• Название:

    04. Маковский. Автодорожные и городские тоннели России


  • Размер: 10.91 Мб
  • Формат: PDF
  • или
  • Сообщить о нарушении / Abuse

Установите безопасный браузер



    Предпросмотр документа

    МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ
    ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
    УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

    Л.В. МАКОВСКИЙ, В.В. КРАВЧЕНКО,
    Н.А. СУЛА

    АВТОДОРОЖНЫЕ И
    ГОРОДСКИЕ ТОННЕЛИ
    РОССИИ
    УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

    МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ
    ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
    (МАДИ)

    Л.В. МАКОВСКИЙ, В.В. КРАВЧЕНКО,
    Н.А. СУЛА

    АВТОДОРОЖНЫЕ И
    ГОРОДСКИЕ ТОННЕЛИ
    РОССИИ
    Учебное пособие

    Утверждено
    в качестве учебного пособия
    редсоветом МАДИ

    МОСКВА
    МАДИ
    2016

    УДК 624.191
    ББК 39.112.5
    М163
    Рецензенты:
    Директор филиала АО ЦНИИС «Научно-исследовательский центр
    «Тоннели и метрополитены», канд. техн. наук, доц. Щекудов Е.В.;
    профессор кафедры «Аэропорты, инженерная геология и геотехника»
    МАДИ д-р техн. наук Добров Э.М.
    Маковский, Л.В.
    М163
    Автодорожные и городские тоннели России: учебное пособие / Л.В. Маковский, В.В. Кравченко, Н.А. Сула. – М.: МАДИ,
    2016. – 136 с.
    Дана историческая справка о тоннельном строительстве с древних времен до начала 90-х годов ХХ века. Освещается современное
    состояние сооружений автодорожных и городских тоннелей и обозначены перспективы развития отрасли.
    Приведены примеры проектирования и строительства автодорожных и городских тоннелей, особенности строительной техники,
    технологии и организации строительства различными способами в
    разнообразных топографических, инженерно-геологических и транспортных условиях в различные годы.
    Перечислены имена наиболее крупных ученых и производственников, внесших существенный вклад в развитие тоннельного дела в
    СССР и России.
    Учебное пособие предназначено для бакалавров по специальности 08.03.01 и инженеров по специальности 08.05.01, изучающих,
    соответственно, дисциплины «История отрасли» и «История транспортного строительства».
    В Приложении в табличной форме приведены характеристики
    наиболее крупных автодорожных и городских тоннелей, построенных
    в нашей стране и намеченных к строительству в будущем.
    УДК 624.191
    ББК 39.112.5
    © МАДИ, 2016

    3

    ВВЕДЕНИЕ
    Тоннели начали строить в глубокой древности и к настоящему
    времени их общая протяженность в мире превышает 2 млн км.
    Строительство автодорожных тоннелей началось в начале
    ХХ века и продолжалось непрерывно нарастающими темпами, что
    было обусловлено расширением сетей автомобильных дорог, увеличением объемов пассажирских и грузовых перевозок и дальнейшим
    совершенствованием транспортной инфраструктуры [1, 2].
    Значительная часть автодорожных тоннелей построена в крупных городах и мегаполисах, где сосредоточено большое количество
    автотранспортных средств. В нашей стране построено большое количество горных и городских автотранспортных тоннелей и намечено
    дальнейшее расширение масштабов тоннельного строительства.
    В последнее время достигнут значительный прогресс в науке и
    технике тоннелестроения. Ежегодно на основе результатов научных
    исследований появляются новые конструктивные и технологические
    решения, внедряются более совершенные механизмы и оборудование, развиваются прогрессивные приемы и методы ведения тоннелестроительных работ.
    Многие достижения в области тоннельного строительства становятся возможными за счет использования наукоемких инновационных
    технологий в сочетании с использованием компьютерной техники, автоматизированных систем управления технологическими процессами.
    Благодаря прогрессивным информационным технологиям создается единая база для необходимых инженерных решений при проектировании тоннелей на конкретных строительных площадках в любом регионе, в различных топографических, градостроительных и инженерно-геологических условиях. Наиболее эффективные решения и
    новации быстро становятся достоянием специалистов многих стран и
    реализуются на практике.
    Таким образом, тоннелестроение становится наукоемкой индустриальной отраслью и характеризуется все более широким примене-

    4

    нием инновационных и адаптивных технологий на основе прогрессивных экономичных конструкций и высокопроизводительных автоматизированных тоннелепроходческих комплексов, современных строительных материалов, рациональных методов организации работ,
    обеспечивающих высокие темпы строительства при соблюдении технической и экологической безопасности.
    Ниже приводится аналитический обзор опыта проектирования и
    строительства автодорожных и городских тоннелей в нашей стране.
    1. АВТОДОРОЖНЫЕ ТОННЕЛИ
    1.1. Исторический обзор
    (с древних времен до середины ХХ века)
    История строительства разнообразных подземных сооружений,
    в том числе тоннелей, насчитывает многие тысячелетия. Вначале использовали естественные полости (пещеры) для различных целей, а
    затем начали строить искусственные подземные сооружения. Археологическими исследованиями установлено, что в Вавилоне, Египте,
    Греции, Риме, Индии, Палестине, Иране задолго до н.э. строили подземные сооружения для добычи полезных ископаемых, создания храмов и гробниц, а позже для водоснабжения городов и транспорта.
    В 2180 г. до н.э. в Вавилоне под р. Евфрат был построен пешеходный тоннель длиной 920 м и сечением 4х3,5 м между царским
    дворцом и храмом на противоположном берегу реки.
    За 700 лет до н.э. на острове Самос в Эгейском море греками
    был сооружен тоннель длиной 1600 м для водоснабжения острова.
    За полвека до н.э. римлянами был проложен тоннель длиной 5 км
    для осушения озера Фусино под горой Саливино, а в начале века – дорожный тоннель длиной 900 м и шириной 8 м под холмом из вулканического туфа в районе г. Неаполь. Для лучшего освещения тоннеля у
    порталов были устроены раструбы высотой до 25 м [2].
    Часть построенных в древние времена итальянских тоннелей
    сохранились и используются до сегодняшнего дня.

    5

    В конце средних веков с развитием международных связей и
    расширением торговых путей началось строительство судоходных
    тоннелей, отличающихся большими размерами поперечного сечения.
    Первый такой тоннель длиной 164 м был построен во Франции
    на Лангедокском канале в 1677–1681 гг. Всего во Франции насчитывается 40 судоходных тоннелей. Судоходные тоннели построены также
    в Англии, Германии, США и Японии.
    Подземные работы в нашей стране в древности проводились
    для устройства жилья, при горных разработках, а позднее для водоснабжения и в военных целях.
    На Руси подземные сооружения в виде ходов – «тайников» широко
    применялись для снабжения водой городов и крепостей в военное время (рис. 1). Большинство таких сооружений было сосредоточено в Москве, где их начали строить еще до основания города Юрием Долгоруким.
    Вначале при Иоанне III строили укрепления Кремля и Китайгорода, а позднее во времена Ивана Грозного помимо военно-фортификационных возводили культовые и гражданские подземные сооружения (хранилища, ходы, коммуникации, объединяющие Кремлевские
    башни и ведущие в Китай-город, собор Василия Блаженного и Белый
    город и в другие прилегающие к Кремлю районы Москвы, а также в
    Новодевичьем, Донском, Симоновском монастырях и др.)
    На рисунке 2, а показан схематический разрез водозаборных тоннелей под Арсенальной башней (рис. 2, б) Московского Кремля (ХV в.).
    Многочисленные подземные выработки для водоснабжения были построены в Киеве, Пскове, Смоленске, Новгороде, а также в Соловецком и Троице-Сергиевском монастырях. Водозаборные «тайники» строились также в Ельце, Валуйске, Коломне (рис. 3). Значительное распространение подземные работы в военных целях получили в
    ХVI в., во времена Ивана Грозного. В 1657 г. русский изобретательсамоучка Василий Азначеев предпринял попытки строительства подводного тоннеля под р. Москвой [3].
    Крупный водопроводный тоннель длиной 6,7 км был построен в
    1737 г. в Царском Селе на трассе Таицкого водопровода в окрестностях Петербурга.

    6

    Рис. 1. Схема крепостного «тайника» для забора воды из реки или водоема:
    1 – водоем; 2 – водозаборная штольня;
    3 – крепостной колодец; 4 – крепостные постройки

    Рис. 2. Схематический разрез (а) и изображение (б)
    Арсенальной башни Московского Кремля:
    1 – подземелье; 2 – подземный ход; 3 – галерея к Неглинной

    7

    Рис. 3. Общий вид (а), вид сверху (б) и поперечный разрез (в) тайника
    в стене Коломенского Кремля:
    1 – стены Кремля; 2 – Москва-река; 3 – колодец; 4 – подземелье

    Новый этап в тоннелестроении связан с появлением и развитием в середине XIX в. железнодорожного транспорта. Для преодоления
    трассой железных дорог различных высотных препятствий требовалось строительство горных тоннелей. Многочисленные горные тоннели были построены в Англии, Германии, Швейцарии, Италии, Австрии
    и Северной Америке. Среди них такие крупные тоннели, как Мон-Сени
    длиной 12,85 км, Сен-Готард длиной 14,98 км и Симплон длиной
    19,78 км. Первые железнодорожные тоннели в России – Ковенский
    длиной 1280 м и Виленский длиной 430 м – были построены в 1859 г.
    В 1890 г. ввели в эксплуатацию Сурамский тоннель в Грузии длиной
    3998 м. Большое количество железнодорожных горных тоннелей было построено на Кавказе и на Дальнем Востоке.
    Наряду с горными железнодорожными начали строить и подводные тоннели. Проект первого подводного тоннеля под р. Невой в Петербурге, предложенный Торговановым, был отвергнут. В 1892 г. русский инженер Я.К. Ганнеман разработал проект трехъярусного тоннеля под р. Невой, который также не был реализован. Аналогичная
    участь постигла и проект подводного тоннеля под р. Волгой у Нижнего
    Новгорода, составленный Н.С. Стрелецким в 1914 г.

    8

    Первый подводный тоннель под р. Темзой в Лондоне длиной
    150 м и размерами поперечного сечения 6,7х11,3 м был построен в
    1842 г. (рис. 4). Впервые в практике тоннелестроения для проходки
    тоннеля был применен щит, изобретенный М. Брюнелем. В дальнейшем с применением щитового способа в XIX в. были сооружены
    подводные тоннели под р. Мерсей и Темза в Англии, под р. Гудзон в
    США, под р. Шпрее в Германии и др., а также многие тоннели метрополитена [4].

    Рис. 4. Проектное предложение подводного тоннеля под р. Темзой в Лондоне:
    1 – застройка; 2 – тоннель; 3 – отсек для автомобилей; 4 – служебный отсек;
    5 – р. Темза; 6 – существующий тоннель; 7 – отсек для поездов метрополитена

    Первый в мире метрополитен был введен в эксплуатацию в
    Лондоне в 1863 г. Затем были построены метрополитены в Нью-Йорке
    (1868 г.), Чикаго (1892 г.), Будапеште (1896 г.), Бостоне (1897 г.), Берлине (1902 г.). В нашей стране первый метрополитен был сооружен в
    Москве в 1935 г.
    Одновременно со строительством железнодорожных тоннелей и
    метрополитенов строили гидротехнические, коммуникационные и гор-

    9

    нопромышленные тоннели. Горные и подводные тоннели для автомобильного сообщения, а также городские автотранспортные тоннели
    начали строить в XX в. в основном после второй мировой войны.
    Еще в первой половине XVIII в. великий русский ученый
    М.В. Ломоносов в своем труде «Первые основания металлургии и
    рудных дел» (1763 г.) заложил основы геологических систем, горного и
    тоннельного дела.
    Важную роль в развитии тоннелестроения в нашей стране сыграл организованный в 1809 г. Институт корпуса инженеров путей сообщения (ныне Петербургский государственный университет путей
    сообщения). Преподаватели и выпускники этого вуза участвовали в
    проектировании и строительстве крупнейших в России тоннелей, разрабатывали теоретические основы тоннелестроения. В дальнейшем в
    нашей стране были созданы высшие и средние учебные заведения
    для подготовки квалифицированных кадров, успешно работающих в
    области проектирования, строительства и эксплуатации тоннелей.
    Большинство подземных сооружений в глубокой древности
    строили в достаточно крепких скальных и полускальных породах, не
    требующих крепления выработки. Для разработки таких пород пользовались примитивными способами и инструментами (медные пилы,
    кирки, ломы, кувалды, клинья, сплошные или полые сверла).
    Применяли и огневой способ, нагревая скалу кострами и охлаждая водой или уксусом. В образовавшиеся трещины загоняли клинья,
    что облегчало разработку породы. Следы применения огневого способа разрушения скальных пород обнаружены в старых рудниках
    Урала и Сибири [5].
    В ХVII в. с изобретением черного пороха стали применять буровзрывной способ разработки породы. В основном применяли ручное
    бурение шпуров, в которые закладывали порох.
    В начале XIX в. появились первые механические бурильные машины и новые взрывчатые вещества (пироксилин, нитроглицерин, динамит). Позднее были созданы бурильные машины ударного действия
    с пневматическим приводом, а в 1848 г. появились установки вращательного бурения с гидравлическим приводом. Так, на строительстве

    10

    Сурамского железнодорожного тоннеля в России работала высокопроизводительная гидравлическая бурильная машина.
    Проходку тоннельных выработок в скальных и полускальных породах осуществляли горным способом с поэтапным раскрытием профиля тоннеля и деревянной крепью. Деревянную крепь в виде бревенчатых рам, которые устанавливали вплотную или с промежутками,
    закрепляемыми досками применяли в России еще при строительстве
    тоннелей для водоснабжения городов.
    На рисунке 5 показана деревянная временная крепь для тоннельной выработки.

    Рис. 5. Деревянная временная крепь тоннельной выработки:
    1, 2 – лежень первого и второго уровней; 3, 4 – стойки первого и второго
    уровней; 5, 6 – распорки первого и второго уровней;
    7 – верхняк; 8 – затяжка из досок

    В качестве постоянной крепи (обделки) тоннеля, начиная с древних времен, применяли каменную и кирпичную кладку. Известно, что в

    11

    VI в. до н.э. в Египте был построен тоннель со стенами и сводом из
    обожженных кирпичей больших размеров. Применяли также кладку из
    естественных камней на известковом растворе.
    Существуют легенды о строительстве на Руси итальянских «литых ходов» (обделка из расплавленного свинца) под Днепром в Киеве,
    под р. Москвой (XV в.), подводных и подземных ходов в Ивангородской крепости.
    В XIX при буровзрывных работах стали применять капсюлидетонаторы и бикфордов шнур. Для уборки разработанной породы
    вместо конной откатки использовали рудничные локомотивы.
    Для возведения обделки тоннеля вместо каменной кладки начали применять монолитный бетон и железобетон. Бетонную смесь доставляли в строящийся тоннель в вагонетках и вручную укладывали за
    деревянную опалубку.
    Широкое развитие техника тоннелестроения получила в середине XIX в., когда было начато строительство многочисленных железнодорожных тоннелей значительной протяженности и больших поперечных сечений.
    Если в скальных и полускальных породах применяли преимущественно горные способы, то в мягких, слабых и неустойчивых грунтах
    получил распространение щитовой способ, основанный на применении самодвижущейся крепи – щита. Первый щит имел прямоугольную
    форму и был оснащен винтовыми домкратами. Обделка выполнена из
    кирпичной кладки. В 1869 г. был применен круглоцилиндрический щит,
    с помощью которого под Темзой был построен тоннель со сборной
    обделкой из чугунных тюбингов [6, 7].
    С тех пор щитовой способ получил широкое распространение,
    там, где применение горного способа связано с весьма трудоемкими
    операциями по разработке забоя по частям и установке громоздкой
    деревянной временной крепи.
    Совершенствовались средства механизации тоннелестроительных работ, появились новые способы стабилизации неустойчивых
    грунтов (сжатый воздух, химическое закрепление и пр.). В конце XIX и

    12

    начале ХХ вв. при строительстве подводных тоннелей успешно применяли способ опускных секций.
    Однако общий уровень механизации тоннелестроительных работ оставался невысоким, следствием чего были значительная трудоемкость горнопроходческих операций, низкие темпы проходки, недостаточная безопасность ведения работ.
    В нашей стране щитовой метод впервые был применен на
    строительстве тоннелей первой очереди Московского метрополитена
    (1932–1935 гг.). Тогда были задействованы два немеханизированных
    щита. На строительстве второй очереди (1935–1938 гг.) работали
    42 щита (30 перегонных и 12 станционных).
    На немеханизированных щитах операции по разработке и погрузке породы выполнялись вручную. Для крепления лба забоя применяли шандорную крепь из горизонтальных досок, распределительных брусьев (вандрутов) и распорок, которые при передвижке щита
    заменяли забойными домкратами (рис. 6). Для крепления кровли забоя применяли выдвижные козырьки, на которые опирали забивные
    или закладные доски.

    Рис. 6. Тоннельный щит:
    1 – опорное кольцо; 2 – ножевое кольцо; 3 – вертикальная перегородка;
    4 – выдвижная платформа; 5 – горизонтальная перегородка;
    6 – платформенный домкрат; 7 – забойный домкрат; 8 – накладка;
    9 – оболочка; 10 – щитовой домкрат; 11 – опорная пята

    13

    Весьма трудоемкие работы по разработке и погрузке породы,
    креплению и перекреплению забоя обусловливали низкие темпы проходки порядка 20–30 м/мес на забой 6-метрового тоннеля.
    Для монтажа сборных, железобетонных и чугунных обделок
    применяли преимущественно рычажные блокоукладчики, состоящие
    из телескопической балки с захватом.
    Вопросы для самоконтроля
    1. Как использовались тоннели в древние времена? Приведите
    примеры.
    2. Для чего применяли крепостные «тайники» на Руси? Изобразите схему.
    3. Под какой башней Московского Кремля расположена система водозабора? Изобразите схему.
    4. Перечислите основное оборудование и технологии, используемые при сооружении подземных сооружений в древности.
    5. Как изменилась технология строительства подземных сооружений в конце XVII в.? Приведите примеры.
    6. Назовите область применения самодвижущейся крепи –
    щита. Произведите сравнение с деревянной временной крепью.
    7. Изобразите схему немеханизированного тоннельного щита.
    Дайте необходимые пояснения.
    1.2. Тоннели в СССР (с середины до 90-х годов ХХ в.)
    Дальнейшее развитие тоннелестроение в СССР получило после
    окончания Великой Отечественной войны в связи с интенсивным железнодорожным строительством, созданием ГЭС, сооружением метрополитенов и объектов городского подземного хозяйства.
    Возрастающие темпы автомобилизации и развитие сети автомобильных дорог обусловило необходимость прокладки автодорожных тоннелей через высотные и контурные препятствия.
    Горные автодорожные тоннели сооружены в Крыму, на Кавказе,
    в Средней Азии и на Дальнем Востоке.

    14

    Один из крупнейших – Сусамырский тоннель длиной 2,5 км построен в 1964 г. в Киргизии на дороге