СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ Российский патент 2013 года по МПК E02D29/09 

Описание патента на изобретение RU2501912C2

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, Шр=3 км;

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

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

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

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

- стоимость переэкскавации 1 м3 горных пород из расчета, сэ=0,2·со=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, Lт,

Lт=Lг+2Lн,

где Lг, Lн - соответственно длина горизонтального и наклонного участков тоннелей, км, Lгр=3 км:

Lнг·αт,

Нг - глубина заложения тоннеля, м;

Hг=hб+hp+hз,

hб - высота берега реки, м, hб=20 м; hp - средняя глубина реки, м; hp=8 м; hз - глубина заложения тоннеля от дна реки, м; hз=14 м;

Lнг·αт=(20+8+14)·10=420 м,

откуда Lт=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:

Sтт·Hт,

где Шт - ширина двухпутного автомобильного тоннеля, м;

Нт - средняя высота тоннеля, м.

Шт - 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, Нт=4,5 м, тогда,

Sтт·Нт=18,5·4,5=83,25 м2.

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

Vг=Lг Sт=3000 м·83,25 м2 = 249750 м3.

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

Vн=Vно+Vнп,

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

Vнп - 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:

Vно=Lно·hб/2·Штр,

где Lно - длина въездной траншеи, м;

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

Lно=hб·αт=20·10=200 м

Vно=200·20/2·30=60000 м3.

Длина наклонного подземного участка тоннеля - Lнп,

Lнп=Lн-Lно=420-200=220 м.

Объемы работ по проходке наклонного подземного участка тоннеля,

Vнп=2·Lнп·Sт=2·220·83,24=36626 м3.

Следовательно,

Vн=Vно+Vнп=60000+36626=96626 м3.

5. Затраты на проходку тоннеля - Зпт:

Зптпопп,

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

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

Зпоо·Vпо=3,41·60000=204600 долл.

Зппп·Vпп=10,23·36626=374684 долл.

где Сп≃З·Со=3,41·3=10,23 долл./м3,

откуда, Зпт=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, ΔV=8,9 м3.

Тогда общий расход бетона Qб для сооружения подводной тоннели длиной Lт=3840 м равен,

Qб=Lт·ΔV+ΔQ,

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

ΔQ=Δh·Шт·Lт=0,15·18,5·3840 м = 10656 м3,

Qб=3840·8,9+10656=44832 м3.

Затраты на укладку бетона Зб составят:

Збб·Qб=Qб·44832=4,53 млн долл.

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

Сб=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./м3 (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 Рт составит:

Рт=2Шт+2Нт=2·18,5+2·4,5=46 м.

На всю длину тоннеля LT расход тайпара ΣРт равен:

ΣРтт·Lт=46·3840=176640 м2.

Тогда затраты на покрытие тоннеля тайпаром будут равны:

Зт=ΣРт·Ст,

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

Зт=176640·1,43=252595 долл.

Общие затраты на сооружение тоннельных обделок - Зто,

Зтобт=4530000+252595=4782595 долл.

Суммарные затраты на сооружение тоннеля:

Зтонптбт=579284+4530000+252595=5361879 долл.=5,36 млн долл.

Зтон=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:

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

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

Э=Смт=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.

Похожие патенты RU2501912C2

название год авторы номер документа
ТРАНСПОРТНЫЙ ПЕРЕХОД И СПОСОБ ЕГО СООРУЖЕНИЯ 2015
  • Севенард Юрий Константинович
  • Фалькевич Александр Генрихович
  • Киселев Николай Павлович
RU2587673C1
СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВДОЛЬ РУСЛА РЕКИ ИЛИ КАНАЛА 2018
  • Чернов Руслан Игоревич
RU2686206C1
СПОСОБ РАЗРАБОТКИ БЕДНОТОВАРНЫХ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК 2014
  • Андросов Артур Дмитриевич
  • Заровянев Борис Николаевич
  • Андросов Артур Артурович
  • Гаенкова Ирина Владимировна
RU2568654C1
Способ доработки глубоких кимберлитовых карьеров 2017
  • Андросов Артур Дмитриевич
  • Шубин Григорий Владимирович
  • Андросов Артур Артурович
  • Петрова Любовь Владимировна
RU2661769C1
СПОСОБ ОТРАБОТКИ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ 2000
  • Андросов А.Д.
  • Скобеев И.В.
  • Акишев А.Н.
  • Тарасов И.И.
  • Андросов А.А.
RU2199664C2
СПОСОБ РАЗРАБОТКИ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ 2001
  • Андросов А.Д.
  • Егоров Е.Г.
  • Толстяков А.Ф.
  • Андросов А.А.
RU2258810C2
СПОСОБ ВЫЕМКИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ РУД ИЗ ЦЕЛИКОВ 2013
  • Андросов Артур Дмитриевич
  • Заровняев Борис Николаевич
  • Шубин Григорий Владимирович
  • Сорокин Владимир Степанович
  • Гоголев Илья Николаевич
RU2547858C1
Способ проходки наклонных стволов и горизонтальных подземных выработок в условиях криолитозоны 2019
  • Андросов Артур Дмитриевич
  • Петрова Любовь Владимировна
  • Алексеев Андрей Михайлович
RU2698752C1
СПОСОБ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ ТОННЕЛЯ 2008
  • Шилин Андрей Александрович
  • Картузов Дмитрий Валерьевич
RU2383738C2
Способ отработки глубоких горизонтов алмазодобывающих карьеров в условиях криолитозоны 2019
  • Андросов Артур Дмитриевич
  • Шубин Григорий Владимирович
  • Заровняев Борис Николаевич
  • Петрова Сахаяна Ивановна
RU2698750C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 501 912 C2

Реферат патента 2013 года СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Изобретение относится к подземным и подводным сооружениям и может быть использовано при строительстве железнодорожных и автомобильных тоннелей, проходимых под водоемами, преимущественно в условиях криолитзоны. 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, отличается 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. Технический результат состоит в повышении надежности гидроизоляции тоннеля, снижении трудоемкости и материалоемкости при строительстве. 1 табл., 4 ил.

Формула изобретения RU 2 501 912 C2

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2501912C2

ВОЛКОВ В.П
и др
Тоннели и метрополитены
- М.: Транспорт, 1975, с.70-73
Резьбонарезной прибор для труб 1947
  • Бомзе А.Я.
SU81505A1
СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЯ ПОД МОРСКИМ ДНОМ 2003
  • Соломоник И.Б.
RU2239025C1
ИНДУКЦИОННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ 2006
  • Хирота Йосиаки
RU2358417C1
US 6450734 B1, 17.09.2002.

RU 2 501 912 C2

Авторы

Андросов Артур Дмитриевич

Николаев Михаил Васильевич

Данилов Юрий Гаврильевич

Андросов Артур Артурович

Даты

2013-12-20Публикация

2010-04-13Подача