Прокопов А.Ю. Транспортные тоннели

РОСЖЕЛДОР Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВО РГУПС)

А.Ю. Прокопов, М.С. Плешко, М.В. Прокопова

ТРАНСПОРТНЫЕ ТОННЕЛИ

Учебное пособие

Утверждено учебно-методическим советом университета

Ростов-на-Дону

2015

1

УДК 624.19(07) + 06

Рецензенты: доктор технических наук, профессор Ф.И. Ягодкин (ЮРГПУ им. М.И. Платова); кандидат технических наук, профессор И.А. Мартыненко (ДГТУ)

Прокопов, А.Ю.

Транспортные тоннели: учеб. пособие / А.Ю. Прокопов, М.С. Плешко, М.В. Прокопова; ФГБОУ ВО РГУПС. – Ростов н/Д, 2015. – 154 c.: ил. – Библиогр.: с. 149–151.

Выполнен анализ современного состояния и перспектив развития строительства транспортных тоннелей в России и мире. Рассмотрены основные аспекты проектирования тоннелей и расчета обделки. Приведены общие сведения о технологии и механизации строительства тоннелей горным и открытым способами. Рассмотрен порядок проектирования основных технологических процессов сооружения тоннелей.

Предназначено для студентов и аспирантов вузов, обучающихся по направлениям подготовки «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» и «Строительство» (профили «Автодорожные мосты и тоннели», «Автомобильные дороги и аэродромы») всех форм обучения.

Одобрено к изданию кафедрой «Изыскания, проектирование и строительство железных дорог».

© Прокопов А.Ю., Плешко М.С., Прокопова М.В., 2015

© ФГБОУ ВО РГУПС, 2015

2

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития мировой транспортной инфраструктуры роль тоннелей, являющихся связующим звеном между разными регионами и даже странами, существенно возрастает. Современный этап со- циально-экономического развития России характеризуется активным строительством олимпийских транспортных объектов в Краснодарском крае, метротоннелей в крупных городах, разработкой перспективных крупномасштабных проектов по строительству автодорожных и комбинированных тоннелей в Москве, Санкт-Петербурге, Ростове-на-Дону, Уфе, Владивостоке и др.

Внастоящем учебном пособии освещаются вопросы проектирования

итехнологии сооружения транспортных тоннелей на основе применения современных средств механизации горнопроходческих и строительномонтажных работ, прогрессивных методов ведения работ на различных этапах строительства. Авторы при написании пособия постарались максимально учесть передовой отечественный и мировой опыт тоннелестроения и современные тенденции в технологии и механизации строительства.

Для успешного усвоения материала студентам необходимо овладеть знаниями по теоретической механике, сопротивлению материалов, гидравлике, механике грунтов, теории машин и механизмов, строительной механике, инженерной геологии, инженерной геодезии, материаловедению

итехнологии конструкционных материалов, изысканию и проектированию мостовых и тоннельных переходов, основаниям и фундаментам, строительным материалам и изделиям, строительным работам и машинам в мосто- и тоннелестроении.

С помощью учебного пособия «Транспортные тоннели» студент сможет научиться решать следующие основные задачи:

– проектировать план и продольный профиль тоннеля;

– выбирать форму и размеры поперечного сечения, исходя из габаритов приближения транспортных средств и оборудования;

- определять нагрузки на тоннельную обделку, производить ее расчет

иконструирование;

–выбирать и обосновывать способ проходки тоннеля и метод раскрытия сечения;

–выбирать технологическую схему проходки и крепления тоннеля;

–выбирать средства механизации работ по сооружению тоннеля. Авторы будут благодарны всем читателям, приславшим свои заме-

чания и предложения по улучшению содержания пособия, которые будут обязательно учтены при работе над его последующими изданиями.

Связь с авторами – по электронной почте prokopov72@rambler.ru, mixail-stepan@mail.ru.

3

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЯХ

1.1 Определение и классификация тоннелей

Тоннель (от англ. tunnel и фр. tonneau – бочка) – протяженное горизонтальное или наклонное подземное или подводное сооружение, имеющее непосредственный выход на поверхность в виде порталов.

Тоннели классифицируются по назначению (рис. 1.1), расположению, глубине, способу сооружения, форме поперечного сечения и другим признакам.

Рис. 1.1. Классификация тоннелей по назначению

Транспортные тоннели предназначены для пропуска транспортных средств по трассе железных и автомобильных дорог, линий метрополитена, скоростного трамвая и других видов транспорта (например, поездов на магнитной или воздушной подушке). Существуют комбинированные транспортные тоннели для нескольких видов транспорта (например, для автомобилей и ж.-д. поездов), иногда по изолированным отсекам таких тоннелей организуют движение велосипедистов и пешеходов. K транспортным тоннелям относят судоходные тоннели (для перемещения судов из одной акватории в другую), а также городские тоннели в составе транспортных развязок и в районах крупных вокзалов, аэропортов, торговых центров (для подвоза грузов, товаров, почты и пр.).

Гидротехнические тоннели предназначены для напорной или безнапорной подачи воды на значительные расстояния. Наибольшее распространение получили энергетические (подводящие воду к станционному узлу ГЭС и отводящие воду от подземного машинного зала); водосбросные

4

(для удаления излишков воды из водохранилищ); строительные (для временного отвода реки в период строительства плотины и других сооружений в русле); ирригационные; соединительные (для объединения водоёмов или водотоков); судоходные; комбинированные (удовлетворяющие различные водохозяйственные цели). Многие современные гидротехнические тоннели – сооружения с поперечным сечением 200–300 м2 и более.

Коммунальные тоннели сооружают, как правило, в крупных городах с целью прокладки канализационных трубопроводов, кабелей, устройства коллекторов, тепло-, газо-, водоснабжения и др.

Горнопромышленные тоннели предназначены для транспортировки из шахты или рудника полезных ископаемых, перевозки людей и грузов, а также для целей водоотлива и вентиляции горного предприятия.

К тоннелям специального назначения относят подземные автостоян-

ки и гаражи тоннельного типа; подземные нефте- и газохранилища, подземные заводы; тоннели оборонного характера (ангары, склады боеприпасов, комплексы ракетных установок, бомбоубежища и др.); тоннели для научных исследований (например, ускорители заряженных частиц, тоннели для аэродинамических испытаний). Примером тоннелей последней группы является тоннель, построенный для размещения Большого андронного коллайдера. Тоннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землей на территории Франции и Швейцарии на глубине от 50 до 175 м, причём кольцо тоннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно горизонтальной плоскости.

По расположению транспортные тоннели делятся:

–на горные (рис. 1.2, а), служащие для преодоления препятствий в виде горных вершин, хребтов, мысов и т.п.;

–подводные (рис. 1.2, б) – для преодоления водных преград;

–равнинные или городские (рис. 1.2, в) – для пересечения трасс в разных уровнях или разгрузки транспортных потоков на поверхности.

В зависимости от высоты пересечения горные тоннели подразделяют на вершинные и базисные. Вершинные тоннели имеют меньшую длину, но требуют более протяженных подходов. Выбор высоты расположения горного тоннеля зависит от конкретных топографических, инженерногеологических и климатических условий и производится в результате тех- нико-экономического анализа с учетом интенсивности автодвижения. Вершинный тоннель, имеющий более низкую строительную стоимость, может оказаться более целесообразным, чем базисный при малой интенсивности движения. При значительной грузонапряженности дороги предпочтительнее сооружать базисный тоннель, требующий меньших транс- портно-эксплуатационных расходов. При этом следует учитывать, что сооружение вершинных тоннелей сопряжено с необходимостью пересечения подходами крутых косогоров, оползневых зон, ущелий, что требует создания в ряде случаев защитных противообвальных галерей, высоких подпорных стен, виадуков, глубоких выемок.

5

а

б

в

Рис. 1.2. Виды транспортных тоннелей по расположению: а – горный; б – подводный; в – равнинный (городской)

По глубине расположения транспортные тоннели делятся:

– на тоннели глубокого заложения (более 10 м);

–мелкого заложения (до 10 м).

По способу сооружения:

–на тоннели, сооружаемые подземным (горным) способом;

–тоннели, сооружаемые открытым способом.

По форме поперечного сечения:

–на прямоугольные (рис. 1.3, а);

–круглые (рис. 1.3, б);

–овальные (эллиптические) (рис. 1.3, в);

–сводчатые (сферические) (рис. 1.3, г);

–трапециевидные (рис. 1.3, д);

–параболические (рис. 1.3, е) и др.

Форма поперечного сечения выбирается исходя из способа сооружения тоннеля, устойчивости горных пород и компоновочных решений.

6

г

в

Рис. 1.3. Формы поперечного сечения тоннелей:

а – прямоугольная; б – круглая; в – овальная (эллиптическая); г – сводчатая (сферическая); д – трапециевидная; е – параболическая

7

1.2 История развития тоннелестроения

Тоннель, наряду с мостом, является одним из древнейших изобретений человечества. В Вавилоне, Египте, Греции и Риме подземные работы проводились задолго до новой эры – сначала при добыче полезных ископаемых, сооружении гробниц и храмов, а затем для водоснабжения и транспорта. Первые тоннели сооружались, как правило, в скальных породах, без закрепления последних. Для ведения проходческих работ использовались примитивные орудия: кирки, ломы, клинья, а также огневой способ, заключавшийся в сильном нагревании забоя выработки с последующим охлаждением холодной водой и разборкой растрескавшейся скалы.

Первым дошедшим до нас литературным источником, в котором с научной точки зрения описаны законы и технологии строительства подземных сооружений является книга Георга Агриколы (Georg Bauer) «Горное и заводское дело», вышедшая в 1556 г.

В конце средних веков в связи с расширением международных связей и стремлением к укорочению торговых путей начинается строительство судоходных тоннелей, соединявших между собой водные пути сообщения, разделенные водоразделами. Предпосылкой к строительству тоннелей в этот период явилось применение черного пороха для взрывания скальных пород. Первый судоходный тоннель длиной около 160 м был построен во Франции на Лангедокском канале в 1679–1681 гг.

Толчком для дальнейшего развития тоннелестроения послужило появление железных дорог, требующих малых уклонов и сооружения тоннелей для преодоления высотных препятствий. Первый железнодорожный тоннель длиной 1190 м был построен в 1826–1830 гг. в Англии на линии Ливерпуль – Манчестер. Почти одновременно развернулось строительство железнодорожных тоннелей во Франции и других европейских странах.

Первые успехи в механизации процесса тоннелестроения были достигнуты благодаря изобретению Марка Брюнеля, которое представляло собой прообраз современного проходческого щита. Внедрение этого щита позволило пройти в мягких породах, склонных к обрушению, подводного тоннеля под р. Темзой в Лондоне в

1825–42 гг.

Несмотря на быстрое развитие тоннелестроения, длина тоннелей, сооружавшихся с помощью ручного бурения и черного пороха, не превышала 3,5 км. Уровень техники ограничивал возможности строительства длинных тоннелей. Открытие пироксилина (1845 г.) и динамита (1866 г.), а также успешное применение в горном деле бурильных машин удар- но-поворотного действия (1851 г.) произвели

8

технический переворот в тоннелестроении и сделали возможным решение самых трудных задач, стоявших перед тоннелестроителями, – сооружение больших альпийских тоннелей между Францией, Италией и Швейцарией.

В 1857–1871 гг. был сооружен тоннель Мон-Сенис длиной 12 850 м, соединивший Францию с Италией, в 1872–1882 гг. – тоннель Сен-Готард длиной 14984 м, соединивший Италию со Швейцарией. До начала первой мировой войны было построено 26 тоннелей длиной более 5 км каждый, в том числе самый длинный в мире Симплонский тоннель длиной 19780 м, соединивший Италию со Швейцарией. Первый из двух однопутных тоннелей – Симплон I – был начат в 1898 г. и закончен в 1906 г., несмотря на исключительные трудности, с которыми пришлось встретиться тоннелестроителям (огромное горное давление, большой приток горячей воды, высокая температура выработки, достигавшая 55 градусов). Второй Симплонский тоннель был построен лишь к 1921 г.

Новый этап бурного развития тоннелестроения был связан со строительством в крупнейших городах мира метрополитенов, являющихся сложными комплексами подземных сооружений. Первыми городами мира,

вкоторых было построено метро, являются:

–1863 г. – Лондон;

–1868 г. – Нью-Йорк;

–1896 г. – Будапешт;

–1898 г. – Вена;

–1900 г. – Париж.

Приведем краткую хронологию отечественного тоннелестроения: 1859–1862 гг. – первые ж.-д. тоннели на линии С. Петербург – Вар-

шава (два двухпутных тоннеля длиной 427 м (Виленский) и 1280 м (Ковенский);

1872–1888 гг. – построен ряд тоннелей на Кавказе и Урале. Достигнута суточная скорость проходки тоннелей в этот период 5 сажень (10 м);

1902–1904 гг. – сооружаются кругобайкальские тоннели числом более шестидесяти и общей длиной 7296 м, пройденных по гранитогнейсам, кварцитам и сиенитам;

1916 г. – закончено строительство нескольких тоннелей на Дальнем Востоке (Китайско-Восточная железная дорога), включая Хинганский тоннель длиной 3078 м, средняя скорость проходки которого достигала 205 м/мес. Ряд двухпутных тоннелей на Дальнем Востоке был сооружен впервые в мире в условиях вечной мерзлоты, что потребовало преодоления больших трудностей, как в период строительства, так и во время эксплуатации;

1932–1949 гг. – в СССР построено 32 км железнодорожных тоннелей, в том числе в 1937–1941 гг. – уникальный подводный ж.-д. тоннель под Амуром длиной 7198 м;

1969–1984 гг. – строительство Байкало-Амурской магистрали (БАМ)

–построено 4300 км дороги, в том числе 2230 больших и малых мостов,

9

8 тоннелей общей протяженностью более 45 км, в том числе Северомуйский длиной 15343 м (из-за сложности горно-геологических условий сдан в эксплуатацию только в 2003 г.).

Во многих городах СССР с населением более 1 млн чел. были построены линии метрополитена, успешно эксплуатируемые и в настоящее время.

Первый городской автомобильный тоннель в СССР был сооружён в Москве на Кутузовском проспекте в 1959 г. Первый пешеходный тоннель в Москве был построен под улицей Горького (ныне Тверской) на её пересечении с Бульварным кольцом (Пушкинская площадь) в 1938 г.

Строительство автодорожных горных тоннелей в СССР до 1960 г. ограничивалось короткими тоннелями небольшого сечения в Крыму, на Кавказе и в Средней Азии; в 1960–1980-е гг. – велось строительство магистральных тоннелей в Киргизии, Грузии, Узбекистане, Абхазии; в 1987 г. – строительство Рокского автодорожного тоннеля под главным Кавказским хребтом на трассе Владикавказ – Цхинвал протяженностью 3,6 км; 1992 г.

– строительство Гимринского тоннеля (Дагестан) протяженностью 4,5 км.

1.3 Современное состояние тоннелестроения в России и мире

На современном этапе постоянно увеличивается объем строительства новых и реконструкции действующих горных транспортных тоннелей, позволяющих отказаться от «серпантинов» и обеспечивающих высокоскоростное преодоление препятствий в виде вершин, хребтов, мысов и т.п. Современные транспортные тоннели характеризуются значительными протяженностью, габаритами поперечного сечения, сложными системами обеспечения безопасности, включая эвакуационные выходы, связь, оповещение, многоступенчатые режимы вентиляции, экозащитное оборудование, системы пожаротушения, мойки и др. Наибольших успехов в строительстве тоннелей и производстве тоннелепроходческой техники достигли Япония, США, страны Евросоюза (Германия, Италия, Франция, Великобритания, Испания, Швеция, Финляндия), Швейцария, Норвегия, Китай, Израиль, Канада и др.

Характеристика наиболее протяженных транспортных тоннелей мира, находящихся в настоящее время в стадии строительства или эксплуатации, приведена в табл. 1.1.

Одним из уникальных транспортных тоннелей современности является подводный железнодорожный переход под проливом Ла-Манш (Евротоннель), состоящий из трёх тоннелей – двух основных диаметром 7,6 м каждый, имеющих рельсовый путь для поездов, следующих на север и юг, и одного служебного тоннеля диаметром 4,8 м (рис. 1.4). Служебный тоннель через каждые 375 м имеет сбойки, соединяющие его с основными, он предназначен для доступа к основным тоннелям обслуживающего персонала и аварийной эвакуации людей в случае опасности.

10