Мировой опыт подводного строительства в городских условиях.

В 1894 году был сооружен подводный тоннель диаметром 1,8 и дли­ной 79 м в г. Бостоне (США). На подводной части тоннель состо­ял из шести опускных секций, изготовленных из кирпичной кладки на растворе с наружной стальной оболочкой.

Несколько позже был построен подводный тоннель под р. Темзой, состоящий из двух готовых кирпичных секций длиной по 7,6 и диа­метром 2,75 м, опущенных в подводный котлован и состыкованных между собой.

Кроме упомянутых, были построены несколько подводных тонне­лей длиной от 60 до 80 м из опускных секций. Первые железнодорож­ные тоннели из опускных секций были построены в США: в 1905— 1907 гг. под р. Гарлем, а в 1906—1909 гг. под р. Детройт (рис. 1.2). Первые автодорожные тоннели также были построены в США: в 1928 г. под р. Детройт на трассе Оклэнд — Аламеда, и Детройт — Винздор в 1930 г.

В 1910—1912 годы был построен первый подводный тоннель из опускных секций для двухпутной линии метрополитена под р. Чи­каго, в г. Чикаго (США), а в 1914—1917 гг. — для четырехпутной линии метрополитена под р. Гарлем в Нью-Йорке, США (рис. 1.3).

Тоннельные секции подводного железнодорожного тоннеля под р. Гар­лем в Нью-Йорке были выполнены в виде четырех смежных стальных ци­линдров; внутренний диаметр составил 5,8 м, толщина оболочки — 9,5 мм. Из оболочек был образован понтон шириной 23,2 и высотой — 7,35 м.

Секции были изготовлены на стапелях, спущены на воду и отбук­сованы на трассу тоннеля, где заранее вскрыли подводный котлован шириной по низу 25, по верху — 45,8 и глубиной 10,7 м при глубине воды в реке 8 м.

Плавучесть секции создавали 5 баллонов, соединенных с тоннель­ной конструкцией. Баллон состоит из металлической трубы длиной 20,48, диаметром 3 м, толщина листа 16 мм. Плавучесть баллона для каждой секции создавалась подъемной силой 760 кН. При объеме 722 м3 масса секции была равна 646 т. Секции направляли по створам, установленным на берегу, и опускали в котлован на подготовленное основание. Стыковали секции водолазы. После опускания секций на проектную отметку выполнялось подводное бетонирование кон­струкции. Последняя операция — пробивка торцовых стен секций и устройство сквозной внутренней железобетонной обделки тоннелей.

Подводный железнодорожный тоннель под рекой Детройт в г. Де­тройте длиной 807 м предназначен для двухпутного железнодорожно­го движения. На подводном участке длиной 785 м были установлены 10 тоннельных секций бинокулярного поперечного сечения длиной 78,75, шириной 16,96, высотой 9,38 м и водоизмещением 11,2 тыс. м3. Стальные каркасы были изготовлены на стапеле и опущены на воду, где были обетонированы, а затем опущены на дно подводного котло­вана.

Подводный автодорожный тоннель под морским проливом между Оклендом и Аламедой протяженностью 1372 м сооружен способом опускных секций. Секции железобетонной конструкции длиной 61, внутренним диаметром 9,75, внешним — 11,25 м. Толщина внутреннего железобетонного кольца 75 см. Всего в сухом доке изготовлено 12 сек­ций в подвижной металлической опалубке. Водонепроницаемость тоннелю обеспечивала внешняя асфальтовая изоляция. После изго­товления тоннельных секций док наполняли водой, секции всплывали и отбуксировывались к трассе сооружаемого тоннеля. Одновременно по трассе землечерпанием вскрывался котлован. Учитывая исключи­тельную слабость илистого грунта, устроили искусственное основание из бетонных свай. Секции погружали под действием водяного балла­ста, при этом их поддерживали плавучими кранами. Герметизировали стыки секций свинцом и пропитанным битумом брезентом.

Двухполосный автодорожный тоннель длиной 1565 м под р. Де­тройт между городами Детройтом и Винздором на подводной части длиной 665 м сооружен из сталебетонных опускных секций полиго­нального поперечного сечения шириной и высотой 10,5 м, опущенных в подводный котлован под дном реки.

Тоннели из опускных секций проектируют в плане как на прямоли­нейных, так и на криволинейных участках трассы. В случае располо­жения тоннеля на кривой радиусом менее 1000 м конструкции секции придают соответствующую кривизну.

При строительстве подводного участка тоннеля под р. Маас III в г. Роттердаме (Голландия) из 12 тоннельных секций три имеют в пла­не криволинейное очертание (R = 300 м). Криволинейное очертание в плане имеют также три секции подводного тоннеля под заливом Сан- Франциско I в США. Из 57 тоннельных секций тоннеля под заливом Сан-Франциско III в США — 15 имеют кривизну в горизонтальной плоскости, 4 — в вертикальной и 2 — в горизонтальной и вертикаль­ной плоскостях.

Мармарай — подводный железнодорожный тоннель под проливом Босфор, строящийся для соединения европейской и азиатской части Стамбула. Тоннель является частью проекта «Мармарай» по модернизации железнодорожной системы Стамбула. По завершении строительства, он будет самым глубоким подводным погружным тоннелем. Название Мармарай (Marmaray) происходит от объединения турецкого слова «Marmara» (Мраморное море, которое расположено к югу от тоннеля), и слова «ray», что означает рельс.

Сооружение железнодорожного тоннеля под проливом оказалось довольно сложным с геологической точки зрения. Босфор находится в сейсмически активной зоне – всего в 16 км к югу от него в Мраморном море находится Северо-Анатолийский разлом. Согласно данным минтранса Турции, в ближайшие 30 лет вероятность землетрясения силой 7,5 баллов по шкале Рихтера составляет 65%. В самом же проливе, являющемся одним из самых загруженных в мире судоходных каналов, наблюдаются двухуровневые течения со скоростью шесть узлов.

В результате геологических исследований, проведенных в 1985-87 гг. и повторенных в 2002-2004 гг., было определено наиболее опасное место. Риск расплавления существует на 460 м «трубы» – это потребовало проведения работ по укреплению грунта для обеспечения безопасности фундамента тоннеля.

«Сердце» проекта, подводный тоннель под Босфором длиной 1387 м уложен в траншею глубиной 60 м – самую глубоководную в мире на данный момент. «Труба» собрана из 11 бетонных секций различной длины весом до 19 тыс. т., произведенных в сооруженных специально для этого доках на Анатолийском берегу, за 40 км от места строительства.

Частично погруженные секции были отбуксированы баржами и уложены в дноуглубительную прорезь, после чего траншея была засыпана. В тех местах, где толщина покрытия оказалась менее 4 м, был добавлен слой камней. Затем между секциями и пробуренными подходными тоннелями были установлены крепления сейсмической защиты. Тоннель также оборудован шлюзовыми воротами на случай возможных прорывов.

В ряде случаев при наличии на трассе вертикальных кривых очертания секций в профиле не изменяют, а криволинейность обеспечивают соот­ветствующим устройством проезжей части. Иногда на переломах профиля секции устанавливают под углом, во избежание изготовления их разных размеров, необходимых для приспособления к вертикальным кривым.

В отличие от щитового способа проходки, при котором над под­водным тоннелем необходимо иметь минимальную защитную кровлю около 6 м, тоннельные секции незначительно заглубляют под дно во­дотока и засыпают слоем грунта толщиной 1,5—3 м. При этом общая длина тоннеля значительно сокращается (рис. 1.4).

Хотя заглубление секций под дном водотока несколько увеличива­ет длину тоннеля, однако при этом осуществляется защита конструк­ции от внешних воздействий (якоря, лоты, тралы).

Основной задачей при проектировании продольного профиля тон­неля является выявление рационального соотношения между протя­женностью участка опускных секций и береговыми участками, соору­жаемыми щитовым, горным или открытым способами. Если берего­вые участки сооружаются более дорогостоящим щитовым способом, то участок из опускных секций должен быть по возможности макси­мальной протяженности. При этом длина участка тоннельных секций ограничивается глубиной воды в водотоке, необходимой для транс­портирования секций.

Выбор места тоннельного пересечения, а также способов разработ­ки подводного котлована и устройства основания во многом опреде­ляются физико-механическими свойствами грунтов, слагающих ложе водотока.

Рис. 1.4. Продольный профиль подводного тоннеля из опускных секций: 1 — подводный участок; 2 — береговые участки; 3 — свайное основание; 4 — вен­тиляционное сооружение; 5 — уровень воды; 6 — дно подводного котлована

До начала и в процессе проектирования тоннелей из опускных сек­ций выполняют инженерно-геологические изыскания, которые вклю­чают в себя изучение несущей способности грунтов, рациональной формы и размеров подводных котлованов, способов их разработки.

Гидрологические изыскания предусматривают изменение ско­ростей и направления течения водного потока, приливов и отливов, высоты и скорости волн, удельного веса воды и пр. Лабораторные ис­следования проводятся с целью определения поведения тоннельных секций в процессе их транспортирования и опускания в подводный котлован, установления степени устойчивости секций на различных этапах строительства тоннеля.

Тоннели из опускных секций можно сооружать в широком диа­пазоне грунтовых условий при наличии в основании как слабых, так и крепких скальных пород. В связи с тем что вынутый при разработке котлована грунт имеет больший вес, чем тоннельные секции с учетом обратной засыпки (обычно средний «удельный вес» тоннельных сек­ций не превышает 1,1—1,2 т/м3), несущая способность залегающих в основании грунтов в большинстве случаев позволяет опирать секции на естественное основание. На некоторых участках в условиях зале­гания слабых неустойчивых водонасыщенных грунтов, обладающих незначительной несущей способностью, устраивали искусственное свайное основание.

В процессе эксплуатации подводных тоннелей из опускных секций, опирающихся на естественное песчаное основание, под воздействием подвижной нагрузки от транспорта и работы установленных в тоннеле механизмов (вентиляторы, насосы, электродвигатели) водонасыщен­ный песчаный грунт может проявлять неравномерные осадки. Вместе с тем наблюдения, проведенные в течение двухлетнего периода после ввода в эксплуатацию тоннеля, показали, что осадки секций не пре­взошли допустимые. Шестиметровая толща хорошо уплотненного пе­ска оказалась достаточной для восприятия вибрационной нагрузки. Таким образом, при опирании тоннельных секций на песчаное осно­вание следует учитывать необходимость создания там, где это возмож­но, хорошо уплотненной толщи грунта.

Вопрос о возможных осадках основания изучали также при строи­тельстве подводного участка тоннеля под р. Элизабет II в США, заложен­ного в песчаных грунтах. Было установлено, что вибрация от подвижно­го состава метрополитена будет со временем вызывать осадки естествен­ного основания, недопустимые по условиям безопасной эксплуатации сооружения. Создание достаточной толщи хорошо уплотненного песка оказалось в данных условиях трудноосуществимым, и было решено опи­рать тоннельные секции на искусственное свайное основание.

В случае опирания секций непосредственно на основание из или­стых грунтов возможно их набухание после экскавации грунта из кот­лована и установки конструкций на проектную отметку.

Илистые грунты были встречены на участке тоннеля под р. Джемс в Виржинии (США) в районе южного портала. В результате лабора­торного анализа образцов, взятых из толщи ила, были определены ос­новные физико-механические характеристики и выявлен предельный откос илистого грунта при разработке подводного котлована. Было установлено, что в результате консолидации указанных грунтов осад­ки основания могут оказаться чрезмерными и достигнуть 1,5 м, поэто­му было решено срезать большую часть илистых грунтов до контакта с песчаными отложениями и произвести песчаную отсыпку (рис. 1.5). Песок уплотняли гидравлическим способом по специальной техноло­гии, что позволило получить плотность основания на 30% выше, чем плотность грунта, расположенного на 3 м глубже проектной отметки подошвы тоннеля, и практически исключить осадки сооружения.

На одном из участков подводного тоннеля под р. Элизабет II в США в основании также залегали илистые грунты. Лабораторными исследованиями было установлено, что пучение илистых отложений может достигнуть 10 см и привести к значительным деформациям конструкции тоннеля. Попытки искусственно вызвать набухание или­стого грунта во вскрытой траншее не дали положительных результа­тов. Свойства ила в натуре значительно отличались от свойств взятых образцов. Проведенные исследования в натурных условиях на одном из участков, сооружаемом открытым способом, показали, что или­стый грунт обладает высокой водопроницаемостью, что должно вли­ять на величину осадок. Было решено установить первую тоннельную секцию и производить непрерывные наблюдения за ее осадками. Ока­залось, что осадки основания под полной нагрузкой не превышают 1,25 см, и специальных мероприятий практически не потребовалось.

Рис. 1.5. Геологический разрез по оси подводного тоннеля под р. Джемс и поперечное сечение: 1 — подводный участок из тоннельных сек­ций; 2 — береговые участки; 3 — вентиляционное здание; 4 — гори­зонт воды; 5 — тюфяк из гравия; 6 — уровень дна; 7 — срезанный грунт; 8 — защитное покрытие; 9 — обратная засыпка; 10 — отсыпка

Таким образом, при сооружении тоннелей из опускных секций в пес­чаных или илистых отложениях очень важно знать характеристики фи­зико-механических свойств грунтов. Следует проводить лабораторные и натурные исследования для определения оптимального веса конструк­ции секции, балласта, глубины и материала обратной засыпки, а также для выявления несущей способности грунтов основания под водой, ин­тенсивности и характера набухания илистых и глинистых грунтов.

Если на основании опытов качество грунтов признано неудовлет­ворительным, можно частично заменить слабые или пучащие грунты основания высококачественным тщательно уплотненным песком или устроить искусственное основание.

Существенное влияние на конструкции тоннельных секций и тех­нологию производства работ оказывают гидрологические характерис­тики водотока. До начала проектирования проводят изыскания и ис­следования по определению глубин воды в водотоке, направления и скорости течения, колебания уровня воды по время приливов и от­ливов, высоты волны; определяют физико-химические свойства воды. Результаты предварительных изысканий дают возможность опреде­лить гидростатические и гидродинамические воздействия на кон­струкции тоннельных секций.

В случае перемещения потоком наносов необходимо знать их ха­рактер и интенсивность с тем, чтобы определить рациональное очер­тание подводного котлована.

При разработке методов опускания и установки тоннельных сек­ций должны быть учтены также метеорологические факторы: сила ве­тра, туманы, осадки.