2435
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет
архитектуры и строительства» (ПГУАС)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина»
Е.К. Сурнина, И.Г.Овчинников Ю.П. Скачков
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Рекомендовано Редсоветом университета в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство»
Пенза 2015
1
УДК 624.19(075) ББК 39.112я73
С90
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Мосты, транспортные тоннели и геодезия» Казанского государственного архи- тектурно-строительного университета А.А. Пискунов; кандидат технических наук, доцент,
заведующая кафедрой «Мосты и транспортные тоннели» Уральского государственного университета путей сообщения Г.В. Десятых
Сурнина Е.К.
С90 Проектирование транспортных тоннелей: учеб. пособие / Е.К. Сурнина, И.Г. Овчинников, Ю.П. Скачков. – Пенза: ПГУАС, 2015. – 236 с.
Рассмотрены вопросы инженерных изысканий и проектирования транспортных тоннелей. Представлены сведения о материалах, конструкциях обделок и гидроизоляции подземных сооружений; приведены нагрузки и расчетные схемы тоннельных обделок. Дано описание систем вентиляции, освещения и других эксплуатационных систем и устройств тоннелей.
Пособие подготовлено на кафедрах «Строительные конструкции» ПГУАС и «Транспортное строительство» Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина и предназначено для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство».
©Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2015
©Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина, 2015
©Сурнина Е.К., Овчинников И.Г.,
Скачков Ю.П., 2015
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Структура и содержание настоящего пособия определены тематикой и объемом лекционных курсов для бакалавров направления «Строительство».
Впособии изложены материалы, которые отражают современный опыт отечественного и зарубежного тоннелестроения и знание которых необходимо будущим инженерам-строителям транспортных сооружений.
Основное внимание уделено проектированию автодорожных, железнодорожных и пешеходных тоннелей. Рассмотрены следующие вопросы: инженерно-геологические, инженерно-экологические и инженерно-геоде- зические изыскания; конструкции тоннелей для различных условий строительства; защита тоннелей от подземных вод. Описаны системы вентиляции, освещения и другие эксплуатационные системы, необходимые для нормальной эксплуатации тоннелей. Отражены вопросы, связанные с обеспечением пожарной безопасности и охраны окружающей среды.
Приведены нагрузки и расчетные схемы тоннельных обделок различного очертания; рассмотрены основные направления расчета этих обделок.
Впособии также изложены основные правила проектирования автодорожных и железнодорожных тоннелей.
3
1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ТОННЕЛЯХ
Ктоннелям в широком смысле слова могут быть отнесены любые подземные сооружения. В узком – протяженные подземные сооружения, длина которых значительно превышает их поперечное сечение.
Транспортные тоннели – это горизонтальные или наклонные подземные искусственные сооружения, проводящие дорогу под препятствием, в отличие от мостов, обеспечивающих непрерывность движения над препятствием.
1.1.Классификация тоннелей
Тоннели принято классифицировать следующим образом (табл.1.1).
|
|
Таблица 1.1 |
Признаки |
|
|
классифика- |
|
Разновидности и характеристика тоннелей |
ции |
|
|
1 |
|
2 |
|
1. |
Тоннели на путях сообщения (транспортные): |
|
– железнодорожные |
|
По назна- |
– метрополитены – городские подземные железные дороги |
|
чению |
– автодорожные, в том числе городские, для развязки уличного |
|
|
движения |
|
|
– судоходные, исторически раньше других появившиеся на путях |
|
|
сообщения |
|
|
– совмещенные транспортные для одновременного пропуска различных |
|
|
видов транспорта |
|
|
– пешеходные переходы под городскими улицами |
|
|
2. |
Гидротехнические, среди которых различаются: |
|
– гидростанционные, подводящие и отводящие воду от турбин ГЭС |
|
|
– ирригационные (оросительные) |
|
|
– водоснабженческие для подачи воды в населенные пункты |
|
|
– дренажные (осушительные), в частности на оползневых участках |
|
|
3. |
Тоннели городского хозяйства: |
|
– канализационные |
|
|
– водосточные |
|
|
– энергоснабженческие |
|
|
– совмещенные для прокладки различных коммуникаций, очень эконо- |
|
|
мичные в эксплуатации, но дорогие в постройке |
|
|
4. |
Горнопромышленные: транспортные, дренажные, вентиляционные |
|
5. |
Подземные сооружения специального назначения: склады, ангары, |
|
хранилища газа или горючего, убежища глубокого заложения, подземные |
|
|
заводы, стартовые сооружения ракет, подземные гаражи и т.п. |
|
По месту |
1. |
Горные: сооружаемые в гористой местности для преодоления |
расположе- |
высотных препятствий |
|
ния |
2. |
Городские: сооружаемые в городах под улицами, площадями, |
|
застроенными кварталами |
|
|
3. |
Подводные: сооружаемые для преодоления водных препятствий |
4
Окончание табл. 1 . 1
1 |
2 |
|
По глубине |
1. Мелкого заложения: расположенные на глубине до 15 м (сооружаются |
|
заложения |
чаще всего в открытых котлованах) |
|
|
2. Глубокого заложения: расположенные на глубине |
более 15 м |
|
(сооружаемые без нарушения земной поверхности) |
|
В зависимо- |
1. одноуровневые |
|
сти от арх.- |
|
|
простр. |
2. многоуровневые |
|
формы |
|
|
По |
а) Сооружаемые открытым способом ( котлованный, |
траншей- |
способам |
ный) : тоннельные конструкции целиком или по частям возводятся в |
|
сооружения |
предварительно вскрытых котлованах или траншеях с последующей |
|
|
засыпкой грунтом готового сооружения |
|
|
б) Сооружаемые полузакрытым способом: часть конструкции тоннеля |
|
|
сооружается без вскрытия земной поверхности, часть – со вскрытием |
|
|
в) Сооружаемые закрытым способом ( горный, щитовой, про- |
|
|
давливание) : проходка тоннеля производится без вскрытия земной |
|
|
поверхности. Характерны для глубокого заложения тоннелей. При |
|
|
производстве работ горным способом (применяется в скальных грунтах) |
|
|
тоннельное сечение раскрывается по частям или на полное сечение с |
|
|
постановкой временной крепи. При щитовом способе (применяется в |
|
|
мягких и слабых грунтах) в качестве временного крепления используется |
|
|
подвижная металлическая крепь – щит, под защитой которой про- |
|
|
изводятся как разработка грунта, так и монтаж тоннельной конструкции |
|
|
(обделки) |
|
|
г) Сооружаемые специальными способами: с помощью предвари- |
|
|
тельного укрепления грунтов, опускания готовых тоннельных секций, с |
|
|
использованием в забое сжатого воздуха и т.д. |
|
1.2. Основная тоннельная терминология
Горная выработка – искусственно образованная в земной коре полость, предназначенная для размещения тоннеля или для вспомогательных строительных целей. По положению в пространстве выработки делятся на горизонтальные (рис.1.1), наклонные и вертикальные (рис. 1.2).
Глубина заходки W – объем грунта, разрабатываемый за один прием. Штольня – небольшая выработка, используемая для раскрытия
выработки тоннеля на полное сечение или для вспомогательных целей. Ствол – вертикальная выработка, имеющая выход на дневную поверх-
ность и предназначенная для обслуживания подземных работ и для вентиляции.
Тоннельная обделка – постоянная несущая конструкция, воспринимающая внешние нагрузки, ограждающая подземную выработку и образующая внутреннюю поверхность подземного сооружения.
5
Рис. 1.1. Горизонтальная выработка:
1 – штросса (нижняя часть); 2 – калотта (верхняя сводчатая часть); 3 – кровля выработки; 4 – забой (торец выработки, в котором разрабатывается
грунт); 5 – подошва выработки; 6 – штольня
Рис. 1.2. Вертикальная выработка:
1 – подходная штольня; 2 – устье ствола; 3 – ствол; 4 – околоствольная выработка; 5 – водосборник (зумпф)
На рис.1.3 приведена обделка горного тоннеля, которая состоит из свода 1, стен 2 и обратного свода 3. Обратный свод сооружается только при большом боковом давлении грунтов или наличии пучения глинистых грунтов с давлением снизу вверх.
6
Рис.1.3. Элементы поперечного сечения тоннеля:
1 – верхний свод тоннельной обделки; 2 – ее стены; 3 – обратный свод обделки; 4 – вентиляционные каналы (вытяжной (-) и нагнетательный (+));
5 – проезжая часть; 6 – контур тоннельной выработки
Портал тоннеля – архитектурно оформленные вход и выход из тоннеля. В горном тоннеле портал является поперечной подпорной стеной, удерживающей от сползания грунт лобового откоса предпортальной выемки. В глубоких выемках он сочетается с продольными подпорными стенами.
Рампа – сооружение, служащее для перехода транспортных средств с проезжей части на поверхности земли в тоннель и наоборот.
1.3. Технико-экономическая целесообразность строительства транспортных тоннелей
Строительство транспортных тоннелей является более трудоемким по сравнению со строительством наземных сооружений. Поэтому необходимость в их строительстве должна быть тщательно обоснована. Выбор вариантов трассы тоннелей и комплекса сооружений тоннельных переходов осуществляется на основе сравнения с вариантами трасс и комплексов сооружений мостовых переходов (для подводных тоннелей) и вариантов трасс обходов барьерных мест (препятствий) в плане и в профиле препятствия (для горных и городских тоннелей).
7
Впроцессе проведения трассы автомобильных и железных дорог встречаются природные препятствия, которые необходимо преодолеть. Они делятся на высотные и контурные.
Квысотным препятствиям относят холмы, горные хребты и водоразделы. При трассировании железной или автомобильной дороги возможны три решения преодоления этого препятствия:
1.Обход высотного препятствия.
Вэтом случае значительно удлиняется трасса и увеличиваются уклоны, что приводит к ухудшению эксплуатационных показателей.
2.Развитие трассы с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки.
Длина дороги получается меньшей, чем в первом случае, но возрастает потребность в применении больших уклонов; возникает необходимость в защите высокорасположенных участков линии от снежных заносов, лавин
иобвалов путем устройства галерей и других инженерных сооружений.
3.Сооружение тоннеля, соединяющего склоны высотного препятствия (рис.1.4).
При выборе этого варианта значительно сокращается длина дороги и уменьшаются уклоны, ликвидируются излишние повороты, улучшается комфортность движения и эксплуатационные показатели. Однако сооружение тоннеля, особенно расположенного в подошве высотного препятствия
иимеющего в связи с этим большую длину, вызывает значительное увеличение сроков строительства и капитальных затрат.
Рис. 1.4. Преодоление высотного препятствия
Поэтому выбор трассы пути сообщения производят на основании технико-экономического сравнения вариантов.
К контурным препятствиям относят участки оползней, карстов, осыпей, лавин и снежных заносов, реки, озера, болота, а также населенные пункты. Оползни и осыпи угрожают стабильности земляного полотна и безопасности движения.
8
Для преодоления этих препятствий можно рассмотреть следующие варианты:
1. Обход контурных препятствий.
Это удлиняет трассу и увеличивает эксплуатационные расходы. Поэтому в некоторых случаях может быть экономически целесооб-
разно не обходить препятствие, а преодолеть его с помощью специальных сооружений – эстакад или тоннелей.
2.На эстакаде можно расположить пути при оползнях малой мощ-
ности.
3.Однако при мощных (более 5 м) оползнях и наличии глубоких потоков подземных вод наиболее правильным решением задачи часто является
перенос трассы в глубь горного массива – за пределы оползневой зоны
(рис. 1.5). Это же решение может оказаться целесообразным при наличии в районе трассы мощных осыпей, возникающих на скальных косогорах (круче 30–35°), сложенных из трещиноватых выветрелых грунтов.
Защита пути от снежных лавин и заносов потребует больших эксплуатационных расходов и серьезных инженерных мероприятий, вплоть до устройства на опасных участках галерей из бетона или железобетона.
4. Тоннель, расположенный вне зоны, опасной в отношении лавин и заносов, в этом случае обеспечит бесперебойность и безопасность движения, а также уменьшит эксплуатационные расходы.
Рис. 1.5. Преодоление участков оползней, осыпей и снегозаносимости
При преодолении водных препятствий необходимо сделать выбор между мостом и тоннелем (рис.1.6).
В сравнении с мостовым переходом тоннельное пересечение имеет следующие преимущества:
–отсутствие помех судоходству;
–защищенность от ветра, атмосферных осадков, льда, волн при пересечении крупных рек и проливов;
9
–меньшая длина пересечения при высоком габарите судов и широкой пойме;
–удобство подходов к пересечению в городских условиях;
–нет нарушения бытового режима водоемов.
Рис. 1.6. Преодоление водного препятствия
Однако тоннельное решение имеет ряд недостатков:
–необходима постоянная вентиляция, без которой часто невозможна эксплуатация подводного тоннеля;
–срок сооружения тоннеля, как правило, больше, чем срок сооружения моста;
–стоимость тоннельного пересечения может быть выше стоимости мостового перехода, так как при сооружении тоннеля необходимо выполнить больший объем земляных работ, чем при сооружении моста.
Однако следует иметь в виду, что с увеличением ширины водного препятствия стоимость 1 пог. м моста увеличивается, а стоимость 1 пог. м тоннеля уменьшается; с увеличением высоты моста возрастают объемы земляных работ на подходах.
В отношении безопасности производства работ мостовой переход не имеет преимуществ по сравнению с тоннельным пересечением. Проходка подводных тоннелей герметическими щитами обеспечивает полную безопасность работ и гарантирует их своевременное выполнение, так как работы могут производиться в течение всего года независимо от сезона и климатических условий.
Особенно возрастают преимущества тоннельного пересечения при сооружении тоннеля из крупных секций, изготовляемых на берегу и опускаемых в котлован, устраиваемый по оси пересечения подводным землечерпанием.
При преодолении морских проливов тоннельные переходы вообще несравнимы с мостовыми. Построить мост протяженностью в 54 км (длина подводного тоннеля Сейкан, построенного в 1993 г.) или в 52 км (длина тоннеля под проливом Ла-Манш, построенного в 1994 г) чрезвычайно трудно. Еще большие трудности возникнут при эксплуатации такого моста.
10