Файл: Максимов С.Н. Инженерные сооружения (с основами строительного дела) учеб. пособие.pdf

пересеченной местности стало необходимым сооружать тоннели. Первый железнодорожный тоннель был построен в 1826—1830 гг. на участке Ливерпуль — Манчестер. В эти же годы началось со­ оружение железнодорожных тоннелей в Бельгии, Франции, Швей­ царии, Италии, Швеции и других странах Западной Европы. В 1831—1933 гг. в США был сооружен первый двухпутный тон­ нель длиной 270 м.

Однако самым важным фактором бурного роста тоннелестрое­ ния в начале прошлого века было развитие строительной техники, и в частности совершенствование методов разработки твердых по­ род. В это время стали внедряться буровые механизмы, приводив­ шиеся в движение сжатым воздухом, появилась вращательная бу­ ровая машина, а к концу столетия и гидравлические машины.

Серьезным успехом явилась разработка методов трассирова­ ния тоннелей, базирующаяся на методе подземной триангуляции, что позволило на прочной основе решать задачи трассирования длинных тоннелей, разрабатываемых не только с двух конечных, но и с нескольких промежуточных забоев.

Все это позволило уже в конце XIX в. построить такие тонне­ ли, как Сен-Готардский (1871 —1880 гг.) протяженностью почти 15 км и Симплонский (1898—1906 гг.) протяженностью около 20 км в Альпах между Италией и Швейцарией. Причем при строитель­ стве Симплонского тоннеля были успешно преодолены исключи­ тельно трудные участки развития высокого горного давления, вы­ сокой температуры (до +55°) и обильного водопритока. Всего в 1915 г. в Швейцарии было сооружено 625 железнодорожных тон­ нелей общей протяженностью более 280 км.

В других странах, особенно таких, как Италия, Франция, Шве­ ция, а также Япония и США, к началу XX в. было сооружено боль­ шое количество железнодорожных тоннелей.

В России железнодорожные тоннели начали строить в 1859—1862 гг. на бывшей Петербургско-Варшавской железной до­ роге, а несколько позже в Крыму, на Кавказе, Урале и в Сибири. В 1886—1890 гг. на Кавказе был построен самый длинный в Рос­ сии тоннель — Сурамский — протяженностью около 4 км, а также целый ряд тоннелей меньшей протяженности.

Первый подводный тоннель протяженностью 450 м был постро­ ен в Лондоне под р. Темзой в 1825—1843 гг. при помощи щита, сконструированного инженером Брюнелем. Этот щит явился про­ образом современных щитов, успешно применяемых для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях.

С тех пор во многих странах построено большое число под­ водных тоннелей, наиболее крупными среди которых являются тоннели под р. Гудзон между Нью-Йорком и Нью-Джерси, под заливом Сан-Франциско, под р. Детройт между США и Канадой. В Японии в 1936—1942 гг. под морем был построен тоннель дли­ ной 6,3 км. В последние годы в США построено много тоннелей под р. Гудзон (6 железнодорожных и 4 автодорожных) и р. Ист-

254

Ривер (около 20 тоннелей) и в Европе под реками Сеной (Фран­ ция), Темзой (Англия), Дунаем (Венгрия) и др.

Гидротехнические тоннели, входящие в комплекс гидроэнерге­ тических узлов, строившихся в начале XX в., были в основном не­ большими и имели сечение обычно не более 9 м2. Современные гидроэнергетические тоннели представляют собой обычно очень крупные, а некоторые и исключительно крупные сооружения. Так, отводящий тоннель Сторнорфорской ГЭС в Швеции имеет сечение 390 м2, а подводящий напорный тоннель гидростанции Нечако-

50 гидроэлектростанциях, и общая протяженность их превышает 150 км (более 100 км безнапорных и около 50 км напорных тон­ нелей). Протяженность отдельных наиболее длинных тоннелей со­ ставляет 7,9 км (Эзьминская ГЭС) и 3,6 км (Теребля-Рикская ГЭС), а максимальные сечения 90—65 м2 (Нива-3 ГЭС).

Во второй половине прошлого столетия в крупнейших городах мира началось строительство городских подземных (частично и надземных) железных дорог — метрополитенов. Первая линия ме­ трополитена была открыта в Лондоне в 1863 г. После этого за де­ сятилетие, с 1896 по 1906 гг., были пущены первые подземные поезда в Будапеште, Глазго, Вене, Париже, Нью-Йорке и Чикаго. К настоящему времени метрополитены протяженностью оолее 20 км имеются в Стокгольме, Токио, Филадельфии, Бостоне, Мад­ риде, Барселоне, Гамбурге, Берлине и Буэнос-Айресе и ряде дру­ гих городов.

Наибольшую длину имеют метрополитены в Нью-Йорке (бо­ лее 400 км и около 500 станций), Лондоне (360 км и 280 станций)

иПариже (186 км и 274 станции).

ВСССР строительство метрополитенов началось только после Великой Октябрьской революции, хотя первые проекты составля­ лись еще в 1889 г. Строительство первого советского метрополите­ на—Московского было начато в 1932 г., первая очередь его была пущена в 1935 г. После этого в 1955 г. был пущен Ленинградский

Протяженность линий Московского метрополитена в настоящее время превышает 150 км при более чем 80 станциях.

При строительстве наших метрополитенов применяется высо­ кая степень механизации всего комплекса проходческих и строи­ тельных работ, для чего разработаны специальные методы проход­ ки, конструкции горнопроходческих щитов и механизмов для уста­ новки крепления, а также специальная технология ведения работ. Это позволяет не только вести высококачественное строительство в сжатые сроки, но и развивает строительную науку и технику, под­ готовляя ее к строительству новых метрополитенов, часто в слож­ ных инженерно-геологических условиях.

2 5 5

§ 3. П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е Т О Н Н Е Л Я

Проектирование тоннеля представляет собой сложный процесс, во время которого определяют размеры сечения тоннеля, его трас­

су, типы обделки и методы проходки.

Размеры сечения являются функцией назначения тоннеля и поэтому мало зависят от природных условий, тогда как выбор трас­ сы, типа обделки и методов производства горнопроходческих работ в значительной степени зависит от природных условий. Среди по­ следних инженерно-геологические условия во многих отношениях являются определяющими.

При выборе трассы тоннеля кроме геологических условий при­ нимаются во внимание топографические данные. Так, учитывается, что при пересечении какого-либо горного хребта с увеличением аб­ солютных отметок расположения тоннеля длина его уменьшается, а трудности с подходом к входному и выходному порталам уве­ личиваются. В конечном счете выбор местоположения тоннеля производится исходя из экономической и технической целесообраз­ ности. Геодезические работы, связанные с проходкой тоннеля, со­ стоят в определении направления и длины тоннеля, перенесении оси внутрь тоннеля и разбивки продольного профиля и поперечных сечений. Эти работы требуют исключительной точности, так как даже малейшие ошибки, особенно при большой длине тоннеля, могут привести к весьма тяжелым последствиям. Трудности в трассировании тоннелей увеличиваются при малой доступности местности для производства геодезических работ, при разбивке трасс тоннелей криволинейного очертания, а также при длинных тоннелях. Существенное облегчение в выборе трассы тоннеля ока­ зывает применение аэрофото- и фототеодолитной съемок.

Расположение тоннеля в плане может быть прямолинейным и криволинейным, причем часто в одном тоннеле могут быть прямо­ линейные и криволинейные участки. Хотя сооружение криволиней­ ных тоннелей во многих отношениях более трудоемко (усложняет­ ся трассирование и вынос в натуру, возрастает объем тоннельных работ, ухудшаются условия вентиляции и т. д.), строительство их ведется очень широко и большинство длинных тоннелей имеет кри­ волинейные участки. Во многих случаях это является результатом влияния геологических условий, по которым искривление трассы позволяет расположить тоннель в более благоприятных геологиче­ ских условиях.

В отдельных случаях при исключительно тяжелых условиях рельефа, когда линию дороги или водовода приходится развивать внутри горного массива (это чаще всего случается на трассах железных дорог, для которых строго лимитируется продольный уклон), сооружают петлевые и спиральные тоннели.

Поперечное сечение тоннеля (см. рис. 154, б) слагается из площади сечения в свету и площади сечения обделки. Почти во всех породах, кроме разрабатываемых без ведения взрывных ра-

256

бот, происходит «перебор» породы и производится выемка из­ лишнего грунта. Такие переборы увеличивают объем тоннельной выработки и поэтому нежелательны.

Минимальные объемы излишне выработанной породы могут быть получены при проходке мягких пород без временного креп­ ления и без рыхления взрывными работами, например при щи­ товой проходке этих пород.

В скальных породах переборы практически неизбежны, и они являются следствием естественной трещиноватости, а также рас­ трескивания пород в результате применения взрывных работ. Наи­ большую величину переборов дают породы, разбитые трещинами отдельностей (особенно глыбовой и параллелепипедальной), обра­ зующими выпадение отдельных глыб и вывалов. При прочих рав­ ных условиях изверженные и метаморфические породы дают мень­ шие переборы, чем осадочные.

Способ рыхления породы взрывами также существенно ска­ зывается на переборах — усиленные заряды по периметру выра­ ботки увеличивают излишнее расширение профиля.

Горное давление

До проходки горной выработки породы в массиве находятся в состоянии напряженного равновесия. При этом существующее на­ пряжение является прежде всего результатом действия веса выше­ лежащих слоев пород, а также следствием тектонических напряже­ ний, развивавшихся ранее или возникающих теперь в результате новейших движений в земной коре.

Проходка тоннеля нарушает состояние естественного равнове­ сия горных пород и приводит к перераспределению напряжений. Вследствие этого в ряде случаев происходит разрушение горных пород, появляются трещины, выпадают куски, возникает подвижка прилегающих к тоннелю масс пород в сторону выработанного про­ странства и другие подобные явления. В таких случаях для пре­ дохранения выработки от обрушения и завалов она должна быть закреплена. При горных способах производства горнопроходче­ ских работ выработка закрепляется временной крепью, заменяемой в дальнейшем постоянной обделкой.

Нагрузка, создаваемая давлением горных пород на крепь или облицовку, представляет собой г о р н о е д а в л е н и е . Оно разви­ вается при некоторой деформации крепления (практически проис­ ходящей при всех видах крепления) и связанной с этим деформа­ цией пород в сторону выработанного пространства.

Горное давление чаще и больше всего проявляется в кровле (своде, потолке) выработки и развивается практически во всех по­ родах, от самых прочных и устойчивых до самых слабых и неустой­ чивых. В слабых и неустойчивых породах кроме сводового давле­ ния развивается еще к боковое, по величине обычно меньшее, чем сводовое.

2 5 7

Горное давление в подошве, направленное снизу вверх, на­ блюдается реже и характерно для пластических пород и большой

глубины заложения выработки.

Как показывают специально выполненные наблюдения, горное давление во многих породах в зависимости от спосооа проходки тоннеля увеличивается во времени. При этом в первое время после раскрытия выработки горное давление развивается более интенсив­ но, чем в последующее. Так, по данным Г. Г. Зурабова и О. Е. Бугаевой (1962), в кем­ брийских глинах горное давле­ ние в тоннелях диаметром 5 м развивалось, как показано на

графике рис. 155.

Величина горного давле­ ния зависит от физико-механи­ ческих свойств горных породи условий их залегания, разме­ ров и формы поперечного се­ чения тоннеля, способов про­ изводства горнопроходческих работ и метода крепления, конструкции тоннельной об­ делки и некоторых других факторов.

В прочных скальных породах горное давление развивается наиболее интенсивно в зонах нарушения и дробления, в зонах по­ вышенной трещиноватости, в районах сбросов, сдвигов и других тектонических нарушений, где наблюдается ослабление прочности

иустойчивости пород.

Втаких породах, как глины, мергели, сланцы, способных к развитию пластических деформаций, горное давление бывает весь­ ма высоким и проявляется не только в вертикальном давлении в

кровле выработки, но и в боковом давлении на стены, иногда и в вертикальном давлении на подошву выработки. Кроме того, для многих пород этого типа характерно быстрое изменение свойств при соприкосновении с воздухом. Процессы подземного выветри­ вания приводят к тому, что первоначально крепкие и устойчивые глины или сланцы начинают растрескиваться и осыпаться, а пер­ воначально небольшое горное давление начинает постепенно повы­ шаться. Другие породы под влиянием снятия давления при вскры­ тии выработки и при поступлении к ним воды начинают пучиться, что также приводит к росту горного давления.

В сыпучих породах развивается высокое горное давление, ко­ торое может резко увеличиваться при высыпании или высачивании песка из-за обделки тоннеля. Происходящее разрыхление песка при его выносе из-за крепления также увеличивает горное дав­ ление, поэтому в сыпучих породах требуется особенно тщательно

2 5 8