Глубина заложения пешеходных тоннелей назначается минимально возможной с учётом расположения подземных коммуникаций и особенностей рельефа местности.
Для связи пешеходного тоннеля с дневной поверхностью необходимо предусмотреть специальные сходы, подразделяемые, в
зависимости от глубины заложения тоннеля, рельефа местности, градостроительных решений и интенсивности пешеходных потоков, на:
— лестничные;
— пандусные;
— эскалаторные;
— лифтовые;
— комбинированные.
При глубине заложения тоннеля менее 3—3,2 м устраивают лестничные сходы с уклоном не более 1:3,3, размещаемые на тротуарах и в первых этажах зданий. При глубине заложения тоннеля более 3,2 м под углом 30° устраивают эскалаторы, перемещающиеся со скоростью 0,5—1 м /с- Во всех пешеходных переходах возводят пандусы (рис. 2.26) с уклоном не более 60 %о и шириной не менее 1 м, либо накладные пандусы на лестничных сходах для подъёма и спуска детских и инвалидных колясок (рис. 2.27). В последние годы, для увеличения пропускной способности пешеходных переходов, в них всё чаще устраивают движущиеся тротуары (траволаторы).
Рис. 2.26. Пандус для спуска в пешеходный переход
Рис. 2.27. Накладные пандусы на лестничном сходе для спуска в подземный пешеходный переход детских и инвалидных колясок
Рис. 2.28. Совмещённый вход в подземный пешеходный переход и на станцию метрополитена. Париж
Минимальные габариты пешеходного тоннеля в свету должны составлять: высота 2,5 м, ширина 3 м.
Входы и выходы могут располагаться по концам тоннелей и в промежуточных сечениях как по направлению тоннеля, так и
перпендикулярно или под углом к его продольной оси. Возможно устройство входов в пешеходные переходы непосредственно на тротуарах, в первых этажах и подвалах зданий или совмещёнными с другими подземными сооружениями (станциями метрополитена, автостоянками, подземными комплексами и т.д.) (рис. 2.28). При пересечении магистралей, имеющих несколько проезжих частей, у остановок общественного транспорта, авто- и железнодорожных вокзалов и т.п. пешеходные тоннели могут иметь промежуточные входы и выходы.
В пешеходных тоннелях требуется предусматривать дополнительные помещения для размещения электротехнических устройств, водопроводного ввода, водоотливной установки, устройств по обогреву лестничных маршей и хранения уборочного инвентаря, а также для обслуживающего персонала.
При проектировании автотранспортных и пешеходных тоннелей необходимо учитывать, что они являются важным элементом единого градостроительного комплекса и должны соответствовать современным направлениям и тенденциям в области архитектурно-пространственной композиции, быть увязаны с городской застройкой и планировкой, максимально разгружать городскую территорию, иметь выразительный пространственный облик. В первую очередь это требование предъявляют к рампо-вым участкам, порталам и наземным павильонам, вентиляционным киоскам и другим фрагментам подземных сооружений, имеющих непосредственную связь с городской архитектурой.
Эксплуатируемые и строящиеся подземные сооружения являются «зонами повышенного риска» и, в случае возникновения аварийной ситуации, представляют серьезную опасность для находящихся в них людей. Аварии в подземных выработках происходят чаще, а последствия их намного тяжелее, чем в других отраслях строительства: травматизм и гибель людей, длительное прекращение эксплуатации или удлинение сроков строительства, значительный экономический ущерб.
Авария — это внезапное общее или частичное повреждение оборудования, горных выработок, сооружений, различных устройств, сопровождающееся длительным (как правило, более смены) нарушением производственного процесса, работы участка или предприятия, сооружения в целом [Горная энциклопедия, 1984].
По степени наносимых убытков и размерам разрушения все аварии подразделяют на:
1. крупные — охватывающие всё сооружение и приводящие к прекращению его строительства или эксплуатации на длительный период времени;
2. местные — приводящие к разрушениям сооружения только на отдельных участках. Последствия таких аварий могут быть ликвидированы в короткие сроки.
* При подготовке данного раздела, в основном, использованы материалы [Власов, Маковский, Меркин, 2000].
Подземные выработки — это капитальные сооружения, срок службы которых составляет не менее 100—150 лет*. В течение этого периода времени они должны удовлетворять требованиям эксплуатационной надёжности и обеспечивать безопасность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность как всего сооружения, так и отдельных его частей.
В практике строительства и эксплуатации подземных выработок могут происходить различные аварии, характер проявления которых определяется многочисленными факторами: протяжённостью подземного сооружения и размерами его поперечного сечения, местом расположения и глубиной заложения, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями, технологией строительства.
В большинстве случаев, основными причинами аварий являются:
— ошибки при изысканиях — в основном, возникают из-за неполного объёма разведочных работ и геотехнических исследований, а также из-за неадекватной оценки геотехнической ситуации;
— ошибки при проектировании — могут быть вызваны принятием неудачных конструктивных и технологических решений, несоответствием расчётных схем конструкций действительности, нарушением требований правил и норм;
— ошибки при строительстве — в основном, из-за низкого качества работ, использования дефектных материалов и изделий, нарушения проектных параметров и требований технических заданий;
— ошибки при эксплуатации — связаны с несвоевременным и недостаточно полным обследованием, ремонтом и реконструкцией сооружения, нарушением штатных режимов вентиляции, освещения, водоотвода, правил безопасной эксплуатации.
* В Великобритании проводится обследование 12 наиболее старых тоннелей, построенных в конце XVIII—начале XIX вв. Это обследование включает в себя сбор данных по изменению инженерно-геологического и экологического состояния горного массива, состоянию крепления выработок и многое другое. Предполагается, что на основании этих данных будет проведена реконструкция, которая позволит продлить эксплуатацию этих сооружений ещё на 150 лет [Victorian rail tunnels, 1998].
Кроме вышеперечисленных, причинами аварий могут стать: стремление к максимальным экономии и прибыли, неоправданное повышение скорости строительства, агрессивность окружающей среды, недостаточная согласованность между проектировщиками, строителями и эксплуатационниками, стихийные природные явления (землетрясения, лавины, наводнения).
Обычно, в первые 5—10 лет после строительства не наблюдается никаких серьёзных повреждений конструкций и эксплуатационного оборудования. Через 15—25 лет после начала эксплуатации возникают дефекты, связанные с резкими колебаниями температуры воздуха на припортальных участках, агрессивными водами, обледенением, осадками основания и т.п. Через 50— 70 лет проявляются последствия неудачного проектирования и строительства, явления старения материалов конструкции и окружающего грунта.
Самые распространённые аварии, как в строящихся, так и в эксплуатируемых сооружениях, связаны с:
1. обрушениями породы;
2. затоплениями;
3. загазованностью воздуха;
4. пожарами и взрывами;
5. антропогенными воздействиями.
Обрушением называется непредвиденное сдвижение горных пород с отделением от массива кусков, блоков, глыб и т.п. Его причиной является ослабление сил трения между отдельными частями массива, переходящих из состояния покоя в состояние движения. Чаще всего обрушения породы в забое или призабой-ной зоне имеют место при проходке горными способами в зонах слабоустойчивых грунтов с различными технологическими нарушениями. К ним относятся: продолжительное нахождение приза-бойного участка на временной крепи; несвоевременное и недостаточно надежное закрепление лба забоя; установка временной крепи недостаточной несущей способности и жесткости.
При проведении выработок закрытым способом обрушения обычно происходят в непосредственной близости от забоя выработки или в самом забое. При строительстве на глубине до 30 м в устойчивых породах проявляется разгружающее действие свода в грунте. Однако при нарушении этих условий, в частности, при
водопритоке, разгружающий эффект исчезает и происходит об-
• рушение породы (рис. 6.1, а).
При наличии тектонических нарушений обрушения могут происходить непосредственно в зоне тектонического нарушения или на её границе. В процессе проходки грунт стремится оседать вниз и перемещаться вдоль тоннеля в сторону портала. Во время пересечения тектонических зон, либо при наличии впереди по трассе тоннеля более плотного массива, смещение породы вперёд
- становится невозможным и происходит вывал (рис. 6.1, б).
Нередко вывалы могут происходить в призабойной зоне на расстоянии около 50 м от забоя, там, где исчезает поддерживающее влияние породного массива (рис. 6.1, в).
В тех случаях, когда возведение обделки идёт с отставанием, обрушения породы могут происходить на границе переднего торца уже возведённой обделки (рис. 6.1, г).
Причинами обрушения также могут быть понижение уровня грунтовых вод (УГВ) и извлечение из забоя валунов и крупных каменистых включений.
Купол вывала может распространяться до поверхности земли, образуя «воронку вывала» (рис. 6.2), либо может находиться в различной степени стабилизации, определяющейся свойствами и характером напластования пород. Наиболее опасна неустойчивая стабилизация вывала в мягких и слабоустойчивых породах; при которой может происходить его дальнейшее развитие, сопровождающееся обрушениями больших масс породы.
При строительстве подземных сооружений открытым способом обрушение грунта обычно происходит в виде оползневых тел, ограниченных плоскостями скольжения.
Обрушения и оползания приводят к подвижкам и деформациям породного массива, сопровождающимся осадками дневной поверхности, потерей устойчивости фундаментов зданий и сооружений, расположенных в непосредственной близости от места аварии, повреждением наземных и подземных коммуникаций, покрытий автомобильных дорог и верхнего строения путей железных дорог.
При внезапном обрушении породы в строящемся подземном сооружении возможны гибель и травматизм обслуживающего персонала, разрушения и выход из строя горнопроходческого оборудования. . Механизированные щиты и тоннелепроходческие машины с исполнительными органами планетарного и роторного действия могут быть полностью заблокированы в забое обрушившейся породой. Это приводит к серьезным повреждениям и разрушению рабочего органа, корпуса и оборудования щитов и тонне-лепроходческих машин, вызывает
Рис. 6.2. Воронка вывала в забое строящегося тоннеля
необходимость ремонта проходческого агрегата на месте (что обычно крайне затруднительно) или его демонтажа и удаления из выработки. Для доступа к проходческому агрегату приходится вести проходку вспомогательных выработок (шахтных стволов, штолен, котлованов) и выполнять работы по стабилизации породного массива путем водопонижения, замораживания, тампонажа или химического закрепления. Все это сопряжено со значительными материальными затратами и увеличением сроков строительства.
При ведении проходческих работ ниже уже существующих
, выработок, особенно заброшенных с нарушенной крепью, при росте нагрузки на крепь сохранившейся старой выработки от строительства новых зданий и сооружений, вибрации от веде-
‘ ния строительных работ, работы машин и механизмов, затопления заброшенных выработок и тому подобных явлений, воз-
; можна активизация сдвижения грунтов и горных пород, что
; приводит к образованию провалов и локальных оседаний земной поверхности. Над горизонтальными выработками с глубиной заложения до 80—100 м деформации земной поверхности проявляются в виде провалов и микромульд сдвижения, характеризующихся небольшой площадью, неправильной конфигурацией в плане, большой кривизной бортов, большими вертикальными и горизонтальными деформациями земной поверхности. Над вертикальными выработками (стволами, шурфами, скважинами и т.п.) деформации развиваются, как правило, в вертикальном направлении в месте их выхода на земную поверхность с образованием просадок поверхности и воронок обрушений [Нестперенко, Феофанов, 1998]. Процесс разрушения при этом несимметричен относительно оси ствола и протекает поочерёдно в случайной последовательности в пределах конуса обрушения. В глубинной части разрушения, в основном, возникают в окрестности слабых прослоев пород. Формы полостей разрушений несимметричны, при этом объём разрушенных более прочных пород, примыкающих к более слабому слою, может в 4—5 раз превышать объём разрушенных слабых пород [Звя-гильский, 1998]. По мере засыпки выработки, ранее обрушившиеся обнажения становятся устойчивыми и процесс разрушения затухает.
В эксплуатируемых подземных сооружениях обрушения, как правило, происходят в отдельных местах. Обрушившаяся порода может полностью или частично заполнить участок выработки, образуя завал. Завалы подразделяют на:
глухие (рис. 6.3, а);
завалы с отрывом (рис 6.3, б);
завалы переходного типа (рис. 6.3, в).
Причиной обрушений служит незнание или недооценка геологических условий или неправильная интерпретация результатов измерений, что ведёт к принятию ошибочных решений при проектировании и строительстве.
В частности, неточные знания физических, прочностных, деформационных и реологических свойств горных пород, слагающих массив, приводят к ошибкам в определении нагрузок на кон-
6.3. Виды обрушений породы в эксплуатируемых тоннелях: 1 — вывал, 2 — обделка
струкции, выборе расчетной схемы, установлении параметров буровзрывных работ, временной крепи, в принятии способа разработки грунта, технологии проходческих работ и, в конечном итоге, могут вызвать аварийную ситуацию.
Помимо знания свойств грунтов и горных пород необходима правильная оценка массива в целом, его структурных особенностей: степени неоднородности, анизотропии, естественной и искусственной трещиноватости, слоистости, сланцеватости и т.п.
Частыми причинами аварий в подземных сооружениях являются неблагоприятные физико-геологические процессы: гравитационные, сейсмические, тектонические, геотермические, кар-стово-суффозионные и др., сопровождающиеся вывалами и обрушениями породы, стреляниями и горными ударами, внезапными прорывами подземных вод и плывунов, выбросами пород и газов, нагреванием горных пород и подземных вод, набуханием и усадкой пород, морозным пучением грунтов и др. Различные формы строения участков земной коры, образовавшиеся в результате геотектонических дислокаций (складки, сбросы, выбросы, сдвиги, надвиги, разломы), представляют повышенную опасность для строящихся и эксплуатируемых подземных объектов. Так, при проходке тоннеля по оси синклинальной складки, обделка испытывает значительное вертикальное и горизонтальное давление, а в крыльях антиклинальной складки возникает одностороннее горное давление (рис. 6.4). В ядрах антиклиналь-
Подводные тоннели могут использоваться при создании постоянно действующей транспортной связи через водное препятствие (реку, канал, озеро, водохранилище). Они наилучшим образом соответствуют условию обеспечения бесперебойного движения транспорта на обеих пересекающихся магистралях (наземной и водной) и обладают следующими преимуществами перед мостами:
не нарушают бытового режима водотока;
не препятствуют судоходству, полностью сохраняя существующий характер акватории;
защищают транспортные средства от неблагоприятных атмосферных воздействий;
обеспечивают бесперебойное и круглогодичное движение транспорта на участке пересечения водотока;
сохраняют местоположение береговых сооружений и устройств, сводят к минимуму число зданий и сооружений, подлежащих сносу на. подходах к пересечению;
практически не нарушают архитектурный ансамбль города’.
Технико-экономическое сравнение мостового и тоннельного перехода показывает, что подводный тоннель имеет более высокую стоимость строительства, однако эксплуатационные расходы на содержание мостов, особенно низководных, значительно выше, чем тоннелей [Копыленко, Цыпин, 1999].
В целом, подводные тоннели наиболее часто используются в следующих топографических и. инженерно-геологических условиях:
широкий водоток с плоскими, низкими, нередко застроенными берегами;
ложе водотока образовано толщей слабых грунтов, распространяющихся на достаточно большую глубину, в их основании лежат более прочные грунты;
движение наземного или водного транспорта на участке пересечения характеризуется высокой интенсивностью и постоянством в течение суток.
Кроме того, предпочтение тоннельному варианту отдают при наличии паводков и мощных ледоходов, проходящих при высо-
ких уровнях воды, неустойчивости русла, а также по требованиям градостроительного характера.
В зависимости от расположения относительно дна водотока различают (рис. 2.72):
подводные тоннели, целиком заглублённые в грунтовый массив;
тоннели на дамбах или отдельных опорах; «плавающие» тоннели, заанкеренные тросовыми оттяжками в русловое ложе.
Подводные тоннели на дамбах, тоннели-мосты и «плавающие» тоннели эффективны при пересечении глубоких водных преград. При их использовании сокращается длина перехода, улучшаются эксплуатационные показатели трассы.
Рис. 2.72. Типы подводных тоннелей:
а — заглублённый в дно, б — на дамбе, в — на опорах, г — «плавающий» тоннель; 1 — закрытая часть, 2 — рампы, 3 — дамба, 4 — опоры, 5 — тросовые оттяжки
Выбор в городской черте месторасположения подводного тоннеля определяется характером планировки и застройки городских участков, топографическими условиями местности и способом строительства. Обычно тоннельное пересечение стараются располагать перпендикулярно оси водотока, что позволяет уменьшить длину сооружения и упростить его возведение и эксплуатацию. В условиях плотной застройки берегов возможно устройство косого пересечения водной преграды.
Подводный тоннель может располагаться как на прямой, так и на криволинейной в плане трассе. Искривление в плане трассы тоннеля вызвано необходимостью огибания препятствий: зон размыва, островов, искусственных подводных сооружений; либо, наоборот, стремлением подхода к острову для устройства вентиляционных шахт или раскрытия дополнительных забоев.
Наиболее характерны, кроме прямолинейных, следующие варианты расположения подводного тоннеля в плане:
для размещения руслового участка на прямой, в пределах береговых участков, трассу тоннеля располагают на кривых (рис. 2.73, а);
подходные береговые участки подводного тоннеля попадают на разные стороны поворота, поэтому ось тоннеля в плане располагают на кривой (рис. 2.73, б);
Рис. 2.73. Характерные случаи криволинейной в плане трассы подводных тоннелей
1 — ось перехода, 2 — линии берегов, 3 — горизонтали рельефа, 4 — островок
из-за несовпадения осей подводных участков на обоих берегах водотока, криволинейные участки пути располагают вблизи урезов воды, а весь тоннель имеет в плане вытянутую S-образную форму (рис. 2.73, в);
для организации промежуточной стройплощадки, связанной с изменением способа строительства или, при необходимости, устройства вентиляционной шахты, используются естественные или искусственные острова в русле водотока, что допускает искривление трассы тоннеля в плане (рис. 2.73, г).
В любом случае необходимо соблюдать нормативные требования к элементам криволинейных участков дороги и их взаимному сопряжению.
Продольный профиль тоннеля (рис. 2.74) может проектироваться двускатным вогнутого очертания, с плоским нижним разделительным участком, либо, при значительной протяжённости сооружения, разделительный участок заменяют двумя элементами продольного профиля с уклонами, направленными от середины тоннеля к берегам водотока. В местах намечаемого сопряжения уклонов, при их большой алгебраической разности, назначают элементы переходной крутизны, обеспечивающие выполнение нормативных требований к продольному профилю. В особо длинных подводных тоннелях может проектироваться более сложная полигональная или многоскатная форма продольного профиля, диктуемая отметками дна по трассе тоннеля и условиями обеспечения минимальных глубин заложения.
с 7
Рис. 2.74. Варианты продольного профиля подрусловой части подводного тоннеля:
а — односкатный, б — двухскатный
Одной из важнейших транспортных проблем крупных городов является упорядочение пешеходного движения путём создания специальных пешеходных путей. Эти пути должны быть изолированы от транспортных средств, удобны и доступны для населения и призваны обеспечивать связь со всеми элементами инфраструктуры города.
Наземный переход, несмотря на специальные мероприятия по обеспечению безопасности пешеходов (разметка, островки безопасности, чёткие указатели, светофорное регулирование, ограждения на тротуарах) полной безопасности пешеходов не гарантирует. Кроме этого, наличие наземного перехода влияет на скоростной режим транспортных средств, непрерывность движения, повышение уровня шума вдоль магистрали. Поэтому нередко применяют пешеходные переходы мостового, тоннельного (рис, 2.21) и подмостового (рис. 2.22) типов.
Пешеходный переход тоннельного типа имеет следующие преимущества перед мостовым: меньшая высота подъёма и опускания пешеходов, отсутствие промежуточных опор, снижающих видимость трассы, а также защита пешеходов от воздействия
Рис. 2.22. Подмостовой пешеходный переход. Москва
вредных газов, выделяемых автомобилями, и от неблагоприятных погодных условий. Пешеходные мосты хуже вписываются в архитектурный ансамбль города, нередко возникают трудности с размещением сходов с моста. В тоже время, пешеходные тоннели не стесняют проезжую часть дороги и легче осуществляется их связь с наземными и подземными сооружениями.
Пешеходные тоннели и переходы в городах сооружают:
— на магистралях с непрерывным движением транспорта;
— на перекрёстках, примыканиях или развилках улиц и дорог, на крупных площадях, где интенсивные транспортные потоки затрудняют свободное и безопасное движение пешеходов в одном уровне с транспортом;
— в местах наибольшего тяготения пешеходных потоков (около станций метрополитена, железнодорожных, авто-, аэровокзалов, торговых центров, зрелищных предприятий, стадионов, парков и т.д.);
— в составе крупных транспортных развязок;
— при пересечении в черте города наземных линий железных дорог, метрополитена или скоростного трамвая;
— при пересечении высотных или контурных препятствий*.
На улицах скоростного движения, линиях скоростного трамвая и железных дорогах подземные пешеходные переходы устраивают с интервалом 400—800 м, на магистральных улицах непрерывного движения — с интервалом 300—400 м [СНиП2.07.01-89*].
В крупных городах сооружаются подземные пешеходные переходы в разных уровнях. Их размещают вблизи крупных транспортных узлов (вокзалов, аэропортов и проч.), торговых и административных центров.
Нередко пешеходные тоннели возводят не только в городах, но и на трассах внегородских автомобильных и железных дорог, на станциях и перегонах, для пересечения небольших высотных и контурных препятствий. В некоторых приморских курортных городах устраиваются пешеходные тоннели в комплексе с лифтовыми подъёмниками.
Планировочные решения подземных пешеходных переходов зависят от топографических и градостроительных условий. В плане пешеходные тоннели стараются располагать перпендикулярно к направлению проезда. Если вблизи от проектируемого перехода имеется станция метрополитена, то расположение тоннелей сочетают со входом на станцию. При пересечении скорост-
ных дорог, автомагистралей, линии железной дороги, высотных и контурных препятствий устраивают одиночные пешеходные тоннели линейного типа (рис. 2.23). Если ширина тротуаров на участке вдоль магистрали недостаточна для пропуска пешеходов, то подземные переходы могут трассироваться вдоль магистрали, с ответвлениями для входа и выхода. Кроме того одиночные тоннели линейного типа проектируются на перекрёстках автомагистралей и на площадях, располагаясь по направлению главных пешеходных потоков. Часто на перекрёстках и площадях проектируют сеть пешеходных тоннелей в виде примыкающих друг к другу, пересекающихся и разветвляющихся коридоров или замкнутого контура (рис. 2.24, а). При интенсивном автомобильном и пешеходном движении, в случае преобладания прямых пешеходных потоков, предусматривают систему из четырёх тоннелей по двум направлениям (рис. 2.24, б). В случае преобладания пешеходных потоков в диагональных направлениях тоннели могут устраиваться по Х-образной схеме (рис. 2.24, в). На крупных транспортных развязках пешеходные переходы сооружают в общем комплексе с транспортными тоннелями.
На больших площадях, где сходятся более четырёх крупных магистралей и улиц, устраивают центральный распределитель-
Рис. 2.24. Схемы расположения пешеходных тоннелей линейного типа на перекрёстке в виде замкнутого контура (а), четырех тоннелей по двум направлениям (б), по Х-образной схеме (в)
Рис. 2.25 (справа). Подземные пешеходные переходы зального типа кругового (а) и полигонального (б) очертаний: 1 — распределительный зал, 2 — пешеходные тоннели
ный пешеходный зал (рис. 2.25), к которому примыкают отдельные подземные коридоры, ведущие к тротуарам, остановкам общественного транспорта, станциям метрополитена, торговым и административным зданиям. Сооружение центрального зала позволяет равномерно распределить пешеходные потоки и разместить в нём магазины, киоски, торговые лотки, кафе, рестораны, рекламные витрины и стенды.