2. Элементы подземных сооружений

В процессе выполнения горных работ внутри породного мас­сива с целью разведки и добычи полезных ископаемых, проведе­ния инженерно-геологических изысканий и строительства подзем­ных сооружений в земной коре образуется полость, которую назы­вают горной выработкой.

По положению в пространстве выработки разделяют на гори­зонтальные, наклонные и вертикальные.

Тоннель является горизонтальной или наклонной выработкой и имеет две части: верхнюю сводовую, называемую калоттой, и нижнюю, называемую штроссой (рис.1.1).

Рис. 1.1. Горизонтальная выработка:

1 – тоннель; 2 – калотта; 3 – штросса; 4 – штольня; 5 – кровля;

6 – подошва; 7 – забой; 8 – заходка

Выработка меньшего поперечного сечения, служащая для вспомогательных целей при строительстве тоннеля, называется штольней. Горизонтальные вы­работки имеют кровлю, стены и подошву. Торец выработки, в ко­тором разрабатывают породу, называется забоем.

Вертикальные горные выработки, имеющие выход на поверх­ность и предназначенные для обслуживания подземных работ, но­сят название шахтных стволов. Ствол имеет устье – верхнюю часть, собственно ствол, околоствольную выработку (шахтный двор), со­единяющую ствол с горизонтальными выработками, обычно штоль­нями, и водосборник (зумпф) (рис.1.2). В поперечном сечении ство­лы имеют круглую или прямоугольную форму.

Рис. 1.2. Вертикальная выработка:

1 – штольня; 2 – устье ствола;

3 – шахтный ствол; 4 – околоствольная выработка (шахтный двор);

5 – во­досборник (зумпф)

Конструкция горной выработки, служащая для поддержания ее в безопасном состоянии и выполняемая из бетона, монолитного или сборного железобетона, а также из чугунных тюбингов, назы­вается обделкой или постоянной крепью и состоит из свода, стен, обратного свода или лотка (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Элементы тоннельной обделки:

1 – свод; 2 – стена; 3 – обратный свод (лоток)

В крепких породах обделка состоит из верхнего свода и стен или даже из одного верхнего свода.

3. Технико-экономическая целесообразность и эффективность строительства транспортных тоннелей

Транспортные тоннели представляют собой сложные и доро­гие комплексы инженерных конструкций и эксплуатационного обо­рудования и относятся к первому классу сооружений. Поэтому не­обходимость их строительства тщательно обосновывается.

В процессе проведения трассы автомобильных дорог встреча­ются природные препятствия, которые необходимо преодолеть. Эти препятствия могут быть как в плане (контурные), так и в профиле (высотные). Контурными препятствиями являются действия ополз­ней и карстов, осыпей, лавин и снежных заносов, реки, каналы, озера, болота, а также населенные пункты; высотными – холмы, горные хребты, водоразделы, глубокие долины и т.п.

Контурные препятствия оказывают влияние преимуществен­но на план трассы, но иногда они влияют и на ее продольный профиль. Обход контурных препятствий удлиняет трассу, следо­вательно, увеличивает эксплуатационные расходы. Поэтому в не­которых случаях может быть экономически и эксплуатационно це­лесообразнее не обходить такое препятствие, а преодолеть его при помощи специальных сооружений – мостов, эстакад или тон­нелей. Кроме того, контурное препятствие может иметь столь боль­шие размеры и такое расположение, что его обход становится вообще невозможным. Иногда, при пересечении мощных ополз­ней, осыпей, лавинообразных участков, крупных водотоков и во­доемов, а также при развязках интенсивного городского движе­ния тоннели могут оказаться наиболее выгодными сооружениями в техническом и экономическом отношениях.

Если маломощные оползни можно преодолеть с помощью эс­такады, то при высоте оползающих масс свыше 5м и наличии глубоких потоков подземных вод более экономично провести тон­нель в глубине горного массива за пределами оползневой зоны. Такое же решение может быть целесообразным при наличии в районе трассы мощных осыпей, которые возникают на скальных косогорах круче 30–35°, сложенных из трещиноватых выветрелых пород (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Преодоление участков оползней, осыпей и заносимости

В высокогорных районах мощный снежный покров и большая крутизна склонов являются причиной образования лавин и снеж­ных заносов и требуют больших эксплуатационных расходов и ин­женерных мероприятий вплоть до устройства дорогостоящих га­лерей на опасных участках, в этом случае бесперебойность и безо­пасность движения, а также уменьшение эксплуатационных рас­ходов могут быть обеспечены при сооружении тоннеля вне зоны, опасной от лавин и заносов.

В сложных условиях преодоления водных преград производится сравнение надземного и подземного расположения трассы, т.е. вы­бор моста или тоннеля (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Преодоление водного препятствия

Важнейшими преимуществами тоннельного перехода перед мостом являются: отсутствие помех судоходству; защищенность от воздействия ветра и атмосферных осадков, ударов льда и волн при пересечении крупных рек и про­ливов; независимость строительных работ от сезонных колебаний ледохода, уровня воды и т.п.; меньшая длина пересечения при вы­соком габарите судов в широкой пойме; удобство подходов к пересечению в городских условиях. Подводные тоннели в отличие от мостов не нарушают бытовой режим водоемов.

Однако тоннельное решение имеет ряд неудобств: при эксп­луатации подводного тоннеля необходимы мощная вентиляция и периодический водоотлив; срок сооружения тоннеля, как прави­ло, больше срока сооружения моста, т.к. работы ведутся более узким фронтом; стоимость тоннеля может быть выше, чем сто­имость моста, потому что для сооружения тоннеля нужно выпол­нить больший объем земляных работ, чем при строительстве мос­та. Но при этом следует иметь в виду, что с увеличением подвод­ного препятствия стоимость 1пог. м моста увеличивается, особен­но при длине водной преграды свыше 1–2 км, а стоимость 1 пог. м тоннеля уменьшается. К тому же с увеличением высоты моста воз­растают объемы земляных работ на подходах. По безопасности производства работ строительства мостового перехода не имеет преимуществ по сравнению со строительством тоннеля. Следует также учитывать, что возведение мостовых опор с глубокими фундаментами, особенно при наличии в основании слабых и неус­тойчивых грунтов, представляет крайне сложную инженерную задачу. При проходке подводного тоннеля специальными проход­ческими щитами обеспечивается полная безопасность работ и га­рантируется их своевременное выполнение независимо от сезона и климатических условий.

При преодолении таких водных преград как морские проливы тоннельные переходы вообще не сравнимы с мостовыми. В Японии между островами Хонсю и Хоккайдо в 1993 г. закончено строи­тельство подводного тоннеля Сейкан длиной 54 км, в 1994 г. – строительство подводного тоннеля под проливом Ла-Манш (52км), запроектирован тоннель под Гибралтаром (48 км) и ряд других. Мосты такой протяженности невозможно построить без чрезвы­чайных трудностей, а эксплуатировать – тем более.

Выбор между мостовым и тоннельным вариантом производит­ся на основании технико-экономического сравнения с учетом со­временных методов скоростного тоннельного строительства.

В условиях современного города высокая интенсивность дви­жения на его улицах требует применения второго яруса движения – эстакад или тоннелей. Эстакады гораздо дешевле при строитель­стве, чем тоннели, но имеют большие недостатки при эксплуата­ции: загромождение поверхности опорами эстакад, создающими помехи движению; нарушение эстакадами городского архитектур­ного ансамбля; затемнение домов; большой шум от поездов и автомашин; запыление и загазованность воздуха, В отличие от эста­кад городские автотранспортные и пешеходные тоннели способ­ствуют повышению безопасности движения транспорта и пешехо­дов, улучшают санитарно-гигиеническое состояние воздуха, сни­жают уровень шума и вибрации, улучшают архитектуру и градо­строительные условия.

Высотные препятствия при трассировании автомобильных до­рог преодолеваются тремя вариантами: обходом, развитием линии с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки; сооруже­нием тоннеля (рис.1.6).

Рис. 1.6. Преодоление высотного препятствия

При обходе высотного препятствия необходимо значительное удлинение трассы, увеличение уклонов, вплоть до максималь­ных, что ведет к ухудшению эксплуатационных показателей.

Развитие трассы с открытым пересечением перевала позволя­ет уменьшить длину дороги, но при этом возрастает потребность в применении максимальных уклонов и крутых поворотов – серпан­тин. Возникает необходимость в защите высокогорных участков до­роги от снежных заносов, лавин и обвалов путем устройства гале­рей и других инженерных сооружений.

Строительство тоннеля значительно сокращает длину дороги и позволяет уменьшить уклоны, ликвидировать излишние поворо­ты, улучшить комфортабельность движения и эксплуатационные показатели. Но сооружение тоннеля вызывает большое увеличе­ние капитальных затрат по сравнению с наземными вариантами трассы. Поэтому окончательный выбор трассы дороги производит­ся на основании технико-экономического сравнения вариантов ме­тодом вариантного проектирования.

Вначале сравниваются способы преодоления препятствий:

а) горный тоннель – перевал – обход; б) подводный тоннель – мост – паромная переправа; в) городской тоннель – эстакада – регу­лируемое пересечение в одном уровне.

Сопоставляются технологические преимущества и недостатки всех способов, а также эконо­мический эффект, который может быть выявлен при сравнении всех затрат на возведение и эксплуатацию тоннеля и аналогичного наземного сооружения. Строительство тоннеля можно считать эко­номически целесообразным при выполнении условия

,

где К_н, К_т – капитальные вложения в строительство наземного и подземного переходов, тыс. руб.;

Э_н, Э_т – тоже, эксплуатационные расходы, тыс.руб./год.

Обычно при увеличении капитальных вложений на строитель­ство тоннеля по сравнению с наземным объектом значительно сни­жаются годовые эксплуатационные расходы за счет улучшения условий движения транспорта, повышения скоростей сообщения, ускорения оборачиваемости оборотных средств.

После установления принципиального преимущества тоннеля разрабатываются варианты тоннельной проходки. Сравнение ва­риантов также производят по техническим и экономическим пока­зателям. Главными техническими показателями являются длина тон­неля, глубина его заложения, типы конструкций, способ произ­водства работ. Сопоставление технических показателей особенно важно, когда экономические показатели близки между собой. К экономическим показателям относятся капитальные вложения на строительство тоннеля, приобретение и монтаж оборудования и эксплуатационные расходы на содержание и обслуживание тон­неля, на ремонтные работы и амортизационные отчисления.

Экономическое сравнение производится по расчетному сроку Т (год) окупаемости дополнительных капиталовложений в более дорогой по стоимости вариант строительства:

,

где K₁ и К₂ – капитальные вложения по первому и второму вари­антам; Э₁ и Э₂ – эксплуатационные расходы по вариантам.

Если полученный расчетный срок окупаемости Т меньше уста­новленного нормативного Т_н , то экономически выгодным считает­ся вариант с большими капиталовложениями, которые, как прави­ло, обеспечивают меньшие эксплуатационные расходы. Норматив­ный срок окупаемости Т_н = 10 лет.

Для сравнительной экономической характеристики вариантов также используется величина, обратная сроку окупаемости (коэф­фициент эффективности капиталовложений): Е=1/Т .

Например, сравниваются варианты: 1 – тоннель большой дли­ны с короткими удобными подходами (рис.1.7), который обеспечи­вает облегченные условия эксплуатации и, следовательно, низкие эксплуатационные расходы, но имеет высокую стоимость строи­тельства;

Рис. 1.7. Варианты высотного расположения трассы:

1 – базисным тоннелем; 2 – промежуточным; 3 – вершинным; 4 – с открытой выем­кой; 5, 6 и 7 – подходы к тоннелям; 8 – подходы к выемке

4 – открытая перевальная выемка со значительным раз­витием трассы, большим количеством кривых и углов поворота с максимальными уклонами. Стоимость строительства этого вариан­та, естественно, ниже, но длина подходов может быть очень боль­шой и вызывать весьма высокие эксплуатационные расходы; про­межуточными являются варианты 2 и 3. Среди всех этих вариантов всегда можно найти оптимальный по высоте расположения, при котором наибольшая эффективность характеризуется минимальной суммой приведенных и эксплуатационных расходов:

С = КЕ_н+ Э ,

где Е_н – нормативный коэффициент экономической эффективнос­ти, для автодорог равен 0,10.

Таким образом, оценивается технико-экономическая целесооб­разность и эффективность строительства транспортных тоннелей.