2577

А.А. Фугенфиров

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ТРАНСПОРТНЫХ

ТОННЕЛЕЙ

Учебное пособие

ОМСК 2007

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

А.А. Фугенфиров

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ТРАНСПОРТНЫХ

ТОННЕЛЕЙ

Учебное пособие

2-е изд., доп. и перераб.

Омск

Издательство СибАДИ

2007

Учебное издание

Алексей Александрович Фугенфиров

3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Учебное пособие

Редактор И.Г. Кузнецова

Дизайн, компьютерная графика и вёрстка выполнены в СибАДИ Н.Г. Шиклеевой

Подписано к печати 23.10.07.

Формат 60 901/16. Бумага писчая Оперативный способ печати Гарнитура Таймс

Усл. п. л. 16,0, уч.-изд. л. 16,0

Тираж 200 экз. Заказ ___

Цена договорная

Издательство СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10

Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10

4

УДК 625.42 ББК 39.112 Ф 94

Рецензенты:

Н.С. Бондаренко, зам. генерального директора

ООО НПО «Мостовик», Н.И. Ветошкин, директор НПКУ ПИ «Омсктранспроект»

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для специальности 270201

Фугенфиров А.А.

Ф 94 Проектирование транспортных тоннелей: Учебное пособие.

– 2-е изд., доп. и перераб. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – 258 с.

ISBN 978-5-93204-320-2

Представлены материалы по изысканиям и проектированию транспортных тоннелей (автодорожных горных и подводных, городских автотранспортных и пешеходных, тоннелей метрополитена). Рассмотрены конструкции тоннелей сводчатого, кругового и прямоугольного очертаний, вопросы защиты тоннелей от подземных вод, а также системы вентиляции, освещения и сигнализации автодорожных тоннелей при их эксплуатации.

Приведены нагрузки и расчетные схемы тоннельных обделок и описаны различные методы их расчета.

Табл. 5. Ил. 168. Библиогр.: 17 назв.

5

ВВЕДЕНИЕ

Успешное сооружение горных и подводных транспортных тоннелей, без которых невозможно строительство и реконструкция транспортной сети России, базируется на качественных и своевременных изыскательских и проектных работах.

При проектировании, строительстве и эксплуатации тоннелей необходимо решать сложные научные, инженерные и экологические задачи с использованием новейших достижений науки, техники и технологии. Инженеры путей сообщения, выполняющие эти задачи, должны обладать необходимыми профессиональными знаниями в области подземного строительства, творчески подходить к проектированию и выбору эффективного варианта транспортных развязок, особенно в крупных городах. Такие знания в области подземного строительства специалисты должны получить в вузах.

В работе представлены материалы по изысканиям и проектированию транспортных тоннелей: автодорожных горных и подводных, городских автотранспортных и пешеходных, тоннелей метрополитена в различных горно-геологических условиях. Рассмотрены конструкции тоннелей сводчатого, кругового и прямоугольного очертаний; вопросы механизации и технологии проходческих работ горным, щитовым и другими новейшими способами, защиты тоннелей от подземных вод, а также системы вентиляции, освещения и сигнализации автодорожных тоннелей при их эксплуатации. Приведены нагрузки и расчетные схемы тоннельных обделок и описаны различные методы их расчета.

Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Проектирование и строительство тоннелей» для студентов специальности 270201 «Мосты и транспортные тоннели» автомобильнодорожных и строительных вузов.

Материал пособия соответствует содержанию лекций, читаемых автором в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии с 1980 г. по настоящее время.

6

Г л а в а 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ТОННЕЛЯХ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОННЕЛЕЙ

Тоннель – это подземное инженерное сооружение, расположенное в толще горных пород и имеющее один или два выхода на поверхность. Тоннели как объекты проектирования и строительства (ГОСТ 27751-88) отнесены к первому повышенному уровню ответственности. Технические решения, конструкции и материалы должны обеспечивать срок службы тоннеля не менее 100 лет, а межремонтные сроки для эксплуатационного оборудования – составлять не менее 50 лет. Область применения тоннелей в системе народного хозяйства страны чрезвычайно велика и многообразна. Наибольшее распространение тоннели имеют на путях сообщения – транспортных магистралях: железнодорожных, автодорожных и судоходных. Они пересекают естественные препятствия в виде горных хребтов, водоразделов, водотоков, водоемов и т.п. На рис. 1.1 показано расположение трассы автодорожной магистрали в Альпах (Швейцария) с группой горных тоннелей. В 6 крупнейших городах России действуют и продолжают строиться метрополитены, планируется их строительство еще в 8 городах. В Омске, Казани, Челябинске, Перми и Красноярске ведется строительство первой очереди метрополитена. Во многих крупных городах для пересечения автомагистралей в разных уровнях применяются автотранспортные тоннели. С каждым годом увеличивается объем строительства пешеходных тоннелей в крупных городах, в т. ч. и в г. Омске. Для прокладки инженерных коммуникаций городского подземного хозяйства (силовые и телефонные кабели, газопроводы и водопроводные магистрали, теплофикационные линии, отвод подземных сточных вод и т.п.) в городах сооружаются коммунальные тоннели, к которым относятся канализационные тоннели и коллекторы. В гидротехническом строительстве тоннели применяются для перемещения больших объемов воды – это тоннели гидроэлектростанций, тоннели

7

оружения оборонного значения, а также подземные электростанции, заводы, гаражи, склады, ангары и т.п. Они отличаются нестандартностью габаритов и большими сечениями выработок.

Различны формы и размеры поперечных сечений тоннелей. Они определяются: для транспортных тоннелей – габаритами приближения строений и оборудования; для гидротехнических тоннелей – заданным расходом и скоростью течения воды; для тоннелей специального назначения – габаритами стационарного оборудования. Кроме того, учитываются действующие нагрузки и соображения по рациональной организации строительных работ. Поэтому тоннели даже в пределах одной и той же группы могут значительно отличаться размерами и формой поперечного сечения. По форме поперечного сечения тоннели различаются: сводчатого, кругового и прямоугольного очертания; по размерам: малые – сечением до 20 м2, средние – от 20 до 50 м2, большие – свыше 50 м2.

Независимо от назначения, по положению относительно рельефа местности, тоннели, пересекающие горные массивы, хребты или водоразделы, именуются горными; тоннели под реками, озерами, каналами и морскими проливами – подводными; тоннели, расположенные под улицами, площадями и застроенными кварталами городов, – городскими.

Тоннели, сооружаемые на глубине до 10 15 м от поверхности земли, называются тоннелями мелкого заложения; при большей глубине – тоннелями глубокого заложения.

Организация работ и способы строительства тоннелей весьма разнообразны и зависят от конструктивных особенностей тоннелей, глубины их заложения и инженерно-геологических условий. Производство тоннельных работ осуществляют открытыми, закрытыми и специальными способами.

Открытые способы применяют при строительстве тоннелей мелкого заложения. Они предусматривают возведение подземных конструкций в предварительно вскрытых с поверхности земли котлованах или с сооружением стен в траншеях.

Закрытые способы, без вскрытия поверхности земли, применяют для строительства тоннелей как мелкого, так и глубокого заложения. Они имеют разновидности: горный, щитовой и способ

9

продавливания. Тоннели глубокого заложения строят преимущественно горным и щитовым способами, тоннели мелкого заложения – щитовым и способом продавливания.

При производстве работ горным способом тоннельную выработку разрабатывают либо сразу на полное сечение, либо по частям и закрепляют от обрушения вначале временной крепью, а затем на определенном удалении от забоя – постоянной крепью (обделкой).

Щитовой способ основан на использовании металлической подвижной конструкции, называемой щитом, под защитой которой производят разработку породы и возведение обделки.

Способом продавливания, основанным на вдавливании в породу готовых элементов тоннеля, строят тоннели под искусственными и естественными препятствиями: под зданиями, авто- и железнодорожными магистралями, дамбами, реками, каналами и т.п.

Специальные способы работ, выполняемые при крайне сложных инженерно-геологических условиях, предусматривают использование искусственного водопонижения, замораживания или химического закрепления неустойчивых пород. К специальным способам также относятся способы опускных колодцев и кессонов, при которых для возведения подземных сооружений изготавливают подземную конструкцию на поверхности земли и затем ее погружают по мере разработки породы на проектную отметку.

При строительстве подводных тоннелей применяют способ опускных секций или тоннелей-кессонов, когда заранее изготовленные крупногабаритные тоннельные секции или тоннеликессоны опускают с поверхности воды на подготовленное основание на дне водоема и после их стыкования закрепляют, чтобы не произошло самопроизвольное всплытие.

Таким образом, тоннели могут быть заложены на разной глубине от поверхности земли, проходиться при различных формах рельефа, соответствовать тому или иному назначению и сооружаться различными способами.

Многообразие видов тоннелей, условий их заложения и способов строительства вызывает необходимость классификации

10

тоннелей по характерным признакам. Одна из наиболее распространенных классификаций тоннелей приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1

11