Строительство туннелей

Введение в строительство туннелей включает в себя понимание цели, истории и основ строительства туннелей.

Туннель — это подземный проход, вырытый в почве, скале или в том и другом. Тоннели используются для транспортировки, транспортировки воды, канализации и инженерных сетей. Они имеют долгую историю использования, восходящую к древним цивилизациям, и приобретают все большее значение в современном обществе для развития транспорта и инфраструктуры.

Основы строительства туннеля включают в себя ряд шагов, которые включают в себя съемку и исследование площадки, проектирование туннеля, земляные работы и строительство, а также окончательные отделочные работы. Эти шаги должны быть тщательно спланированы и выполнены для обеспечения безопасности и долговечности туннеля, а также для сведения к минимуму воздействия на окружающую среду.

Строительство туннелей также включает использование специализированного оборудования и методов, таких как машины для бурения туннелей, взрывчатые вещества и вспомогательные системы, для которых требуются квалифицированные рабочие и инженеры. В процессе строительства также необходимо учитывать потенциальные опасности, такие как грунтовые воды, нестабильность грунта и риск обрушения.

В целом, строительство туннеля — сложный и ответственный процесс, требующий тщательного планирования, выполнения и контроля для обеспечения успешного завершения проекта.

Назначение и виды тоннелей

Туннели — это подземные проходы, проложенные через различные породы или грунты. Назначение туннелей различно, и они могут использоваться для транспорта, водоснабжения, канализации, гидроэнергетики, добычи полезных ископаемых и других целей.

В зависимости от назначения туннели можно разделить на следующие категории:

1. Транспортные туннели: Эти туннели построены для автомобильного, железнодорожного и пешеходного транспорта. Примеры включают автомобильные туннели, железнодорожные туннели и пешеходные дорожки.
2. Коммунальные туннели: Эти туннели используются для прокладки труб, кабелей и других коммунальных услуг, таких как вода, газ, электричество и телекоммуникации.
3. Шахтерские туннели: Эти туннели строятся при добыче полезных ископаемых. полезные ископаемые и руды.
4. Туннели гидроэлектростанций: эти туннели используются для подачи воды на гидроэлектростанции, где сила воды используется для выработки электроэнергии.
5. Канализационные туннели: эти туннели используются для транспортировки сточных вод из одного места в другое, обычно от очистных сооружений до точки сброса.

Тип тоннеля, выбранный для конкретного проекта, будет зависеть от его целевого назначения, а также геологических и экологических условий участка.

Исторический фон строительства тоннелей

История строительства туннелей насчитывает тысячи лет, и первые образцы туннелей использовались для орошения, добычи полезных ископаемых и транспортных целей. Древние греки и римляне были известны своими туннелями, которые использовались для акведуков, канализационных систем и транспорта. В Средние века туннели строились в оборонительных целях, например, в качестве секретных путей отхода или для проведения внезапных атак на вражеские крепости.

В современную эпоху строительство туннелей значительно продвинулось вперед с внедрением методов бурения и взрывных работ в 1800-х годах. Разработка туннелепроходческой машины (ТБМ) в середине 1900-х годов произвела дальнейшую революцию в строительстве туннелей, позволив проводить более быструю и эффективную проходку. Сегодня туннели строятся для самых разных целей, включая транспортировку (например, автомобильные дороги, железные дороги и метро), транспортировку воды, добычу полезных ископаемых и хранение.

Исследование участка и геологические соображения

Исследование участка и геологические соображения являются важными аспектами проектов строительства тоннелей. Тщательное исследование площадки необходимо для определения геологических и инженерно-геологических условий в предполагаемом месте расположения туннеля, а также для выявления любых потенциальных геологических опасностей, которые могут повлиять на строительство и эксплуатацию туннеля. Геологические условия на участке могут оказать существенное влияние на конструкцию туннеля, методы строительства и общую стоимость проекта.

Исследование места обычно включает в себя сочетание геологического картирования, геофизических исследований и бурения для получения образцов почвы и горных пород для лабораторных испытаний. Геологическое картирование включает изучение поверхностных горных пород и их характеристик, включая их ориентацию, прочность и проницаемость. В геофизических исследованиях используются неинвазивные методы для исследования подземных горных пород и обнаружения любых аномалий, которые могут указывать на наличие геологических опасностей, таких как неисправности, трещины и грунтовые воды. Бурение обеспечивает более детальное понимание подземных условий за счет получения образцов грунта и горных пород для лабораторных испытаний.

Геологические соображения во время строительства туннеля включают тип и прочность породы или грунта, через который прокладывается туннель, наличие грунтовых вод и характеристики их течения, возможность сейсмической активности и возможность геологических опасностей, таких как оползней и камнепады. Геологические условия также могут повлиять на выбор метода проходки туннелей, например, использование проходческой машины вместо буровзрывных методов.

В целом, тщательное исследование участка и понимание геологических условий в месте расположения туннеля имеют решающее значение для безопасного и успешного строительства туннеля.

Важность исследования места

Исследование участка является важным аспектом строительства туннеля, поскольку оно помогает выявить потенциальные геологические опасности и другие факторы, которые могут повлиять на процесс строительства. Тщательное исследование участка может помочь определить характеристики почвы и горных пород, наличие грунтовых вод и потенциальную сейсмическую активность. Эта информация может быть использована для разработки соответствующего проекта туннеля, а также для выявления любых потенциальных рисков или проблем, которые, возможно, потребуется решить в процессе строительства. Кроме того, исследование участка может помочь определить любые потенциальные экологические или социальные воздействия проекта, которые можно устранить с помощью соответствующих мер по смягчению последствий. В целом, обследование участка является важным этапом в процессе строительства туннеля, поскольку оно дает важную информацию для проектирования и строительства безопасного и эффективного туннеля.

Методы исследования сайта

Существует несколько методов, которые можно использовать для исследования места строительства туннеля. Некоторые из распространенных методов:

1. Кабинетное исследование: Кабинетное исследование включает в себя обзор существующей литературы, геологические карты, отчеты и любую другую соответствующую информацию о сайте.
2. Геофизические исследования: это включает использование различных геофизических методов для получения информации о недрах, таких как сейсмические исследования, георадар, исследования удельного сопротивления и электромагнитные исследования.
3. Скважины: в земле бурят скважины, чтобы получить образцы почвы и горных пород для лабораторных испытаний. Их также можно использовать для получения на месте измерений давления и проницаемости грунтовых вод.
4. Пробные ямы: Пробные ямы — это раскопки, сделанные для визуального осмотра недр, которые можно использовать для получения образцов почвы для лабораторных испытаний.
5. Картирование полей: Полевое картирование включает в себя картографирование геологии поверхности, геологических структур и любых особенностей поверхности, которые могут повлиять на строительство туннеля.
6. Измерительные приборы: Различные инструменты могут быть установлены для измерения производительности грунта во время строительства туннеля. Эти инструменты могут включать инклинометры, пьезометры и тензодатчики.

Методы, используемые для исследования площадки, будут зависеть от конкретных условий площадки и требований проекта.

Геологические факторы, влияющие на строительство туннеля

Геологические факторы играют важную роль в осуществимости и разработке проекта строительства туннеля. Некоторые из важных геологических факторов, влияющих на строительство туннеля, включают:

1. Камень или тип почвы: тип скалы или грунта, через который проложен туннель, существенно повлияет на его конструкцию, устойчивость и метод строительства.
2. Качество горной массы: качество горной массы, включая ее прочность, устойчивость и деформационные характеристики, может повлиять на конструкцию туннеля, метод земляных работ и требования к опорам.
3. Геологические структуры: Геологические структуры, такие как разломы, трещины, плоскости напластования и складки может существенно повлиять на конструкцию туннеля, метод земляных работ и требования к поддержке.
4. грунтовая вода: наличие и поток грунтовых вод может повлиять на строительство туннеля, увеличивая риск проникновения воды и вызывая нестабильность окружающей скалы или почвы.
5. Сейсмичность: Туннели, построенные в сейсмически активных регионах, должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать напряжения и деформации, вызванные землетрясение.
6. Устойчивость склона: Стабильность окружающих склонов и холмов может повлиять на строительство туннеля и безопасность.
7. Экологические соображения: Туннели, построенные в экологически уязвимых районах, должны быть спроектированы таким образом, чтобы свести к минимуму их воздействие на окружающую экосистему.

В целом, детальное исследование участка имеет решающее значение для понимания геологических факторов, которые могут повлиять на строительство туннеля, и разработки соответствующего проекта туннеля и плана строительства.

Системы классификации горных массивов

Системы классификации массива горных пород используются для оценки качества массивов горных пород и оценки их пригодности для строительства тоннелей. Эти системы учитывают множество факторов, в том числе прочность горных пород, несплошности, расстояние между швами, выветриваниеи состояние грунтовых вод.

Одной из широко используемых систем классификации массива горных пород является система рейтинга горных пород (RMR), которая была разработана Бенявским в 1973 году. RMR присваивает числовые значения различным параметрам, таким как прочность на одноосное сжатие, расстояние между разрывами и состояние грунтовых вод. Затем значения объединяются, чтобы дать общую оценку массива горных пород, которую можно использовать для прогнозирования сложности проходки туннеля через скалу.

Другой широко используемой системой классификации массива горных пород является система Q, разработанная Barton et al. в 1974 году. В системе Q используются параметры, аналогичные системе RMR, но больше внимания уделяется ориентации и устойчивости разрывов.

Другие системы классификации горных пород включают систему индекса геологической прочности (GSI), разработанную Хуком в 1994 году, и систему индекса качества проходки (TQI), разработанную Гримстадом и Бартоном в 1993 году.

Туннельный дизайн

Проектирование туннеля - это процесс определения наиболее эффективных и действенных способов проходки туннеля на основе геологических условий и предполагаемого использования туннеля. Процесс проектирования обычно включает следующие этапы:

1. Установить цель туннеля: Цель туннеля должна быть четко определена, чтобы определить соответствующий размер, форму и ориентацию туннеля.
2. Геолого-геотехнические изыскания: Этот этап включает в себя сбор данных о геологических и геотехнических характеристиках участка, таких как тип породы, прочность и устойчивость, состояние грунтовых вод и наличие любых разломов или других геологических особенностей, которые могут повлиять на проектирование и строительство туннеля.
3. Выравнивание тоннеля: Прокладка туннеля зависит от таких факторов, как предполагаемое использование туннеля, геологические и топографические условия участка, а также любые экологические соображения. Факторы, влияющие на ориентацию туннеля, включают наличие разломов или других геологических особенностей, расположение наземных сооружений и необходимость минимизировать воздействие на окружающую среду.
4. Сечение тоннеля: Поперечное сечение туннеля определяется назначением туннеля, ожидаемым трафиком или другими нагрузками, а также геологическими условиями. Поперечное сечение может иметь круглую, эллиптическую, подковообразную или другую форму в зависимости от условий участка.
5. Система поддержки: Система поддержки предназначена для стабилизации туннеля во время и после земляных работ. Система поддержки может включать анкерные болты, набрызг-бетон, стальные ребра и/или бетонную облицовку.
6. Вентиляция и дренаж: Вентиляционно-дренажные системы спроектированы так, чтобы обеспечить безопасную и эффективную эксплуатацию тоннеля. Системы вентиляции используются для удаления выхлопных газов и обеспечения свежим воздухом рабочих и пассажиров, а дренажные системы используются для удаления воды из туннеля и предотвращения затопления.
7. Методы строительства: Для проходки туннелей могут использоваться различные методы строительства, включая буровзрывные работы, туннелепроходческие машины (ТБМ) и методы последовательной проходки (СЭМ). Выбор подходящего метода строительства зависит от геологических условий, предполагаемого использования туннеля, а также доступного оборудования и ресурсов.
8. Оценка затрат: Завершающим этапом процесса проектирования туннеля является оценка стоимости строительства на основе проектных спецификаций, выбранного метода строительства и ожидаемых условий на площадке.

В целом проектирование тоннелей представляет собой сложный процесс, требующий опыта геологов, инженеров и других специалистов для обеспечения безопасного и эффективного строительства тоннелей, отвечающих поставленной цели.

Параметры конструкции и соображения

Конструкция туннеля зависит от ряда факторов, в том числе:

1. Назначение туннеля: Конструкция туннеля будет зависеть от его предполагаемого использования. Например, туннель для автомобильных дорог будет иметь другие требования к конструкции, чем туннель, используемый для водного транспорта.
2. Условия сайта: Геология и топография участка будут влиять на конструкцию туннеля. Необходимо учитывать такие факторы, как прочность горных пород, приток воды и требования к поддержке грунта.
3. Размеры тоннеля: Диаметр туннеля, его длина и его ориентация должны быть определены в зависимости от условий площадки и назначения туннеля.
4. Метод раскопок: метод, используемый для рытья туннеля, также повлияет на конструкцию. К таким методам, как буровзрывные работы, туннелепроходческие машины (ТБМ) и проходка, предъявляются другие требования.
5. Вентиляция: Проект туннеля должен будет предусматривать вентиляцию для обеспечения безопасности рабочих и пользователей туннеля.
6. Дренаж: В конструкции туннеля также необходимо будет предусмотреть дренаж для регулирования притока грунтовых вод и предотвращения затопления.
7. Противопожарная защита: В конструкцию туннеля необходимо будет включить меры противопожарной защиты, чтобы обеспечить безопасность пользователей.
8. Системы дорожного движения и безопасности: В проект также необходимо включить системы дорожного движения и безопасности, такие как освещение, вывески и телефоны экстренной помощи.
9. Экологические соображения: При проектировании туннеля необходимо будет учитывать потенциальное воздействие строительства и эксплуатации на окружающую среду и принимать меры для минимизации этого воздействия.

Типы тоннельной обделки и крепи

Существует несколько типов обделки тоннелей и систем поддержки, используемых при строительстве тоннелей, и выбор того, какой из них использовать, зависит от множества факторов, включая геологические условия, назначение тоннеля, метод строительства и бюджет. Некоторые из наиболее распространенных типов облицовки тоннелей и систем поддержки включают в себя:

1. Набрызг-бетон: это слой бетона, напыляемый на скалу или почву для обеспечения поддержки и предотвращения обрушения. Он часто используется в туннелях с мягким грунтом и может применяться быстро.
2. Стальная ребристая опора: стальные ребра используются для поддержки стен и крыши туннеля. Стальные ребра могут быть изготовлены заранее и быстро установлены, что делает их популярным выбором в тоннелях из твердых пород.
3. Монолитная бетонная облицовка: это включает заливку бетона в полость туннеля для образования постоянной облицовки. Он часто используется в больших туннелях с большим объемом трафика.
4. Машины для бурения туннелей (ТБМ): ТБМ могут использоваться для проходки туннелей и одновременного оказания поддержки. По мере продвижения ТБМ за ней устанавливаются бетонные сегменты, образующие облицовку.
5. Замораживание грунта: этот метод включает замораживание окружающего грунта для формирования временной системы поддержки. Он часто используется в туннелях, которые проходят через водоносный грунт или скалу.
6. Скальные болты и сетка: этот метод включает бурение отверстий в скале и установку стальных болтов для обеспечения поддержки. Проволочная сетка также используется, чтобы стабилизировать скалу и предотвратить попадание обломков в туннель.
7. Торкретбетон, армированный фиброй: похож на торкретбетон, но с добавлением армирующего волокна для повышения прочности и долговечности.

Выбор облицовки и системы поддержки часто является компромиссом между стоимостью, скоростью строительства и конкретными геологическими условиями, возникающими во время земляных работ.

Туннельные дренажные системы

Дренажные системы туннеля необходимы для удаления воды, которая может попасть в туннель во время строительства и эксплуатации. Существуют различные типы туннельных дренажных систем, в том числе:

1. Обезвоживание колодцев: они устанавливаются рядом с туннелем для перехвата и сбора грунтовых вод до того, как они попадут в туннель. Водоотливные колодцы могут быть как постоянными, так и временными.
2. Дренажные галереи: это дренажные системы, встроенные в облицовку туннеля, которые собирают воду и направляют ее в отстойник или насосную станцию.
3. сливные: это камеры, построенные в нижних точках туннеля, где вода может собираться и откачиваться.
4. Насосы: Насосы используются для удаления воды из отстойников и дренажных галерей тоннелей и сброса ее на поверхность или на водоочистные сооружения.

Тип используемой дренажной системы зависит от геологии и гидрологии местности, а также от метода строительства и направления туннеля. Надлежащее проектирование и установка дренажных систем туннеля важны для обеспечения безопасности и долговечности туннеля.

Вентиляция и освещение

Вентиляция и освещение являются важными аспектами строительства туннелей для обеспечения безопасности, поддержания надлежащего качества воздуха и обеспечения видимости для рабочих и пользователей. Системы вентиляции предназначены для обеспечения постоянного притока свежего воздуха в туннель при одновременном удалении спертого воздуха, пыли и вредных газов. Система вентиляции обычно состоит из сети вентиляционных каналов, вентиляторов и систем контроля качества воздуха.

Освещение также является важным аспектом строительства тоннелей, особенно для обеспечения безопасности и видимости. Системы освещения обычно предназначены для обеспечения достаточного освещения водителей, пешеходов и рабочих в туннеле. Система освещения может состоять из различных типов ламп, таких как люминесцентные, светодиодные и лампы накаливания, в зависимости от конкретных требований и условий туннеля. При проектировании системы освещения следует также учитывать энергоэффективность и воздействие на окружающую среду.

Методы раскопок и строительства тоннелей

Методы раскопок и строительства тоннелей различаются в зависимости от геологических условий, длины и диаметра тоннеля и других факторов. Вот некоторые из наиболее распространенных методов рытья и строительства тоннелей:

1. Буровзрывной метод: этот метод включает бурение скважин в скале, а затем взрыв скалы с использованием взрывчатых веществ. Образовавшийся мусор убирается погрузочно-доставочной техникой.
2. Метод тоннелепроходческой машины (ТБМ): В этом методе используется машина, которая копает туннель и одновременно устанавливает облицовку туннеля. TBM можно использовать как для твердых пород, так и для мягких грунтов.
3. Новый австрийский туннельный метод (NATM): Этот метод включает в себя выемку туннеля небольшими участками, затем поддержку выкопанного участка временной облицовкой, такой как набрызг-бетон или анкерные болты, прежде чем переходить к следующему участку.
4. Метод «вырезать и накрыть»: этот метод используется для неглубоких туннелей и включает в себя рытье траншеи, строительство туннеля и последующую засыпку траншеи.
5. Последовательный метод земляных работ (SEM): Этот метод включает в себя выемку туннеля небольшими участками с использованием поддержки грунта и мер по укреплению для контроля деформации и стабилизации туннеля.
6. Проходка щита: в этом методе используется щит или аналогичное специализированное оборудование для одновременной выемки и поддержки туннеля.

Выбор метода земляных работ зависит от различных факторов, таких как длина туннеля, диаметр, геология, состояние грунтовых вод, доступные ресурсы и экологические соображения.

Буровзрывной метод

Буровзрывной метод является традиционным методом, используемым для рытья туннелей и включает в себя бурение отверстий в скале или почве, заполнение отверстий взрывчатыми веществами, а затем взрыв взрывчатых веществ для фрагментации породы или почвы. Затем фрагментированная порода или почва удаляются с помощью техники или ручного труда.

При буровзрывном методе в скале или грунте просверливается ряд отверстий с использованием специального оборудования, такого как перфораторы или туннельные буровые машины. Отверстия обычно располагаются через равные промежутки и располагаются по схеме, предназначенной для достижения желаемого профиля земляных работ. После того, как отверстия просверлены, в них загружается взрывчатка, которая затем детонирует с помощью дистанционного курка.

После взрыва раздробленная порода или грунт удаляются с помощью экскаваторов или погрузчиков, а туннель стабилизируется с помощью системы поддержки. Система поддержки может включать анкерные болты, стальные арки или бетонную облицовку, в зависимости от характера породы или почвы и требований проекта.

Буровзрывной метод может быть очень эффективным для проходки туннелей в твердых породах, но он также может быть трудоемким и дорогостоящим, особенно в густонаселенных районах, где шум и вибрация от взрывных работ могут быть проблемой.

Метод тоннелепроходческой машины (ТБМ)

Метод тоннелепроходческой машины (ТБМ) является популярным методом, используемым для проходки тоннелей в различных геологических условиях. TBM представляет собой большую цилиндрическую машину, которая может выкапывать грунт и горные породы различных типов с помощью вращающейся режущей головки с дисковыми фрезами, которые могут выкапывать забой туннеля при одновременной установке облицовки туннеля.

Метод TBM обычно предпочтительнее для длинных и прямых туннелей, поскольку он менее трудоемок и может работать с гораздо большей скоростью, чем другие методы проходки туннелей. Метод ТБМ также предпочтителен в городских районах, где необходимо свести к минимуму воздействие на окружающее население, поскольку он производит меньше шума, вибрации и пыли, чем другие методы.

Метод TBM обычно включает следующие этапы:

1. Раскопки пусковой шахты: В начальной точке туннеля выкапывается большая яма, где будет собираться ТБМ.
2. Сборка и запуск ТБМ: ТБМ собирается на дне пусковой шахты, а затем запускается в выравнивание тоннеля.
3. Выемка ТБМ: TBM выкапывает грунт или горную породу перед собой, одновременно устанавливая сборные железобетонные сегменты или другие материалы для облицовки туннеля.
4. Удаление грязи: Вынутый материал, или «навоз», вывозится из туннеля с помощью ленточного конвейера или пульпопровода.
5. Монтаж тоннельной обшивки: после того, как ТБМ вырыл туннель определенной длины, позади ТБМ устанавливаются сегменты сборного железобетона или другие материалы для облицовки туннеля.
6. поиск ТБМ: Когда ТБМ достигает конца туннеля, его разбирают и извлекают из туннеля с помощью той же пусковой шахты.

Метод «вырезать и закрыть»

Метод «выемки и покрытия» — это метод, используемый для строительства неглубоких туннелей или подземных сооружений. При этом методе в земле выкапывается траншея и внутри нее строится конструкция. Затем траншея засыпается выкопанным материалом или сборной бетонной плитой.

Этот метод подходит для строительства туннелей в городских районах или районах, где существует проблема наземного движения. Это также эффективная техника для строительства подземных железнодорожных станций, пешеходных дорожек и тоннелей ливневой канализации. Однако метод имеет некоторые ограничения, такие как высокая стоимость строительства, нарушение наземного движения во время земляных работ и ограничения по глубине земляных работ.

Новый австрийский туннельный метод (NATM)

Новый австрийский метод строительства туннелей (NATM) — это метод строительства туннелей, разработанный в 1960-х годах в Австрии. Он также известен как метод последовательных раскопок (SEM). NATM включает в себя выемку туннеля небольшими участками или «штреками», обычно длиной около 3-4 метров, а затем немедленное усиление вырытого участка слоем торкретбетона и анкерными болтами или стальными ребрами. Окружающие скалы или почва обеспечивают дополнительную поддержку. Этот метод позволяет гибко адаптироваться к геологическим условиям, возникающим во время раскопок, и особенно подходит для мягкого или нестабильного грунта. NATM также имеет то преимущество, что он относительно быстр и экономичен, поскольку не требует широкого использования тяжелой техники. Однако для эффективной работы требуется высокий уровень квалификации и опыта от строительной бригады.

Системы поддержки тоннелей

Системы поддержки туннелей используются для стабилизации грунта и предотвращения обрушения при проходке туннеля. Выбор системы поддержки зависит от множества факторов, в том числе от геологии грунта, типа строящегося туннеля и используемого метода земляных работ. Некоторые распространенные типы систем поддержки туннелей включают в себя:

1. Скальные болты: это длинные стальные стержни, которые вставляются в скважины и заливаются цементным раствором. Они обеспечивают армирование и стабилизацию скального массива за счет передачи нагрузок между скальными блоками.
2. Набрызг-бетон: это напыляемая бетонная смесь, которая наносится на открытую поверхность скалы для образования тонкой оболочки, которая действует как временная опора до тех пор, пока не будет построена окончательная облицовка.
3. Стальные арки: это сборные или изготовленные на заказ стальные арки, которые используются для поддержки крыши и стен туннеля.
4. Железобетон: это обычный материал для облицовки тоннелей. Железобетон заливается на месте или собирается за пределами площадки, а затем устанавливается в туннеле.
5. Стальные ребра и футеровка: это метод поддержки туннеля, при котором устанавливаются стальные ребра, а затем между ними помещается деревянная футеровка. Отставание помогает удерживать землю на месте до тех пор, пока не будет построена окончательная облицовка.
6. Замораживание грунта: это метод поддержки, используемый в условиях мягкого грунта, когда почва промерзает с помощью жидкого азота или других хладагентов. Это создает ледяную стену вокруг туннеля, которая обеспечивает временную поддержку до тех пор, пока не будет установлена ​​последняя облицовка.

Выбор системы крепи зависит от геологических условий, способа проходки и конструкции тоннеля. Система поддержки должна обеспечивать временную поддержку во время земляных работ и строительства, а также долгосрочную поддержку для поддержания устойчивости туннеля на протяжении всего срока его службы.

Крепление анкерной крепью и торкретирование

Крепление анкерной крепью и торкретирование - два распространенных метода, используемых для поддержки туннелей в подземном строительстве.

Крепление анкерной крепи включает в себя сверление отверстий в скале и вставку стальных болтов в отверстия, которые затем заливаются цементным раствором. Болты помогают поддерживать скалу и предотвращают ее обрушение.

Торкрет-бетонирование, с другой стороны, включает распыление слоя бетона на поверхность скалы с помощью шланга высокого давления. Бетон обеспечивает дополнительную поддержку и помогает предотвратить падение камней.

Оба метода можно использовать в сочетании с другими системами поддержки, такими как стальные ребра или сетка, для дополнительного усиления стен и крыши туннеля. Конкретная используемая система поддержки будет зависеть от геологии туннеля и требований к конструкции.

Стальные арки и ребра

Стальные арки и ребра обычно используются при строительстве туннелей для обеспечения дополнительной поддержки обделки туннеля. Обычно они изготавливаются из стали или из комбинации стали и бетона и устанавливаются вдоль стен туннеля для обеспечения дополнительной прочности и устойчивости горной массы.

Стальные арки обычно используются для неглубоких туннелей с пролетом менее 10 метров, тогда как стальные ребра используются для более крупных туннелей с пролетом более 10 метров. Стальные арки или ребра обычно устанавливаются по заранее определенной схеме и удерживаются на месте с помощью анкерных болтов, которые представляют собой длинные стальные стержни, закрепленные в скале, окружающей туннель.

Использование стальных арок и ребер особенно полезно в неустойчивых горных породах, где горная масса имеет тенденцию к деформации или обрушению. Арки или ребра могут помочь перераспределить нагрузку и обеспечить дополнительную поддержку обделке туннеля, что помогает обеспечить устойчивость и безопасность туннеля.

Железобетонные футеровки

Железобетонные облицовки обычно используются для строительства туннелей, поскольку они обеспечивают прочную и прочную опорную конструкцию. Железобетонные облицовки обычно используются в тоннелях большого диаметра и с повышенными требованиями к устойчивости. Обделка обеспечивает устойчивость к внешним нагрузкам, выдерживает нагрузки вышележащего грунта, защищает тоннель от проникновения воды и коррозии.

Процесс возведения железобетонной обделки включает в себя следующие этапы:

1. Монтаж опалубки: Опалубка, представляющая собой временную конструкцию, устанавливается по форме и размеру поперечного сечения туннеля.
2. Размещение арматурной стали: Арматурная сталь размещается внутри опалубки в соответствии с проектными требованиями.
3. Заливка бетона: после того, как арматура установлена, в опалубку заливают бетон. Состав бетонной смеси обычно рассчитан на достижение высокой прочности и долговечности.
4. Отверждение: После того, как бетон залит, его необходимо выдержать в течение определенного периода времени, чтобы достичь проектной прочности. Отверждение может быть выполнено посредством мокрого отверждения или путем нанесения отвердителей на бетонную поверхность.
5. Снятие опалубки: когда бетон наберет достаточную прочность, опалубку снимают, открывая затвердевшую бетонную облицовку.

Железобетонные обделки могут иметь различные формы и размеры в зависимости от направления туннеля и геологических условий. В некоторых случаях используются сборные железобетонные сегменты, которые изготавливаются за пределами площадки и собираются внутри тоннеля на специализированном оборудовании.

Проблемы и решения при строительстве тоннелей

Строительство туннеля может создать множество проблем, которые необходимо решить, чтобы обеспечить успешное завершение проекта. Некоторые из общих проблем при строительстве тоннелей включают в себя:

1. Геотехнические условия: геологические условия на участке могут сильно повлиять на процесс строительства, усложнив проходку туннеля. Например, туннели, проложенные через скальные образования, легче копать, чем туннели, проложенные через мягкую почву.
2. Подземные воды: Подземные воды могут создавать проблемы при строительстве туннеля, поскольку они могут ослабить системы поддержки туннеля и вызвать нестабильность. Должны быть установлены соответствующие системы дренажа и водоотвода, чтобы предотвратить затопление и повреждение туннеля.
3. Вентиляция: Вентиляция имеет решающее значение при строительстве туннеля для обеспечения свежего воздуха и удаления пыли, дыма и газов, которые могут скапливаться в туннеле. Надлежащая вентиляция необходима для безопасности рабочих и эффективной работы оборудования.
4. Ограниченное пространство: ограниченное пространство в туннеле может затруднить маневрирование тяжелым оборудованием и материалами, что может замедлить процесс строительства. Инновационные решения, такие как оборудование с дистанционным управлением и роботизированные системы, могут помочь смягчить эту проблему.
5. Безопасность: строительство туннеля может быть опасным из-за риска обрушения, камнепадов, наводнений, пожаров и взрывов. Для защиты работников и населения должны быть приняты строгие меры безопасности.

Для решения этих проблем проекты строительства тоннелей требуют тщательного планирования и реализации. Современные технологии, такие как автоматизированное проектирование, имитационные модели и мониторинг в реальном времени, могут помочь в планировании и реализации проектов строительства тоннелей. Кроме того, опытные специалисты по проходке тоннелей, которые разбираются в геологии и конструкции тоннелей, могут помочь выявить потенциальные проблемы и разработать эффективные решения.

Приток воды и водоотлив

При строительстве туннеля одной из основных проблем является борьба с притоком воды. Вода может просачиваться в туннель из окружающих горных пород или из подземных вод. Это может вести к таким проблемам, как затопление, нестабильность земляных работ и эрозия облицовки туннеля.

Для управления притоком воды часто устанавливают систему водоотведения. Это включает в себя установку насосов и дренажных систем для удаления воды из туннеля во время его раскопок. Система водоотведения может быть спроектирована таким образом, чтобы управлять притоком как грунтовых, так и поверхностных вод.

В некоторых случаях цементация также может использоваться для уменьшения притока воды путем заполнения пустот и трещин в окружающем массиве горных пород. Кроме того, можно установить водонепроницаемую мембрану или облицовку, чтобы предотвратить попадание воды в туннель в первую очередь.

Другие проблемы во время строительства туннеля могут включать в себя работу в сложных геологических условиях, таких как вина зонах или сильно трещиноватых породах. Эти проблемы можно решить путем тщательного изучения места, соответствующих методов раскопок и эффективных систем поддержки.

Важно отметить, что каждый проект строительства туннеля уникален и может представлять собой собственный набор проблем, требующих индивидуальных решений для их преодоления.

Геологические и геотехнические опасности

Геологические и геотехнические опасности являются общими проблемами, возникающими при строительстве тоннелей. Эти опасности могут включать горные удары, продавливание грунта, зоны разломов, паводки, выбросы газа и другие неблагоприятные геологические и геотехнические условия.

Горные удары происходят, когда напряжения в массиве горных пород превышают прочность породы, вызывая внезапные и сильные разрушения. Продавливание грунта происходит, когда горная масса деформируется под высоким всесторонним давлением, что приводит к конвергенции стенок туннеля. Зоны разломов могут быть проблематичными, поскольку они могут содержать рыхлые и слабые материалы, которые могут потребовать дополнительных мер поддержки.

Высокий приток воды также может создавать проблемы при строительстве туннеля. Для контроля попадания воды в туннель могут потребоваться методы обезвоживания. Выбросы газов, таких как метан, также могут быть опасными и требуют тщательного контроля.

Решения этих проблем включают тщательное исследование участка и планирование для выявления потенциальных опасностей, использование соответствующих систем поддержки туннеля и внедрение эффективных систем обезвоживания и вентиляции. Кроме того, использование передовых технологий, таких как 3D-моделирование и компьютерное моделирование, может помочь выявить потенциальные опасности и оптимизировать конструкцию системы поддержки туннеля. Регулярный мониторинг во время строительства также может помочь обнаружить и устранить потенциальные опасности до того, как они станут серьезной проблемой.

Воздействие на окружающую среду и меры по смягчению

Строительство туннеля может иметь ряд экологических последствий, в том числе:

1. Разрушение и фрагментация среды обитания: строительство туннеля может привести к фрагментации и потере среды обитания для различных представителей флоры и фауны.
2. Эрозия почвы и отложение отложений: земляные работы и строительные работы могут привести к эрозии почвы и отложению отложений, что может нанести вред водным экосистемам.
3. Загрязнение воды: строительство туннеля может привести к выбросу загрязняющих веществ в близлежащие водные источники, что может нанести вред водным организмам.
4. Загрязнение воздуха: при строительстве туннелей в воздух могут попадать пыль, выхлопные газы и другие загрязняющие вещества, которые могут нанести вред здоровью человека и окружающей среде.
5. Шумовое загрязнение: строительство туннеля может создавать высокий уровень шума, который может беспокоить жителей и диких животных поблизости.

Для смягчения этих последствий может быть принят ряд мер, в том числе:

1. Восстановление среды обитания: можно предпринять усилия для восстановления среды обитания в районах, пострадавших от строительства туннелей.
2. Борьба с эрозией и наносами: для предотвращения эрозии почвы и образования наносов можно использовать такие меры, как заграждения от ила и отстойники.
3. Очистка воды: вода может быть обработана перед сбросом для удаления загрязняющих веществ.
4. Борьба с загрязнением воздуха: для уменьшения загрязнения воздуха могут применяться такие меры, как пылеподавление и использование транспортных средств и оборудования с низким уровнем выбросов.
5. Шумозащитные барьеры и изоляция: барьеры и изоляция могут использоваться для снижения уровня шума, который достигает жителей и диких животных поблизости.
6. Мониторинг и соблюдение: можно проводить регулярный мониторинг, чтобы гарантировать соблюдение экологических стандартов, а любые возникающие проблемы можно решать оперативно.

Обслуживание и восстановление тоннеля

Техническое обслуживание и восстановление туннелей являются важными аспектами управления туннелями, обеспечивающими их безопасную и эффективную эксплуатацию в течение расчетного срока службы. Некоторые из ключевых мероприятий, связанных с техническим обслуживанием и восстановлением туннелей:

1. Регулярный осмотр и мониторинг: Регулярный осмотр и мониторинг туннельных конструкций, облицовки и систем поддержки необходимы для обнаружения любых признаков износа или повреждения.
2. Очистка и удаление мусора. Регулярная очистка туннеля и удаление мусора, отложений и других препятствий из дренажных систем, входных туннелей и вентиляционных систем важны для обеспечения бесперебойной и безопасной работы.
3. Ремонт и техническое обслуживание: ремонт и техническое обслуживание, такие как заливка цементным раствором, заполнение трещин и замена поврежденных или подвергшихся коррозии компонентов, необходимы для поддержания целостности конструкции туннеля.
4. Модернизация и модернизация: Модернизация и модернизация туннельных систем, таких как системы освещения, вентиляции и связи, может потребоваться для повышения безопасности и эффективности.
5. Восстановление и укрепление: восстановление и усиление конструкций туннеля может потребоваться в связи с износом или изменениями в использовании туннеля.
6. Управление рисками и готовность к чрезвычайным ситуациям. Планы управления рисками и готовности к чрезвычайным ситуациям важны для обеспечения безопасности пользователей туннелей и сведения к минимуму последствий любых происшествий или аварий.

В целом работы по техническому обслуживанию и восстановлению туннелей требуют тщательного планирования и выполнения, чтобы обеспечить их эффективность и свести к минимуму неудобства для пользователей туннелей.

Мониторинг и техническое обслуживание тоннелей

Мониторинг и техническое обслуживание туннелей имеют решающее значение для обеспечения безопасности и долговечности туннельной конструкции. Регулярный мониторинг может помочь выявить признаки износа или повреждения, которые можно устранить до того, как они станут серьезными проблемами. Некоторые распространенные методы мониторинга туннелей включают визуальный осмотр, контрольно-измерительные приборы и неразрушающий контроль.

Визуальные осмотры включают в себя физический осмотр туннеля на наличие признаков износа, таких как трещины, утечки и повреждения облицовки или систем поддержки. Инструментарий включает в себя установку датчиков для измерения различных параметров, таких как температура, влажность, давление воды и движение грунта. Методы неразрушающего контроля, такие как георадар, ультразвуковой контроль и магнитопорошковая дефектоскопия, также могут использоваться для оценки целостности конструкции туннеля.

Работы по техническому обслуживанию могут включать очистку туннеля, устранение повреждений или утечек, а также замену изношенных или поврежденных компонентов, таких как системы освещения, вентиляции и вспомогательные системы. Восстановление может быть необходимо для устранения более значительных повреждений или износа и может включать такие методы, как заливка цементным раствором, торкретирование или нанесение новой облицовки.

В целом регулярный мониторинг и техническое обслуживание имеют решающее значение для обеспечения долгосрочной безопасности и функциональности туннелей и могут помочь предотвратить дорогостоящий ремонт или даже катастрофические отказы.

Тематические исследования проектов строительства тоннелей

В мире существует множество примеров значительных проектов строительства тоннелей. Вот несколько примечательных:

1. Туннель под Ла-Маншем: также известный как «Туннель», этот туннель соединяет Великобританию и Францию ​​​​под Ла-Маншем. Его длина составляет 31.4 мили, что делает его самым длинным подводным туннелем в мире. Тоннель состоит из двух параллельных железнодорожных тоннелей и служебного тоннеля.
2. Готардский базовый туннель: этот туннель, расположенный в Швейцарии, в настоящее время является самым длинным железнодорожным туннелем в мире, его длина составляет 35.5 миль. Это ключевая часть новой железнодорожной ветки через Альпы, которая соединяет Цюрих и Милан.
3. Туннель замены виадука Аляскинской дороги: этот туннель, расположенный в Сиэтле, штат Вашингтон, заменил стареющую надземную автостраду, уязвимую для землетрясений. Туннель имеет длину две мили и проходит по государственной трассе 99 под центром Сиэтла.
4. Crossrail: Это крупная новая железнодорожная линия, которая в настоящее время строится в Лондоне, Англия. Он включает в себя 13-мильный двухствольный туннель, который пройдет под городом и соединит 40 станций.
5. Мост Гонконг-Чжухай-Макао. Этот проект моста-туннеля соединяет города Гонконг, Чжухай и Макао в Китае. Он включает в себя участок туннеля протяженностью 4.2 мили, который проходит по дну Южно-Китайского моря.

Все эти проекты представляли собой уникальные проблемы с точки зрения геологии, условий на площадке и методов строительства. Они являются хорошими примерами важности тщательного планирования, исследования места и проектирования для успешного строительства туннелей.

Уроки, извлеченные из неудачных проектов строительства тоннелей

Уроки, извлеченные из неудачных проектов по строительству туннелей, могут помочь инженерам и специалистам в области строительства избежать подобных ошибок в будущем. Некоторые распространенные причины неудач при строительстве туннелей включают плохое исследование площадки, неадекватное проектирование и планирование, недостаточные системы поддержки и непредвиденные геологические или геотехнические условия.

Например, обрушение туннеля, строящегося для проекта шоссе Big Dig в Бостоне, штат Массачусетс, в 2006 году произошло из-за сочетания факторов, включая неадекватное исследование места, неправильный дизайн и плохие методы строительства. В результате строительной бригаде пришлось провести обширную восстановительную работу для решения проблем, что привело к значительным задержкам и перерасходу средств.

Точно так же строительство проекта Crossrail в Лондоне было отложено и столкнулось с перерасходом средств из-за непредвиденных геологических и геотехнических условий. Проект столкнулся со сложными грунтовыми условиями, включая слои песка, гравия и глины, что потребовало дополнительных мер поддержки и укрепления.

Уроки, извлеченные из таких происшествий, могут включать необходимость тщательного изучения и тестирования площадки, улучшения связи между проектировщиками и строительными бригадами, внедрения более надежных протоколов безопасности и использования передовых технологий и оборудования для мониторинга и управления строительными работами.

Рекомендации

1. Белл, Ф.Г. (2007). Инженерная геология и строительство. Спон Пресс.
2. Хук, Э., и Брей, Дж. (2014). Проектирование скальных откосов: гражданское и горнодобывающее. КПР Пресс.
3. Крампе, Дж., Мюллер, Дж., и Нойманн, Ф. (2017). Подземная техника: планирование, проектирование, строительство и эксплуатация подземного пространства. Спрингер.
4. Национальная ассоциация подземных вод. (2019). Подземные воды и скважины. КПР Пресс.
5. Новаковский, К.С., и Уилкин, Р.Т. (2011). Рекультивация подземных вод и почвы: проектирование процессов и оценка стоимости проверенных технологий. Джон Уайли и сыновья.
6. Робери, ПК (2013). Введение в туннелирование. КПР Пресс.
7. Ройек, Дж. (2015). Проходка тоннелей и туннельная механика: рациональный подход к прокладке тоннелей. КПР Пресс.
8. Терзаги, К., Пек, Р.Б., и Месри, Г. (1996). Механика грунтов в инженерной практике. Джон Уайли и сыновья.
9. Уильямс, ди-джей (2013). Инженерно-геологическое проектирование насыпных дамб. КПР Пресс.
10. Йилмаз, И. (2010). Анализ сейсмических данных: обработка, инверсия и интерпретация сейсмических данных. Общество геофизиков-разведчиков.