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.
Струйная цементация грунтов. Современные геотехнологии в решении сложных задач освоения подземного пространства
По оценке экспертов, в инженерно-геологическом отношении территория Петербурга весьма непростая и потребность в закреплении грунтов при новом строительстве и реконструкции зданий достаточно высока. Многое, конечно, зависит от особенностей конкретной площадки и поставленных текущих задач, но специалисты рекомендуют при работе с грунтами и фундаментами обращаться к технологии струйной цементации (jet grouting). В частности, она уже была задействована на таких городских объектах, как Западный скоростной диаметр, (ЗСД), станция метро «Адмиралтейская», новое здание Мариинского театра и т.д.
Впрочем, струйная цементация грунтов сейчас при реализации сложных проектов активно используется не только в Петербурге, но и в Москве и в других городах. Кроме того, технологию начинают применять и в массовом строительстве, так как она, в ряде случаев, более целесообразна, чем создание свайного фундамента из забивных или буронабивных свай.
Выбирая эффективность
Сущность технологии jet grouting, рассказывает Дмитрий Малинин, технический директор ООО «СК «ИнжПроектСтрой» (входит в группу компаний Malinin group), заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания раствора с грунтом. Струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов: от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов, практический во всех климатических условиях. При этом достигается высокая скорость сооружения грунтоцементных свай; сохраняется возможность работы в стесненных условиях; отсутствует динамическое воздействие на фундаменты близко расположенных зданий.
«Для закрепления грунтов на большой площади и при отсутствии окружающей застройки эффективнее применять двухкомпонентную технологию Jet2 (цементная смесь + воздух), это снизит стоимость работ и ускорит сроки их выполнения. Однако, в случаях, когда деформация оснований существующих конструкций недопустима, следует использовать технологию Jet1 (цементная смесь), т.к. однокомпонентная технология не приводит к значительному подъему поверхности окружающего грунта»,- подчеркнул он.
По словам руководителя проектов АО «Нью граунд» Светланы Рубцовой, струйная цементации грунта позволяет значительно упростить процесс строительства на нестабильных, обводненных и нарушенных породах и может использоваться практически в любых грунтах, от мелкодисперсных до глинистых. «Данная технология позволяет, - добавляет эксперт, - открыть новые перспективы в строительстве на участках со сложными геологическими условиями, решая ряд серьезных проблем, связанных с безопасностью существующего или будущего сооружения. Струйная цементация грунта используется для улучшения прочностных, противофильтрационных и деформационных характеристик в пределах пятна застройки новых зданий, используется при создании противофильтрационных завес, при укреплении откосов и склонов, при строительстве дорог и при реконструкции зданий. При этом работы могут выполняться в стесненных условиях плотной городской застройки».
Без технологии струйной цементации невозможно осваивать подземное пространство исторического мегаполиса, считает генеральный директор института «Геореконструкция» Алексей Шашкин. «Именно поэтому мы приняли активное участие в создании норм, посвященных этой тематике (СП 291.1325800.2017). Уникальность технологии заключается в том, что она позволяет сформировать конструкцию в грунте до откопки. Эта конструкция по своим механическим свойствам на два порядка лучше грунта, но на порядок хуже бетона. Поэтому при проектировании следует руководствоваться простыми правилами: бетон не работает на растяжение и изгиб – закрепленный грунт тем более. Там, где не сработает бетон, бесполезен и грунтоцемент», - уверен он.
Важный фактор
Качество проведения струйной цементации во многом зависит от используемого оборудования. Одно из преимуществ технологии – возможность выполнения работ малогабаритными буровыми машинами, в том числе в условиях ограниченного пространства.
«Jet grouting относится к специальным работам, когда невозможно применение традиционных технологий или при выполнении аварийных и контраварийных работ в строительстве. В последние годы новых компаний в данной отрасли практически не встречается, как правило, это уже опытные игроки, освоившие технологию еще в начале 2000-х годов. Выбор одно- или двух компонентной технологии струйной цементации определяется проектировщиком исходя из физико-механических свойств грунта и типа сооружения (противофильтрационная завеса, укрепление основания и т.д.) Трехкомпонентная система в России не встречается. При выборе данного оборудования одним из основных критериев является длина мачты, т.к. при формировании грунтоцементой сваи желателен непрерывный подъем бурового става», - отмечает специалист по буровым установкам XCMG ООО «СюйГун Ру» Игорь Мурашов.
В прошлом году, добавляет представитель компании-производителя спецоборудования, XCMG выпустила модель буровой XMZ120A для выполнения работ по струйной цементации с глубиной бурения в один проход 15,4 м. А в этом году модельный ряд пополнился компактной буровой установкой XMZ90. Габаритные размеры этой машины позволяют работать внутри тоннелей и зданий. А опорно-поворотное устройство мачты позволяет позиционировать машину в любых труднодоступных местах.
Пермская школа
Эксперты подчеркивают, что кроме высокотехнологичного оборудования, конечно же, важен опыт и знания специалистов, которые будут проводить работы по укреплению грунтов и фундаментов по данной технологии. В настоящее время на рынке представлены ряд крупных компаний из Перми, которые реализовывают проекты по всей стране. К таковым, в том числе, относятся «ИнжПроектСтрой» и «Нью граунд».
По словам Алексея Шашкина, при реализации проектов «Геореконструкция» привлекала профессионалов, которым не надо рассказывать, какими должны быть кадровое обеспечение, парк спецтехники и как с нею работать. Таких подрядчиков удалось найти далеко за границами Петербурга – в Перми, где существует сильная геотехническая школа. Сегодня они «прописались» и на петербургских, и на московских объектах.
«По нашим проектам с их помощью созданы, например, подземные объемы под зданием бывшей кузни и корпусом 12 ансамбля «Новая Голландия» в Петербурге, под павильоном «Поволжье» ВДНХ в Москве. Под защитой распорного диска, образованного с помощью jet grouting ниже дна котлована по разработанному нами методу «жесткого контура», выполнены подземные сооружения в непосредственном примыкании к историческим зданиям, в том числе, на Загородном проспекте и Воскресенской набережной. При этом – что уникально для нашего города – осадки соседних зданий остались в рамках допустимых нормами значений», - подчеркнул глава института «Геореконструкция».
Подрядчик, выполняющий работы в области подземного строительства, должен обеспечивать комплексный подход к решению геотехнической задачи, считает Дмитрий Малинин. Он отметил, что в группе компаний Malinin group успешно реализован данный принцип. Мы обладаем необходимым опытом и знаниями для выполнения проектных работ, практического применения технологии струйной цементации, производства бурового оборудования и инструмента. Особенно интересен опыт компании совмещения технологий jet grouting c технологией deep-soil-n-mixing (DSM) и технологией устройства анкеров Атлант. А результате совмещения с последней получена новая технология АtlantJET для устройства грунтовых анкеров и свай повышенной несущей способности.
«Наша компания выполняла работы на таких значимых объектах как подземный межтерминальный переход в аэропорту Шереметьево, центр строительства крупнотоннажных морских сооружений в г. Мурманск, трасса гонок «Формула 1» и горная дорога к олимпийским объектам в Сочи, метрополитены в Москве, Екатеринбурге, Казани и Челябинске, усиление оснований под ёмкостями для хранения нефтепродуктов в Тель-Авиве (Израиль) и т.д», - сообщил Дмитрий Малинин.
Светлана Рубцова также рассказала о некоторых достижениях компании «Нью Граун». Она отметила, что с помощью метода струйной цементации за годы своего существования организация реализовала более 2 тыс. объектов, от реконструкции зданий культурного наследия до усиления причалов и плотин гидротехнических сооружений и создания новых территорий в акватории реки.
«Одним из последних крупных объектов, реализованных в 2020 году, стала подземная часть комплекса ТРК «Эспланада» в городе Перми. В самом центре города было организовано подземное пространство размерами и глубиной с пятиэтажный жилой дом. Вокруг него находятся высотные здания, дороги и трамвайные пути, инженерные сети целого района. Перед специалистами компании стояла задача придумать и воплотить такую конструкцию, которая бы позволила сохранить все это без изменений. Было получено и проанализировано большое количество геологических данных площадки; выполнено компьютерное моделирование всех этапов строительства и эксплуатации здания, для строительства использованы специальные технологии: «стена в грунте» и струйная цементация грунта, постоянно велся мониторинг технического состояния окружающей застройки, контроль работ выполнялся независимой специализированной организацией. В конечном итоге сложная инженерная задача была решена пермскими специалистами в короткие сроки и с высоким качеством», - подчеркнула Светлана Рубцова.
ТЕХНОБАРЬЕР — новая пароизоляционная мембрана премиум класса ТЕХНОНИКОЛЬ
Корпорация ТЕХНОНИКОЛЬ выпустила новую битумно-полимерную мембрану ТЕХНОБАРЬЕР.
Материал предназначен для устройства пароизоляции в конструкциях плоских крыш, выполненных по железобетонному основанию. Новая мембрана значительно увеличивает потенциал производства работ в течение года в различных климатических зонах — вплоть до минус 20 градусов. В случае возникновения перерыва в кровельных работах ТЕХНОБАРЬЕР может быть использован в качестве временной гидроизоляции строительных конструкций.
Материал получают путем двустороннего нанесения на стекловолокнистую основу, сдублированную с металлической фольгой, битумно-полимерного вяжущего с последующим нанесением на обе стороны полотна защитных слоев. С лицевой стороны это мелкозернистая посыпка, с нижней — легкоплавкая полимерная пленка с индикаторным рисунком.
Такая структура помогает решать широкий спектр задач. Благодаря фольге ТЕХНОБАРЬЕР отличается высоким сопротивлением паропроницаемости и может применяться на зданиях жилого, общественного и промышленного назначения с любым влажностным режимом.
Материал при наплавлении имеет хорошую адгезию с железобетонным основанием и надежно перекрывает возможные пути влагопереноса.
Мелкозернистая посыпка лицевой стороны позволяет приклеивать теплоизоляционные плиты непосредственно на пароизоляционный слой с применением различных клеевых составов: клея-пены, мастики холодного и горячего применения, горячего битума.
ТЕХНОБАРЬЕР — новая возможность устройства высокоэффективной плоской крыши в зданиях разного назначения, в системных и индивидуальных проектных решениях.
