Эффективные способы строительства тоннелей. Как это сделано, как это работает, как это устроено Как начинают строить тоннели в присутствие воды

Тоннели начали строить в глубокой древности, преимущественно для подачи воды и для военных целей. Первый горный железнодорожный тоннель длиной 1190 м был построен в 1826-1830 гг. в Англии. Крупнейший в мире однопутный железнодорожный Симплонский тоннель длиной 19,78 км, соединивший Италию со Швейцарией, был построен в 1898- 1906 гг. Железнодорожные тоннели в России начали строить с 1859 г. За три года были построены двухпутные тоннели длиной 427 и 1280 м на Петербург- Варшавской железной дороге. До конца прошлого столетия сооружено большое количество тоннелей на железных дорогах Кавказа, Сибири, Урала. Самым крупным был Сурамский тоннель в Закавказье длиной 4 км, построенный в 1886-1890 гг. До Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране было сооружено несколько десятков крупных горных однопутных и двухпутных тоннелей на железных дорогах Дальнего Востока. После Великой Октябрьской социалистической революции построены крупные тоннели на линиях Казань - Свердловск, Мерефа - Херсон, на Черноморской железной дороге и ряд тоннелей на востоке страны. Железнодорожные тоннели строили различными способами с обделками, защищающими движущиеся поезда от обвалов горных пород, из каменной кладки на известковых растворах, а позднее из бетона. Первая линия метрополитена была построена в Англии в 1863г. в Лондоне. С этого времени сеть метрополитенов быстро росла. В России строительство метрополитенов, начатое в 1930 г., ведется непрерывно. На 1 января 1988 г. протяженность Московского метрополитена составляла уже 224 км.

Тоннель (рис.1) – протяженное подземное или подводное сооружение для пропуска через высотное или контурное препятствие транспортных средств, пешеходов, воды, инженерных коммуникаций и пр.

Тоннели имеют обычно два выхода на поверхность, а в особых случаях только один (тупиковый тоннель транспортного рис. 1. или специального назначения).

Нормальная эксплуатация тоннеля обеспечивается комплексом согласованно работающих подземных и наземных сооружений и устройств, состав которых зависит от назначения, протяженности и места расположения тоннеля.

Железнодорожные и автодорожные тоннели, равно как и метрополитены, кроме железнодорожного пути или полотна проезжей части, должны иметь водоотводные, вентиляционные, оградительные и защитные сооружения и устройства, обеспечивающие безопасность движения и обслуживающего персонала.

Водоотводные устройства необходимы для удаления из тоннеля воды, проникающей через обделку или поступающей из водопровода при уборочных работах. Выполняются они в виде продольных лотков или труб, прокладываемых посередине или сбоку тоннеля.

Вентиляционные сооружения предназначены для очистки воздуха в тоннелях. Конструкция и состав этих сооружений зависят от системы вентиляции и длины тоннеля. При искусственной вентиляции могут сооружаться вентиляционные стволы, подземные камеры или наземные здания для вентиляторов.

К оградительным и защитным сооружениям относятся порталы, облицовочные и поддерживающие стены вдоль откосов предпортальных выемок, улавливающие стены и надолбы с заградительными валами и траншеями на пологих склонах, галереи в припортальных полувыемках на крутых косогорах, где имеется опасность обвалов, осыпей и лавин.

К водозащитным сооружениям относятся водосборные и водоотводные канавы на склонах гор, прорезаемых тоннелем, поверхностные и подземные дренажи.

К устройствам, обеспечивающим безопасность движения, относятся электрическое освещение тоннелей, оповестительная и заградительная сигнализации, телефонная связь, противопожарные установки и т. п.

Метрополитены из всех типов тоннелей отличаются наиболее сложным комплексом сооружений и устройств. Основными сооружениями метрополитена являются перегонные тоннели, станции, вестибюли, тяговые и понизительные электроподстанции, вагонные депо.

Для нормальной эксплуатации перегонных тоннелей необходимы вспомогательные сооружения: камеры для водоотливных установок, вентиляционные камеры и тоннели, вертикальные стволы вентиляционных шахт. В местах выхода перегонных тоннелей на поверхность устраиваются рампы - открытые выемки с подпорными стенами.

Строительство тоннелей- довольно-таки трудоемкий и дорогостоящий вид работ.

1. Классификация тоннелей.

Область применения тоннелей настолько велика, что позволяет дать лишь самую общую их классификацию по назначению, месту расположения, глубине заложения и способу строительства (рис. 2).

Они различаются также длиной (от нескольких десятков метров до нескольких десятков километров), формой и размерами поперечного сечения, конструкциями, условиями эксплуатации и пр.

По назначению выделяют транспортные тоннели, предназначенные для пропуска средств автомобильного или железнодорожного транспорта, поездов или скоростного трамвая, специальных видов транспорта (поездов на магнитной или воздушной подушке). Существуют также совмещенные транспортные тоннели для нескольких видов транспортных средств и пешеходов, судоходные тоннели и др.

Рис. 2.

В последнее время в ряде протяженных железнодорожных тоннелей осуществляется перевозка автомобилей на специальных платформах, что значительно экономит время, снижает экологическую нагрузку и стоимость проезда.

Гидротехнические тоннели сооружают в системе ГЭС, ГАЭС или АЭС для отвода и подачи воды к силовым агрегатам (энергетические и деривационные). К гидротехническим относятся также мелиоративные тоннели для осушения или орошения земель, тоннели для водоснабжения, а также лесосплавные тоннели.

Коммуникационные тоннели чаще всего располагают в городах для прокладки различных инженерных коммуникаций: электрических кабелей высокого или низкого напряжения, кабелей связи, теплосетей, водостока, водопровода, газопровода, канализации. Во многих случаях устраивают коллекторные тоннели для пропуска нескольких видов коммуникаций.

Горнопромышленные тоннели строят на горнодобывающих предприятиях, шахтах и рудниках. Они служат для транспортирования руды и породы, проветривания и осушения подземных выработок.

К тоннелям специального назначения относят подземные автостоянки и гаражи тоннельного типа, тоннели для научных исследований (например, ускорители заряженных частиц, тоннели для аэродинамических испытаний), газо- и нефтехранилища, подземные склады, тоннели оборонного характера.

По месту расположения транспортные тоннели подразделяют на горные, подводные и городские. ^ Горные тоннели сооружают преимущественно в горной местности для преодоления высотных препятствий: горных хребтов, отрогов гор, холмов, возвышенностей. Подводные тоннели располагают в месте пересечения контурных препятствий: рек, каналов, озер, водохранилищ, морских заливов и проливов. Городские автотранспортные и пешеходные тоннели служат для упорядочения движения транспорта и пешеходов на городских магистралях и улицах. Такое подразделение следует считать условным, поскольку горные и подводные тоннели могут располагаться и на участках городских территорий, разделенных высотными или водными препятствиями.

В зависимости от глубины заложения от поверхности земли H различают тоннели глубокого[H> (2-3)В] и мелкого заложения [H < (2-3)B], где B-наибольший размер (пролет или высота) поперечного сечения тоннеля.

В соответствии со способом строительства выделяют тоннели, сооружаемые закрытыми, открытыми или опускными способами, каждый из которых имеет несколько разновидностей.

Закрытые способы (горный, щитовой, продавливание) предусматривают ведение работ без нарушения поверхностных условий, а открытые способы (котлованный, траншейный) - с предварительным вскрытием поверхности земли. Используя опускные способы (опускные колодцы, опускные секции подводных тоннелей), конструкции тоннеля изготавливают на поверхности земли, а затем погружают на проектную отметку.

В наиболее сложных инженерно-геологических условиях для предварительного закрепления или осушения грунтового массива ранее перечисленные способы применяют в сочетании со специальными способами работ: водопонижением, искусственным замораживанием, тампонажем или химическим закреплением грунтов.

Выбор того или иного способа строительства определяется главным образом инженерно-геологическими условиями, длиной тоннеля и размерами его поперечного сечения, а также технико-экономическими и экологическими соображениями.

Горные и подводные тоннели чаще всего строят горным и Щитовым способами, а городские тоннели мелкого заложения котлованным или траншейным способами.

Горный способ применяют преимущественно в скальных грунтах. При этом тоннельную выработку раскрывают за один прием или по частям, закрепляя ее временной крепью, а затем на некотором расстоянии от забоя возводят постоянную конструкцию Обделку. В мягких и слабых грунтах наиболее эффективен щитовой способ, основанный на использовании передвижной крепи замкнутого очертания -- щита, под прикрытием которого разрабатывают грунт и возводят обделку (рис. 3,б ). При котлованном способе конструкции тоннеля возводят в предварительно устроенном котловане (рис. 3,в ), а при траншейном способе вначале в траншеях сооружают стены, на которые опирают перекрытие, а затем разрабатывают грунт между стенами и бетонируют лоток тоннеля (рис. 3,г ).
Рис. 3. Схемы строительства тоннелей.

Тоннель - сложный для осуществления и дорогой вид искусственных сооружений, достаточно широко применяемый при строительстве железных и автомобильных дорог. По своим конструктивным формам, размерам и условиям строительства тоннели в транспортном строительстве отличаются от других видов подобных сооружений - гидротехнических, коммунальных, промышленных, горно-разведочных и специального назначения

Тоннели могут быть перевальными, сооружаемыми через высокие водоразделы; косогорными, прокладываемыми вдоль склонов гор; петлевыми и спиральными (рис. 4), сооружаемыми для развития трассы дорог в горных условиях. При пересечении трассой автомобильной дороги крупных водных преград, для обеспечения постоянной транспортной связи между берегами наряду с мостовыми переходами сооружают подводные тоннели. Для преодоления глубоких, но сравнительно узких водных преград эффективны подводные тоннели на искусственных дамбах, отдельных опорах (тоннели-мосты), а также «плавающие» тоннели, заанкеренные в дно тросовыми оттяжками или удерживаемые на плаву специальными плавающими опорами.

Горные

Автотранспортные тоннели в городах сооружают для развязки движения в разных уровнях на пересечениях, примыканиях или разветвлениях магистралей для увеличения или выравнивания пропускной способности отдельных участков магистралей, улучшения планировочной структуры улично-дорожной сети, охраны окружающей среды, создания подъездных путей к подземным автостоянкам и гаражам, торговым центрам и пр. В крупных городах в нашей стране с населением более 1 млн. жителей, сооружают метрополитены. Как наиболее удобный вид городского пассажирского транспорта тоннели метрополитенов прокладывают в городах по направлениям наибольших пассажиропотоков.

При устройстве метрополитенов в пределах застроенных участков городов они прокладываются под поверхностью земли, иногда по геологическим и топорельефным условиям на большой глубине. На окраинах городов устраиваются наземные участки на так называемых «вылетных» линиях, предназначенных для связи метрополитенов с пригородными электрифицированными железными дорогами. Городские пешеходные тоннели сооружают в местах интенсивного уличного движения для обеспечения движения потоков городского транспорта и пешеходов в разных уровнях и для повышения безопасности движения.

Первоначально тоннели служили для доставки воды и отвода сточных вод и нечистот; первые тоннели были построены в Римской империи. Для передвижения тоннели начали использовать в XVII веке, включая их в системы каналов. С появлением железных дорог в XIX веке и автомобилей в XX тоннели получили широкое распространение, став более длинными и конструктивно сложными. Наиболее распространенные способы построения тоннеля заключаются в прорытии траншеи и установке настила, создании подводного тоннеля из опускных секций, а также использовании буровой тоннелепроходческой машины.

Шаги

Часть 1

Факторы, учитываемые при строительстве тоннеля

Рассмотрите место, где будет проложен тоннель. От места строительства тоннеля зависят используемые метод и оборудование. Тоннели можно разделить на три типа:

Тоннели, прорытые в мягких породах. Чтобы такие тоннели не осыпались, их своды дополнительно укрепляют. Как правило, эти тоннели неглубоки; их прокладывают для поездов метро, доставки воды и канализационных стоков.
Тоннели в каменных породах. Своды таких тоннелей не требуют основательного дополнительного укрепления, нередко оно вообще не нужно. Подобные тоннели строят для автомобильных и железных дорог.
Подводные тоннели. Как следует из названия, эти тоннели прокладывают по дну рек, озер и каналов; например, под проливом Ла-Манш проходит так называемый Евротоннель. Эти тоннели самые сложные в строительстве, поскольку из них необходимо отводить воду на стадии возведения и при дальнейшей эксплуатации.
Прокладка тоннеля под городом также сопряжена с немалыми трудностями, так как почва над тоннелем может просесть под весом стоящих над ним зданий. Знание геологии конкретной местности позволяет предсказать, насколько просядет почва, и свести ее проседание к минимуму.

Изучите маршрут тоннеля. Длинные прямые тоннели довольно легко прокладываются при помощи буровой тоннелепроходческой машины. Сложнее обстоит дело со строительством искривленных тоннелей.
- Для прокладывания коротких тоннелей буровая машина не используется, поскольку это нерентабельно.
- Необходимость использования буров различных диаметров также затрудняет применение тонеллепроходческой машины, поскольку замена бура значительно замедляет работу.
- Применение буровой машины нерационально также, если тоннель имеет повороты или ответвления.
Подумайте о предназначении тоннеля. От этого будут зависеть дополнительные работы, которые необходимо провести после прорытия тоннеля перед тем, как ввести его в эксплуатацию.

Часть 2
Прорытие траншеи и установка настила
1. Выкопайте траншею. Из места, отводимого под тоннель, полностью удаляется порода, после чего над вырытым участком делается крыша. Такой вид тоннелей делается двумя способами:
  
  Сформируйте стены и крышу тоннеля. Стены и крышу можно сделать уже после того, как тоннель вырыт, либо создать заранее и поместить в тоннель, когда он будет готов. Можно использовать следующие материалы:
  - Гофрированные арки из стали.
  - Арки из бетона, отлитые заранее.
  - Стены, отлитые из бетона.
  - Распыляемый или порошковый бетон. Нередко его используют наряду с предварительно приготовленными арками.
2. Завершите тоннель. Конкретный способ зависит от использованного вами метода ("снизу вверх" или "сверху вниз").
Часть 3
Тоннель из опускных секций

В этом году Московскому метро исполняется 80 лет. Официальный день рождения столичной подземки отмечается 15 мая (тогда метро впервые открылось для жителей города), но первый технический состав прошел уже в феврале. Любопытный факт: в первый год с момента открытия стоимость проезда постоянно снижалась. Сперва с 50 копеек до 40, а затем и вовсе до 30.

Строительство первой линии било не то что мировые рекорды, оно выходило за пределы человеческих возможностей. Ветку общей протяжённостью 11,6 км, с 13 станциями и всем комплексом сооружений, было решено построить за три года. Для адских и авральных работ было привезено несколько тысяч заключенных, хотя и без них нашлось немало людей, готовых внести лепту в амбициозное сооружение. Все операции в шахтах — разработка, погрузка и размельчение породы, откатка вагонеток — производились без помощи машин. Сегодня эти первые станции красной ветки — одни из самых красивых и величественных, настоящее сердце московского метрополитена.

А как происходит рождение новых станций сегодня? Конечно, никто не ставит коммунистических рекордов, и не привлекает к работам осужденных. Тем не менее, строительство тоннелей глубоко под землей остается сложнейшей задачей. Об этом я подготовил большой и интересный пост.

Для начала стоит пояснить: станции метро бывают двух типов — мелкого и глубокого заложения. Первые строят в открытом котловане, для вторых роют шахту, и ведут все работы на большой глубине. Под катом я покажу оба типа на примере будущих станций московского метро — Петровского парка и Фонвизинской…

Станция Петровский парк — мелкого заложения. Видно, что глубина котлована не более 4-х этажей, некоторые подземные парковки находятся куда глубже. Распорки между противоположными стенами котлована называются расстрелы, они предотвращающую осыпание во время строительства:

Место для эскалатора. Хотя, судя по высоте, тут могли бы обойтись и ступеньками:

Станция планируется двухэтажной. Балконы по сторонам платформы чем-то напоминают те, что на Комсомольской:

Петровский парк — строящаяся станция будущего Второго кольца метро, которое пересечет все существующие радиальные ветки, но ближе к окраинам Москвы:

Тоннель метро сооружается тонеллепроходческим механизированным комплексом (ТПМК), работа которого напоминает движение червя под землей. По легенде, на идею изобретения проходческого щита английского инженера Марка Брюнеля навели наблюдения за движениями корабельного червя, прокладывающего себе дорогу в дубовой щепке. Изобретатель заметил, что только лишь голова моллюска покрыта жесткой раковиной. С помощью ее зазубренных краев червь буравил дерево. Углубляясь, он оставлял на стенках хода гладкий защитный слой извести. Взяв этот принцип за основу, Брюнель запатентовал большой чугунный проходческий щит, который проталкивают под землей домкратами. Затем тоннель обкладывают тюбингом — это такой элемент крепления подземных сооружений:

Тюбинг для станций мелкого залегания представляет собой изогнутые бетонные плиты. Состыковка абсолютно герметична:

Землю вывозят специальным составом:

Кажется, по техническим рельсам особенно не накатаешься, но даже у такой элементарной «электротележки» куча элементов управления:

По словам строителей – на этом участке в основном глинистая почва:

Краном цепляют каждый вагон и поднимают на поверхность:

Землю высыпают в специальную яму, откуда несколько раз в день ее увозят на грузовиках.

Если не вдаваться в детали, на этом технология строительства мелких станций и заканчивается: щит прокладывает тоннель, а в открытом котловане в это время идет обустройство платформы и технических помещений будущей станции. Другое дело — станция глубокого заложения…

Станция Фонвизинская сегодня выглядит так. Это «дырка» в земле, на дне которой угадываться туннель будущего эскалатора:

Схема станции и линий метро на городской схеме:

Строительная площадка очень компактная. Это не удивительно — главная стройка идет под землей:

Желтое здание стоит прямо над стволом шахты. Этот колодец ведет прямиком к подземным работам:

Как видно на схеме (вид сверху), ствол шахты находится не над самой станцией, а немного в стороне. Колодец опускается метров на 60, и копают его вручную. Удивительно, но других технологий нет, только отбойный молоток и лопата.

Технические тоннели (выработки). Метро не начинают строить сразу с платформы станции. Сначала роют временные тоннели, которые идут вокруг будущей станции. По этим тоннелям вывозят землю и заводят оборудование.

Станционные тоннели. По ним будет ходить подвижной состав. Тоннелей два — в одну сторону, и в другую.

Платформа. Большой и высокий тоннель, из которого впоследствии сделают платформу станции. Его края граничат с тоннелями поездов.

Тягово-понизительная подстанция (ТПП). Важнейший стратегический элемент всего метрополитена, который подает напряжение на рельсы и, собственно, обеспечивает движение поездов.

Начальник участка подробно объясняет устройство станции на проекте, после чего мы спускаемся по землю, чтобы увидеть все своими глазами:

Левая и права клеть — это лифты в колодце шахты. По ним поднимают и людей, и оборудование:

Лифтами управляют люди из соседнего здания, где установлена гигантская лебедка. Обратите внимание на тормозные барабаны, очень похожи на автомобильные:

Клеть опускается и поднимается очень быстро — 3 метра в секунду. Дверей нет, есть ручки за которые можно держаться при движении. Кнопок, как в домашнем лифте тут нет, все управляется вручную людьми (все-таки, не в подвал спуститься):

Под землей работает от 800 до 1000 человек. Каждый сотрудник имеет свой номер и фишку на общем стенде. При спуске он обязан повернуть фишку красной стороной, а при выходе — зеленой. Таким образом, в случае ЧП можно моментально определить сколько человек находится в шахте и кто именно:

Мобильники под землей не работают, вся связь ведется через такие аппараты — шахтофоны. Выглядит просто и надежно, как советский танк:

Внизу этот аппарат выглядит так. Сомневаюсь, что через восьмерку можно выйти на межгород:

Первое, что видим, спустившись под землю — технологический тоннель. Его, а также все остальные подходные выработки засыпят после окончания строительства. Все временные тоннели оснащаются рельсами; грузы, инструменты и землю перевозят по ним:

Секции с рельсами собираются словно детская железная дорога. Да и выглядят примерно так же, только в масштабе 1:1

По миниатюрным рельсам движутся миниатюрные электропоезда. Если в детстве вы фанатели от железной дороги — обязательно приходите сюда работать 🙂

Питаются они, как трамваи от электропровода, и лучше к нему не притрагиваться руками:

Вагончики носятся довольно энергично:

Рельсы ведут прямо в лифты, откуда вагон можно отправить на поверхность. Есть технический отсек, куда поднимают вагончики и опорожняют в специальный контейнер (его потом увозят на утилизацию). Огромный ершик слева сгребает грязь с поворотного механизма:

Еще один технологический тоннель опоясывает станцию. Его тоже ликвидируют на финальном этапе, а пока тут ездят тележки:

По нему мы попадаем в главную зону — будущую платформу станции. В отличие от станции мелкого заложения, тут используют не бетонный тюбинг, а чугунный, способный выдержать сильнейшее давление:

Стягиваются элементы вот такими болтами:

Три тоннеля, соединенных между собой проходами — скелет будущей платформы станции:

Центральный тоннель, в котором будет перрон немного больше, чем тоннели с поездами:

Станции глубокого залегания не «копают», а прокладывают с помощью направленных взрывов. Тонеллепроходческий щит на этой станции бесполезен, грунт очень плотный.

Это конец платформы, откуда пойдет эскалатор на поверхность:

Хоть на фото непонятно, это диагональный тоннель эскалатора, который ведет вверх:

Справа чугунные трубы, через которые пойдет электрика:

Самый высокий тоннель — ТПП, высотой на три этажа:

Женщины под землей не работают. Спуститься могут лишь в одном случае, если женщина — маркшейдер (специалист по проведению пространственно-геометрических измерений в недрах земли):

Перед тем как вернуться в лифт, нужно обмыть сапоги от грязи:

А это станция Котельники. Она почти готова, осталось только навести финальный марафет. Уже этой весной она примет первых пассажиров:

Турникеты. Пока есть возможность проходить без карточки:

Эскалаторы. С одной стороны идут отделочные работы:

С другой стороны уже все готово:

Освещение работает «вполсилы», но с открытием станции тут станет намного светлее:

Поскольку станция неглубокая, платформенная ее часть похожа на железобетонную коробку:

При этом перегонный тоннель круглый и выложен бетонным тюбингом (он прокладывался с помощью проходческого щита):

Все стены в коммуникациях и проводах:

ТПП есть и в Котельниках. Это святая святых, строго режимный объект. Пока он не работает, нам разрешили войти внутрь. Внешне этот узел, откуда подается ток на ближайшие линии, ничем не примечателен. Потолки низкие, часто приходилось идти в три погибели:

Это конечная станция, и тут происходит разворот составов. Я представлял себе некоторую линию полукругом, на которой поезда разворачиваются в обратную сторону. В реальности, конечно, все происходит иначе:

Поезд заходит в тупик, машинист выходит из головы состава и идет по технической платформе в другой конец. Вот и весь «поворот».

В час пик, когда много людей и требуется максимальная частота движения, машинисты меняются еще быстрее: в прибывший состав садится машинист предыдущего, а тот, что вышел — идет в другой конец, чтобы сменить следующего:

Вдалеке уже горит свет платформы:

И наконец главный вопрос, который меня волновал долгое время — где ночуют поезда? Оказывается, составы выстаиваются в шеренгу от тупика, и растягиваются аж на три станции метро от конечной!

P.S. По словам руководства Стройкомплекса, в этом году планируется построить не менее 12 км новых линий метро, и открыть 8 новых станций (Котельники и Фонвизинская в их числе). Подробно с планами строительства новых станций можно ознакомиться тут http://stroi.mos.ru/metro

Этапы строительства метро:

Выбор места расположения

В первую очередь метро прокладывают в отдаленные районы столицы. При этом учитывается, сколько там проживает людей и сколько жилья построят в будущем, а также есть ли в районе промышленные предприятия, бизнес-кластеры и большие офисные центры, в которые ежедневно люди приезжают на работу. На выбор места для новой станции влияет и такой фактор, как заселенность соседних районов и даже Подмосковья. Зачастую станцию решают строить там, где движение автомобилей наиболее плотное.

Инженерные изыскания

На этом этапе происходит сбор сведений, необходимых для дальнейшей разработки технико-экономического обоснования проекта и рабочей документации на строительство. В состав инженерных изысканий для строительства метро должны входить геологические, геодезические, экологические и другие виды изысканий по необходимости.

Проектирование

На этом этапе определяются глубина заложения, типы конструкций и способ проходки подземных тоннелей, составляется проектно-сметная документация. Проще говоря, проектировщики определяют оптимальный «маршрут» подземной дороги и место заложения станции.

Проект готовится таким образом, чтобы строительство не повредило архитектурные памятники, здания на поверхности, парки и скверы и при этом стоило бюджету как можно меньше затрат. Если трасса тоннеля проходит вблизи уже существующих объектов, то при необходимости разрабатываются методы инженерной защиты этих сооружений от шума, вибраций и блуждающих токов, возникающих при строительстве и эксплуатации линий метрополитена.

Строительство

От того, какие объекты расположены на поверхности, главным образом зависит, как глубоко уйдет новая станция. Под уличными магистралями метро может «спрятаться » совсем на небольшой глубине - менее 20 метров. Это самый экономичный вариант, который выбран для большинства новых станций. Если сверху - жилые дома, то «спускаться» придется глубже.

Различают закрытый способ строительства, без вскрытия поверхности, и открытый способ, при котором тоннели и станции строятся, соответственно, в разрытых траншеях и котлованах и после засыпаются грунтом.

Закрытый способ применяется при строительстве линий глубокого заложения, станции мелкого заложения строятся преимущественно открытым способом.

Строительство «глубокого» метро начинается с прокладки шахтного ствола для клети (лифта), который будет доставлять метростроевцев и необходимое оборудование «на рабочее место». Площадку, которая вырывается вокруг ствола, можно сравнить с огромной лестничной клеткой. Отсюда начинается прокладка тоннеля. На той же клети после бурения ежедневно на поверхность вывозятся десятки тонн грунта.

Чем глубже станция, тем она дороже и требует больше ресурсов. В 2011 году в Москве было решено большинство новых станций прокладывать открытым способом. Достаточно выкопать котлован, установить бетонные конструкции, выполнить обратную засыпку и уже внутри полученного коридора укладывать пути. Это не только дешевле, но и гораздо быстрее, чем строить станции глубокого заложения.

Проходка и укрепление тоннелей осуществляется чугунными тюбингами или водонепроницаемыми железобетонными блоками обделки.

Монтаж эскалаторов

Параллельно с прокладкой тоннеля строится сама станция и система переходов, затем в метро прокладываются коммуникации и монтируются эскалаторы.

На станциях метро глубокого залегания эскалаторы устанавливаются в длинных наклонных тоннелях - выходах. Большая длина таких эскалаторов накладывает особые требования к прочности их конструкции и надежности тормозов.

При мелком заложении используются поэтажные эскалаторы. Что важно - все новые станции также оборудуются лифтами для людей с ограниченными физическими возможностями.

Внутреннее оформление

Столичный метрополитен по праву считается красивейшим в мире. В большинстве стран станции утилитарны и неотличимы одна от другой. Несмотря на то что теперь станции Московского метрополитена строятся по типовым проектам, для каждой из них разрабатывается свое, особенное архитектурное и дизайнерское решение.

Проекты дизайна строящихся станций московского метрополитена можно посмотреть .

Типовые проекты:

Для станций мелкого заложения используются три основных типа:

сводчатая станция, с открытой, без колонн, платформой;
двухпролетная с колоннами посередине платформы (для станций мелкого заложения);
трехпролетная (для станций мелкого заложения).

В центре Москвы, ввиду плотности исторической застройки, используется старый тип станций глубокого заложения двух видов - колонные и пилонные.

Технологии в помощь метростроевцам

Тоннелепроходческие комплексы

В 30-е годы первые станции московского метро строились вручную: киркой и лопатой. Сегодня же в арсенале метростроителей - передовые технологии. Для прокладки тоннелей метро используют полностью автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Наверное, ее можно сравнить со «стальным червем», который просверливает путь в толще породы, оставляя за собой готовый тоннель.

По легенде, изобретатель первого в мире «проходческого щита» англичанин Марк Брунель действительно придумал такую конструкцию после того, как пригляделся к «работе» обыкновенного корабельного червя, когда служил на флоте. Он заметил, что голова моллюска покрыта жесткой раковиной, с помощью зазубренных краев которой червь буравил дерево, оставляя за собой на стенках хода гладкий защитный слой извести.

Идея машины, которая в разы упростила прокладку тоннелей, оформилась в конструкцию в 1817 году, когда русский император Александр I обратился к Брунелю с просьбой спроектировать тоннель под Невой в Санкт-Петербурге. Правда, в России инженеру поработать так и не удалось - император в конечном итоге решил возвести в намеченном месте мост.

Тем не менее в 1818 году первый щит Брунеля был запатентован, а в 1825 году с его помощью началось строительство тоннеля под Темзой.

В первой машине грунт выбирали сразу 36 шахтеров, располагавшихся каждый в своей ячейке. После выемки грунта на несколько сантиметров щит сдвигали немного вперед. Это была непростая работа, учитывая постоянно просачивающуюся воду (дно реки располагалось всего в нескольких метрах выше сводов этого двойного тоннеля). Несколько наводнений в забое унесли жизни семи рабочих, а однажды чуть не погиб сын Брунеля. Более того, на подземной стройке не раз вспыхивал болотный газ. И всё же работа завершилась триумфом.

В первый же день после открытия удивительного сооружения через тоннель прошли 15 тысяч человек. С тех пор Великобритания заслуженно считается пионером щитовой проходки, а сам щитовой метод в специальной литературе получил название «лондонский».

В нашей стране в метростроении проходческий щит был впервые использован в 1934 году для проходки сложного участка первой очереди московского метро между Театральной площадью и Лубянкой. А при строительстве второй очереди московского метро на трассах одновременно уже работало 42 щита - рекорд по объему используемой техники. С тех пор по этой технологии сооружено более 70% метротоннелей столицы.

На первых щитах, как уже отмечалось, грунт выбирался рабочими вручную с помощью отбойного молотка и удалялся через уже построенный тоннель на вагонетках. Для движения щита вперед использовались винтовые домкраты, которые упирались в готовый участок тоннельной обделки и толкали машину вперед.

Размеры тоннелей росли, совершенствовалась и конструкция «червя»: в передней его части появились горизонтальные площадки, которые позволили рабочим разрабатывать грунт одновременно с двух (а иногда и более) ярусов. Однако из-за большого количества ручного труда и частых аварий скорость проходки оставляла желать лучшего.

Значительно ускорило процесс использование сборной обделки из крупных элементов - первоначально - чугунных тюбингов. Гигантские кольца, формирующие тоннели, стали собирать из нескольких элементов.

Следующим этапом «эволюции» тоннелепроходческих комплексов стала разработка конструкций с так называемым «грунтопригрузом». При работе такого щита порода подается сначала в герметичную камеру, из которой грунт по принципу «мясорубки» удаляется с помощью шнекового конвейера.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях, и современные щиты рассчитаны на проходку тоннелей в различных грунтах, в том числе и в неустойчивых. Комплексы работают в два цикла: сначала разрабатывают грунт, затем возводят обделку, производя монтаж блоков. Средняя скорость «проходки» щитов сегодня - 250 - 300 м в месяц, средняя стоимость - 13 - 15 млн евро.

Московские строители первыми в мире с помощью тоннелепроходческих щитов стали прокладывать наклонные тоннели для эскалаторных зон . По заказу Мосметростроя канадская фирма Lovat разработала и изготовила тоннелепроходческий комплекс с наружным диаметром 11 м. Именно с его использованием столичные метростроевцы впервые совершили щитовую проходку тоннеля для эскалаторов. Это произошло на станции «Марьина роща» Люблинско-Дмитровской линии метро.

Кстати, будни метростроителей вовсе не лишены романтики: когда-то Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы-изготовителя тоннелепроходческих щитов LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары. С его легкой руки родилась традиция - присваивать щитам женские имена. Вот почему в Москве трудятся машины с именами «Клавдия», «Катюша», «Полина» и «Ольга».

Решение геологических проблем

Самый коварный враг проходчиков подземных шахт - это плывуны: массы почти пылеобразного песка с примесью 10 - 15% глины, как губка пропитанного водой.

Еще в 30-е годы прошлого века, когда в столице строилось первое метро, метростроители столкнулись с очень непростыми гидрогеологическими условиями. Тогда же была применена система против обрушения грунта и других типичных проблем, угрожающих тоннелям, которая по сей день считается одной из самых продуманных и надежных. Речь идет о заморозке грунта, основанной на простой, но эффективной системе.

Различают несколько способов замораживания, старейший из них - так называемый «рассольный» .

Он состоит в том, что место работ отгораживается от общей массы водоносного грунта стеной из мерзлоты. Замороженный грунт в метр-два толщиной при температуре -12 градусов практически выдерживает любое давление горных пород и прекрасно противостоит проникновению грунтовых вод. Как же заставить холод спуститься под землю? Это получается с помощью искусственных приспособлений из специальных холодильных машин.

Холодильная машина основана на том, что хладагент (жидкий аммиак, фреон и т.д.), который из цистерн пускают в подготовленные замораживающие колонки, при своем испарении отбирает у окружающей среды теплоту. Его пары вновь сжижаются с помощью компрессора и конденсатора, а холод, образовавшийся в испарителе, идет на охлаждение незамерзающего рабочего рассола хлористого кальция. Рассол при температуре -25 градусов поступает в охлаждающую систему. Для ее установки по контуру выработки пробуриваются скважины диаметром 150 - 200 миллиметров на расстоянии одного метра друг от друга. В скважины опускаются замораживающие колонки, состоящие из двойных труб. Замораживающий рассол поступает по средней трубе, а по наружной трубе после естественного нагрева в грунте возвращается в холодильную машину. Таким образом, циркуляция рассола происходит непрерывно.

Примерно через месяц работы холодильной машины грунт вокруг отдельных замораживающих колонок смерзается в монолитную массу, защищающую место выработки от проникновения грунтовых вод и осыпания стенок. Теперь холодильная машина должна лишь поддерживать кольцо мерзлоты до тех пор, пока не будут произведены выработка и закрепление ее стенок.

Более современный способ - низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота . Он представляет собой бесцветную жидкость, температура испарения которой очень низка (при атмосферном давлении она равна -195,8 о С).

Получают жидкий азот на специальных заводах путем сжижения атмосферного воздуха при низких температурах и последующего разделения его на жидкий азот и кислород, имеющие разные температуры испарения. Жидкий азот транспортируют в специальных емкостях (танках).

В отличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).

Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод. На замораживание 1 м 3 грунта с содержанием воды до 30% расходуется 1000 л жидкого азота. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен и нетоксичен.

Однако оба этих способа в последнее время применяются достаточно редко. Жидкий азот - удовольствие неоправданно дорогое, к тому же на «схватку» грунта уходит более месяца. Поэтому заморозка сегодня используется лишь при проходке наклонных эскалаторных тоннелей.

Для прочих случаев есть более совершенная и достаточно экономичная альтернатива - технология струйной цементации грунтов, или jet grouting . Это метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора. В результате струйной цементации грунта в нем образуются цилиндрические колонны диаметром 600 - 2000 мм.

Технология появилась практически одновременно в трех странах - Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия она мгновенно распространилась по всему миру.

Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором в режиме mix-in-place (перемешивание на месте). В результате в грунтовом массиве формируются сваи из нового материала - грунтобетона - с достаточно высокими несущими и противофильтрационными характеристиками.

Устройство свай из грунтобетона выполняется в два этапа: производство прямого (бурение скважины) и обратного хода буровой колонны. В процессе обратного хода производят подъем колонны с одновременным ее вращением.

С помощью jet grouting получают очень прочный котлован, строят надежные основания под любые строения. В шахматном порядке создают свайное поле, одна свая перекрывает другую, и получается монолит - скала. И на ней можно строить что угодно. Эта технология особенно эффективна, когда приходится возводить объекты в песчаном грунте, в мягкопластичной глине или в других мягких грунтах.

Благодаря этим технологиям сегодня метростроевцы могут работать в самых сложных геологических условиях, прокладывая тоннели, которые приводят метро в новые районы столицы.

«Драгоценные » инструменты

Не обошлось в метростроении и без нанотехнологий. Сегодня строители могут использовать инновационные инструменты - алмазные рабочие сверла, фрезы и жала .

Изначально это ноу-хау использовалось для сверления железобетонов и других строительных материалов и оказалось настолько удобным, что стало использоваться для сложных горнопроходческих работ в скальном грунте. Она значительно повышает уровень безопасности работ и скорость проходки - строительство ускоряется буквально в разы. Интересно, что стоимость "алмазного" оборудования не намного выше обычного - разница в цене составляет всего 10 - 15%.

Традиционные морально устаревшие инструменты не в состоянии обеспечить такое количество технологических преимуществ. Так, алмазное сверло может делать отверстия в любой плоскости и под любым углом, при помощи контурного метода можно получить правильные прямоугольные отверстия любой нужной величины, при этом получается идеальный контур. "Драгоценные" инструменты позволяют работать в самых узких и тесных пространствах, им под силу материал любой твердости. Что немаловажно - метод бесшумен и экологичен.

Глубину заложения тоннеля, его длину, расположение и форму определяют исходя из назначения тоннеля, топографических, геологических и климатических условий местности. Строительство тоннеля, или, как говорят строители, проходка тоннеля, производится открытым или закрытым способом. В первом случае работы ведутся на поверхности: разрывается котлован, в котором возводится тоннель. При этом строителям приходится вскрывать асфальтовое дорожное полотно, а также, при необходимости, перекладывать инженерные коммуникации, попадающие в зону работ. Закрытый способ предусматривает, что все работы будут проводиться под землей, не создавая неудобств автомобилистам и пешеходам.

Наиболее распространенным методом строительства тоннелей является так называемый «миланский способ», когда строители возводят стены тоннеля и укладывают перекрытия, по которым сразу же восстанавливается автомобильное движение. А защищенные «крышей» перекрытия строители достраивают тоннель, не мешая движению на поверхности.

При закрытом способе строительства тоннеля существует два метода работ: метод продавливания, когда мощный домкрат «впихивает» каркас тоннеля в толщу грунта, и метод щитовой проходки, когда механизированный тоннелепроходческий комплекс «бурит» тоннель впереди себя. Для строительства тоннеля с четырьмя полосами для движения в одну сторону потребуется щит диаметром 19 метров.

В зависимости от особенностей грунта различаются и технологии, используемые при проходке тоннеля. Если строительство идет в условиях мягких неустойчивых пород, то для начала возводят специальную крепь из арматуры и бетона, а неустойчивые грунты замораживают специальным составом или укрепляют с помощью особого раствора. Например, цементом, жидким стеклом с хлоридом кальция или синтетической смолой.

Когда тоннель проложен, в зависимости от инженерных и геологических условий, сооружают его обделку из монолитного бетона, железобетона, стали или чугуна.

При строительстве длинного тоннеля, в котором форма и размеры будут одинаковыми на всем его протяжении, применяют сборные конструкции. Правда, при этом необходимо с особой тщательностью подходить к вопросу скрепления отдельных блоков между собой. Гораздо проще строить тоннель из монолитных конструкций. Монолитные конструкции отливают прямо на месте, укладывая бетонную смесь новым современным бетонолитным оборудованием. Плюсы такого способа - в отсутствии транспортировки бетонных блоков, а также в отсутствии стыковочных швов между отдельными конструкциями, что делает тоннель более надежным и долговечным.

Конструкция тоннеля может быть разнообразной. Так, помимо собственно автомобильной дороги, в тоннеле могут быть построены автостоянки, пешеходные переходы, торговые центры - все это размещается уже над тоннелем. Каждый тоннель оснащен системой инженерных коммуникаций (водоотвод, вентиляция и пр.), а также служебными и технологическими помещениями. В стенах тоннеля строятся ниши под пожарные и электрические щиты, светильники. А в целях безопасности через каждые 100 м делают эвакуационные выходы на случай чрезвычайных ситуаций.