способ сооружения подводных тоннелей

Формула изобретения

Способ сооружения подводных тоннелей, включающий проходку наклонных и горизонтальных выработок, создание выработки арочной формы, крепление ее стенок и свода монолитным железобетоном, оклеечную наружную гидроизоляцию из битумной мастики, рампу и водонепроницаемый затвор, водоотведение с помощью дренажных лотков, отличающийся тем, что, с целью обеспечения эффективности горнопроходческих работ и повышения надежности гидроизоляции тоннеля, его длину разделяют на участки с открытым и подземным способами проходки, причем на открытом участке строят наклонную въездную траншею при минимальном уровне воды в реке техникой открытых работ, в конце траншеи сооружают подковообразной формы защитный бордюр из железобетона, возводят стенки, арочный свод тоннеля с оснасткой, поверх которых укладывают гидроизоляционную рубашку из синтетического материала тайпар и засыпают вынутым грунтом, проходку подводного участка тоннеля ведут в щадящем режиме проходческими комбайнами встречными забоями до стыковки их на проектной отметке, а проскоки воды в тоннель собирают в зумпфе с последующей откачкой насосами через скважины на поверхностную нагорную канаву, соединенную с водоемом.

Описание изобретения к патенту

Подводные тоннели через реки предпочтительное распространение получили при наличии паводков и мощных ледоходов, проходящих при высоких уровнях воды, неустойчивости русла, а также по требованиям градостроительного характера. Перечисленные факторы присущи северным рекам, преимущественно берущим начало в южных широтах и впадающим в северо-восточные моря. Поэтому данное изобретение относится к подземным и подводным сооружениям и может быть использовано при строительстве автомобильных и железнодорожных тоннелей, проходимых под водоемами, преимущественно в условиях криолитзоны.

Известен способ сооружения подводных тоннелей на дамбе, включающей проходку подземного участка тоннелей, строительство рампы, закрытой части тоннеля под водой на дамбе [Конюхов Д.С. Использование подземного пространства. Учеб. пособие для ВУ3-ов. - М.: Архитектура. - 2004. - 296 c. - C.148-156].

Недостатком способа является ограниченная область применения, преимущественно при пересечении глубоких водных преград, а также наличие возможных помех и препятствий для судоходства.

Известен также способ сооружения подводных тоннелей, заглубленных в дно, включающий вначале проходку наклонного участка тоннелей, затем подводного участка и комплекса работ по оборудованию тоннелей водоприемниками, насосной станцией и креплению их стенок [Конюхов Д.С. Использование подземного пространства. Учеб. пособие для ВУ3-ов. - М.: Архитектура. - 2004. - 296 с. - С.149-153].

Недостатком способа является высокая стоимость строительства, преимущественное применение при широком водотоке с плоскими и низкими берегами, при преодолении мелких водных преград и ложе водотока, образованной из толщи слабых грунтов.

Известен способ возведения подводных тоннелей, включающий проходку наклонных и горизонтальных выработок, создание выработки арочной формы или раскрытии выработок по частям, крепление стенок и свода тоннеля монолитным бетоном и водоотведение с помощью дренажных лотков [Волков В.П. Тоннели и метрополитены. - М.: Транспорт. - 1975. - 542 с. - С.244-246].

Недостатком такого способа является ненадежность конструкции, которая не обеспечивает полную гидроизоляцию тоннелей от проникновения вод.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ сооружения подводных тоннелей, включающий проходку наклонных и горизонтальных выработок, создание выработки арочной формы, крепление ее стенок и свода монолитным железобетоном, оклеечную наружную гидроизоляцию из битумной мастики, рампу и водонепроницаемый затвор, водоотведение с помощью дренажных лотков [Волков В.П. Тоннели и метрополитены. - М.: Транспорт. - 1975. - 542 с. - С.70-73].

Недостатком способа является низкая эффективность горнопроходческих работ и слабая надежность гидроизоляции тоннеля в условиях криолитизоны, где постоянно идут процессы фазовых колебаний температуры природной среды, сопровождающиеся постоянными оттайками и промораживанием вечномерзлых пород.

Целью изобретения является обеспечение эффективности горнопроходческих работ и повышение надежности гидроизоляции тоннеля.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способа сооружения подводных тоннелей, его длину разделяют на участки с открытым и подземным способами проходки, причем на открытом участке строят наклонную въездную траншею при минимальном уровне воды в реке техникой открытых работ, в конце траншеи сооружают подковообразной формы защитный бордюр из железобетона, возводят стенки, арочный свод тоннеля с оснасткой, поверх которых укладывают гидроизоляционную рубашку из синтетического материала тайпар и засыпают вынутым грунтом, проходку подводного участка тоннеля ведут в щадящем режиме проходческими комбайнами встречными забоями до стыковки их на проектной отметке, а проскоки воды в тоннель собирают в зумпфе с последующей откачкой насосами через скважины на поверхностную нагорную канаву, соединенную с водоемом.

В предлагаемом способе новыми признаками в сравнении с прототипом являются:

- создание новой технологической схемы сооружения подводных тоннелей с применением комбинаций подземных и открытых горных выработок;

- использование нового принципа возведения наклонного участка тоннели путем проходки глубокой въездной траншеи с сооружением в ее конце подковообразной формы бордюр из железобетона;

- использование для условий криолитозоны нового гидроизоляционного материала тайпар в конструкции тоннеля, устойчивого к фазовым колебаниям температуры окружающей среды после вскрытия вечномерзлых пород;

- создание новой схемы удаления проскоков воды из тоннеля через дренажный лоток, зумпф, скважина, нагорная канава и водоем.

Все указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов сооружения подводных тоннелей под водоемами и обеспечивают следующие усиленные новые положительные свойства:

- применение комбинаций открытых и подземных выработок сокращает сроки строительства подводных тоннелей;

- использование наклонной траншеи с защитным подковообразным бордюром из бетона снижает общие затраты на строительство тоннелей и защищает их от затопления при подъеме уровня воды в реке;

- защита тоннеля от просачивающейся воды с помощью гидроизоляционной рубашки из синтетического материала тайпар обеспечивает надежность конструкции в условиях криолитозоны;

- новая схема удаления проскоков воды из тоннеля снижает затраты на водоотлив благодаря исключению специальной дорогостоящей схемы водоотведения;

- применение скважины и нагорной канавы в схеме водоотлива улучшает экологическую ситуацию в регионе благодаря сбросу незагрязненной воды в речную сеть.

Способ поясняется чертежами. На фиг.1 - схема расположения подводного тоннеля в плане; на фиг.2 - поперечное сечение подводного тоннеля; на фиг.3 - продольный профиль подводного тоннеля; на фиг.4 расчетная схема определения объемов работ по сооружению подводного тоннеля.

Способ осуществляется следующим образом.

Сооружения подводного тоннеля 1 начинают при минимальном уровне воды 2 в реке 3 (фиг.1). Проходят с противоположных берегов реки въездные траншеи 4, вынутый при этом грунт складируют в отвалы 5 на борту траншеи. В конце въездной траншеи возводят подковообразной формы защитный бордюр 6 из железобетона выше максимального уровня воды 7 в реке. Причем проходку въездной траншеи 4 ведут с применением техники открытых горных работ - экскаваторами или погрузчиками с вывозкой пород автосамосвалами на борт траншеи. После проходки и формирования въездной траншеи возводят стенки 8 и арочный свод тоннеля 9 из монолитного железобетона (фиг.2), после которого поверх его укладывают гидроизоляционную рубашку из синтетического материала тайпар 10 и засыпают вынутом грунтом 5, восстанавливая первоначальный рельеф поверхности 11 (фиг.3). Проходку подводного участка тоннеля ведут двумя встречными забоями 12 с применением техники подземных работ - проходческими комбайнами. В процессе проходки подводного участка тоннеля создают зумпфы 13 для сбора просачивающейся в тоннель воды, которая стекает по дренажному лотку 14. Вода из зумпфов 13 перекачивается насосами через скважины 15 в нагорную канаву 16, откуда она самотеком выливается в речную сеть.

Техническая сущность и преимущества нового технического решения раскрыты на примере проходки подводной тоннели через реку в условиях экстремального климата криолитзоны Севера.

Исходные данные для расчетов приняты следующие:

- ширина реки, Ш_р=3 км;

- площадь поперечного сечения автомобильной тоннели, S_т =83,25 м² (см. ниже);

- угол наклона тоннели на наклонном участке, _т=6°=10°/_°°;

- стоимость выемки 1 м³ горных пород открытым способом, с_о=3,41 долл./м³;

- стоимость рсзработки 1 м³ горных пород подземным способом, с_п=10,23 долл./м³;

- стоимость переэкскавации 1 м³ горных пород из расчета, с_э=0,2·с_о=0,7 долл./м³.

Расчетная схема определения объемов работ по сооружению подводного тоннеля приведена на фиг.4.

Расчеты выполнены в следующей последовательности:

1. Общая длина подводного тоннеля, L_т,

L _т=L_г+2L_н,

где L _г, L_н - соответственно длина горизонтального и наклонного участков тоннелей, км, L_г=Ш_р =3 км:

L_н=Н_г· _т,

Н_г - глубина заложения тоннеля, м;

H_г=h_б+h _p+h_з,

h_б - высота берега реки, м, h_б=20 м; h_p - средняя глубина реки, м; h_p=8 м; h_з - глубина заложения тоннеля от дна реки, м; h_з=14 м;

L _н=Н_г· _т=(20+8+14)·10=420 м,

откуда L_т=3000+2·420=3840 м.

2. Обоснование параметров автодорожной тоннели.

В качестве примера принят двухполосный автомобильный тоннель, площадь поперечного сечения которого согласно нормативным данным литературы [Волков В.П. Тоннели и метрополитены. - М.: Транспорт. - 1975. - 542 с. - С.63-65] вычисляется по формуле:

S_т =Ш_т·H_т,

где Ш_т - ширина двухпутного автомобильного тоннеля, м;

Н_т - средняя высота тоннеля, м.

Ш _т - 8 м + 8 м + 1 м + 1 м + 0,25 м + 0,25 м = 18,5 м,

где 8 м - ширина проезжей части в одном направлении, м;

1 м - ширина служебного тротуара, м;

1 м - зазор между автомобилями при двухполосном направлении, м;

0,25 м - ширина защитной полосы с обеих сторон проезжей части, м.

Средняя высота автомобильного тоннеля, Н_т=4,5 м, тогда,

S_т =Ш_т·Н_т=18,5·4,5=83,25 м² .

3. Объемы работ по проходке подводного участка тоннеля - V_г,

V_г=L_г S_т=3000 м·83,25 м² = 249750 м ³.

4. Объемы работ по проходке наклонного участка тоннеля - V_н,

V_н =V_но+V_нп,

где V_но - объемы работ по проходке наклонного участка тоннеля, выполняемые открытым способом, м³;

V_нп - объемы работ по проходке наклонного участка тоннеля, выполняемые подземным способом, м³.

Открытым способом проходится участок тоннеля в виде въездной траншеи на глубину до уровня воды в реке.

Тогда объемы работ по ее проходке будут равны:

V_но=L_но ·h_б/2^·Ш_тр,

где L_но - длина въездной траншеи, м;

Ш_тр - ширина въездной траншеи, м, Ш_тр=30 м.

L_но=h_б· _т=20·10=200 м

V_но =200·20/2·30=60000 м³.

Длина наклонного подземного участка тоннеля - L_нп,

L_нп=L_н-L_но=420-200=220 м.

Объемы работ по проходке наклонного подземного участка тоннеля,

V_нп=2·L_нп·S _т=2·220·83,24=36626 м³.

Следовательно,

V_н=V_но+V _нп=60000+36626=96626 м³.

5. Затраты на проходку тоннеля - З_пт:

З_пт =З_по+З_пп,

где З_по - затраты на проходку участка тоннеля, выполняемую открытым способом, долл.;

З_пп - затраты на проходку участка тоннеля, выполняемую подземным способом, долл.,

З_по=С_о·V_по=3,41·60000=204600 долл.

З_пп=С_п·V _пп=10,23·36626=374684 долл.

где С _п З·С_о=3,41·3=10,23 долл./м³ ,

откуда, З_пт=204600+374684=579284 долл.

6. Затраты на сооружение тоннельных обделок.

Принята конструкция обделки из монолитного бетона, основные параметры которой согласно литературы [Волков В.П. Тоннели и метрополитены. - М.: Транспорт. - 1975. - 542 с. - С.69-77] составили:

- толщина обделки из бетона, m=0,6 м;

- объем бетона на 1 пог. м обделки, V=8,9 м³.

Тогда общий расход бетона Q_б для сооружения подводной тоннели длиной L_т=3840 м равен,

Q_б=L _т· V+ Q,

где Q - расход бетона для выполнения проезжей части тоннеля толщиной h=0,15 м, м³;

Q= h·Ш_т·L_т=0,15·18,5·3840 м = 10656 м³,

Q_б=3840·8,9+10656=44832 м³.

Затраты на укладку бетона З _б составят:

З_б=С_б·Q _б=Q_б·44832=4,53 млн долл.

где С_б - стоимость укладки 1 м бетона, долл.,

С_б=101 долл./м³ (3032 руб./м³ по данным ОАО «Якутцемент»).

Затраты на гидроизоляцию путем покрытия тоннельных обделок тайпаром определены из расчета стоимости 1 м² пленки равной 1,43 долл./м ³ (43 долл./м²). При этом использование тайпара в качестве армирующего полотна крепи тоннеля повышает надежность гидроизоляции не только за счет присущих ему свойств, но и приобретения дополнительных положительных качеств:

- тайпар не гниет и не разлагается;

- обладает высокой стойкостью к раздиру и прокалыванию, химической стойкостью и фильтрующими свойствами;

- увеличивает сроки работоспособности конструкций;

- не впитывает воду и выполняет армирующую функцию;

- оказывает препятствие проникновению мелких частиц в конструкции, а осаждение большого количества их на поверхности создает непроницаемую пленку;

- повышает прочность гидроизоляции при укладке его совместно с битумной эмульсией.

7. Расчет затрат на покрытие тоннеля тайпаром производится следующим образом. Расход тайпара на 1 пог. м выработки Р_т составит:

Р_т=2Ш_т+2Н_т=2·18,5+2·4,5=46 м.

На всю длину тоннеля LT расход тайпара Р_т равен:

Р_т=Р_т·L_т=46·3840=176640 м².

Тогда затраты на покрытие тоннеля тайпаром будут равны:

З_т= Р_т·С_т,

где С _т - стоимость 1 м² пленки тайпар, С_т =1,43 долл./м² (43 руб./м²).

З_т=176640·1,43=252595 долл.

Общие затраты на сооружение тоннельных обделок - З_то,

З_то=З_б+З_т=4530000+252595=4782595 долл.

Суммарные затраты на сооружение тоннеля:

З_тон=З_пт+З_б+З _т=579284+4530000+252595=5361879 долл.=5,36 млн долл.

З_тон=5,36 млн. долл. = 178,7 млн руб.

Ожидаемая экономическая эффективность от внедрения подводной тоннели рассчитана в соответствии с мостовым переходом. Согласно источника [Андросов А.Д., Семенов В.А., Захаров Ю.В. Целесообразность строительства подземных тоннелей под рекой Лена. - М.: МГГУ. - 2006. - ГИАБ № 2. - С.175-179] стоимость 1 км моста с двухполосным автомобильным движением составит 0,5 млрд руб. Тогда стоимость моста длиной в 3 км будет равна:

С_м=3,0 0,5=1,5 млрд. руб. = 50 млн долл.

Следовательно, ожидаемое снижение капитальных затрат от внедрения подводного тоннеля - Э, составит:

Э=С_м-С_т=50,0-5,36=44,6 млн долл.

В таблице 1 приведены сравнительные технико-экономические показатели внедрения рекомендуемого варианта строительства тоннеля под водоемами в условиях криолитзоны.

Таблица 1
Основные технико-экономические показатели строительства подводного тоннеля в сопоставлении с мостовыми переходами
№ № п/п	Наименование показателей	Традиционный вариант (мост)	Рекомендуемый вариант (тоннель)
1	Ширина реки, км	3,0	3,0
2	Длина моста, км	3,0	-
3	Длина тоннеля, км	-	3,84
4	Затраты на проходку двухполосного автомобильного тоннеля, тыс. долл.		397,056
5	Затраты на сооружение тоннельных обделок из бетона, тыс. долл.		4782,6
6	Затраты на покрытие тоннеля гидроизоляционным материалом (тайпар), тыс. долл.		252,595
7	Суммарные затраты на сооружение тоннеля, млн долл.		5,36
8	Затраты на строительство двухполосного автомобильного моста, млн долл.	50,0
9	Ожидаемое снижение капитальных затрат от внедрения подводного тоннеля, млн долл.		44,6

Следовательно, ожидаемое снижение капитальных затрат от внедрения подводного тоннеля составило 44,6 млн долл., т.е. 1 км длины тоннеля по сравнению с мостовым переходом обеспечивает снижение капитальных затрат на 11,61 млн долл. В расчетах не учтены эксплуатационные затраты, поскольку они практически одинаковые в обоих вариантах и не окажут существенного влияния на снижение эффективности тоннельных переходов.