тоннеля,  предполагается, что каждая полоса имеет движение в обоих направлениях. Количество полос в каждом направлении определяется на основе данных об интенсивности трафика на срезе основного тоннеля.
Взаимное расположение терминалов тоннеля и соединяющих их с основным тоннелем тоннельных веток, изображенных на фиг. 7 представим в виде таблицы.
Алгоритмически, реализация патентуемого технического решения достигается следующим образом.
Обозначим ограничения движения в тоннеле, регулируемые ГОСТ-ом Р 56521-20150, как совокупность следующих факторов:
1. Количество полос движения для автотранспорта на въезде в подрусловой тоннель должно быть равно количеству полос движения на выезде.
2. Взаимные перестроения внутри подруслового тоннеля по полосам движения запрещены. Обратимся к фиг. 8. Предположим, что в условиях заданных ограничений автотранспортному средству, движущемуся по светлой полосе, необходимо перестроиться в темную полосу. В дальнейшем, для наглядности, будем считать, что перестроение автотранспортного средства с одной полосы на другую равносильно замене местами полос движения.
Такая трансформация возможна введением второго уровня в тоннеле, а также наличием хотя бы одной свободной полосы движения и достигается перемещением полос в последовательности, указанной на фиг. 9,
Таким образом, для того чтобы поменять полосы движения местами, необходимо одной из полос движения два раза перейти с одного яруса на другой (Фиг. 9.2 и Фиг. 9.4), а также произвести взаимное перестроение полос слева направо или справа налево на одном уровне (фиг. 9.3). Используя этот базисный принцип, можно строить практически любые комбинации из полос движения, настраивая их на конкретную дорожную обстановку, заданную планировочными решениями.
Более наглядно данный принцип демонстрирует рисунок, представленный на фиг. 12, где полосы меняются не только местами, но и изменяют ярус движения.
Длина тоннельного участка для совершения маневра, указанного на фиг. 12, зависит от нормативных требований к уклонам (α), разрешенной скорости движения (ν) и вычисляется по формуле:
где  - длина тоннельного участка, необходимого для перехода с одного уровня в тоннеле на другой при заданной величине уклона тоннеля а (фиг. 13).
- длина тоннельного участка, необходимого для перестроения транспортных средств, двигающихся в попутном направлении из одной полосы движения в другую путем ее смещения вправо или влево при установленной скорости движения (фиг. 14).
Таким образом, строительство в зоне плотной городской застройки подруслового тоннеля с пересекающимися транспортными потоками, с въездом и выездом со всех направлений на набережные, либо примыкающие к тоннелю магистрали без сооружения дополнительных эстакад и иных транспортных развязок возможно при следующих условиях:
1. Основной тоннель является двух ярусным
2. Минимальная длина основного тоннеля должна быть больше, чем длина, рассчитанная по формуле (1) т.е.
При этом конструктивными, базовыми единицами в описываемом тоннеле, позволяющими создать практически любую его конфигурацию, являются следующие элементы:
1. Начальный элемент, фиг. 9.1
2. Перемещение полосы движения с верхнего яруса на нижний, фиг. 9.2
3. Перемещение полосы движения с нижнего яруса на верхний, фиг 9.4.
4. Одновременное перемещение полос движения на смежные полосы на нижнем и верхнем ярусе, фиг. 9.3.
5. Перемещение полосы движения влево на смежную полосу на нижнем, либо верхнем ярусе, фиг. 10.
6. Перемещение полосы движения вправо на смежную полосу на нижнем, либо верхнем ярусе, фиг. 11.
Данные базовые элементы соединятся друг с другом последовательно, конец одного элемента соединяется с началом другого, образуя последовательности транспортных цепочек внутри корпуса основного тоннеля.
Таким образом, вид подруслового тоннеля, на который испрашивается патент, как на полезную модель, представляет из себя двухъярусную конструкцию основного тоннеля, каждый ярус которого состоит из обособленных полос движения, разделенных либо вертикальными перегородками, либо специальной дорожной разметкой. Перестроение по полосам осуществляется путем смены яруса и задействовании свободной полосы движения по схеме, изложенной выше и представленной на фиг. 9. Количество обособленных полос движения в тоннеле соответствует количеству полос движения по автодорогам, которые обслуживает данный тоннель.
Признаки рассматриваемой полезной модели, совпадающие с прототипом:
- съезд и выезд на набережные;
- отдельные тоннельные ветки.
Признаки рассматриваемой полезной модели, отличные от прототипа:
- основной тоннель представляет из себя прямоугольную или иной формы конструкцию, в которой тоннельное пространство разделено на два яруса по горизонтали, а каждая полоса движения обособлена либо вертикальной разделительной перегородкой, либо соответствующей дорожной разметкой;
- перестроения из одной полосы в другую, а также пересечение попутных или встречных транспортных потоков осуществляются с использованием совокупности комбинаций базовых элементов, описанных выше;
- в представленной полезной модели отсутствуют пересечения тоннельных веток;
- реализуется возможность, позволяющая при въезде транспортного средства в один из терминалов на одном конце подруслового тоннеля осуществить выезд в любом из терминалов на противоположном его конце исключительно за счет его конструктивных особенностей, выполненных на основе технических решений, приведенных в описании данной полезной модели;
- отсутствует необходимость сооружения на концах подруслового тоннеля разворотных эстакад и различного рода развязок, для организации движения по тоннелю встречных и попутных транспортных потоков.
Совокупность указанных признаков, отличных от прототипа, позволяет говорить о новизне представленной полезной модели.
Обоснование соответствия полезной модели условиям «промыитенной применимости»
Технические решения, лежащие в основе представленной полезной модели, были успешно применены при проектировании Пискаревского (Орловского) тоннеля под Невой в Санкт-Петербурге в створе «Орловская ул. - Пискаревский проспект» между Свердловской и Смольной набережными. Плотная городская застройка, наличие зон и сооружений, находящих под охраной государства как памятники архитектуры, а также требования обеспечения непрерывного, безсветофорного движения по обеим набережным, въезда и выезда из тоннеля транспортных средств на набережные по всем направлениям, предопределило строительство тоннеля на основе данной полезной модели. Применение представленных технических решений и способы их реализации позволило существенно повысить эффективность использования такого класса тоннеля по сравнению с другими конструкциями, снизить капиталовложения, спроектировать тоннель без включения новых инфраструктурных сооружений в существующую градостроительную обстановку в зоне его строительства. Все вышесказанное позволяет говорить о соответствии описываемой полезной модели условиям патентоспособности - «промышленная применимость».
5. Осуществление полезной модели
Строительство подрусловой части тоннеля осуществляется методом сухого дока. Суть метода заключается в использовании дока с управляемой плавучестью (фиг. 15), который устанавливается в створе строительства тоннеля и углубляется на 2-3 метра.
После установки дока его внутреннее пространство оббивается шпунтами, откачивается вода и углубляется дно до нужной отметки (фиг. 16). После забивки свай и установки плиты-основания, монтируется каркас тоннельной секции, который заливается быстросохнущими смесями. После гидроизоляции секции и засыпки ее грунтом шпунты вынимаются, док заполняется водой, поднимается и перемещается на следующую позицию. Размеры дока в среднем, составляют 50 м на 100 м, что обеспечивает высокий темп работ по монтажу конструкций тоннеля.
На фиг. 17 представлен анимированный фрагмент одного из этапов реализации патентуемых технических решений.
6. Пример осуществления полезной модели
Конкретная реализация описываемых технический решений представлена в виде проекта Пискаревского (Орловского) тоннеля как подруслового тоннеля под р. Нева в Санкт-Петербурге, в створе: Орловская улица -Пискаревский пр-кт, имеющего выход на Смольную набережную с одной стороны, на Свердловскую наб. с другой с продолжением и выходом на Пискаревский пр-т и ш. Революции.
Конструктивно Пискаревский (Орловский) тоннель состоит из его основной части, располагающей между Смольной наб. и развилкой Пискаревского пр-та и ш. Революции, а также из и дополнительных веток, обеспечивающих съезд и выезд на обе набережные, Пискаревский пр и ш. Революции.
Схема Пискаревского (Орловского) имеет вид, представленный на фиг. 5, где:
- терминалы b и с располагаются на Смольной набережной;
- терминалы а и d располагаются на Свердловской набережной;
- терминал/располагается на ш. Революции;
- терминал g располагается на Пискаревском пр-те;
- транспортная развязка е располагается на развилке при пересечении Пискаревского пр-та и ш. Революции и спроектирована также на основе патентуемых технических решений, как двухъярусная тоннельная конструкция с непересекающимися полосами движения; -отдельные тоннельные конструкции для одностороннего движения (ветки 7, 8), связывающие терминалы а с е и d с е позволяют организовать сквозное, безсветофорное движение по Свердловской наб. на пересечении с Пискаревским просп.
Основная часть Пискаревского (Орловского) тоннеля выполнена в виде двухъярусного параллелепипеда, каждый ярус которого разделен на 7 полос для движения автотранспорта в обоих направлениях (фиг. 18). Такая конструкция позволяет перераспределить в основном тоннеле все транспортные потоки, следующих со всех направлений и со всех терминалов Пискаревского (Орловского) тоннеля таким образом, что отпадает необходимость сооружения на обоих его концах каких-либо дополнительных транспортных развязок, обеспечивающих съезд и выезд из тоннеля.
Принципиальная схема направления следования полос движения в Пискаревском (Орловском) тоннеле представлена на фиг. 19. Тоннельные ветки 2 и 4 от терминалов а и с примыкают здесь к основному тоннелю сверху через его третий ярус. Общий вид Пискаревского (Орловского) тоннеля в стилизованном, объемном виде предоставлен на фиг. 20.