Прокопов А.Ю. Транспортные тоннели

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОННЕЛЕЙ

2.1 Основные требования при проектировании тоннелей

Проектирование транспортных тоннелей осуществляется в настоящее время в соответствии с требованиями и рекомендациями Сводов правил (СП) [1 - 8], государственных стандартов (ГОСТ) [9, 10], правил безопасности (ПБ) [11, 12], ведомственных строительных норм (ВСН) [13 - 17], единых норм и расценок (ЕНиР) [18] и других нормативных документов.

Основные технические решения при проектировании тоннелей (рис. 2.1) должны приниматься комплексно, с учетом факторов экономической эффективности, безопасности строительства и эксплуатации в течение проектного срока службы.

Рис. 2.1. Комплекс технических решений по проектированию тоннелей

Уровень ответственности железнодорожных и автодорожных тоннелей принимается в зависимости от их протяженности:

−уровень 2 (нормальный уровень ответственности): тоннели протяженностью менее 500 м;

−уровень 1б (высокий уровень ответственности): тоннели протяженностью более или равной 500 м [2].

Принимаемые технические решения и применяемые конструкции и материалы должны обеспечивать срок службы тоннелей не менее 100 лет. Межремонтные сроки строительных конструкций постоянных устройств

21

должны составлять не менее 50 лет.

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).

Выбор трасс тоннелей и комплексов сооружений тоннельного перехода выполняется взаимосвязано с выбором трассы железной и автомобильной дороги в соответствии с [3, 4].

Сравнение и выбор вариантов трасс тоннелей с комплексом сооружений тоннельного перехода производятся с учетом обеспечения геополитических интересов страны и соответствия функциональной надежности жизнеобеспечения транспортной коммуникацией прилегающих регионов, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций, по техникоэкономическим показателям суммарных, строительных и эксплуатационных затрат, включая затраты на охрану окружающей среды за расчетный период эксплуатации.

Основные технические решения по вариантам тоннельных переходов по выбору совмещенного или раздельного положения автодорожных и железнодорожных тоннелей, а также по детальному выбору положения трассы, плана и профиля тоннелей, одноили многопутности, типу обделки определяются при технико-экономическом сопоставлении показателей и строительных и эксплуатационных затрат за весь период жизненного цикла сооружений тоннельного перехода.

Следует избегать расположения тоннелей в зонах тектонических разломов, оползневых участков, в местах повышенного водосбора (в логах, под седловинами водоразделов и т.д.), в карстоопасных районах, а порталов и припортальных участков тоннеля – в местах возможного схода снежных лавин, селевых потоков и камнепадов.

Тоннели, штольни и другие притоннельные сооружения, располагаемые в подземных выработках, должны иметь постоянную крепь-обделку, за исключением притоннельных сооружений, располагаемых в крепких невыветривающихся скальных грунтах.

Входы в тоннель и штольни, имеющие выход на поверхность, должны быть укреплены и архитектурно оформлены в виде порталов, оголовков, рамп или наклонных газонов.

В зонах развития опасных геологических процессов (оползней, обвалов, селевых потоков, снежных лавин и др.) необходимо проектировать защитные сооружения или предусматривать мероприятия в соответствии с [7]. Они должны обеспечить необходимую защиту порталов и припортальных участков тоннеля от этих процессов.

При проектировании двух близкорасположенных тоннелей длиной свыше 600 м для раздельного движения транспорта в разных направлениях при необходимости можно предусматривать соединение их межтоннельными проходами (сбойками) для обеспечения возможности перехода лю-

22

дей в случае пожара или другой нештатной ситуации в соседний тоннель. При размещении между тоннелями трансформаторных подстанций и

других эксплуатационно-технологических устройств места расположения межтоннельных проходов (сбоек) следует совмещать с необходимыми для этих устройств притоннельными сооружениями.

При проектировании тоннеля, сооружаемого закрытым способом, следует рассматривать целесообразность сооружения в непосредственной близости от него сервисной штольни для обслуживания тоннеля при его эксплуатации, для размещения в ней коммуникаций систем жизнеобеспечения и использования ее в качестве штольни безопасности (для эвакуации людей в случае пожара или другой чрезвычайной ситуации) и дренажных целей.

Пройденные в период строительства вспомогательные штольни, имеющие выход на поверхность, следует переоборудовать в сервисные штольни для обслуживания основных тоннелей при их эксплуатации (сервисные штольни).

В строящихся тоннелях длиной свыше 100 м с односторонним движением со скоростью более 100 км/ч (для железнодорожных) и 90 км/ч (для автодорожных) во въездной зоне надлежит устраивать раструбный участок [2].

2.2 Исходные данные для проектирования тоннелей. Инженерные изыскания

2.2.1 Исходные данные для проектирования тоннелей

Исходными данными для проектирования тоннеля являются: 1 Задание на проектирование тоннеля.

2 Обоснование инвестиций строительства тоннеля, содержащее основные объемно-планировочные, конструктивные и технологические решения по строительству, требования к составу эксплуатационных устройств и оборудования, эвакуации людей из тоннеля на поверхность в случае пожара или другой ЧС, а также экологические требования.

3 Данные о перспективной расчетной интенсивности движения транспортных средств в тоннеле в «час пик», составе транспортного потока и распределении его по видам потребляемого топлива.

4 Данные по организации и безопасности дорожного движения в районе строительства.

5 Ситуационный план района строительства, проект детальной планировки и схема вертикальной планировки прилегающих улиц и площадей.

6Материалы инженерно-геологических, экологических и геодезических изысканий, выполненных в соответствии с нормативными документами в объемах достаточных для обоснования инвестиций.

7Данные по состоянию окружающей природной среды в районе строительства или реконструкции тоннеля.

23

8 Данные по эксплуатируемым и проектируемым наземным и подземным сооружениям, сетям и коммуникациям в районе строительства.

Рис. 2.2. Пример ситуационного плана района строительства тоннеля

Рис. 2.3. Пример инженерно-геологического разреза по трассе тоннеля

9 Технические условия на присоединение эксплуатационных устройств тоннеля к источникам снабжения электроэнергией, инженерным сетям и коммуникациям.

10 Основные данные по оборудованию, предполагаемому к использованию на строительстве.

11 Тендерная документация на проектирование и строительство, бизнес-план строительства.

24

2.2.2 Состав инженерно-геологических изысканий при разработке проекта строительства тоннеля

В состав инженерно-геологических изысканий при разработке проекта тоннеля входят следующие виды работ и комплексных исследований:

сбор и обработка материалов изысканий и исследований прошлых лет по участку тоннеля и прилегающим территориям;

рекогносцировочное обследование территории;

бурение скважин;

геофизические исследования;

полевые исследования грунтов;

гидрогеологические исследования;

стационарные наблюдения;

лабораторные исследования грунтов, подземных и поверхностных вод;

обследование грунтов оснований существующих зданий и сооружений (при отсутствии по ним исполнительной документации);

составление прогноза изменений инженерно-геологических условий;

камеральная обработка материалов и составление технического отчета (заключения).

2.3 Проектирование плана и продольного профиля тоннеля

За трассу тоннеля принято принимать его продольную ось, положение которой определяется планом и продольным профилем.

Расположение тоннелей в плане должно удовлетворять требованиям, предъявляемым к плану открытых участков железнодорожной линии или автодороги. Предпочтительнее располагать тоннель на прямых участках, поскольку кривые усложняют проходку тоннелей, ухудшают их вентиляцию и видимость пути.

Продольный профиль тоннеля представляет собой вертикальный разрез с указанием земной поверхности, мест выхода на поверхность порталов или рамп тоннеля, а также величин и направлений продольных уклонов тоннеля. Продольный уклон тоннеля выражается в процентах или промилле и определяется для каждого характерного участка тоннеля отношением разности высот между крайними точками к длине этого участка на плане (горизонтальному проложению).

В зависимости от количества участков с различными продольными уклонами тоннели подразделяются на:

–односкатные, у которых высшей и низшей высотными отметками являются порталы. Односкатными рекомендуется устраивать автодорожные тоннели длиной не более 300 м и железнодорожные – длиной не более

400 м;

–двускатные, имеющие, как правило, повышение уровня от порталов к середине тоннеля;

25

– многоскатные, имеющие на отдельных участках различные по величине и направлению уклоны. Многоскатными устраивают подводные и протяженные базисные горные тоннели.

Величина продольного уклона регламентируется в зависимости от типа тоннеля, топографических условий и категории дороги. Минимальный уклон выбирается исходя из условия самотечного водоотведения из тоннеля, максимальный – исходя из условий безопасности эксплуатации транспортных средств на автомобильных или железных дорогах соответствующих категорий. Основные нормативные величины продольных уклонов приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Допустимые продольные уклоны транспортных тоннелей

Смежные элементы продольного профиля железнодорожного и автодорожного тоннелей должны сопрягаться в вертикальной плоскости кривыми. Рекомендуемый радиус закругления для автомобильных дорог в зависимости от допустимой скорости движения приведен в табл. 2.1.

Рассмотрим порядок проектирования продольного профиля железнодорожного тоннеля. Его целью является соединение заданных точек пути сообщения А и В, расположенных по обе стороны от водораздела, трассой с наименьшей длиной тоннеля. При этом должны соблюдаться требования п. 2.1, а уклоны не превышать максимально допустимых.

26

Таблица 2.1

Рекомендуемые радиусы закругления в продольном профиле

Трассирование участка железнодорожной линии начинают с точки, имеющей пониженную отметку, сначала по склону с подъемом на высоту перевала напряженным ходом. Величину аn, см, шага трассирования (раствор циркуля) определяют по формуле

где h – интервал сечения горизонталями, м;

ip – руководящий уклон железнодорожной линии, ‰ (величину руководящего уклона ip можно принимать не превышающей для железных

дорог I категории 18 ‰; II – 20 ‰; III – 30 ‰; IV – 40 ‰) [5];

iэк. – смягчение руководящего уклона, учитывающее дополнительное

сопротивление движению поезда на кривых, ‰ (для горной местности принимают ориентировочно iэк.=0,5–1,0 ‰);

М – масштаб плана местности (например, для масштаба 1: 25000 в

расчет вводят = 250001 ).

План тоннеля наносится на топографическую карту местности с указанием пикетов, мест порталов (рамп), осей основного тоннеля и вспомогательных выработок (штолен, сбоек, стволов), расположения уширений, ниш, камер и др.

Расположение железнодорожных тоннелей в плане должно удовлетворять требованиям, предъявляемым к открытым участкам железнодорожной линии, за исключением радиусов кривых, величина которых должна быть не менее 350 м.

Развитие трассы напряженным ходом по склону производится до той точки, где возможности трассирования по склону исчерпаны, т.е. дальнейший подъем не уменьшает расстояния между одноименными горизонталями, расположенными по обе стороны перевала. В этой точке трасса направляется перпендикулярно к водоразделу и переходит в тоннельный участок. На противоположной стороне перевала необходимо установить вторую характерную точку D. Для этого предварительно назначается продольный профиль тоннеля.

27

Вобщем случае руководящий уклон или уклон усиленной тяги, принятый для открытых участков трассы, допускается сохранять в тоннеле при длине его не более 300 м. При длине тоннеля более 300 м уклон в тоннеле и на подходах к нему со стороны подъема на протяжении, равном принятой на линии длине приемоотправочных путей, не должен превышать руководящий уклон (или уклон усиленной тяги), умноженный на коэффициент смягчения, величина которого обосновывается расчетом.

Продольный профиль пути в тоннеле должен быть односкатным или двускатным с уклонами не менее 3 ‰ и в исключительных случаях не менее 2 ‰; горизонтальные участки длиной до 400 м допускаются в двускатных тоннелях лишь как разделительные площадки между двумя уклонами, направленными в разные стороны [4]. Пример продольного профиля тоннеля представлен на рис. 2.5.

Взависимости от протяженности перевала и характера рельефа местности тоннель может быть двускатным или односкатным. В случае двускатного тоннеля можно принять отметки точек С и D одинаковыми и продольный уклон тоннеля на подъеме минимальным. При односкатном тоннеле точка D располагается выше точки С, а продольный уклон в тоннеле ориентировочно определяется по формуле

где m – коэффициент смягчения уклона в тоннеле и на подходах в связи с уменьшением коэффициента сцепления в тоннеле, а следовательно, и силы тяги локомотива. Значение m зависит от длины тоннеля и принимается по табл. 2.1, величины ip и iэк соответствуют принятым в формуле (2.2).

Таблица 2.2

Коэффициент смягчения продольного уклона m в железнодорожных тоннелях

Зная разность отметок точки D, соответствующей началу спуска со стороны вольного хода, и точки В, а также примерное расстояние между ними (с учетом отклонения от прямолинейного направления), можно найти раствор циркуля для стороны вольного хода и протрассировать ломаную (или прямую) DВ.

Полученная ломаная линия АСDВ является линией нулевых работ, и ее заменяют плавной линией трассы, состоящей из прямых и кривых участков. Плавная линия не должна значительно отклоняться от линии нулевых работ. Целесообразно, чтобы выемки чередовались с насыпями, что позволит рационально использовать грунт выемок.

28

Рис. 2.5. Продольный профиль железнодорожного тоннеля

29

Радиусы кривых рекомендуется назначать стандартными в зависимости от категории линии и местных условий. Стандартные радиусы кривых равны 4000, 3000, 2500, 2000, 1800, 1500, 1200, 1000, 800, 700, 600, 500, 400, 350 м [4].

Прямые и кривые участки пути сопрягаются переходными кривыми. В случае близкого расположения двух круговых кривых необходимо, чтобы расстояние между тангенсами смежных кривых было не менее двух половин переходных кривых и прямой вставки длиной не менее 150 м на линии I категории и 100 м на линиях II–IV категорий.

2.4 Габариты и форма поперечного сечения тоннеля

2.4.1 Определение размеров поперечного сечения тоннеля

Размеры поперечного сечения тоннеля определяются габаритами пропускаемого транспорта с учетом зазоров безопасности и размещения инженерных коммуникаций, осветительных и противопожарных систем и т.д.

Размеры поперечного сечения автодорожного тоннеля должны приниматься в соответствии с [9] исходя из категории автомобильной дороги (рис. 2.6), при этом расстояние Г принимается по табл. 2.3.

Размеры поперечного сечения железнодорожного тоннеля должны приниматься в соответствии с [10], при этом для пролетных строений мостов, конструктивных элементов тоннелей, галерей применяются очертания габарита С по сплошным линиям 1-2-4а-8 (рис. 2.7).

30