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.
В условиях удаленного доступа
Быстровозводимые модульные объекты все активнее применяются на удаленных от человеческой цивилизации территориях – как для временного, так и постоянного пребывания.
Модульное строительство в России развивается. Быстровозводимые сборные конструкции все чаще используют в труднодоступной и климатически сложной местности. Причем как для временного, так и постоянного пребывания. Модульные здания создаются максимально функциональными, имеют множество различных вариаций. Стоимость их доставки и монтаж обходятся существенно дешевле, чем строительство самых простых капитальных объектов.
Конец бытовкам
По словам генерального директора компании «Элмако» Виталия Савчина, в настоящее время модульные здания активно используются в удаленной от цивилизации местности, в том числе на Крайнем Севере или в бескрайней тайге. Нередко такие объекты задействованы как штаб стройки и общежития для рабочих при прокладке трубопроводов, возведении портов, СПГ-заводов и т. п. Преимущество модульных конструкций в том, что они быстро собираются на месте с минимальной доработкой. В отличие от бытовок-вагончиков, которые ранее использовались на удаленных территориях, модульные здания более комфортны для работы и могут быть собраны в единое пространство, без необходимости выходить на улицу. В таком объекте могут располагаться, кроме офиса и общежития, также столовая, медпункт и т. д. Еще эти конструкции очень быстро можно перебазировать, если строительство передвигается на новую территорию.
«Один из наших модульных объектов был размещен в пос. Териберка в Мурманской области для проживания и работы сотрудников, участвующих в подготовке проекта освоения Штокмановского газового месторождения. Многофункциональный модульный комплекс был создан в особом северном исполнении: с увеличенной толщиной теплоизоляционного материала, двойными стеклопакетами окон и дополнительной защитой кровли от ветровых и снеговых нагрузок. По заказу нашего клиента здание было полностью укомплектовано всей необходимой мебелью и спальными принадлежностями для комфортного проживания и эффективной работы сотрудников, участвующих в исследовательском проекте в Териберке. Срок производства и монтажа объекта составил 65 календарных дней», – отметил Виталий Савчин.
При поддержке государства
Модульные конструкции на удаленных территориях сейчас применяются и как постоянные объекты для работы и проживания, тем более что срок эксплуатации таких зданий достигает 30 лет. Сами технологии производства модулей совершенствуются, в том числе за счет отечественных разработок.
В настоящее время в рамках национального проекта «Жилье и городская среда» есть подпрограммы, направленные на развитие поселений Крайнего Севера. Выполнить поставленные федеральным центром задачи по обустройству данных территорий, считают эксперты, можно с помощью строительства малоэтажных модульных зданий.
Заместитель директора по развитию компании «Стандарт-М» Игорь Лахнин напоминает, что типовое капитальное строительство в зоне вечной мерзлоты невозможно. Даже небольшие объекты приходится возводить на сваях или специальном фундаменте, что очень дорого и сложно.
«Поэтому современное технологичное модульное строительство идеально подходит для такой географической широты. В странах Скандинавии его активно применяют с конца прошлого века. Технология уже показала свою эффективность. Некоторые северные поселки в России, в первую очередь имеющие свой неплохой газовый или нефтяной бюджет, уже переходят на модульное строительство. В блочных зданиях открываются ФАП (фельдшерско-акушерские пункты), административные, образовательные учреждения и клубы. Также модульные объекты начинают использовать как жилые дома, но пока относительно нечасто. Конечно же, на Севере есть и очень бедные, депрессивные поселения. Полагаю, что в них строительство модульных зданий должно проходить за счет регионального или федерального бюджета или в формате софинансирования. Это не так и дорого. Зато новое жилье и социальная инфраструктура могут вдохнуть жизнь в данные поселения», – считает Игорь Лахнин.
Стоит отметить, что быстровозводимые модульные конструкции уже задействует Министерство обороны РФ. С 2014 года ведомство начало использовать их как полевые госпитали. Таким образом, военные решили отказаться от уже устаревших медицинских палаток. Также сообщалось, что в 2016 году Минобороны установило блочно-модульные здания на одном из крупнейших военных полигонов страны – Кадамовском, который расположен в Ростовской области. Их демонстрировали и главе ведомства Сергею Шойгу, и Президенту РФ Владимиру Путину. Эти модульные объекты были возведены за месяц. Военные оснастили их различными технологичными «фишками», в том числе автономными энергосистемами, которые не только автоматически поддерживают в помещениях оптимальный температурный режим, но и значительно экономят средства на отопление.
Мал, да удал
По оценке экспертов, за последние несколько лет сменилась структура приобретателей малых грузовых лифтов. Если раньше основными их покупателями были частные компании, то сейчас это в большей степени учреждения образования, общественного питания и здравоохранения, финансируемые государством.
К малым грузовым лифтам относят подъемное оборудование, предназначенное для перемещения грузов массой до 250–300 кг. Транспортировка людей в них запрещена. Несмотря на то, что малые грузовые лифты не требуют регистрации в Ростехнадзоре, их собственники должны выполнять все правила эксплуатации подъемного оборудования, разработанные этим ведомством.
В настоящее время эти конструкции применяются в кафе, ресторанах, офисных центрах, банках, в элитных многоуровневых квартирах и коттеджах. Также их используют в госучреждениях, а именно в типовых зданиях больниц, детских садов, школ, почты и т. д.
Трудности госзаказа
По словам заместителя генерального директора ЗАО «Предприятие ПАРНАС» Ольги Егоренко, за последние несколько лет произошло существенное изменение структуры потребителей малых лифтов. Если раньше около 65% всех продаж приходились на частный сектор (кафе, рестораны, магазины и проч.) и только 35% – на объекты госзаказа, то на сегодняшний день 70% – это учреждения образования, общественного питания, здравоохранения, культурно-бытового обслуживания, финансируемые государством. Во многом это связано, как считает эксперт, с усилением внимания государства к развитию социнфраструктуры.
«Сами социальные учреждения самостоятельно закупают лифтовое оборудование нечасто, делается это через вышестоящие структуры. Связано это, во-первых, с тем, что лифты – оборудование сложное, при заказе нужно учитывать множество нюансов, с которыми представители школ, детсадов не всегда в состоянии разобраться. Бывает, что и специалисты-лифтовики не всегда в курсе последних технологических новаций. Во-вторых, сами закупки через процедуру торгов требуют недюжинного терпения от всех сторон процесса и имеют ряд очевидных недостатков. Мы часто встречаемся с такими проектами, в которых малые грузовые лифты просто обозначены «квадратиком», не указаны даже размеры, не то что характеристики. В то же время в системе госзаказа есть подвижки. Мы, например, возлагаем надежды на новый инструмент «Электронный магазин» в системе госзаказа Санкт-Петербурга, которым могут пользоваться все учреждения. Пока у нас этим инструментом пользуются мало и с опаской, хотя в Москве аналогичная система работает уже несколько лет довольно активно. В-третьих, поставка и установка лифтов зачастую включена в комплекс строительных работ, в этом случае выбор лифтового оборудования и ответственность лежат на строительной организации, а лифтовики уже являются субподрядчиками», – отмечает Ольга Егоренко.
Особые стандарты
Главный конструктор ОАО «Щербинский лифтовой завод» Сергей Павлов отмечает, что малые грузовые лифты бывают двух основных типов. Первый – поставляемые в глухую шахту, которую заказчик строит на объекте самостоятельно из кирпича или бетона. Второй тип – малые грузовые лифты, которые поставляются совместно с металлокаркасной шахтой, произведенной на заводе.
«Сложнее в производстве, конечно, малые грузовые лифты с металлическими шахтами. Поскольку помимо оборудования надо произвести еще и шахту. В целом же сегодня у клиентов очень высокие требования к вопросам огнестойкости конструкции, опасности перехода горения с этажа на этаж. Поэтому более востребованы глухие шахты, которые позволяют защититься от проникновения огня. Металлическая шахта в этом плане не защищает», – подчеркнул он.
Особые стандарты предъявляются и к малым грузовым лифтам, которые будут задействованы в кухонных помещениях столовых в детских садах, школах и больницах. В частности, двери в шахту должны изготавливаться из огнеупорного металла с показателем предела стойкости не ниже EI30. В соответствии с санитарными нормами для транспортировки готовых блюд кабины лифта должны изготавливаться из нержавеющей стали. Также рекомендовано оснащать грузовые лифты специальными электронными замками. Это убережет от проникновения в них посторонних лиц, например, от школьников, решивших «покататься».
По словам старшего менеджера компании «Оптима» Дмитрия Вилеева, в настоящее время внешне и конструктивно малые грузовые лифты отличаются друг от друга. «Ранее, тем более в советское время, они только выполняли свою основную технологическую функцию и внешне были достаточно неприглядны. В настоящее время ситуация изменилась. Заказчику стали важны внешний дизайн и эргономика. Многие малые грузовые лифты теперь напичканы электроникой. В частности, есть таймер, автоматическое раскрытие дверей кабины», – отмечает он.
Стоимость малых грузовых лифтов, как отмечает эксперт, начинается с 250–300 тыс. рублей. С набором электроники цена составит 400–500 тыс. рублей и выше, достигая 1 млн. На цену влияют размеры кабины, шахты, необходимая скорость перемещения подъемника. Нестандартные конструкции, выполненные под заказ клиента, также будут несколько дороже.
Мнение
Ольга Егоренко, заместитель генерального директора ЗАО «Предприятие ПАРНАС»:
– Несмотря на «малость» данных лифтов, их производство – достаточно трудоемкий и сложный процесс, ведь нормы и правила технического регулирования, применяемые к такому подъемному оборудованию, даже строже, чем в Европе.
Система Россаккредитации РФ строго следит за подтверждением качества этой продукции. Ввод в эксплуатацию лифта и сервисное обслуживание тоже жестко регламентированы.
Все требования, конечно, направлены на повышение безопасности и комфорта эксплуатации, выполнить их не всегда просто, а потому появление новой модели лифта – это событие! Наш Малый Грузовой Лифт ПАРНАС ЛМП – один из таких лифтов. И мы гордимся им!
Новых моделей за последний год мы не выпускали, однако регулярно ведутся конструкторские работы по усовершенствованию. Сейчас, например, проводятся испытания малого лифта «ПАРНАС ЛМП» в обновленной версии по новому ГОСТ Р.