ПОДЗЕМНЫЙ ВИСЯЧИЙ ТОННЕЛЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Российский патент 1997 года по МПК E02D29/00 

Настоящее изобретение относится к области строительства в районах со сложными инженерно-геологическими условиями новых или реконструкции (усиления) действующих подземных тоннелей, предназначенных для транспортных целей (железнодорожных, автодорожных, судоходных, пешеходных и тоннелей метрополитенов), для прокладки коллекторов различного назначения, прокладки городских коммунальных сетей или размещения в них производственных предприятий.

Под "сложными инженерно-геологическими условиями" подразумеваются условия, включающие гидрологическое и геологическое строение массива, литологический состав, состояние и физико-механические свойства грунтов, физико-геологические процессы и явления, неблагоприятные изменения гидрогеологических условий в ходе строительства сооружений, которые исключают возможность применения известных традиционных конструктивных решений.

Известными являются подземные и подводные тоннели, которые прокладывают с помощью щитовой техники (механизированных и герметических проходческих агрегатов в сочетании со сжатым воздухом, гидравлической и грунтовой пригрузкой, с искусственным укреплением грунтов и пр.), крупногабаритные заводные секции, опускные подводные кессоны-тоннели, подводные тоннели-мосты.

Близкие к данному изобретению конкретные аналоги в практике отечественного и мирового тоннелестроения не выявлены.

Задачей изобретения является: создание такой конструкции подземного тоннеля, которая в сложных инженерно-геологических условиях предполагала бы возможность:
снижения деформативности и повышения жесткости обделки в плоскости поперечного сечения тоннеля и поглощения деформаций вдоль оси тоннеля;
прокладки нового подземного тоннеля известными методами проходки в любых грунтах независимо от их несущей способности, при этом исключалось бы неблагоприятное влияние на жесткость и прочностные характеристики сооружения различного рода гидрологических и геологических особенностей массива (особенно это касается грунтов, залегающих непосредственно под тоннелем и над ним), постоянно изменяющихся под действием подземных грунтовых вод из-за колебания горизонта, изменения скорости и направления водопотока, размываемости грунтов, их фильтрации, геоморфологических изменений в подземных слоях со временем и пр. или строительства подземных тоннелей в неисследованных грунтах, т. е. на участках, где не проводились инженерно-геологические изыскания;
проведения ремонтно-восстановительных работ по реконструкции (восстановлению несущей способности и эксплуатационных качеств) сооружения в случае возникновения аварийной ситуации из-за потери массивом несущей способности (например от размораживания грунтов) с гарантируемыми сроками и требуемым качеством, без огромных финансовых затрат и с минимальной степенью риска для выполняющего эти работы персонала;
дальнейшей эксплуатации сооружений без огромных эксплуатационных затрат, необходимых для поддержания расчетных гидрогеологических условий в массиве (например поддержание замороженного состояния), чтобы не вызвать аварийное состояние обделки тоннеля из-за появления недопустимых прогибов его ствола, образования деформаций в конструкции обделки и потери герметичности.

Достигнуть этих целей предлагается тем, что в сложных инженерно-геологических условиях проектное положение тоннеля обеспечивается и фиксируется вертикальными жесткими или гибкими подвесками и главным несущим поясом из тросов, концевые оттяжки которого заанкеренны с помощью якорных устройств. Главный несущий пояс навешивается над поверхностью грунта или с частичным заглублением в грунт между погруженными по обе стороны от тоннеля и возвышающимися над поверхностью грунта пилонами. Тросовые подвески распределены равномерно по длине тоннеля, пронизывают слой грунта над тоннелем и присоединены нижними концами к несущим конструкциям его обделки с помощью анкерных устройств, а верхними к главному несущему поясу. Пилоны соединены между собой попарно поперек тоннеля с образованием порталов, которые расположены на расчетном расстоянии один от другого вдоль тоннеля на опасных и ненадежных по несущей способности участках грунта. Якорные устройства при необходимости усиливаются опорными башнями по краям и оборудуются мощными домкратами, позволяющими выполнять натяжение тросов главного несущего пояса. Пилоны, возвышающиеся над поверхностью земли, погружаются по обе стороны тоннеля проходческим методом "опускного колодца" (или другим известным способом) с закреплением в коренных грунтах, имеющих расчетную несущую способность.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный и три поперечных разреза подземного висячего тоннеля, проложенного в слабых грунтах, занимающих протяженный участок тоннеля, равный расстоянию между порталами, а главный несущий пояс из тросов частично заглублен в землю; на фиг. 2 показан узел 1 (см. фиг. 1) вертикальный разрез пилона, якорного устройства, подвесок и главного несущего пояса из тросов, присоединенных к обделке тоннеля; на фиг. 3 вертикальный поперечный разрез портала (по А-А), надземной его части; на фиг. 4 вертикальный поперечный разрез портала (по Б-Б), подземной его части, тоннельного ствола и вертикальной подвески; на фиг. 5 разрез двух пилонов и тоннеля (по 1-1); якорного устройства (по 2-2) с проходящим через него главным несущим поясом из тросов; на фиг. 6
вертикальный разрез якорного устройства с башнями усиления (по В-В) в плоскости главного несущего пояса; на фиг. 7 продольный и два поперечных разреза тоннеля, проложенного в массиве, который предполагает наличие в нем небольшой по размерам линзы из слабых грунтов (что позволяет выполнить все пилоны и обе якорные оттяжки на небольшой глубине в стороне от линзы); на фиг. 8 продольный разрез тоннеля, значительная по протяженности часть которого проложена в слабых грунтах (так называемая "многопролетная висячая система"), с глубоким заложением пилонов; на фиг. 9 фрагмент вертикального разреза сооружения узел N 1 (вариант N 1, фиг. 8) сооружение из двух тоннелей, проходящих через зону тектонического разлома, заполненного слабыми грунтами; на фиг. 10 узел 2 (фиг. 9) крепления подвески к главному несущему поясу из тросов; на фиг. 11 вертикальный разрез по одной подвеске, камере для установки стяжных устройств и тоннелю; на фиг. 12 поперечный разрез тоннелей по 3-3 (фиг. 9) с парой вертикальных подвесок, крепящихся к тоннелям с помощью специальных анкерных устройств (вариант 1); на фиг. 13 поперечный разрез тоннелей по 3* 3* (фиг. 9) с одной вертикальной подвеской, крепящейся к тоннелям с помощью анкерных устройств, установленных в специальных несущих металлических кольцах обделки тоннеля (вариант 2); на фиг. 14 фрагмент вертикального продольного разреза сооружения узел N 1 (вариант N 2, фиг. 8) вариант тоннеля, проходящего через зону тектонического разлома, заполненного слабыми грунтами (размыв например).

Позиции на чертеже (фиг. 1 14) обозначают:
1 подземный висячий тоннель; 2 вертикальные жесткие или гибкие подвески; 3 анкерное устройство (специальный "хомут"), с помощью которого вертикальные подвески закреплены к конструкциям обделки тоннеля; 4 - устройство, соединяющее вертикальную подвеску с главным несущим поясом; 5 - главный несущий пояс сооружения; 6 пилон; 7 якорное устройство, закрепляющее концевые оттяжки пояса 5 в грунте; 8 колодцы для устройства и усиления якорных устройств; 9 распорки, соединяющие пилоны; 10 - заглубленные камеры; 11 натяжные (стяжные) устройства для вертикальных подвесок; 12 -вертикальные стальные обсадные трубопроводы буровых скважин; 13 кольца жесткости в конструкции обделки тоннеля с анкерными устройствами для крепления подвески.

Настоящее изобретение предусматривает два варианта его применения:
а) при прокладке нового подземного тоннеля;
б) при проведении реконструкции с целью восстановления работоспособности (усиления) существующего, но не находящегося в аварийном состоянии.

Для осуществления описанного устройства при строительстве нового подземного тоннеля, когда проходку тоннельного ствола 1 необходимо осуществить сквозь тектонический разлом, заполненный слабыми грунтами (например сквозь размыв), на каком-то определенном участке (фиг. 1), сначала возводится висячая система, предназначенная для передачи на главный несущий пояс нагрузок от веса тоннеля и вышележащих посадочных грунтовых пластов, временных эксплуатационных и сейсмических нагрузок через опорные пилоны на глубоко залегающие коренные массивы. Туннель 1 "подвешивается" (аналогично балке жесткости в конструкции висячих мостов) на вертикальных подвесках 2, которые специальными анкерными устройствами 3 прикрепляются с определенным расчетным шагом к несущим элементам обделки тоннеля (фиг. 2) по мере продвижения вперед проходческого тоннельного ствола. Подвески закрепляются с помощью специальных устройств 4 к главному несущему поясу 5. Для прокладки подвесок в толще грунта над обделкой тоннеля бурятся вертикальные скважины с установкой в них обсадных труб 12, которые после пропуска подвесок заливаются гидроизоляционным материалом, предохраняющим материал подвесок от коррозии. Точность бурения скважин должна быть достаточно высокой, чтобы зафиксировать положение подвесок в расчетных точках в конструкции обделки тоннеля. Не исключается также применение других известных способов вертикальной проходки сквозь слой грунта над обделкой прокладываемого тоннеля (например с помощью механического "крота"). Для возведения пилонов 6 горнопроходческим методом в районах со сложными или неисследованными инженерно-геологическими условиями, когда необходимо опускные колодцы погрузить на большую глубину, рекомендуется устройство проходческого остроконечного ножа с соответствующей защитой их прокатным металлом. Погружение опускного колодца, например, из сборных железобетонных блоков-тюбингов, предлагается производить без водоотлива, но параллельно с выемкой грунта из колодца грейфером необходимо производить инженерно-геологические изыскания, результаты которых необходимы для определения глубины заложения пилонов. Когда нож опускного колодца достигнет грунтов, несущая способность которых будет соответствовать расчетной, предлагается дальнейшим погружением внедриться в него на несколько метров в глубину и подводным бетонированием выполнить подушку (т. е. "зафиксировать" нож в грунте). Затем нарастить надземную часть пилона теми же блоками-тюбингами над поверхностью земли до проектной отметки.

Главный несущий пояс навешивается между пилонами (фиг. 3 и 4), а его концевые оттяжки фиксируются в якорных устройствах 7 на расчетной глубине (фиг. 5 и 6). Расчет якорных устройств, аналогично расчету конструкций висячих мостов, выполняется с учетом нагрузок, действующих на "балку жесткости" (подземный тоннельный ствол). При необходимости заложения мощных якорных устройств на значительной глубине, которая определяется расчетом, предлагается вначале методом "опускного колодца" выполнить погружение колодцев 8 (фиг. 5 и 6). Между этими колодцами выполняется бурение скважины и закладка обсадной трубы для анкеровки несущего пояса и анкерного устройства за обделку тоннеля (если это необходимо по расчету анкерных устройств). Анкерное устройство бетонируется в выемке, разработанной проходческим методом между стенками колодцев. Пилоны 6 соединяются распорками 9 (фиг. 1, 3 и 4) в верхней части, образуя порталы. Несущий пояс опирается на распорку в средней части над осью прокладываемого тоннеля. Натяжение в главном несущем поясе (т. е. величина прогиба пояса при свободном провисании, без нагрузки) заранее задается проектом с учетом расчетных (постоянной и временной) нагрузок. Только после окончания создания висячей системы продолжается прокладка подземного тоннеля в слабых грунтах, одновременно с которой выполняется крепление обделки тоннеля к вертикальным подвескам, причем натяжение подвесок регулируется с учетом неравномерного распределения нагрузки от тоннеля на главный несущий пояс. Закончив проходку тоннеля на участке между пилонами, окончательно закрепляются все анкерные устройства 3 и 4, после чего в несущем поясе 5 создается расчетное усилие натяжения при помощи домкратов, устанавливаемых в анкерных колодцах 8. После достижения в поясе и во всех подвесках расчетного усилия исключается какое-либо влияние гидрогеологических условий, в которых находится проложенный тоннель, на его жесткость и несущую способность, так как вся нагрузка воспринимается висячей несущей тросовой системой и через глубоко заложенные пилоны передается на коренные массивы.

Если подземным тоннелем предполагается пересечение незначительного по протяженности участка слабых грунтов (фиг. 7), тогда необходимо пилоны и якорные устройства заглублять на незначительную глубину (в соответствии с расчетными данными для каждого конкретного случая), а если участок слабых грунтов, наоборот, имеет большую протяженность, тогда висячую систему для подземного тоннеля можно выполнить многопролетной (фиг. 8).

Для осуществления описанного устройства при проведении реконструкции (усиления) действующего тоннеля, пришедшего в аварийное состояние вследствие изменения гидрогеологических условий, в которых находился тоннель, т. е. когда необходимо предпринять срочные меры по устранению прогибов на его участках и ликвидировать деформации в обделке, висячая система выполняется аналогичным образом. Отличие состоит только в том, что натяжение, которое необходимо создать в тросах подвесок и в главном несущем поясе, должно быть достаточным для устранения образовавшихся прогибов и деформаций, или, по крайней мере, достаточным для предупреждения их дальнейшего развития.

В отличие от прототипа предложенное изобретение дает возможность исключить: проведение дорогостоящих, трудоемких и сложных работ по проведению инженерно-геологических изысканий; укрепление слабых грунтов методами глубокого замораживания; соблюдение в течение всего периода эксплуатации подземного тоннеля режима замороженного состояния тех слоев грунта, в которых выполнена прокладка тоннеля. Главное достоинство появляется возможность восстановить работоспособность тоннеля, тем самым сэкономить огромные финансовые средства.

Изобретение предназначено для строительства, реконструкции или усиления подземных тоннелей различного назначения в районах со сложными инженерно-геологическими условиями. Подземный висячий тоннель содержит обеспечивающие и фиксирующие его проектное положение подвески и главный несущий пояс, натянутый над поверхностью земли или с частичным заглублением, прокладывается над пилонами, погруженными в надежный по несущей способности грунт и возвышающимися над поверхностью земли по обе стороны от тоннеля, и концевыми оттяжками анкернится в загубленных якорных устоях. Гибкие или жесткие подвески распределены равномерно по длине тоннеля, пронизывают слой грунта над тоннелем и присоединены нижними концами к несущим конструкциям его обделки с помощью анкерных устройств, а верхними - к главному несущему поясу из тросов. Пилоны соединены между собой попарно поперек тоннеля с образованием порталов, которые расположены на расчетном расстоянии один от другого вдоль тоннеля на опасных и ненадежных по несущей способности участках грунта. 14 ил.

Подземный висячий тоннель для строительства в сложных инженерно-геологических условиях, содержащий обеспечивающие и фиксирующие его проектное положение тросовые подвески и главный несущий пояс из тросов, имеющий заанкеренные концами в грунте с помощью якорных устройств оттяжки и натянутый над поверхностью грунта или с частичным заглублением в грунт между погруженными по обе стороны от тоннеля, возвышающимися над поверхностью грунта пилонами, причем тросовые подвески распределены равномерно по длине тоннеля, пронизывают слой грунта над тоннелем и присоединены нижними концами к несущим конструкциям его обделки с помощью анкерных устройств, а верхними к главному несущему поясу, при этом пилоны соединены между собой попарно поперек тоннеля с образованием порталов, которые расположены на расчетном расстоянии один от другого вдоль тоннеля на опасных и ненадежных по несущей способности участков грунта.