Подземный висячий тоннель для строительства в сложных инженерно-геологических условиях

 

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.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14