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.
По итогам 2023 года потребление минерального утеплителя вырастет на 7%
В 2023 объем потребления минеральной изоляции увеличится на 7% по сравнению с прошлым годом. В денежном выражении этот показатель достигнет 182 млрд руб. Сегмент теплоизоляции из минеральной ваты полностью восстановился после падения в 2022 и продолжил развитие. Драйвером спроса в профессиональной сфере стало строительство жилья, в рознице – рост социальных выплат и покупательной способности населения.
Рост потребления минеральной ваты во 2 полугодии 2023 относительно аналогичного периода прошлого года составил 8%. Сказалось не только восстановление рынка, но и продление строительного сезона за счет теплой погоды в октябре в большинстве регионов России.
При этом сегмент промышленного и гражданского строительства (ПГС) рос более высокими темпами, чем коттеджного и малоэтажного (КМС). Потребление в ПГС увеличилось на 10%, в КМС – 5%.
«В первом полугодии 2023 наблюдался ажиотажный спрос на все виды теплоизоляции: как на минеральную вату, так и на PIR и XPS. Во второй половине года ситуация стабилизировалась. При этом часть строителей решала проблему нехватки материалов, корректируя проекты и заменяя утеплитель на доступный в их регионе. Но большинство предпочло перенести сроки сдачи объектов на конец года. В итоге мы увидели продление сезона, что также повлияло на показатели потребления», – прокомментировал Василий Ткачев, руководитель направления «Минеральная изоляция» ТЕХНОНИКОЛЬ.
Основным драйвером потребления минеральной ваты в ПГС-сегменте в 2023 стало жилищное строительство. Стройку традиционно поддерживали госпрограммы. Также благодаря государственному финансированию увеличился ввод объектов социальной инфраструктуры.
Кроме того, отмечается активное строительство складов и логистических центров. Потребность в них возникла из-за оживления торговли и перенаправления товарных потоков – основные поставки идут теперь с востока на запад. В связи с процессами импортозамещения расширяются и появляются новые отечественные сельскохозяйственные и производственные комплексы, увеличиваются объемы строительства животноводческих ферм, теплиц и промышленных зданий.
На увеличение потребления в рознице оказали влияние как отложенный спрос 2022 года, так и повышение покупательной способности населения в 2023. Ее поддерживают социальные выплаты, а также опережающий рост зарплат, образовавшийся из-за кадрового дефицита практически во всех отраслях.
Согласно прогнозам экспертов ТЕХНОНИКОЛЬ, рост потребления минеральной изоляции в 2024 замедлится и составит 5%.
На повестке дня — самый главный строительный материал
В первый день зимы в Санкт-Петербурге состоялась XIV ежегодная научно-практическая конференция «Полипласт Северо-Запад». В конференц-зале отеля Airportcity Plaza St. Petersburg собрались почти 200 специалистов бетонной промышленности: представители заводов по выпуску технологического оборудования, торговых компаний и цементных предприятий из разных регионов России от Калининграда до Якутии. Они обсудили сегодняшние особенности развития отрасли и перспективные разработки отечественных компаний.
Настоящее и будущее отраслевого рынка
Обширный блок выступлений был посвящен текущему состоянию рынка цемента, строительной химии, товарного бетона и железобетонных изделий.
— Сейчас в России реализуются 46 тысяч проектов на сумму 143,6 трлн рублей, — обнадежил собравшихся генеральный директор инвестиционно-аналитического агентства «ПКР» и цифровой платформы «Инвестиционные проекты» Даниил Новицкий. — При этом в активной стадии проектирования и строительства находятся проекты на сумму 123,7 трлн рублей.
По его словам, инвестирование делится почти поровну на проекты гражданского строительства, промышленности и инфраструктуры. На Северо-Западе львиная доля инвестиций приходится на Санкт-Петербург и Ленобласть: почти 10 из 15 триллионов, 2605 активных инвест-проектов. Следующий год и 2025-й обещают быть еще более активными, так как строители приступят к реализации уже заявленных и профинансированных проектов, заверил эксперт.
Неожиданный для цементной отрасли рост рынка в 2023 году подтвердила Наталья Стржалковская, руководитель департамента технического маркетинга АО «Цемрос» (в недавнем прошлом «Евроцемент груп). Разница в производстве цемента между первыми десятью месяцами 2022 и 2023 годов составила 3 млн тонн, а пиковый прирост на уровне миллиона тонн в месяц еще никогда не фиксировался в истории отрасли, что стало одной из причин дефицита цемента в ряде регионов, отметила она. Необычным, хотя и объяснимым, оказалось распределение потребления цемента по округам: от –2,8% на Северо-Западе до +17% на Дальнем Востоке. В этих условиях компания приняла решение о возобновлении производства в Новоульяновске и изменила логистическую модель.
По словам представителя казанской компании «ТензоТехСервис» Рауфа Амирханова, в 2023 году из-за дефицита цемента и роста цен количество заявок на терминалы для перевалки цемента увеличилось в пять-шесть раз, на цементные силосы — в два-три раза. Большим спросом начали пользоваться силосы для хранения золы уноса, которая применяется в качестве добавки к цементу. Судя по примерам, которые привел докладчик, благодаря приобретенному оборудованию производителям удалось достичь снижения цены на 10–12% от стоимости вяжущего. В 2024 году при сохранении роста стоимости цемента экономический эффект от использования зольных добавок может составить до 15%.
Не отстают от специалистов цементной отрасли и производители строительной химии: в компании «Полипласт Северо-Запад» отмечают рост этого рынка в объеме 15–20%. Генеральный директор Алексей Щелканов рассказал о технологическом перевооружении предприятий и новых направлениях развития компании. По его словам, упор делается на производстве поликарбоксилатов, в том числе в виде сухих продуктов, синтезировании новых модификаций суперпластификаторов, разработке добавок для нефтяной отрасли, выпуске сухих строительных смесей для ремонта и гидроизоляции.
Качество и безопасность
Традиционно большой интерес слушателей вызвали вопросы обязательного подтверждения соответствия продукции, что обусловлено изменениями нормативной базы.
— Речь идет о разработке и введении нового ГОСТ Р 58763 по оценке соответствия бетонных смесей и строительных растворов, новой схеме декларирования 8Д и законопроекте по восстановлению государственного контроля за соблюдением обязательных требований в отношении отдельных видов продукции. Сегодня разумное, прозрачное, понятное регулирование необходимо однозначно, — пояснил директор НА «Союз производителей бетона» Дмитрий Пожаров. Он напомнил, что на рынке товарного бетона работают от 3,3 тысячи до 7 тысяч производителей и всего 34 аккредитованные лаборатории, которые могут проводить сертификацию бетонных смесей.
Тему декларирования соответствия бетонных смесей продолжили эксперты ассоциации Сергей Коноплев и заместитель директора по качеству ГК «Девиз» Анна Миронова, которая представила подробный доклад об особенностях доказательной базы для подтверждения соответствия.
Вопросы стандартизации прозвучали также в презентациях НИИЖБ имени А. А. Гвоздева. Заместитель директора института Андрей Бучкин рассказал о практике применения нормативной базы для ремонта дефектов железобетонных конструкций, а также представил первые результаты НИОКР по изменению методики определения морозостойкости бетона по ГОСТ 10060.
В бетонировании мелочей не бывает
Значительная часть выступлений, само собой, касалась технологических особенностей приготовления и укладки бетонных смесей. Непосредственно в ходе конференции сотрудники «Полипласт Северо-Запад» в режиме реального времени продемонстрировали убедительные результаты применения пластифицирующих замедлителей для бетонных смесей с глинистыми песками и шлаковыми добавками.
Возможности современной строительной химии кажутся безграничными. Например, в Научно-исследовательском институте строительных материалов и технологий (НИИ СМиТ) готовы синтезировать эксклюзивную добавку под конкретные требования технологов, если потребуется решить нестандартные строительные задачи.
— Два года назад перед нами была поставлена задача сохранить удобоукладываемость смеси в течение 18 часов, а через 24 часа получить необходимую прочность бетона. Думаю, что 99% бетонщиков в этом зале скажут, что подобное недостижимо, но 1% согласится, что возможно, и это будут те, кто работают с нами, — сообщила генеральный директор НИИ СМиТ Татьяна Садомова, которая рассказала о новинках и тенденциях на рынке полимерных добавок.
Одна из этих добавок, ПФМ-21, с успехом применяется для дорожных и аэродромных бетонных покрытий и оснований, о чем сообщил руководитель технической поддержки «Полипласт Северо-Запад» Всеволод Пачезерцев.
Но даже самый совершенный бетон требует строгого соблюдения технологий при укладке, отметила в своем докладе Саназ Эгбалник, доцент кафедры «строительные материалы и технология строительства» Белорусского национального технического университета.
Завершила конференцию наиболее обсуждаемая на всех профессиональных площадках тема взаимодействия между застройщиками и производителями бетонной продукции. Свое видение возникающих при этом проблем и их преодоления представили Антон Большаков, владелец федерального холдинга бетонных заводов BAV-GROUP, и Ольга Рудавская, руководитель испытательной лаборатории «КВС-Строй» — одного из крупнейших застройщиков Петербурга.
МНЕНИЯ
Дмитрий Пожаров, директор НА «Союз производителей бетона»:
— Подобные мероприятия проходят неизменно с большим интересом со стороны участников. Здесь собираются лидеры рынка и наиболее заинтересованные специалисты. Сегодня события на рынке меняются очень быстро, и такие конференции дают возможность оперативно обменяться оценками и спрогнозировать будущее.
Андрей Бучкин, зам. директора НИИЖБ им. А. А. Гвоздева:
— Для нас конференция — это один из эффективных методов общения с отраслью и получения реальной связи с практиками. Например, поднятые на конференции в прошлом году вопросы заставили нас пересмотреть один из стандартов с точки зрения применения метода испытаний бетонных и железобетонных конструкций как для поставщиков монолитного бетона, так и для производителей климатических камер. Сегодня мы отчитываемся по проделанной работе по улучшению этого метода испытаний.
Светлана Турутова, директор по сбыту и маркетингу «Полипласт Северо-Запад»:
— Конференция создает площадку для наших единомышленников, чтобы они могли обменяться идеями, новостями, достижениями и объединиться вокруг одной общей цели: дальнейшего развития строительства и решения задач по импортозамещению. Вместе с коллегами из регионов мы продолжаем эту традицию и надеемся, что с каждым годом наше мероприятие будет вызывать еще больше интереса со стороны отраслевых участников.
Татьяна Садомова, генеральный директор НИИ СМиТ:
— Конференция — актуальное, живое, представительное мероприятие. Участники активно участвуют в дискуссионных беседах, это говорит о том, что заявленные на конференции темы важны и необходимы для развития отрасли.