Подземная инфраструктура городов (обзор зарубежного строительства)

Б.А. Лысиков, Л.Л. Кауфман ПОДЗЕМНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА ГОРОДОВ

Б.А. Лысиков, Л.Л. Кауфман

ПОДЗЕМНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА ГОРОДОВ (опыт зарубежного строительства)

Под общей редакцией проф. Лысикова Б.А.

Донецк «Норд-Пресс», 2004

УДК 624.035.4 ББК 33.1 Л88 Лысиков Б.А., Кауфман Л.Л. Подземная инфраструктура городов (обзор зарубежного строительства). Монография. – Донецк: «Норд-пресс», 2004. – 267 с. Авторы: Б.А. Лысиков – канд. техн. наук, проф. каф. «Строительство шахт и подземных сооружений» Донецкого национального технического университета (ДонНТУ), академик Академии строительства Украины, член Международной тоннельной Ассоциации; Л.Л. Кауфман – горн. инж., Ph.D., США. Рецензент: Е.Б. Дружко – докт. техн. наук, проф. каф. «Подземные сооружения» Донецкой государственной академии строительства и архитектуры (ДонГАСА), академик Академии строительства Украины. Книга является обзором современных технических решений, как правило, уникальных, по строительству и реконструкции подземной инфраструктуры городов в зарубежной практике (в основном, США). Предложена классификация объектов инфраструктуры, способов их строительства и реконструкции. Особое внимание уделено проблемам, связанным с производством работ в условиях плотной городской застройки. Книга рассчитана на научных работников, проектировщиков, студентов, широкий круг читателей, интересующихся вопросами развития подземной городской инфраструктуры. УДК 624.035.4 ББК 33.1 ISBN 966... © Б.А. Лысиков, Л.Л. Кауфман, 2004 © ООО„Норд-Компьютер”, 2004

2

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ................................................................... 8 Глава 1 АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТУННЕЛИ.......... 12 1.1 Бостонский (США) транспортный комплекс Центральная Артерия/Туннель (THE BIG DIG) ................................................... 12 1.1.1 Общие сведения ............................................ 12 а) Основные проектные решения .............. 12 б) Геологические условия строительства ............................................................... 19 1.1.2 Основные объекты строительства............... 20 а) Туннель Тэда Вильямса.......................... 20 б) Туннель под каналом Форт Пойнт ........ 23 в) Туннель под железнодорожной Южной станцией............................................ 28 г) Подземный мост под Красной Линией метро.................................................... 31 д) Туннель под поднятой Центральной Артерией .................................................. 33 е) Мосты через реку Чарльз ....................... 36 1.1.3 Вентиляция и очистка воздуха .................... 39 а) Общие сведения ...................................... 39 б) Схемы проветривания автомобильных туннелей ........................................... 40 в) Вентиляция комплекса Центральная Артерия/Туннель..................................... 44 1.1.4 Взаимоотношения с общественностью и охрана окружающей среды .......................... 47 1.1.5 Итоги строительства комплекса Центральная Артерия/Туннель........................... 51 1.2 Кросс-Сити туннель в Сиднее (Австралия) ....................................................................... 53 1.2.1 Общие сведения ............................................ 53 3

1.2.2 Вентиляция и очистка воздуха..................... 55 1.2.3 Другие объекты городской инфраструктуры Сиднея ................................................... 57 1.3 Автомобильные туннели большого диаметра ..................................................................... 57 1.4 Заключение.......................................................... 59 Глава 2 СТРОИТЕЛЬСТВО НАПОРНЫХ ТУННЕЛЕЙ ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДА (НЬЮ-ЙОРК) ................. 61 2.1 Общие сведения .................................................. 61 2.2 Внешнее водоснабжение.................................... 62 2.2.1 Схема водоснабжения ................................... 62 2.2.2 Новый Кротонский акведук.......................... 63 2.2.3 Катскилльский акведук................................. 65 2.2.4 Делаверский акведук..................................... 67 2.3 Городское водоснабжение ................................. 68 2.3.1 Схема водоснабжения ................................... 68 2.3.2 Городской туннель № 1 ................................ 69 2.3.3 Городской туннель № 2 ................................ 71 2.3.4 Городской туннель № 3 ................................ 72 2.3.5 Вентильные камеры ...................................... 75 2.4 Некоторые особенности технологии строительства...................................................... 77 2.4.1 Городской туннель № 1 ................................ 77 2.4.2 Городской туннель № 2 ................................ 78 2.4.3 Городской туннель № 3 ................................ 79 2.4.4 Главная вентильная камера .......................... 80 2.5 Заключение.......................................................... 80 Глава 3 ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРОПОЛИТЕНА МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛОТНОЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ (НЬЮЙОРК) (Исторический очерк)................. 85 3.1 Общие сведения .................................................. 85 4

3.2 Типичные строительные решения метротрассы .............................................................. 86 3.2.1 Основные строительные решения ............... 86 3.2.2 Специфические строительные решения ..... 91 3.3 Подготовка территории строительства......... 94 3.3.1 Выноска существующих коммуникаций .... 94 3.3.2 Поддержание существующей структуры улиц ................................................................ 96 3.4 Строительство туннелей типичных сечений......................................................................... 100 3.4.1 Открытый способ .......................................... 100 3.4.2 Подземный способ ........................................ 107 3.5 Поддержание существующих объектов в период строительства и другие инженерные трудности..................................................... 113 3.6 Подводные туннели ........................................... 129 3.6.1 Туннели под рекой Гарлем........................... 129 3.6.2 Туннель под рекой Ист-Ривер ..................... 135 3.7 Надземные линии метро................................... 135 3.7.1 Стальные конструкции ................................. 135 3.7.2 Железобетонные конструкции..................... 139 3.8 Некоторые современные технологические решения строительства метро мелкого заложения ............................................................ 141 3.9 Заключение ......................................................... 148 Глава 4 СТРОИТЕЛЬСТВО И РЕКОНСТРУКЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ.............. 151 4.1 Общие сведения.................................................. 151 4.2 Строительство коммуникаций ....................... 154 4.2.1 Горизонтальное направленное бурение...... 154 4.2.2 Подземная прокладка труб........................... 164 а) Прокладка труб с использованием пневмотехники ........................................ 164 б) Шнековое бурение скважин................... 168 5

в) Домкратное продавливание труб ........... 172 г) Микротуннельный способ ...................... 177 4.3 Реконструкция коммуникаций ....................... 187 4.3.1 Подготовительные работы............................ 187 4.3.2 Разрывные технологии.................................. 189 а) Общие сведения....................................... 189 б) Пневматический (ударный) способ ....... 191 в) Гидравлический (статический) способ ............................................................. 192 г) Микротуннельный способ ...................... 195 4.3.3 Безразрывные технологии ............................ 196 а) Установка труб отдельными секциями .............................................................. 196 б) Установка труб цельными участками ... 197 4.4 Реконструкция подземных коммуникаций траншейным способом .............................. 199 4.5 Заключение.......................................................... 202 Глава 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДЗЕМНОЙ ТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЕ .......... 205 5.1 Общие сведения .................................................. 205 5.2 Использование подземной термальной энергии для текущих потребностей................ 206 5.3 Подземное хранение термальной энергии..... 211 5.4 Заключение.......................................................... 218 Глава 6 КОМЛЕКС «МОСТ-ТУННЕЛЬ», СВЯЗЫВАЮЩИЙ РАЙОНЫ, РАЗДЕЛЕННЫЕ МОРСКИМ ЗАЛИВОМ В ШТАТЕ ВИРДЖИНИЯ (США) .......... 219 6.1 Общие сведения .................................................. 219 6.2 Эстакадная структура ....................................... 221 6.3 Туннели ................................................................ 223 6.4 Мосты ................................................................... 225 6.5 Искусственные острова..................................... 227 6.6 Параллельный проект....................................... 228 6

6.7 Другие комплексы „мост – туннель” в штате Вирджиния .............................................. 229 Заключение .................................................................... 232 Библиография................................................................ 235

7

ПРЕДИСЛОВИЕ Инфраструктура (от латинского infra – ниже, под, и structura – строение, расположение) – термин, который обычно применяется для обозначения комплекса обслуживающих структур по обеспечению нормальной жизнедеятельность объекта. Расположенная ниже уровня земной поверхности, подземная инфраструктура города является как бы кровеносной системой, при сбоях в работе которой страдает весь его живой организм. К системам подземной инфраструктуры относятся сооружения транспортного комплекса – метрополитена и автомобильных туннелей и развязок, а также инженерные коммуникации, включающие в себя сети водо-, газо-, электро-, теплоснабжения, канализации и связи. Так, под Нью-Йорком, одним из самых больших городов мира, расположены: - на глубине 0,6-2,4 м – электрические сети, почти 141 тыс. км медных проводов, заключенных в бетонные трубы; - на глубине 1,5-3,0 м – телефонные сети, 49,7 млн км медного кабеля и 550 тыс. км оптико-волоконных кабелей; - на глубине 9,6-12,8 м – паропроводы, транспортирующие пар от 8 паровых котельных, расположенных по всему городу и производящих 5900 т пара в час, который через чугунные трубы поступает к 2000 зданий и более чем 100000 потребителей; - на глубине 0,9-3,0 м – газовые трубы, по которым природный газ поступает из штатов Техас, Луизиана и Канады; - на глубине 0,9-4,6 м – канализационные коллекторы, транспортирующие ежедневно 6 млн м3 стоков; - на глубине в среднем 9,1-15,2 м – линии метрополитена общей длиной почти 1363 км с более чем 450 станциями; - на глубине 76,2-244,0 м – городские напорные туннели водоснабжения. 8

Книга является обзором современных технических решений строительства и реконструкции подземной инфраструктуры города в зарубежной практике (в основном, США). Подобные работы в условиях сложившейся городской застройки требуют особой подготовленности и организации, поскольку они не должны помешать действующим производствам и бизнесам, создать препятствия для нормальной жизни обитателей города, вызвать протесты населения из-за вторжения в его жизнь неудобств, связанных со строительством. В книге показано, как эти трудности преодолеваются на практике. С целью систематизации способов строительства и реконструкции различных объектов городской подземной инфраструктуры составлена схема их классификации (см. схему). В дальнейшем тексте дано описание этих способов и приведены примеры их практического осуществления. Предложенная классификация, разумеется, не является всеобъемлющей. Она дает лишь общее представление о наиболее применяемых методах строительства и реконструкции рассматриваемых объектов. В ней, например, не приведены различные схемы буро-взрывных способов проведения туннелей, выемки грунта при домкратном продавливании труб, способы ремонта трубопроводов и др. Авторы не ставили перед собой задачу дать универсальное пособие или, тем более, заменить инструкции по эксплуатации оборудования. Поэтому, как приведенная классификация, так и дальнейшие описания дают лишь общие представления о проблемах строительства и реконструкции подземной инфраструктуры города и возможные способы их решения. В первых пяти главах книги описаны конкретные примеры применения таких способов. Решения, приведенные в шестой главе, относятся к городской инфраструктуре косвенно, но являются такой комбинацией транспортных со9

10

Схема классификации объектов городской подземной инфраструктуры

оружений, которая может служить образцом для густонаселенных городов, имеющих обширные разбросанные территории застройки, особенно разделенных рельефом местности. Авторы надеются, что книга будет полезна научным работникам, проектировщикам, студентам, широкому кругу читателей, интересующихся вопросами развития городской инфраструктуры. Авторы приносят искреннюю благодарность за помощь в подготовке материалов книги К.Н. Лабинскому, Э.Г. Когану, Л.Э. Горбач, Н.В. и Р.Н. Слинько и, особенно, Л.Ю. Москалевой, без поддержки которой эта книга вообще не могла бы состояться.

11

ГЛАВА 1 АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТУННЕЛИ 1.1 Бостонский (США) транспортный комплекс Центральная Артерия/Туннель (THE BIG DIG) 1.1.1 Общие сведения а) Основные проектные решения Бостон – столица штата Массачусетс – город с населением около 600 тыс. чел. занимает 20-е место в списке наибольших городов США, 10-е по плотности населения (около 4700 чел./км2) и расположен на севере Атлантического побережья страны. С начала автомобильного века – примерно 1900 гг. – жители Бостона, сначала относившиеся к автомобилю со смехом, а затем влюбленные в него, начали осознавать, что городу нужны дороги, способные справиться с автомобильным движением. В следующие несколько десятилетий в ответ на эти проблемы была построена серия скоростных магистралей, в частности 1-90 и 1-93, туннели Самнер и Каллахан под Бостонской бухтой и Центральная Артерия, проходящая по городу (рис. 1.1). Шестирядная Центральная Артерия была наиболее важной новой дорогой. Эту поднятую над поверхностью земли магистраль в сердце деловой части Бостона назвали «трассой в небе». Она была построена в 1950-х гг., соединяла старейшую часть города с другими новыми дорогами на севере и юге и могла пропустить более 75000 автомобилей в день. Улицы и места парковок машин под поднятой трассой позволяли водителям транспортных средств достигать целей назначения с наименьшими потерями времени. Однако, Центральная Артерия не стала для города тем, чем задумывалось. Магистраль вырезала огромный прокос 12

через сердце города, занимая пространство и обезображивая городские исторические районы. Она привела к отселению около 20 тыс. жителей в зоне отчуждения. Дорога также отделяла деловой центр от морского побережья. Местами Центральная Артерия и подъезды к ней занимали до 120 м ширины. Гигантские структуры заполняли близлежащие улицы и тротуары темнотой, шумом и грязью. Когда уже при строительстве проектировщики это осознали, оставшийся почти 1,0 км дороги был проложен в туннеле.

Рис. 1.1. Существующая структура автомобильных магистралей г. Бостона 1 – магистральная автотрасса 1-93 (8 рядов движения); 2 – магистральная автотрасса 1-90 (6 рядов движения); 3 – дорога Сторроу драйв (6 рядов движения); 4 – магистральная автотрасса 1-95 (6 рядов движения); 5 – магистральная автотрасса 1-93 (8 рядов движения); 6 – дорога с туннелями Самнер и Каллахан (4 ряда движения); 7 – Центральная Артерия (6 рядов движения)

Вскоре также выяснилось, что Центральная Артерия не может справиться со все возрастающим грузопотоком. Уже 13

Рис. 1.2. Основные комплексы проекта Центральная Артерия/Туннель 1 – туннель Тэда Вильямса; 2 – туннель под каналом Форт-Пойнт; 3 – туннель под Южной станцией; 4 – подземный мост под Красной Линией метро; 5 – туннель под Центральной Артерией; 6 – мост через реку Чарльз

в ранние 1970-е гг. она была перегружена. Сейчас через нее проходит более 190000 машин в день, делая трассу одной из 14

наиболее загруженных в США. Заторы и пробки на дороге продолжаются более, чем 10 часов каждый день. Темп роста дорожно-транспортных происшествий вчетверо превышает средний по стране для городских магистралей. Подобной проблемой страдают также два туннеля под Бостонской бухтой между деловым центром Бостона и аэропортом Логан. Без существенных улучшений в Центральной Артерии и под бухтой Бостон к 2010 г. могут ожидать пробки и заторы до 16 часов в день. Ежегодные потери из-за дорожно-транспортных происшествий, перерасхода топлива в пробках и задержки грузов в пути оцениваются примерно в 500 млн. долларов. Для того, чтобы решить все перечисленные проблемы, был разработан проект Центральная Артерия/Туннель (ЦА/Т) (рис. 1.2), который состоит из двух главных компонентов [1-5]: - поднятая над поверхностью шестирядная трасса заменяется 8-10-рядной подземной, непосредственно под существующей дорогой, переходя к ее северной оконечности в 14-рядную и двухмостовому пересечению реки Чарльз. После окончания строительства подземной трассы существующая поверхностная ликвидируется и заменяется открытым пространством с соответствующим благоустройством (рис. 1.3 см. цв. вкладку); - магистральная дорога штатного значения 1-90 на участке между центром города и аэропортом Логан и часть примыкающей к ней дороги 1-93 (всего около 13 км) расширяются. Первая часть этого комплекса – четырехрядный туннель имени Тэда Вильямса под Бостонской бухтой был закончен в декабре 1995 г. Проект ЦА/Т сравним с наибольшими проектами ХХ века – Панамским каналом, туннелем между Англией и Францией, трубопроводом Транс-Аляска. Каждый из этих проектов решает уникальные проблемы. Панамский канал противостоит оползням, малярии, желтой лихорадке и цен15

трально-американским джунглям. Англо-Французский туннель был прорыт с двух сторон длиной почти на 50 км и встреча забоев произошла с абсолютной точностью. Трубопровод Аляски противостоял огромным расстояниям, морозам и потребовал особых забот по охране окружающей среды. Уникальность проекта ЦА/Т является то, что этот комплекс был построен в центре города. Работы такого размаха и продолжительности никогда ранее не предпринимались в сердце городской застройки, где во время производства строительно-монтажных работ требовалось обеспечить нормальное функционирование городских структур. Поэтому из запланированной стоимости проекта 15 млрд. долларов около 5 миллиардов, т.е. одна треть общей стоимости отводилась на поддержание в период строительства нормальной эксплуатации магистралей, улиц и пешеходных тротуаров. Осознавая эту необходимость, проектировщики работали в тесной связи с органами охраны окружающей среды, общественными группами, бизнесменами и политическими лидерами, чтобы добиться общего консенсуса по обсуждаемым вопросам. Кроме решения чисто транспортных задач, проект ЦА/Т обеспечивал возобновление связей между соседними районами Бостона, разделенными поднятой частью Центральной Артерии. Проект предусматривал создание более, чем 100 га открытого пространства, включая 12 га участка, где ранее размещалась существующая трасса, 16 га новых парков внутри и вне делового центра Бостона, а также более 40 га на острове Зрелищ в Бостонской бухте. Проектом также предусматривалось уменьшение на 12% уровня угарного газа в воздухе. Проект разрабатывался в 1980-е гг., строительномонтажные работы начались в 1993 г. К настоящему времени выполнено около 90% всех запланированных работ, ко16

торые будут завершены в 2005 г. В разработке проекта и строительстве участвовало около 400 фирм, некоторые из них были наибольшими в мире, другие – маленькими местными компаниями с единственным в жизни шансом работать над объектом такого масштаба. Одновременное количество инженеров и рабочих, занятых в наиболее загруженных 1999-2002 гг., составляло около 5 тыс. чел. В 2001 г. – наиболее напряженном году строительства осваивалось ежемесячно по 120 млн. долларов. Укрупненно основные проектные решения можно разделить на шесть основных комплексов (рис. 1.2). 1. Соединение аэропорта Логан с южной частью Бостона междуштатной магистралью 1-90 путем строительства нового туннеля имени знаменитого бейсболиста Тэда Вильямса под Бостонской бухтой. 2. Расширение магистрали 1-90 в южном Бостоне путем строительства туннеля под каналом Форт Пойнт. 3. Расширение этой же магистрали на участке западнее канала Форт Пойнт путем строительства туннеля под участком действующих железнодорожных путей. 4. Строительство подземного моста под существующей Красной Линией метро и пересечением улиц Атлантикавеню и Саммер-стрит. 5. Замена существующей поднятой над поверхностью шестирядной Центральной Артерии на 8-10-рядный туннель. 6. Замена изношенного физически и морально моста через реку Чарльз двумя новыми, один из которых – наиболее широкий в мире мост, подвешенный на канатах. Осуществление этих решений было одной из крупнейших и наиболее сложных проблем когда-либо предпринимаемых в США, как в техническом, так и в природоохранном плане. Общая длина вытянутых в одну линию автомобильных рядов, предусмотренных проектом, составила око17

ло 260 км и около половины из них расположена в туннелях. Проектом ЦА/Т была также коренным образом реконструирована подземная сеть коммуникаций, сложившаяся за 300 лет растущей городской инфраструктуры – водопроводных, канализационных, газовых труб, линий электрических, телефонных, кабельных, телевизионных, а также пожарной сигнализации. Под городскими улицами располагались трубы большие и маленькие, стальные и пластиковые и даже сделанные из деревянных бревен времен гражданской войны. Здесь были также старые трубы, по которым когда-то пневмотранспортом передавались из здания в здание бумажные сообщения. Из сотен систем многие были вполне современными и использовались. От них зависела коммерческая деятельность Бостона и прилегающих окрестностей. Повредить их при строительных работах было бы не просто маленькой ошибкой, отрезающей для кого-то горячую воду на несколько часов. Здесь такая ошибка могла стоить международным банкам миллиардов долларов. Поэтому при реконструкции транспортных магистралей все коммуникации должны были быть тщательно перемещены без нарушения нормальной работы соответствующих служб. Устаревшие коммуникации были заменены современными (например, старые телефонные линии – оптиковолоконными кабелями) и они устанавливались таким образом, чтобы в будущем при необходимости их тоже можно было легко заменить. Эти работы потребовали двух лет и около 150 млн. долларов. Более чем 320 тыс. км медных кабелей и 8 тыс. км оптико-волоконных кабелей, передающих более 17 млн. телефонных разговоров в день, были установлены заново. При этом нарушения нормальной работы улиц были сведены к минимуму, потому что новые коммуникации продавливались под ними домкратами, делая ненужными траншеи. Были также реконструированы другие коммуникации. 18

б) Геологические условия строительства Согласно проекту, типичная глубина расположения туннелей достигала 26,0 м, что требовало пересечения четырех типов почвы, чтобы достичь скального основания. Наибольшей глубины равной 37,0 м туннель достигает на участке, где трасса проходит под Красной Линией метро на улице Атлантик-авеню. Наименьшая глубина находится в районе улицы Стейт-стрит, где кровля туннеля совпадает с уровнем земли. Большинство зданий делового центра Бостона построено на старой свалке, используемой в 1700-1960 гг. Грунт здесь смешан с кирпичами, деревом, золой, бетоном, гравием, песком и другими материалами, которые сваливались в низкорасположенные районы, примыкающие к причалам и подпорным стенам побережья. Ниже этого слоя находится слой органики, включая ил, песок и торф. Эти остатки отложились между 12000 и 8500 лет назад в период таяния ледников. Морская глина, известная как Бостонская голубая глина, лежит ниже органического слоя и состоит из тонких частиц, принесенных водами таящего ледника и отложенных в глубинах океана между 37000 и 12000 лет назад. В течение почти миллиона лет после последнего ледникового периода лед наступал и отступал, перемалывая почву района Бостона вплоть до ее скального основания. Дно этого ледника толщиной до 300 м составили булыжники, песок, ил, гравий, глина, которые сформировали слой, называемый ледниковыми наносами (рис. 1.4). Скальное основание образовалось около 500-600 млн. лет назад в результате вулканической деятельности, землетрясений и грязевых потоков. Уровень грунтовых вод в Бостоне составляет всего около 4,5 м ниже поверхности земли, что грозило затоплением при строительстве подземных сооружений. Поэтому за 19

год до начала работ была произведена предварительная откачка грунтовых вод, что позволило снизить их уровень до 14 м. Однако, при этом неожиданно возникла проблема просадки зданий небоскребов, расположенных в зоне будущего строительства. К счастью эта просадка составила не более 1,0 см, что не превышает допустимого уровня. Далее приводится подробное описание ранее перечисленных объектов строительства. 1.1.2 Основные объекты строительства а) Туннель Тэда Вильямса

Рис. 1.4. Геологический разрез грунтов в районе строительства

20

Туннель Тэда Вильямса под Бостонской бухтой – первый завершенный этап проекта ЦА/Т. Он открылся 15 декабря 1995 г. и стоил около 1,3 млрд. долларов. Названный в честь легендарного бостонского бейсболиста, туннель пропускает удвоенный поток транспорта, пересекающего бухту, увеличивая число транспортных рядов с имевшихся четырех до восьми (с учетом существующих двухрядных туннелей Самнера и Каллахана). Проектировщики полагали, что прямое соединение междуштатной магистрали 190 с аэропортом Логан является одним из ключевых решений по облегчению транспортных проблем. Туннель общей длиной более 2,6 км имеет подводную часть 1,2 км и построен с использованием 12 стальных трубчатых

цилиндрических секций, которые были погружены в траншею на дне Бостонской бухты и соединены вместе. При рытье траншеи со дна бухты были удалены около 700 тыс. м3 грунта. Траншея имела окончательную длину 1,2 км, ширину 30 м и глубину 15 м. Стоимость извлечения грунта со дна бухты составила 277 млн. долларов. Хотя само по себе строительство такого туннеля под бухтой не было чем-то новым, использованные здесь методы представляли собой самые передовые инженерные решения. Первые два автомобильных туннеля под Бостонской бухтой – Самнера (построенный в 1934 г.) и Каллахана (построенный в 1961 г.) были сооружены подземным способом под дном бухты и использовали проходческое оборудование и сжатый воздух для предотвращения прорыва воды. Однако, поскольку строительство туннелей таким способом дорого и опасно, для нового туннеля было применено секционное строительство по дну бухты. Как говорилось выше, секции были изготовлены в виде металлических труб диаметром 12,0 м, достаточным для размещения двухрядного грузопотока, и длиной 99,0 м. Секции заранее соединялись друг с другом попарно и, таким образом, имели вид бинокля общей шириной 24 м. Секции герметизировались с обоих концов стальными плитами (рис. 1.5 см. цв. вкладку). Вес одной металлической секции составлял 8 тыс. т. После ее заполнения металлическими конструкциями и бетоном, формирующими стены, путевое покрытие и крышу будущего туннеля вес секции достигает 33 тыс. т. Заливка бетоном осуществлялась с обеспечением баланса плавающей секции. Секции транспортировались морем с завода-изготовителя в Балтиморе (штат Мэриленд) (рис. 1.6 см. цв. вкладку). После прибытия на место, внутри секции были установлены усиливающие металлические конструкции. За21

тем секции были притоплены для сбалансированности их путем добавления необходимого количества бетона в том или ином месте плавающей секции. Эти предварительные работы заняли 5 месяцев. После окончания подготовительных работ секции были опущены в траншею и соединены, что было очень ответственным моментом и потребовало весьма точной работы. Опускание секций производилось мостовым краном с баржи. Выступающие трехметровые балки на концах каждой секции входили в соответствующие отверстия соседней трубы. В местах соединения секций были установлены гигантские резиновые прокладки для герметизации будущего туннеля. В секциях, наиболее близких к берегу, были устроены выступающие из воды металлические шахты, по которым рабочие и оборудование могли быть опущены вовнутрь, и по которым туда поступал воздух. Водолазы, работающие на дне Бостонской гавани, даже при хороших условиях имели видимость не более 0,3 м. В их костюмы закачивалась горячая вода, так что они могли работать на дне достаточно долго. Все водолазы были снабжены источниками света на шлемах и радиопередатчиками, позволяющими им поддерживать контакт с монтажной баржей, плавающей на 30 м выше. Для обеспечения точности маневров барж, транспортирующих туннельные секции, использовалось лазерное наведение. Каждая из 12 секций была расположена с точностью до 1 см на гравийной подушке траншеи, прорытой по дну бухты. Участок магистрали 1-90, связывающий наземную часть с туннелем Тэда Вильямса, расположен на слабой, исторически сложившейся искусственно сформированной почве. Приливные волны бухты заставляли вспучиваться эту неустойчивую плавающую почву, что потребовало ее укрепления. С этой целью участок дороги, входящий в тун22

нель, был покрыт специальным слоем, называемым гравитационной плитой, залитой сверху водонепроницаемой мембраной. Это покрытие длиной около 0,8 км было связано со скальным основанием, залегающим на 30 м ниже, стальными канатами на анкерах. Чтобы оградить от вод бухты работы, связывающие наземную часть туннеля с подводной, была сооружена циркульная плотина глубиной 26,0 м и более 75,0 м в диаметре. Под ее защитой подводная часть туннеля была соединена с подземной частью автомагистрали. С противоположной стороны бухты (аэропорт Логан) была также построена подобная плотина. Затем в туннеле были произведены монтажные и отделочные работы. В каждом конце туннеля были построены вентиляционные установки для подачи свежего воздуха и вывода выхлопных газов. Наряду с аэропортом имени Джона Кеннеди в НьюЙорке, статуей Свободы и другими выдающимися объектами, туннель Тэда Вильямса получил высшую награду Американского общества инженеров гражданского строительства, которая для инженеров-строителей означает то же, что Оскар для киноактеров. б) Туннель под каналом Форт Пойнт Одной из составных частей строительства являлось сооружение туннеля под каналом Форт Пойнт. Далее магистраль 1-90 через городскую территорию подключалась к туннелю Тэда Вильямса, ведущему в аэропорт Логан. Чтобы пересечь канал Форт Пойнт, который является ответвлением Бостонской бухты, было решено соорудить секционный туннель, установленный в траншее на дне канала, подобно технике, применявшейся при строительстве туннеля Тэда Вильямса. Как уже говорилось, при строительстве последнего использовались металлические трубча23

тые секции, транспортируемые баржами к месту установки, а затем затапливаемые на дно бухты. Однако, при строительстве туннеля под каналом Форт Пойнт из-за больших размеров подобных секций и недостаточных размеров пролетов мостов, под которыми секции должны были транспортироваться, этот метод был не пригоден. Поэтому было решено сооружать бетонные туннельные секции на месте, близком к будущему туннелю. С этой целью рядом с каналом Форт Пойнт был сооружен специальный бассейн, подобный сухому доку в судостроении, размерами 300,0 м длиной, 90,0 м шириной и 18,0 глубиной – достаточно большой, чтобы разместить авианосец или три «Титаника», поставленных бок о бок. Бассейн одной стороной примыкал к каналу Форт Пойнт (рис. 1.7). При рытье бассейна было извлечено более 340 тыс. м3 грунта. Сторона бассейна, примыкающая к каналу, была изолирована от воды серией полых круглых металлических емкостей, заполненных дробленым камнем. Общая длина этой плотины составила более 180 м. Были построены подпорные стены высотой 18 м и общей длиной почти 0,8 км, после чего начались экскаваРис. 1.7. Искусственный бассейн для строительства бетонных сек- торные работы. Дно бассейна поддерживаций туннеля 24

лось сухим, для чего дренажной системой постоянно откачивалось около 23 м3/час. просачивающейся морской и грунтовой воды. Около 15 см дробленого камня покрывало дно бассейна, позволяя воде просачиваться под строящимися бетонными туннельными секциями, предотвращая таким образом их прилипание к дну бассейна. Выше этого камня было насыпано около 8 см слоя песка, чтобы создать абсолютно ровную поверхность при строительстве секции. Общая стоимость сооружения бассейна составила 150 млн. долларов. В описанном искусственном бассейне, выполняющим роль сухого дока, было сооружено 6 бетонных секций коробчатой формы. Четыре из них были построены в первой фазе строительства и установлены на месте будущего туннеля. Затем были построены оставшиеся две (рис. 1.8). Самая большая из секций имела длину более 125,0 м и ширину 53,0 м. Все секции имели высоту более 8,0 м. Вес наибольшей секции был равен 50 тыс. т. На секции, устанавливаемой первой, были заранее сооружены подвальные стены высотой около 7,0 м будущего здания вентиляторов, а также колонна будущего моста через прилегающую улицу Дорчестер. Такое решение позволило уменьшить последующие подводные работы и выдержать сроки строительства на критическом пути. После строительства первых четырех секций бассейн был заполнен водой из канала Форт Пойнт. Для этого из металлических емкостей, отделяющих плотиной бассейн от канала, был удален дробленый камень, а затем и сами емкости. После этого всплытые бетонные секции были отбуксированы к месту будущего погружения в траншею канала. Затем плотина из ограждающих бассейн металлических емкостей была восстановлена, бассейн осушен и снова превращен в сухой док, где были сооружены 2 оставшиеся бетонные секции. 25

Рис. 1.8. Схема последовательности буксировки и затопления секций 1 – канал Форг-Пойнт; 2 – искусственный бассейн (сухой док); 3 – бетонные секции туннеля; 4 – здание почты; 5 – будущая автомагистраль; 6 – существующая Красная Линия метро

Особое внимание было уделено весу секций – они должны были вначале плыть, а затем затонуть в нужном месте. Поэтому учитывался вес каждой единицы строительных материалов и оборудования, используемых в секциях. В их каждом углу были построены балластные емкости для воды, обеспечивающие выравнивание секций при всплытии и плавании. Перед началом строительства туннеля в канале Форт Пойнт были проведены геологические исследования, которые обнаружили более слабую и более неустойчивую почву дна, чем ожидалось. При такой почве тяжелые туннельные секции могли бы легко раздавить расположенную под ними 26

линию метро. Поэтому до установки бетонных секций дно канала (как и дно бассейна, где строились секции) было расчищено и при этом удалено около 270 тыс. м3 материала. Поскольку всего в 6-7 м ниже дна канала проходила Красная Линия метро, оператор драги, чистящей дно канала, имел лазерную информацию со спутника о расстоянии между кровлей метро и его ковшом. Затем выполнялись работы по укреплению почвы дна канала, которые обошлись в 250 млн. долларов и проводились тремя буровыми установками, пробурившими 110 скважин глубиной по 45…55 м и диаметром 1,8 м по обе стороны существующей линии метро. Затем в скважины нагнетался цемент, в результате чего создавалась искусственная почва в 300 раз более прочная, чем природная. Туннельные бетонные секции покоились на этих скважинах, как на ногах, торчащих из дна канала, между которыми проходила Красная Линия метро. При этом породная подушка между бетонными туннельными секциями и туннелем метро не превышала 2,0 м (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема укрепления почвы для канала Форт-Пойнт

27

После всех описанных подготовительных работ производилась транспортировка готовых бетонных секций по воде и их установка в траншее на дне канала. Скорость буксировки секций не превышала 6 м/мин. Чтобы обезопасить проход секций над линией метро было выбрано время наибольшего океанского прилива. Секции были оборудованы антеннами, передатчиками и 8 навигационными системами, связанными с 21 спутником. Четыре из этих систем находились в постоянной связи с исполнителями. Положение секций и места их установки определялись каждую секунду с точностью до 0,6 см в горизонтальной и 1,8 см в вертикальной плоскости. Опускание секций в траншею на дне бухты должно было производиться с большой тщательностью, поскольку секции после их установки уже не могли быть сдвинуты и каждая должна была точно стыковаться с соседними. Туннель, построенный через канал Форт Пойнт, имеет длину 335 м, ширину, достаточную для размещения 11 рядов движения, и стоит более 1,5 млрд. долларов, что делает его строительство наиболее дорогим в мире в пересчете на 1 км. Бассейн, где строились секции, осушенный после установки двух последних из них, станет частью магистрали 190. в) Туннель под железнодорожной Южной станцией В связи с описанными ранее недостатками существующей Центральной Артерии, в проекте было принято решение о замене ее поднятой части туннелем, который должен был соединиться с туннелем под каналом Форт Пойнт. Но прежде эта трасса должна была пройти под 9 активно действующими железнодорожными путями Южной станции компании Амтрак (рис. 1.2). При этом, подобно другим городским транспортным системам, железнодорожные опе28

рации не должны были прерываться на период строительства. Поэтому была выбрана технология проходки туннеля способом его продавливания домкратами (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Технологическая схема продавливания домкратами туннеля под железнодорожной южной станцией 1 – задняя стена; 2 – передняя стена; 3 – барьер безопасности; 4 – замороженная зона; 5 – система смазки канатов; 6 – канатные катушки; 7 – вентилятор; 8 – система домкратов; 9 – проходческий комбайн; 10 – автопогрузчик; 11 – контейнер; 12 – подпорная балка

Такая технология обычно используется для прокладки коммуникационных линий под действующими автомобильными дорогами и железнодорожными путями. Однако, продавливание целых туннелей, достаточно больших для размещения внутри них транспортных средств, никогда ранее не производилось. Перед началом собственно продавливания туннеля были пройдены три вертикальные шахты, глубиной почти по 18,0 м каждая, которые были закреплены бетоном. Две из них соответствовали главному направлению трассы 1-90, третья – ее северному ответвлению под существующей улицей Атлантик-авеню к трассе 1-93. Внутри каждой шахты был сформирован головной бетонный короб шириной 24,0 м, высотой 12,0 м, который затем продавливался гидравлическими домкратами под железнодорожными путями с постепенным наращиванием бетонной крепи. 29

Однако, дальнейшие операции по продвижению короба были опасны для эксплуатации железнодорожных путей изза неустойчивости пород, в которых был заложен туннель. Поэтому потребовались мероприятия по их упрочнению. В отличие от строительства туннеля под каналом Форт Пойнт, здесь не было достаточного пространства для бурения скважин и нагнетания в них цемента. Поэтому был применен метод замораживания пород специальным рассолом, с температурой замерзания минус 350С, через скважины, длиной более 15,0 м. Заморозка продолжалась 3-4 месяца, после чего проходческие работы возобновились. Выемка грунта производилась проходческими комбайнами со стреловидным рабочим органом. Отделенный замороженный грунт удалялся в конец пройденной части туннеля, откуда по вертикальной шахте выдавался на поверхность краном в специальных контейнерах. Продвигание туннеля составляло 2 м/сут. Поскольку при замораживании жидкость расширяется, существовала опасность подъема вместе с почвой действующих железнодорожных путей. Нормальным для их эксплуатации считается подъем не более 12-15 см. Наблюдения за путями производились дважды в день и показали, что подъем пути не превысил допустимого. Эти наблюдения проводились еще 6 месяцев после проходки туннеля, так как весь этот срок почва оставалась замороженной. Однако, в связи с тем, что расстояние от движущихся составов на поверхности до кровли туннеля не превышало 6,0 м, кроме замораживания грунта потребовалось еще одно техническое решение. Между бетонной крепью продвигающегося туннеля и грунтами его кровли и почвы были проложены периодически удлиняемые (сматываемые с катушек) канаты, смазанные специальной смазкой, уменьшающей трение. Канаты были заякорены к первоначально пройденным вертикальным шахтам, от которых начиналось 30

движение туннелей, и создавали слой с уменьшенным трением между туннелем и грунтами. Для проталкивания туннеля использовались домкраты с максимально возможным давлением 700 кг/см2 при значении рабочего давления 400 кг/см2. Максимальное усилие одного домкрата составляло 700 т, а рабочее – 400 т. Понадобилось 50 домкратов, чтобы заставить скользить вдоль смазанных канатов общую массу около 20 тыс. т бетона, стали и оборудования. Три участка туннеля, пройденные от трех вертикальных шахт, составили 46,0 м, 79,0 м и 116,0 м, создавая единую систему, которая была соединена с туннелем канала Форт Пойнт. г) Подземный мост под Красной Линией метро Под перекрестком улиц Атлантик-авеню и Саммерстрит, наиболее загруженном пешеходами, а также под Красной Линией метро, проектом предусматривалась прокладка подземной части четырехрядной магистрали 1-93, где достигалась самая большая глубина 37,0 м всего проекта ЦА/Т. Здесь расположено единственное место в городе, где могла пройти на север четырехрядная трасса. Здесь же должна была прокладываться новая автобусная магистраль к Южному Бостону, где предполагалось использовать сочлененные автобусы новейшей конструкции, работающие на электроэнергии или природном газе при проходе через туннель и на дизельном топливе при выходе на поверхность. Как выше указывалось, весь этот комплекс (магистраль 1-93 и автобусная трасса) должен был располагаться под существующей уже 84 года Красной Линии метро (рис. 1.11). Для ее сохранения был сооружен подземный мост. Вначале было пройдено две вертикальные шахты 1, глубиной около 37,0 м и две горизонтальных штольни 2, длиной 31

по 30,0 м и высотой 4,6 м, с расстоянием между парами «шахта-штольня» около 21,0 м. В почву этих штолен были пробурены скважины 3 и закачан укрепляющий раствор, что дало возможность прямо под первыми двумя штольнями провести еще по три штольни 4 из каждой вертикальной шахты. Затем, образовавшиеся таким образом вертикальные стены из четырех штолен каждая, были на уровне верхних штолен перекрыты дополнительными 11 штольнями 5 длиной по 21 м каждая, пройденными перпендикулярно к стенам.

Рис. 1.11. Схема строительства подземного моста под Красной Линией метро 1 – вертикальные шахты; 2 – горизонтальные штольни 1-го периода; 3 – скважины для нагнетания укрепляющего раствора; 4 – горизонтальные штольни 2-го периода; 5 – крышные штольни; 6 – Красная Линия метро; 7 – строящаяся Центральная Артерия; 8 – новая автобусная трасса

Все пройденные штольни были заполнены натянутыми канатами и бетоном, создавая напряженную железобетонную конструкцию. Таким образом был создан подземный мост под Крас32

ной Линией метро 6, что позволило под его защитой проводить экскаваторные работы, а затем построить новую Центральную Артерию 7 и новую автобусную трассу 8. д) Туннель под поднятой Центральной Артерией Как уже говорилось, шестирядная Центральная Артерия, решившая в свое время для Бостона ряд транспортных проблем, сейчас физически и морально устарела. Но поскольку при ее реконструкции грузопоток не может быть остановлен, было принято решение о строительстве под ней туннеля с использованием технологии предварительного сооружения подпорных стен (рис. 1.12) методом «стена в грунте» и удержания на них существующей трассы. Стены выполняются в следующей последовательности. Сначала 1 экскаватором или буровой машиной с двумя вращающимися шнеками роется серия траншейных секций размерами 1,0 х 3,0 м до скального основания, достигая в отдельных местах глубины 37,0 м. Серия этих секций формирует одну длинную траншею вдоль каждой боковой стороны и посредине будущей Центральной Артерии. В образовавшуюся полость траншеи сразу после выемки грунта закачивается глино-водяная суспензия 2, достаточно тяжелая, чтобы удержать стены выемки от обрушения. Затем через каждые 1,5 м в траншею опускают стальные конструкции, ограждающие стены выемки, и закачивается бетон 3, который вытесняет суспензию. Последняя закачивается обратно в емкости, где очищается и используется снова. Сформированные таким образом расположенные рядом друг с другом металлобетонные секции образуют подпорные стены будущей магистрали. При общей длине туннеля около 2,6 км и трех подпорных стенах их общая длина составляет около 8,0 км. 33

Рис. 1.12. Последовательность сооружения подпорных стен под существующей Центральной Артерией 1 – рытье траншей; 2 – заполнение суспензией; 3 – заполнение бетоном; 4 – установка металлических балок перекрытия; 5 – сооружение рамных конструкций; 6 – выемка грунта; 7 – завершение работ

34

После завершения строительства стен между ними были установлены и забетонированы металлические балки перекрытия, несущие нагрузку от дорожного движения 4. Завершение описанного этапа работ позволило приступить к переносу веса поднятой Центральной Артерии с существующих 86 опор, расположенных непосредственно над будущим туннелем, на сооруженные подпорные стены. Этот перенос, как и ранее выполненные работы, выполнялись без прекращения эксплуатации существующей автотрассы. Инженеры говорили, что эти работы были подобны операции на открытом сердце в то время, когда пациент играет в теннис. Были сооружены 67 рядов рамных конструкций из трех поддерживающих вертикальных колонн и горизонтальных балок перекрытия 5 вдоль длины 2,4 км существующей Центральной Артерии. Общий вес новых стальных конструкций составил около 33,0 тыс. т. Новые металлические колонны строились, опираясь на подпорные стены рядом или по обе стороны существующей опоры. Горизонтальные поддерживающие балки новой рамы располагались непосредственно под основанием существующей трассы. Чтобы определить, как эти балки воспринимают нагрузку от поддерживаемой ими конструкции, применялась система домкратов. Вес старых конструкций был медленно перенесен на новые, причем усилия домкратов были скоординированы электронной системой в часы наибольшей загрузки действующей магистрали. Затем в домкраты была закачана эпоксидная смола, вытеснившая их рабочую жидкость. Таким образом, домкраты с затвердевшей эпоксидной смолой составили часть общей поддерживающей системы. После этого, между подпорными стенами были проведены экскаваторные работы 6. По окончании строительства система, поддерживающая старую Центральную Артерию, была удалена вместе с последней и работы в туннеле были завершены 7. 35

На рис. 1.13 показан процесс рытья траншеи для подпорной стены, на рис. 1.14 – работы по временному поддержанию Центральной Артерии. е) Мосты через реку Чарльз Связь делового центра Бостона с городским районом Чарльзтаун осуществлялась мостом через реку Чарльз, являющимся продолжением Центральной Артерии. Однако этот двухуровневый шестирядный мост был перегружен уже к концу 1980-х гг. Для решения транспортных проблем, а также размещения огромного количества заменяемых кабельных коммуникаций были построены два новых моста. Главный из них, обеспечивающий 10-рядное движение автотранспорта и размещение кабелей, является наиболее широким мостом в мире, подвешенным на канатах и первым в США с ассиметричным дизайном (рис. 1.15 см. цв. вкладку). Проектирование моста заняло несколько лет. Более 30 различных схем изучались прежде, чем был выбран окончательный вариант, который стал архитектурным символом города. Рядом с основным построен также параллельный четырехрядный мост. Таким образом, оба моста обеспечат 14-рядное движение, удвоив пропускРис. 1.13. Процесс рытья траншеи ную способность автодля подпорной стены

36

транспорта через р. Чарльз. Главный мост длиной 450 м, весом 100 тыс. т с его двумя башнями высотой 82,0 м каждая перевернутой Y– образной формы символически связывает будущее го- Рис. 1.14. Работы по временному подрода с его историче- держанию конструкций Центральной Артерии ским прошлым и смотрится, как парящий в воздухе парусный корабль. Мост обеспечивает, как уже говорилось, 10-рядное движение транспорта. Восемь рядов проходит между опорами башен-двойников и 2 ряда – по консольной восточной стороне, которая придает мосту уникальный ассиметричный вид. Две опоры и две несущие канатные плоскости поддерживают главный пролет длиной 230,0 м и шириной 56,0 м. Стальные балки в несущей поверхности пролета расширяют его, обеспечивая консольный вылет. Башни, полые внутри, достаточно гибки, чтобы позволить мосту приспосабливаться к его переменной загрузке при движении транспорта. Пустотелость башен позволила также облегчить их, уменьшив тем самым затраты на сооружение фундаментов. Глубина последних составляет более 30,0 м и они по сути являются пробуренными шахтами. Опоры моста сконструированы таким образом, чтобы отвести их фундаменты от Оранжевой Линии метро, расположенной под р. Чарльз и мостом. Первыми были построены башенные опоры и концевые пролеты, которые как бы служили якорями общей структуре моста. Концевые пролеты длиной около 90,0 м и 130,0 м поддерживаются одинарными канатными плоскостями. По37

сле строительства концевых пролетов начались работы по сооружению главного пролета (рис. 1.16). Он был построен секциями. Краны, установленные на баржах в реке, поднимали вверх 40-метровые стальные конструкции, которые временно удерживались на весу, пока канаты с башенных опор могли быть к ним прикреплены, чтобы удерживать по постоянной схеме. Чтобы прикрепить канаты от башен к мостовым пролетам, каждая прядь каната пропускалась через полиэтиленовый рукав и натягивалась электрическим домкратом. После натяжки всех прядей канат расклинивался. Индивидуальное натяжение каждого каната позволило правильно сбалансировать силы, действующие на мост. Каждая прядь каната имеет толщину около 2,0 см и канаты, наиболее удаленные от башен и удерживающие центр главного пролета, имеют 73 пряди, тогда как канаты, близкие к башням, состоят только из 14 прядей. Затем на подвешенные конструкции моста кранами укладывались облегченные бетонные панели, формирующие дорожное покрытие. По мере того, как к главному пролету добав- Рис. 1.16. Монтаж главного пролета лялись секции, не пемоста 38

рекрытое пространство между башенными опорами моста сокращалось, пока две стороны главного пролета не встретились в центре. Общая стоимость главного моста составила более 100 млн. долларов, что существенно меньше, чем потребовало бы строительство туннеля под рекой. Пролеты параллельного четырехрядного моста длиной 253,0 м, состоящие из 9 металлических коробчатых секций, транспортировались баржами и устанавливались кранами и домкратами. Длина главного пролета моста составила 116,0 м, крайних пролетов – по 69,0 м. Ширина моста 23,0 м. Единая стальная несущая коробка моста имеет высоту 5,5 м в концах, лежащих на опорах и около 2,7 м в центре пролета. 1.1.3 Вентиляция и очистка воздуха а) Общие сведения Согласно исследованиям, проведенным в Австралии, 40-60% от общего объема загрязнения городского воздуха занимает доля автомобильного транспорта. Недавно обнаружено, что одной из главных причин преждевременной смерти, являются выбросы дизельных грузовиков, составляющие 70-80% общего объема выбросов дорожного движения. Работы, выполненные во Франции, Австрии и Швейцарии, показали, что затраты на лечение от загрязнения воздуха превышают общую стоимость последствий дорожно-транспортных происшествий. Остановка и возобновление движения в дорожных пробках также являются существенными источниками загрязнения воздуха, что связано с ростом расхода топлива до 50% в этих обстоятельствах [611]. По указанным причинам решающее значение для борьбы с вредными выбросами, шумом и влиянием на жизнь на39

селения имеет перемещение автотранспорта в туннели, что особенно важно для густонаселенных районов больших городов. С другой стороны, сосредоточение вредных выбросов в туннеле приводит к их повышенной концентрации в местах выбросов через порталы или вентиляционные шахты. Люди, живущие в пределах 400-500 м от туннелей, использующих простейшее продольное проветривание и портальный выброс исходящего воздуха, испытывают увеличивающийся темп роста респираторных и сердечных заболеваний. Это требует применения более сложных и дорогих систем вентиляции туннелей и строительства вентиляционных шахт с большой высотой выброса и рассеивания загрязнений. Эффективность последнего зависит от высоты выброса, скорости с которой выбрасывается загрязненный воздух и особенностей природы окружающего района или близлежащих строений. б) Схемы проветривания автомобильных туннелей Вентиляция автомобильных туннелей играет первостепенную роль в обеспечении их безопасной эксплуатации в связи с - ограниченностью пространства внутри туннелей; - выделением вредных газов транспортными средствами; - вероятностью дорожно-транспортных происшествий и возникновения пожаров. Существует несколько типов вентиляционных систем автомобильных туннелей, естественных и искусственных, доказавших свою эффективность. Их выбор зависит от многих факторов, подробно рассматриваемых в специальной литературе. Основными из них являются длина туннеля и наличие в нем одностороннего или двухстороннего движения. Для туннелей длиной до 300 м с односторонним дви40

жением обычно применяется естественная вентиляция, когда воздухообмен в туннеле осуществляется за счет поршневого проталкивания воздуха при движении транспортных средств. Концентрация выхлопных газов в этом случае возрастает от входа до выхода туннеля, достигая максимального значения в выходном портале. Простейшей формой искусственной вентиляции для туннелей длиной 300-500 м является продольная, требующая минимальных первоначальных и текущих затрат. Она обеспечивается одним центральным вентилятором, расположенным у выходного портала, или несколькими локальными вентиляторами, смонтированными в туннеле. Их работа создает продольное движение воздуха в туннеле, направление которого совпадает с направлением движения транспорта (рис. 1.17 а). Более длинные туннели могут быть разделены на две или более секции вентиляционными шахтами для вывода исходящей струи воздуха (рис. 1.17 б). Продольная система широко используется для туннелей малой и средней длины, поскольку она усиливает возможности естественной вентиляции. Загрязнение воздуха выхлопными газами при этом достигает максимальных значений в месте вывода исходящей струи. В определенных городских условиях, однако, выброс загрязненного воздуха в портале выхода может быть неприемлем по условиям застройки района. В таких случаях необходима специальная шахта и вентилятор для вывода исходящей струи воздуха. При двухстороннем движении эффект поршневого проталкивания воздуха автомобилями в основном теряется и загрязнение воздуха распределяется по всей длине туннеля. При этом шахты, выводящие воздух, могут потребоваться в промежуточных точках. В простейшей форме, где единственная такая шахта расположена посередине туннеля, система создает входные потоки воздуха из каждого портала (рис. 1.17 в). При продольной схеме вентиляции туннеля с 41

двухсторонним движением из-за турбулентности воздушной струи могут возникнуть локализованные карманы загрязненного воздуха, которые не могут быть обнаружены детекторными системами. В случае пожара огонь, распространяющийся по ходу воздушной струи будет накрывать встречный поток автомобилей. а

б

в

Рис. 1.17. Схемы продольной вентиляции автомобильных туннелей а – основная форма с главным портальным или несколькими локальными вентиляторами (одно- или двухстороннее движение) – короткий туннель; б – с разделением туннеля на две секции (одноили двухстороннее движение) – длинный туннель; в – при двухстороннем движении в туннеле (продольная вентиляция с центральной выводящей шахтой – длинный туннель

В общем случае продольная вентиляция – это наиболее экономичная система, обеспечивающая наименьшие нагрузки на вентиляторы и не требующая сооружения специальных воздухопроводов. При одностороннем дорожном движении продольная вентиляция может быть применена при длине туннеля до 500 м. Поперечная вентиляция – наиболее действенная система механического способа проветривания, но она редко применяется из-за ее высокой первоначальной стоимости и 42

текущих затрат. Существуют две формы поперечной вентиляции – полнопоперечная и полупоперечная. Первая работает независимо от направления потока движения. Она создает вертикальный поток воздуха от подающего трубопровода к выводящему, проложенным по всей длине туннеля. Каждый трубопровод снабжен отдельной вентиляторной установкой. Применение такой системы не ограничено длиной туннеля, отсутствует рост загрязнения воздуха по длине туннеля, поскольку загрязнение удаляется в месте его источника. Не ограничивается также направление движения транспорта. В случае пожара дым удаляется непосредственно в месте возникновения пожара, препятствуя его распространению вдоль воздушной струи. Полнопоперечная система является идеальной для длинных туннелей и для интенсивного дорожного движения в обоих направлениях (рис. 1.18 а).

Рис. 1.18. Схемы поперечной вентиляции автомобильных туннелей а – полнопоперечная схема; б – полупоперечная схема; 1- загрязненный воздух или дым; 2 – свежий воздух

Полупоперечная система обеспечивается воздухоподающим трубопроводом, проложенным вдоль туннеля, то43

гда как собственно туннель действует как труба, выводящая воздух на поверхность через порталы или вентиляционные шахты (рис. 1.18 б). Поток воздуха формируется при этом более сложным, чем при полнопоперечной системе, но не способен справиться с противоположным движением транспорта лучше, чем продольная вентиляция. Кроме описанных основных вентиляционных систем может быть применена их комбинация, применительно к местным условиям. Например, длинный туннель может потребовать проветривания центральной секции по поперечной системе, тогда как кольцевые участки туннеля будут проветриваться по продольной системе [6-10]. в) Вентиляция Туннель

комплекса

Центральная

Артерия/

Учитывая, что комплекс Центральная Артерия/Туннель будет принимать 190 тысяч автомобилей в день, для его вентиляции принята наиболее дорогая, но и наиболее надежная полно-поперечная система. Выхлопные газы будут собираться и рассеиваться высоко в атмосфере вдали от пешеходов, жителей и водителей транспортных средств через 7 новых вентиляционных структур (рис. 1.19), дополнительно еще одно здание будет служить для подачи воздуха в систему. После окончания строительства общая длина проветриваемых транспортных рядов, выстроенных в одну линию, составит более 50 км. Свежий воздух будет нагнетаться через каналы, проложенные под дорожным полотном или в стенах туннелей и циркулировать в них с помощью вентиляторов, установленных в специальных зданиях. Выхлопные газы будут выводиться из туннелей через отверстия в потолке к крышным выхлопным трубам в вентиляционных зданиях и рассеиваться высоко в атмосфере (рис. 1.20). Одно из зданий вентиляторов показано на рис. 1.21. Оно построено в аэропорту Логан и получило специальный приз за 44

архитектурное решение. В зданиях установлены 139 центробежных вентиляторов с диаметром рабочего колеса 3,0 м, 43 вентилятора других типов, ряд управляющих и контрольных систем. Компьютеризированная вентиРис. 1.19. Схема расположения вентиляционных систем ляционная система ЗВ – здание вентилятора оборудована датчиками уровня содержания в воздухе угарного газа и соответственно устанавливает скорость вентилятора. Когда в полночь грузопотоки минимальны, система работает с низкой производительностью. Полная мощность может быть использована в чрез вычайных ситуациях, таких, как пожар. В этих случаях система способна контролировать температуру и дым.

Рис. 1.20. Принципиальная схема проветривания туннелей 1 – вход свежего воздуха; 2 – подводящие каналы; 3 – нагнетающие вентиляторы; 4 – выводящие каналы; 5 – всасывающие вентиляторы; 6 – потолок; 7 – дорога

45

Рис. 1.21. Здание вентиляторной станци у аэропорта Логан

Вентиляционные здания были запроектированы так, чтобы они архитектурно соответствовали окружающим строениям и в некоторых случаях содержали офисные помещения, торговые или парковочные места. Каждое здание содержит два уровня помещений для вентиляторов и дополнительный уровень для электрического оборудования. Имеются также помещения для вспомогательного и ремонтного оборудования. Проектировщики должны были предусмотреть подачу свежего воздуха в туннели даже в аварийных ситуациях. Чтобы найти решение, в заброшенном туннеле штата Западная Вирджиния были организованы искусственные пожары и измерены объемы воздуха, необходимые для подачи в туннель и вывода дыма. В этом же туннеле были испытаны установки для определения и записи температуры и скорости воздуха, а также концентрации угарного газа. 46

Созданная вентиляционная система не только служит для спасения жизней при пожаре в туннеле, но и улучшает состояние окружающей среды в городе. Вопросы загрязнения воздуха решались также в ходе строительства. В этот период использовались несколько сот единиц дизельного строительного оборудования. Для сокращения загрязненности воздуха при их работе вредное воздействие на людей, живущих рядом и работающих на строительстве, кроме необходимой наладки оборудования уменьшалось следующими мероприятиями: - выключением дизельных двигателей на неработающем оборудовании, например, ожидающих погрузки и разгрузки; - установлением специальных зон для грузовиков, ожидающих погрузки и разгрузки, где их воздействие на жителей будет незначительным; - расположением оборудования вне зон забора свежего воздуха для строений, кондиционеров и окон. 1.1.4 Взаимоотношения с общественностью и охрана окружающей среды Строительство по графику должно было происходить с 1993 г. по 2005 г., сохраняя экономическую жизнеспособность города, позволяя нормально функционировать бизнесам, уличному движению транспорта и пешеходов, снизить, как только возможно, вмешательство в жизнь обитателей города. Без этого город мог бы оказаться перед лицом опустошающего воздействия шума, пыли, транспортных пробок и экономических потерь. Мероприятия по обеспечению этой программы составляют 1/3 общего бюджета строительства и могут быть разделены на три широких категории: дорожное движение, сотрудничество с общественностью и окружающая среда. Во47

просы, связанные с дорожным движением, были подробно описаны ранее. Далее приводятся данные по двум последним категориям. При строительстве использовались: - компьютеризированная следящая система, обеспечивающая выполнение всех мероприятий по связи с общественностью; - хорошо различимая барьерная система, помогающая водителям транспортных средств и пешеходам следовать через районы строительства, а также защищающая зрителей, желающих взглянуть на зону строительства; - специальный персонал по связям с общественностью, устанавливающий взаимопонимание с группами и индивидуальными жителями районов строительства; - круглосуточный информационный центр, принимающий жалобы и предложения общественности и поддерживающий видеонаблюдение за дорожным движением и строительством; - ночной «шумовой патруль», который следит за шумом в ходе строительства и обязывает принимать меры по снижению шума вплоть до закрытия объекта в чрезвычайных ситуациях. Основными проблемами, возникавшими в ходе строительства и обсуждаемыми с общественностью были: - транспортные потоки. Перед началом строительства многие были озабочены тем, что и без того перегруженный транспортом Бостон будет испытывать дополнительные заторы и пробки. Однако раннее открытие туннеля Тэда Вильямса под Бостонской бухтой извлекло транспортные потоки из существующих туннелей и поднятой Центральной Артерии, уменьшая их нагрузку более чем на 50%. - грунт. Грунты при экскаваторных работах были удалены экономично и с учетом требований охраны окружающей среды. С мэрией Бостона было достигнуто соглашение об использовании вынутого грунта для превращения свалки 48

на острове Зрелищ в Бостонской бухте в публичный парк, предотвращая стоки токсичных материалов в бухту. Предварительно на острове была сооружена дренажная система для перехватывания и очистки зараженных стоков свалки. Около 2,3 млн. м3 бостонской голубой глины, извлеченной при рытье туннеля Тэда Вильямса, было направлено в отдаленные города и поселки штата, чтобы укрыть свалки, исчерпавшие свои возможности. Дополнительно более 700 тыс. м3 такой глины было передано для нужд инженерных служб армии. - состояние существующей застройки. Годами ранее перед работой в деловом центре Бостона фундаменты существующих зданий и сооружений вдоль линии строительства были засняты на видеопленку, чтобы застраховать владельцев недвижимости от повреждения их собственности. Команда экспертов констатировала состояние фундаментов, лестничных клеток, оконных рам, регистрируя то, что уже повреждено или может быть повреждено. В зоне строительства и прилегающих районах были установлены более 25 тыс. устройств, наблюдающих за сдвижением земной поверхности, вибрациями и состоянием строений. Сейсмографы, механико-струнные приборы, индикаторы вертикальных отклонений, электрооптические датчики были расположены на почве, тротуарах, внутри зданий и сооружений, существующих и строящихся. - шум. Жалобы на шум снизились на 50% после использования ночного «шумового патруля». Как результат регулярных встреч с общественностью и группами жителей, была разработана детальная противошумовая политика, отвечающая озабоченности населения. - жизнь бухты. При земляных работах в Бостонской бухте возникла необходимость удалить верхний слой ее дна перед началом основного комплекса работ. Специалисты по охране окружающей среды называют этот слой «черным майонезом», другие называют его просто навозом. Верхние 49

1,5 м грязи, жира и тяжелых металлов – результат веков судоходства. Этот слой было необходимо осторожно удалить, поскольку общественность полагала, что он высоко токсичен, хотя, как выяснилось, он был не более вреден, чем почва под тротуарами. Тем не менее «черный майонез» был извлечен, обработан известью, упакован в двойные пластиковые оболочки и складирован на так называемом Губернаторском острове в бухте. Только после его удаления началась работа по сооружению подводной траншеи для установки секций будущего туннеля. При прокладке траншеи использовались взрывные работы. Поэтому одной из задач охраны окружающей среды было изменить пути миграции сельди в апреле-июне, которыми рыба из океана двигалась через Бостонскую бухту к пресной воде, где она метала икру, а рыбья молодь между сентябрем и октябрем возвращалась в океан. Для этой цели использовались электронные сканеры, обнаруживающие косяки сельди и 8 шумоизлучателей, которые издавали пульсирующий звук с частотой 200 кГц, чтобы отпугнуть рыбу и заставить ее уйти из зоны взрывных работ. Даже с этими усилиями рыбе мог быть нанесен непоправимый ущерб, поэтому во время ее миграции было разрешено производить не более трех взрывов в день. Эти же шумоизлучатели использовались, чтобы удержать рыбу на расстоянии по крайней мере 150 м от зоны взрывных работ. В Бостонской бухте была также создана искусственная система рифов для поддержания популяций голубых мидий, других моллюсков, крабов, омаров, которых рифовые структуры привлекали в качестве обиталища, богатого водорослями и другими пищевыми ресурсами. Рифы занимают площадь 8200 м2 поверхности моря, как компенсация за вытеснение с площади 0,65 га голубых мидий при культивации свалки на острове Зрелищ. Система рифов включает 17 модулей террасного типа, каждый площадью около 2 м2 с 50

пятью слоями панелей и шестью отмелями из булыжников и гальки, каждая длиной 22,0 м, шириной 11,0 м. Участие групп общественности в процессах проектирования и строительства обеспечило консенсус, приемлемый для всех, при реконструкции улиц после разборки участков трасс, поднятых над поверхностью и развития открытых пространств. Ведущим принципом при этом было оставить город после строительства лучше, чем он был до него. 1.1.5 Итоги строительства комплекса Центральная Артерия/Туннель Поднятая Центральная Артерия имела только 6 рядов движения транспортных средств. Новая магистраль имеет 810 рядов. Всего проект ЦА/Т предусматривает строительство около 260 км однорядного движения на протяжении 12 км и примерно половину из этого – в туннелях. Старая дорога имела 27 въездов и выездов, новая будет иметь только 14. С улучшенной системой улиц, примыкающих к магистрали, последняя будет разгружена, облегчая суммарную транспортную нагрузку. Поднятая Центральная Артерия несла около 75 тыс. автомобилей в день, когда она открылась в 1959 г., в последнее время – более 190 тыс. машин, что сопровождалось многочисленными заторами и пробками 8-10 часов в день и дорожно-транспортными происшествиями, количество которых в 4 раза превосходило средний уровень городских магистралей страны. Если бы ничего не было сделано, заторы и пробки к 2010 г. составили бы 15-16 часов в день – каждый час светлого времени суток. Реконструированная Центральная Артерия будет пропускать 245 тыс. автомобилей в день к 2010 г., в том числе 98 тыс. – через туннель Тэда Вильямса. Ожидается по паре часов-пик утром и вечером при скорости движения около 50 км/час (рис. 1.22 см. цв. вкладку). 51

Безопасность движения новой транспортной системы обеспечивается комплексом наблюдения, включающим 450 видеокамер, 130 электронных дорожных знаков, 30 инфракрасных детекторов и 6 станций неотложной помощи, работающих 24 часа в сутки. В туннелях обеспечивается работа радио и мобильных телефонов. Проект предусматривает выемку более 12,2 млн. м3 грунта. Для 2/3 этого объема потребовалось более 541 тыс. рейсов автосамосвалов в места свалок. Остальной груз 4400 рейсами барж был направлен на остров Зрелищ в Бостонской бухте, где был использован для создания ландшафтного парка. Почти 2,3 млн. м3 глины сделало возможным укрыть исчерпавшие свои возможности старые свалки окрестных городов. В ходе осуществления строительных решений предусмотрено использование 2,9 млн. м3 бетона, установка около 8 км железобетонных подпорных стен. Из стали, использованной в железобетонных конструкциях, можно было бы изготовить стержень сечением 1х1 дюйм (1 дюйм = 2,5 см) с длиной достаточной, чтобы опоясать земной шар по экватору. Проект создаст более чем 100 га новых парков и открытого пространства, включая площадь 12 га (рис. 1.23 см. цв. вкладку), которая была занята поднятой Центральной Артерией, 40 га – на острове Зрелищ и 16 га вдоль реки Чарльз внутри и вне делового центра Бостона. На острове Зрелищ будет высажено более чем 2400 деревьев и 26000 кустарников. Остальные 2400 деревьев и более чем 7000 кустарников будут высажены в деловом центре Бостона. На рис. 1.23 а и 1.23 б показан участок поднятой Центральной Артерии соответственно до и после осуществления проекта. На рис. 1.24 (см. цв. вкладку) схематически показана вертикальная структура этого участка Артерии. 52

Предусмотрены перенос и реконструкция более 46 км газовых, электрических, телефонных, водопроводных и канализационных линий. Будет установлено около 8 тыс. км оптико-волоконных кабелей и 320 тыс. км медных телефонных кабелей. Ожидаемая общая стоимость проекта, уточненная к настоящему времени, составляет 16,2 млрд. долларов. Проектные работы начались в 1988 г., строительство – в 1993 г. Первые 25% объема строительства заняли 5 лет, вторые 25% - около 2 лет. Половина всего объема работ была завершена весной 1999 г. К 2003 г. выполнено около 90% общего объема. В период пика строительства (1999-2002 гг.) в среднем около 3 млн. долларов осваивалось каждый день, причем в 2001 г. – около 4 млн. долларов. Окончание проекта намечено на 2005 г. 1.2 Кросс-Сити туннель в Сиднее (Австралия) 1.2.1 Общие сведения Кросс-Сити туннель (Cross City Tunnel), Сидней, Австралия, предназначен для переноса с городских улиц под землю самого напряженного автомобильного движения с направлением восток-запад. Благодаря туннелю, 90000 единиц транспорта освободят улицы для общественного транспорта, пешеходов и велосипедистов. Автомобили сократят время движения с 20 минут до 2, избежав 34 светофоров, установленных в обоих направлениях на улицах в настоящее время. Соответственно уменьшаются шум и загрязнение воздуха (рис. 1.25 см. цв. вкладку) [12-14]. Движение в стороны запада и востока будет происходить в разных туннелях длиной по 2,1 км с двумя рядами движения. Транспортные развязки западной, центральной и восточной частей Кросс-Сити туннеля показаны на рис. 1.26 (см. цв. вставку). 53

Строительство туннеля было начато в 2002 г., его окончание намечается на 2005 г. Строительство ведется как открытым, так и подземным способами. Продольный разрез по туннелю показан на рис. 1.27. Открытый способ применяется, как правило, у порталов выездов и въездов. Подземная проходка ведется на глубине в среднем 20 м, наиболее глубокая точка находится на глубине 53 м. Выемка грунта подземным способом производится проходческими комбайнами с вращающейся режущей головкой. В забой они доставлялись по рампам – наклонным заездам с поверхности (рис. 1.28) или через вертикальные шахты глубиной до 42 м опускались в забой в разобранном виде, когда стесненные городские условия не позволяли построить наклонные рампы (рис. 1.29).

Рис. 1.27. Продольный разрез по Кросс-Сити туннелю

Рис. 1.28. Проходка туннеля из рампы 1 – проходческий комбайн; 2 – грузовик; 3 – ковшевой погрузчик

54

Туннель проходится по пласту песчаника с размерами сечения 8,6х7,8 м со скоростью 6 м/сутки. Общий вес вынутого грунта составит 680 тыс.т [11-13].

Рис. 1.29. Спуск проходческого комбайна и проходка туннеля из вертикальной части 1 – существующие здания; 2 – акустическое укрытие подъемного крана в густонаселенном районе; 3 – спуск проходческого комбайна в разобранном виде с последующей сборкой в забое; 4 – вертикальная шахта; 5 – туннель

1.2.2 Вентиляция и очистка воздуха Для проветривания туннеля принята продольная система, при которой направления движения воздуха и транспортного потока совпадают. Воздух будет поступать на восток по восточному туннелю попутно потоку транспорта, а выводиться – по западному туннелю, попадая затем в вентиляционную шахту глубиной 60 м, сооруженную в западной части комплекса. При таком решении загрязненный воздух будет выдаваться, минуя порталы, расположенные в городской застройке. 55

В туннеле будет производиться постоянный мониторинг содержания углекислого газа. Для этого устанавливаются четыре станции. Особое внимание при проектировании туннеля было уделено борьбе с пылью, состоящей в основном из минеральных частиц истираемых автомобильных шин. С этой целью был изучен опыт Норвегии и Японии. Норвегия – признанный лидер туннелестроения. Она имеет более, чем 900 автомобильных туннелей общей длиной почти 600 км. Здесь каждый год строится около 35-40 километров туннелей. Из 100 самых длинных в мире туннелей 25 находятся в Норвегии. Сюда входит также самый большой автомобильный туннель длиной 24,5 км. Большинство туннелей в Норвегии имеют продольную схему вентиляции, естественную или искусственную. В 1989 г. начались исследования по возможности очистки воздуха от пыли, состоящей из минеральных частиц материала автомобильных шин. С этой целью разработана программа электростатического осаждения пыли. Ее частицы электрически заряжаются, а затем удаляются из воздуха улавливателями, три разных конструкции которых сейчас установлены в семи туннелях. Опыт работы улавливателей дал обнадеживающие результаты. Измерения, проведенные до и после улавливания показали уменьшение содержания минеральных частиц в воздухе на 80-95%. В Норвегии ведутся также работы по улавливанию наиболее вредной газообразной примеси – двуокиси азота NO2. Япония имеет 9000 автомобильных туннелей общей длиной около 2500 км различной протяженности, от очень коротких, не требующих применения искусственной вентиляции, до туннеля, соединяющего Токио с Нигата (Nigata) длиной 11,0 км. 56

Устройства для улавливания минеральных частиц были впервые применены в Японии в 1979 г. раньше, чем во всем остальном мире. Сегодня их технология находится на более высоком уровне, чем в Норвегии и позволяет обеспечить улавливание даже мельчайших частиц [9-11]. 1.2.3 Другие объекты городской инфраструктуры Сиднея К подземной инфраструктуре Сиднея относятся такие недавно завершенные строительства Нордсайд Сторидж туннель (Northside Storage Tunnel)) ливневой канализации длиной 22,0 км, пробуренный диаметром 3,8-6,6 м, завершенный в 1999 г., Вест Райд Туннель (West Ride Tunnel) ливневой канализации, включающий части, пройденные подземным способом (длиной 1,8 км, диаметром 3,5 м), открытым способом (длиной 300,0 м) и пройденную микротуннельной буровой машиной (длиной 180,0 м). На глубине 150,0 м построены 4 подземные емкости для хранения 60 тыс. т пропана, каждая из которых имеет длину 230,0 м, ширину 14,0 м и высоту 11,0 м. В 2002 г. был завершен туннель Нью Саутерн Рейлвей (New Southern Railway), связывающий аэропорт с олимпийским комплексом, длиной 10,0 км, диаметром 10,5 м, включая 5,8 км, пройденных по мягким породам буровой туннельной машиной и остальную длину, пройденную по крепким породам проходческим комбайном с вращающейся буровой головкой. Построены также два главных кабельных туннеля общей длиной около 5,0 км диаметром 3,2-3,4 м (буровой туннельной машиной) [14]. 1.3 Автомобильные туннели большого диаметра В последние годы для проходки городских автомобильных туннелей начали применяться буровые машины 57

Рис. 1.30. Автомобильные туннели большого диаметра а – буровая туннельная машина; б – сечение туннеля в Гамбурге; в – сечение туннеля в Москве

58

больших диаметров. Так туннель с наибольшим в мире диаметром в проходке 14,2 м длиной 2560 м был пройден в Гамбурге (Hamburg) Германия в 1995-2002 гг. Проходка проводилась в сложных геологических условиях. В состав пересекаемых пород входили песок, крупнозернистая глина с включениями валунов и гравий. Несмотря на это, скорость проходки составляла до 14 м/сутки [15,16]. Использовалась буровая туннельная машина фирмы «Херренкнехт» (Германия) (рис. 1.30 а,б) с общей мощностью двигателей 3200 кВт, которая затем после ремонта и обновления была перевезена в Росию для проходки автомобильного туннеля в районе Лефортово в Москве. Здесь туннель длиной 2220 м с диаметром в прходке 14,2 м был сооружен в 2001-2003 гг. (рис. 1.30 в). Горные породы по трассе проходки туннеля

были представлены водоносными песками, глинами, суглинками и известняком. Был отмечен высокий уровень грунтовых вод. Туннель проходил под историческим районом Лефортово и рекой Яузой, что требовало особых мер по предотвращению их подработки. Сечение туннеля разделено на три зоны (рис. 1.30 в): - в верхней зоне размещаются вентиляторы и канал отвода загрязненного воздуха; - средняя (транспортная) зона предназначена для автотранспорта (три ряда движения), размещения служебного прохода и вспомогательных систем – освещения, наблюдения за движением, оповещения, а также противопожарного инвентаря и др.; - в нижней зоне туннеля располагаются эвакуационные проходы, кабельные линии, вентиляционные каналы, инженерные коммуникации, средства пожарной сигнализации и др. 1.4 Заключение Автомобильные туннели занимают важное место в общей городской инфраструктуре. Стоимость их соружения является одной из наибольших расходных частей бюджета города, они требуют специальной организации работ по совмещению строительства с нормальной эксплуатацией городскго хозяйства, особых взаимоотношений с населением и бизнесами в районах строительства, тщательных природоохранных мероприятий в этих районах. Вместе с тем, результатом сооружения автомобильных туннелей является существенное улучшение условий работы городского транспорта, сокращение времени движения транспортных средств по городским улицам и ожидания в пробках и заторах, а, следовательно, снижение расхода топлива и вредных выбросов. Перенос под землю постоянно растущего потока автомобилей высвобождает стесненную 59

городскую территорию для размещения зеленых зон, уменьшает уровень шума и загрязненности воздуха, концентрируя выбросы в таких местах, где они могут быть выведены без ущерба для здоровья людей. Подземные объекты обычно воспринимаются, как рискованные зоны строительства, где стоимость работ весьма высока. Однако, исследования, проведенные в Великобритании, показали, что, благодаря новым технологиям, стоимость туннельного строительства падает с темпом около 4% в год. Стоимость городских туннелей сейчас составляет около 80 млн. евро за километр и может оказаться дешевле, чем поверхностное строительство, где стоимость земельных участков и выноски существующих коммуникаций весьма высока. Проходка туннелей становится особенно экономически эффективной в благоприятных геологических условиях и при наличии предыдущего опыта такого строительства. Например, условия проходки туннелей в Хельсинки позволили расходовать всего около 10 млн. евро за километр.

60

ГЛАВА 2 СТРОИТЕЛЬСТВО НАПОРНЫХ ТУННЕЛЕЙ ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДА (НЬЮ-ЙОРК) 2.1 Общие сведения Система водоснабжения Нью-Йорка – наиболее разветвленная в мире. Она испытала экспоненциальный рост населения от 1 до 9 миллионов. Ежедневно система доставляет 5,1 млн. кубометров воды через одну из наиболее сложных доставочных систем в мире. Нью-Йорк со времени его основания в 1750-х годах существовал в постоянных поисках чистого и надежного источника воды. Капиталовложения, сделанные в течение столетия, позволили городу обеспечить огромный рост. Город без надежного источника воды не может выжить и привлечь инвесторов, поэтому был расширен поиск источников воды до района с радиусом около 200,0 км от мэрии города. В настоящее время город снабжается водой из 18 резервуаров и трех озер на севере и запада штата, имеющих общую емкость 2,0 млрд. кубометров. Водохранилища занимают площадь 5100 квадратных километра. Два компенсирующих и четыре питающих резервуара хранят и непосредственно питают водой распределительную систему города. Их общая емкость равна 127 млн. кубометров [15-16]. Вода приходит к Нью-Йорку по подземным водоводам – акведукам. Три основных акведука из трех систем резервуаров передают воду к оперативным хранилищам и компенсирующим емкостям, а семь туннелей соединяют эти резервуары и распределительные системы. Восьмой туннель – городской туннель № 3 введен в эксплуатацию в 1998 г. Система почти полностью работает за счет естественного напора, т.е. разницы высотных отметок. Только менее 5% общего потока воды должны перекачиваться насосами к месту потребления. Город обслуживается сетью водяных 61

магистралей общей длиной почти 10,0 тыс. км диаметром от 15 см до 2,1 м. Более чем 88,6 тыс. вентилей на главных магистралях регулируют поток воды. Около 85 км магистралей были уложены до 1870 г. Примерно 4,8 тыс. км труб были уложены между 1870 и 1930 гг. Далее приводится описание подземной инфраструктуры водоснабжения Нью-Йорка, состоящей из акведуков, подводящих воду к городу и городских туннелей, которые снабжают водой 5 районов – Манхэттен, Бруклин, Квинс, Бронкс и Стейтен-Айленд [17-20]. 2.2 Внешнее водоснабжение 2.2.1 Схема водоснабжения Как указывалось выше, в настоящее время водоснабжение Нью-Йорка осуществляется из трех систем резервуаров (рис. 2.1 см. цв. вкладку). Старейшей является Кротонская система, расположенная в 40,0 км от Нью-Йорка. До того, как она была построена, жители города получали воду из колодцев, прудов и ручьев. Кротонская система начала эксплуатироваться в 1842 г. и первоначально обеспечивала 227 тыс. кубометров воды в день. Сегодня через новый Кротонский акведук она снабжает город около 10% питьевой воды, которая поступает в резервуары Джером-парка и далее – Центрального парка. Катскилльская система, построенная в 1907-1927 гг., теперь доставляет около 40% всей необходимой воды через Катскилльский акведук и включает в себя резервуары, расположенные к западу от р. Гудзон в 160 км севернее НьюЙорка. Через Катскилльский акведук вода подается к резервуарам Кенсико и Хиллвью. Третий главный компонент водоснабжения города – система Делавер, расположенная в 200 км северо-западнее 62

Нью-Йорка. Законченная в 1967 г., она – новейшая и наибольшая из трех городских систем, подающая через Делаверский акведук около 50% всей необходимой воды к резервуарам Кенсико и Хиллвью. Хотя работы на этой системе начались в 1936 г., строительство дважды прерывалось – вначале судебными тяжбами, а затем – второй мировой войной. 2.2.2 Новый Кротонский акведук Акведук, соединяющий Кротонский резервуар с городскими резервуарами в Джером-парке в Бронксе и Центральном парке в Манхэттене, имеет общую длину 53,1 км. Акведук проходился встречными забоями из 40 вертикальных шахт глубиной от 6,0 м до 120,0 м (рис. 2.2) и состоит из трех участков. На длине 39,0 км от Кротонской плотины до резервуара Джером-парка он представляет собой туннель, стены и почва которого закреплены кирпичом (рис. 2.3) со средней глубиной от поверхности 38,0 м. Туннель высотой и шириной около 4,0 м проведен с уклоном 0,00013.

Рис. 2.2. Проходка вертикальной шахты

63

Рис. 2.3. Участок Нового Кротонского акведука, закрепленный кирпичом

Следующий участок акведука – кирпичная круглая магистраль от резервуара Джером-парка к северной части Манхэттена длиной около 12,1 км. Этот участок представляет из себя сифон диаметром около 3,8 м, кроме последнего участка длиной 0,4 км, где размеры сечения уменьшаются до 3,2х3,2 м, чтобы увеличить скорость воды и предотвратить выпадение осадка. От северной части Манхэттена к резервуару Центрального парка вода поступает по трубам. Длина этого участка около 2,0 км. При проведении туннелей встречались участки, заполненные мокрым песком и гравием, требующие специальных мер по предотвращению их сползания в туннель. На севере Манхэттена для проведения под рекой Гарлем туннель первоначально планировался на глубине 46,0 м, где разведочное бурение показало наличие в кровле скального слоя мощностью 2,0 м. Однако, после проходки 90,0 м туннеля обнаружилась полость, заполненная песком и связанная с рекой, из которой вода свободно изливалась в туннель. Поэтому пришлось отказаться от дальнейшего проведения туннеля и пройти его заново на глубине 90,0 м ниже по64

верхности реки. На другом участке длиной 70,0 м для крепления туннеля понадобились чугунные кольца, уложенные на слой кирпича толщиной 46 см, затампонированный цементом. 2.2.3 Катскилльский акведук Одним из основных источников водоснабжения НьюЙорка является резервуар Ашокан, соединенный с резервуарами Кенсико и Хиллвью Катскилльским акведуком. Общая длина акведука составляет 148,0 км и включает в себя 4 участка: - траншея длиной 88,0 км, пройденная открытым способом. Траншея имеет ширину 8,3 м и внутри ее уложено подковообразное бетонное корыто шириной и высотой от 5,2 до 5,5 м, покрытое грунтом. Наклон этого участка – около 0,00019; - туннель длиной около 23,0 км с бетонной подковообразной крепью, пройденный в холмах и предгорьях. Ширина туннеля около 4,0 м, а высота его стен достигает 6,0-6,5 м. Наклон участка около 0,00037; - семь участков туннеля круглого сечения, закрепленного бетоном (рис. 2.4), в которых вода находится под напором, используемые для перехода через большие долины и глубокие реки. При расположении этих участков учитывалось условие, что вес пород кровли должен превосходить внутреннее давление воды в туннеле. Эти участки имели диаметр от 4,3 м до 4,9 м и на концах были связаны с акведуком круглыми вертикальными шахтами, также закрепленными бетоном, глубиной, в основном, от 91,0 до 213,0 м. Туннели проходились буровзрывным способом встречными забоями через вертикальные шахты; - сифоны из стальных труб общей длиной около 10,0 км. Клепаная стальная труба, проложенная в траншее, уложенная на бетонную постель толщиной в среднем 0,2 м, ис65

пользовалась для пересечения небольших долин или там, где скальные слои не были пригодны для напорных туннелей. Сифонные участки имели длину от 183,0 м до 2,0 км. Каждая секция трубы имела длину около 3,0 м и весила 5,0 т.

Рис. 2.4. Укладка металлических колец металлобетонной крепи Катскильского акведука

Как указывалось ранее, Катскилльский акведук получает воду из резервуара Ашокан, питающегося в свою очередь от резервуара Шохари через туннель Шандокен. Этот туннель закреплен бетоном, имеет длину 29,0 км, уклон 0,0008, ширину 3,1 м, высоту 3,4 м, проходит по скальным породам и построен через семь вертикальных шахт диаметром 4,3 м глубиной от 98,0 м до 192,0 м. Через туннель проходит 2,46 млн. кубометров в сутки. Одной из сложных инженерных задач при строительстве Катскилльского акведука было пересечение им реки Гудзон. Здесь рассматривались несколько возможных вариантов: строительство моста, несущего трубы через реку, прокладка труб в траншее на дне реки, проходка туннеля на глубине около 30,0 м от поверхности реки, закрепленного стальной оболочкой или содержащего трубы. 66

Окончательно был принят вариант проходки туннеля в скале (рис. 2.5). Однако поиски этого скального слоя бурением разведочных скважин заняли годы. Скважины бурились с барж в реке для обнаружения слоя гранита толщиной не менее 45,0 м в кровле туннеля. На обоих берегах реки были пройдены специальные разведочные шахты, из которых на глубине около 90,0 м под дно реки навстречу друг другу были пробурены наклонные скважины. На глубине около 460,0 м от поверхности они встретились и обнаружили слой гранита, протянувшийся от берега к берегу. Второй комплект скважин, встретившихся на глубине около 300,0 м, подтвердил наличие гранитного слоя, в котором мог быть пройден туннель.

Рис. 2.5. Схема расположения разведочных скважин и туннельного участка Катскильского акведука под рекой Гудзон 1 – река Гудзон; 2 – туннель под рекой Гудзон; 3 – подводящие и вспомогательные туннели; 4 – вертикальные шахты; 5 – наклонные скважины; 6 – вертикальные скважины

Разведочные шахты были углублены, а затем между ними на глубине 350,0 м буровзрывным способом был пройден круглый туннель диаметром 5,2 м длиной более 920,0 м. 2.2.4 Делаверский акведук Делаверский акведук, круглый, закрепленный бетоном 67

туннель диаметром 4,6-5,5 м, длиной 135,2 км соединяет резервуары Рондаут, Кенсико и Хиллвью. Уклон туннеля в основном составляет 0,02. Построенный из 31 вертикальной шахты, акведук состоит из 3 напорных туннелей, пройденных в скальном слое на глубине от 91,0 м до 472,0 м: - туннель длиной 77,2 км от резервуара Рондаут до резервуара Вест Бренг в Кротонском водохранилище, пересекающий реку Гудзон; - туннель длиной 37,0 км от резервуара Вест Бренг к резервуару Кенсико; - туннель длиной 21,0 км от резервуара Кенсико к резервуару Хиллвью. Здесь начинается городская система доставки воды, для чего пройден туннель № 2. В свою очередь вода к резервуару Рондаут поступает из резервуаров: - Каннонсвил – по Западному Делаверскому туннелю длиной 70,8 км; - Пипектон – по Восточному Делаверскому туннелю длиной 40,2 км; - Неверсинк – по туннелю Неверсинк длиной 9,7 км. 2.3 Городское водоснабжение 2.3.1 Схема водоснабжения Вода, пришедшая к городу из системы внешнего водоснабжения, собирается в резервуарах Кенсико и Хиллвью, парка Джером и Центрального парка. Отсюда по городским туннелям №№ 1, 2, 3 (рис. 2.6 см. цв. вкладку) вода подается к распределительным сетям, общая длина которых составляет около 10,0 тыс. км [17-20]. Вода из туннелей по вертикальным шахтам, через которые они проводились, поднимается к уровню улиц, где разводится по городским сетям с трубами диаметром от 1,5 см до 2,1 м. Как уже говорилось, некоторые трубы исполь68

зуются уже более 100 лет. Сейчас осуществляется 10-летняя программа замены водопроводной сети и к 2003 г. уже почти 900 км труб заменены или находятся в реконструкции. Напор воды в системе создается за счет разницы высот около 300 м между питающими резервуарами и распределяющими системами районов города. Создаваемое таким образом давление воды достаточно для ее подъема на уровень шестых этажей большинства строений без дополнительной подкачки. Вначале городские власти не осознавали необходимости строительства туннелей для городского водоснабжения, поскольку считали возможным обойтись только прокладкой труб под улицами, что применяется в большинстве городов. Однако, сравнение пропускной способности туннеля и труб показало, что туннель диаметром 4,5 м эквивалентен 23 трубам диаметром по 1,2 м или 16 трубам диаметром по 1,7 м. Строительство такой системы потребовало бы весьма значительных капитальных затрат, а также нарушения нормальной работы городской системы транспорта и больших эксплуатационных затрат по поддержанию водопроводной сети. Поэтому было принято решение о строительстве туннелей, позволяющих также обеспечить более высокое давление воды в сети, чтобы достичь высоких строений города без применения насосных станций. Туннели, кроме того, позволяют лучше, чем водопроводная сеть, обеспечить резкое увеличение пропускной способности в экстренных случаях, например, при возникновении пожара. 2.3.2 Городской туннель № 1 Туннель № 1 был запроектирован, чтобы доставить воду в Нью-Йорк, поступающую от Катскилльских гор. Построенный в 1911-1915 гг., он имеет длину около 29,0 км, диаметр 3,4-4,6 м, способен доставить около 3,8 млн. кубометров воды в сутки к 1 миллиону жителей. Выходя из ре69

зервуара Хиллвью, он достигает районов Бронкс, Манхэттен и Бруклин, пересекая две реки – Гарлем и Ист-Ривер. Глубина расположения туннеля составляет 76,0-230,0 м. После завершения строительства этот туннель стал наибольшим напорным туннелем в мире. При строительстве туннеля использовались тонны взрывчатки и поэтому особой заботой строителей было предотвращение повреждений существующих сетей канализации, водопровода, электроснабжения, а также линий метро. В результате, работы, в основном, были не замечены жителями города, за исключением периодически проводимых вертикальных шахт. Для обеспечения водой одного из городских районов – острова Стейтен-Айленд – через Нью-Йоркскую бухту, отделяющую этот остров от Бруклина, в 1914-1917 гг. была проложена чугунная труба в траншее на дне бухты. При земляных работах была использована драга с ковшом грузоподъемностью 13,0 т, которой была прорыта траншея шириной около 9,0 м и глубиной от 3,0 до 10,0 м. Труба диаметром более 1,2 м, длиной более 3,0 км собиралась из отрезков по 3,6 м, связанных гибкими свинцовыми соединениями. Каждые два отрезка трубы соединялись фланцами, заливаемыми расплавленным свинцом. Затем гибкие соединения трубы смазывались жиром для лучшего скольжения и плавного погружения трубы с баржи. Был также построен подземный резервуар емкостью 380 тыс. кубометров, расположенный на месте осушенного озера Сильвер-Лейк. Подземное хранение воды позволило сохранить напор внутри системы. Вместо трубы к острову Стейтен-Айленд в 1962-1970 гг. был проложен напорный Ричмонд-туннель длиной 7,6 км диаметром 3,0 м, который был пройден на глубине 290,0 м ниже дна Нью-Йоркской бухты из двух вертикальных шахт, расположенных на берегах Стейтен-Айленда и Бруклина. 70

2.3.3 Городской туннель № 2 Туннель № 2, который, как и туннель № 1, питается водой из резервуара Хиллвью, увеличил объем воды, подаваемой к городским потребителям. Его строительство выполнялось с использованием методов и техники туннеля №1 (рис. 2.7). Туннель № 2 имеет диаметр 4,6-5,2 м, длину 32,2 км и производительность 3,8 млн. кубометров воды в сутки. Глубина расположения туннеля 110,0-234,0 м. Около 26,0 км туннеля проходит непосредственно под городскими улицами. Однако, во время строительства удалось избежать какого-либо нарушения нормальной жизни города. Около 1,3 км туннеля проходит под рекой.

Рис. 2.7. Участок городского туннеля №2 с временным креплением

71

Работы проводились в 1928-1935 гг. 2.3.4 Городской туннель № 3 К 1954 г. Нью-Йорк осознал необходимость в третьем туннеле для подачи воды в количестве, отвечающем требованиям растущего города. Проектирование туннеля началось в 1960 гг., а строительство – в 1970 г. Туннель № 3 не заменит туннелей № 1 и № 2, но увеличит надежность общей системы и улучшит водоснабжение внешних районов города. После завершения в 2020 г. туннель № 3 будет иметь длину 100,5 км с возможностью доставки 3,8 млн. кубометров воды в сутки. Он располагается на глубине от 61,0 м до 244,0 м параллельно существующим туннелям № 1 и № 2 и будет служить для подачи воды от резервуаров Кенсико и Хиллвью в четыре из пяти районов Нью-Йорка: Манхэттен, Бронкс, Квинс и Бруклин. Общая стоимость строительства составит 6 млрд. долларов. Туннель позволит начать ремонтные работы в старых туннелях № 1 и № 2, которые постоянно эксплуатировались с момента пуска в эксплуатацию. Если какой-либо из них испытает серьезную аварию и утечку воды, он выйдет из строя и потребует весьма значительного времени для ремонта. Это приведет к разрушительным последствиям в социальной, экономической и политической сферах. Строительные работы в туннеле №3 начались в 1970 г. Из-за финансовых проблем к 1998 г. была завершена только 1-я стадия туннеля. В общем проект состоит из 4 стадий, из которых в настоящее время выполняется стадия 2. Стадия 1. Этот завершенный в 1998 г. участок имеет длину 20,1 км от резервуара Хиллвью до резервуара Центрального парка, круглое сечение и диаметр, изменяющийся от 6,1 м до 7,3 м (рис. 2.8). Вертикальные шахты, из кото72

рых проходился туннель, используются для подачи воды к городским сетям. Проходка туннеля на разных стадиях строительства показана на рис. 2.9-2.12. Стадия включает в себя также строительство трех подземных вентильных камер (в парке Ван-Кортланд в Бронксе, на острове Рузвельт в реке Ист-Ривер и в Центральном парке в Манхэттене).

Рис. 2.8. Строительне работы в напорном туннеле №3

Рис. 2.9. Участок стадии 1 тун- Рис. 2.10. Участок стадии 1 туннеля №3 после взрывных работ неля №3 с временной крепью

Стадия 2. Она состоит из двух отдельных туннелей, строительство которых началось в 1993 г. Бруклинский туннель будет иметь длину 16,9 км и служить для подачи воды от резервуара Центрального парка к Квинсу и Брукли73

ну и для связи с подземным водохранилищем в районе бывшего озера Сильвер-Лейк в Стейтен-Айленде. Туннель будет иметь диаметр 6,1 м в Квинсе, уменьшающийся до 4,9 м в Бруклине. Эта линия свяжется с ранее построенным Ричмонд-туннелем, обслуживающим остров СтейтенАйленд. Она также включает вентильную камеру в Квинсе. Манхэттенский туннель длиной 14,5 км будет иметь диаметр 3,0 м. Он начнется от резервуара в Центральном парке и пройдет вдоль западной стороны Манхэттена, затем свернет на восток и пройдет на север вдоль восточной стороны Манхэттена. Стадия 3. Это участок туннеля длиной 25,7 км, который будет расположен параллельно Катскилльскому и Делаверскому акведукам. Он будет проведен от резервуара Кенсико и свяжется с туннелем стадии 1 в вентильной камере парка Ван-Кортланд в Бронксе. Стадия 3 даст возможность обеспечить дополнительную подачу воды и служить в качестве резерва в аварийных случаях. От вентильной камеры вода может быть подана к туннелю № 3 или к резервуару Хиллвью для доставки к туннелям № 1 и № 2. Когда стадия 3 будет завершена, туннель № 3 будет работать с большим давлением, чем существующие туннели, что обусловлено более высоким расположением резервуара Кенсико.

Рис. 2.11. Участок стадии 1 туннеля №3 с постоянной металлической крепью

74

Рис. 2.12. Участок стадии 1 туннеля №3 с постоянной бетонной крепью

Стадия 4. На этой стадии вода будет доставляться к восточным частям Бронкса и Квинса. Будет сооружен 22,5километровый участок туннеля к юго-востоку Бронкса от вентильной камеры парка Ван-Кортланд и затем – под ИстРивер к Квинсу. На рис. 2.13 (см. цв. вкладку) показана общая схема расположения объектов, в том числе туннелей водоснабжения, в подземном пространстве Нью-Йорка. 2.3.5 Вентильные камеры При строительстве туннелей № 1 и № 2 вентили, управляющие водораспределением, были расположены на уровне туннелей и поэтому были недоступны при функционировании последних. Если один из участков туннеля было необходимо отключить, выключался весь туннель. Туннель № 3, в отличие от первых двух, оснащается четырьмя вентильными камерами, связанными с ним через вертикальные шахты, что позволяет управлять водяными потоками без нарушения обслуживания потребителей. Наибольшая камера расположена в парке Ван-Кортленд. Построенная на 76,0 м ниже поверхности, она будет контролировать поток воды от систем Катскилль и Делавер, которые обеспечивают 90% питьевой воды города (рис. 2.14). Эта камера имеет длину около 190,0 м, ширину 13,0 м и высоту 12,5 м. Вентильный комплекс также содержит 9 вертикальных шахт, 2 распределительные магистрали, каждая более чем 170,0 м длиной и 0,6 м в диаметре и 34 подсобных туннеля, каждый более 30,0 м длиной. Давление и расход воды контролируется сериями вентилей и счетчиков.

75

Рис. 2.14. Вентильная камера в парке Ван-Кортленд а – общий вид; б – схема вентильного комплекса; 1 – подвод воды от резервуара Кенсико; 2 – подвод воды от резервуара Хиллвью; 3 – отвод воды к Манхэттэну; 4 – отвод воды к Квинсу; 5 – вентильная камера; 6 – вертикальные шахты; 7 – распределительные магистрали; 8 – соединяющий туннель

76

2.4 Некоторые особенности технологии строительства 2.4.1 Городской туннель № 1 Чтобы определить рациональные глубину и направление туннеля было пробурено свыше 125 скважин. Результаты бурения анализировались совместно с материалами геологических условий ранее построенных туннелей, включая железнодорожные, газовые и многочисленные канализационные линии. Проведенная подготовительная работа показала возможность строительства туннеля. Работы начались со строительства вдоль трассы туннеля 24 вертикальных шахт с интервалами между ними 1,2 км. Эти шахты предназначались для проходки туннеля и имели глубину от 76,0 м у резервуара Хиллвью до 230,0 м в конце туннеля в Гарлеме. Чтобы избежать необходимости вмешательства в жизнь города, шахты располагались на свободных участках и в городских парках. Из-за высокого уровня грунтовых вод при проходке шахт применялись кессонные камеры, стены которых одновременно использовались для крепления шахт. Их диаметр варьировался от 4,6 до 5,5 м. Толщина стен составляла 0,60,9 м. Кессонные камеры имели стальной режущий кольцевой башмак высотой 0,6 м. По мере опускания кессонной камеры под грузом возводимой над ней бетонной крепи грунт вынимался и выдавался на поверхность. Чтобы избежать проникновения воды, давление внутри кессонной камеры составляло 0,32 МПа. Проходчики, работавшие в этой камере, встретились с серьезными трудностями и испытывали риск для здоровья и жизни. При слишком быстром спуске и подъеме из шахты у них могла развиться кессонная болезнь. Когда кессонная камера достигала скального слоя, водонесущие грунты тампонировались и избыточное давление 77

в камере снималось. Затем начинались буровзрывные работы, пока шахта не достигала нужной глубины. В некоторых шахтах сквозь водонасыщенные породы до скального слоя паровыми молотами забивались стальные листовые сваи. После проходки шахт переходили к проведению в двух противоположных направлениях горизонтального туннеля буровзрывным способом заходками по 2,1 м в сутки. Когда туннель был построен, 22 из 24 этих шахт остались служить для доставки воды к магистралям на поверхности. Трубы в них были забетонированы, чтобы избежать коррозии. Две шахты использовались для обслуживания и ремонта туннеля. Если слабые породы встречались при проходке собственно туннеля, в забое применялась выдвижная крепь кровли, состоящая из продольных двутавровых балок длиной 3,5 м и высотой около 23,0 см, соединенных болтами и поддерживаемых стойками. Высыпанию грунта препятствовала деревянная затяжка, оставляемая при бетонировании туннеля. В качестве временной крепи туннеля на участках устойчивых пород применялась анкерная крепь, на других участках – металлическая рамная крепь с затяжкой. Туннель проводился с опережением забоя верхней половины сечения и последующим расширением сечения до проектного. В опережающем забое бурились горизонтальные шпуры, заряжаемые затем динамитом. При расширении сечения шпуры бурились вертикально вниз из опережающей части. 2.4.2 Городской туннель № 2 Работы по проходке туннеля № 2 производились по методологии, аналогичной строительству туннеля № 1, включая сооружение 19 вертикальных шахт глубиной от 110,0 м 78

до 234,0 м. Эти шахты располагались на расстоянии 2,1 км друг от друга. Отличительной особенностью работ по проходке туннеля № 2 явилось применение замораживания слабых водонасыщенных грунтов при проходке шахт взамен применения кессонных методов, создающих опасность для работающих. 2.4.3 Городской туннель № 3 На стадии 1 туннель № 3 проходился традиционным буровзрывным способом из 14 вертикальных шахт глубиной 61,0-244,0 м. В качестве взрывчатого вещества применялся динамит [19-20]. Проходка вертикальных шахт, как и для туннеля № 2 проводилась с использованием замораживания грунтов с поверхности. В настоящее время на стадии 2 для проходки туннеля используют туннелепроходческие комплексы. Применение этих машин сокращает количество рабочих, создает гладкую поверхность стен, уменьшая тем самым стоимость бетонной крепи, снижает уровень шума на поверхности по сравнению со взрывными работами, что важно в городских условиях. Комплекс оснащен десятью двигателями, управляющим компьютером, лазерной навигационной системой. Общий вес комплекса составляет 580 т. Под землю он опускается по частям, а затем собирается. Отбитая порода грузится на конвейер внутри машины, затем поступает на телескопический конвейер, прикрепленный к стенам туннеля и удлиняющийся по мере подвигания забоя и, наконец, подается к вертикальному конвейеру, которым по шахте выдается на поверхность. Расчетное подвигание забоя составляет 27,0 м/сут., максимальная достигнутая скорость составила около 23,0 м/сут., при средней скорости – около 13,0 м/сут. Примене79

ние буровой технологии создает, однако, дополнительные трудности по борьбе с пылью и требует поэтому применения орошения забоя и индивидуальных средств защиты рабочих, количество которых составляет 150 чел./сут. 2.4.4 Главная вентильная камера При строительстве главной вентильной камеры в парке Ван-Кортланд некоторые из входящих в ее комплекс 9 вертикальных шахт проводились не обычным буровзрывным способом с поверхности, а комбинированным. При этом снизу вверх с уровня камеры до поверхности бурилась скважина диаметром около 0,3 м в диаметре, расширяемая затем до нужного диаметра шахты. Отбитая порода грузилась на конвейер на уровне вентильной камеры. 2.5 Заключение Приведенные в представленном обзоре сведения о внешнем водоснабжении Нью-Йорка и городских туннелях, конечно, не исчерпывают всех вопросов строительства и эксплуатации этой сложнейшей системы сбора, хранения и доставки воды к потребителям. Ее строительство может быть названо одним из инженерных чудес современного мира. Далее приводится таблица, в которую сведены основные характеристики акведуков и туннелей, сформировавших подземную инфраструктуру водоснабжения НьюЙорка. Подача питьевой воды входит в общую систему водоснабжения и канализации города. Объем стоков в НьюЙорке составляет около 6 млн. м3 в сутки, в среднем 0,6 м3 на человека. Магистральные канализационные трубопроводы имеют диаметр 1,0-1,5 м и принимают стоки ливневые, бытовые и комбинированные (рис. 2.15), которые затем по 80

туннелям (рис. 2.16) поступают к 14 очистным сооружениям, расположенным в различных районах города (рис. 2.17).

Рис. 2.15. Схемы водоснабжения и канализации города 1 – водохранилище; 2 – резервуар; 3 – химические добавки; 4 – напорный туннель водоснабжения; 5 – магистральный водопровод; 6 – распределительный водопровод; 7 – дом, соединенный с комбинированной системой канализации; 8 – дом, соединенный с раздельными системами канализации - бытовой и ливневой; 9 – крышной слив; 10 – дождевая вода; 11 – ливневая канализация; 12 – бытовая канализация; 13 – комбинированная канализация; 14 – аварийный резервуар; 15 – регулятор; 16 – объединительный трубопровод; 17 – сброс; 18 – очистные сооружения

В очистных сооружениях стоки проходят несколько стадий очистки. На первой стадии, известной, как первичная обработка, стоки проходят через фильтр и собираются в пруды, где твердое содержимое отстаивается и затем удаля81

ется. До 1992 г. эти осадки в объеме около 5 млн. т в год сбрасывались в океан. Теперь они обезвоживаются, сгущаются и могут быть использованы для покрытия мусорных свалок.

Рис. 2.16. Туннель комбинированной канализации

Рис. 2.17. Очистные сооружения

При вторичной обработке стоки посылаются в большие хранилища – танки, где бактерии потребляют оставшиеся органические материалы и завершают процесс очистки.

82

Характеристика акведуков и туннелей водоснабжения НьюЙорка Назначение

Общая длина, км

Тип Время Произ- Диастроиметр, водительразтельства ность, меры, 3 м млн.м / сут. 5 6 7 8 1,1 3,0-4,0 За1885креп- 1893 лен кирпичом

№№ ПП

Название

1 1

2 Новый Кротонский акведук

2

Катскилльский акведук

3

Делавер- Соединяет ре- 135,2 ский акве- зервуары Рондук даут, Кенсико и Хиллвью

4,3

4

Туннель Соединяет ре- 29,0 Шандокен зервуары Шокари и Ашокан

2,46

3 4 Соединяет но- 53,1 вый Кротонский резервуар и резервуары в Джеромпарке и Центральном парке Соединяет ре- 148,0 зервуары Ашокан, Кенсико и Хиллвью

2,65

5,2-5,5 Траншея – 88 км; туннель – 50 км; стальные сифоны – 10 км 4,6-5,5 Напорный, закреплен бетоном 3,4 То же

19071917

19391945

19171924

83

1 5

6

7

8

9 10

11

84

2 Туннель Неверсинк

3 Соединяет резервуары Неверсинк и Рондаут ВосточСоединяет реный Дела- зервуары Пиверский пактон и Ронтуннель даут Западный Соединяет реДелавер- зервуары ский тун- Каннонсвил и нель Рондаут ГородСоединяет реской тун- зервуар нель № 1 Хиллвью с распределительной сетью ГородТо же ской туннель № 2 ГородСостоит из 4 ской тун- стадий, соединель № 3 няет резервуары Хиллвью и Кенсико с сетью Ричмонд- Соединяет туннель туннель № 2 с сетью Стейтен-Айленда

4 9,7

5 1,9

6 3,0

7 То же

8 19491954

40,2

2,65

3,4

То же

19491955

70,8

1,9

3,4

То же

19551964

29,0

3,8

3,4-4,6 То же

19111915

32,2

3,8

4,6-5,2 То же

19281935

100,5

3,8

6,1-7,3 То же

19702020

7,6

1,3

3,0

19621970

То же

ГЛАВА 3 ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРОПОЛИТЕНА МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛОТНОЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ (НЬЮ-ЙОРК) (Исторический очерк) 3.1 Общие сведения Первый метрополитен был построен в Англии в Лондоне в 1883 г, в Глазго – в 1886 г. Второй страной была Венгрия. В Будапеште метро было сдано в эксплуатацию в 1896 г. В Северной Америке метро впервые было построено в Бостоне в 1897 г., где для транспортировки людей были использованы троллейбусные вагоны. Следующими были метрополитены в Париже – 1900 г. и Берлине – 1902 г. Пуск первой очереди метро в Нью-Йорке состоялся 27 октября 1904 г. Длина 1-ой очереди строительства от СитиХолла на север, а затем на восток к Гранд-Централ Терминал составляла около 22 км. При выборе схемы строительства метрополитена в Нью-Йорке был рассмотрен Лондонский и Будапештский опыт. В первом туннели глубокого заложения проходились щитовым методом. Во втором, вместо этого, вдоль маршрутов метро были просто прорезаны траншеи и в них были проложены железнодорожные пути. Затем траншея накрывалась металлическими балками и обычным дорожным покрытием. Этот способ оказался существенно дешевле, легче и быстрее, чем проходка туннелей. В отличие от Лондона, в Будапеште не строили массивных поверхностных структур, похожих на железнодорожные вокзалы, а сооружали легкие здания типа киосков. Нью-Йоркские инженеры преобразовали их в строения из стали и стекла, взамен камня и облицовочной плитки. Нью-Йоркское метро (рис. 3.1 см. цв. вкладку), как и любой другой метрополитен, строился очередями, его раз85

витие продолжается и сейчас, когда общая длина путей составляет около 1300 км, количество станций 468, в том числе подземных 277, надземных – 153. В его структуру входят 68 мостов, 14 подводных туннелей, 198 вентиляторных станций. Число рейсов в день составляет 6400, количество перевозимых пассажиров в день – 3,7 млн. чел. В последующих разделах приводится описание наиболее интересных инженерных решений проблем, возникавших при строительстве метро в Нью-Йорке [21-23]. 3.2 Типичные строительные решения метротрассы 3.2.1 Основные строительные решения При строительстве метрополитена в Нью-Йорке применялись 5 основных типов метротрассы: - туннель вблизи поверхности с плоской кровлей из стальных балок, поддерживаемой стальными колоннами, установленными между путями; - туннель с плоской кровлей из монолитного железобетона, поддерживаемой стальными колоннами между путями; - туннель с бетонированной почвой; - цилиндрический туннель из чугунных секций; - поднятая над поверхностью земли трасса на стальных или железобетонных опорных башнях. В первом типе туннеля вдоль стен на расстоянии 1,5 м друг от друга установлены стальные колонны, вершины которых связаны поперечными балками кровли (рис. 3.2). Последние в свою очередь поддерживаются рядами стальных колонн между путями. Конструкция такого типа для нижнего яруса двухярусной структуры туннеля показана на рис. 3.3. Поскольку такая структура не является водонепроницаемой, над кровлей и под полом укладывается от 2 до 8 слоев войлока, пропитанного горячим асфальтом, образуя 86

водоупорный слой.

Рис. 3.2. Типичное сечение туннеля на 7 авеню (угол 23-й улицы) 1 – поверхность улицы; 2 – скальное основание; 3 – бетон или кирпич; 4 – проем в стене; 5 – водоупорное покрытие; 6 – поручень; 7 – дренажная труба; 8 – ложе существующих рельсовых путей; 9 – кабеленесущие трубы

Рис. 3.3. Двухярусный туннель на Лексингтон-авеню 1 – бетон или кирпич; 2 – проем в стене; 3 – поручень; 4 – дренажная труба; 5 – кабеленесущие трубы

87

Во втором типе туннелей стальные балки кровли заменяются железобетонными конструкциями (рис. 3.4, рис. 3.5 а). Арматурные прямоугольные стальные стержни толщиной 3 х 3 см укладываются в кровле на расстоянии 5-25 см друг от друга в зависимости от ожидаемой нагрузки. Круглые стержни диаметром 3 см связывают кровлю с боковыми стенами. Бетон, уложенный на арматуру кровли, имеет толщину 45-75 см и выступает ниже арматуры на 5 см. На рис. 3.3 показана конструкция такого типа для верхнего яруса двухярусной структуры туннеля. Однако, строительство железобетонных арок обычно усложняется необходимостью своевременного поддержания кровли, особенно при наличии слабых грунтов. Поэтому в подобных случаях вместо монолитной железобетонной центральной стены устанавливалась стальная конструкция (рис. 3.5 а, б). Третий тип конструкции туннеля применяется там, где существует давление грунтовых вод. Одно из таких наиболее сложных мест – это улица Канал-стрит. Здесь построен усиленный пол из стальных балок и бетона, противостоящий давлению воды (рис. 3.6). Прогнозируемый уровень воды в этом месте находился примерно на 4,5 м ниже уровня поверхности, но фактически он был обнаружен на глубине около 7,0 м. Однако, для сооружения туннеля на нужной отметке оказались необходимы земляные работы на глубину около 9,0 м в водонесущих песке и гравии. Район

Рис. 3.4. Полусекция туннеля, закрепленного железобетоном, на 4 авеню в Бруклине 1 – поверхность улицы; 2 – тротуар; 3 – галерея для труб; 4 – дробленый камень; 5 – кирпич на мастике

88

строительства в этом месте окружен существующими зданиями и потребовались большие усилия по поддержанию траншей, чтобы избежать сползания грунта.

Рис. 3.5. Туннель, закрепленный железобетоном, на Лексингтон-авеню а – сечение туннеля; б – альтернативная конструкция центральной стены; 1 – скальное основание; 2 – бетон или кирпич; 3 – проем в стене; 4 – водоупорное покрытие; 5 – поручень; 6 – дренажная труба

Севернее на углу Лексингтон-авеню и 128 улицы в подобных условиях для упрочнения пола применен железобетон (рис. 3.7). Решение о применении железобетона было принято также с учетом того, что туннель здесь проходит через неустойчивый слюдосодержащий гнейс.

Рис. 3.6. Усиленный пол, применяемый при большом давлении почвы или воды 1 – бетон; 2 – кирпич на мастике; 3 – водоупорное покрытие

89

В некоторых местах с тяжелыми геологическими условиями использовались усиленные металлические и бетонные конструкции (рис. 3.8). Конструкция двух других видов метротрассы будет описана далее в соответствующих разделах. На рис. 3.9 показаны типичные конструкции рельсовых путей метро на станциях и перегонах. Нью-Йоркское метро характерно применением двух типов поездов: локальных, останавливающихся на всех станциях, и экспрессов – останавливающихся только на основных станциях с наибольшими людскими потоками. Поэтому путевое развитие станций осложнялось необходимо-

Рис. 3.7. Двухярусный туннель на Лексингтон-авеню (угол 129-й улицы). Стальная рамная конструкция с усиленным полом 1 – бетон; 2 – кирпич на мастике; 3 – водоупорное покрытие; 4 – двутавровые балки; 5 – поручень; 6 – кабеленесущая труба

90

стью увязки путей обоих типов поездов, особенно на станциях, где двухярусные туннели переходят в одноярусные и наоборот, или где экспрессы и локальные поезда могли быть направлены с одного пути на другие в том же направлении [22,23].

Рис .3.8. Усиленная центральная стена на Лексингтон-авеню (угол 59-й улицы) а – железобетонная стена; б – альтернативная конструкция центральной стены; 1 – скальное основание; 2 – железобетон; 3 – бетон или кирпич; 4 – поручень; 5 – дренажная труба; 6 – проем в стене

3.2.2 Специфические строительные решения Вентиляция туннелей. Строительные решения предусматривали различные меры для того, чтобы избежать излишнего количества тепла, выделяющегося при эксплуатации метро, что случается особенно летом. Рельсовые пути разделяются стенами, чтобы поезда, идущие в одном направлении, шли по отдельному туннелю, проталкивая воздух вперед и наружу на поверхность через вентиляционные отверстия, которые делаются специально для этой цели. В случаях, когда строительные конструкции туннелей и станций полностью окружены водонепроницаемыми слоями, последние предотвращают рассеивание части тепла, издаваемого моторами, тормозами, трением, наличием боль91

ших масс людей. Поэтому проектировщики старались применить водонепроницаемые изолирующие покрытия только в необходимых случаях, в частности, в кровле структур или когда последние расположены ниже уровня грунтовых вод. В кровле туннелей делались зарешеченные отверстия, выходящие на тротуары, как правило, на полпути между станциями и по одному на каждом конце станции со стороны приближающегося поезда. Эти последние препятствуют образованию сквозняка, возникающего на платформе и лестницах при приближении поезда. Размеры и число таких отверстий на поверхности рассчитывались так, чтобы поток воздуха через решетки на тротуарах был едва замечен пешеходами. Для дополнительного проветривания туннелей в период работы метро предусмотрено строительство специальных камер вентиляторов, служащих также аварийными выходами на поверхность. С этой целью они располагаются примерно на полпути между станциями. Поскольку поршневого действия поездов достаточно для обеспечения нормального проветривания подземных объектов, вентиляторные установки используются только время от времени, когда этого требуют обстоятельства. Дренаж и водонепроницаемость. Как правило, водонепроницаемость подземных структур обеспечивается на станциях изоляцией кровли и стен, а в туннелях между станциями – только кровли и зависит от уровня грунтовых вод. В других местах осуществляется только самотечный дренаж с использованием пустотелых плитки, кирпича, дроблеРис. 3.9. Типичное устройство ного камня и труб. рельсового пути Для создания водонеа – на станциях; б – в других проницаемости подземных местах 92

объектов применялась специальная ткань, уложенная в 3-8 слоев в горячий асфальт и кирпич или плитка, уложенные на асфальтовой мастике. На линиях метро, где применяется дренаж, трубы укладывались в полу туннеля под центром каждого пути и вели к приемным колодцам камер, где были установлены автоматические насосы для откачки воды в канализацию. Вообще говоря, применялись два типичных метода обеспечения водонепроницаемости: - структуры расположены в грунте, где уровень воды выше их почвы. В этих случаях водонепроницаемость обеспечивалась для почвы и стен на высоту примерно 0,6 м выше уровня почвенных вод; - структуры расположены частично в скале и где уровень воды выше скалы. В этих случаях водонепроницаемость обеспечивалась, начиная с 0,6 м выше уровня воды и заканчивалась уровнем скального основания. В более общих случаях, когда после взрывных работ в скале устраивалась песчаная подушка для стены туннеля, водонепроницаемость достигалась укладкой кирпича стен на асфальтовой мастике. Когда уровень воды был ниже верха скального основания, меры по водонепроницаемости не применялись, кроме защиты кровли (рис. 3.5). В общем случае решения по водонепроницаемости туннелей принимались в соответствии с гидрогеологическими условиями. Так, на участке Лексингтон-авеню южнее 100 улицы, где туннель проходит по скальному основанию и полностью расположен выше уровня грунтовых вод, меры по водонепроницаемости совсем не применялись. С другой стороны, начиная со 102 улицы структуры метро расположены полностью в скале, однако вода здесь находится примерно на 3 м выше уровня почвы туннеля и станций. Поэтому в стенах и полу здесь уложен кирпич в мастике, а кровля покрыта слоем водонепроницаемой ткани (обычно 93

это войлок, пропитанный смолой) и двумя слоями кирпича в мастике. Электроснабжение. Как показано на различных сечениях туннелей, электрические линии смонтированы вдоль их стен в специально проложенных кабеленесущих трубах. Там, где возможно, линии подземного электроснабжения связаны с поверхностью, так что кабели могут быть проложены или извлечены через уличные колодцы. Если из-за стесненности уличной территории строительство последних было невозможно, кабели с поверхности в туннель прокладывали по специальным трубам. 3.3 Подготовка территории строительства 3.3.1 Выноска существующих коммуникаций Электрические кабели. При сооружении туннелей метро существующие кабели поверхности по возможности размещались в этих туннелях. Там, где позволяло место, туннель связывался с улицей специальными колодцами, рассчитанными на передвижение человека. Если это было невозможно из-за стесненности условий, поверхность с туннелем соединялась трубой, в которой прокладывались кабели. Газ. Одной из наиболее сложных задач, возникавших в ходе строительства являлось изменение направления газовых магистралей, что достигалось сооружением новых линий и остановкой эксплуатации существующих заглубленных труб на период земляных работ. Такое решение, конечно, требует новых временных подключений к зданиям, но зато устраняет опасность подземных утечек газа из труб, поврежденных взрывными и экскавационными работами, как это случилось на углу 5 авеню и 23 улицы. Когда главные газовые магистрали, пересекающие 94

траншею метро, не могли быть временно остановлены на период земляных работ, сооружались обводные трубопроводы над улицами и уделялось большое внимание их соединениям с магистралями. Эти соединения располагались на твердой поверхности во избежание соскальзывания или проваливания. Канализация. Обычно существующие канализационные линии располагались в центре улицы. Строительство метро поэтому предусматривало полную выноску таких линий и их замену двумя новыми на каждой стороне улицы. В Манхеттене канализационные магистрали располагаются в поперечных улицах на запад и восток к рекам Гудзон и Истривер. В то же время главные линии метро располагаются в продольном направлении – на север и юг вдоль авеню, перерезая все магистрали, поскольку последние располагаются ниже уровня кровли туннелей. Чтобы не нарушать нормальной работы канализационной системы, в продольном направлении север-юг параллельно туннелю метро между ним и линией застройки авеню строился новый коллектор, связывающий все существующие трубопроводы поперечных улиц. Поскольку этот коллектор размещался по одну сторону от метротуннеля, он легко принимал канализационные потоки от строений этой стороны авеню. Однако для приема канализационных потоков с противоположенной стороны, была необходима специальная магистраль, параллельная туннелю метро и несущая канализационный поток в место, где либо туннель погружается так, что этот поток может пройти над ним, либо топографические особенности рельефа земной поверхности позволяют канализационному трубопроводу пройти под туннелем и соединиться с главным коллектором. Во многих случаях, где туннелем метро пересекались крупные канализационные трубопроводы, их переход под туннелем осуществлялся сифонами, что обычно считалось нежелательным, но которые со времени постройки работа95

ют удовлетворительно (рис. 3.10), например, на пересечении 110 улицы и Лексингтон-авеню.

Рис. 3.10. Канализационный сифон под станцией метро на 110-й улице а – план; б – продольный разрез; в – сечение под станцией метро; 1 – поверхность улицы; 2 – станция метро; 3 – стена станции; 4 – старая канализационная труба; 5 – колодец обслуживания

Поперечные сечения некоторых канализационных коллекторов не являются обычными, но они определяются особыми условиями строительства (рис. 3.11). Примеры, приведенные в этом разделе, связанные с выноской коммуникаций, конечно, не исчерпывают всех сложностей строительства метрополитена в условиях плотной городской застройки. Однако, они дают представление о важности этой части работ и предпринимаемых усилиях по их исполнению. 3.3.2 Поддержание существующей структуры улиц Основным условием строительства метро в Манхэттене и под большинством улиц в Бруклине было сохранение движения по ним грузопотока. Это практически означало, что мощеная поверхность улиц и тротуаров должна была сниматься и заменяться временным деревянным настилом, 96

5

7

Рис. 3.11. Разрезы и сечения новых канализационных коллекторов а – продольный разрез по канализационному коллектору под станцией метро на 7 авеню и 30-й улице; б – сечение коллектора на Флэтбуш-авеню и улице Тиллари в Бруклине; в – сечение водостока над метро на Гудзон-авеню и улице Фултон в Бруклине; г – сечение двойного коллектора под туннелем метро; д – сечение коллектора на сваях в слабых грунтах; е – сечение коллектора на улице Дуан; ж – сечение коллектора на улице Леонард; 1 – поверхность улицы; 2 – станция метро; 3 – гранитные блоки; 4 – кирпич; 5 – водоупорное покрытие; 6 – сваи; 7 – металлические балки

97

под которым могли вестись земляные и строительные работы без вмешательства в нормальную жизнь улицы. Отверстия для доступа под настил в зону строительства находились в интервалах 90-150 м в верхней части города и около 300 м в нижней части. Почти на всех улицах Манхеттена, где строилось метро, улицы были заняты наземными рельсовыми путями с наземной или поднятой контактной системой. Эти транспортные средства также сохранялись на период строительства. Обычный порядок работ предусматривал вначале земляные работы на глубину около 1,0 м от поверхности улицы с одной стороны существующих путей с укладкой под них поддерживающих деревянных конструкций. После покрытия настилом одной стороны улицы подобные работы выполнялись с другой. Затем под этим настилом выполнялись земляные работы первого слоя с глубиной 3,0 - 4,5 м – практически глубиной обычных подвалов существующих зданий, стены которых формировали границы земляных работ. В очень широких улицах работы велись, конечно, не на полную ширину, но там, где дополнительные работы были не очень велики, строители предпочитали доводить ширину траншеи до фундаментов строений. Использование последних в качестве боковых опор облегчает применение конструкций, поддерживающих уличную поверхность. Работы первого слоя выполнялись, как правило, в наносах. Дальнейшие земляные работы второго слоя выполнялись либо также в условиях наносных грунтов, либо в скальном основании. Главная разница между ними заключалась в том, что при работе в грунтах необходимо поддержание стен траншеи, а в скальных породах – предотвращение сползания поддерживающих конструкций во время взрывных работ, поскольку скала в Нью-Йорке очень нестабильна, имеет слюдистые слои и плоскости скольжения. 98

На рис. 3.12 показана схема деревянной конструкции, поддерживающей уличную поверхность 1 и наземные рельсовые пути 2. Непосредственно под уличной поверхностью расположены три пары двутавровых балок 3. Поперечные деревянные балки 4, которыми поддерживаются рельсовые Рис. 3.12. Поддержание сущест- пути, подвешиваются на вующей структуры улицы над балках 3. Боковые поддвухярусным туннелем на Лексингтон-авеню (между улицами порки 5 и диагонали 6 также создают арочную 78 и 79) 1 – поверхность улицы; 2 – ложе поддержку для уменьшесуществующих рельсовых путей; ния опасности обрушения 3 – пары двутавровых балок; 4 – грунта при земляных рапоперечные деревянные балки; 5 ботах. На рис. 3.12 пока– боковые подпорки; 6 – диагозан также эффективный нальные связи; 7 – конструкция из метод обеспечения сводвутавровых балок; 8 – листовая бодного рабочего прообшивка; 9 – скала; 10 – грунт странства при ведении земляных работ в скальных породах при строительстве нижнего яруса линии метро. На рис. 3.13 показаны меры, принятые для поддержания уличной структуры 1, 2 при наличии плоскостей скольжения в скальных породах. Огражденные листовой обшивкой 3 несущие балки 4 высотой 1,2 м и длиной 45-60 м, были проложены вдоль тротуаров, а за них были подвешены деревянные конструкции 5. Несущие балки 4 предназначены в качестве дополнительной системы поддержки в случае сползания регулярной конструкции 6, опирающейся на не99

Рис. 3.13. Поддержание существующей структуры улицы для одноярусного туннеля на Лексингтон-авеню 1 – поверхность улицы; 2 – ложе существующих рельсовых путей; 3 – листовая обшивка; 4 – несущие балки; 5 – подвешенные деревянные конструкции; 6 – опорная конструкция

устойчивое скальное основание. Эта дополнительная система доказала свою пользу для создания достаточного рабочего пространства, а также для перемещения и замены опор 6. Недостатком описанной конструкции является большое пространство, занимаемое ею на поверхности улицы. В местах прокладки трассы метро, где туннель почти целиком располагается в наносах (в основном в нижней части Манхеттена) были необходимы более сложные поддерживающие системы. В этих случаях бока траншеи удерживались, в основном, деревянными щитами, а в траншее размещалась система деревянных вертикальных колонн и горизонтальных балок, а также подпирающие арочные системы. Для увеличения устойчивости применялись также стальные сваи, забиваемые в дно траншеи. На рис. 3.14-3.17 показаны характерные примеры работ по подготовке територии строительства. 3.4 Строительство туннелей типичных сечений 3.4.1 Открытый способ При проходке туннелей под улицами Нью-Йорка встречались трудности, связанные с неопределенностью природы скального основания. Практически под всем Манхеттеном залегает гнейс или слоистый кремний, изменяясь 100

Рис. 3.14 Схема подземных комуникаций на типичном перекрестке Нью-Йорка в прошлом веке

Рис. 3.15. Выноска трубопроводов с центра улицы на ее обочины для строительства туннеля метро

101

Рис. 3.16. Укладка временной обводной канализационной трубы

Рис. 3.17. Укладка прямоугольной водопроводной магистрали на кровле туннеля метро

102

от очень твердого до очень мягкого и несвязанного материала, содержащего много слоев, залегающих бессистемно, имеющих склонность к сползанию, требующих предельной бдительности при производстве земляных работ. Они были особенно сложны в условиях сохранения дорожного движения или эксплуатации зданий вдоль линии строительства. Строительство туннелей открытым способом отличалось большим разнообразием методов, что объяснялось либо изменчивостью условий строительства, либо персональным подходом строителей к решаемым вопросам. Так, в некоторых местах, скальное основание поднималось почти до уровня улицы (между 14 и 18 улицами). В других местах траншея метро располагалась в водонесущем грунте и песке (между улицами Перл и Гранд). В таких случаях приходилось применять специальные конструктивные решения для почвы туннеля. Этот же маршрут пересекал бывший пруд, когда-то снабжавший Нью-Йорк водой, а затем засыпанный для строительных целей. Природные трудности были усугублены сетью канализационных, водяных, газовых, паровых, пневматических труб, электрических линий, которые заполняли улицы. В некоторых местах существующие поднятые пролеты метро, заменяемые туннельной линией, нужно было временно подпирать, в других местах туннели подходили вплотную к фундаментам зданий. Поэтому одновременно с собственно строительством метро нужно было реконструировать подземные коммуникации и подвалы прилегающих зданий, поддерживая в некоторых случаях их стены. Так, на 4 авеню между Юнион-сквер и 33 улицей размещались два рельсовых пути для наземного электрического транспорта в центре проезжей части и пути для конки вдоль каждой обочины тротуара. Пути для конки были удалены без особых неудобств, но занимать центр улицы работами по рытью траншеи было практически нереально. Поэтому вдоль одной обочины были вырыты хорошо закреп103

ленные деревом колодцы с размерами в плане 2,5 х 3,0 м и проведены поперечные туннели с расстоянием около 10,0 м друг от друга к противоположной стороне улицы, образуя как бы 10-метровые секции вдоль трассы метро. На дне каждого такого туннеля была уложена постель из бетона, а на ней были сооружены тяжелые вертикальные подпорки, способные на этой стороне улицы удержать всю нагрузку от дорожного движения. Затем между этими подпорками были проведены экскаваторные работы от обочины тротуара до наземных рельсовых путей в центре улицы. Система продольных балок в траншее и поперечных балок к обочине тротуара создала как бы мост на одной половине улицы, под которым мог быть проложен туннель метро. Таким образом были построены более 40,0 м протяженности метро (4 секции), после чего описанные операции были проведены для противоположной стороны улицы. В дальнейшем этот метод был усовершенствован, что позволило производить работы на обеих сторонах улицы одновременно. По центру Бродвея между 60 и 104 улицами располагалась парковая полоса шириной 7,0 м, по сторонам улицы – рельсовые пути, а снаружи от них – проезжие части. Экскаваторные работы выполнялись полосой шириной около 3,0 м в проезжей части, оставляя между траншеей метро и тротуаром достаточное пространство для пропуска дорожного движения. На Лексингтон-авеню строители встретились со скальным основанием мощностью 8-10 м и шириной 12-15 м. После работ по поддержанию уличной поверхности был удален верхний слой траншеи будущего туннеля толщиной 3,54,5 м на полную длину участка строительства. Этот слой представлял собой в основном наносы. Таким образом, был открыт полный фронт работ, включая крепление стен траншеи, поддержку существующих коммуникаций и др. К основанию будущего туннеля была пройдена вертикальная шахта на каждой второй пересекаемой улице. От этой 104

шахты был сделан разрез на полную ширину работ второго слоя и затем от него выполнялись земляные работы в обоих направлениях. Отбитая порода от забоев транспортировалась к вертикальной шахте и по ней выдавалась на поверхРис. 3.18. Стадии выемки грунта ность мостовым краном. на Лексингтон-авеню Для поддержания стен а – продольнй разрез; б - план траншеи использовалась башенная крепежная конструкция (рис. 3.18), с которой рабочее пространство перекрывалось балками, уложенными на пол верхнего слоя траншеи, снимаемого первым. Затем забой в плане делился на три части примерно равной ширины. Сначала на 10,0-12,0 м подвигалиь два боковых забоя, затем взрывалась центральная (отстающая) часть. Такая поэтапная проходка защищала систему крепления траншеи от влияния взрывных работ. После общего подвигания забоя на 10,0-12,0 м возводилась следующая башня, с которой цикл крепления траншеи повторялся. На участке строительства станции Канал-стрит потребовалось изменение стока канализационных вод с запада на восток. Однако, проложить здесь трубы открытым способом было невозможно из-за напряженного дорожного движения и большого количества металлических колонн, несущих поднятые над землей структуры. Поэтому было принято решение о прокладке труб канализации в туннеле, который, однако, в этом месте проходил через тонкие зыбучие пески, и его проведение могло производиться только малыми заходками. С этой целью из забоя в кровлю туннеля домкратами продавливались связанные между собой консольные доски, образуя как бы щит, под которым могла вестись вы105 а)

б)

емка песка. Передние концы этих досок в свою очередь поддерживались металлическими консольными балками. Забой и бока туннеля также поддерживались досками. Между ними и песком укладывались ленты холста, перекрывавшие пространство между досками и удлинявшиеся по мере подвигания забоя. Туннель крепился постоянной крепью через каждые 0,3-1,4 м и максимальная скорость подвигания готового туннеля составляла около 4,0 метров в неделю. Как говорилось ранее, на многих участках метро потребовалось применение туннелей с почвой, закрепленной бетоном. Так, на участке между Бродвеем и 103-110 улицами под Центральным парком двухпутевой туннель проходил через слюдосодержащую скалу. При этом вначале был пройден передовой туннель с последующим его расширением. Работы проводились через две шахты и портал. Бурение в туннеле велось в восьмичасовую ночную смену, взрывы выполнялись ранним утром, а дневная смена удаляла отбитую породу через шахты и портал. На участке между 34 и 41 улицами на Парк-авеню скальное основание было очень неоднородным и коварным, а его слоистость могла привести к соскальзыванию слоев. Поэтому на северном и южном концах участка строительства были пройдены по 2 шахты – по одной на каждый туннель. Из этих шахт были пройдены вначале передовые туннели навстречу друг другу, после чего они были расширены до нужного сечения метро. Такое стадийное строительство потребовалось для предотвращения подработки поверхностных объектов. Однако, из-за весьма сложных геологических условий все же одним из туннелей несколько зданий было повреждено. Поэтому часть этого туннеля была заполнена щебнем и цементным раствором. Затем передовой туннель был снова проведен и, наконец, расширен до проектного сечения, причем работы по расширению выполнялись очень медленно, чтобы 106

уменьшить воздействие на земную поверхность. После сооружения постоянной крепи было снова произведено нагнетание цементного раствора в закрепное пространство. На рис. 3.19 и 3.20 показаны работы по строительству туннелей метро открытым способом.

Рис. 3.19. Работы по поддержанию надземной линии метро при строительстве туннеля

3.4.2 Подземный способ При проходке туннелей подземным способом даже в скальных породах хорошей устойчивости все же требовались специальные мероприятия по поддержанию кровли. На рис. 3.21 показан двухярусный двухпутевой туннель, который в условиях такой скалы еще до установки полного комплекса постоянной крепи закреплялся постоянной центральной железобетонной стеной с сооружением двух распорок, служащих впоследствии кровлей нижнего яруса. 107

Рис. 3.20. Земляные работы при строительстве туннеля открытым способом

Рис. 3.21. Поддержание кровли туннеля строительством центральной стены (Лексингтон-авеню)

В некоторых местах вначале проходился центральный верхний передовой забой, затем он был расширен в одну сторону на величину, достаточную для размещения постоянной металлобетонной крепи однопутевого туннеля. Затем расширение было выполнено для второго туннеля. При этом вершина центральной стены, формирующей границу арок кровли туннелей, была временно связана со сторонами туннелей, пока не была сооружена постоянная арка второго туннеля. Такой метод применялся, как правило, когда скальный грунт имел тенденцию к сползанию. 108

Рис. 3.22. Временная крепь одноярусного туннеля (Лексингтон-авеню)

В других подобных случаях Рис. 3.23. Стадии проходтребовалась временная дере- ки и временного креплевянная крепь. Хотя при этом ния двухярусного туннеля использовалась сегментная кон- (Лексингтон-авеню), I вариант струкция, арка сечения была настолько плоской, что почти все- а – первая стадия; б – вторая стадия гда устанавливалась одна или несколько поддержек ее центральной части (рис. 3.22). На рис. 3.23 и 3.24 показаны два варианта установки деревянной крепи в условиях очень неустойчивых пород, требующих мер по предотвращению сползания или сдвижения больших масс. В этих случаях разрыв между передовым и отстающим забоями был мал и вначале сразу устанавливалась крепь первой стадии. Во второй стадии две пары двутавровых балок располагались вдоль туннеля, перекрывая отстающий забой, которые соединялись с поперечными связями, чтобы обеспечить максимальную пространственную устойчивость крепи. На некоторых участках двухярусных туннелей вначале открытым способом проходился верхний ярус, после крепления которого сооружался нижний ярус. При этом, как 109

а)

Рис. 3.24. Стадии проходки и временного крепления двухярусного туннеля (Лексингтон-авеню), II вариант а – проходка и временная крепь при проведении передового забоя, I стадия; б – то же, II стадия; в – сечение расширенной части туннеля; г – проходка и временная крепь при расширении туннеля (продольный разрез); 1 – портал; 2 – передовой забой; 3 – расширяемая часть

б)

в)

г)

3

правило, не произошло никаких повреждений верхней структуры, за исключением одного или двух случаев, когда чрезвычайно затяжные и обильные осенние дожди вымывали из-под завершенной верхней части породу в зону земляных работ нижнего туннеля. При этом верхняя туннельная структура поддерживалась балками, которые перекрывали пространство с вымытым грунтом, куда в дальнейшем под большим давлением нагнетался цементный раствор. При этом за верхним туннелем велось тщательное наблюдение и в тех одном или двух случаях, когда в нем появились небольшие трещины, они также были зацементированы закачанным раствором. На рис. 3.25 А показан участок севернее 98 улицы, где располагалРис. 3.25. Переход от ся двухярусный двухпутевой тундвухпутевого двухнель. Здесь два верхних туннеля ярусного туннеля к разделились (рис. 3.25 B) и после четырехпутевому их достаточно большого отдаления одноярусному 110

друг от друга опустились на уровень двух нижних туннелей (рис. 3.25 C, D), создав общий четырехпутевой туннель. Начиная от шахты на 97 улице по направлению к северу, в первую очередь были проведены и закреплены металлобетонной крепью два нижних туннеля, затем два верхних туннеля были разведены в стороны. Такая поочередная проходка была необходима, поскольку из-за характера пород едва ли можно было бы избежать разрушений углов Х и У и удержания массы между ними при одновременной проходке верхних и нижних туннелей. На участке 102 улицы при работе в четырехпутевом портале (рис. 3.26) был применен метод, когда вначале проводиРис. 3.26. Проходка четырех- лась и крепилась одна сторона, рассчипутевого порта- танная на 2 пути, на расстояние около 25,0 м, а затем вторая, избегая земляных ла работ на полную ширину портала. В районе улиц Бродвей и Черч из-за их узости потребовалось строительство туннеля под зданиями, которые являлись частной собственностью. Здесь до значительной глубины 15,0-18,0 м залегал сравнительно сухой песок. Все нужные согласования домовладельцев были получены при условии, что под зданиями будут сооружены новые тяжелые фундаменты, под которыми, как под мостами будет проходить туннель метро. В связи с этим было признано необходимым строительство двух отдельных чугунных трубчатых туннелей. Эти две трубы вместе имеют длину около 370 м и потребовали около 4350 т чугуна. Метод проходки туннелей показан на рис. 3.27. Верхний передовой забой проходился при поддержании кровли 5-сегментным щитом 1 (рис. 3.27 а, б) путем его продавливания гидравлическими домкратами и временно крепился деревянными брусами 2, которые в свою очередь поддерживались сегментной деревянной крепью 3. Опережающая часть туннеля затем расширялась примерно до горизонталь111

ного диаметра. Для того, чтобы выполнить земляные работы ниже передового забоя, его крепь временно удерживалась на двутавровых балках 4 высотой 0,5 м, уложенных от почвы передового забоя до промежуточного порога в виде деревянных брусов толщиной 25 х 30 см (рис. 3.27 в). Чтобы надежно поддержать всю образовавшуюся верхнюю структуру деревянной крепи передового забоя, применялась так называемая пилотная балка 5, опирающаяся с заднего конца на конструкцию, расположенную на почве туннеля, а с переднего – на еще не извлеченную почву второго слоя туннеля ниже горизонтального диаметра. Пилотная балка изготовлена из секций длиной по 3,6 м, сделанных так, что задняя секция может быть отделена и затем болтами соединена с передней частью, перекрывая расстояние около

6

Рис. 3.27. Технология проведения туннеля секционным щитом с использованием пилотной балки а – стадии проведения передового забоя; б – расширение передового забоя до проектного сечения; в – продольный разрез туннеля в период проходки; 1 – секционный щит; 2 – деревянные брусы; 3 – сегментная деревянная крепь; 4 – двутавровые балки; 5 – пилотная балка; 6 – временная листовая обшивка; 7 – стальная свая

112

1,0 м. Общий груз, который несет пилотная балка оценивался в 33 т на 1,0 м длины, но рассчитывалась балка на удержание 130 т на 1,0 м длины, страхуя таким образом неопределенность и вероятную нестабильность нагрузки. Устойчивость всей крепежной структуры обеспечивалась также стальными сваями 7, установленными в почву туннеля. Деревянная затяжка боков туннеля оставлялась в ходе возведения чугунных сегментов будущего туннеля (рис. 3.28). Сегменты имели длину около 1,9 м, ширину 0,5 м и вес около 0,68 т. Общий вес чугунного кольца составлял около 10 т на 1,0 м туннеля. Прокладки между кольцами туннеля обеспечивали корректировку их установки и необходимые повороты туннеля. На рис. 3.29 показано строительство туннелей метро различной конфигурации.

Рис. 3.28. Туннель, закрепленный чугунной крепью 1 – кабеленесущие трубы; 2 – поручень; 3 – узлы соединения чугунных колец

3.5 Поддержание существующих объектов в период строительства и другие инженерные трудности При строительстве метрополитена в условиях плотной городской застройки Нью-Йорка требовалось, чтобы существующие здания при их подработке туннелем получали опору на скальное основание или, по крайней мере, их новые опоры находились на 0,6 м ниже самого низкого уровня 113

а)

б)

Рис. 3.29. Строительство туннелей метро различной конфигурации а – с арочной кровлей; б – с плоской кровлей

114

земляных работ, если скала не была встречена до этой глубины. Часто, когда необходимая для структур метро ширина экскавации требовала большей части ширины улицы, земляные работы первого слоя выполнялись сразу на всю эту ширину и на глубину подвалов зданий, обеспечивая легкий доступ к их фундаментам (рис. 3.30 а). Экскавация этого слоя толщиной примерно 3,0 м обычно выполнялась на всю длину проектного участка и за ней следовали работы по поддержанию существующих зданий прежде, чем предпринимались какие-либо другие операции. В этих случаях обычным решением было временное поддержание несущих стен здания поперечными двутавровыми балками, укладываемыми на почву первого слоя земляных работ (рис. 3.30 а) с последующим углублением фундаментов здания до скального основания, если оно не слишком глубоко расположено. В случаях, когда глубина скалы или требуемая глубина фундаментов были очень велики, для обычных зданий высотой 5-6 этажей обычно выполнялись специальные опоры бетонные колодцы. Выемка грунта для этих опор обычно производилась вручную из-за стесненности рабочего пространства. Колодцы опор крепились и затем заполнялись бетоном. В некоторых случаях вместо бетонных опор применялись трубчатые сваи, погружаемые в грунт, а затем заполненные бетоном. Эти бетонируемые колодцы имели размеры 0,6 х 0,6 м или 0,9 х 0,9 м и сооружались парами – один внутри, второй – снаружи поддерживаемого здания. Если вместо колодцев применялись трубчатые сваи, они имели диаметр 0,3 м, длину 1,2 м, удлинялись с помощью соединительных муфт и заполнялись бетоном. Верхушки бетонных опор или труб находились на 0,5-0,7 м ниже пола подвала здания. На них параллельно стенам здания укладывались двутавровые балки. Сквозь стены пробивались отверстия, через которые прокладывались короткие двутавро115

8 6

7

9

Рис. 3.30. Методы поддержания существующих объекто поверхности а – обычный способ поддержания поперечными балками; б – поддержание сваями и короткими поперечными двутавровыми балками; в – поддержание бетонными колодцами и балками между ними; г – поддержание консолями; д – поддержание сваей и двутавровыми балками; 1 – поверхность улицы; 2 – поддерживаемое здание; 3 – передняя стена; 4 – задняя стена; 5 – фронт земляных работ; 6 – консольные двутавровые балки; 7 - поперечные балки; 8 – двутавровые балки; 9 – свая, заполненная бетоном

вые балки, соединяющие балки, параллельные стенам (рис. 3.30 б). На одном из участков, где имелось здание среднего размера, опорные колодцы были доведены до скалы (или до нужной глубины). Затем их верхняя часть была расширена вдоль линии стен (рис. 3.30 в), как бы создавая клиновидную опору. Колодцы были заполнены бетоном, в котором были размещены усиливающие металлические стержни. Эти опоры находились на расстоянии 9,0-12,0 м друг от друга и пролеты между ними были перекрыты двумя металлическими балками, которые располагались в штробе, вырубленной в стене здания. 116

На одном из участков Лексингтон-авеню слюдосодержащая скала располагалась непосредственно под поверхностью, а земляные работы проводились близко от линии застройки. По этим причинам здесь возникла опасность сползания грунта прямо из-под здания. Для того, чтобы избежать этого, длинные двутавровые балки использовались как консоли, продвигаемые по мере подвигания фронта земляных работ. Этими консолями поддерживались поперечные балки, укладываемые под полом подвала здания от передней его стены к задней (рис. 3.30 г). Один из способов поддержания стены здания двутавровыми балками, опирающимися на сваю, заполненную бетоном, показан на рис. 3.30 д. Междубалочное пространство также заполняется бетоном, образуя таким образом общую поддерживающую структуру со сваей. На одном из участков линии метро вдоль Бродвея был применен метод связывания фундаментных колонн существующего здания с сооружаемой железобетонной балкой (рис. 3.31). Для этого вдоль каждой стороны колонн 1 снаружи и изнутри здания параллельно его фасаду на уровне пола подвала или сразу под ним укладывались двутавровые балки 2 или балки, связанные в ферму. Эти балки соединялись с существующими колоннами и продолжались на всю длину фасада здания. Вся конструкция бетонировалась и под ней проходились коРис. 3.31. Поддержание здания железо- прямоугольные лодцы 3 глубиной на бетонной балкой 1 – колонны существующего здания; 2 – 0,6-0,9 м ниже уровня двутавровые балки; 3 – бетонные колодцы структуры метро. Ко117

лодцы располагались между основаниями существующих колонн так, что грунт под последними не нарушался. Затем колодцы бетонировались. Если при проходке колодцев встречалась вода, в дно колодцев погружались сваи 4 ниже уровня воды, которые также заполнялись бетоном. Применялись два распространенных способа опускания этих свай: - использование гидравлических или винтовых домкратов, упираемых в здание над ними; - забивка свай механическим молотом, подвешенным через одиночный блок, прикрепленный к полу подвала здания над колодцем и приводимым в действие однобарабанным подъемником. Высота падения молота в этих стесненных условиях составила около 1,0 м, он направлялся вручную человеком, стоящим у сваи. Колодцы заполнялись бетоном с оставлением полости высотой 0,3-0,4 м до продольной железобетонной балки, под которой они проходились (рис. 3.31). В этих полостях после затвердения бетона располагались короткие поперечные двутавровые балки, которые затем расклинивались под продольными балками. После окончания всех работ эти короткие балки вместе с клиньями также бетонировались. На повороте туннеля от улиц Черч к Бродвею расположено четырехэтажное здание шириной около 10,0 м и длиной около 50,0 м (рис. 3.32). Для охраны здания от повреждения туннелем метро были пройдены 115 прямоугольных колодцев, часть которых поддерживала здание непосредственно, а часть – через поперечные балки над туннелем. За исключением части первого этажа и подвала на протяжении всего времени строительства туннеля здание находилось в эксплуатации. Шестиэтажное кирпичное здание на углу Бродвея и 17 улицы при строительстве туннеля удерживалось на балках и это хороший пример того, что описанный метод может быть применен и для тяжелых зданий. Длина участка, который 118

Рис. 3.32. Поддержание здания над поворотом туннеля 1 – обочина тротуара; 2 – кровля туннеля; 3 – бетонные колодцы; 4 – металлические балки

был поддержан, составлял около 8,0 м. Для обеспечения устойчивости здания его существующие опорные колонны были связаны деревянными конструкциями, соединенными с забетонированными колодцами в углах здания. В опорных колоннах последнего были прорезаны штробы и в каждой из них проложено по три двутавровых балки, перпендикулярных стене здания. Эти балки опирались на стальные рамы, сооруженные снаружи здания на колодцах и внутри на полу подвала (рис. 3.33). В ходе строительства потребовалось поддержать ранее построенные линии метро, поднятые над поверхностью и опирающиеся на кирпичные основания. В ходе строительства траншей эти основания было необходимо удалить. Поэтому сооружались специальные временные поддерживающие конструкции.

Рис. 3.33. Поддержание балками 6-этажного здания (угол Бродвея и 17 улицы) 1 – существующие опорные колонны здания; 2 – связи между опорами здания; 3 – двутавровые балки

119

Так, на существующей поднятой станции на углу 6 авеню и 42 улицы лестницы, ведущие вверх с поверхности к месту посадки пассажиров были расположены прямо над местом ведения экскаваторных работ и использовались большим количеством людей. Работы выполнялись на каждом из четырех углов станции одинаковым способом. Два узких колодца на расстоянии друг от друга около 12,0 м были вырыты и забетонированы по обе стороны каждой колонны, поддерживающей станцию. Затем на этих бетонных основаниях были смонтированы металлические балки с несущими колоннами, что дало возможность перенести вес существующей станции на новую конструкцию и выполнить после этого экскаваторные работы. Решения, принятые по охране существующих объектов при строительстве метрополитена, относились не только к зданиям, возвышающимся над трассой, но и к тем, подвалы которых располагались ниже уровня поверхности. Так например, чтобы сохранить здание газеты «Нью-Йорк Таймс», металлические колонны последнего проходили сквозь станцию метро, независимо от ее конструктивных структур. Особенностью строительства, привлекшей особое внимание общественности, была поддержка памятника Колумбу вблизи юго-западного входа в Центральный парк в Манхэттене (рис. 3.34). Здесь туннель метро проходит, перерезая фундамент памятника [24]. Узкая каменная стена, увенчанная статуей прославленного мореплавателя, расположена на заглубленном в землю пьедестале. Полная высота памятника составляет 23,0 м над уровнем улицы и он весит почти 700 тыс. т. Монумент имеет каменный насыпной фундамент с размерами в плане 14,0х14,0 м и глубиной 4,3 м. Туннель метро проходит под восточной стороной фундамента в пределах 0,9 м от центра, уменьшая примерно на 1/3 его несущую способность.

120

Рис. 3.34. Общий вид памятника Колумбу в Нью-Йорке и статуя мореплавателя на его вершине

Строительство туннеля сделало необходимым поддержать монумент таким образом, чтобы его высокая стела не отклонилась, камни пьедестала не потрескались, а швы кладки не раскрылись при больших напряжениях, которые должны были возникнуть, когда треть каменного основания 121

удаляется почти до его центра. Такая задача была бы непростой и рискованной при любых обстоятельствах, но стала еще более трудной и опасной из-за неопределенного поведения пересекаемых горных пород. Особая опасность заключалась в том, что только один дальний угол фундамента, расположенный диагонально по отношению к туннелю метро, опирался на скалу, остальные располагались на грунте и песке. Поверхность скалы уходила очень круто под туннель таким образом, что, когда в нем велись бы земляные работы, равновесие спрессованного грунта могло быть нарушено несбалансированным давлением, особенно во влажную погоду. Это могло привести к выскальзыванию грунта из-под фундамента памятника. Даже легкое и безобидное воздействие на монумент вызвало бы несчастье. Подобно чувствительной игле, высокая стела отвечает дрожанием и отклонением от вертикали даже на самые незначительные смещения основания. Описанные тяжелые обстоятельства требовали не только высокой степени надежности работ, но и выполнения коммерческих условий – скорости, простоты и экономичности. На первой стадии (рис. 3.35 а) была углублена центральная часть существующего фундамента 1 монумента 2 так, чтобы она была глубже уровня почвы будущего туннеля метро 3. Такое решение позволило предотвратить соскальзывание почвы 4 по наклонной поверхности скалы 5. Необходимо было также поддержать угол фундамента, подрезанный и подработанный туннелем метро, чтобы последний мог принять нагрузку нависающей части старого фундамента. С двух сторон монумента – южной и северной – на расстоянии более 15,0 м друг от друга были пройдены вертикальные шахты-колодцы глубиной 7,6 м, соединенные коротким туннелем 6, кровля которого располагалась под бетонной плитой фундамента памятника, а почва совпадала с 122

запад

восток

Рис. 3.35. Этапы сооружения туннеля метро под монументом Колумбу

123

Рис.3.35. Этапы сооружения туннеля метро под монументом Колумбу (продолжение) а – проходка временного туннеля; б – временные меры по поддержанию монумента; в – завершенный комплекс; 1 – существующий фундамент; 2 – монумент; 3 – контур будущего туннеля метро; 4 – почва и песок; 5 – скала; 6 – временный туннель; 7 – слой бетона во временном туннеле; 8 – деревянные стойки крепи временного туннеля; 9 – временная траншея; 10 – горизонтальная галерея; 11 – деревянная крепь галереи; 12 – стальные балки; 13 – каменная структура с последующей цементацией; 14 – завершенный туннель метро; 15 – тротуар; 16 – проезжая часть; 17 – рельсовые пути наземного транспорта; 18 – водопроводная магистраль

124

почвой будущего туннеля метро. Восточная стена этого короткого туннеля являлась западной стеной будущего туннеля метро. На полу пройденного туннеля был уложен слой бетона 7, на который устанавливались вертикальные деревянные стойки 8, расклиненные, чтобы поддержать фундамент. Затем туннель от середины к концам был заполнен каменной кладкой, что образовало как бы единую массивную каменную балку, поддерживающую фундамент памятника по всей ширине при строительстве туннеля метро (рис. 3.35 б). После этого с восточной стороны монумента была вырыта траншея 9 глубиной 3,0 м, обнажившая верхнюю часть его фундамента. Из траншеи в каменную структуру фундамента была врезана горизонтальная галерея или щель 10 высотой 1,8 м и длиной около 8,0 м. На ее полу были установлены временные вертикальные деревянные стойки 11, расклиненные, чтобы поддержать кровлю – нависающую часть старого фундамента. С каждой стороны галереи вплотную к фундаменту были пройдены колодцы с забетонированной почвой, образовавшей часть будущего пола туннеля метро. На этом бетонном дне были установлены связанные группами деревянные колонны, на которые опирались концы стальных балок 12, образовавших как бы мост, под защитой которого могла бы осуществляться проходка туннеля метро. Стальные клинья вводились между верхом балок и кровлей галереи до тех пор, пока они приподняли всю массу фундамента монумента на доли сантиметра и передали вес его нависающей толщи на стальные балки и деревянные колонны в колодцах. Это позволило удалить внешнюю восточную сторону фундамента, включая его части над и под галереей, врезанной в него, а также установленные в ней временные деревянные стойки. Под защитой моста, образованного стальными балками, был пройден туннель метро, в котором остались стоять деревянные стойки – колонны, на которые эти балки опира125

лись. Вдоль балок, снаружи от них была сооружена стена, опирающаяся на металлобетонную кровлю туннеля метро. Стальные клинья, распертые между этой стеной и фундаментом памятника, передали его вес на стену, позволив таким образом высвободить металлические балки и деревянные стойки, на которые они опирались. Освободившееся пространство было заполнено каменной кладкой и жидким цементом, заполнившим пустоты и затвердевшим, как камень (рис. 3.35 в) 13, обеспечивая надежную опору памятника на завершенный туннель метро 14. После этого были восстановлены тротуар 15, проезжая часть 16 и рельсовые пути существовавшего в то время наземного рельсового транспорта 17. При работах была сохранена водопроводная магистраль 18. При выполнении комплекса описанных работ должна была соблюдаться четкая последовательность операций с небольшим числом рабочих, занятых одновременно. Работа заняла около 6 недель и потребовала участия квалифицированных инженеров и опытных строителей с большим искусством выполнивших проект, никогда ранее не предпринимавшийся. Другим примером трудного инженерного решения является расширение одного из участков туннеля метро, который представлял собой прямоугольный бетонный короб шириной 8,5 м, высотой 5,2 м, длиной 91,0 м, весящий около 2,7 тыс. т. Он был построен в открытой траншее, которая еще не была заполнена грунтом, когда было решено вместо двух путей разместить в нем три (рис. 3.36). Бетонный короб представлял из себя металлобетонную конструкцию, в которой рамы, состоящие из колонн и балок перекрытия 1, располагались на расстоянии 1,5 м друг от друга. Для размещения третьего пути было решено раздвинуть стены короба на 1,7 м от центра в каждую сторону и соорудить между ними и старыми кровлей и почвой мета126

ллобетонные полосы для создания нового туннеля с той же осевой линией. запад

восток

Рис. 3.36. Расширение сечения участка туннеля метро с двухна трехпутевое 1 – перекрытие существующего туннеля; 2 – траншеи; 3 - деревянные распорки; 5 – разрезы существующей бетонной структуры; 6 – домкраты; 7 – бетонный пол

При выполнении этой задачи вдоль каждой из стен существующего туннеля были вырыты траншеи 2 шириной по 2,1 м, в которых были забетонированы полы нового туннеля и фундаменты под новые места стен. Поскольку туннель был расчитан только на внешнее давление, его элементы потребовалось закрепить деревянными распорками 3 и обвязать канатами 4 внутри и снаружи, придавая элементам конструкции туннеля жесткость, чтобы противостоять временным напряжениям и перекашиванию конструкции. По всей длине этого участка туннеля были сделаны горизонтальные разрезы в почве с восточной стороны и в кровле – с западной 5. Здесь же были рассоединены балки и колонны так, чтобы разделить структуру на две почти равных части: одну, включающую в себя кровлю, восточную 127

стену и центральные колонны, вторую – включающую западную стену и почву. Западные концы балок кровли были подняты на несколько сантиметров винтовыми домкратами поворотом кровли и восточной стены вокруг основания стены, как вокруг оси. При этом центральные колонны, жестко связанные с балками кровли, поднялись на такую высоту, чтобы разместить под ними стальную плиту с рельсовыми путями нового расположения. Затем подобным же образом были подняты восточные концы балок кровли. При обратном повороте кровли вокруг оси, была поднята восточная стена на высоту достаточную, чтобы вставить под нее плиту с рельсовыми путями нового расположения. Плита укладывается на бетонный пол восточной траншеи снаружи существующего туннеля. Пятьдесят пятитонных винтовых домкратов 6 были установлены на дне туннеля для передвижки восточной стены и центральных колонн и двадцать пять человек поочередно проворачивали винты на четверть оборота одновременно по сигналу, постепенно протолкнув за два дня кровлю, восточную стену и центральные колонны на 1,7 м на восток со скоростью примерно 1 см в минуту. Для того, стобы это движение было упорядоченным, из конца в конец туннеля была протянута маркировочная проволка на расстоянии 2,5 см (1 дюйм) от стены и каждый рабочий мог контролировать продвижение стены каждый раз, когда он поворачивал винт домкрата. Затем был сделан разрез вдоль западной стены, отделяя ее от пола. Она была зажата деревянными стойками, обеспечивающими ее устойчивость. Домкратами эта стена была приподнята и под нее также была введена плита с рельсовыми путями будущего метро. Затем западная стена была отодвинута на 1,7 м на запад по бетонному полу траншеи 7. Просветы, образовавшиеся в кровле туннеля после раздвижки стен, были закрыты дополнительными балками и 128

забетонированы. После окончания работ траншея, в которой был установлен короб туннеля, была засыпана грунтом до уровня улицы, а временные деревянные конструкции внутри туннеля были удалены. Работы выполнялись 40 строителями, было сэкономлено 6000 долларов, что в ценах того времени было весьма значительной суммой. Метод разрабатывался самими рабочими, которые даже не были проходчиками туннелей, но имели многолетний опыт возведения больших мостов, кровель и высоких стальных сооружений и обладали достаточно высокой квалификацией, чтобы предпринять такую трудную и необычную работу, требующую искусства, изобретательности и находчивости. 3.6 Подводные туннели 3.6.1 Туннели под рекой Гарлем Далее описаны технологические схемы строительства туннелей под реками Гарлем (І и ІІ очередей строительства в г. Нью-Йорк) и под рекой Детройт в одноименном городе (штат Мичиган). Погруженный в воду реки Гарлем участок метро І очереди строительства длиной около 200 м состоял из двух сдвоенных чугунных цилиндров, каждый на один путь, диаметром около 5,0 м, которые внутри и снаружи были покрыты слоями бетона. Подходы к туннелю с обеих сторон вмещали два пути и были закреплены бетонными арками. Дно реки Гарлем в месте пересечения туннелем состоит из грязи, ила и песка, которые так близки по своим свойствам к жидкости, что могут быть удалены водяными струями. Максимальная глубина экскавации речного дна была около 15,0 м. Вначале была вырыта траншея шириной около 15,0 м и глубиной 12,0 м ниже уровня воды, но на 3,0 м выше почвы туннеля. Затем с каждой стороны траншеи 129

были забиты 3 ряда свай на которые была опущена крыша, покрытая грунтом, формирующая таким образом кровлю кессонной камеры. В камере было создано избыточное давление воздуха и произведена выемка оставшейся части (около 3,0 м глубины) грунта дна реки, необходимая для установки чугунных цилиндров туннеля. Подобным же образом были построены подходы к туннелю. Грунт из кессонной камеры выдавался через воздушные шлюзы. После завершения выемки грунта была установлена нижняя половина чугунных цилиндров, которые впоследствии бетонировались. Для установки верхних полуцилиндров между свайных стен в реке был сооружен понтон шириной около 11,0 м, длиной 32,0 м и глубиной 3,6 м. На палубе понтона были собраны верхние половины чугунных цилиндров. Затем понтон был частично погружен и разделен по центру, и каждая его половина вытянута из-под плавающих чугунных полуцилиндров по направлению от середины к концам. Полуцилиндры, закрытые снизу и с концов перегородками, остались при этом на плаву. Затем они были затоплены и тщательно установлены на нужное место. Связь подводных цилиндров туннеля с прибрежными секциями выполнялась водолазом, который входил в цилиндр через шлюз. Методы, использованные при строительстве туннеля ІІ очереди под рекой Гарлем в Нью-Йорке и под рекой Детройт в одноименном городе подтвердили практичность погружения трубчатых секций туннеля с поверхности по сравнению с проходкой последнего под рекой щитовым методом. Если в туннеле І очереди под рекой Гарлем расположено 2 пути, то туннель ІІ очереди был рассчитан на 4 пути. Внутренний диаметр каждой трубы Гарлемского туннеля составляет 5,0 м, Детройского – 6,0 м. Стальные трубы секциями по 4 трубы монтировались на берегу (рис. 3.37 а), их концы закрывались для обеспечения плавучести. Отсюда 130

а

б

в

г

Рис. 3.37. Этапы сооружения подводного туннеля на реке Гарлем а – завершенная секция туннеля; б – буксировка к месту установки; в, г – затопление секций

они буксировались к нужному месту реки, в дне которой заранее была выкопана траншея нужной глубины (рис. 3.37 б). Затем трубы были наполнены водой и затоплены (рис. 3.37 в, г), а также забетонированы снаружи. После откачки воды бетон был уложен внутри труб (рис. 3.38). Такой метод позволил избежать кессонных работ, хотя водолазы, конечно, использовали его в ограниченных количествах. Туннель реки Гарлем был по длине разделен на 5 секций, четыре по 67,0 м длиной и одна 62,0 м. Таким образом, общая длина туннеля составила 330,0 м. На рис. 3.39 показана конструкция, связывающая трубы в единую секцию. Бетонная перегородка между трубами усиливается металлическими стержнями с квадратным сечением 2,5 х 2,5 см. Продольные стержни расположены в стенах с интервалами 0,3 м. Такое усиление, возможно, было излишним, но в связи с новизной конструкции было принято в целях дополнительной подстраховки.

131

Перед буксировкой секций две наружных трубы плотно закрывались с обоих концов (рис. 3.39), а во внутренних трубах концевые перегородки были подняты только на высоту 1,2 м. Это обеспечило достаточную плавучесть секРис. 3.38. Конструкция секции ций во время их букситуннеля ровки к месту установки. 1 – дно реки; 2 – стальная оболочВ Детройте секции ка; 3 – бетон; 4 – кабеленесущие после монтажа просто трубы соскальзывали с берега в воду, как это делается при спуске кораблей. На реке Гарлем, однако, было признано более целесообразным, подобно туннелю І очереди строительства, монтировать секции на открытой платформе на воде. Затем платформа буксировалась к месту установки и во время прилива и подъема уровня воды выдергивалась из-под установленной на ней сек-

А

Рис. 3.39. Детали герметизирующих перегородок секций туннеля 1 – уровень реки при буксировке структуры; 2 – то же после ее заполнения водой; 3 – воздушные камеры; 4 – воздушные и водяные клапаны

132

ции, оставляя трубы плавающими. Метод погружения секций туннеля достаточно прост: клапаны в герметических перегородках двух наружных труб открывались, позволяя им наполняться водой. Скорость погружения контролировалась этими клапанами. Две внутренние трубы оставались открытыми. Избыток веса, преодолевающий плавучесть, удерживался плавающими стреловидными кранами на каждой стороне реки во время погружения (рис. 3.40). Общий вес конструкРис. 3.40. Плаваю- ции, оборудованной для погружения, составлял 646 т. Она наполнялась вощее оборудование для затопления дой за 1 час. Размер А на рис. 3.39 в секций ходе затопления секций изменялся от 1,6 м до 9,2 м. Еще один туннель через реку Гарлем был пройден щитовым методом под рекой из-за необходимости увязки по высоте с пересекаемой существующей весьма загруженной железнодорожной трассой, состоящей из пяти путей. Уровень рельсов метро здесь расположен ниже рельсов поверхности на 12,0-15,0 м. Вначале в этом месте предполагалось строительство метро открытым способом, но острый угол пересечения с железнодорожными путями, глубина и характер грунтов заставили отказаться от этого рискованного решения. Окончательно был принят метод, показанный на рис. 3.41. Вначале были пройдены три передовых туннеля, закрепленные временной деревянной крепью, причем центральный – значительно выше двух боковых. Высота этих туннелей определялась размещением постоянных бетонных стен будущего туннеля метро: боковых – в боковых передовых туннелях, центральной – в центральном передовом 133

Рис. 3.41. Бетонирование постоянных стен в предварительно пройденных передовых туннелях 1 – временная крепь передовых туннелей; 2 – постоянная крепь

туннеле. Породы, встреченные при проходке передовых туннелей, были, в основном, скальными, однако высота скального слоя была ниже кровли передовых туннелей и поэтому приходилось поддерживать слабый грунт в их кровле и взрывать крепкую скалу в остальном сечении. После проходки передовых туннелей были возведены бетонные стены будущего туннеля метро, а дальнейшая выемка породы кровли осуществлялась сдвоенным проходческим щитом (рис. 3.42). Секции щита продвигались независимо друг от друга, последовательно продавливаясь в породы кровли, перекрывая друг друга по длине выработки [23].

Рис. 3.42. Сдвоенный щит кровли для проходки подводного туннеля (р. Гарлем) а – поперечное сечение; б – продольное сечение режущей кромки

134

3.6.2 Туннель под рекой Ист-Ривер Двумя парами туннелей под Ист-Ривер были обеспечены дополнительные связи между линиями метро в Манхеттене и Бруклине. Туннели проходились щитовым способом, но при этом были две особенности, которые могут привлечь внимание. В некоторых местах кровля туннеля была настолько близка к дну реки, что это потребовало дополнительного уплотнения дна. Обычный метод предполагает в таких случаях формирование слоя глины на дне над участком прохождения метротуннеля. Однако, в данном случае из-за близости океана приливные течения обладали таким сильным смывающим действием, что проблема удержания глиняного одеяла оказалась одной из наиболее сложных. Поэтому вначале на дно реки был уложен сравнительно тонкий слой глины над туннелями. На этот слой и по бокам от него был уложен дробленый скальный грунт от многочисленных земляных работ по строительству линии метро, в частности, от рытья траншеи на реке Гудзон. Его толщина варьировалась от 1,5 до 4,5 м. Общая длина такого участка составила около 40,0 м. Созданное «одеяло» оказалось почти непроницаемым для воды, когда туннели были пройдены. На рис. 3.43 и 3.44 (см. цв. вкладку) показаны несколько архитектурных решений подземных станций НьюЙоркского метрополитена. 3.7 Надземные линии метро 3.7.1 Стальные конструкции Подземная прокладка линий метро производилась в центральных районах с плотной городской застройкой. Наоборот, в отдаленных районах предпочтение отдавалось надземным линиям. Последние могут выполняться с откры135

а)

б)

Рис. 3.43. Подземные станции метро

тыми металлическими полами пролетов и с полами, покрытыми бетоном для уменьшения уровня шума при движении 136

поездов. Это решение, однако, существенно увеличивает стоимость работ. Из-за меньшей стоимости надземных линий с открытым полом такая конструкция была принята для большинства отдаленных районов. Надземная линия, как и подземные, состоит в большинстве случаев из трехпутевой конструкции, обеспечивающей два пути для локальных поездов, останавливающихся на каждой станции, и центральный путь для экспресс-поездов, которые в часы-пик останавливаются только на узловых станциях. Для опорных башен трассы была принята двухколонная конструкция, как наиболее экономичная и применимая везде, кроме особых случаев, - например на станциях, где путевая структура расширяется и поэтому необходимы четыре колонны. При двухколонной опорной башне применяются две позиции колонн (рис. 3.45): - на проезжей части дороги; - на обочине тротуара. Поскольку любые препятствия на проезжей части – источник опасности для движения, желательно проезжую часть держать свободной от колонн. С другой Рис. 3.45. Расположение костороны, на широких улицах лонн надземного метро строительные материалы, а – два возможных расположеконечно, экономятся при ния колонн на улицах обычной ширины; б – расположение ко- расположении колонн на проезжей части. Положенилонн на широких улицах; 1 – колонны на проезжей части; 2 – ем колонн определяются колонны на обочине тротуара стоимость, внешний вид и 137

препятствия уличному движению. На рис. 3.45 показаны два варианта конструкции поперечного сечения опорной башни. По одному из них (рис. 3.45 а) колонны устанавливаются непосредственно под наружными продольными несущими балками. В этом случае расстояние между осями колонн в башне составляет 9,4 м. При ширине проезжей части 18,0 м, наиболее часто встречающейся на улицах Нью-Йорка, пространство между обочиной тротуара и колонной в этом случае не превышает 4,1 м, что по существующим правилам, позволяет пропустить только один ряд дорожного движения, поскольку для двух рядов, соседствующих с пешеходным потоком, требуется не менее 4,5-5,0 м. Между колоннами опорной башни такого типа может пройти 2 ряда движения и тогда в целом проезжая часть может пропустить только 4 ряда. На рис. 3.45 б показан вариант расположения колонн в опорной башне по осям рельсовых путей. В этом случае расстояние между осями колонн составляет 7,9 м, что согласно действующим нормативам, вполне позволяет разместить 2 ряда движения. Расстояние между колонной и обочиной составляет 4,9 м, что также позволяет разместить 2 ряда. Итого в проезжей части при таком расположении колонн размещается 6 рядов дорожного движения. Подобные соображения рассматривались также при других значениях ширины улицы, проезжей части и расстояния между колоннами в опорной башне. Сохранение пропускной способности улицы считалось наиболее важным фактором при выборе конструкции опорной башни. На рис. 3.45 а пунктиром показан вариант расположения колонн на тротуаре. Исключая местные особенности, в общем случае расстояние между опорными башнями вдоль надземной трассы метро определялось экономическими факторами.

138

На рис. 3.46 и 3.47 (см. цв. вкладку) показаны металлические опоры надземной линии метро, а на рис. 3.48 (см. цв. вкладку) – виды надземных станций.

Рис. 3.46. Металлические опоры надземной линии метро

3.7.2 Железобетонные конструкции Часть надземной структуры в Квинсе – одном из районов Нью-Йорка – построена в монолитном железобетоне. Эта секция длиной 1300 м – одна из главных артерий, связывающих Нью-Йорк с островом Лонг-Айленд. Она была выполнена в восточном стиле и рис. 3.49 дает представление о ее внешнем виде. Рис. 3.50 показывает продольное и поперечное сечения главной арки и опор. Конструкция одной из трех станций, имеющихся на этой железобетонной секции, показана на рис. 3.51.

Рис. 3.49. Общий вид надземной железобетонной секции метро на Квинс-бульваре

139

Рис. 3.50. Сечения надземной железобетонной секции метро а – продольное сечение; б – поперечное сечение

Рис. 3.51. Конструкция станции на надземной железобетонной секции

На рис. 3.52 (см. цв. вкладку) показаны линии метро на железобетонных опорах. 140

3.8 Некоторые современные технологические решения строительства метро мелкого заложения Как представляется авторам, кроме описания проблем, которые были преодолены строителями метро в прошлом веке, современному читателю будут интересны новые технические решения, применяемые сегодня при строительстве метрополитена мелкого заложения [25-27]. В Канаде строительство туннелей открытым способом ведется следующими двенадцатью последовательными шагами (рис. 3.53 а,б): 1 - переносятся существующие подземные коммуникации, мешающие строительству; 2 - через 2-3 м вдоль трассы строительства бурятся скважины для установки свай; 3 - в пробуренных скважинах устанавливаются и бетонируются сваи; 4 - после установки свай по обе стороны будущей линии метро между ними удаляются дорожное покрытие и первый метр грунта. Существующее дорожное движение переносится на другую сторону улицы или на другие улицы; 5 - между сваями поперек котлована устанавливаются балки, которые после покрытия их деревянным настилом будут нести нагрузку дорожного и строительного движения; 6 - когда земляные работы достигают глубины, где уже может быть установлено оборудование, работающее под балками, последние покрываются деревянным настилом, позволяющим возобновить дорожное движение; 7 - по мере углубления будущей линии метро стены котлована крепятся деревянной обшивкой и металлическими трубами, распертыми между стенами; 8 - после достижения проектной глубины котлована заливается бетонный пол. Это создает твердую плоскую по141

верхность, позволяющую начать сооружение железобетонного короба метро; 9 - устанавливается и заливается бетоном металлическая арматура, связывающая в единую конструкцию стены и пол;

Рис. 3.53 а. Последовательность строительства туннелей открытым способом в Канаде

142

Рис. 3.53 б. Последовательность строительства туннелей открытым способом в Канаде

10 - стены заливаются бетоном с использованием скользящей опалубки. Бетон заливается между нею и деревянной обшивкой временного крепления стен котлована. По 143

мере затвердения бетона скользящая опалубка передвигается к следующему сегменту котлована; 11 - после завершения короба метро пустоты между ним и котлованом засыпаются уплотняемым грунтом. Сооружаются в окончательном положении инженерные коммуникации. Восстанавливаются улицы и тротуары. Производится благоустройство района; 12 - в туннеле метро устанавливается путевое хозяйство, необходимое транспортное и вспомогательное оборудование. В Японии метрополитены мелкого заложения строятся в следующей последовательности. 1) подготовка к строительству: - определение расположения подземных трубопроводов газа, воды, канализации, электрических, телефонных, других сетей и их выноска из зоны строительства; - временная пересадка деревьев и кустов; - перестановка дорожных знаков, ограждений, указателей и др.; - сужение проезжей части улиц и части тротуаров для обеспечения необходимой зоны строительства; - демонтаж существующего дорожного покрытия и укладка временного дорожного полотна из стальных конструкций, накрытых стальными листами или бетонными плитами. 2) строительство стен в грунте: - бурение скважин (рис. 3.54 а), заполнение их густым укрепляющим стены известковым раствором, проникающим на глубину. Установка в скважинах стальных Нобразных конструкций; - разработка экскаватором глубокой траншеи, соединяющей скважины, установка в ней стальных Н-образных конструкций и наполнение бетоном для создания стены в грунте, которая будет использоваться в будущей структуре метро; 144

Рис. 3.54. Стадии строительства метро мелкого заложения а – бурение передовых скважин; б – производство земляных работ; в – монтаж железобетонных конструкций; г – восстановление комплекса поверхности

3) основной объем строительных работ: - производство земляных работ в общем объеме будущей структуры метро, вначале вручную до достижения подземных коммуникаций, не вынесенных по разным причинам заранее, а затем – с использованием машин (рис. 3.54 б); - использование Н-образных стальных конструкций для удержания грунтовых стен от сползания; - подвеска обнаруженных в ходе земляных работ подземных коммуникаций на балках и канатах; - после выполнения земляных работ на полную глубину возведение котлована железобетонных конструкций структуры метро (рис. 3.54 в). Вначале монтируются стены, затем пол нижнего яруса; 4) заключительный период строительства: - после завершения строительства (рис. 3.54 г) восстановление до первоначального состояния дорожного полотна. Пространство над верхним ярусом структуры заполняется смесью грунта, снятого в начале строительства, с водой и цементом или другим уплотняющим материалом. Временное дорожное покрытие удаляется, вынесенные сети инфра145

структуры восстанавливаются, проезжая часть и тротуары возвращаются к прежнему виду, устанавливаются дорожные знаки, ограждения, указатели. Особые трудности возникают при прокладке метротрасс мелкого заложения под автомобильными магистралями, железнодорожными насыпями, аэродромами или строениями, что связано с большими объемами земляных работ и нарушением нормальной деятельности пересекаемых объектов. Современные методы домкратного продавливания туннельных конструкций позволяют избежать этих недостатков, для чего применяется продавливание: - цельного короба будущего туннеля; - отдельных модулей конструкции, поддерживающей пересекаемую структуру; - поддерживающих элементов, соединенных сериями, или раздельных; - арочной конструкции. Первый метод представляет собой продвижение домкратами прямоугольного (или другой формы) короба (рис. 3.55 а). Структура, которая должна быть установлена, сооружается обычно из железобетона на специальном основании, с которого она проталкивается горизонтально вперед, внедряясь в грунт. Его выемка производится внутри короба. Такая технология часто используется там, где существующая автомобильная или железнодорожная пересекаемая трасса расположены на насыпи и поэтому имеется место для складирования вынимаемого грунта. Существуют варианты этого метода, использующие короткие элементы короба, соединяемые затем в общую структуру. Модульный метод состоит в создании опор для мостовой структуры, поддерживающей пересекаемый объект. При этом связанные вертикальные элементы конструкции – опоры будущего моста – продавливаются горизонтально в нужную позицию (рис. 3.55 б). Затем покрытие-пролет мос146

Рис. 3.55. Современные методы продавливания туннелей а – продавливание цельного короба; б – продавливание отдельных модулей туннельной конструкции; в – продавливание отдельных элементов

та устанавливается с поверхности на весьма ограниченном пространстве. Балки покрытия размещаются на продавленных заранее опорах, а затем внутри сформированного таким образом короба производится выемка грунта. При этом способе нарушение нормальной работы пересекаемого объекта минимальны, а относительно малые размеры модулей требуют меньшей мощности домкратов, чем заранее сооруженный цельный короб. Метод поддерживающих элементов (опережающей крепи) заключается в продольном продавливании (направление продавливания совпадает с осью продавливаемого элемента) связанных между собой труб, устанавливаемых в виде циркульной или подковообразной арки, но в принципе может быть создана любая форма (рис. 3.55 в). Трубы, образующие свод, заполняются бетоном. Когда под сводом начинаются земляные работы, под трубами устанавливаются дополнительные поддерживающие рамы. Такой способ используется обычно при строительстве крупных сооружений, таких, как станций метро. Арочный метод (рис. 3.56 а) является дальнейшим усовершенствованием описанных выше схем. Он требует меньшей рабочей зоны, применяется при большем разнообразии характеристик почвы и формы почвенных структур, позволяет обеспечить ширину проезжей части будущей 147

структуры, отвечающую международным стандартам. Пролет арки составляет 5,0-25,0 м, а при необходимости устанавливается двойная арка. Вес секций не требует применения подъемных кранов большой грузоподъемности. Расстояние от вершины продавливаемой арки до поверхности может составлять не более 1,0 м. Арочная форма конструкций и применение направляющего желоба, в котором скользит опора арки, существенно уменьшает усилие, необходимое для ее продавливания. Процесс состоит из следующих стадий: - продавливание домкратами фундаментных коробов, конструкция которых соответствует условиям грунтов и нагрузок (рис. 3.56 б). Внутренний размер коробов позволяет человеку в него входить и производить земляные работы. После установки коробов в них изнутри монтируются направляющие желоба для арок; - формирование сводчатой структуры из арочных секций, которые продавливаются за передовым щитом по направляющим желобам. Фундаментные коробы имеют наружные крышки, которые удаляются вслед за подвиганием передового щита изнутри арочной структуры, открывая тем самым желоб для арки (рис. 3.56 в). Водонепроницаемость возведенной структуры достигается герметизацией мест соединения арок и постоянной крепью стен и свода. Конструкция стен может варьироваться. Так, левая стена на рис. 3.56 г является составной частью арок, а правая выполнена из свай. 3.9 Заключение Приведенные сведения о строительстве метро в НьюЙорке, составленные по материалам американской печати, конечно, не являются исчерпывающими. Основной задачей 148

авторов было дать русскому читателю понятие о трудностях, стоявших перед проектировщиками и строителями метрополитена и об инженерных решениях, преодолевших эти трудности. Здесь накоплен огромный опыт строительства туннелей в плотной городской застройке при условии, что строительство не должно влиять на нормальную работу города.

Рис. 3.56. Метод продавливания арочных конструкций а – схема продавливания; б – фундаментный короб с закрытым направляющим желобом; в – то же с открытым желобом; г – варианты конструкции стен

149

Учитывая, что все описанные работы проводились в первой половине ХХ века, в главе практически отсутствуют сведения о примененном оборудовании, энергоснабжении, стоимости работ с уровнем цен того времени. Как представляется, читателя могут заинтересовать, в основном, технологические решения, которые, возможно найдут применение и в наши дни, конечно, на современном техническом уровне. Кроме исторического очерка строительства метро в Нью-Йорке в первой половине ХХ века, в главе дано также описание современных решений по строительству метро мелкого заложения. Приведенные решения позволяют читателю получить представление о том гигантском шаге, который сделала технология нашего времени по сравнению с прошлым веком.

150

ГЛАВА 4 СТРОИТЕЛЬСТВО И РЕКОНСТРУКЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ 4.1 Общие сведения К инженерным коммуникациям относятся сети водоснабжения, канализации, водостока (ливневой канализации), теплоснабжения, газоснабжения, электроснабжения, связи, пневмотранспорта. Работы, связанные с инженерными коммуникациями, обычно предпринимаются, чтобы: - создавать новые сети; - увеличить пропускную способность существующих сетей; - переместить сеть с земной поверхности под землю; - заменить дефектные трубы; - реконструировать существующие трубы с увеличением диаметра и пропускной способности. Эти работы могут быть выполнены по траншейной или бестраншейной технологии. Открытые траншеи строятся в 4 стадии: - земляные работы, выемка грунта; - укладка и соединение трубопровода (или другой линии); - засыпка траншеи и уплотнение грунта; - восстановление территории, прилегающей к траншее. Бестраншейная технология [28-31] позволяет уменьшить объемы земляных работ и существенно сократить сроки и стоимость строительства. По сравнению с траншейной она имеет следующие преимущества: - возможность пересечения действующих дорог, железнодорожных путей, каналов, рек, аэродромных сооружений и т.д. с наименьшими техническими трудностями и стоимостью; 151

- уменьшение вмешательства в нормальное дорожное движение, судоходство по рекам, в работу портов и аэропортов; - минимальные нарушения окружающей среды; - исключение необходимости дренажных работ в зонах с большой влажностью или высоким уровнем грунтовых вод; - уменьшение или полное исключение вывозимого объема грунта; - уменьшение объемов восстановления и рекультивации территорий, занятых под строительство. При траншейном методе площадь этих территорий в 50 раз превышает бестраншейный метод; - уменьшение срока строительства; - обеспечение более безопасных условий работы строителей. При выборе технологии строительства должны быть также учтены следующие недостатки траншейного способа: - ухудшение условий жизни населения из-за шума, грязи и загрязненности воздуха; - аварийные ситуации, связанные с отключением коммуникаций, близких к зоне строительства; - протесты и требования, связанные с повреждениями зданий, деревьев, памятников и религиозных мест; - ущерб торговле, связанный с ухудшением доступа к торговым объектам. Для определения возможности применения бестраншейной технологии необходимо проведение геологических изысканий с изучением свойств пересекаемых грунтов, условий залегания грунтовых вод и др. При этом может быть выбран наиболее благоприятный слой грунта, независимо от его глубины, что позволяет устанавливать трубы там, где открытые траншеи невозможны. Так, например, трубы могут быть проложены на малой глубине при почвах, склонных к сползанию или на большой глубине в местах близких 152

к водным объектам, угрожающих затоплением. В районах с холодным климатом, трубы могут быть проложены под промерзаемым слоем, при необходимости – под реками и озерами, зданиями и сооружениями, которые могут быть препятствием для траншейных методов. В последние годы бестраншейная технология находит широкое применение в США, Европе, Японии и применяется как при новом строительстве, так и при реконструкции существующих инженерных коммуникаций. Как известно, реконструкция является более сложной задачей. Ее необходимость вызывается возникающими утечками в сети, деформациями или разрушением труб при разовых нагрузках от дорожного движения, коррозией бетона сернистыми водами, ржавлением труб и проникновением в них корней деревьев. Поскольку траншейная технология хорошо известна, далее приведен только пример применения этого метода для реконструкции инженерных коммуникаций на современном техническом уровне с использованием компрессорновакуумного экскаватора.

Рис. 4.1. Классификация способов бестраншейной технологии строительства и реконструкции подземных инженерных коммуникаций

153

Основное внимание в последующих разделах уделено описанию бестраншейных методов строительства и реконструкции подземных сетей. На рис. 4.1 показан фрагмент классификации объектов подземной инфраструктуры, относящийся к способам бестраншейной технологии. 4.2 Строительство коммуникаций 4.2.1 Горизонтальное направленное бурение Горизонтальное направленное бурение – управляемая система установки труб и кабелей в скважине с профилем перевернутой арки, пробуренной с поверхности [19-29]. Буровые установки (рис. 4.2) делятся на три основных категории: - мини – с диаметром устанавливаемой трубы до 0,3 м и длиной бурения до 250,0 м; - миди - с диаметром трубы до 1,0 м и длиной бурения до 500,0 м;

Рис. 4.2. Установка горизонтального направленного бурения

154

- макси - с диаметром трубы до 1,5 м и длиной бурения до 1500,0 м. Коммуникации могут прокладываться в породах любой крепости – от водонасыщенных песков – «плывунов» до скальных пород. Бурение производится с использованием промывочной жидкости (водно-бентонитовой суспензии с добавлением полимеров), которая выносит на поверхность грунт, извлеченный при бурении. Вращательное усилие к рабочей головке передается, как правило, через буровой став соединенных штанг. Горизонтальное направленное бурение осуществляется в следующем порядке (рис. 4.3 см. цв. вкладку). Стадия 1 (рис. 4.3 а). Бурение пилотной скважины. Вначале бурится пилотная скважина (обычно диаметром 0,075-0,1 м) под углом 10-150 к горизонту и далее – по нужной траектории. В неустойчивых грунтах вокруг бурового става вращается труба большого диаметра (обычно 0,125 м), называемая промывочной. Она придает буровому ставу жесткость и поддерживает сечение скважины подачей промывочной жидкости. Для изменения направления скважины передняя часть промывочной трубы может отклоняться. В других конструкциях промывочная жидкость подается непосредственно по внутреннему каналу бурового става. Она же является смазывающим средством, уменьшающим трение между буровыми штангами и стенками скважины, а также между последними и прокладываемой трубой при последующем монтаже. Этой же жидкостью может приводиться во вращение буровая головка, оснащенная гидродвигателем. В этом случае вращение бурового става не производится. Эксцентрично расположенными форсунками, через которые в забой скважины поступает отработанная в гидродвигателе промывочная жидкость, обеспечивается необходимое отклонение скважины при направленном бурении. Стадия 2 (рис. 4.3 б). Расширение скважины. Когда промывочная труба вслед за буровой головкой достигает 155

конечной точки бурения, буровой став извлекается. К промывочной трубе крепится расширитель. Эта труба, вращаясь, направляется через скважину назад к начальному пункту бурения. К расширителю прикрепляется вытягивающая труба, способная при обрыве расширителя вернуть его к конечной точке бурения. Расширяемая скважина заполняется промывочной жидкостью, которая, кроме выноса измельченного грунта, укрепляет стенки скважины. Последовательное расширение скважины повторяется вплоть до достижения нужного диаметра, необходимого для установки трубопровода. В схемах, где промывочная труба отсутствует, расширитель крепится непосредственно к буровому ставу. Стадия 3 (рис. 4.3 в). Установка постоянного трубопровода. После достижения нужного диаметра скважины к расширителю прикрепляется устанавливаемая труба, которая затем втягивается в скважину. После установки труба испытывается на отсутствие деформаций и течи. Передняя буровая штанга имеет скошенную переднюю часть или специальное лезвие-лопатку (рис. 4.4), что позволяет изменять «угол атаки» и, следовательно, направление бурения скважины. Поворот скважины на 900 может быть осуществлен на участке длиной 90,0 м. Контроль точности бурения скважин обеспечивается координатными инструментами – магнитометром и инклинометром, установленными на буровом ставе. Магнитометр дает азимут скважины относительно направления «северюг». Горизонтальные отклонения скважины от заданного азимута сообщаются к контрольному пункту. Инклинометр дает градусы отклонения скважины от вертикали. Передняя буровая штанга длиной примерно 13,0 м содержит эти инструменты в бериллиевой оболочке и имеет возможность отклонения на 100 в любом направлении относительно общего бурового става (рис. 4.5). Данные о параметрах бурения передаются из скважины по кабелю к кон156

трольному пункту. На незастроенных территориях данные о параметрах бурения, закодированные в электромагнитный сигнал, передаются через грунт на поверхность, где улавливаются устанавливаемым вручную приемником. Закодированные данные от приемника или пришедшие по кабелю из скважины поступают к компьютеру, обеспечивающему параметры бурения скважины – глубину, угол, направление и скорость вращения бурового инструмента. Бурение промывочной трубой, оснащенной на переднем конце режущим кольцом, отстает от основной буровой головки на 50,0-100,0 м, чтобы избежать помех при передаче данных от координатных инструментов. а)

б)

Рис. 4.4. Изменение направления пилотной скважины с помощью направляющего лезвия а – изменение направления скважины; б– различные конструкции направляющих лезвий

157

Рис. 4.5. Передняя буровая штанга с координатными инструментами 1 – гидродвигатель; 2 – буровая головка; 3 – шарнир отклонения передней штанги; 4 – буровая штанга; 5 – координатные инструменты; 6 – промывочная труба; 7 – режущее кольцо

За счет изменения направления бурения возможен обход препятствий, встречаемых в ходе бурения – старых фундаментов, крупных валунов и др. При невозможности такого обхода используют буровую головку с шарошечным буром, которым встреченное препятствие просверливается. В зависимости от пересекаемых грунтов может варьироваться и конструкция расширителя. Он может быть двух типов – уплотняющим и режущим. Первый используется в уплотняемых почвах, второй – в песках, гравии, при встрече препятствий. При слабых грунтах скважины диаметром до 0,5 м пробуриваются за один проход, скважины большего диаметра бурятся в несколько проходов. Диаметр скважины принимается обычно на 30-50% больше диаметра прокладываемой трубы, если она не требует изоляционного покрытия. Если изоляция необходима, скважина должна иметь диаметр вдвое больше, чем труба. При осуществлении направленного бурения в некоторых случаях используется пневмотехника (pipe ramming) (рис. 4.6) для: - преодоления скального грунта, выходящего на поверхность. Вначале пневмомолотом под углом к горизонту забивается стальная оболочка-футляр, служащая направляющей при ведении бурения (рис. 4.6 а). Общая длина такой оболочки перекрывает слой твердого грунта. После из158

влечения шнеком грунта из оболочки сквозь нее производится собственно бурение. - проталкивание трубного става при расширении пилотной скважины (рис. 4.6 б). Если расширитель при движении по пилотной скважине встречает препятствие, в конечной точке скважины к ставу труб крепится пневмомолот, выталкивающий трубы и расширитель из скважины и, таким образом помогая буровому станку вытащить трубы на поверхность. Рис. 4.6. Использование пневмотехники при горизонтальном направленном бурении (стрелкой показано направление ударных усилий) а – преодоление стальной оболочкой скального грунта, выходящего на поверхность; б – использование пневмомолота при встрече препятствия расширителем; в – использование реверсированного пневмомолота для вытягивания труб при отрыве расширителя

- вытягивание через конечную точку бурения реверсированным пневмомолотом става труб из расширенной части скважины при отрыве расширителя от этого става (рис. 4.6 в). Расширитель извлекается через начальную точку бурения, после чего процесс расширения скважины и монтажа труб повторяется. 159

Подобным же образом извлекается буровое оборудование при разрыве бурового става в расширяемой скважине. Далее приводятся примеры применения горизонтального направленного бурения в США. В 1996 г. десять горизонтальных скважин были пробурены под взлетной полосой авиакомпании Дельта в НьюЙорском аэропорту им. Д.Ф. Кеннеди для отсоса и последующей очистки воздуха согласно действующим нормам. Работа выполнялась 24 часа в сутки пять дней в неделю и, несмотря на тяжелые зимние условия, была выполнена с опережением графика без какого-либо нарушения движения самолетов. В г. Траверс-Сити (штат Мичиган) были осуществлены несколько проектов использования горизонтального направленного бурения. Здесь по мосту через реку Святого Иосифа проложены кабели связи с более, чем 10000 рабочих пар и специальных служб. Между тем, в связи с изношенностью опор, старый мост было предусмотрено демонтировать. Строительство нового моста одновременно с эксплуатацией старого было признано недопустимым, поскольку могло бы помешать миграции лосося, поднимающегося на нерест вверх по течению реки из озера Мичиган. Прокладка же временных линий и выключение специальных служб на период реконструкции старого моста с последующей их заменой на постоянные линии потребовало бы больших затрат. Поэтому для размещения кабелей было принято решение о бурении скважины большого диаметра под дном реки (рис. 4.7 а). Через скважину было проложено 12 толстостенных полиэтиленовых труб диаметром по 0,1 м длиной около 260,0 м, затем затампонированных в скважине. Бурение проводилось в хрупких осадочных породах дна реки, сформированных уплотнившимися осадками – глинами и илом.

160

Рис. 4.7. Примеры горизонтального направленного бурения а – бурение скважины под дном реки; 1 – скважина; 2 – сечение скважины с оптико-волоконными кабелями; б – бурение направленной скважины под углом 1300 в горизонтальной плоскости; 1 – входной портал скважины; 2 – прямой участок скважины; 3 – выходной колодец; 4 – закругленный участок скважины;

Бурение началось с пилотной скважины диаметром 0,22 м. Для того, чтобы пройти ниже существующего автомобильного туннеля, который был расположен всего в 30,0 м от входа бурового инструмента, угол наклона скважины должен был составлять 170. Максимальная глубина скважины достигла 21,0 м ниже уровня поверхности. От этой точки скважина поднималась под углом 120, чтобы достигнуть нужной цели на противоположном берегу реки. Направление скважины осуществлялось компьютерной навигационной системой. Через 20 часов после начала бурения пилотная скважина вынырнула в конечной точке, которая оказалась на 1,2 м ближе расчетной, однако соответствовала требованиям городских властей. Были использованы 3 расширителя различных диаметров, после чего диаметр скважины достиг 0,91 м. При бурении и на каждом расширении было встречено невидимое препятствие, расположенное на северном берегу реки. Вероятно, это был твердый фундамент какогото давно забытого сооружения. Через 5 дней после начала расширения скважина была готова для размещения нужных кабелей. Все 12 кабеленесущих полиэтиленовых труб были протянуты через скважину одновременно за единый проход. По мере вытеснения промывочной бентонитовой жидкости из скважины при протягивании по ней полиэтиленовых 161

труб в скважину закачивался цементный тампонажный раствор, заполнявший пространство между трубами и стенками скважины, что обеспечивало защиту кабелей от механических повреждений. Все работы были завершены менее, чем за 3 недели, что позволило кабельной компании удалить кабели со старого моста и избежать дополнительных отключений специальной связи. В октябре 1992 г. в г. Траверс-Сити была выполнена подземная прокладка оптико-волоконного кабеля, которая являлась частью общего проекта длиной более 2,4 км. Предполагалось пробурить техникой горизонтального направленного бурения скважину длиной около 1160,0 м диаметром около 0,13 м. Скважина состояла из двух участков (рис. 4.7 б). Первый из них был достаточно прост для исполнения и представлял из себя прямую линию от входного колодца до выходного. Длина бурения составляла здесь около 160,0 м, максимальная глубина погружения скважины 12,0 м. Второй участок был гораздо более сложен. Из-за очень увлажненных слоев грунтов, которые нужно было избегнуть, в плане он имел горизонтальный угол поворота около 1300 на длине менее 300,0 м. Траектория скважины имела также вертикальные углы от 100 до 120 на входе и выходе. Качество грунта позволяло обеспечить высокие темпы бурения, но обслуживающий персонал тщательно следил за скоростью и, особенно, радиусом изгиба бурового става, поскольку он приближался к предельным значениям. Бурение было успешно завершено укладкой в скважине четырех полиэтиленовых труб для прокладки кабелей связи. Одной из областей применения горизонтального направленного бурения может являться его использование для пневмотранспорта различных грузов. Пневматический транспорт базируется на испытанных временем принципах и служил индустрии более, чем полстолетия. Почта США, бизнесы и отрасли промышленности 162

годами доставляли материалы, используя сжатый воздух. Позднее пневмотранспорт был заменен электрическими и механическими монстрами – шумными, мало надежными, разрушающими доставляемые грузы. Новые компьютерные средства, дистанционное управление, телевизионный контроль позволяют оживить пневмотранспорт хрупких материалов в условиях города, корпусов или в любых производствах, территория которых занята зданиями и сооружениями. Современная технология горизонтального направленного бурения позволяет обеспечить применение пневмотранспорта в таких случаях и создать для транспортных потоков дешевые подземные пути сообщения. Такая технология была использована в госпитале города Сант-Бенд (штат Индиана) и позволила связать пневмотранспортом операционные помещения с лабораториями, передавая кровь к аналитическим лабораториям или материалы биопсии к лаборатории патологии. В г. Сан-Диего (штат Калифорния) для облегчения дорожного движения, связанного с зажатостью одного из главных перекрестков, было решено пересадить деревья редкой породы сосны. Здесь две главных дороги сливались, образуя на перекрестке как бы остров, занятый семнадцатью такими деревьями высотой 15,0-21,0 м. Город планировал сделать здесь новый перекресток, решающий транспортные проблемы (рис. 4.8). Работа, однако, осложнялась близким расположением деревьев к тротуарам и водосточным канавам. Чтобы сохранить деревья живыми, нужно было их корни собрать в круглый шар диаметром около 5,0 м. Мини-экскаватором корни деревьев были осторожно обнажены и выяснилось, что их глубина составила более 1,5 м. Главной задачей при пересадке деревьев было подвести под корневой шар решетку, состоящую из 15 стальных трубчатых стержней диаметром 0,1 м, длиной 4,6 м с расстоянием между ними 163

0,15 м. Подняв затем эти решетки краном, можно было бы разместить дерево на трейлере.

Рис. 4.8. Использование горизонтального направленного бурения для пересадки деревьев 1 – поднимающая решетка; 2 – корневой шар; 3 – буровая штанга; 4 – буровое устройство

Однако, попытки пробить трубами решетки землю под корневым шаром различными способами были безуспешны. Даже применение пневматических молотов не дало результатов. В связи с этим, было принято решение о применении технологии горизонтального направленного бурения, которое дало положительный эффект. Вместо полного дня, необходимого для забивания одного - двух стержней, их установка этим методом занимала считаные минуты. Деревья весом 32,0-45,0 т поднимались 300-т тонным краном и транспортировались трейлером к месту новой посадки. Метод горизонтального направленного бурения был также использован для прокладки трубы, перекачивающей жидкое топливо, на побережье океана (рис. 4.9). 4.2.2 Подземная прокладка труб а) Прокладка труб с использованием пневмотехники (pipe ramming) Одним из вариантов подземной установки труб являет164

Рис. 4.9. Использование горизонтального направленного бурения и пневмотехники для прокладки топливной трубы 1 – рабочая баржа; 2 – пневмомолот; 3 – устанавливаемая топливная труба; 4 – расширитель; 5 – буровое оборудование

ся формирование в грунте отверстия проталкиванием от входного колодца к выходному стальной оболочки, которая открыта с одного конца. Со второго конца расположен люк для выгрузки разрыхленного грунта. Работы проводятся с использованием пневматической ударной техники [32-41]. Пневматическое устройство и соединенная с ним первая секция оболочки размещаются на направляющей конструкции во входном колодце, обеспечивая нужное направление и наклон будущей скважины. По мере входа оболочки в грунт мощность пневмоснабжения постепенно увеличивается. После входа первой секции оболочки пневмоустройство переставляется на следующую секцию. При перемещении секции оболочки вдоль скважины через ее концевой люк выдавливается разрыхленный грунт в объеме, соответствующем толщине стенки оболочки. Остальной грунт остается внутри оболочки до полного завершения установки последней и затем может быть удален из нее водой, шнеком или пневматическим поршнем. Затем в оболочку вставляется нужная труба. Этим методом может устанавливаться трубопровод диаметром до 2,0 м с расстоянием между колодцами до 70,0 м. Кольцевой зазор между оболочкой и трубой тампонируется. Метод допускает установку трубы под наклоном 165

и вертикально, но без поворотов в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Точность бурения обеспечивается теодолитной установкой или лазерным лучом. Глубина расположения скважины должна быть в 10-12 раз больше диаметра отверстия для установки трубы, чтобы предотвратить воздействие подземных работ на объекты поверхности. Преимуществами метода являются: - минимальное время, требуемое для монтажа бурового оборудования; - высокая производительность оборудования (до 15,0 м труб за час); - применимость для горизонтального и вертикального бурения; - небольшие размеры колодцев. На рис. 4.10 (см. цв. вкладку) показаны стадии прокладки труб с использованием пневмотехники. Примером применения метода может служить установка стальной оболочки диаметром 1,1 м в г. Сиэтл (штат Вашингтон) на расстояние более 100,0 м в чрезвычайно сложных условиях (почти 90%) в очень увлажненном районе. При ведении работ встретились валуны диаметром до 1,5 м, а уровень грунтовых вод был расположен на глубине всего 1,5 м. Трасса бурения проходила под загруженной автотрассой и железнодорожной сортировкой. Работа была проведена за 9 дней, при скорости установки трубы 12,0 м в день (две 10-ти часовые смены). Иногда применение пневмотехники совмещается со шнековым бурением. Так в г. Брейктаун (штат НьюДжерси) при прокладке трубы водоснабжения длиной 30,0 м диаметром 0,9 м встретились уплотненные очень тонкие пески, где было решено применить проталкивание труб пневмотехникой. Первые три секции трубопровода длиной по 6,0 м были проложены менее, чем за 1 час каждая. Однако, на четвертую потребовалось почти 2 часа. Поэтому на установке последней секции было применено 166

шнековое бурение, что позволило выполнить работу за 38 мин.

Рис. 4.11. Схема пневматического прокалывания скважины 1 – компрессор; 2 – воздушный шланг; 3 – входной колодец; 4 – линия видеоконтроля направления; 5 – оболочка; 6 – конусная рабочая головка; 7 – выходной колодец; 8 – уровень поверхности

В сжимаемых грунтах установка труб небольшого диаметра или кабелей может также производиться прокалыванием скважины пневмотехникой (impact molling) (рис. 4.11). При этом конусная рабочая головка (рис. 4.12) как долото продвигается из входного колодца сквозь грунт под ударами пневматического поршня. Затем в проделанное таким образом отверстие в грунте из выходного колодца в обратном направлении пневмоударником проталкивается стальная оболочка или устанавливаемая труба. При встрече рабочей головки с препятствием оно разрушается и удаляется. Метод применяется для диаметра прокола 0,03-0,18 м за 1 проход и достигает 0,20,25 м при повторяющихся проходах инструмента в любых грунтах, кроме скальных. Длина прокалывания грунта таким способом составляет обычно 15,0-50,0 м. Иногда подобный меРис. 4.12. Конусная рабочая го- тод уплотнения грунта осуществляется не ударловка для пневматического ной энергией пневмотехпрокалывания 167

ники, а статическим продавливанием бурового инструмента или его вращением без разрушения грунта (soil compaction). Таким образом может проходиться пилотная скважина, которая затем расширяется шнековым бурением (рис. 4.13). В г. Кент (штат Вашингтон) была проложена полиэтиленовая труба для газа общей длиной около 91,0 м диаметром 0,3 м. Это было ответвление от магистрали, проходящее под проезжей частью улицы, двумя тротуарами и зеленой зоной к автостоянке. Условия почвы и профиль трассы были очень сложны, поэтому она была разделена на секции: первый участок имел длину 15,0 м, остальные примерно по 12,0 м. Каждый из колодцев имел размер в плане 1,8 м х 0,9 м с глубиной, варьируемой в зависимости от его привязки к трассе. Бурение (прокалывание) каждого участка занимало примерно 20,0 мин. В ряде случаев различные способы подземной прокладки труб комбинируются. При этом между колодцами пневмотехникой прокладывается пилотная скважина малого диаметра, расширяемая затем до нужного диаметра шнековым бурением. б) Шнековое бурение скважин (auqer boring) Шнековое бурение – техника, формирующая скважину от входного колодца к выходному (приемному) средствами вращательного бурения [32-41]. Диаметр устанавливаемых труб колеблется от 0,05 м до 1,8 м с расстоянием между колодцами 200 м и более. Разрыхленный грунт доставляется к входному колодцу винтовой (шнековой) поверхностью буровых штанг, вращающихся внутри стальной оболочки. При короткой длине скважины, когда не требуется особая точность бурения, оно выполняется без специальных способов обеспечения направления. Большая точность может быть достигнута применением более длинных секций оболочки. 168

а)

б)

Рис. 4.13. Способ шнекового бурения а – схема шнекового бурения; б – буровая штанга; 1 – привод; 2 – буровая штанга со шнековой поверхностью в оболочке; 3 – подъемное устройство; 4 – пульт управления

При значительной длине бурения, когда требуется высокая точность, она обеспечивается предварительным бурением пилотной скважины, применением ассиметричной поверхности буровой головки или шарнирным сочленением последней с буровым ставом, регулируемым из входного колодца. Существуют также системы, обеспечивающие контроль направления и наклона скважины. В отдельных случаях бурение выполняется из входного колодца в тупик без достижения скважиной выходного колодца. Обычно этот способ применяется для связи скважин или для подземного присоединения к существующим коммуникациям без дополнительных земляных работ. 169

Схема шнекового бурения приведена на рис. 4.14. Грунт вместо шнека может также удаляться водой или бентонитовой промывочной жидкостью, которые закачиваются насосной системой через буровой став. При бурении в неустойчивых грунтах конец сверла остается втянутым в направляющую оболочку, так, чтобы не создавать пустот в перебуриваемом массиве. В условиях устойчивых грунтов сверло может выступать за край оболочки. Чтобы облегчить разрушение грунта для последующего удаления, в устойчивых и скальных грунтах к концу сверла может быть присоединена дополнительная режущая головка, а к переднему концу оболочки – режущее кольцо. Если при бурении встретилось препятствие, например, валун, который может пройти через оболочку, он извлекается вместе с грунтом. Если размер валуна не позволяет этого, он перебуривается. Работы продолжаются до достижения оболочкой выходного колодца или расчетной длины скважины. Трение между наружной поверхностью оболочки и окружающим грунтом может стать фактором, препятствующим бурению. Для снижения трения осуществляются два метода – применение диаметра бурения большего, чем диаметр оболочки и использование жидкости, смазывающей зазор между оболочкой и скважиной. Эти методы могут использоваться отдельно или в комбинации друг с другом. Излишнее трение и создание дополнительной нагрузки на оболочку и буровой инструмент для преодоления этого трения могут привести к деформациям оболочки. Шнековое бурение обычно производится в мягких и средних грунтах над уровнем грунтовых вод. При достаточной мощности буровой установки ею могут быть также перебурены твердые грунты и слабые скальные. Примером применения шнекового бурения является строительство аэропорта в г. Манчестер (штат Коннектикут), где серия скважин для прокладки кабелей понадоби170

Рис. 4.14. Стадии шнекового бурения а, б – при малой длине скважины и без специальных мер по контролю направления движения; а – бурение скважины; б - установка трубы; в, г, д, е – при значительной длине скважины с бурением пилотной скважины; в – бурение пилотной скважины; г – расширение пилотной сквадины; д – установка трубы; е – при необходимости – дальнейшее расширение скважины и установка трубы; ж – бурение скважины с применением теодолитного контроля направления

лась, чтобы пройти через слабые скальные грунты без нарушения нормальной работы наземных служб. Была использована система сухого шнекового бурения. В скважину при бурении вставлялась стальная оболочка диаметром 0,25 м, которая затем извлекалась и заменялась полиэтиленовой трубой. Было произведено 16 пересечений взлетной полосы без каких-либо ее нарушений. 171

в) Домкратное продавливание труб (pipe jacking) Домкратное продавливание труб – техника для установки подземных трубопроводов на участке от входного колодца к выходному [32-41]. Для продавливания применяются трубы специальной конструкции и мощные домкраты (рис. 4.15). Трубы двигаются Рис. 4.15. Расположение вслед за подвиганием забоя по домкратов при продав- прямой линии или с закруглением ливании трубы трассы. Их диаметр может составлять 0,45 м – 3,3 м. Однако, по- а скольку выемка и удаление грунта при этом способе требуют присутствия в забое рабочих, минимальный диаметр труб обычно принимается не менее 0,9-1,0 м. Выемка грунта может осуществляться вручную (рис. 4.16 б а), механизированным способом с помощью специального экскаватора (рис. 4.16 б), или буровой туннельной машиной при различных видах домкратных систем (например при двух домкратах с единичной раздвижкой (рис. 4.17 а) или при Рис. 4.16. Вид забоя при нескольких домкратах с теле- домкратном продавливании труб скопической раздвижкой (рис. 4.17 б). В скальных грунтах а – при ручной выемке; б применяются буро-взрывные – при экскаваторной выемке работы. 172

Транспортировка отбитого грунта осуществляется либо самоходными вагонетками, либо конвейерами. Для реализации метода необходимо строительство входного (рис. 4.18) и выходного колодцев с расстоянием между ними примерно до 450,0 м. Направление и уклон трассы выдерживаются при помощи лазерной системы с точностью достижения конечной точки 2,5 см. Доступ к забою, характерный для данного метода бестраншейной технологии, позволяет устранять большие препятствия, встреченные в ходе строительства, независимо от того, ожидались они или нет. Уменьшение трения при продавливании труб обеспечивается смазкой их наружной поверхности бентонитовой жидкостью. Начатый процесс продавливания секции не должен прерываться, поскольку возможен ее зажим осевшим грунтом. Трубы продавливаются посекционно (рис. 4.19) одна за другой до достижения полной длины пролета (обычно между колодцами). При этом толкающее усилие домкратов постепенно увеличивается. Гидродомкраты имеют широкий диапазон хода поршня и применяются в зависимости от длины секции трубы, устанавливаемой за один раз. Конструкция кольца, толкающего трубу, определяется количеством работающих домкратов, которые гидравлически связаны между собой, чтобы обеспечить скоординированные толкающие усилия. Число домкратов варьируется в зависимости от диаметра трубы, ее прочности, длины секции и предполагаемого сопротивления трения при ее установке. Для длинных пролетов трубопровода бывает необходимой установка промежуточных домкратных станций, чтобы при продавливании труб не превысить предполагаемые толкающие усилия. Места таких станций определяются возможностью размещения на поверхности дополнительных колодцев. 173

Рис. 4.17. Схема домкратного продавливания труб а – при двух домкратах с единичной раздвижкой; б – при нескольких домкратах с телескопической раздвижкой; 1 – буровая головка; 2 – конвейер; 3 – транспортное устройство; 4 – емкость для грунта; 5 – устанавливаемая труба; 6 – промежуточная домкратная станция; 7 – домкратное кольцо; 8 – домкраты; 9 – упорная домкратная рама; 10 – лазерное устройство; 11 – гидрошланг; 12 – вентиляционная труба; 13 – вентилятор; 14 – генератор; 15 – энергоблок; 16 – бентонитовый насос

174

Рис.4.18. Работы во входном колодце а – спуск секции трубы; б – установка секции в домкратное устройство

Первоначальное направление проталкивания трубы определяется направляющими рельсами, тщательно устанавливаемыми во входном колодце. При необходимости дальнейшее движение труб обеспечивается электронными направляющими системами с комбинацией лазеров и компьютеров. Размеры колодцев определяются применяемым оборудованием. Стенка колодца, в которую упираются домкраты в слабых грунтах, должна быть усилена сваями или другими средствами. Если глубина колодца недостаточна для создания опоры домкратов, в колодец устанавливается специальная рама, выступающая на

поверхность. Другие примеры домкратного продавливания труб показаны на рис. 4.20. По технике и технологии домкратное продавливание труб и строительство коммуникаций микротуннельным способом (микротуннелинг) близки между собой, а области их применения часто перекрываются. Их разделительным признаком является присутствие людей в забое. Домкратное продавливание, как способ бестраншейной технологии с доступом людей к забою, применяется, как уже говорилось, 175

Рис. 4.19. Домкратное продавливание секции устанавливаемой трубы

при диаметре устанавливаемых труб не менее 0,9-1,0 м. Максимальная тупиковая длина туннеля составляет 300,0 м. Меньшие диаметры, как правило, требуют применения микротуннелинга с дистанционно управляемым оборудованием. В г. Кардиф, Уэльс (Великобритания) геологические изыскания показали, что работы по прокладке трубопровода должны выполняться в илистых глинах устья реки с включением торфяников. На глубине около 5,0 м, где должен был проходить трубопровод, грунты были увлажнены. В присутствии воды и в условиях строительства глина могла размягчиться до жидкого состояния при неизбежных нарушениях структуры и вибрациях. При выборе технологии строительства принималось во внимание, что если даже прокладка трубы в открытой траншее могла быть выполнена, строительные работы вокруг траншеи из-за слабости грунтов привели бы к нарушению профиля трубопровода. Могли также потребоваться специальные меры по борьбе с 176

погружением и залипанием тяжелых подъемных кранов в месте установки. В связи с этим было принято решение о бестраншейной прокладке труб. Были рассмотрены варианты микротуннелинга или управляемой вручную туннельной буровой машины. Поскольку при микротуннелинге удаление и транспортировка отбитого грунта идет с помощью промывочной жидкости, наличие илистых глин затруднит их удаление из этой жидкости. Применение такой жидкости может также привести к размягчению окружающего грунта. По этим причинам для выемки грунта была применена буровая туннельная машина с диаметром буровой головки 1,8 м и сухой погрузкой грунта на шнековый конвейер. Поскольку работы проводились в устье реки, на состояние грунта влияли приливные явления в течение дня, что можно было заметить по усилию, прикладываемому к рабочему органу буровой машины. По описанной технологии с опережением графика были установлены около 1400 м труб. Этот маршрут был пройден за 6 заходок и в конце работы спуск машины во входной колодец и ее запуск требовал всего 45 минут. За 12-ти часовую смену было пройдено 57,0 м туннеля, что также являлось рекордным показателем. г) Микротуннельный способ Для строительства подземных инженерных коммуникаций в зарубежной практике широко используются туннельный и микротуннельный способы с применением буровых машин. Принципиальная их разница заключается в наличии (в первом способе) или отсутствии (во-втором) в забое производственного персонала. Соответственно туннельная буровая машина и остальное проходческое оборудование (включая транспортное) обслуживается людьми, а 177

комплекс микротуннельного оборудования – дистанционно, без присутствия людей в микротуннеле.

Рис. 4.20. Домкратное продавливание труб а – вид со стороны домкратного кольца (4 домкрата); б – вид сверху (1 домкрат, труба малого диаметра); в – вид сверху (2 домкрата, труба большого диаметра)

178

В предыдущих главах уже были описаны примеры туннельного способа. Поэтому далее основное внимание уделено микротуннелингу [42-44]. Микротуннелинг – бестраншейный метод установки трубопроводов со следующими особенностями технологии (рис. 4.21): - дистанционное управление. Буровая машина управляется с контрольной панели, обычно устанавливаемой на поверхности. Одновременно с выемкой грунта ведется установка труб. При нормальной работе обслуживание комплекса осуществляется без присутствия людей в забое; - направляющая система. Направление буровой машины осуществляется по лазерному лучу от источника на буровой машине; - проталкивающая система. Продвижение буровой машины и трубопроводного става вдоль микротуннеля осуществляется гидравлической домкратной системой, преодолевающей сопротивление грунта и давление грунтовых вод. Кроме того, при микротуннеленге применяются:

Рис. 4.21. Схема прокладки трубы микротуннельным комплексом 1 – буровая головка; 2 – микротуннельная буровая машина; 3 – бак промывочной жидкости; 4 – промывочные трубы; 5 – домкратная система

179

- закрытая промывочно-смазывающая система с использованием бентонитовой жидкости для удаления грунта, разрыхляемого буровой машиной и смазывания промежутка между вмещающими породами и устанавливаемым трубопроводом для снижения трения. В некоторых конструкциях удаление грунта может производиться шнековым конвейером; - система электроснабжения комплекса; - система вспомогательного оборудования поверхности: подъемный кран, комплекс очистки промывочносмазывающей жидкости, экскаватор и погрузчик для проходки вертикальных колодцев. Микротуннелинг применяется для установки труб диаметром 0,3-3,7 м. Ведутся работы по его применению для труб диаметром от 0,1 м, но самые распространенные диаметры – 0,6-2,3 м. Микротуннель должен быть достаточно большим для установки промывочных труб, гидросистем, электрических кабелей и должно быть оставлено место для направляющего лазерного луча. Расстояние между колодцами обычно составляет 120,0150,0 м, но может быть увеличено (см. далее). Диаметр колодца равен примерно 3,0 м. Следует отметить, что иногда при описании методов бестраншейной технологии термин «микротуннелинг» распространяется не только на процесс с применением перечисленных выше признаков и набора оборудования, но и на любую технологию бестраншейной прокладки труб. Во избежание смешения понятий дальнейшее описание микротуннелинга относится только к этому специфическому виду строительства. Микротуннелинг получил развитие в 1970 годах в Японии, где потребовалось заменить открытые городские канализационные стоки подземными. Первый микротуннельный проект в США был осуществлен в 1984 г. во Флориде. Там под автомагистралью и железной дорогой была установлена 180

труба длиной около 183,0 м и диаметром 1,8 м. С течением времени микротуннелинг становится все более востребован, поскольку он оказывает меньшее воздействие на окружающую природную и социальную среду, чем другие способы, а в трудных геологических условиях обеспечивает лучший контроль за направлением и углом наклона микротуннеля. Микротуннельный метод позволяет выбрать такое направление и глубину трассы, которые были бы невозможны для открытой траншеи из-за геологических условий и наличия пересекаемых существующих коммуникаций. Одним из важных преимуществ микротуннелинга является возможность его адаптации к изменяющимся геологическим условиям. В нестабильных грунтах, таких, как сжимаемых или текучих (например в слабых глинах или водонасыщенных песках) обеспечивается стабилизированное давление буровой машины на забой, а применение промывочной жидкости уравновешивает гидростатическое давление грунтов, предотвращая прорывы воды в туннель и устраняя необходимость в предварительном осушении трассы. Схема микротуннельной машины показана на рис. 4.22. Обводненность грунтов может повлиять также на потерю целостности грунтового массива и образование провалов на поверхности. Поэтому перед проходкой туннеля иногда следует оценить необходимость предварительного дренажа

Рис. 4.22. Микротуннельная буровая машина 1 – буровая головка; 2 – резцы; 3 – главный двигатель; 4 – управляющий цилиндр; 5 – направляющая лазерная система; 6 – транспортная система

181

будущей трассы. Вместе с тем высокий технический уровень оборудования позволяет, как уже говорилось, стабилизировать усилие на забой, противостоять давлению грунтов и грунтовых вод и минимизировать опасность провалов. При этом важно тщательно контролировать давление буровой машины на забой, поскольку, если оно превышает допустимое, возможно выдавливание грунта на поверхность с повреждением соседних коммуникаций и поверхностных объектов. В ходе проходки микротуннеля могут происходить крупные или регулярные нарушения в производстве работ. К крупным относятся случаи излишнего перебуривания грунтов, ведущего к потере стабильности забоя и образованию пустот над трубой, установленной в микротуннеле. Такие нарушения – почти всегда результат ошибок в управлении машиной или внезапного изменения геологических условий. Регулярные нарушения происходят, как правило, изза сжатия кольцевого зазора между туннелем и устанавливаемой трубой, а также из-за деформации грунта перед забоем, вызванной концентрацией здесь горного давления (так называемого опорного). Кольцевой зазор между трубой и туннелем необходим для его смазки промывочной жидкостью и уменьшения трения при установке труб. Специальные буровые головки микротуннельных машин разработаны с возможностью проходки по разным видам грунтов, а также разрушения скальных пород и валунов (рис. 4.23). Последующее развитие микротуннелинга позволило применить его для проходки туннелей с поворотами, а также вертикальных колодцев. Лазерные системы обеспечивают отклонение микротуннеля от нужного направления не более 2,5 см, что особенно важно в лабиринте существующих городских коммуникаций или при необходимости проходки параллельных туннелей (рис. 4.24). 182

Существенную часть общего объема работ при микротуннелинге составляет сооружение колодцев, между которыми производится установка трубопровода. На рис. 4.25 а показан входной колодец в момент домкратного продавливаРис. 4.23. Типы грунтов и соответния комплекса, на рис. ствующих им режущих головок 4.25 б – выходной коа – глина; б – песок; в – гравий; г лодец в момент оконскала чания проходки. Размер площадки, на которой располагается колодец с домкратным устройством, определяется площадью в плане собственного колодца, размещением оборудования циркуляции и очистки промывочной жидкости, подъемного крана, пункта управления, электрооборудования, местом складирования труб. Колодец должен быть расположен на достаточном расстоянии от надземных электрических линий, чтобы из-

Рис. 4.24. Параллельное расположение соседних микротуннелей

183

бежать опасности при работе крана. Как уже отмечалось, расстояние между колодцами обычно составляет 120,0-150,0 м, но может быть увеличено до 230,0-250,0 м, а иногда и более, и зависит от геологических условий, типа и размера трубы, ее структурных особенностей, усилия домкратов и эффективности бентонито-

Рис. 4.25. Входной и выходной колодцы а – входной колодец в момент домкратного продавливания трубы; б – выходной колодец в момент выхода микротуннельной машины

184

вой смазывающей системы. Уменьшение количества входных колодцев может быть достигнуто перемонтажем домкратного устройства для проходки микротуннеля из одного колодца в противоположных направлениях. Для увеличения расстояния между входными колодцами применяются промежуточные домкратные станции, требующие, однако, доступа людей для установки и обслуживания. При строительстве колодцев важное значение имеет управление уровнем грунтовых вод. Иногда для этого применяются системы листовых свай, приемные колодцы для воды, предварительный тампонаж водоносных грунтов. Иногда применяются методы замораживания, но они требуют больших расходов. В Европе в обводненных условиях часто применяются кессонные методы. Главное отличие конструкции труб, применяемых при домкратном заталкивании, от используемых в открытых траншеях заключается в том, что они должны противостоять осевому давлению, прикладываемому к ним при заталкивании. Это давление приближается к 1000 т или больше для больших труб. Трубы также должны быть рассчитаны на внешнее давление почвы и грунтовых вод и на внутреннее давление, если они предназначены для напорной воды. Далее описаны примеры применения микротуннелинга. В 1997 г. в г. Фримонт (штат Калифорния) был осуществлен проект строительства канализационной системы, включающий 16 разных участков общей длиной около 1650 м. Наибольший участок имел длину 141,0 м, наименьший 46,0 м. Устанавливались полиэтиленовые трубы диаметром 0,53 м. Микротуннелинг был выбран из-за высокого уровня грунтовых вод, плохих геологических условий, подтвержденных кернами разведочного бурения и высокой транспортной нагрузки трассы, под которой велось строительство. 185

Для проведения микротуннеля была применена буровая машина с двигателем мощностью 22,4 кВт, состоящая из трех секций общей длиной 7,3 м, весящая 4,8 т. Скорость вращения буровой головки регулировалась дистанционно от 0 до 16 оборотов/мин. Давление промывочной жидкости позволяло уравновесить давление грунтовых вод и установить прокладываемую трубу без понижения их уровня. Оператор машины использовал специальное программное обеспечение, что позволило достигать скорости 24,0 м за 11-часовую смену. В г. Оринда (штат Калифорния) городские власти требовали, чтобы размеры колодцев и прилегающие к ним производственные площадки имели абсолютно минимальные размеры. В результате каждая такая площадка имела размер 15,0х15,0 м. Внутри площадки размещался собственно колодец, пульт управления, пункт электроснабжения, подъемный кран, система промывочно-смазывающей бентонитовой жидкости и сепаратор, отделяющий ее от вымываемого грунта. Площадка была так заполнена оборудованием, что не оставалось места для складирования труб. Поэтому они доставлялись к колодцу по мере установки. Буровая машина имела общую длину 6,1 м и была оборудована двигателем мощностью 63 кВт, вращающим режущую головку диаметром 1,2 м со скоростью от 0 до 12 оборотов/мин. Была установлена труба длиной 2,4 км с внутренним диаметром 0,91 м, наружным диаметром 1,17 м. Проходка туннеля производилась 16 участками со средней скоростью 13,7 м за 12-часовую смену. В 1997 г. в г. Вестфил (штат Индиана) в микротуннеле была установлена канализационная труба диаметром 0,61 м длиной 932,0 м. Микротуннелинг был принят из-за того, что он обеспечивал минимальные нарушения поверхности, в частности дорог и площадок для игры в гольф, сооружение и поддержание которых обычно требуют очень больших затрат. Для изучения геологических условий были пробурены 186

22 скважины и на основе их анализов было выбрано необходимое оборудование. Его новыми элементами по сравнению с ранее описанными было лазерное направляющее устройство и электрогидравлический силовой блок с устройством для уменьшения шума. Вдоль трассы также бурением были пройдены вертикальные колодцы. Через четыре из них, имевших диаметр 3,7 м, в противоположных направлениях проходились микротуннели, три колодца имели диаметр 2,4 м и служили для приема бурового оборудования после окончания проходки. Длина секций устанавливаемой трубы ограничивалась размерами колодцев. Хотя обычно применяемые секции имеют длину 3,0 м, в данном случае укладывались отрезки длиной по 2,0 м. Максимальная скорость проходки микротуннеля 26,0 м/сут. была достигнута на 5-ый день работы. Средняя продолжительность установки секции составляла 18-20 мин. На острове Стейтен-Айленд (Нью-Йорк) в 1988-93 гг. был сооружен туннель длиной около 2,1 км и 12 колодцев глубиной 1,7-2,4 м. Рекордная длина одного пролета установки труб была равна около 480,0 м. Установлена фиберглассовая труба диаметром 1,0 м. 4.3 Реконструкция коммуникаций 4.3.1 Подготовительные работы Для выбора способа реконструкции необходимо знать состояние трубопровода. Это требует проведения либо прямой инспекции, либо применения дистанционной управляемой телевизионной камеры. Предварительно труба должна быть очищена от обломков на поворотах и вдоль стен. Очистка обычно проводится высоконапорной струей воды, но для труб большого диаметра может выполняться вручную. Однако, для старых кирпичных коллекторов, по187

терявших известковый раствор между кирпичами или имеющих деформированную структуру, это нужно делать с большой осторожностью. Прямая инспекция может быть сделана также и для колодцев. Во время всех этих работ должны предусматриваться особые меры безопасности обслуживающего персонала. Учитывая это, обычно для инспекции труб применяются видеокамеры с высокой оптической и цветовой разрешающей способностью. Они могут быть использованы для всех размеров труб. Камеры должны быть оснащены источником света и способны увидеть всю трубу с ее возможными ответвлениями. Видеоизображение должно записываться для дальнейшего сравнения с записями после реконструкции. В ходе реконструкции определяется также потеря грунта, которым засыпалась траншея при строительстве. Часто этот грунт вымывается дождевыми или грунтовыми водами и проникает в трубу через трещины и дыры. Потеря грунта приводит к дисбалансу нагрузок на трубу и может привести к ее деформации. Потерю грунта трудно заметить, пока на улице не появляется провал. В таких случаях перед реконструкцией трубопровода обнаруженные пустоты необходимо заполнить тампонажным материалом. Если круглая труба деформировалась и потеряла диаметр более, чем на 10% (т.е. стала овальной), считается, что она пришла в негодность. Тогда в нее вставляется новая труба, а пустоты между новой и старой трубами заполняются тампонажным материалом. Если овальность не превышает 10%, новая труба вставляется в старую только для того, чтобы противостоять проникновению грунтовых вод. Закрываются также трещины и дыры в кирпичных и бетонных колодцах. Для этого используются материалы, основанные на цементе или полимерных матералах.

188

4.3.2 Разрывные технологии (pipe bursting) а) Общие сведения Разрывные технологии – метод реконструкции трубопровода с разрывом существующей трубы на мелкие фракции механическим давлением изнутри трубы, которое создается специальной конструкцией рабочей головки (рис. 4.26). В необходимых случаях в этой головке устанавливаются лезвия, разрезающие старую трубу (рис. 4.26 б, в). Такой метод может применяться для труб диаметром 0,5-

Рис. 4.26. Конструкция рабочей головки а – рабочая головка без режущих лезвий; б, в – рабочие головки с режущими лезвиями разных конструкций; 1 - входной колодец; 2 – новая труба; 3 – осколки старой трубы; 4 – расширитель; 5 – рабочая головка; 6 – старая труба; 7 - тянущие канат или стержень; 8 – тянущее устройство; 9 - парусное лезвие; 10 – роликовые лезвия; 11 – пневматический молоток; 12 – направление движения

189

1,35 м при длине устанавливаемого пролета 100,0 м [32-41]. Разрушенные фракции не удаляются, а впрессовываются в окружающий трубу грунт, стабилизируя его. Новая труба такого же или большего диаметра, чем старая, протягивается вслед за рабочей головкой. Таким образом, заменяемая труба служит в качестве направляющей линии при установке новой. Обычным является увеличение диаметра новой трубы по сравнению со старой на 0-25%, широко применяется прирост диаметра на 25-50%, успешно были проведены эксперименты с увеличением диаметра на 120-125%. Область применения разрывных технологий ограничивается материалом реконструируемых труб, которые должны раскалываться на отдельные обломки (фрагменты), а также качеством грунта, в который должны вдавливаться эти обломки. К фрагментообразующим относятся трубы, изготовленные из бетона, железобетона, керамики, чугуна, некоторых видов пластмасс. Поскольку большинство реконструируемых труб были проложены в открытых траншеях и затем засыпаны разрыхленным грунтом, имеющим возможность уплотняться при вдавливании в него обломков, разрывной метод, как правило, оказывается эффективным. Однако, в некоторых грунтах, например, неуплотняемых песках или скальных грунтах, где ширина траншеи почти равна диаметру трубы, увеличение последнего при разрывном методе невыполнимо. Основные трудности применения разрывного метода возникают в местах установки вентилей, ответвлениях. Для преодоления этих препятствий применяется дополнительный инструмент – например специальная ведущая головка. Разрывные технологии обычно используют пневматический (ударный) (рис. 4.27) или гидравлический (статический) способы (рис. 4.28 см. цв. вкладку). Установка трубы полной длины показана на рис. 4.28 а, отдельными секциями – 4.28 б. 190

Рис. 4.27. Схема разрывной технологии 1 – старая труба; 2 – рабочая головка; 3 – расширитель; 4 – новая труба; 5 – тянущие канат или стержень; 6 - компрессор; 7 - лебедка

б) Пневматический (ударный) способ Установка трубы производится с использованием двух существующих или новых колодцев – входного и выходного, расстояние между которыми равно обычно 5,0-100,0 м. При пневматическом способе по старой трубе со стороны выходного колодца прокладывается ведущий канат, натягиваемый в дальнейшем специальной лебедкой, установленной на поверхности. К канату со стороны входного колодца прикрепляется пневматический ударник, разрушающий старую трубу, который в свою очередь соединяется с новой, обычно полиэтиленовой трубой. Вслед за ударником она протягивается вдоль трассы старой разрушаемой трубы. Прижимание ударника к этой трубе, а, следовательно, величина разрывного усилия обеспечивается натяжением ведущего каната. Изменение скорости движения ударника позволяет гибко приспособиться к условиям работы, обеспе191

чивая постоянное натяжение каната и предотвращая его слабину. Примером применения пневматического способа является реконструкция канализационной сети в г. Мэнсфилд (штат Вашингтон), который встал перед крупномасштабной проблемой замены 5,5 км бетонных труб, пострадавших от проникновения в них корней деревьев, а почти 1,0 км труб не имел достаточной пропускной способности. в) Гидравлический (статический) способ При этом способе во входном колодце устанавливается гидродомкратное устройство, которым через старую трубу проталкивается став штанг с быстроразъемными замками по направлению к выходному колодцу. Расстояние между колодцами составляет обычно 100,0-120,0 м. Для страховки правильности направления этих штанг впереди двигается связанный с ними гибкий направляющий стержень. После достижения выходного колодца к штанговому ставу присоединяется разрывающая головка с режущими роликовыми лезвиями, расширитель и новая труба. Затем эта собранная конструкция втягивается реверсированными гидродомкратами назад по направлению к входному колодцу. Роликовые лезвия разрезают старую трубу, а расширитель вдавливает ее обломки в окружающий грунт. Одновременно устанавливается новая труба. Важное значение имеет конструкция роликовых лезвий, которые должны быть изготовлены таким образом, чтобы при разрезании старая труба не смыкалась и не рвалась, предотвращая таким образом повреждения прокладываемой трубы. Примеры применения этого способа описаны далее. В г. Сенекавил (штат Огайо) школьная канализационная чугунная труба общей длиной 46,0 м (диаметром 0,1 м на длине 18,0 м и 0,15 м – на длине 28,0 м) была установле192

на еще в 1969 г. и последние несколько месяцев испытывала значительные перегрузки. Однако, поскольку эта труба при строительстве была проложена непосредственно под зданием – под школьной кухней и компьютерными классами – открытая траншея для ее ремонта вызывала бы крупные работы по восстановлению здания. Чугунные трубы при применении разрывного метода имеют тенденцию разрушаться в нескольких метрах перед разрывным инструментом. При пневматическом способе разрыва острые осколки трубы могут повредить тянущий канат. Кроме того, фрагменты трубы могут заставить пневматический инструмент изменить направление и свернуть с курса. В связи с этим был применен гидравлический метод разрыва (рис. 4.29 см. цв. вкладку). Особенностью его в данном случае было применение дополнительного стержня, прикрепленного перед разрывающей головкой. Этот стержень увеличивает общую длину инструмента, проходящего внутри старой трубы, что более надежно фиксирует его положение. Кроме того, поскольку тянущая штанга в этом случае прикрепляется не непосредственно к разрывающей головке, а на некотором расстоянии от нее – к направляющему стержню, уменьшается вероятность повреждения этой штанги обломками старой трубы. Гидравлический тянущий механизм обеспечивал постоянное давление при переменной скорости протягивания. Входной колодец был выкопан внутри школы позади кухни мини-экскаватором. Труба с самотечной канализацией была расположена на глубине примерно 1,3 м в начале разрывного маршрута и 1,8 м – в конце. Выходной колодец был расположен снаружи здания в 46,0 м от входного и между ними была установлена полиэтиленовая труба диаметром 0,15 м. На установку трубы понадобилось всего 30 мин. затем новая труба была соединена с существующим коллектором. 193

В г. Мобайл (штат Алабама) в очистке и ремонте нуждалось ответвление трубы для канализации автоцентра. Однако, закрытие этого центра на ремонт было практически неосуществимо. Была сделана попытка очистить трубу канатом, который проник в трубу всего на 3,0 м. После этого в трубу была введена телевизионная камера, которая показала изношенность чугунной трубы, особенно ее дна. Было очевидно, что трубу необходимо заменить. Труба отходила от колодца внутри здания, начинаясь от туалетов и проходя под участком гаражного обслуживания. Затем она шла под дорогой, где входила в главный коллектор. При общей длине около 34,0 м труба содержала 2 поворота под углом 450. Кроме сложности трассы, работы также осложнялись тем, что условием владельцев автоцентра было закрытие туалетов на срок не более 6 часов. Замена существующей трубы выполнялась в следующем порядке (рис. 4.30 см. цв. вкладку): - в районе туалетов был сооружен 1-ый входной колодец, в месте соединения реконструируемой трубы с коллектором был сооружен 2-ой входной колодец; - в районе второго поворота трубопровода был построен выходной колодец; - в 1-ом входном колодце был смонтирован стандартный комплект роликовых лезвий, расширителя и новых полиэтиленовых труб длиной 23,0 м. Затем он был протянут в сторону выходного колодца установленным в нем гидравлическим устройством. Новая труба на этом участке была установлена за 1 час; - гидравлическое устройство в выходном колодце было перемонтировано и новая труба подобным образом от 2-го входного колодца была протянута на втором участке длиной 11,0 м. В г. Милуоки (штат Висконсин) основным источником водоснабжения является озеро Мичиган. Здесь чугунный водопровод имел диаметр 0,3 м и длину 180,0 м и был из194

ношен в связи с коррозией, а также с температурными колебаниями воды озера в течение дня от 80 до 210 в зависимости от направления ветра. Водопровод расположен в узкой полосе шириной 6,0 м между домами, вдоль которой также проложены надземные кабели электроснабжения и связи. По этой причине применение открытой траншеи для ремонта труб было трудно осуществимо. Труба была разделена на 2 участка длиной по 90,0 м. Входной колодец был вырыт в месте, где эти участки встречаются под углом 900. Выходные колодцы были вырыты в конце каждого участка. В 1-ом выходном колодце было установлено гидравлическое толкающе-тянущее устройство, которым в старую трубу вталкивались штанги, вышедшие во входной колодец. Здесь к штангам были прикреплены устройство с роликовыми лезвиями, расширитель и новая труба. Затем этот комплекс гидравлическим устройством через старую разрываемую трубу был втянут в 1-ый выходной колодец. Операция была проведена всего за 1 час. После перемонтажа гидравлического устройства она была повторена для второго участка трубопровода. г) Микротуннельный способ (pipe eаting) Замена существующих труб с увеличением их диаметра может также выполняться с применением микротуннельной технологии. В этом случае микротуннельная буровая машина оснащается опережающей штангой (рис. 4.31), входящей

Рис. 4.31. Микротуннельная буровая машина с опережающей штангой

195

в существующую трубу, обеспечивая таким образом направление движения машины вдоль нее. Разрушение трубы идет одновременно с измельчением окружающего грунта, который удаляется из забоя вместе с обломками трубы транспортной системой микротуннелинга. Это отличает данный метод от описанных выше разрывных технологий, когда фрагменты старой трубы вдавливаются в грунт. 4.3.3 Безразрывные технологии а) Установка труб отдельными секциями Многие старые линии инженерных коммуникаций, в частности, канализационные становятся дефектными из-за коррозийного влияния современных технологий. Зачастую они перегружены или теряют пропускную способность изза загрязнения. Новые системы восстановления труб с применением современных материалов позволяют не только усилить механическую прочность существующих коммуникаций, но за счет более низкого гидравлического сопротивления увеличить пропускную способность линии без увеличения ее диаметра. Эта задача может быть решена применением безразрывных технологий, которые заключаются в установке в старом трубопроводе новых труб либо отдельными секциями, либо отрезком с длиной равной расстоянию между двумя колодцами [32-41]. В этих случаях старая труба сохраняется как оболочка новой. При установке новой трубы отдельными секциями технология работ напоминает строительство новых коммуникаций с помощью домкратного продавливания труб. Однако, если при последнем труба продавливается в пробуренную скважину (туннель), то при описываемом способе новая труба продавливается в старую (без разрыва последней). 196

Работы начинаются с того, что во входном колодце верхняя половина старой трубы снимается по диаметру на длину колодца. Внутренний размер этой трубы должен быть достаточен для приема новой. В колодце устанавливается гидродомкратный механизм. С помощью подъемной системы секции новой трубы опускаются в колодец и подаются к домкратам. Установка этих секций может производиться без остановки эксплуатации старой трубы как в случае попутного потока, так и в случае встречного. Специальная лебедка удерживает новую секцию от подхвата попутным потоком, а зажимная система – от встречного. Домкратные системы устанавливаются с двух сторон заталкиваемой трубы. После установки трубы кольцевой зазор между нею и старой трубой тампонируется и восстанавливаются ответвления от основной линии. Учитывая, что работы ведутся с открытым канализационным потоком, все рабочие вакцинируются и одеты в специальные защитные костюмы. б) Установка труб цельными участками Другим вариантом безразрывной технологии является установка внутри старой трубы новой полиэтиленовой цельным участком длиной равной расстоянию между двумя

Рис. 4.32. Схема установки трубы цельным участком 1 – новая труба; 2 – существующая труба; 3 – поддерживающая конструкция; 4 – ведущий конус; 5 – тянущий трос

197

колодцами [17, 27, 30]. Схема установки показана на рис. 4.32. На рис. 4.33 приведена поэтапная последовательность операций. На шаге 1 старая труба тщательно очищается и осматривается дистанционно управляемой телекамерой на предмет наличия препятствий, таких, как выступающие соединения с подводящими или отводящими трубами, разрушенные участки и др. На шаге 2 новая полиэтиленовая труба полной устанавливаемой длины нагревается в специальном трейлере для умягчения и увеличения гибкости с тем, чтобы ее можно было протянуть Рис. 4.33. Последовательность лебедкой через сущестопераций по установке новой вующую трубу от вхотрубы полной длины дящего колодца к выхоа – 1-ый шаг: очистка и осмотр старой трубы; б – 2-ой шаг: нагрев дящему. Поскольку наи протягивание новой трубы; в – гретая труба пластична, 3-й шаг: прокачивание горячей она может быть протянуводы или пара через новую трубу; та через повороты на 900 г – 4-й шаг: прорезка в новой труили через трубы малого бе отверстий для подключения диаметра с минимальответвлений ным сморщиванием. На шаге 3 давлением горячей воды или пара новая труба расширяется, тесно вдавливаясь в старую. Нагрев трубы может также производиться ультрафиолетовыми лучами. 198

Затем пар (или горячая вода) заменяется воздухом, который трубу охлаждает. На шаге 4 в остывшей трубе дистанционно управляемым роботом под наблюдением телекамеры прорезаются соединения с подводящими и отводящими трубами. На рис. 4.34 (см. цв. вкладку) показана последовательность операций по установке новой трубы отдельными секциями. Для ликвидации течи или трещин (но не структурных дефектов) применяются набрызгтехнологии с использованием цемента, смолы, эпоксидных материалов (рис. 4.35 а, б). Такие меры принимаются, в основном, для водопроводных сетей. Однако, при этом требуется разрешение властей, поскольку из подобных материалов возможно выделение в воду загрязненных веществ. Еще одним способом ремонта труб является создание внутри их оболочки из полиэтиленовой ленты шириной обычно 30,0 см, укладываемой спиралями (рис. 4.36). Для этого используется специальная машина, работающая внутри трубы. Такая техника, в частности, используется для аварийных ремонтов и усиления ослабленных существующих труб. 4.4 Реконструкция подземных коммуникаций траншейным способом Характерным примером реконструкции подземных коммуникаций является перемещение и замена около 47,0 км линий газа, электричества, водопровода, канализации и др. при строительстве комплекса Центральная Артерия / Туннель в г. Бостон (США). Всего здесь было установлено около 8,0 тыс. км оптико-волоконных кабелей и 322 тыс. км медных телефонных кабелей. На рис. 4.37 показано характерное размещение существующих сетей на типичном перекрестке городских улиц. 199

а

б

Рис. 4.35. Ремонт трубы способом набрызга на поврежденную внутреннюю поверхность а – набрызг смолы; б – набрызг цемента; 1 – головка для набрызга; 2 – подающая труба; 3 – бобина для трубы

Применение в подобных условиях традиционного способа реконструкции сетей с помощью ковшевого экскаватора (рис. 4.38), как известно, приводит к изъятию из нормальной работы большого района прилегающей территории, к загрязнению окружающей среды и протестам бизнесов и жителей близлежащих строений. Для уменьшения этих последствий и предотвращения повреждений существующих сетей был применен компрессорно-вакуумный экскаватор (рис. 4.39 а), который выполняет земляные работы без применения ковша [5,45]. Он может удалить 1,5 м3 грунта в минуту, проводя при этом траншею на глубину 3,0 м. Рабочая головка экскаватора имеет всас диаметром бо-

Рис. 4.36. Создание внутри существующей трубы оболочки из полиэтиленовой ленты

200

лее 20,0 см, окруженный 6 соплами, подающими воздух под давлением 0,85 МПа. Шипы вокруг всаса предотвращают его засорение. Компрессорный шланг диаметром 6,4 см, подводящий воздух к соплам, и вакуумный шланг диаметром более 20,0 см, отводящий воздух с захваченным грунтом, связывают рабочую головку с колесным трейлером, где установлено основное оборудование. При необходимости за 5 мин. устанавливаются пневмомолот или ковш «обратная лопата». Применение вакуумных экскаваторов уменьшает сроки и стоимость выполнения земляных работ, уменьшает опасность повреждений инженерных сетей, что особенно важно в условиях густонаселенного города.

Рис. 4.37. Городской перекресток с сетью инженерных коммуникаций

201

Применение вакуумного экскаватора показано на рис. 4.39 б, в. Пересадка деревьев с помощью специальной машины при подготовке к сооружению траншеи показана на рис. 4.40. 4.5 Заключение За несколько десятилетий широкого применения в США, Европе, Японии, Австралии бестраншейная технология строительства и реконструкции подземных коммуникаций превратилась в самостоятельную многопрофильную отрасль строительной индустрии. Огромный спектр характеристик применяемого оборудования позволяет в любых условиях – природных и технологических выбрать наиболее

Рис. 4.38 Традиционный способ реконструкции сетей с использованием ковшевого экскаватора

202

подходящий вариант работ. Приведенные выше описания технологических схем бестраншейной технологии и примеров их применения не исчерпывают с достаточной полнотой этой отрасли строительства. Авторы сознательно избегали подробного перечисления технических характеристик применяемого оборудования, поскольку своей основной задачей считали лишь создание общего представления о диапазоне проблем и способах их решения. Подземные инженерные коммуникации для городских властей являются одной из важнейших целей инвестирования. Поэтому бестраншейная технология, обеспечивающая наи-

Рис. 4.39. Компрессорно-вакуумный экскаватор а – общий вид компрессорно-вакуумного экскаватора; б, в – применение компрессорно-вакуумного экскаватора

203

меньшие затраты и вмешательство в жизнь города и окружающую среду, является перспективным современным инструментом совершенствования городской инфраструктуры.

Рис. 4.40. Траншейная прокладка инженерных коммуникаций с использованием машины для пересадки деревьев

204

ГЛАВА 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДЗЕМНОЙ ТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЕ 5.1 Общие сведения Составными частями городской инфраструктуры являются системы отопления и кондиционирования зданий и сооружений. Затраты на их строительство и содержание составляют значительное место в общей статье расходов по обеспечению жизнедеятельности города. Не описывая здесь подробно сложный комплекс этой отрасли городского хозяйства, отметим лишь в качестве примера, что в США центральное отопление новых современных районов совмещается с локальными нагревательными установками как частных, небольших, так и многоквартирных домов. Теплоносителями служат вода и пар, а источниками энергии – жидкое топливо и природный газ. В последние десятилетия, особенно после мирового энергетического кризиса 70-гг. прошлого века, все большее внимание уделяется альтернативным источникам тепла, в т.ч. подземной термальной энергии. Начиная с этого времени, были построены первые экспериментальные установки отопления, использующие этот источник. Их работа основывается на том, что температурные сезонные изменения на поверхности земли уменьшаются с увеличением глубины. На глубинах 15-20 м температура грунтов становится стабильной в течение всего года, повышаясь с глубиной в соответствии с геотермическим градиентом (в среднем 30 на каждые 100 м глубины) [46-55]. Главными методами использования подземной термальной энергии являются: - откачка и использование тепла с помощью теплообменников для текущих потребностей; 205

- подземное хранение нагревающей и охлаждающей энергии в течение длительного времени с ее последующим использованием. 5.2 Использование подземной термальной энергии для текущих потребностей Основной принцип откачки подземного тепла показан на рис. 5.1. Тепло может быть извлечено из земли с относительной низкой температурой теплоносителя, последняя увеличивается так называемым тепловым насосом и используется в нагревательной системе здания или сооружения. Принципы работы теплового насоса и обычного бытового холодильника совпадают. Их единственное различие заключается в желаемом эффекте – охлаждение как холодильником, или нагревание как теплонасосом. В общем случае тепловой насос – это машина, перемещающая тепло в направлении, противоположном естественному [52, 53]. Как известно, принцип работы холодильника заключается в следующем. Компрессор сжимает газ (например, фреон). Спрессованный газ нагревается и, переходя по кольцам охладителя вне рабочего пространства холодильника, рассеивает тепло. При этом газ конденсируется в Рис. 5.1. Принцип откачки подземного тепла 1 – уровень почвенных вод; 2 – насос; 3 – колодец теплоотдачи; 4 – нагнетательный колодец

жидкость, текущую под большим давлением через расширительный клапан. Таким образом, по одну сторону узкого отверстия клапана находится жидкость под большим давле206

нием, а по другую сторону – зона низкого давления, поскольку компрессор отсасывает газ с этой стороны. Проходящая через клапан находящаяся под большим давлением жидкость мгновенно закипает и испаряется. При этом ее температура падает примерно до минус 330С, что и создает холод внутри холодильника. Холодный газ всасывается компрессором, после чего цикл повторяется. Различные системы тепловых насосов позволяют экономично извлечь и утилизировать тепло, содержащееся в низкотемпературных телах, например, таких, как источники термальной энергии. Когда тепловой насос используется для откачки подземного тепла, он работает следующим образом. Теплообменник скважины доставляет тепло с глубины 30,0-100,0 м. На поверхности это тепло передается газу, циркулирующему в тепловом насосе и разогревает его до температуры теплонесущей жидкости. Затем этот газ сжимается в компрессоре и далее работает, как описано выше. Для каждого киловатт-часа выхода тепла всего 0,25-0,3 киловатт-часа электроэнергии необходимо, чтобы управлять системой. В 1982 г. были построены промышленные установки использования термального тепла, которые по технологическим особенностям можно разделить на две основные группы: - открытые системы, где почвенная вода из водоносных пластов выкачивается через колодцы и после отдачи тепла возвращается в эти пласты (рис. 5.2 а); - закрытые системы, где вода циркулирует по теплообменным трубам и транспортирует тепло из-под земли или наоборот. Теплообменники могут устанавливаться горизонтально, наклонно или вертикально. В последнем случае для них бурятся скважины (рис. 5.2 б). Главной технической частью открытых систем являются колодцы, пройденные к водоносным горизонтам, чтобы 207

извлекать из них теплонесущую воду или возвращать ее. В большинстве случаев требуется два колодца – один для извлечения, другой – Рис. 5.2. Системы использования для возврата воды. термальной энергии Применение открытой а – открытая; б – закрытая системы требует наличия подходящего водоносного пласта, однако ее достоинством являются сравнительно небольшие затраты, при которых может эксплуатироваться мощный источник тепла. Основные условия применения открытых систем: - хорошая проницаемость горных пород, что позволяет получить достаточный объем грунтовых вод; - хорошие химические качества воды, например, низкое содержание железа, чтобы избежать накипи, закупорок и ржавления оборудования. Открытые системы используются для отопления и кондиционирования и офисах г. Луисвил, штат Кентукки, США. Схемы работы открытых и закрытых систем показаны на рис. 5.3 и 5.4 (см. цв. вкладку). Закрытые системы наиболее пригодны для установки горизонтальных теплообменников (рис. 5.5 а). Из-за ограничений в использовании застроенных городских территорий в Западной и Центральной Европе отдельные трубы таких теплообменников соединяются последовательно или параллельно. В США применяются спиральные теплообменники, устанавливаемые горизонтально в широкой траншее или вертикально в узкой траншее (рис. 5.5 б). Основная термальная зарядка для горизонтальных систем обеспечивается, главным образом, солнечным излучением. Поскольку, как уже указывалось, температура горных пород ниже определенной глубины (примерно 15-20 м) ос208

тается постоянной в течение года, а с другой стороны, городские территории, как правило, ограничены, достаточно широкой является область применения вертикальных систем теплообмена. При этом теплообменники устанавливаются в скважинах, которые затем тампонируются (рис. 5.5 в). В качестве теплообменников могут использоваться (рис. 5.6): - трубы U образной формы, состоящие из прямых участков, соединенных поворотом на 1800 на дне скважины. Одна, две или даже три трубы такой формы могут устанавливаться в одной скважине. Их преимущество – низкая стоимость, из-за чего они наиболее часто применяРис. 5.5. Системы теплообмен- ются в Европе (рис. 5.6 а); - коаксиальные (конников а – горизонтальные; б – спираль- центрические) трубы, свяные; в - вертикальные занные друг с другом. Это могут быть две обычных трубы разного диаметра, вставленные одна в другую, либо трубы сложной конфигурации (рис. 5.6 б). Количество скважин, по которым подается тепло, варьируется от одной для маленьких домов, до целого участка 209

поверхности, занятого серией скважин для крупных строений. Так в г. Верн, Германия на площади 50 тыс. м2 расположены примерно 130 индивидуальных домов с одно или двумя скважинами для каждого из них. Наибольшее число скважин в Европе для одной тепловой установки используется в главном офисе Германского управления поРис. 5.6. Виды труб, используемых в качестве теплооб- летами гражданской авиации. Здесь пробурено 154 скважименников ны глубиной по 70 м каждая. а – простые трубы; 1 – одинарные; 2 – сдвоенные; б – Наибольшая в мире установка коаксиальные трубы; 1 – про- отопления и охлаждения расстые; 2 - сложные положена в колледже Ричарда Стоктона (Richard Stockton College), штат Нью-Джерси, США, где эксплуатируется 400 скважин с глубиной по 130,0 м. Особым случаем вертикальной закрытой системы служит использование так называемых энергетических свай, когда фундаментные сваи здания оборуРис. 5.7. Конструкция энергетиче- дованы теплообменныских свай ми трубами (рис. 5.7). 1 – наружная стенка сваи; 2 – тепло- Диаметр свай в этом обменные трубы; 3 – усиливающая случае колеблется от металлическая решетка 0,4 м до 1,0 м. Сравнение систем использования термального тепла показывает, что преимущество открытого способа заключа210

ется в более высокой продуктивности и, следовательно, меньшей стоимости переноса единицы тепла. Однако, такой способ требует наличия соответствующих гидрогеологических и гидрохимических условий. Многообещающей тенденцией является также использование воды из шахт и туннелей. Эта вода имеет постоянную температуру в течение года и она легко доступна. Примеры таких схем имеются в Германии (рис. 5.8) и Канаде. Тепло туннельной воды используется в Швейцарии, где под перевалом Сен-Готард пройден автомобильный туннель. Следует отметить, что термальные отопительные системы довольно капиталоемки. Основные затраты приходятся на первоначальные вложения: нагнетательные и выкачиваюРис. 5.8. Использование термальной энергии воды закрытых шахт щие колодцы, перекач1 – отапливаемое здание; 2 – нагне- ные насосы, трубопротательный колодец; 3 – колодец те- водные сети, контрольплоотдачи к потребителю; 4 – уро- ное оборудование, бувень грунтовых вод (580 м выше ферные емкости и др. уровня моря); 5 – 2-й горизонт шах- Однако, эксплуатационты (510 м выше уровня моря); 6 – 5- ные расходы здесь знай горизонт шахты (415 м выше чительно меньше, чем уровня моря); 7 – герметические пепри обычных инженерремычки ных коммуникациях. 5.3 Подземное хранение термальной энергии Другой главный метод использования нагревающей и охлаждающей термальной энергии в инфраструктуре города связан с ее хранением в подземном пространстве [50, 51]. 211

Тепло в хранилище может поступать от следующих источников: - крыш производственных и жилых помещений, собирающих тепло солнечного излучения (при этом необходимо наличие буферного хранилища для сглаживания кратковременных колебаний); - различных производственных процессов; - антиобледенительных дорожных покрытий, собираю-щих на дорожном полотне тепло солнечного излучения (рис. 5.9 и 5.10 см. цв. Рис. 5.9. Сбор и хранение тепла дорожно- вкладку). го покрытия При хранении тепла под зем1 – поверхность нагре- лей так же ,как и при использовава; 2 – насосы; 3 – под- нии геотермальной энергии для теземное хранилище тепкущих потребностей, могут примела няться открытые или закрытые системы. Открытые системы с использованием колодцев применяются для горных пород средней или высокой гидравлической проводимости, высокой пористости при слабых потоках подземных вод или полном их отсутствии. Схема используется для песков, гравия, трещиноватых или разделенных на фракции известняков, песчаников или изверженных метаморфизованных пород. Закрытые системы с использованием скважин применяются для горных пород средней термальной проводимости при отсутствии потоков подземных вод. Породы должны быть осадочными, например, сланцы, глины, мергели, пригодны также известняк, песчаник, изверженные породы подобные граниту, габбро, некоторые метаморфизованные пород – такие, как гнейс. 212

Для открытых систем существуют два основных режима – циклический с попеременным использованием колодцев в разное время года и постоянный со стабильным направлением потока воды. В первом из них грунт вокруг каждого колодца (или группы колодцев) развивается в холодный или горячий резервуар, где постоянно поддерживается температура соответственно холоднее или теплее окружающих пород (рис. 5.11 а). Во втором режиме вода выделяется через только один колодец (или группу колодцев), который должен быть оборудован насосной установкой (рис. 5.11 б). Нужная потребителю температура воды должна быть близка к естественному уровню и хранение воды после использования только приближает ее температуру к этому значению. Многие такие установки, особенно в Нидерландах, Швеции и Канаде предназначены для сбора и подземного хранения холода в зимний период с тем, чтобы в летний – использовать этот холод для кондиционирования помещений. Холод при этом должен быть использован не позднее 3 месяцев после окончания его сбора. Другие установки собирают летом тепло и используют его для обогрева зимой. В качестве примера успешного осуществления описанных схем можно также привести установку г. Хуг-Берч, Нидерланды, где в 1977 г. был построен комплекс зданий для проживания 550 умственно отсталых людей, который первоначально обогревался горячей водой от центральной бойлерной в технологическом здании. Общая территория комплекса составляла 45 га, из которых 50 тыс. м3 использовались для зданий. Водоносный слой здесь залегает на глубине 140-150,0 м. К нему были пройдены 2 колодца на расстоянии 70,0 м друг от друга глубиной по 150,0 м. Загрузка водоносных пластов теплом производилась потоком горячей воды производительностью 20,0-25,0 м3/час. Источником тепла было оборудование, установленное в техническом здании. Общий объем тепла, составивший 950 213

кВт был доставлен в подземное хранилище водой с температурой 900. Излишки тепла под землю направлялись летом и были возвращены зимой в объеме 600 кВт водой с температурой 50-700, которая направлялась в отопительную систему. Циклический режим

Постоянныйрежим

Рис. 5.11. Схемы использования открытых систем хранения термальной энергии а – в зимнее время; б – в летнее время; 1 – водоносный горизонт; 2 – теплый колодец; 3 – холодный колодец; 4 – колодец со средней температурой

Особого упоминания заслуживает проект, осуществленный в Германии [54] для отопления и кондиционирования новых и перестроенных помещений парламента (рейхстага) в Берлине (рис. 5.12). Здесь в качестве термальных хранилищ были использованы два горизонта, разделенные по вертикали. Верхний, расположенный на глубине около 60,0 м, имеющий естественную температуру воды 5-190, служит для охлаждения зданий летом. Нижний, залегающий на глубине более 300,0 м, загружается излишками тепла в летнее время и хранит воду с температурой 700, которая служит зимой для отопления комплекса, имеющего общую 214

инфраструктуру. На каждый из горизонтов пройдено по 2 колодца соответствующей глубины. В настоящее время рассматривается возможность перевода системы кондиционирования воздуха в аэропорту Д.Ф. Кеннеди, Нью-Йорк, США с обычных рефрижераторных схем на использование холодной воды, хранящейся в водоносных пластах под аэропортом. Ожидается, что этот резервуар холодной воды будет достаточен для обеспечения системы, однако параметры колодцев и режим работы комплекса, включающего подземную и поверхностную структуры еще не проработаны с достаточной степенью надежности. Подземное хранилище может охлаждаться водой, поступающей либо из градирен, либо из почти замерзающего зимой залива Джамайка, окружающего аэропорт с трех сторон. Предварительное изучение показало, что второй путь более предпочтителен.

Рис. 5.12. Схема отопления и кондиционирования здания парламента в Берлине 1 – водоносный слой для кондиционирования; 2 – водоносный слой для отопления; 3 – резервный генератор; 4 – подача топлива

215

Рис. 5.13. Схема сбора, хранения и использования тепла социального комплекса зданий 1 – солнечные батареи площадью 2700 м2; 2 – резервное нагревательное устройство; 3 – буферная емкость 100 м3; 4 – отопительная система; 5 – подземное хранилище

Широкое распространение также начинают получать закрытые системы подземного хранения тепла с бурением скважин глубиной 50-200,0 м и размещением в них теплообменников, описанных ранее. В Германии в г. Некарсулм был построен комплекс дома престарелых, состоящий из трех зданий с крышами, оборудованными солнечными батареями при общей площади сбора солнечной энер-

гии 2700 м2 (рис. 5.13). С целью накопления, хранения и последующего использования тепла в 1997 г. была построена первая секция хранилища объемом 4300 м3. Она состояла из 36 скважин глубиной по 30,0 м диаметром 11,2 см с расстоянием между ними 2,0 м. В каждую скважину вставлялась U образная полиэтиленовая труба, служащая теплообменником, после чего скважина тампонировалась. Каждые 6 труб связывались в серии (рис. 5.14 - 1). Одно из главных преимуществ бурения скважин для хранения тепла – возможность расширения хранилища с увеличением числа скважин пропорционально росту застройки района. Поэтому после успешного испытания первой секции было принято решение о расширении хранилища с бурением дополнительных 132 скважин. Однако в первых скважинах производительность передачи тепла была 216

меньше, чем ожидалось, что было связано с малым расстоянием между трубами в скважине (65 мм). Поэтому при расширении хранилища диаметр скважин был увеличен до 15,0 см, а расстояние между трубами в скважине до 100 мм. Хранилище было расширено в 1998 г. в северном направлении одной секцией – прибавлением 6 рядов из 6 скважин и в восточном направлении – двух секций по 8 рядов из 6 скважин (рис. 5.14 - 2). Хранилище сверху изолировано слоем полистирола толщиной 20,0 см, выступающим по горизонтали за линии скважин на 40 м, и слоем земли толщиной 2,0-3,0 м. В дальнейшем намечается увеличение площади хранилища.

Рис. 5.14. Схема расположения скважин хранилища термального тепла 1 – экпериментальная секция; 2 – расширенная часть

Подземное хранение тепла получает в последние годы большое распространение, особенно для объектов в Китае, Нидерландах и Швеции. Из них около 80% относятся к гражданскому сектору (офисы, госпитали, торговые центры), остальные – к индустриальной и сельскохозяйственной 217

сфере. Реализация этих проектов даст возможность сэкономить 500 млн. м3 природного газа. 5.4 Заключение С ростом производства развитые страны становятся все более зависимыми от выработки энергии. При сокращающихся запасах ископаемого топлива, растет важность его замены альтернативными источниками, одним из которых является подземная термальная энергия. Особенно перспективным представляется ее использование для коммунального хозяйства больших городов. В развитых странах затраты энергии для отопления и кондиционирования зданий и сооружений составляют около 1/3 ее общего потребления, и в этом объеме на долю отопления приходится около 75%, а доля охлаждения в последние годы постоянно растет. Начатое в ряде стран строительство комплексов городской инфраструктуры, основанных на использовании и хранении подземной термальной энергии, подтверждает правильность выбранного направления энергетической политики. Расчеты показывают, что такое решение может привести к уменьшению стоимости энергии для отопления и кондиционирования на 40-80% и к снижению потребности в использовании ископаемого топлива для этих целей не менее, чем на 40%. Замена этого вида топлива на термальную энергию уменьшает выделение вредных газов в атмосферу, таких, как СО2 или SO2, влияющих на содержание в ней озона. Это может сыграть ключевую роль в предотвращении глобального потепления климата.

218

ГЛАВА 6 КОМПЛЕКС «МОСТ-ТУННЕЛЬ», СВЯЗЫВАЮЩИЙ РАЙОНЫ, РАЗДЕЛЕННЫЕ МОРСКИМ ЗАЛИВОМ В ШТАТЕ ВИРДЖИНИЯ (США) 6.1 Общие сведения Более 30 лет комплекс «Мост-Туннель» залива Чизапик (Chesapeake Bay) в штате Вирджиния (США) привлекает всеобщее внимание современным техническим уровнем строительства и решением транспортных проблем. Проект пересечения части Атлантического океана над и под водой и сокращения на 152 км пути между мысом Чарльз восточного побережья Атлантического океана в штате Вирджиния (рис. 6.1 – позиция 1) и районом Норфолк – Вирджиния (рис. 6.1 – 2) на основной территории штата в 1965 г. был отмечен наградой Американского общества гражданского строительства, как выдающееся достижение [56-58]. До строительства комплекса для перевозки грузов между его конечными точками сухопутным маршрутом нужно было совершать объезд по автотрассам, при морском маршруте использовались паромы. Сегодняшняя нагрузка на комплекс составляет около 8800 транспортных средств в день и в летние дни приближается к 20000. При таких нагрузках объезды сухопутными дорогами или использование морских паромов приводят к излишним затратам времени и средств. Являясь сложной комбинацией эстакадных автотрасс, мостов, туннелей и искусственных островов, комплекс «Мост - Туннель» залива Чизапик имеет общую длину 28,2 км и создает двухрядную автомобильную магистраль между конечными пунктами. Глубина моря вдоль маршрута составляет 8,0-30,0 м. Хотя отдельные компоненты комплекса не являются самыми длинными или самыми большими в мире, проект в целом является уникальным по числу разных 219

структур, объединенных в нем, и по противостоянию суровым условиям ураганных ветров и непредсказуемости Атлантического океана.

Рис. 6.1. Карта-схема расположения комплексов «мосттуннель» в штате Вирджиния а – общий вид; б – комплекс Чизапик-Бэй; 1 – мыс Чарльз; 2 – район Норфолк; 3 – эстакадная структура; 4 – туннели; 5 – мосты; 6 – искусственные острова; 7 – комплекс Монитор-Мерримак; 8 - комплекс Хэмптон-Роудс

220

Комплекс состоит из 20,1 км эстакады 3 (рис. 6.1), двух туннелей 4 длиной по 1,6 км каждый, двух стальных мостов 5, четырех искусственных островов 6 и примерно 8,8 км подводящих дорог. Автотрасса главной части комплекса имеет ширину 8,5 м с местом для парковки автомобилей на обочинах. Общая стоимость строительства комплекса составила 200 млн. долларов. Главная эстакадная часть комплекса расположена над относительно мелкой водой. Дорога здесь находится на высоте 9,0 м над уровнем моря с тем, чтобы удерживать структуру над волнами и обеспечить условия для прохода небольших судов. Поперечные сечения и продольный разрез комплекса представлен на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Поперечные сечения и продольный разрез комплекса а – сечения эстакадных структур; б – сечение туннеля; в – сечения мостов; г – продольный разрез

6.2 Эстакадная структура Эстакадная структура состоит из 858 сборных, предварительно напряженных железобетонных пролетов длиной по 23,0 м каждый, опирающихся на полые бетонные сваи (рис. 6.3) диаметром 1,4 м, стенки которых имеют толщину 13,0 см, наполненных песком и залитых цементным раство221

ром для обеспечения устойчивости при столкновении с ними лодок или льдин, что время от времени случается в этой части залива. Так, со времени ввода комплекса в эксплуатацию в 1964 г. было два таких случая, последний в октябре 1971 г., когда тяжелая стальная баржа была потеряна буксиром и ударилась о сваи. К счастью, этот случай не привел к тяжелым последствиям и дело ограничилось ремонтом, проведенным в рекордно короткие сроки.

Рис. 6.3. Эстакадная структура

Пролет эстакады состоит из четырех сдвоенных вертикальных Т-образных секций весом 6,5 т, связанных арматурой между собой и с горизонтальным пролетом. Сдвоенные Т-образные секции усилены канатами, каждая прядь которых предварительно напряжена. Из-за коррозирующей опасности соленой воды все стальные конструкции закрыты бетоном. Цилиндрические сваи соединены 12 предварительно напряженными канатами диаметром 0,5 см через 16 отверстий в стенках свай. Затем в эти отверстия под давлением закачивался цементный раствор. Секции эстакады дополнительно скреплялись эпоксидным клеем. Сваи варьируются по длине от 24,0 м до 52,0 м и по весу от 1,2 т до 1,5 т на 1 м 222

длины. Общее количество использованных свай составляло 2600. Сваи транспортировались специальной баржей шириной 21,3 м и длиной около 46,0 м. С помощью четырех стальных опор длиной более 30,0 м, которые забуривались в морское дно, баржа 500-тонными пневмодомкратами могла подниматься или опускаться, образуя устойчивую платформу для свайных операций. Сборные железобетонные перекрытия связывают верхушки свай и образуют таким образом жесткую систему эстакады. Установленные сваи отрезались до нужной длины, которая определялась по данным бурения 120 скважин в стратегических точках, с глубиной некоторых до 91,0 м. Эти данные дополнялись ультразвуковым сканированием, которое позволило интерполировать данные бурения на полную длину комплекса. Средняя длина сваи равна 35,0 м при наибольшей длине 52,0 м. Каждая несет нагрузку 160 т. Сваи были испытаны под удвоенной нагрузкой 320 т. Для обеспечения упругости структуры Т-образные элементы устанавливались на усиленные неопреновые прокладки. 6.3 Туннели Туннели построены для обеспечения прохода над ними океанских судов. Вместо них могли быть построены высокие или разводные мосты, что было бы проще и дешевле, но туннели были построены в целях безопасности на случай войны по требованию военно-морских сил, поскольку по соседству в г. Норфолке находится самая большая в США военно-морская база. Туннель Тамбл Шоал имеет длину от портала к порталу 1750,0 м. Ширина прохода судов над ним равна 580,0 м при глубине 15,0 м или 762,0 м при глубине 12,0 м. Второй туннель – Чизапик Ченнел – имеет длину 1660, 0 м и обеспечивает проход для судов над ним, который при ширине 518,0 м имеет глубину 15,0 м, а при ширине 700,0 м – глу223

бину 12,0 м. Дорожное полотно в туннелях имеет ширину 7,3 м с пешеходным проходом по одной стороне шириной примерно 0,8 м и верхним вертикальным клиренсом 4,1 м. Туннели состоят из железобетонных трубчатых секций диаметром 11,3 м и длиной 91,0 м, погруженных в траншею на морском дне и покрытых заполняющим слоем песка, толщиной сверху 3,0 м. Перед погружением труб внутри них были проведены необходимые бетонные работы и выполнено дорожное полотно. Затем трубы были закрыты и для их погружения специальные наружные карманы были загружены балластным бетоном, обеспечивающим отрицательную плавучесть примерно 250 т. В траншею, подготовленную для приема туннельных труб, был засыпан слой гравия толщиной 0,6 м, обеспечивающий правильность направления и уклона туннеля. Благодаря этому, основание для труб, находящееся примерно на 30,0 м ниже уровня воды, было выполнено с точностью до 3,0 см. Секции туннельной трубы погружались с двух паромов. Соединение секций производилось в период отлива, чтобы уменьшить влияние подводного течения на ход работ. Специальный стержень диаметром 18,0 см погружаемой трубы направлялся в приемное гнездо трубы уже находящейся в траншее. Для фиксации соединенных секций использовались устройства, находящиеся на каждой из них. Трубы, установленные в правильном положении, утяжелялись бетоном, заполняющим наружные карманы вдоль сторон трубы, чтобы обеспечить дополнительные 300 т отрицательной плавучести. Соединения труб герметизировались снаружи толстым бетонным слоем. Затем эти соединения изнутри были заварены и закрыты предварительно напряженным железобетонным кольцом, чтобы сделать все соединения герметичными и долговечными. В каждом туннеле были установлены 37 трубных секций. После установки и соединения труб были удалены герметические перемычки в их торцах, был оформлен ин224

терьер туннеля с использованием керамической плитки, смонтирована осветительная и другие необходимые системы. Вентиляционная система обеспечивает подачу свежего воздуха через трубу под дорожным полотном и удаляет отработанный воздух через трубу под потолком. Осветительная система состоит из двух протяженных линий флуоресцентных ламп с варьируемой по зонам освещенностью, чтобы облегчить водителям приспособление зрения к искусственному освещению при въезде с поверхности. 6.4 Мосты Как говорилось ранее, в комплекс входят два моста. Мост северного канала длиной 1156,0 м обеспечивает навигационный проход шириной 91,0 м и высотой 23,0 м над средним уровнем воды для местного рыболовного флота (рис. 6.4). Металлический мост с монолитным железобетонным дорожным покрытием расположен на участке моря с глубиной 18,0 м. Опоры моста состоят из металлических цилиндров, наполненных бетоном с высотой 1,5 м от поверхности моря до дна. Эти опоры располагаются на стальных несущих сваях длиной около 40,0 м, установленных в морское дно. Опоры были построены без сооружения огораживающей плотины через железобетонный шаблон, расположенный на временных деревянных сваях. Мост залива Рыбака длиной 140,0 м построен над одним из каналов в морском дне, углубленном драгой. Металлический мост с железобетонным дорожным покрытием обеспечивает проход шириной 33,5 м, высотой 12,0 м над уровнем воды и поддерживается бетонными цилиндрическими сваями диаметром по 1,4 м.

225

226

Рис. 6.4. Мосты

Между мостами Северного канала и залива Рыбака и через остров Рыбака построена отсыпанная из грунта дамба, расположенная на 4,6 м выше уровня моря. Склоны дамбы защищены от действия волн и эрозии каменным покрытием. На рис. 6.5 показано строительство компонентов комплекса.

Рис. 6.5. Строительство комплекса «мост-туннель» а – сооружение эстакадной структуры; б – подготовка туннельной секции к затоплению; в, г – монтаж железобетонных конструкций моста

6.5 Искусственные острова Концы туннелей заякорены на искусственных островах, которые обеспечивают переход от эстакадной дороги к туннелям (рис. 6.6 а). Каждый из 4 островов имеет длину примерно 460,0 м и ширину 70,0 м. Поверхность островов выступает на 9,0 м выше уровня воды. На каждом острове расположены здания вентиляторов и гаражи для срочного ремонта автомашин. 227

Острова были спроектированы так, чтобы противостоять ураганным ветрам, дующим здесь со скоростью около 170,0 км/час. Масштабная модель в испытательном бассейне противостояла ветрам со скоростью 217,0 км/час. Строительство островов начиналось с насыпи на дне, позволившей поднять его в среднем до 5,2 м ниже уровня воды. Затем по периметру была отсыпана каменная дамба высотой около 3,0 м из камней размерами от 2,0 до 15,0 см. Образовавшееся кольцо было заполнено песком, чтобы смонтировать второй уровень острова. Снаружи ранее построенной кольцевой дамбы был уложен слой толщиной 1,2 м из камней весом от 200 кг до 900 кг, за которым последовал слой толщиной 1,5 м из камней, весящих 10,0-25,0 т каждый. Процесс создания наружных защитных каменных слоев и внутреннего заполнения песком повторялся до тех пор, пока остров не достиг окончательной высоты 9,0 м над уровнем моря. 6.6 Параллельный проект В 1995-99 гг. был построен двухрядный комплекс параллельный существующему, очень похожий на него эстакадой и мостовой частями. Новое сооружение резко повышает пропускную способность комплекса, имеет ширину дорожного полотна 11,6 м, аварийный проход с одной стороны шириной 3,0 м и расположено примерно в 75,0 м от существующего (северная часть на длине 3,2 км – в 150 м) [2-4]. Стоимость параллельного проекта, в который не входят туннели, составила 250 млн. долларов. В него, кроме эстакад и мостов, входят двухрядные наземные подходы к комплексу и двухрядная дорога на острове Рыбака. После открытия параллельного комплекса существующий был закрыт для реконструкции и с интервалами 1,6 км были построены аварийные расширения дороги. Из общей 228

длины комплекса 28,2 км четырехрядными стали 24,0 км (исключая туннели и непосредственные подъезды к ним). Изучение возможности строительства параллельных туннелей и искусственных островов показало, что для этого потребуется около 470,0 млн. долларов. 6.7 Другие комплексы «мост-туннель в штате Вирджиния» Описанный комплекс залива Чизапик по конструктивной схеме и способам строительства является самым большим, но не единственным в штате Вирджиния. Здесь построены также комплексы Хэмптон-Роудс (рис. 6.6 б) и Монитор-Мерримак (рис. 6.7 см. цв. вкладку) (соответственно позиции 7 и 8 на рис. 6.1 а) [59]. Комплекс Монитор-Мерримак, построенный в 1992 г, имеет общую длину 7,4 км и включает четырехрядный туннель длиной около 1,5 км, два искусственных острова и эстакадную автотрассу (рис. 6.2). Туннель был построен методом затопления труб с числом погруженных сдвоенных секций 15 и длиной каждой из них 97,0 м, образующих два двухрядных туннеля. Трубы погружались в траншею на дне бухты. Ряды автотрассы в каждом туннеле имеют ширину около 4,0 м с уширениями около 0,8 м в каждой стороне дорожного полотна. Вертикальный клиренс равен 5,0 м. Под дорогой проложен трубопровод для подачи воздуха в туннель, а над потолком – для вывода отработанного воздуха. Над каждым туннельным порталом построено здание вентиляторов. Проход для судов над самой глубокой частью туннеля имеет ширину 244,0 м и глубину около 14,0 м ниже среднего уровня моря. Эстакадная часть комплекса включает две параллельные линии, каждая длиной 5,1 км с двумя рядами движения шириной по 3,7 м и аварийными уширениями 1,83,0 м. Большинство опор эстакады имеют высоту 5,3 м над 229

уровнем моря. Имеются также пролеты с высотой вертикального клиренса 7,6 м для прохода малых судов.

Рис. 6.6. Комплексы «мост-туннель» в штате Вирджиния а – комплекс Чизапик-Бэй; б – комплекс Хэмптон-Роудс

230

Аналогичные решения имеет комплекс Хэмптон-роудс, построенный в этом же штате в 1957-76 гг. Описанные решения являются уникальной комбинацией мостов и туннелей, обеспечивают оптимальный транспорт, как автомобильный, так и морской, позволяют сэкономить время на объездные пути и снизить транспортные нагрузки на переполненных магистралях.

231

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предлагаемая книга является обзором современных технических решений по строительству и реконструкции объектов городской инфраструктуры. На примере зарубежного опыта авторы старались дать общие представления о разнообразии, объеме и сложности задач жизнеобеспечения большого города. Возрастающие требования к надежности работы всех составляющих инфраструктуры, с одной стороны, и желание уменьшить затраты и сроки сооружения подземных объектов, с другой, приводят к необходимости поиска таких инженерных решений, которые удовлетворяли бы этим противоречивым условиям. Порядок изложения материала в основном соответствует схеме классификации объектов подземной инфраструктуры, предложенной авторами. В качестве примеров приведены, главным образом, современные технические решения, использующие новейшие образцы техники. Исключение сделано лишь для исторического очерка строительства метрополитена в Нью-Йорке в начале прошлого века. Сооружение туннелей открытым способом в условиях весьма стесненной многоэтажной городской застройки даже в наше время является сложной технологической задачей, хотя уровень и качество современного оборудования несравненно выше, чем при строительстве Нью-Йоркского метро, когда работы выполнялись, как правило, вручную. Несколько бульдозеров и низкопроизводительных ковшевых экскаваторов не меняли общей картины. Траншейный способ работ в протяженных заглубленных объектах очень трудно совместить с нормальной жизнью города, не прерывая работы транспорта, сохраняя инженерные коммуникации, не мешая горожанам и бизнесам. Строительство транспортного комплекса Центральная Артерия/Туннель в Бостоне по контрасту с решениями на232

чала прошлого века является иллюстрацией возможностей современной техники и технологии. Необычайный даже для наших дней размах строительства, сложность и объем инженерных задач, повышенный уровень требований к охране окружающей среды, взаимоотношение с населением районов, вовлеченных в зону работ, делают этот комплекс ярким примером современного подхода к обновлению подземной инфраструктуры. Близко к Бостонскому комплексу по общему объему строительства, но превышая его по протяженности туннелей, вертикальных стволов, других горных выработок, примыкает уникальный комплекс напорного водоснабжения Нью-Йорка, обеспечивающий водой жителей огромного мегаполиса. Этой цели служит разветвленная сеть акведуков внешнего водоснабжения и внутренних городских туннелей, общая длина которых постоянно увеличивается в соответствии с ростом площади и населения города, повышая надежность подачи и качество потребляемой питьевой воды. В книге значительное внимание уделено современной технологии строительства и реконструкции инженерных коммуникаций. В последние годы бестраншейная технология все более активно приходит на смену традиционным траншейным методам прокладки труб и кабелей различного назначения. Систематизированное описание бестраншейных способов дает представление об их возможностях и областях применения. Особая глава посвящена вопросам теплоснабжения городских объектов с использованием геотермальных источников энергии. Озабоченность человечества проблемами использования ископаемого топлива – ограниченностью запасов, сосредоточением нефтяных месторождений в странах с диктаторскими режимами, охраной природной среды – заставляет техническую мысль все более настойчиво обра233

щаться к альтернативным источникам энергии, одним из которых является тепло подземных глубин. Наконец, одна из глав посвящена комплексному обеспечению транспортной связи между городскими районами, разделенными морским заливом. Комбинация сухопутных дорог, морских эстакад и мостов, подводных туннелей является удачным примером сочетания различных сооружений для решения основного транспортного вопроса – снижения времени и стоимости перевозки людей и грузов в условиях местности с переменной структурой поверхности. Авторы надеятся, что предлагаемая книга вызовет интерес широкого круга читателей и поэтому старались не усложнять текст техническими подробностями и деталями, важными только для специалистов.

234

БИБЛИОГРАФИЯ 1. P.Vanderwarker. The Big Dig. Reshaping an American City. Boston. Little Brown. 2001. 2. J.Tobin. Great Projects. New York, Free Press. 2001. 3. D.McNicol. The Big Dig. New York, Silver Linen Books. 2002. 4. D. McNicol. The Big Dig. Trivia Quiz Book. New York, Silver Linen Books. 2002. 5. www.bigdig.com. The Big Dig. 6. www.official-documents.co.uk/document/deps/ha/dmrl/ vol.2/bd 78991.pdf. Ventilation. 7. www.rta.nsw.gov.au/construction-maintenance/majorconstructionprojectssydney/crosscitytunnel/cct.features.html. Better air quality. 8. То же. Road Tunnel Ventilation in Norway. 9. www.rta.nsw.gov.au/environnient/downloads/Japan tunnel air_qualitydl/html. Road Tunnel Ventilation in Japan. 10. То же. Electrostatic Precipitators and Ventilation in Road Tunnels in Japan. 11. www.savewollicreek.8m.com/backnote/html. Road Tunnel, Urban Air Pollution and Filtration – the issues. 12. www.crosscity motorway.com.au/index.php. Cross City Tunnel 13. www.rta.gov.au/constructionmaintenance/maiorconstructionprojectssydney/cross-citytunnel. Cross City Tunnel. 14. www.ita-aites.org/cms/index.php?id. The State of Underground Construction and Tunneling in Australia. 15. www.herrenknecht.de. 16. www.grassl-ing.de. IT.D.Galusha. Liquid Assets: A History of New-York City's Water System. New York, Purple Mountain Press, 1999. 18. E.Hall. Water for New York. New York, Home Farm Press, 1993. 19. H.Granick, R.Sullivan. Underneath New York. New York, 235

20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 236

Fordham Univ. Press, 1991. www.nyc.gov/dep. City water tunnel No.3 is activated. www.water-tecnologv.net. New York City Tunnel No.3 Construction. USA. www.ctstbm.com. Construction and Tunneling services, Inc. Stan Fisher. The Subway. A Trip throgh Time on New York's Rapid Transit. New York, H and M Productions, 1997. Fred Lavis. Building the New Rapid Transit Sistem of New York City. Belleville, NJ, Xplorer Press, 1996. The New York Subway: Its Construction and Equipment. New York, Fordham Univ. Press, 1991. www.city.toronto.on.ca/ttc/cut_cover.htm. Cut and Cover Construction. www.tokiometro. go. gp. Subway Construction Technology. The Process of the Cut and Cover Method. www.iasonconsult.com. Large Underground Structures. www.Zande.com. R.D.Zande and Associates, Inc. www.obg.com. The Obrien and Gere companies. www.Tttechnologies.com. TT technologies. www.fiberglasstankandpipe. com. Fiberglass Tank and Pipe Institution. www.istt.com. International Society for Trenchless Technology. www.ecihdd.com. Enviromental Crossings, Inc. www.aject.com. Arabian jacking Enterprises for Contracting and Trading Co. www.macconstruction.com. MAC Construction and Excavating Co. www.tmegroup. kiev.ua. Компания Техмашэкспорт. www.cuttingedge-group. Cutting Edge Group, LLC. www.unep.or.jp. United Nations Environment Program. cem.www.ecn.purdue.edu/CEM/Trench. Trenchless Technology.

41. www.gasindustries. com. Gas Utility Manager. 42. www.ukstt.org.uk. United Kingdom Society for Trenchless Technology. 43. www.hammerheadmole.com. Hammer Head Mole. 44. www.instituform.com. Instituform Technologies, Inc. 45. www.akkerman.com. Accerman, Inc. 46. www.kerroconstruction. com. Huxted Tunneling. 47. www.pwtrenchless. Com. PW Trenchless. 48. www.vacmasters.com. Vacmasters Co. 49. www.geothermal. marin.org. Introduction to Geothermal Energy. 50. www.ubeg.de. E.Mands, B.Sanner. Shallow Geothermal Energy. 51. www.geothermal.de. B.Sanner. A Different Approach to Shallow Geothermal Energy. 52. www.worldenergy.org. H.Paksoy. Underground Thermal Energy Storage-A Choice for Sustainable Future. 53. www.iea-ecec.org. Underground Thermal Energy Storage. 54. www.cevre.cu.edu.tr. High Temperature Underground Thermal Energy Storage. 55. www.energyquest.ca.gov. How Does an Air Conditioner work. 56. www.howstuffworks.com. How Refrigerates work. 57. www.bundesbaugessels chaft.de. Bundesbaugesselschaft Berlin. Thermal Energy Storage. 58.C.McFall. America Underground. New York, Cobblehill Books, 1992. 59. www.sections.asce.org/virginia. The History and Heritage of Civil Engeneering in Virginia. 60. www.spokenamericanenglish.com. Backdround. 61. www.cbbt.com. Chesapeake Bay Bridge- Tunnel Historical Background. 62.www. roadstothe future.com. Chesapeake Bay BridgeTunnel, Monitor-Merrimac Memorial Bridge-Tunnel, Hampton Roads Bridge-Tunnel. 237

Рис. 1.3. Карта-схема и вид сверху на Центральную Артерию

Рис. 1.5. Металлические секции туннеля Тэда Вильямса

Рис. 1.6. Транспортировка туннельных секций

Рис. 1.15. Главный мост через реку Чарльз

Рис .1.22. Панорама Бостонского транспортного комплекса

Рис. 1.24. Схема вертикальной структуры реконструируемого участка Центральной Артерии

Рис. 1.23. Реконструируемый участок поднятой Центральной Артерии

Рис. 1.25. Карта-схема Кросс-Сити туннеля Сиднея

а)

Рис. 1.26. Транспортные развязки, примыкающие к Кросс-Сити туннелю

в)

б)

Рис. 2.1. Карта внешнего водоснабжения Нью-Йорка

Рис. 2.6. Карта городских туннелей Нью-Йорка

Рис. 2.13. Изометрическая схема подземного пространства НьюЙорка

Рис. 3.1. Схема маршрутов метрополитена Нью-Йорка

а)

б)

Рис. 3.44. Подземные станции метро

в)

г)

Рис. 3.44. Подземные станции метро (продолжение)

а)

б)

Рис. 3.47. Надземные линии метро на металлических опорах

а)

б)

Рис. 3.48. Надземные станции метро

в)

г)

Рис. 3.48. Надземные станции метро (продолжение)

а)

б)

Рис. 3.52. Надземные линии метро на железобетонных опорах

Рис. 4.3. Стадии горизонтального направленного бурения

а)

б)

в)

г)

Рис. 4.10. Стадии прокладки труб с использованием пневмотехники

Рис. 4.28. Стадии статической разрывной технологии реконструкции трубопроводов

Рис. 4.29. Реконструкция канализационной трубы под школьным зданием

Рис. 4.30.Реконструкция канализационной трубы под автоцентром

Рис. 4.34. Стадии установки новой трубы внутри старой отдельными секциями

Рис. 5.3. Схема работы открытой системы Рис. 5.10. Антиобледенительное дорожное использования подземного тепла покрытие

Рис. 5.4. Схема работы закрытой системы использования подземного тепла

Рис. 6.7. Комплекс Монитор-Мерримак

ПОДРИСУНОЧНЫЕ ПОДПИСИ К ЦВЕТНЫМ ВКЛАДКАМ Рис. 1.3. Карта-схема и вид сверху на Центральную Артерию а – карта-схема; б – вид сверху на Центральную Артерию в деловом центре Бостона Рис. 1.5. Металлические секции туннеля Тэда Вильямса Рис. 1.6. Транспортировка туннельных секций Рис. 1.15. Главный мост через реку Чарльз Рис. 1.22. Панорама Бостонского транспортного комплекса Рис. 1.23. Реконструируемый участок поднятой Центральной Артерии а – до реконструкции; б – после реконструкции Рис. 1.24. Схема вертикальной структуры реконструируемого участка Центральной Артерии Рис. 1.25. Карта-схема Кросс-Сити туннеля Сиднея 1 – туннель с восточным направлением движения; 2 – туннель с западным направлением движения; 3 – часть туннеля, пройденная открытым способом; 4 – соединение восточного направления движения туннеля с существующей трассой южного направления; 5 – рампа северного въезда; 6 – соединение восточного направления движения туннеля с существующей трассой северного направления Рис. 1.26. Транспортные развязки, примыкающие к КроссСити туннелю а – к западной части: 1 – выезды западного направления туннеля на существующие улицы; 2 – вентиляционная шахта; 3 – входы в туннель восточного направления; б – к центральной части: 1 – рампы туннеля восточного направления и существующей улицы к существующей трассе южного направнеия; 2 – комплекс существующих улиц;

3 – рампы существующей трассы северного направления к западному направлению туннеля и существующей улице; в – к восточной части: 1 – восточные линии, выходящие из туннеля; 2 – западные линии, входящие в туннель; 3 – мост над порталами; 4 – восточная рампа существующей улицы Рис. 2.1. Карта внешнего водоснабжения Нью-Йорка 1 – Новый Кротонский акведук; 2 – Катскильский акведук; 3 – Делаверский акведук; 4 – туннель Шандокен; 5 – туннель Неверсинк; 6 – Восточный Делаверский туннель; 7 – Западный Делаверский туннель Рис. 2.6. Карта городских туннелей Нью-Йорка 1 – туннель №1; 2 – туннель №2; 3 – строящаяся часть стадии 2 туннеля №3; 4 – часть стадии 2 туннеля №3, предусмотренная городским бюджетом; 5,6 – перспективные стадии 3 и 4 туннеля №3; 7 – Ричмонд-туннель; 8 – подземное водохранилище на острове СтейтенАйленд Рис. 2.13. Изометрическая схема подземного пространства Нью-Йорка 1 – глубина в футах (1 фут = 0,3048 м); 2 – река Ист-Ривер: глубина 83 фута под Бруклинским мостом; 3 – водораспределительный центр; 4 – метро на глубине 30-50 футов; 5 – сваи под зданием города; 6 – канализационные коллекторы, обычно на глубине 315 футов; 7 – метротуннель 63-й улицы; 8 – ледниковые отложения; 9 – верхний скальный слой;

10 – нижний скальный слой; 11 – водоподающая труба в вертикальной шахте; 12 – старый водопроводный туннель; 13 – городской туннель №3 Рис. 3.1. Схема маршрутов метрополитена Нью-Йорка Рис. 3.44. Подземные станции метро Рис. 3.47. Надземные линии метро на металлических опорах Рис. 3.48. Надземные станции метро Рис. 3.52. Надземные линии метро на железобетонных опорах Рис. 4.3. Стадии горизонтального направленного бурения а – 1-я стадия: бурение пилотной скважины; б – 2-я стадия: расширение скважины; в – 3-я стадия: установка трубопровода; 1 – буровая головка; 2 – пилотный буровой став; 3 – направляющий инструмент; 4 – промывочная труба; 5 – планируемое направление скважины; 6 – расширитель; 7 – вытягивающая труба; 8 – устанавливаемая труба; 9 – шарнирное соединение Рис. 4.10. Стадии прокладки труб с использованием пневмотехники а,б – установка 1-й трубы; в,г – установка последующих труб Рис. 4.28. Стадии статической разрывной технологии реконструкции трубопроводов а – установка новой трубы полной длины; 1 – существующая труба; 2 – пилотный буровой став – направляющий стержень; 3 – опускаемая следующая буровая штанга; 4 – направление движения; 5 – устанавливаемая труба; 6 – рабочая головка; 7 – входной колодец; б – секционная установка новой трубы; 1 – секция новой трубы; 2 – колодец с домкратным устройством проталкивания;

3 – промежуточные колодцы; 4 – колодец с тянущим устройством; 5 – рабочая головка; 6 – направление движения Рис. 4.29. Реконструкция канализационной трубы под школьным зданием 1 – классная комната; 2 – кухня; 3 – туалет; 4 – входной колодец; 5 – выходной колодец; 6 – гидравлическое тянущее устройство; 7 – существующая труба; 8 – рабочая головка; 9 – разрывающее устройство; 10 – расширитель; 11 – новая труба Рис. 4.30. Реконструкция канализационной трубы под автоцентром 1 – участок обслуживания автомобилей; 2 – склады оборудования; 3 – туалеты; 4 – торговый зал; 5 – рабочая головка; 6 – гидравлическое тянущее устройство; 7 – старая труба; 8 – новая труба; 9 – входной колодец; 10 – выходной колодец Рис. 4.34. Стадии установки новой трубы внутри старой отдельными секциями а,б – протягивание 1-ой секции новой трубы к месту установки; в,г – маневровые работы экскаватора по установке 2-ой и последующих секций: в – заталкивание секции новой трубы в старую; г – соединение последующих секций с предыдущими; 1 – лебедка; 2 – старая труба;

Рис. 5.3.

Рис. 5.4.

Рис. 5.10. Рис. 6.7.

3 – 1-я секция новой трубы; 4 – 2-я секция новой трубы; 5 – экскаватор; 6 – промежуточный колодец Схема работы открытой системы использования подземного тепла 1 – труба подачи теплого воздуха; 2 – торговый район; 3 – водоносный слой горных пород; 4 – нагнетательный колодец; 5 – продуктивный колодец; 6 – тепловой насос; 7 – теплообменник Схема работы закрытой системы использования подземного тепла 1 – труба подачи теплого воздуха; 2 – теплообменник; 3 – водоносный слой горных пород; 4 – нагнетательный колодец; 5 – продуктивный колодец; 6 – тепловой насос; 7 – теплообменник Антиобледенительное дорожное покрытие Комплекс Монитор-Мерримак

Наукове видання

Автори: Лисіков Борис Артемович Кауфман Леонід Лазаревіч

ПІДЗЕМНА ІНФРАСТРУКТУРА МІСТ (огляд закордонного будівництва)

(російською мовою)