Строительство тоннелей
Строительство тоннелей и прочих подобных подземных систем — одно из главных инфраструктурных решений любого крупного города. Это технология, которая позволяет выполнять сразу много решений на глубине: разгрузить городские улицы, организовывать автомобильные развязки, создавать альтернативные наземным дорогам транспортные системы, такие как метро в Москве.
Также тоннелестроение позволяет делать путепроводы в местах со сложным ландшафтом, где без них приходилось совершать длинные объезды. И даже соединять целые острова между собой или с континентальной частью. Таким образом, усилиями инженеров людям удается экономить много времени и денег, оптимизировать экономическую систему городов и стран. Давайте выясним, как правильно планировать и прокладывать тоннели, какие существуют инновационные проекты и современные способы проходок. А также, с какими проблемами можно столкнуться во время строительства, и как их решить.
Современные технологии возведения тоннелей
Технологический процесс строительства тоннелей в России и мире со временем только совершенствуется, но некоторые постулаты подземных инженерных проектов остаются неизменными, потому что они эффективны и проверены временем. Например, делить возведение тоннелепроходов на два основных способа: открытый и закрытый.
Метод открытого строительства применяют в том случае, когда нужен тоннель мелкого заложения (обычно не ниже 20 м под уровнем поверхности). У этого метода есть как плюсы, так и минусы. Из преимуществ можно отметить экономическую выгоду по сравнению с закрытым способом. В то же время от инженеров потребуется учитывать все основные коммуникации над самим тоннелем, а также дороги. Это усложняет задачу, иногда вынуждая перекладывать их.
Строительство открытым способом ведется посредством вырывания котлована, который засыплют землей обратно после окончания работ. Также на этом уровне нередки грунтовые воды, и для защиты от них нужно построить специальных слой гидроизоляции.
Второй способ строительства тоннелей — закрытый. В отличие от предыдущего метода, он может применяться как на малой высоте, так и при глубине более 20 м. Типичный пример прокладки тоннелей закрытого типа — строительство метро. Чтобы начать проходку, инженерам нужно создать систему из шахт и проходов. Также обязательно установить лифты и подъемники, которыми персонал и строительные машины доставляются под землю. С их же помощью налаживается постоянные поставки материалов вместе с выведением грунта и прочего мусора.
Если использовать закрытый метод строительства, придется потратить больше средств, однако это открывает более широкие технологические возможности. Во-первых, таким способом не нарушается целостность внешней коммуникационной и транспортной системы, находящейся значительно выше. Во-вторых, уже организовав первоначальную шахту и доставив туда строительную технику, включая тоннелепроходческий щит, можно делать проходку на длину значительно больше, чем открытым типом.
Построение ступенчатым методом
При этом способе строительства тоннелей необходимо первым делом выкопать верхнюю секционную часть. Приступать к извлечению породы в нижней половине нужно после того, как будет достигнута определенная длина отверстия. После этого верхняя и нижняя секции начинают идти параллельным путем. Ступени можно поделить на 3 основных размера: короткая, длинная и очень короткая. В современном строительстве в зависимости от сложности проекта количество ступеней может быть три и даже больше.
Преимущество выкапывания тоннеля ступенчатым способом состоит в высокой скорости проходки, а также обеспечении обширного пространства для строительных маневров. При этом количество нарушений в окружающих среде из-за интерференции двух параллельных операций по изъятию грунта может повышаться. Тем не менее, стабильность поверхности выемки повышается благодаря наличию ступеньки.
Кольцевая выемка с основным грунтом
В этом методе строительства тоннеля важно подобрать правильный метраж для круговой выемки. По правилам, основной грунт в ней должен составлять более половины от совокупной площади проема. Как только проводятся земляные работы, нужно сразу устанавливать опоры стального каркаса и анкера для распыления. При этом опорные рамы соединяются между собой стальными стержнями.
В этом способе проходки проблемой может стать низкое качество породы, дающее короткий срок самостабилизации перед грунтовым изъятием. Чтобы защитить конструкцию, нужно обустроить предварительную поддержку, как того требует проектная документация.
Метод по соседству
Его также называют методом с центральной диафрагмой, или просто «CD». Это способ прокладки тоннелей, по которому необходимо выкопать одну сторону, затем возвести среднюю стену, и только после этого приступать к выкапыванию второй стороны тоннеля. Данный технологический процесс применяют, когда тоннель с двойной линией имеет большой пролет, а окружающая порода скал достаточно слабая.
Способ перекрестного соседа
Другое название — способ с поперечной центральной диафрагмой «CRD». Также как и предыдущий, он применим в тоннелях, имеющих большой пролет, и прокладываемых в условиях слабой скальной породы. Отличие заключается в том, что вместо последовательного выкапывания сначала одной, а затем другой стороны, в этом способе выемку делают попеременно с обеих сторон небольшими частями.
Также по центру устанавливается средняя стена. Эта перегородка с диафрагмой подстраивается по ходу вскрытия новых участков породы с обеих сторон, пока не будут выкопаны последние части. Снимать среднюю поддерживающую стенку нужно только после закрытия всей секции с установлением стабильности.
Пилотная яма с двойной стенкой
Суть данного метода заключается в том, чтобы продольно разделить вес участок на 3 части двумя перегородками. В итоге в поперечном сечении прохода образуются две отдельные стороны — пилотные ямы. А центральный участок тоже можно условно поделить на пару составляющих: ступени снизу и основной грунт сверху.
Основные этапы строительства
Прокладывание тоннелей — сложный процесс, включающий много инженерно-технологических этапов. Однако первым из них всегда должен быть исследовательский. Любой тоннель проходит в определенной толще земли, которая имеет сложный состав, включает в себя разные слои, может содержать подземные воды и прочие геологические факторы. Поэтому перед началом любых строительных шагов требуется определение, где и как в данной местности допустимо вести раскопки, чтобы не допустить ошибок.
Этап подготовки
Геологическое обследование участка подразумевает комплекс различных мероприятий, а выводы делаются на основании суммирования всех результатов. Вот из каких видов исследований состоит анализ строительного участка:
- Изучение документации. Включает в себя ознакомление с любой доступной литературой, геологическими картами местности, отчетами других специалистов.
- Геофизические методы. Например, георадар и сейсмические показатели, электромагнитное обследование, проверка удельного сопротивления.
- Проба через бурение скважин. Из них можно достать образцы местной почвы и горной породы, чтобы затем испытать их в лаборатории.
- Выкапывание ям для визуального осмотра.
- Картирование полей для выяснения геологических структур и прочих важных для сооружения особенностей.
Также по ходу строительства используют различные узконаправленные инструменты, которыми измеряют производительность грунтов: пьезометр, тензодатчик, инклинометр.
Закончив исследовательскую работу, инженерам на ее основании требуется составить технический проектный план. Здесь создаются чертежи будущего тоннеля и его коммуникаций. Основные параметры проходки: длина, диаметр, метод возведения, условия безопасности и т.д. После этого нужно подготовить строительную площадку. В рамках этого монтируются временные конструкции, доставляется техника, строятся шахты, проходы и бункеры.
Этап проходки
Когда подготовка прошла успешно, начинают непосредственно прокладывать участок тоннеля. Это может быть открытый метод с траншеей и котлованом, или закрытый — путем тоннелепроходческого щита. Разница между ними, как правило, определяется глубиной заложения, а также ожидаемыми финансовыми затратами и временем. На данном этапе строители делают все действия, позволяющие отделить и удалить твердую породу.
Затем следует укрепление пролетов, ведь сама по себе горная порода очень нестабильна, способна обваливаться и давать трещины. Укрепляют проход в несколько стадий. Сначала первичной конструкцией по мере продвижения, которая потом будет удалена. После этого делают уже окончательную отделку железобетонными блоками вместе с изоляцией от грунтовых вод. Делается дренаж.
Отделка и коммуникации
После завершения основного этапа строительства, особенно если в тоннеле должна проходить дорога для автомобилей, следует облагораживание внутренней территории. Нужно проложить кабели для электрификации, создать по всей длине вентиляционные шахты, источники освещение, канализацию, системы снабжения водой и прочее. Особенно такое благоустройство требуется в тоннелях с большой длиной, где транспорт может проводить не одну минуту.
Также нужны противопожарные системы и другие, которые нужны для безопасной эксплуатации перегона. Дополнительно нужны различные датчики, чтобы мониторить состояние тоннеля: деформацию, вибрацию и т.д. Только после этого можно делать финальную облицовку, красить стены и вводить тоннель в работу.
Проблемы современного тоннелестроения
В процессе строительства тоннелей недопустимо совершать ошибки, которые могут привести к возникновению трещин, обсыпанию неустойчивой почвы, подтапливанию и обрушению несущих конструкций. Такие проблемы способны превратиться в настоящую катастрофу, если внутри находятся сотни и тысячи людей как, например, в метрополитене. Факторов риска может быть множество, особенно наличие водоемов поблизости, которые влияют на геологические свойства на километры вокруг. Ярчайший пример таких сложностей — московское метро, многие станции которого и перегоны между ними прокладывают рядом с одноименной рекой столицы, а также ее притоков.
С не меньшими проблемами сталкиваются и тоннели для авто. Как правило, этот тип подземных магистралей не опускается ниже уровня почвы, а проходит внутри гор и холмов. Здесь главным фактором риска выступает наличие над проходкой десятков метров горной породы. Некоторые ее виды не являются достаточно устойчивыми и склонны к осыпанию, оползням как, например, известняк. Это требует от инженеров и строителей целого комплекса защитных и укрепляющих мер, чтобы структура местности оставалась стабильной, а сам километровый тоннель не раздавило тяжестью земли.
Вот перечень основных проблем и вопросов, с которыми сталкиваются компании по прокладыванию тоннелей, а также варианты ответов на них и принимаемых мер:
- Цель сооружения. Есть много видов тоннелей по предназначению, и от конкретного типа будут зависеть все дальнейшие технические характеристики.
- Геологические и технические особенности. Сбор данных и анализ всего, что связано с подземной местностью и ее составом: выявить разломы, грунтовые воды, устойчивость и прочность породы и т.д.
- Выбор методов строительства. После исследований инженерам предстоит решить, какой способ выполнения проходки подойдет. В прокладывании тоннелей можно использовать не только классические тоннелепроходческие машины (ТПМ) и СЭМ, но также буровзрывной метод.
- Выравнивание тоннеля. Включает в себя комплекс мер по минимизации влияния подземного инженерного сооружения на другую надземную инфраструктуру и соседние коммуникации, а также защиту самого прохода от факторов окружения.
- Поперечное сечение. Этот параметр тоннеля нужно определить, прежде всего, исходя из назначения постройки. Если он является транспортным, то важно также учитывать ожидаемый трафик и другие нагрузки. В зависимости от условий и желания застройщика сечение тоннеля может быть круглым, эллиптическим, в форме подковы, прямоугольным.
- Обеспечение поддержки при строительстве. Чтобы во время проходки и других этапов строительства стабилизировать местность, требуется обделка системой поддержки.
- Циркуляция воздуха. Тоннель не сможет нормально функционировать без продуманной системы вентиляции. Это важно не только для людей внутри, но и для некоторых материалов. Вентиляция избавляется от углекислого газа и доставляет с поверхности свежий воздух, богатый кислородом.
- Решение проблемы грунтовых вод. Также потребуется система дренажа, иначе тоннель будет страдать от накапливания поземной жидкости. Обязательное мероприятие поблизости с озерами, реками и прудами.
Также нельзя забывать, что одно из основных мест тоннеля, проходящего через рельеф местности — вход. Ему следует уделять особое внимание, потому что в данном месте всегда есть риск обрушений и оползней, которые способны заблокировать выход для людей и машин. Чтобы избежать этого, в районе входов требуется обустройство укрепляющей конструкции, защитных козырьков и рам и т.д.
Напоследок проблема, которая главным образов волнует застройщика — определение стоимости проекта. Итогом проектирования тоннеля должна стать оценка затрат с учетом всех используемых материалов, ожидаемых сроков, количества задействованных людей, разнообразия строительной техники и многого другого.
Импортозамещение в строительстве тоннелей
В последнее время страна поставила ключевой задачей обретение как можно большей самостоятельности и независимости от иностранных поставщиков. Особенно это важно в сфере инженерного строительства. Вместе с тем поменялись тенденции импортозамещения. Раньше упор делался на создание отечественного высокотехнологического комплекса и IT-технологий. Теперь же возникла острая необходимость в качественных домашних материалах, технике и комплектующих к ней.
В этой сфере у нас до сих пор существует неравенство между разными сегментами. Если широко используемые материалы имеют большую долю именно среди российского производства, то более сложные и дорогие системы до сих пор закупаются у других стран, особенно в Европе. Дефицит отечественного производства наблюдается в устройствах:
- кондиционирования и вентиляции;
- пожарной безопасности;
- систем оповещения;
- средства автоматического управления;
- насосы и оборудование к ним.
Все эти устройства имеют непосредственное отношение к строительству тоннелей. Поэтому нужно развивать домашний рынок производства сложных инженерных систем.
Инновационные проекты
В рамках представления новых технологий и инноваций, а также для обмена опытом большой значимостью обладают международные выставки. В сфере тоннельной инженерии такое важное событие происходит осенью 2024 года в Берлине — InnoTrans 2024. Там свои революционные проекты представят около 30 технологических компаний из разных стран.
Одним из ключевых вопросов выставки является экологическая безопасность используемых материалов. Среди новинок можно заметить проект 55-километрового тоннеля между двумя горными регионами Австрии, современные системы кабельной прокладки, план строительства высокоскоростной подземной ж/д в Египте. А итальянская строительная фирма презентует новейшее оборудование для прокладки тоннелей, повышающее скорость проходок.
Движение по вертикали
Каждый четвертый лифт в России создан на Щербинском лифтостроительном заводе (входит в группу ДОМ.РФ). Продукция одного из лидеров рынка пользуется спросом у застройщиков жилья и коммерческих объектов, образовательных учреждений и больниц — ведь конструкторы предприятия каждый год предлагают передовые разработки, отвечающие требованиям самых разных потребителей.
В 2021 году завод заключил контракты на поставку свыше 9,3 тысячи единиц лифтового оборудования в 37 регионов страны. Лидером по поставкам остается Центральный регион — на различные объекты строительства и реконструкции было отгружено более 40% произведенных лифтов, 15% поступило в Приволжский регион, 13% — в Южный. Щербинскими лифтами пользуются и зауральские регионы: в Камчатском крае они составили четверть всего лифтового оборудования, а в города Сибири в 2020–2021 гг. поставлено более 1700 лифтов как для новых жилых комплексов, так и по региональным программам капремонта.
Интерес фондов к продукции отечественного производителя объясняется не только конкурентной закупочной стоимостью, но и наличием аккредитованных монтажных и сервисных организаций, оперативностью поставок и прежде всего высокими эксплуатационно-техническими характеристиками, которые постоянно совершенствуются.
У застройщиков нового жилого фонда ряд своих требований, которые сконцентрированы с фокусом на новейшие разработки и внешний облик лифта. Сегодня девелоперы ЖК уделяют внимание каждой детали вертикального транспорта: дизайну, дополнительным опциям, использованию информационных ресурсов, и Щербинский завод готов предложить каждому свой вариант лифта с зеркалами и электронными дисплеями, разнообразными вариантами светодиодного освещения, звуковыми информаторами, удобной системой управления, возможностью транслировать информационные и рекламные материалы управляющей компании или застройщика.
НИОКР, модернизация, создание новых продуктов являются приоритетами в развитии предприятия. В этом году завод откликнулся на запросы застройщиков новой линейкой дизайна лифтов с тремя современными SMART-системами: Air Clean, которая обеспечивает дезинфекцию кабины с помощью ультрафиолетовых светодиодов, Air Key, управляющая лифтом со смартфона, Mirror для показа справочной и рекламной информацию на встроенном в зеркало дисплее.
Современный лифт Щербинского завода — это не только надежный и «умный» транспорт, но и возможность перемещаться безопасно и с комфортом. Так, учитывая эпидемиологическую ситуацию, в 2020 году конструкторы завода приступили к разработке универсальной системы, которая обеспечивала бы обеззараживание поверхностей и воздуха лифтовой кабины от бактерий и вирусов с эффективностью до 98%. Первый в России лифт со встроенной дезинфекцией воздуха по программе капремонта жилищного фонда был смонтирован в Липецке — это многоэтажное здание с высокой проходимостью, и бактерицидная защита в нем будет здесь особенно уместна. Также лифтовые кабины с другим типом обеззараживателя ЩЛЗ планируется установить в столице Камчатского края, накладной рециркулятор воздуха с логотипом Фонда капитального ремонта очищает воздух лифта. Всего в данный момент более 100 лифтов с системой обеззараживания находится на стадии монтажа.
При создании ЖК любого класса важно сохранить единый стиль дизайна , поэтому лифтовое оборудование можно заказать на заводе по индивидуальным техническим и стилистическим требованиям заказчика. ЩЛЗ предлагает три класса дизайна лифтов, исполнение которых предоставляет большой выбор в оформлении и дополнительных опциях. При отделке кабин используются различные ударопрочные износостойкие материалы. В классе Стандарт — окрашенная сталь, Комфорт — шлифованная или полированная нержавеющая сталь, Премиум — металлопласт разных оттенков древесных пород. Можно выбрать любое сочетание отделки, типа освещения, дополнить SMART системами, заказать лифт в уникальном цветовом исполнении или сделать его панорамным: такую полностью стеклянную кабину завод произвел и установил в новом здании МАИ.
Вузы столицы и Подмосковья в прошлом году получили 43 лифта ЩЛЗ (РУДН, МАИ, МГТУ Станкин), в том числе в два новых корпуса общежития МГТУ им. Н. Э. Баумана. Все лифты оснащены опциями для маломобильных групп населения.
Всего за 2021 год завод заключил контракты на поставку 612 лифтов в учебные заведения, больницы, спортивные и культурно-развлекательные объекты, а также объекты специального назначения. Поставки осуществляются в 36 регионов России, из них: 216 единиц — в больницы, 223 единицы — в учебные заведения, 153 единицы — в промышленные предприятия. В рамках срочного заказа Министерства здравоохранения Московской области АО «ЩЛЗ» произведены и поставлены лифты с целью замены устаревшего оборудования в двадцати медицинских учреждениях Подмосковья.
Еще одно важное направление в работе Щербинского завода — активное участие в программе реновации жилищного фонда в Москве, что было отмечено благодарностью Департамента строительства столицы.
«В 2021 году ЩЛЗ поставил более 1000 лифтов в многоквартирные дома столицы, из которых 100 лифтов — по программе реновации жилищного фонда в Москве, — сообщил генеральный директор Антон Артемьев. — ЩЛЗ — один из немногих производителей, способных удовлетворить всем требованиям к лифтам в домах по реновации. Это скорость движения лифта 2 м/с, применение безредукторной лебедки, что позволяет экономить средства на строительстве технического этажа. Лифты в стартовых домах по реновации оснащаются антивандальными видеокамерами высокого разрешения, которые подключаются к городской системе видеонаблюдения».
Работа завода была отмечена благодарностью Департамента строительства столицы за монтаж, техническую грамотность и ответственный подход.
Вынужденное отступление
В России отменен запрет на использование централизованных открытых систем теплоснабжения. Данное решение властей было принято из-за отсутствия у регионов серьезных денежных средств на финансирование необходимых работ.
С 1 января 2022 года в России должен был введен прямой запрет на использование централизованных открытых систем теплоснабжения. Данное требование законодательно (190-ФЗ «О теплоснабжении») было принято еще в 2013 году. На полный переход на использование только закрытых систем давалось почти десять лет. Но в декабре 2021 года был принят закон (438-ФЗ) об отмене запрета на использование открытых систем теплоснабжения. Правда, при этом остался в силе запрет на подключение к таким системам новых домов.
Фактически само отступление от перехода на более энергоэффективную модель теплоснабжения было объяснено отсутствием у региональных властей денежных средств на замену систем в уже построенных жилых домах. Не готовы в такие проекты были вкладываться и частные инвесторы.
Переход будет постепенным и не повсеместным
Отраслевые специалисты последнее принятое решение властей ожидали, но не считают его позитивным. Отмена тотального запрета на использование открытых систем ГВС, полагает генеральный директор АО «СИНТО» Сергей Сидоренков, который должен был вступить в силу с 1 января 2022 года, была актуальна и неизбежна. Несомненно, закрытые системы горячего водоснабжения являются более качественными и эффективными, и запрет на использование открытых систем в новом строительстве, который действует уже несколько лет, был правильным решением, обоснованным технически и экономически.
«Но миллионы потребителей, проживающих в старом фонде, продолжают пользоваться подготовленной горячей водой из тепловой сети. Для них запрет использования открытых систем означал бы или гипотетическое отключение горячей воды, или же необходимость радикальной реконструкции внутренней системы ГВС дома. Необходимо установить теплообменный аппарат, в котором сетевая вода будет нагревать холодную воду. А нагретая до 65 градусов водопроводная вода не может быть непосредственно подана в существующую внутреннюю сеть, т. к. эта вода насыщена растворенными газами и очень агрессивна к некоррозионностойким трубам, сварным швам и другим элементам. Проблема могла бы быть решена установкой компактного деаэратора в ИТП, но, к сожалению, в настоящее время эффективных, надежных и проверенных на практике устройств такого типа еще просто нет на рынке. Поэтому остается только один способ — полная модернизация внутренней системы трубопроводов с переходом на коррозионностойкие материалы. Мероприятие это также дорогостоящее и, скорее всего, будет реализовываться постепенно по графикам планового капитального ремонта, а переход на закрытую систему ГВС по новому закону должен будет еще и предварительно обоснован как технически, так и экономически. По некоторым оценкам полный переход на закрытые системы стоил бы для Петербурга не менее 100 млрд рублей», — отмечает Сергей Сидоренков.
Требуется софинансирование
По словам генерального директора консорциума ЛОГИКА Павла Никитина, ранее указанные в законе сроки повсеместного перехода на закрытые схемы теплоснабжения (до 1 января 2022 года) были изначально нереалистичны. Это и отражено в Заключении Комитета Государственной думы по энергетике от 10 ноября 2021 года по проекту ФЗ № 152382-7 «О внесении изменений в Федеральный закон "О теплоснабжении"», который предшествовал недавно принятому закону, отменяющему запрет на использование открытых схем теплоснабжения. В этом же документе сказано, что, по имеющимся у Комитета данным, с 2011 года доля домов, получающих горячее водоснабжение по закрытой схеме, увеличилась всего на 10% и преимущественно за счет подключения новых объектов. Столь низкие темпы перехода с открытых схем на закрытые прежде всего связаны с отсутствием государственной программы и должного софинансирования необходимых мероприятий. «Таким образом, идея о запрете использования открытых систем теплоснабжения имеет только два недостатка — на нее нужны деньги и время. Надо сказать, что и ранее закрытием схемы занимались по остаточному принципу или не занимались вовсе, поскольку за неисполнение утратившего силу закона наказание не было предусмотрено. Остается надеяться, что закон об обязательном переходе на закрытые схемы теплоснабжения в будущем будет вновь принят. Также интересно было бы узнать, каким образом соотносятся между собой отмена запрета на использование открытых систем теплоснабжения и принятая в конце октября 2021 года Стратегия социально-экономического развития РФ, направленная на декарбонизацию», — задает риторический вопрос Павел Никитин.
В ущерб потребителям
Переход на закрытые системы требует крупных финансовых вложений, для его осуществления в каждом здании должен появиться индивидуальный тепловой пункт (ИТП) с узлом учета тепловой энергии (УУТЭ). Например, в Санкт-Петербурге это потребовало бы от 100 до 150 млрд рублей, отмечает технический консультант «Данфосс» Вячеслав Гун. Отмена обязательности этого требования для теплоснабжающих организаций имеет очевидные перспективы, но в ущерб для потребителей. Для теплоснабжающих организаций существенно упрощается задача по эксплуатации и ремонту системы теплоснабжения. При этом сохраняется риск низкого качества услуги для потребителя.
«Но современные юридические условия работы теплоснабжающих компаний все чаще и все больше позволяют потребителям предъявлять требования непосредственно к поставщику услуги. В итоге это приводит для теплоснабжающей организации либо к потере потребителя, либо к инвестициям в реконструкцию. Перспективы реализации закона 438-ФЗ пока непонятны. Учитывая, что деятельность теплосетевых компаний, как правило, субсидируется из региональных бюджетов, в большей своей части дефицитных, средств на продолжение работ по переводу открытых систем ГВС в существующем жилом фонде в закрытые, скорее всего, не будет. Следовательно, продолжится стагнация тепловых сетей и систем потребления, которая будет сопровождаться повышенным износом трубопроводов и оборудования, повышенными затратами тепловой и электрической энергии, высокой аварийностью и нарушением нормативных параметров и гигиенических качеств воды в системах ГВС», — подчеркивает эксперт.