§ 69. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЯХ И ОСОБЕННОСТЯХ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ч. 1
Большое значение щитовая проходка имеет при сооружении подводных тоннелей, проводимых под руслом водотоков и под крупными водоемами. Как будет далее показано более подробно, подводный тоннель обеспечивает кратчайшую транспортную связь между пунктами, расположенными на противоположных берегах водного препятствия. При этом тоннель в зависимости от ширины и глубины водотока (или водоема) располагается в береговой и подрусловой зонах пересекаемого водного препятствия.
При проходке в неустойчивых водонасыщенных породах, а также в подрусловых плотных глинах обычно применяют сжатый воздух как средство осушения забоя и предотвращения прорывов и затоплений тоннеля. Такой способ работ требует специального оснащения и ограничивает глубину заложения тоннеля по условиям предельно допустимой величины избыточного давления воздуха. По современным требованиям такая величина не должна превосходить 3,5 кгс/см2, что соответствует глубине приблизительно 35 м, при этом продолжительность рабочей смены не должна быть более 4 ч.
Однако современная техника подводного тоннелестроения обогащается новыми средствами проходки тоннелей практически на любой глубине. К таким средствам относятся так называемые герметизированные щиты, которые позволяют вести проходку подводных тоннелей на больших глубинах без применения сжатого воздуха.
Благодаря герметически плотному соединению всех элементов щита и специальному конструктивному решению головной и хвостовой его частей достигается полная водонепроницаемость проходческого агрегата; в то же время разработка и удаление породы производятся при помощи гидромеханизации и другими средствами.
Скорости проходки тоннелей таким способом могут быть значительно увеличены за счет неполного приема внутрь тоннеля разрабатываемой разжиженной породы. Часть объема породы может быть смещена при вдавливании проходческого агрегата, что требует повышения силы щитовых домкратов. Конструктивные решения проектов герметизированных щитов будут рассмотрены ниже.
Таким образом, область применения щитовой проходки может быть значительно расширена.
План трассы подводных тоннелей. Расположение трассы подводных тоннелей в плане должно удовлетворять требованиям технических условий на проектирование железных и автомобильных дорог.
Как правило, трасса подводных тоннелей должна быть расположена на прямой, что обеспечивает кратчайшую длину перехода, минимальные объемы разрабатываемой породы и необходимых материалов, а также простоту и надежность всего производственного процесса. При наличии сложных топографических условий берегов, трудных геологических местных условий, требующих обхода неблагоприятных (пониженных или размытых) мест дна водотока, а также по условиям планировки и архитектурной компоновки городских кварталов трасса может быть расположена на криволинейных участках с углами поворота в любую сторону. Однако при этом ухудшаются условия производства работ и увеличивается их стоимость. Это объясняется необходимостью уширения тоннелей, а также ухудшением условий эксплуатации (ограничение зоны видимости проезжей части в автодорожных тоннелях на кривых и увеличение сопротивления потоку воздуха при вентиляции).
Для криволинейных участков трассы тоннелей обязательно соблюдение всех основных нормативов, установленных техническими условиями по отношению к элементам кривых участков дороги и их взаимному сопряжению.
Продольный профиль подводных тоннелей. При проектировании продольного профиля подводного тоннеля необходимо предусмотреть условия, не допускающие прорыва сжатого воздуха во время проходки и всплывания тоннеля в эксплуатационный период. Первое условие предопределяет такую глубину заложения верха тоннеля от дна русла, при которой исключается вероятность прорыва сжатого воздуха из тоннеля, обычно приводящего к опасности его затопления. Очевидно, эта глубина зависит от плотности налегающего слоя донных отложений и режима регулирования избыточного давления воздуха в тоннеле. Практически можно считать достаточной толщину слоя породы 7—10 м для плотных глин и 10—15 м для среднепористых пород.
При регулировании давления воздуха следует исходить из условия равновесия столба воды на уровне одной трети диаметра тоннеля снизу.
Чтобы избежать больших заглублений при неоднородном слое породы, перекрывающем тоннель, иногда для предотвращения прорывов воздуха применяют в наиболее опасных местах так называемую донную подушку из плотных глин. Размеры последней по ширине достигают четырех диаметров тоннеля, а по толщине — 2—3 м в зависимости от конкретных условий.
После окончания строительных работ это донное ограждение обычно сохраняется на период эксплуатации, а при мелком водотоке может быть ликвидировано подводным землечерпанием или размывом.
Второе условие предусматривает обеспечение подводного тоннеля от всплывания в илисто-плывунных породах вследствие недостаточной нагрузки и веса конструкции тоннеля по сравнению с весом воды в объеме тоннеля. При выборе глубины заложения тоннеля для обеспечения требуемого равновесия (с запасом в 10—15 %) обычно учитывают вес налегающего слоя породы и собственный вес конструкции тоннеля, но пренебрегают силами трения между обделкой и породой, что идет в запас прочности. При необходимости конструкцию тоннеля утяжеляют заполнением свободных участков поперечного сечения обделки тощим бетоном.
Очевидно, что при сооружении подводных тоннелей способом опускания готовых тоннельных секций необходимость учета прорывов сжатого воздуха отпадает, поэтому тоннель может быть расположен на более высоких отметках.