Строительство транспортных коммуникаций в горной местности сопряжено с необходимостью пересечения глубоких ущелий, водоразделов, горных хребтов и других препятствий, что требует устройства различных искусственных сооружений. В зависимости от высоты препятствия, его конфигурации и размеров в плане, места расположения, крутизны склонов, климатических, инженерно-геологических, экономических и экологических условий существуют несколько возможный решений.
Один из возможных вариантов — обход препятствия в плане — приводит к удлинению и усложнению трассы дороги, значительная часть которой будет располагаться на кривой в плане. Другое решение — перевальная дорога — пересечение препятствия по верху с устройством открытой выемки. Этот вариант может применяться при достаточно спокойном горным рельефе и небольшой высоте пересекаемого препятствия. В высокогорных условиях прокладка перевальной дороги сопровождается пересечением крутых откосов, оползневых зон и ущелий. Для этого устраиваются высокие насыпи, подпорные стены, виадуки, полумосты, балконы, глубокие выемки, снегозащитные и противообвальные галереи и т.п. Таким образом, значительно повышается стоимость эксплуатации дороги, возникает необходимость прекращения движения при опасности снежных заносов, лавин, селей и проч.
Транспортные тоннели горного типа используются для преодоления трассой высотных препятствий (гор, холмов, других возвышенностей). Они позволяют пересечь это препятствие по кратчайшему пути, расположить трассу дороги на прямой в плане и обеспечить благоприятные условия движения транспорта.
Тоннельные пересечения на транспортных путях, проектируемых в горной местности, наиболее целесообразны в следующих случаях:
обход контурных и преодоление высотных препятствий;
трассирование линии в условиях, когда допустимые радиусы кривых в плане не позволяют вписаться в существующие формы рельефа;
искусственное развитие линии;
обеспечение расчётной длины трассы на участке преодоления значительного высотного црепятствия.
Тоннельные пересечения на транспортных коммуникациях должны обеспечивать:
безопасный и бесперебойный пропуск транспортных средств (поездов, автомобилей и проч.) с заданными осевыми нагрузками и скоростями;
требуемую пропускную способность.
Первый международный конгресс по тоннелестроению, прошедший в 1912 году в Цюрихе, рекомендовал при строительстве двухпутных железных дорог отдавать предпочтение двухпутному тоннелю перед двумя однопутными. Вся дальнейшая мировая практика транспортного тоннелестроения базировалась на этой концепции, чем и объясняется сохранившийся до настоящего времени приоритет транспортных тоннелей в двухпутном исполнении.
В некоторых случаях возможно устройство одного однопутного тоннеля. Это, с одной стороны, позволяет существенно снизить капиталовложения и ускорить ввод тоннеля в эксплуатацию, но при этом, для обеспечения необходимой пропускной способности, требуется устройство разъездов и сложной системы регулирования движения.
Горные тоннели подразделяются на:
вершинные (рис. 2.66, а), имеющие минимальные длину и строительную стоимость с использованием более протяжённых подходов, в основном, при небольшой интенсивности движения;
базисные, или подошвенные (рис. 2.66, а), имеющие более низкую стоимость эксплуатации; используются при значительной грузонапряжённости трассы; вершинные и базисные тоннели могут называться перевальными;
петлевые (рис. 2.66, б), расположенные на кривой при угле поворота порядка 180°, и спиральные (рис. 2.66, в), при угле поворота 360°, — используются для быстрого набора высоты внутри горного массива;
мысовые (рис. 2.66, г), сокращающие трассу дороги, пересекающей косогоры.
Выбор месторасположения тоннеля горного типа зависит от характера расположения дорог и магистралей на подходных участках, степени устойчивости откосов и склонов высотного препят-
1 — вершинный тоннель, 2 — портал, 3 — дорога, 4 — базисный тоннель, 5 — петлевой тоннель, 6 — спиральный тоннель, 7 — мысовый тоннель
ствия, инженерно-геологических и гидрогеологических условий территории, стоимости строительства и эксплуатации данного участка.
Высотное положение мысовых тоннелей определяется продольным профилем трассы на подходах. Высота расположения петлевых и спиральных тоннелей, обеспечивающих искусственное развитие линии, диктуется условиями рельефа. Значительно более сложной задачей является определение высотного положения перевального тоннеля, который может быть как вершинным, так и базисным. В этом случае необходимо учитывать следующие основные факторы:
1) тоннель должен «вписываться» в план и продольный профиль трассы, обеспечивая единую плавную пространственную линию на всём перевальном участке дороги;
2) характер склонов пересекаемого горного массива: сравнительно небольшие смещения базисного тоннеля могут значительно сократить его длину и, наоборот, снижение отметки вершинного тоннеля может практически не отразиться на его длине;
3) возможность естественного проветривания тоннеля;
4) инженерно-геологические условия;
5) гидрометеорологические условия.
Окончательный выбор высотного положения перевалочного тоннеля определяется технико-экономическим расчётом.
Характерным примером выбора высотного положения является обоснование пересечения Северо-Муйского хребта Байкало-Амурской магистралью. Хребет расположен между оз. Байкал и бассейном р. Витим. Тяжёлые инженерно-геологические условия, обусловленные вечной мерзлотой и наличием многочисленных зон тектонических разломов, сложные для трассирования подходы к седловине, вызванные большой крутизной склонов, осыпями и камнепадами, высокая сейсмичность района (более 9 баллов по шкале Рихтера) в совокупности привели к необходимости проработки около 30 вариантов пересечения хребта.
При проектировании тоннеля Бампроектом в 1942 году, по данным предварительных изысканий 1936/37 годов, был принят вариант пересечения хребта в самом низком участке Ангаракан-ского седла. Позднее, в 1970 году, на этом участке были проведены дополнительные инженерно-геологические изыскания, по результатам которых были разработаны 18 вариантов трассы с тоннельным пересечением (рис. 2.67) и принят вариант пересечения Северо-Муйского хребта базисным тоннелем длиной 15,3 км. Однако до начала строительства, для обоснования длины тонне-
Рис. 2.67. Варианты трассы пересечения Северо-Муйского хребта Байкало-Амурской магистралью: 1 — вариант с подъёмом на перевал и пятью петлевыми тоннелями, 2 — вариант с базисным тоннелем длиной 15,3 км
ля по выбранному направлению трассы, были рассмотрены ещё 11 вариантов перевальных тоннелей протяжённостью от 7,8 км до 12,2 км. В итоге был принят вариант перевального участка с базисным тоннелем длиной 15,3 км, как наиболее полно отвечающий требованиям к эксплуатационным показателям проектируемой линии, а также надёжности и безопасности перевозок в условиях высокой сейсмичности.
Сеть мысовых тоннелей построена на Крутобайкальской железной дороге — одном из наиболее сложных участков Транссибирской магистрали. Западное побережье Байкала представляет собой скалистую гряду высотой до 400 м над уровнем озера. Извилистая береговая линия разделена на бухты высокими скалистыми мысами. На участке побережья протяжённостью менее 100 км были выстроены 39 двухпутных мысовых тоннелей общей протяжённостью 7283,2 м. При строительстве участка Байкало-Амурской магистрали, проходящего по северному побережью Байкала, были сооружены 4 двухпутных мысовых тоннеля общей протяжённостью 5100 м.
Расположение трассы тоннеля в плане проектируется целиком или частично на прямых или криволинейных участках. Искривление трассы в плане обусловлено условиями плавного сопряжения трассы с магистралями, необходимостью обойти нарушенную зону в массиве горных пород и сохранением существующей застройки.
При расположении тоннелей, особенно железнодорожных, на кривых увеличивается габарит приближения строений и, следовательно, площадь поперечного сечения тоннеля.
Криволинейные в плане тоннели стараются располагать на кривой одного радиуса или на кривых, близких по значению радиусов, что позволяет использовать однотипное оборудование для возведения монолитной бетонной обделки. Радиусы кривых в железнодорожных тоннелях должны быть не менее 600 м, автодорожных — 250 м. При соответствующем технико-экономическом обосновании, в особо сложных условиях, допускаются радиусы кривых 400 и 150 м соответственно.
Продольный профиль тоннеля, в зависимости от его назначения и условий трассировки, может проектироваться одно- или двухскатным. Односкатный профиль рекомендуется устраивать
при длине тоннеля менее 400 м. Профиль тоннеля стараются не проектировать горизонтальным, т.к. при этом возникают неблагоприятные условия продольного водоотвода. Минимальный уклон продольного профиля должен составлять 3 %о. В пределах разделительных элементов допускается принимать величину минимального уклона 2 %о. Горизонтальная разделительная площадка между участками с уклонами разных знаков не должна превышать 400 м [СНиП32-04-97].
Места расположения порталов при проектировании тоннелей горного типа определяются хорошими условиями видимости при въезде, конфигурацией рельефа и геологическим строением склонов. От глубины предпортальной выемки h зависит прочность и устойчивость портала и связанного с ним предпортального звена обделки, а также окончательная длина тоннеля L (рис. 2.68). В целом, определение рациональной глубины предпортальной выемки производится на основе технико-экономического сопоставления вариантов. На предварительных этапах проектирования можно воспользоваться следующими рекомендациями, выработанными практикой строительства: в слабых глинистых грунтах глубина выемки у порталов не должна превышать 12—15 м, в скальных породах — 20 м [Копыленко, Цыпин, 1999].
Тоннели горного типа сооружаются, в большинстве случаев, закрытым способом и имеют сводчатое или круговое очертания. Размеры и форма поперечного сечения определяются местом расположения тоннеля и интенсивностью движения транспорта. Габарит приближения строений должен обеспечивать свободное пространство, достаточное для пропуска транспортных средств, прохода людей, размещения устройств и оборудования.
Рис. 2.68. Зависимость длины тоннеля L от глубины предпортальной выемки к
1 — тоннель, 2 — пред-портальная выемка
10 Э-343
Рис. 2.69. Южный портал Мацестинского автодорожного тоннеля [Пуголовок, Болыкин, 2001]
Для бесперебойного обеспечения находящихся в тоннеле людей свежим воздухом и организации нормальных условий труда обслуживающего персонала устраивается система вентиляции, уменьшающая влажность в тоннеле, снижающая концентрацию вредных примесей, выделяемых транспортными средствами, до допустимых пределов, поддерживающая температуру воздуха на уровне, соответствующем санитарно-техническим нормам.
В декабре 2000 года сдан в эксплуатацию Мацестинский автодорожный тоннель длиной 1316 м, пересекающий водораздел между реками Мацеста и Агура и входящий в состав реконструируемой дороги Джубга-Сочи (рис. 2.69).
Автодорожный тоннель состоит из собственно тоннеля, по которому осуществляется движение автотранспорта, и дренажной штольни, используемой для обслуживания тоннеля на период эксплуатации, а также для эвакуации людей из тоннеля в случае пожара и других аварийных ситуаций (рис. 2.70).
Проходка тоннелей велась одновременно из трёх забоев: со стороны Северного и Южного порталов и дренажной штольни. Разработка забоя со стороны Северного портала велась проходческим комбайном с рабочим органом избирательного действия, со стороны Южного портала — буровзрывным способом. Дренажная
Рис. 2.70. Схема расположения основного тоннеля и дренажной штольни 1 — дренажные скважины, 2 — дренажная штольня, 3 — основной тоннель
Рис. 2.71. Внутреннее оформление Мацестинского автодорожного тоннеля
штольня проходилась щитовым комплексом с одновременным возведением постоянной обделки из железобетонных блоков.
Для обеспечения нормальной и безопасной эксплуатации тоннель оборудован автоматизированными системами управления, вентиляции, освещения и теленаблюдения (рис. 2.71).
