Тунели

способи на изграждане

Открай време прокопаването на тунел е предизвикателство, продиктувано от необходимост, обгърнато от загадъчност, но неизбежно основаващо се на знания. Има много информация, свързана с описанието на все нови и нови постижения на човешкия гений в областта на тунелното строителство.
Обръща се внимание на осветлението, вентилацията, настилката, облицовката. Знаем имената, дължините, ширините и още много подробности за най-впечатляващите построени тунели, но имаме ли представа как става самото изпълнение?

Изграждането на тунели е от голямо значение за инфраструктурата на повечето държави и често е причина за иновации - шлицовата стена е създадена при изпълнението на първата линия на лондонското метро през 1863г. Предназначени за преминаване на железници и автомобили или за метрополитен, изграждани с все по-усъвършенствана механизация, тунелите се класифицират според технологията на изпълнението им като изграждани по открит начин, или като изграждани без нарушаване на естествения терен.

Открит способ
Откритият способ обхваща два метода - котлованен и траншеен. При котлованния метод най-напред се изкопава котлован - изкоп в почвата, в който ще се разположи инженерното съоръжение, и чиято дълбочина зависи от експлоатационните изисквания, нивата на здравите земни пластове, подпочвените води и други фактори. Изкопаването може да стане с оформяне на откоси по контура, ако мястото е обширно и позволява това, с укрепване на стените на изкопа или по начин, който най-целесъобразно комбинира тези техники. Укрепване се прилага предимно в случаите на строителство близо до съществуващи сгради, за да не се застраши тяхната сигурност.

Укрепването е най-вече с шлицови стени, особено при наличието на повече вода, когато се налага изпомпването є от дъното на изкопа, но се прави и с пилоти. След това в подготвения котлован се изгражда конструкцията на тунела и се насипва отгоре и отстрани на съоръжението. В случаите, когато укрепването е решено като част от носещата конструкция на тунела, то не се демонтира. Един пример: Строителството на метростанцията при бул. Черни връх, при музея Земята и хората, е изпълнено по открит способ в котлован, укрепен със стоманобетонни изливни пилоти и анкери, и след откопаването - армировъчни мрежи и защитен пласт торкрет. Изградена е стоманобетонната конструкция, положени са необходимите изолационни и защитни пластове, и е изпълнен обратният насип.

При траншейния метод най-напред се изпълняват стените на съоръжението, обикновено като шлицови или разположени плътно един до друг изливни пилоти. Следва изграждането на покриващата конструкция. Откопаването се извършва под нея, между изпълнените стени. В някои случаи се излива и долна плоча. Наричан още Милански, този метод се прилага, когато е необходимо бързо възстановяване на инфраструктурата над тунела, тъй като позволява едновременно изграждане на подземната и надземната части на съоръжението. Шлицовите стени изпълняват двойна функция - за странично укрепване по време на строителството и като конструктивни елементи при експлоатацията.

За носещата конструкция на тунелите, изпълнявани по открит способ, се използва предимно стоманобетон. Елементи от стомана се използват само за подпорни скелета или за укрепвания - шпунтови стени, анкери и др. Самата носеща конструкция може да е едноотворна затворена рамка с корави възли, двуотворна рамка с междинна стена или междинен ред колони, рамка със ставна връзка между покрива и стените, а при по-голяма дебелина на насипа – сводова. Така е решен тунелът по пътя Гоце Делчев - Драма, за който е избрана сводова конструкция заради големия насип в някои участъци. Сводът е оформен върху вертикални стени, а в най-натоварените места е предвидена и дънна плоча. Тунелът пресича силно напукани скали, и след направата на изкопа откосите се укрепват със скални анкери. Кофражите за фундаменти и стени и кръжилата за свода осигуряват изработката на секция с дължина 12,00m. Изпълнението на стените трябва да изпреварва изпълнението на свода поне с една секция. Преместването на кофражите винаги е съобразено със сроковете за декофриране. Сводовете, освен от монолитен стоманобетон, могат да бъдат и от сглобяеми стоманобетонни елементи. Монтажът се извършва върху инвентарни скелета. Внимателно се замонолитват връзките между отделните елементи. Изпълнението на обратния насип се прави равномерно, едновременно от двете страни на свода и на пластове с малка дебелина.

Разновидност на Миланския метод е Топ-даун методът. При този начин на работа най-напред се изграждат шлицовите стени; ако е необходимо, те могат да бъдат укрепени с анкери. Върху тях се изпълняват покривните плочи на конструкцията, от монолитен или предварително напрегнат стоманобетон. Тогава, под защитата на стените и покривната плоча, се извършват изкопните работи и се изгражда вътрешната конструкция на тунела, която всъщност не поема товар от земни маси или трафик, а поддържа хидроизолациите и допълнителните системи за функциониране на съоръжението.

Закрит способ
Закритият способ, при който не се нарушава естественият терен, се характеризира с прокопаване на тунела в земните маси, на определена дълбочина под терена. Мястото на изкопните работи се нарича „забой”, и достъпът до него става през входа и изхода (т.н.”портали”) на тунела, или през специално обособени подстъпи – „прозорци”. Обикновено прокопаването става с взрив при здрави скали и със земекопна техника при слаби. При този способ се нарушава равновесието на скалния масив и възниква планински натиск, което налага направата на първична облицовка, непосредствено след прокопаването, и след това – вторична. В най-здравите скали може да няма планински натиск и облицовка да не е необходима.

При големи напречни сечения на етапи се извършва ход в по-малко сечение, например чрез галерии. При устойчиви скални масиви и напречни сечения до около 100m2 изкопът се извършва едновременно по цялото изкопно сечение, забоят се определя като „вертикален”, а пробиването на дупките става с ръчни перфоратори, пробивни платформи или пробивни самоходни машини. При нужда от укрепване се използват анкери, рамки или торкрет-бетон. Облицова се на ламели („кампади”), с работни фуги при петите. Забоят може да бъде и стъпаловиден, но и в двата варианта заложеният взрив се взривява наведнъж.

Нов австрийски тунелен метод
Един от методите за изпълнение на тунели по закрит способ се нарича нов австрийски тунелен метод - НАТМ. При него тунелът се прокопава в пълен профил, макар че може да се изпълни и на отделни части, като едновременно с това се изгражда първичната облицовка. Постоянната (вторичната) облицовка се изпълнява впоследствие, след затихване на деформациите.

Изкопът може да се извърши по взривен способ, с изпреварваща калота, т.е. разкриването на пълния изкопен профил става на два етапа – калота (горна част) и щрос (долна част). Щросът следва калотата на технологично обосновано разстояние. Принципно разкриването на тунелния изкоп трябва да се извършва по начини, ограничаващи максимално по време и пространство разхлабването на масива - механично разработване с тунелни багери и фрези, контурно взривяване и др.

Целта на новия метод е, чрез характерни начини за разкриване и укрепване на профила, подходящи съчетания и параметри на крепежа, да се постигне контролируемо деформиране на укрепването. Това позволява да се избере желаната му коравина - достатъчни малка, за да допусне деформации, позволяващи да се „избяга“ от високите начални напрежения, но достатъчно голяма, за да осигури стабилизиране на масива и да се избегне проявата на „планински натиск“ (свод на обрушване). Така заобикалящият масив се включва в статическата работа като съставна част от тунелната конструкция. Вграждането на деформируем крепеж (анкери, стоманени рамки по дъгата на свода, стоманени мрежи, торкрет бетон) създава облекчителен свод в скалния масив и той се превръща в носещ елемент, заместващ облицовката. Новият австрийски метод се прилага при масиви с произволна здравина и произволни размери на напречното сечение, но при достатъчно тунелно покритие, за да може да се изпълни облекчителният свод. Този метод е приложен при изпълнението на метрото от хотел Хемус до бул. Джеймз Баучер, тъй като подземните води са дълбоко и дълбочината на разполагане на тунела е значителна. Всъщност, метрото в София може да даде примери и за открити, и за подземни методи на строителство, с изключение на методите за изграждане в скални почви.

Последователността при прокопаване на тунели по НАТМ е следната: изкоп на калота и извозване на земните маси; изпълнение на първична облицовка в калотата; изкоп на щрос и извозване на земните маси; изпълнение на първична облицовка в щроса; изграждане на обратен свод (изкопаване и бетониране); полагане на хидроизолация (при необходимост); изграждане на постоянна облицовка; спомагателни работи. При изкопаването калотата изпреварва щроса на дължина, необходима за поместване на строителната механизация. Изкопаването и натоварването на земните маси може да бъде извършвано с тунелен багер, а извозването им - с автосамосвали. За изпълнението на първичната облицовка (анкери, стоманени дъгови рамки, пръскан бетон) са необходими бетоновоз за готова смес, машина за пръскан бетон, анкерна машина. По време на строителството на тунела се извършват измервания на деформациите с прецизна апаратура или геодезически инструменти. При щроса последователността на работите е същата.

Изкопаването на обратния свод се извършва с тунелен багер, а за бетонирането му са необходими: кофраж, бетоновоз, бетонпомпа и вибратори. Бетонирането на постоянната облицовка е в същата последователност, както при обратния свод.

Строителство на тунели с щит
Много използван за направа на тунели в градовете е щитовият метод. При този метод тунелите се строят с помощта и под защитата на машинен комплекс, наричан щит. Щитът представлява стоманена тръба, която може да се придвижва напред с помощта на хидравлични преси. Механизираните щитове, прилагани в метростроенето, са предимно с кръгло сечение и с диаметър от 3,50m до над 6,50m. Почвите се разработват в челото на щита, а тунелната конструкция се монтира под защитата на стоманения цилиндър, в задната му част. При немеханизираните щитове разработването на почвите се извършва ръчно или с механизирани инструменти, а при механизираните щитове – със специален работен орган от роторен тип, виброплощадки и др. Механизираните щитове се използват при изграждането на почти всички участъкови тунели по закрит способ. Ножов пръстен за профилиране на контура на разработката, опорен пръстен за закрепване и опиране на хидравличните преси по контура му и опашна черупка за защита на участъка, където се изпълнява поредната секция на облицовката чрез разположените в тази част монтажни и бетониращи устройства – това са основните елементи на механизирания щит. Самите приспособления и механизми за разработване на почвите при различните марки щитове имат различно решение – от механизирани виброплощадки (за зърнести почви) до затворени в план-шайби (в неустойчиви почви).

Щитовият метод е много подходящ за слаби, пластични почви и почви със зърнеста структура, макар че може да се използва и при други видове. Например тунелът под Ламанша, който е прокопан по щитов метод, минава през глини, а тунелът под Босфора, за чието прокопаване също е използван щит, минава през смесени почви - и глинести, и скални.

При разполагане на тунел под нивото на подземните води се предвижда щит с хидравлична забойна камера с противоналягане в забоя, т.н. ”мокър метод”. За да не се срути почвата и да няма водопонижаване, което да повлияе на сградите, в забойната херметически затворена камера се поддържа налягане, по-голямо от хидростатичното на подземните води. Водата не може да навлезе в забоя, защото налягането там е по-голямо. Вкарва се специална суспензия, която се смесва с почвата и по транспортна лента се транспортира към изходната шахта. Това позволява да се предотвратят сляганията и негативните последици за разположените над тунела сгради.

Примерна последователност при изграждане на тунел по щитов метод: разработват се почвите от забоя с помощта на механизиран работен орган; почвите при разработването се поемат от транспортна лента, минаваща по оста на щита, и се товарят в задната му част на вагонетки; едновременно с това в задната част, под защитата на опашната черупка, с помощта на блокмонтажен агрегат се монтира пръстен от облицовката; разработката от забоя до готовата облицовка след щита се поддържа от металния цилиндър на корпуса му; хидравличните крикове са прибрани към диафрагмата на опорния пръстен.

След разработване на почвите и монтиране на поредния пръстен от облицовката, в хидравличната система на криковете се подава налягане и те се притискат към челото на последния пръстен. С увеличаване на налягането криковете притискат пръстена към готовата облицовка и едновременно с това избутват комплекса напред. При това придвижване ножът профилира разработената част от забоя с очертание, съответстващо на очертанието на металния цилиндър на корпуса.

Стъпката на придвижване на щита за един цикъл е кратна на широчината на пръстена на облицовката. След като щитът е придвижен в новото си работно положение, криковете се прибират и освобождават място за монтиране на следващия пръстен от облицовката. В предната част започва разработването на почвите и това се повтаря при всеки следващ цикъл. При щитовия метод значително се увеличава скоростта на пробива в сравнение с новия австрийски метод.

Укрепването е с лонгарини, опрени на къси стойки върху ядрото, което се отстранява последно. След това се оформя дъното. При съвременното изпълнение по този метод се използват анкерен крепеж и пръскан бетон.

И една интересна система за укрепване - Система „Бернолд”. При тази система първичната облицовка е от стоманени рамки и вибриран бетон, кофриран със стоманени профилирани ламарини. Стоманените листове се монтират върху арките, които са изработени от широкофланшови стоманени профили, огънати по радиуса на тунелното сечение, със ставна връзка помежду им, за по-лесен транспорт, монтаж или демонтаж. Те са оразмерени да поемат не само натоварването от тласъците при запълване с бетон над стоманените листове, но и натиска от скалната маса, преди бетонът да набере якост и да се реализира проектната му носимоспособност. Докато трае нагнетяването на бетонната смес между листовете и скалата, се извършва и вибрирането. Обикновено се полага и финишен пласт торкрет бетон.

Това е система за укрепване на тунели, която се основава на три основни предпоставки – „прилепва” за скалата при бетонирането, веднага осигурява здраво временно укрепване, всеки един от стоманените елементи може да бъде използван след това като част от окончателната носеща тунелна конструкция. При система „Бернолд” торкретът, съвместно със стоманените листове, има много висока якост на срязване. Системата осигурява защитена и сигурна зона за работещите по изграждането; отпада нуждата от големия брой греди за временно укрепване; намалява се количеството стомана за временно укрепване по обичайните начини; елиминира се необходимостта от големи количества бетон за покриване мрежата от временни стоманени арки. Можем да сравним системата с тънка дъговидна черупка, която реагира на огромните земни натоварвания чрез преразпределение на товара. Системата се е доказала при изпълнението на много тунели по света, и за отбелязване е тунелът Сен Готард, част от високоскоростната железопътна мрежа в Швейцария.

Всеки тунел е уникален. Изпълнението на едно подземно съоръжение е много сложна задача, чието решение започва от проучвателните работи и минава през комплексните оценки, сравнения и последващо проектиране. Особено влияние оказват геологията и хидрогеологията на терена.

Изборът на метода на изпълнение изисква задълбочен анализ на конкретните условия, успоредно със зададените изисквания към съоръжението. В търсене на оптималното решение се раждат и постиженията:

За метростанция в Алжир е разработен кофраж с рекордни размери - станцията е с две различни сечения - 23,00m и 16,50m. Иновативната кофражна конструкция, с хидравлично обслужване, дава възможност за използването на еднакви системни части и кофражни сегменти, и така икономически изгодно се реализират и двата варианта на напречно сечение.

За подводен тунел в Китай са създадени две хидравлично обслужвани кофражни инсталации, които служат за производство на тунелните елемента по метода на потактовото изтласкване. Всеки отделен сегмент се изгражда монолитно и се минимизира опасността от нарушаване на водоплътността. Отделните сегменти се свързват в тунелен елемент. С помощта на понтони тунелните елементи се стабилизират по време на тегленето им до мястото на потапяне в открито море.

И така - все нови и нови предизвикателства пред всички участващи в създаването на тунели, тъй като нуждата от подземни съоръжения нараства непрестанно.

Два взривни тунелни метода
Единият е старият австрийски метод, който се прилага при неустойчиви масиви и силно изменящи се геоложки условия по трасето на тунела. При този метод се започва с прокопаването на долна входяща галерия, последвана от горна галерия в ключа на свода. Двете галерии се свързват през 6,00÷12,00m чрез фурнели, през които се подава скалната маса от разширението на калотата. Постепенно се достига до долната галерия и се изземват земните маси от щроса и дъното. Отделните кампади се укрепват с лонгарини (надлъжни греди) и стойки, като при характерни етапи се налага и преукрепване. Облицовката се бетонира по кампади – започва се от най-горния участък на свода, после страничните участъци, и накрая дъното. Недостатък на метода е голямото количество крепежен материал и разхлабването на масива при преукрепването.

Вторият е Ядров германски метод – прилаган при тунели с големи напречни сечения. Изкопаването започва с две долни входящи галерии, разположени от двете страни на централно ядро, в които се изгражда облицовката. Следва изкопаване нагоре и бетониране на облицовката. Разширява се (откопава се) калотата и се бетонира сводът. Укрепването е с лонгарини, опрени на къси стойки върху ядрото, което се отстранява последно. След това се оформя дъното. При съвременното изпълнение по този метод се използват анкерен крепеж и пръскан бетон.

И една интересна система за укрепване - Система „Бернолд”. При тази система първичната облицовка е от стоманени рамки и вибриран бетон, кофриран със стоманени профилирани ламарини. Стоманените листове се монтират върху арките, които са изработени от широкофланшови стоманени профили, огънати по радиуса на тунелното сечение, със ставна връзка помежду им, за по-лесен транспорт, монтаж или демонтаж. Те са оразмерени да поемат не само натоварването от тласъците при запълване с бетон над стоманените листове, но и натиска от скалната маса, преди бетонът да набере якост и да се реализира проектната му носимоспособност. Докато трае нагнетяването на бетонната смес между листовете и скалата, се извършва и вибрирането. Обикновено се полага и финишен пласт торкрет бетон.

Това е система за укрепване на тунели, която се основава на три основни предпоставки – „прилепва” за скалата при бетонирането, веднага осигурява здраво временно укрепване, всеки един от стоманените елементи може да бъде използван след това като част от окончателната носеща тунелна конструкция. При система „Бернолд” торкретът, съвместно със стоманените листове, има много висока якост на срязване. Системата осигурява защитена и сигурна зона за работещите по изграждането; отпада нуждата от големия брой греди за временно укрепване; намалява се количеството стомана за временно укрепване по обичайните начини; елиминира се необходимостта от големи количества бетон за покриване мрежата от временни стоманени арки. Можем да сравним системата с тънка дъговидна черупка, която реагира на огромните земни натоварвания чрез преразпределение на товара. Системата се е доказала при изпълнението на много тунели по света, и за отбелязване е тунелът Сен Готард, част от високоскоростната железопътна мрежа в Швейцария.

В търсене на оптимално решение се раждат иновации
Изпълнението на едно подземно съоръжение е много сложна задача, чието решение започва от проучвателните работи и минава през комплексните оценки, сравнения и последващо проектиране. Особено влияние оказват геологията и хидрогеологията на терена.

Изборът на метода на изпълнение изисква задълбочен анализ на конкретните условия, успоредно със зададените изисквания към съоръжението. В търсене на оптималното решение се раждат и постиженията:
За метростанция в Алжир е разработен кофраж с рекордни размери - станцията е с две различни сечения - 23,00m и 16,50m. Иновативната кофражна конструкция с хидравлично обслужване, дава възможност за използването на еднакви системни части и кофражни сегменти, и така икономически изгодно се реализират и двата варианта на напречно сечение.

За подводен тунел в Китай са създадени две хидравлично обслужвани кофражни инсталации, които служат за производство на тунелните елемента по метода на потактовото изтласкване. Всеки отделен сегмент се изгражда монолитно и се минимизира опасността от нарушаване на водоплътността. Отделните сегменти се свързват в тунелен елемент. С помощта на понтони тунелните елементи се стабилизират по време на тегленето им до мястото на потапяне в открито море.

И така - все нови и нови предизвикателства пред всички участващи в създаването на тунели, тъй като нуждата от подземни съоръжения нараства непрестанно.