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.
Шпунт: отсекая воздействия
Технология создания шпунтовых ограждений уже прочно вошла в российскую практику строительных работ. Этому способствовало как многообразие сфер ее применения, так и наличие различных методик погружения, эффективных в определенных ситуациях. Впрочем, по словам экспертов, опрошенных «Строительным Еженедельником», есть и проблемы.
Сфера применения
Залогом широкого распространения технологии шпунтового ограждения стало достаточно большое разнообразие сфер ее применения. «Ограждения используются для защиты стенок котлованов от обрушения при вертикальной разработке грунта (особенно в стесненных условиях, где невозможно выполнить котлован в виде выемки с откосами) в рамках строительства практически любых объектов - дорожной инфраструктуры, зданий различного назначения, подземных паркингов, причальной и портовой инфраструктуры и так далее. Также шпунт можно использовать как противофильтрационную завесу», — рассказывает технический директор компании ГЕОИЗОЛ Максим Зайцев.
Заместитель генерального директора по строительству компании «Вектор шпунт» Юрий Ануфриев в качестве преимущества технологии называет возможность получить эффективное, быстровозводимое, инвентарное и экономичное ограждение. Он перечисляет ряд ее достоинств: «Универсальность применения при любом строительстве. Высокая несущая способность ограждения. Способность выдерживать намного большие нагрузки в сравнении с любыми другими конструкциями. Возможность усиления шпунтового котлована распорно-распределительной системой. Выполнение шпунтовых ограждений в стесненных условиях, максимальное примыкание к существующим зданиям и сооружениям. Щадящий режим воздействия на грунт, малые вибрационные нагрузки». «Среди преимуществ технологии можно отметить приемлемую стоимость, высокую скорость ведения работ, простоту исполнения, оборачиваемость при возможности дальнейшего извлечения, продолжительный срок службы», — добавляет Максим Зайцев.
Вариативность методов
Дополнительным фактором, способствующим распространению технологии, является поливариативность методов погружения шпунта. Каждый из них имеет свои особенности и является оптимальным при различных условиях работ.
По словам Юрия Ануфриева, в зависимости от геологических условий и проектных решений погружение шпунта производится несколькими способами: вибрационное погружение, статическое вдавливание, забивка. «Исходя из метода погружения используется соответствующая техника и оборудование. Шпунт погружается вертикально, и в процессе погружения за счет конструктивных «замков» образуется единая конструкция, обладающая ограждающими и водонепроницаемыми свойствами. По завершении цикла работ в шпунтовом котловане шпунт извлекается и используется повторно при устройстве последующих шпунтовых ограждений», — отмечает он.
При этом, по словам Максима Зайцева, перед проведением работ конструкторы разрабатывают проект, вычисляя требуемую устойчивость шпунтовой стенки к давлению грунта, определяя тип шпунта, глубину погружения, необходимость установки распорных конструкций, дополнительного укрепления грунтовыми анкерами и так далее. Следует помнить, что неверный расчет нагрузки от грунта при устройстве шпунтовой стенки может привести к ее деформации и разрушению.
«При выборе способа погружения шпунта во внимание принимается ряд факторов, среди которых свойства грунта, габариты котлована, условия эксплуатации (зачастую шпунт — это временная конструкция), наличие окружающей застройки. Также учитываются экономические показатели проекта и требуемая скорость его реализации», — говорит эксперт.
Он отмечает, что в зависимости от метода погружения шпунта используется различная специализированная техника. Вибропогружение шпунта осуществляется с помощью вибропогружателей разной мощности (производители — Movax, PVE, Müller), которые крепятся на кран и соответственно типу шпунта имеют различные захваты. При таком методе погружение шпунта происходит за счет высокочастотных колебаний, которые разуплотняют почву, проталкивая шпунт. Для статического погружения шпунта используются мобильные установки статического вдавливания (флагманом на рынке являются машины японского концерна Giken). Благодаря встроенному гидравлическому узлу шпунт с силой перемещается вглубь почвы по направляющим рамам. Виброударный способ погружения шпунта осуществляется с помощью вибромолотов.
«Наиболее экономически выгодные и быстрые способы погружения шпунта — это вибропогружение и забивка. Но следует помнить, что эти способы невозможно применять при реализации проекта в плотной городской застройке, так как идет сильное воздействие на фундаменты соседних зданий и сооружений», — подчеркивает Максим Зайцев.
Успехи и проблемы
По словам Юрия Ануфриева, в последние годы спрос на выполнение шпунтовых ограждений неуклонно растет. Это связано и с тенденцией увеличения этажности зданий, что требует более основательной подготовки на этапе нулевого цикла строительства. Активно развивается процесс редевелопмента, что увеличивает объемы работ в условиях уже существующей сложившейся застройки. Также растет спрос на укрепление береговых линий шпунтовым ограждением, т. к. это является более надежным и долговечным методом по сравнению с другими. Важным стимулом распространения технологии стало и развитие портовых мощностей России на Балтике.
При этом эксперты отмечают существование ряда проблемных факторов. Главный из них в последнее время — значительный рост цены шпунта. «Если шпунтовое ограждение выполняется из металла (шпунт Ларсена, труба, двутавр и др.), то стоимость очень зависит от стабильности рынка металлоконструкций, который с декабря 2020 года из-за ажиотажного спроса на металлопрокат на международном рынке вывел цены на многолетние максимумы. И коррекции в ближайшее время не предвидится», — отмечает Юрий Ануфриев.
С ним согласен Максим Зайцев. «С начала декабря 2020 года металл подорожал в среднем на 30%, что напрямую сказывается и на цене шпунта. При выполнении работ точная стоимость обычно берется за тонну и зависит от характеристик шпунта. Например, цена шпунта Ларсена 5УМ, бывшего в употреблении, составляет 60–70 тыс. рублей за тонну, а такая же марка нового шпунта стоит от 80 тыс. рублей за тонну», — говорит он.
Кроме того, в отличие от иностранных производителей, в России крайне узок ассортиментный ряд шпунта. «Очевидно, что в зависимости от конкретной ситуации и решаемых задач нужны различные характеристики шпунтового ограждения и, соответственно, может быть использован разный шпунт. В результате ограниченности ассортимента российской продукции везде используется Ларсен 5. При этом запас прочности может вдвое превышать необходимый. Между тем при расширении ассортимента можно было бы много экономить как на самом металле, так и на стоимости работ, которая рассчитывается исходя из веса погруженного шпунта», — заключает эксперт.
Мнение:
Как строители могут использовать BIM-модель на практике
Применение трехмерной модели, которая имеет многослойную и многоуровневую информационную наполненность, позволяющую видеть, контролировать и управлять объектом в комплексе, стало настоящим прорывом для строительства. Прежде всего в вопросах оптимизации процессов — экономии финансовых затрат и времени.
BIM-технология — самая востребованная и применяемая на российском рынке по сравнению с другими технологиями, наряду с IoT, VR, которые требуют особенных ресурсов. Несмотря на то, что зрелость BIM-технологии в России пока что невысокая — это 3D- и 4D-уровни (больше на уровне проектирования), — тем не менее эффективность ее оценена на правительственном уровне. С 2020 года в российском законодательстве есть официальное место BIM в строительстве: утверждены правила формирования и ведения информационной модели, запланированы обязательные стандарты для строительных объектов. С 2021 года начнутся этапы внедрения BIM. С 2023 года все бюджетные объекты, чья смета превышает 500 млн рублей, в законодательном порядке должны использовать BIM.
Планируется, что с 2024 года начнется внедрение BIM на всех объектах капитального строительства в стране. Поэтому важно к этому времени успеть освоить эту технологию и активно использовать, чтобы получить максимум преимуществ для бизнеса.
Преимущества BIM в проекте:
- на 50–80% позволит экономить время на документации и проектировании в сравнении с 2D САПР;
- предвосхищение и сокращение ошибок на ранних этапах;
- оптимизация рабочих процессов;
- возможность контролировать объект на всех стадиях жизненного цикла, в том числе в эксплуатации и обслуживании.
Использование BIM-моделей в приложении PlanRadar на стройплощадке
Мобильное решение для проектов строительства и недвижимости PlanRadar совсем недавно вышло на российский рынок, но такие крупные компании-девелоперы, как Wainbridge, ФСК и Pridex, уже успешно внедрили его в свои процессы.
На европейском рынке PlanRadar работает с 2013 года, за семь лет завоевав доверие 10 000 клиентов в 46 странах мира. Более 25 000 проектов используют PlanRadar еженедельно. Клиентами PlanRadar в мире являются такие компании, как: STRABAG, Bouygues Energies & Services, CBRE, VINCI Facilities, Allianz и др. В России — крупные девелоперы Wainbridge, ФСК, Pridex.
В чем особенность программного обеспечения PlanRadar:
- интуитивно понятный функционал без надобности «внедрения»;
- бесплатно для неограниченного числа субподрядчиков;
- единый источник самой актуальной информации для всех участников проекта;
- загрузка чертежей в разных цифровых форматах и 3D-моделей;
- поддержка форматов для BIM-моделей, спроектированных в других программах (Revit, Archicad, Renga и других);
- работает на любом мобильном устройстве;
- широчайший набор инструментов под разные задачи;
- отслеживание процессов и статуса в реальном режиме;
- удобная и мгновенная коммуникация со всеми участниками проекта;
- после установки сразу же настраиваете проект менее чем за десять минут;
- применять можно на любом этапе жизненного цикла объекта недвижимости и для любой строительной организации;
- автономность: можно создавать задачи без подключения к интернету, потом, при появлении сети, — синхронизируется.
Протестируйте PlanRadar бесплатно на протяжении 30 дней. Наведите камеру смартфона на QR-код, чтобы скачать приложение:
По словам Виталия Березки, регионального управляющего компании PlanRadar в России и странах СНГ, «применяя цифровое решение PlanRadar, можно сэкономить до семи рабочих часов в неделю».
Обо всех возможностях и выгодах, которые открываются в управлении строительством и ведении цифровой документации в проектах недвижимости с применением PlanRadar, Виталий детально расскажет 13 апреля на «BIM-форуме 2021».
Это СШК (Сварной шпунт корытный), который представляет на рынке ООО «ТД МИР». Он изготавливается из 345-й стали, благодаря чему существенно легче, чем, например, известный на рынке горячекатаный шпунт Ларсена, который производится из 235-й или 255-й стали. Это позволяет существенно экономить практически на всех этапах производства шпунтового ограждения – начиная от затрат на закупку, транспортировку и заканчивая оплатой погружения, которая обычно исчисляется за тонну вдавленного шпунта. Немаловажно и то, что СШК выпускаются в широком ассортименте – порядка 90 профилей, шириной от 400 до 2000 мм. Это, в свою очередь позволяет существенно ускорить производство работ. Длина может свободно варьироваться от 4 до 28 м и более – в зависимости от надобности на конкретном объекте.