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.
Парковка в стиле «андеграунд»
По словам экспертов, подземные паркинги получают все большее распространение. Они появляются как при возведении новых объектов, в том числе и жилья высокого класса, так и при реконструкции зданий в центре Петербурга под деловые или торговые комплексы.
К строительству готовы
Член-корреспондент РААСН, профессор, заведующий кафедрой геотехники СПбГАСУ Рашид Мангушев отмечает, что говорить о том, что какие-то проблемы, связанные с освоением подземных пространств, в частности, при строительстве паркингов, решены, — некорректно. В геотехническом отношении Петербург характеризуется большой толщей слабых водонасыщенных грунтов, в центральной части города дополнительно к этому добавляется уплотненная застройка историческими зданиями. И измениться эти обстоятельства никак не могут. «Другое дело, что сейчас мы накопили достаточный опыт, разработали и освоили современные технологии и оборудование, подготовили квалифицированные кадры, чтобы решать эти проблемы», — говорит он.
«Пожалуй, самой большой проблемой остаются сложные различающиеся даже в условиях одной строительной площадки инженерно-геологические и гидрологические состояния грунтов, а также не всегда качественно проведенные изыскания», — отмечает технический директор ООО «ГЕОИЗОЛ» Максим Зайцев.
Рашид Мангушев подчеркивает, что сейчас требуется разрабатывать не только сам проект, но включить в него геотехническое обоснование работ: заранее рассчитываются возможности устройства котлована в данном месте, устойчивость выбранной системы его крепления, оцениваются осадки окружающей застройки, если таковая имеется, и др.
«Это, конечно, несколько удорожает строительство, но, если мы хотим строить паркинги в центральной части города, альтернативы такому подходу нет. Пренебрежение предварительными расчетами и исследованиями только усложняет ситуацию, поскольку приходится исправлять уже сделанное. Подобный пример был недавно на одном крупном объекте известного застройщика, где плохо были спроектированы и выполнены дренажные работы, не учтен ряд конструктивных особенностей сооружения, и в результате подземные паркинги стали "всплывать". Проблему в итоге удалось решить, но и проще и дешевле было бы сделать предварительную оценку, а не переделывать работу уже в ходе строительства», — констатирует эксперт.
В центре особого внимания
По словам Рашида Мангушева, работа в центре города усложняется наличием плотной исторической застройки, влияние нового объекта на которую надо обязательно оценивать как на стадии проекта, так и в процессе строительства. «В ряде случаев приходится делать превентивное усиление фундаментов окрестных зданий и выполнять другие работы для предотвращения негативных воздействий не только на строящееся новое здание, но и соседние сооружения», — отмечает он.
С ним соглашается Максим Зайцев. «Различия при возведении подземных этажей зданий в исторической части города и в новых районах существенны с точки зрения принимаемых технических решений. Разнится и стоимость реализации проектов. При строительстве в новых районах или нет соседних зданий, или они построены на свайных фундаментах, благодаря которым существенно снижается влияние на новое здание», — говорит он.
По словам эксперта, в таком случае можно использовать технологию шпунтового ограждения котлованов, которое может быть временным. «При строительстве в условиях исторической застройки при проектировании ограждающих конструкций и фундаментов необходимо закладывать решения, минимизирующие влияние на соседние здания с учетом норм по допустимым осадкам. Как следствие, приходится закладывать необходимость усиления зданий соседней застройки, что не всегда осуществимо. К сожалению, расчеты могут быть идеальными только на бумаге. Реальные технологические осадки при производстве работ и человеческий фактор учесть зачастую довольно сложно», — признает Максим Зайцев.
Генеральный директор ГК «Еврострой» Оксана Кравцова добавляет, что с точки зрения технологий, в том числе и при создании подземных паркингов, все более популярными становятся автоматизированные парковки, когда автомобиль доставляется на место роботизированным механизмом. Такой подход позволяет увеличить количество машино-мест и создавать парковки на небольших земельных участках. «Именно такой двухуровневый подземный паркинг будет в клубном доме «Приоритет». Для создания подземной парковки в условиях нестабильных грунтов у нас ушел почти год: некоторые технологии впервые применялись в петербургском гражданском строительстве. В частности, для надежной гидроизоляции было выполнено шпунтовое ограждение с использованием расширяющегося герметика, а устройство свай проходило по технологии Jet Grouting, которая позволяет укреплять любой диапазон грунтов — вплоть до илистого», — говорит она.
Вторая жизнь. Холодный ресайклинг в дорожном строительстве
Повторное использование в дорожном ремонте изношенного асфальтового покрытия, перемешанного непосредственно на дороге с верхним слоем дорожного основания, с добавлением вяжущих и специальных добавок позволяет повысить скорость и экономичность проведения работ, при этом получая монолитную плиту основания с очень высокими и долговечными эксплуатационными характеристиками. Данная технология, называемая холодным ресайклингом (холодной регенерацией), активно используется в зарубежных странах, но в России пока только начинает распространяться.
По словам заместителя генерального директора по связям компании «Статус-Грунт» Максима Лебедева, в условиях изношенности дорожного фонда и бюджета, недостаточного для проведения капитального ремонта, местные власти вынуждены ограничиваться текущим ремонтом, который заключается в замене только защитного слоя (асфальтобетона). Большая часть региональных и межмунициапальных дорог в нашей стране устроены много десятилетий назад и рассчитаны были еще тогда на значительно меньшие нагрузки (6–8 т/ось). Их основания практически полностью разрушены, они не несут прочностных характеристик (материалы деградированы, переувлажненные участки, карсты, коррозия дорожного основания и т. д.). Большинство сегодняшних ремонтных работ можно сравнить с укладкой асфальта на «манную кашу»: деньги потрачены, а эффекта нет. Все дефекты дороги в короткие сроки вновь выходят на поверхность.
«В отличие от традиционного фрезерования и замены только верхнего слоя покрытия, технология холодного ресайклинга позволяет получить усиленную конструкцию дорожной одежды, создавая из материалов старого покрытия и дорожного основания новый гомогенный слой с более высокими прочностными характеристиками. Данный метод позволяет использовать 100% материалов старой дороги, сокращая сроки строительства в три раза и получая экономию бюджета до 20–30%, при этом оставаясь мерой текущего, а не капитального ремонта», — подчеркивает Максим Лебедев.
Выбирая технику
В работе по технологии холодного рециклинга используется специализированная техника — ресайклеры, в большинстве своем они импортного производства.
Директор по развитию бизнеса ООО «МС-партс» Александр Басионок отмечает, что конкуренция среди производителей ресайклеров существует, но она в разы ниже по сравнению с другой строительной техникой. «Далеко не каждый завод-изготовитель имеет возможность производить и держать по наличию в России технику для регенерации. Известная китайская компания XCMG это делает, имея постоянный склад ресайклеров на Дальнем Востоке и в Москве. Кроме того, XCMG отличается своей доступностью по стоимости и широким ассортиментом. Что касается новинок, то завод ежегодно дорабатывает существующие модели, опираясь на отзывы своих дилеров и заказчиков, а также регулярно выпускает новые модели.
Ресайклеры — это большие сложные и дорогие машины, продолжает тему региональный менеджер по продажам компании «ФАЙАТ БОМАГ РУС» Дмитрий Абрамов, поэтому рынок машин для регенерации и стабилизации невелик и составляет порядка трех десятков машин в год. «Основными игроками на этом рынке являются три производителя специализированной техники, в число которых входит компания BOMAG, выпускающая подобные машины с 1973 года. При выборе машины для стабилизации и рециклинга важно понимать, с какими вяжущими и в каких комбинациях придется работать на будущих проектах. Машины по запросу клиента комплектуются различными системами введения и дозирования воды и вяжущих материалов в асфальтогранулят», — добавил он.
Требуются стандарты
Несмотря на технологичность и эффектность метода холодного ресайклинга для ремонта и строительства дорог, по мнению экспертов, она пока в нашей стране активно не применяется. К сдерживающим факторам, отмечает Максим Лебедев, можно отнести неосведомленность о ее положительных аспектах и нежелании разбираться в них, а порой и просто лоббирование интересов местных АБЗ и карьеров лицами, принимающими решение на местах, отсутствие их прямой и реальной ответственности за полученный результат и экономическую эффективность решений.
«В связи с вышеизложенным огромные деньги расходуются нецелесообразно или с низкой эффективностью. Необходим более жесткий контроль за этим, особенно при реализации национального проекта "Безопасные и качественные дороги" (БКД). Правда, отдельные регионы используют эту технологию при ремонте дорог. В 2020 году мы отремонтировали по технологии холодной регенерации более 300 тыс. кв. м межмуниципальных дорог в Нижегородской области, сэкономив немалые деньги региону. Данная технология, на мой взгляд, — огромное подспорье в оптимальной реализации программ развития дорожной сети в РФ и, в частности, БКД», — сообщил Максим Лебедев.
В компании «Цитадель технология», занимающейся производством продуктов для стабилизации грунтов, также считают основным сдерживающим фактором серьезного внедрения в дорожную отрасль холодного ресайклинга отсутствие должной нормативно-правовой базы. В данном случае имеется в виду отсутствие национального стандарта по данной технологи. Хотя подвижки, отмечают специалисты, уже есть, в прошлом году приняли предварительный национальный стандарт по укреплению грунтов. Проектировщики неохотно идут на эту технологию. Им проще работать по старинке. Технология требует высококачественного инжинирингового сопровождения. Это и будет в дальнейшем точкой роста. Как только появятся инжиниринговые компании, обладающие компетенцией в проектировании и строительстве по указанной технологии, то и государственным заказчикам будет проще ее применять. Сегодня складывается парадоксальная ситуация: государственные заказчики проводят конкурсы на холодную регенерацию, подрядчики выполняют работу, а технические заказчики порой не знают, по каким нормативам принимать работы, подчеркивают эксперты.
Мнение: Александр Басионок, директор по развитию бизнеса ООО «МС-партс»:
— В линейке ресайклеров XCMG достаточно моделей, чтобы подобрать именно тот, который будет отвечать конкретным требованиям заказчика. К примеру, если дорожная организация работает исключительно в рамках стабилизации грунтов, то приобретение полноценного ресайклера нецелесообразно ,и ему будет вполне достаточно использовать более легкую модель в виде стабилизатора XCMG XL2103 или XL2503. Если же в планах работы с асфальтом или клиент рассматривает приобретение на перспективу с целью участия на объектах с разными требованиями, то, безусловно, стоит рассмотреть полноценный ресайклер типа XLZ2103 или XLZ2303. Весь модельный ряд XCMG представляет собой восемь машин, две из которых — стабилизаторы, шесть — ресайклеры.