Устройство тоннелей и метрополитенов

Тоннели – очень важные инженерные сооружения, которые могут создаваться для прокладывания дорог, коммуникаций, линий метрополитена и для возведения различных сооружений ниже уровня грунта. Их строительство связано с большими затратами труда и материальных ресурсов, а также с повышенной опасностью. Именно поэтому при их проходке используются особые методы.

Строительство тоннелей открытым методом

Подобным образом прокладываются дороги и коммуникации неглубокого залегания – как правило, до 30 метров. Он предполагает полное вскрытие поверхностных пластов вплоть до горизонтов, соответствующих нижней точке тоннеля.

Как правило, в открытом способе проходки применяются экскаваторы и бульдозеры, реже – взрывное оборудование и буры. Сразу после разрытия котлована выполняется подготовка его основания. На многослойную подушку укладывается фундамент, защищённый гидроизолирующими материалами. После этого монтируются вертикальные опоры, которые поддерживают плиты перекрытия. Над ними может оставаться пространство для прокладывания инженерных коммуникаций.

Готовая устойчивая конструкция служит базой для монтажа обделки. Перед завершением работ она обматывается или обклеивается высококачественными изолирующими материалами. После этого тоннель засыпается грунтом и горными породами, что позволяет восстановить естественный рельеф. Строительство тоннелей горным способом

Этот метод неспроста получил своё название – он очень похож на технологию проходки, которая применяется в шахтах. Для углубления тоннеля используется буровое оборудование, а наиболее твёрдые участки породы разрушаются взрывами. В полученной штольне немедленно устанавливаются временные крепления, которые заменяются постоянной отделкой по мере проходки.

Строительство тоннелей щитовым способом

Этот метод предполагает использования сложного оборудования, которое зачастую изготавливается под потребности конкретного проекта. Поэтому он требует длительной подготовки и больших материальных затрат на начальном этапе. Но впоследствии продолжительность и трудоёмкость строительства одного километра будет намного меньшей, чем при выборе других способов.

Проходческим щитом называют цилиндрическую капсулу, которая выполняет функции рабочего инструмента, средства защиты работников и временной крепи. Наиболее простые их модификации не имеют средств механизации, поэтому работа в них ведётся при помощи отбойных молотков, лопат и прочих инструментов. Но сегодня всё чаще применяются высокотехнологичные щиты, оснащённые бурами и фрезами. Выработанный грунт и порода поступают в их нижние ячейки для перегрузки в специальные самосвалы и прочие транспортные средства.

Щиты также могут использоваться для строительства отделки. Для этого в них устанавливаются бетононасосы, нагнетающие раствор к стенкам полученной штольни. После завершения работ на определённом участке щит проталкивается вперёд гидравлическими домкратами. За ним остаётся готовый участок тоннеля, в котором остаётся только выполнить монтаж оборудования.

Методика искусственного замораживания

Особую опасность при строительстве тоннелей представляют грунтовые воды, которые могут затапливать протяжённые проходческие участки. Для борьбы с ними был разработан способ замораживания. Он предполагает установку в тоннеле большого количества трубопроводов и теплообменников, по которым циркулирует специальный хладагент. В результате порода промерзает на большую глубину, становясь достаточно прочной и водонепроницаемой. Такой метод чаще всего применяют при строительстве эскалаторов, промежуточных площадок и коротких участков в особо опасных условиях. Он требует достаточно больших материальных затрат и не может применяться при наличии пучинистых грунтов.

Методика тампонажа

Основной источник поступления воды в полость выработки тоннеля – трещины, поры и разломы в горной породе. В большинстве случаев их перекрытие позволяет решить проблему затопления проходческого участка. Для этого применяются различные материалы – специальные марки портландцемента с повышенной прочностью на сжатие, а также полимерные и композитные составы. Они закачиваются в грунт через трубы, для прокладывания которых бурятся опережающие скважины. При совмещении с качественной гидроизоляцией методика тампонажа позволяет получить очень хорошие результаты, обеспечив безопасную эксплуатацию тоннеля на протяжении десятков лет. Но стоит помнить, что при высокой агрессивности грунтовых вод и большом притоке он будет неэффективен.

Методика электрохимического закрепления

Явление электрохимического осмоса было открыто ещё в начале XIX века, но только спустя полторы сотни лет оно получило промышленное применение. Для уменьшения уровня влажности в породу вводятся две перфорированные трубы, между которыми пропускается постоянный ток с напряжением около 60-80 В. Через анод закачивается хлористый кальций, который способствует стабилизации грунта, а через катод откачивается избыточный объём жидкости. Под воздействием электричества вода устремляется к отрицательному полюсу, что многократно ускоряет её отток. В результате грунт приобретает твёрдость, а его коэффициент фильтрации снижается.

Опускная крепь

При строительстве транспортных тоннелей часто возникает необходимость в создании вертикальных колодцев – для вентиляции, прокладки инженерных коммуникаций и других целей. Если такой тоннель пролегает через участки водоносных песков и плывунов, существует большая опасность обрушения или затопления забоя. Для устранения этой проблемы применяется опускная крепь. Она представляет собой тяжёлую конструкцию, оснащённую режущим башмаком. Крепь проталкивается через рыхлые участки собственной массой, а при необходимости преодоления твёрдых пластов на неё устанавливают гидравлические домкраты. С её помощью удаётся быстро создавать вертикальные колодцы, защищая работников проходческих участков и оборудование.

Устройство внутренних конструкций тоннелей и метрополитенов

Перед вводом в эксплуатацию тоннель нужно укомплектовать всем необходимым для обеспечения быстрого и безопасного движения транспорта. С этой целью в нём устанавливаются:

• гидроизоляционные конструкции – защитные зонты, дренажные колодцы, насосы;

• электроосвещение, кабели, трубопроводы;

• усиливающие конструкции – подпорные стены, антисейсмические рампы, вертикальные колонны;

• сигнальные знаки, указатели направления движения;

• ограждения, препятствующие выходу пешеходов и пассажиров на пути движения транспорта;

• вентиляционные системы, обеспечивающие постоянный приток чистого воздуха и откачку отработанного;

• автоматические противопожарные комплексы;

• средства сигнализации, автоматизации и диспетчеризации, в метрополитенах – системы автоматического управления скоростью и аварийной остановки при авариях;

• очистные устройства, предотвращающие попадание технических жидкостей в окружающую среду и т.д.

Устройство пути метрополитена

В закрытых тоннелях полотно укладывается на жёсткое основание – монолитный бетон или специальные железобетонные конструкции. Сверху укладываются опоры, между которыми располагается лоток для отвода воды. Рельсы устанавливаются на железобетонные или деревянные шпалы (последние пропитываются креозотовым маслом для защиты от гниения и вредителей).

Для защиты пути от разрушения используются такие же приспособления, как в железнодорожном строительстве: противоугоны, скрепления, подкладки и прочие. На длинных перегонах рельсы свариваются в участки протяжённостью до 300 метров. Между ними сохраняются стыки, которые призваны компенсировать температурную деформацию и обеспечивать электрическую изоляцию. Для обеспечения безопасности движения на кривых участках применяют контррельсы, которые предотвращают сход поезда с полотна.

В российских метрополитенах основные участки пути изготавливаются из «тяжёлых» рельс Р50 и Р65. В парковых разъездах используется облегчённое полотно Р43. При их укладке значительное внимание уделяется электроизоляции, поскольку через них проходят обратный тяговый ток и сигналы автоблокировки. В местах соединения или пересечения путей создаются стрелочные переходы, которые устанавливаются на высокопрочные деревянные балки.