Инженерное обеспечение подземного пространства – это одно из важнейших направлений, обеспечивающих устойчивость развития современного общества. Здесь особое место отводится тоннелестроению, которое стало наиболее актуальным в связи с развитием инфрастуктуры современных городов, ростом населения в них, а также возникшими проблемами по размещению и дальнейшему развитию проектируемой транснациональной магистрали, соединяющей такие великие страны мира, как Россия и Америка. Более того, данная магистраль впервые соединит Европейский континент с Американским по суше. Таким образом, строительство тоннелей в условиях криолитозоны северо-востока России стало реальностью, а рекомендации, тем более технические решения, по их проходке являются весьма своевременными.
Анализ состояния вопроса показывает, что тоннели нашли широкое распространение во многих странах мира, разных континентах и отраслях народного хозяйства. Они имеют отличительные признаки по функциональной принадлежности. Так, согласно литературного источника [1], по назначению тоннели делят на пять основных групп: тоннели на путях сообщения, гидротехнические тоннели, коммунальные, горнопромышленные тоннели и тоннели специального назначения.
На практике наибольшее распространение получили тоннели на путях сообщения. Поэтому в данной работе приведены результаты разработок по ссоружению подводных тоннелей в экстремальных условиях криолитозоны Севера, одновременно рассмотрены вопросы по обеспечению безопасности их эксплуатации с учетом возникновения непредсказуемых чрезвычайных ситуаций.
В качестве основных преимуществ тоннельного варианта перехода через водные преграды по сравнению с мостовыми следует отнести:
- снижение капитальных и эксплуатационных затрат при тоннельных переходах [2];
- долговечность эксплуатации тоннелей;
- безопасность эксплуатации тоннелей, обусловленная исключением образования ледяных заторов, последствиями которых являются затопление сельхозугодий, жилых кварталов, поселков и т.д.
С учетом особенностей и экстремальных климатических условий криолитозоны авторами создано новое технологическое решение для патентования в России. Суть ее состоит в следующем (рис.1).
Сооружение подводного тоннеля 1 начинают при минимальном уровне воды 2 в реке 3 (рис.1а.). 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 (рис.1б), после которого поверх его укладывают гидроизоляционную рубашку из синтетического материала тайпар 10 и засыпают вынутым грунтом 5, восстанавливая первоначальный рельеф поверхности 11 (рис.1в). Проводку 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.
Как показывают технико-экономические расчеты, реализация данного технического решения обеспечит снижение капитальных затрат по сравнению с мостовыми переходами на 11,6 млн. долларов на 1км длины тоннеля. В данных расчетах не учтены эксплуатационные затраты, поскольку они практически одинаковые в обоих вариантах и не окажут существенного влияния на снижение эффективности тоннельных переходов [3]. В таблице 1 приведены основные расчетные показатели строительства подводного тоннеля в условиях криолитозоны.
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 | Ожидамое снижение капитальных затрат от внедрения подводного тоннеля, млн. долл. | 44,6 |
Рис.1. Компоновочная схема подводного тоннеля через реку Лена:
а – схема расположения подводного тоннеля в плане; б — поперечное сечение подводного участка тоннеля; в – продольный профиль тоннеля.
В организационном плане сооружение подводного тоннеля ведут двумя участками во встречном направлении от противоположных берегов реки, разделяя длину тоннеля на участки с открытым и подземным способами проходки. Причем открытый наклонный участок тоннеля формируют в виде глубокой траншеи, когда уровень воды в реке минимальный с применением техники открытых горных работ. Согласно созданного технического решения, запатентованного в России, формула изобретения следующая. 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, 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, 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.
Однако, несмотря на высокую эффективность тоннельных переходов, существует множество недостатков при их эксплуатации. На практике эксплуатации подводных тоннелей возможны различные аварийные ситуации такие как, повреждения оборудования, горных выработок, сооружений, сопровождающиеся длительным нарушением режима работы тоннельного перехода. При этом характер проявления аварий определяется многочисленными факторами: протяженностью подземной конструкции, его параметрами, глубиной заложения, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, технологией строительства.
Одним из основных причин аварий могут быть низкое качество работ, отклонения от проектных параметров и требований технических заданий. Причиной тому являются несвоевременное и недостаточно полное обследование, ремонт и реконструкция сооружения и другие нарушения, связанные с обеспечением безопасности эксплуатации сооружения. Более того, повышенный риск аварий возникает в связи с возможными прорывами воды и затоплениями участков с неустойчивыми водонасыщенными грунтами. Прорывы приводят к частичному или полному затоплению тоннеля, выводу из строя горнопроходческого оборудования, травмам и гибели людей. Они характеризуются огромными притоками и требуют выполнения специальных исследований по выявлению защитных свойств пород кровли, забойного пространства и проведения работ по эффективным мерам безопасности и разработки защитных мероприятий против стихии. Наряду с этим возможны проскоки ливневых и паводковых вод, требующих создания на поверхности ограждений, защищающих тоннельные обделки от повреждений.
Другим негативным моментом является загазованность воздуха в тоннельном пространстве, которая может служить причиной отравления людей. Такие ситуации возникают при плохой вентиляции, тоннельного пространства и слабом контроле за содержанием ядовитых газов. Основными источниками загрязнения воздуха являются выхлопные газы, выделяемые работой двигателей автосамосвалов. Загазованность еще больше усугубляется при неэффективной вентиляции, вызванных неожиданными отключениями электроэнергии и неисправностью вентиляционной системы. Она также возникает из-за случайного возгорания кабельной оснастки. Специфическими особенностями ограниченного тоннельного пространства являются быстрое задымление воздуха, высокие темпаратура и концентрация токсичных газов, которые в совокупности представляют серьезную угрозу людям в связи со сложностью быстрой их эвакуации. Причинами возникновения пожаров в тоннелях также являются нарушения правил безопасности при выполнении электро и газосварочных работ, применение легковоспламеняющихся материалов и внезапные возгорания транспортных средств из-за неисправностей.
Поэтому технологические и организационные мероприятия по обеспечению безопасности эксплуатации подводных тоннелей должны быть направлены на:
- Создание средств пожаротушения на случай возникновения очагов возгорания на отдельных участках тоннельных переходов.
- Обеспечение герметичности тоннелей против просачивания воды со дна водоема.
- Отвод паводковых вод от устьевой части тоннельных переходов в речную сеть.
- Оборудование тоннелей средствами откачки воды с целью защиты их от возможного затопления.
- Организация налаженной системы вентиляции от загазованности пространства тоннеля выхлопными газами автосамосвалов.
Соблюдение вышеперечисленных мероприятий обеспечивает безопасную и надежную эксплуатацию подводных тоннелей на многие годы. Более того, в связи с созданием таких тоннелей появляется реальная возможность организации в подводном простанстве оранжерей для круглогодичного выращивания овощей, грибов, ягод и т.д. с целью обеспечения населения свежими сельхозпродуктами, особенно в зимний период. Таким образом, будет технически решена и практически реализована вековая мечта народов Севера – иметь надежную, безопасную и бесперебойную транспортную схему через одну из великих рек мира. Опыт строительства и эксплуатации подземных тоннелей под водоемами в экстремальных условиях криолитозоны, возможно будет иметь дальнейшую перспективу в связи с создаваемыми глобальными транснациональными проектами развития целых регионов земного шара. Данный крупный уникальный проект не имеет аналогов в мировой практике и в настоящее время научно-технический проект находится на стадии поиска заказчика, одновременно ведутся поисковые работы по формированию пакета технических решений для патентования в России.
Для практической реализации технической идеи необходимы инженерные изыскания в районе предстоящих работ и выполнение комплекса организационных мероприятий на разных уровнях государственных и ведомственных структур с целью выявления народнохозяйственной ее эффективности, применительно к данному региону.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
- Волков В.П. Тоннели и метрополитены. – М.: Транспорт, 1975. – 542 с.
- Андросов А.Д., Семенов В.А., Захаров Ю.В. Целесообразность строительства подземных тоннелей под рекой Лена // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2006, Вып. 2. Региональное приложение. – Якутия. – с. 175 – 179.
- Пат. 2501912 РФ, МПК Е02D29/09. Cпособ сооружения подводных тоннелей / А.Д. Андросов, М.В. Николаев, Ю.Г. Данилов, А.А. Андросов и др. – Опубл. в БИ. – 20.12.2013.[schema type=»book» name=»НАДЕЖНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ» author=»Андросов А.Д., Андреев Н.И.» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-14″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]