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.
Государственный настрой
По мнению игроков строительного рынка, государственные органы должны стимулировать бизнес к использованию энергоэффективных решений.
Российские власти за последние несколько лет утвердили ряд законодательных и нормативных документов, направленных на повышение энергоэффективности и энергосбережения, в том числе в строительной сфере и ЖКХ. В частности, уже вступили в силу требования энергетической эффективности к новым зданиям.
Положительная тенденция
По словам директора по маркетингу и коммуникациям компании PAROC Таисии Селедковой, энергоэффективные технологии, как любые инновации, внедряются не сразу. «С одной стороны, чтобы подобные новшества стали массовыми или обязательными, нужны соответствующие изменения законодательного и нормативного характера. Например, Закон «Об энергосбережении» действует в России уже 10 лет. Но тренд на применение энергоэффективных технологий начал усиливаться только сейчас, в том числе из-за запуска программ реновации. Эту тенденцию отмечают и производители теплоизоляционных материалов, поскольку данные продукты выполняют сразу несколько ключевых функций: обеспечивают высокую звукоизоляцию, гарантируют высокую пожаробезопасность и долговечность», – отмечает специалист.
Руководитель направления «Энергоэффективность зданий» корпорации ТЕХНОНИКОЛЬ Станислав Щеглов считает, что когда речь заходит об энергоэффективном строительстве, очень важно разделять его на сегменты. Строительство жилья, административных или производственных зданий – каждая из этих сфер имеет свои особенности и методы решения вопросов повышения энергоэффективности. «То, что является эффективным в одном сегменте, может вовсе не работать в другом. В целом же по набору представленных технологий энергосбережения в строительстве ситуация в России находится на достойном уровне. Развивается нормативная база – вступил в силу Приказ Минстроя РФ №1550/пр от 17 ноября 2017 года. Согласно нормативу, все проектируемые, возводимые и вводящиеся в эксплуатацию здания уже сейчас должны демонстрировать снижение потребления тепловой энергии на отопление и вентиляцию на 20%. При строительстве жилья эффективно и надежно себя зарекомендовали системы теплоизоляции внешних стен, кровли, перекрытий первого этажа, фундаментов и полов по грунту. Помимо этого, серьезно развит рынок энергосберегающих окон», – отмечает он.
Продакт-менеджер компании SP Glass Вячеслав Ганцев добавляет, что в западных странах энергоэффективные технологии уже давно задействованы в стекольной индустрии. Развивать их помогают как сам рынок, так и различные государственные меры поддержки такого производства. «В России энергоэффективные технологии в стекольной индустрии пока только начинают развиваться. В частности, сейчас вступают в силу новые требования к теплопередаче светопрозрачных конструкций – на них должны ориентироваться производители стекла и стеклопакетов, а также строители. Отмечу, что наш завод Pilkington Glass (входит в холдинг в SP Glass) с 2014 года выпускает стекла по технологии Double Silver. Они обладают отличными энергосберегающими и солнцезащитными свойствами и востребованы заказчиками», – подчеркнул специалист.
Необходима поддержка
Между тем производители строительной продукции единодушно уверены, что поддержка государства может ускорить внедрение энергоэффективных решений в отрасли.
Директор по продажам компании H+H Сергей Терехов отмечает, что со стороны государства стимуляцией энергосберегающих технологий сегодня пока что является рост тарифов на коммунальные услуги. Данная не самая приятная тенденция заставляет потенциальных застройщиков и эксплуатирующие организации задумываться над применением новых материалов, способствующих сохранению в помещениях, где присутствует человек, тепла в осенне-весенний период, а прохлады, соответственно, летом.
Государство как регулятор рынка, считает Таисия Селедкова, должно не только устанавливать «правила игры», но и способствовать внедрению новых технологий. «Сейчас такие механизмы доступны – это и налоговые льготы, специальные госпрограммы, в рамках которых ответственные застройщики могут получать кредиты по более низким ставкам. Можно проработать и механизм субсидирования строительства таких энергоэффективных объектов. Вариантов много, выбрать подходящий поможет реальная практика», – полагает она.
С этими доводами согласен и Станислав Щеглов. По его словам, государство – главный бенефициар программы энергосбережения, поэтому оно должно помогать активистам экономически. Кроме снижения налогов, можно было бы задействовать льготные тарифы на поставку энергии для владельцев энергоэффективных зданий, преференции и поддержку предприятий, производящих энергосберегающую продукцию, и др.
Мнение
Сергей Терехов, директор по продажам компании H+H:
– Как показывает наша практика, все больше потенциальных владельцев загородной недвижимости, а также часть застройщиков многоэтажных жилых домов понимает, что важен не только бюджет строительства, но и затраты на эксплуатацию дома в будущем. Понятие энергоэффективности становится вполне практическим. Пример тому – трехкратное увеличение продаж блока H+H Severin D300 (300 кг/куб. м), единственным производителем которого в СЗФО является компания H+H. Это самый теплый блок как в нашем ассортименте, так и на всем региональном рынке. Стены из данного материала без какого-либо утепления сохраняют больше тепла, чем из газобетона более высоких марок по плотности и других каменных материалов (разница может доходить до 30%), в то время как прочности этих блоков достаточно для возведения полноценного двухэтажного дома с железобетонным перекрытием.
Таисия Селедкова: «Российские стройматериалы стали полностью конкурентоспособны»
Большинство российских производителей строительных материалов в настоящее время активно внедряет в свою деятельность новые технологии и улучшает качество выпускаемой продукции. В этом уверена директор по маркетингу и коммуникациям ООО «Парок» Таисия Селедкова. В интервью «Строительному Еженедельнику» она рассказала о сформировавшихся тенденциях в отечественной строительной отрасли и новых направлениях работы компании PAROC, являющейся крупнейшим мировым производителем теплоизоляционных материалов.
– На Ваш взгляд, активно ли новые технологии применяются в настоящее время в строительстве и в производстве строительных материалов в России?
– Безусловно, активно. Внедрение новых технологий происходило постепенно в течение 20-25 последних лет – и сейчас многие российские строительные материалы обладают хорошими качествами, стали конкурентоспособны, востребованы на рынке.
Изначально помогли перенастроить отечественную строительную отрасль зарубежные игроки рынка, которые в 1990-х годах пришли в Россию. Среди них была и компания PAROC, крупнейший мировой производитель теплоизоляционных материалов. В России не только появились новые технологии, но за последние два десятилетия изменилась и сама культура производства.
Можно констатировать, что к сегодняшнему дню поменялась практически вся строительная отрасль. И она в технологическом плане продолжает активно развиваться. Например, сейчас уже многие проектировщики, девелоперы начинают задействовать в своей работе BIM-моделирование. В ближайшие год-два оно уже будет обязательным для всех бюджетных заказов и госэкспертизы. Хочется верить, что вслед за этим BIM-моделирование будет применяться повсеместно, ведь оно снижает трудозатраты и повышает контроль качества того или иного проекта.
– Необходима ли поддержка государства производителям инновационных строительных материалов? В чем она должна выражаться?
– Поддержка необходима. Причем работать она должна в различных формах. Во-первых, если материалы действительно инновационные, то государство могло бы предоставить определенные субсидии, налоговые льготы его производителям. Это даст стимул для работы компаний в данном направлении, апробации инновационной продукции на рынке.
Во-вторых, что тоже очень важно, помощь государства может выражаться и в своевременной коррекции законодательной и нормативной базы. Зачастую компаниям приходиться ориентироваться на устаревшие СНиПы и ГОСТы, которые ограничивают использование современных технологий. Как участники профессионального сообщества, мы помогаем обновлять данные стандарты, но считаем, что государственные органы должны этим заниматься более активно.
– А насколько широкое распространение получили в отрасли стандарты энергоэффективности?
– В принципе, к энергоэффективным можно отнести множество современных строительных материалов. Но если говорить в целом об отрасли строительства и ЖКХ, то внедрение стандартов энергоэффективности только начинается. Еще есть куда расти. Российские власти это понимают. Поэтому была создана «дорожная карта» по повышению энергоэффективности, утверждена стратегия, в соответствии с которой все жилые дома к 2030 году должны быть доведены до серьезного уровня энергосбережения.
На мой взгляд, также многое зависит от того, как в данном направлении работают органы власти на местах. Уже сейчас есть регионы-первопроходцы в реализации программ повышения энергоэффективности и улучшения качества капитального ремонта, в том числе за счет применения современных утеплителей кровли и фасадов.
– Какие новые технологии задействуют в своей работе производители теплоизоляционных материалов и, в частности, компания PAROC?
– Технологически само производство теплоизоляционных материалов за последние годы существенно не менялось, оно по себе достаточно консервативно. Тем не менее, многие игроки рынка пытаются задействовать в производстве новые возможности, которые улучшают характеристики продукции.
У компании PAROC есть свое ноу-хау в волокнообразовании каменной ваты. Добавлю, что у нас самый современный завод. Наши материалы соответствуют всем европейским и российским стандартам качества и экологической безопасности.
– Какой объем продукции вы производите в настоящее время в России?
– Наш завод был открыт в Тверской области в 2013 году. Его производственная мощность предполагает выпуск 50 тыс. т продукции в год. В настоящее время мы загружены практически на 100%. Видим востребованность всей линейки наших продуктов, как строительной, так и технической изоляции.
– И кто является приобретателем ваших материалов?
– Основная наша специализация b2b, т. е. работа для бизнеса. Заказчиками нашей строительной изоляции являются в первую очередь застройщики. Материал они задействуют при возведении жилых домов, коммерческих, социальных, спортивных объектов. Наш продукт использовался при реконструкции стадиона «Лужники» и строительстве нового стадиона на Крестовском острове в Санкт-Петербурге.
Техническую изоляцию приобретают компании нефтехимической отрасли, судовую – судостроители. В частности, наш изоляционный материал применялся при строительстве атомного ледокола «Арктика».
Сейчас компания начала более активно работать и с частным потребителем. Наша изоляция задействуется в индивидуальном домостроении. Из новинок – материал PAROC Sonus Plus, предназначенный для звукоизоляции внутренних перегородок, PAROC Smart Sauna – он с одной стороны покрыт алюминиевой фольгой и предназначен для теплоизоляции саун и бань.
– Какие перспективные направления деятельности Вы можете выделить?
– Сейчас мы очень плотно начинаем развивать производство ламельной изоляции. Хотим стать лидерами в выпуске данного материала. Ламель обладает множеством положительных потребительских характеристик, подходит для любых типов зданий, очень легко монтируется и позволяет решать многие архитектурные задачи. В частности, ламель можно задействовать в реновации жилых многоквартирных домов, тем более что она имеет отличные энергоэффективные свойства.