Подземное строительство в стесненных условиях. Часть 1
Одним из наиболее сложных видов подземного строительства являются работы, проводимые в стесненных условиях. Такие условия возникают, когда новые объекты приходится размещать на застроенных территориях или даже непосредственно под существующими зданиями и сооружениями. Обычно строительство выполняется без прекращения нормальной деятельности этих зданий и сооружений и потому требует особых усилий по снижению рисков ущерба для их состояния и безопасности. Далее приводятся примеры двух видов такого строительства: туннелей в центральной части города (разделы 1–4) и заглубленных частей существующих зданий (разделы 5–6).
1. ЛИНИЯ МЕТРО 2-й АВЕНЮ В НЬЮ-ЙОРКЕ
Метро 2-й авеню в Манхеттене — новая подземная система, построенная в Нью-Йорке, США. Она состоит из двухпутевой линии длиной 13,7 км под землей от 125-й улицы до площади Гановер, 16 подземных станций и будет обслуживать жителей нескольких районов Матхеттена.
Метро также уменьшит напряженность существующего пассажирского потока под линией Лексингтон-авеню.
Строительство новой линии метро началось в 2007 г., его полное завершение ожидается в 2020 г. Транспортный совет Нью-Йорка предложил этот проект еще в 1929 г., но во время Второй мировой войны строительство было отложено. В 1995 г. проводилось исследование более 20 альтернатив, среди которых рассматривались следующие:
— ограничиться лишь частичными усовершенствованиями локальных транспортных систем меньшей стоимости, например новыми автобусными маршрутами;
— построить новую линию метро под 2-й авеню лишь на участке между 125-й и 63-й улицами, включившись далее в существующую линию на Бродвее;
— дополнить предыдущее решение новым легким рельсовым транспортом к южной части Манхеттена.
Анализ этих вариантов, однако, показал целесообразность строительства новой линии метро под 2-й авеню на ее полную длину. Линия свяжет Гарлем в северной части Манхеттена с финансовым районом на юге и включит маршруты Q и T.
Строительство разделено на четыре фазы. Первая фаза включает строительство новых станций на 96-й, 86-й и 72-й улицах, туннелей от 105-й до 62-й улицы и новых входов с Лексингтон-авеню (рис. 1).
В ее состав также входят различные вспомогательные здания и сооружения, в частности сигнальные и силовые системы. Строительство на первой фазе велось с апреля 2007 г. по 2017 г. На участке длиной 3,8 км применялись буровые туннельные машины, что обеспечило минимальные повреждения зданий на 2-й авеню.
В зависимости от геологических условий машины имели разные конструкции, их вес достигал 485 т, длина — 135 м, подвигание забоя — 20 м/сут, на других участках туннеля экскавация пород производилась буровзрывным способом.
Машины опускались к уровню туннеля в разобранном виде, а потом собирались в специально подготовленной стартовой полости (рис. 2).
Некоторые станции строились так называемым открытым способом с поверхности земли по технологии «стена в грунте».
Фаза 2 включает туннели между 110-й и 120-й улицами и три новые станции на 125-й, 116-й и 106-й улицах. На фазе 3 будут построены станции на 55-й, 42-й, 34-й, 23-й, 14-й улицах и улице Хьюстон. Фаза 4 удлинит туннели и введет в работу четыре новые станции от улицы Хьюстон до площади Гановер.
Линия метро состоит главным образом из двух туннелей с диаметром каждого 6,6 м, обеспечивающих противоположное направление движение поездов. Глубина туннелей переменна, зависит от профиля поверхности и достигает 30 м.
Проектом предусмотрена прокладка двух рельсовых путей, по одному пути в каждом туннеле. В определенных местах прокладывается три или четыре пути для изменения направления движения поезда, его стоянки, ввода в движение или вывода из него.
Станции состоят из комбинации лифтов, эскалаторов и лестниц, причем каждая станция обслуживается по крайней мере одним лифтом. Большинство новых станций будут иметь одну центральную «островную» платформу, некоторые (трехпутевые) станции, например на 125-й улице, — две платформы, у большинства станций будет два или более входов — один на главной улице, именем которой названа станция, и другие, расположенные на два или три квартала севернее или южнее главного входа. Каждая станция оборудуется многоэтажными вентиляционными системами, электроподстанциями, насосными станциями. Оборудование этих систем снабжено охлаждающими устройствами и противошумовыми экранами.
2-я авеню расположена в густо застроенном районе Нью-Йорка (рис. 3). Она служит одним из главных маршрутов доступа к среднему и нижнему Манхеттену из двух районов города: Бронкса (с севера) и Бруклина (с юга). Зона строительства окружена многочисленными высотными жилыми зданиями. Эти условия потребовали от исполнителей тщательного планирования снабжения «с колес» и удаления отходов строительства.
Конечно, жители домов в зоне воздействия строительных работ испытывают их временное воздействие: неожиданный шум подземных проходческих взрывов, закрытые тротуары, движение грузовиков, звуки рабочего инструмента, переговоры бригад и даже перемещение крыс вызывают раздражение. Средняя цена на квартиры кооперативов и кондоминимумов по сравнению с 2007 г. (временем начала строительства метро под 2-й авеню) уже через четыре года снизилась на 8 %, тогда как в прилегающем районе, но вне зоны влияния строительства, она, наоборот, возросла на эту же величину.
Строительство угрожало также местным малым бизнесам. Некоторые из них — рестораны, бары, салоны красоты, хозяйственные магазины, бакалейные лавки, мастерские — служили соседям целые поколения и придавали району уникальный характер. Когда строительство началось, многие из них были вынуждены принять меры, чтобы «остаться на плаву», включая сокращение штата, уменьшение зарплаты и сокращение часов работы. Некоторым пришлось закрыться. Например, на первой фазе строительства между 63-й и 96-й стрит почти половина бизнесов переехала или закрылась, была перекрыта половина проезжей части дорог, несколько пешеходных тротуаров. Это продолжалось от менее шести месяцев до около четырех лет в районах расположения станций и даже до восьми лет в нескольких ключевых точках строительства в зависимости от выполняемых работ.
Участники строительства прилагали усилия к тому, чтобы минимизировать ущерб и хотя бы поддержать нормальный доступ к бизнесам и жилью. Однако в определенных местах, например, на 125-й улице, где туннель проходил прямо под зданием с мелким фундаментом и деревянными рамами, опирающимися на слабую почву, пришлось временно переселить жителей на срок до 12 месяцев (рис. 4).
Для того чтобы уменьшить влияние выемки пород при строительстве туннелей и станций, минимизировать смещения грунтов и защитить структурное единство существующих зданий в зоне строительства, в специально пробуренные в почву скважины устанавливались или проталкивались домкратами поддерживающие сваи.
Улучшение слабых грунтов, снижение притоков воды производилось тампонажем окружающих пород цементными растворами. При необходимости специальными болтами с увеличенной головкой усиливались связи фасадов зданий с их рамами, сооружались также внешние рамы вокруг фасадов (рис. 5). В местах непосредственной опасности влияния экскавационных работ усиливались фундаменты существующих зданий (рис. 6). На одном из участков линии метро применялось замораживание горных пород, насыщенных водой.
Новые туннели могут воздействовать на 13 пересекаемых существующих линий метро и две линии пригородных поездов, где новые туннели проходят под или над существующими транзитными структурами. В некоторых существующих станциях для связи с новыми линиями строятся новые эскалаторы, лестничные переходы, лифты и подземные переходы. В целях защиты этих сооружений от взаимного влияния новые структуры предпочитают располагать в крепких породах над старыми для снижения их взаимного влияния друг на друга.
Особое внимание уделяется вибрации пород при взрывных работах в туннелях, тем более, когда экскавация ведется в районе хрупких, чувствительных и исторических зданий, для которых порог скорости вибраций ограничен 0,50 дюйма/сек (12,7 мм/сек).
Шум поездов будет снижен уменьшением вибраций вагонов с применением резиновых чехлов и неопреновых подушек на стыках рельс, созданием бесстыковочных рельсовых путей, облицовкой потолков перфорированными металлическими панелями, покрытыми звукопоглощающим стеклопластиком.
Выдача на поверхность пород, отбитых от массива при экскавационных работах, производится кранами, вагонетками и конвейерами. Здесь эти породы перегружаются в самосвалы, которыми вывозятся в места складирования либо транспортируются к баржам на реке Ист Ривер в Нижнем Манхеттене. Часть породы складируется для дальнейшего использования при закладке обнаруженных пустот, строительстве подпорных стен или ремонте дорожного покрытия, поврежденного строительством. Для сосредоточения выдачи и перегрузки отбитой породы, снижения выделения пыли, газов от ведения взрывных работ, уменьшения воздействия шума на окружающее жилье были построены специальные здания отходоприемников.
2. ЛИНИЯ МЕТРО «СЕВЕР/ЮГ» В АМСТЕРДАМЕ
Линия метро «Север/Юг» длиной 9,8 км, включающая восемь станций, строилась с 2002 г. по 2018 г. Она связывает центр города с северными и южными окрестностями (рис. 7). Северная часть линии построена главным образом заглубленной до уровня поверхности.
Здесь она строилась традиционным открытым способом. Когда линия приближается к реке Ай (нидерландское IJ), она становится подземной. Для пересечения реки использован погружной (подводный) туннель. Южная часть линии снова приближается к поверхности, и здесь также применялся открытый способ строительства.
Почвы, на которых стоят старые здания, содержат слои высокопроницаемых песков, слабых наносов из плотных торфяников и органических материалов между слоями плотных глин. На эти мягкие грунты опирались здания, иногда имевшие возраст по нескольку веков, поддерживаемые деревянными сваями, обычно высокочувствительными к сдвижкам мелких песков или понижению уровня грунтовых вод, который обычно держался почти на уровне поверхности канальной системы города (рис. 8).
Поэтому в старых зданиях, примыкавших к участкам метро, построенным открытым способом, возникали трещины, в которые поступала вода и почва. Технология «стена в грунте», применявшаяся для строительства открытым способом, позволяла, с одной стороны, избежать просачивания воды из траншеи строящихся туннелей к фундаментам зданий, а с другой — препятствовать утечкам воды в траншею из-под зданий. Последствием этих утечек становилось оседание зданий. Такая же технология применялась при строительстве станций, глубина которых достигала 25 м.
Участки метро, расположенные в центре города, построены подземным способом. Здесь направление и дизайн линии метро определились необходимостью защиты исторических структур и предотвращения нанесения им ущерба. Из общей протяженности линии 9,8 км под землей расположено 7,1 км.
Проходились два одноколейных туннеля. На участках с глубиной 20–35 м применялась буровые туннельные машины (щиты) диаметром 6,83 м, которыми были пройдены туннели длиной по 4 км (рис. 9). Во избежание подработки примерно 1 500 исторически важных кирпичных зданий, поддерживаемых сваями, туннель следовал плану улиц и проходил в 20 м от 250 тыс. деревянных и 2 тыс. бетонных свай. В критически опасных условиях подстарыми зданиями устанавливались новые сваи (рис. 10). Туннели шли параллельно друг другу, разделялись породным целиком (стенкой) с толщиной, равной всего половине диаметра туннеля, а на особенно стесненном участке — находились друг над другом.
С целью приспособления к местным геологическим условиям и топографии сложившейся застройки города (например, углам поворотов улиц) проводились конструктивные изменения буровой машины, уменьшившие на 25 % ее длину и улучшившие технологию закрепной цементации пустот. Такое решение позволило ослабить озабоченность населения воздействием работ по строительству метро на состояние старых и исторически ценных зданий. Неудобства жителей, вызванные строительством, были уменьшены проходкой туннелей встречными забоями, что позволило сократить срок строительства.
Туннель располагался также под несколькими мостами и набережными каналов. Над его некоторыми участками находятся трамвайные пути, а непосредственно над осью — несколько объектов подземной городской инфраструктуры. Все эти чувствительные к деформациям наземные и подземные объекты требовали особого отношения к технологии строительства. Неприемлемыми признавались не только функциональные и структурные повреждения зданий, но также эстетические с шириной трещин более 2 мм (рис. 11).
Разработанная специально для Амстердама самая большая в мире программа мониторинга позволяла контролировать оседание зданий, вызванное строительством, и немедленно внести коррективы в ход работы буровых туннельных машин. За год до начала работ был выполнен базовый мониторинг, чтобы установить исходные параметры.
Для особо чувствительных участков строительства была разработана технология тампонажных работ с применением жидких цементно-песчаных растворов. Из-за плотной застроенности городской территории эти работы проводились через горизонтальные скважины, пробуренные под деревянными сваями зданий. Скважины бурились из вертикальных стволов глубиной до 25 м, диаметром до 7 м, пройденных вдоль трассы туннелей. Стволы в слабых и обводненных почвах проходились под защитой пробуренных свай и заморозки грунтов жидким азотом. Закачка под давлением тампонажных растворов позволяла приподнять осевшее здание в исходное положение.
Примером применения такой технологии могут служить работы, проведенные под одним из зданий (Industria), расположенных наиболее близко к линии метро «Север/Юг». Тампонаж проводился из ствола глубиной 15–18 м. Еще до бурения туннеля буровой туннельной машиной проводился предварительный тампонаж, позволивший приподнять здание на несколько миллиметров. Машина прошла мимо здания через 2,5 года, после этого произошло его оседание, и был проведен дополнительный тампонаж, чтобы удержать здание в пределах допустимых нормативов (рис. 12).
Подземная станция линии метро «Север/Юг» «Центральный вокзал» была построена перед зданием железнодорожного вокзала (у его южного входа) под площадью Voorplein (рис. 13), за ним (у северного входа Do Ruijterkade) и непосредственно под рельсами исторической платформенной части вокзала (рис. 14). Здание вокзала расположено на искусственном острове, созданном в конце ХIХ в. заполнением песком одного из каналов реки Ай. Возможные повреждения этого здания, препятствия существующему режиму движения поездов, неудобства, доставляемые пассажирам, были неприемлемы.
Здание вокзала было построено около 1880 г., поддерживалось примерно девятью тысячами деревянных свай и поэтому считалось высоко чувствительным к возможному внешнему воздействию.
После тщательного изучения было принято решение о размещении участка линии метро под зданием вокзала и рекой в погружном туннеле, которое определилось следующими причинами:
— собственно туннель изготавливается в другом месте (специальном доке), и общие сроки строительства сокращаются;
— погружной туннель требует меньшего (по сравнению с другими решениями) понижения уровня почвенных вод, что в минимальной степени ухудшит состояние деревянных свай существующего здания.
Старые деревянные сваи, поддерживающие здание вокзала, заменялись новыми стенами, построенными по технологии «сэндвич», когда стена состоит из двух рядов стальных свай (в данном случае диаметром 475 мм, длиной от 26 до 60 м) с бетонными колоннами между ними, построенными по способу струйной цементации (jetgrouting).
Сваи расположены на расстоянии 1 м друг от друга, расстояние между рядами свай, определяющее толщину стены, — 2,5 м (рис. 15).
Горизонтальная устойчивость стены обеспечивается взаимодействием между стальными сваями и цементными телами, дополненными временными балками на трех уровнях. Это обеспечивает чрезвычайную жесткость стены с прогнозируемыми деформациями порядка 20–30 мм. Стены «сэндвич» также передают вертикальные нагрузки от поддерживаемого основания здания на конструкции фундамента туннеля метро (рис. 16).
Таким образом поддерживаются главный вестибюль и южные входы Центрального вокзала Амстердама. С северной стороны построены вестибюль и входы в метро.
Строительство этой части совмещалось со строительством двух двухрядных автомобильных туннелей над туннелями метро. Здесь здание опирается на буронабивные сваи длиной 60 м.
Туннель платформенной части станции метро имеет длину 130 м, ширину 22 м и высоту 8 м. Он состоит изсеми сегментов с длиной, варьируемой в пределах от 15,5 до 21 м. При его установке потребовались кесонные работы. Центральной внутренней опорой сечения туннеля служит ряд колонн с тяжелыми продольными балками в кровле и почве туннеля. Еще три секции погружного туннеля длиной по 141 м, шириной 12 м, высотой 7 м устанавливались в траншее через реку Ай (рис. 17–19).
Из-за ограниченной высоты рабочего пространства, необходимости сочетания чувствительности исторического здания с современными строительными нормами, постоянной опасности прорыва воды и грунтов в зону работ, эти работы инженерным сообществом были признаны пионерскими достижениями и получили две международные награды за дизайн бурения туннелей и технологию укладки погружных туннелей под Центральным вокзалом Амстердама.
3. ПОДЗЕМНЫЙ МОСТ ПОД КРАСНОЙ ЛИНИЕЙ МЕТРО В БОСТОНЕ
Проект реконструкции транспортного комплекса Центральной Артерии Бостона (Big Dig) был одним из самых больших проектов, когда-либо предпринимавшихся, чтобы решить проблему перегруженности дорожного движения в мегаполисе. По этому проекту была заменена устаревшая надземная автотрасса (магистраль 1-93), которая проходит через весь Бостон и продолжается серией туннелей и наземных участков.
Проблемой для проведения строительных работ была плотная городская застройка участка зданиями и дорожными магистралями, которые создавали чрезвычайно стесненные условия для строительства: так называемый транзитный туннель, который используется для троллейбусов, туннель Красной линии метро, на восточной стороне участка — двухэтажное здание Южной автобусной станции, опирающееся на свайный фундамент, пятиэтажное здание Южного железнодорожного вокзала 80-летнего возраста с основанием из деревянных свай, 32-этажное здание Федерального резервного банка, имеющее два подземных этажа автостоянки, на западной стороне — много старых многоэтажных кирпичных исторических зданий, включая 10-этажное жилое здание на пересечении улиц Ниланд-стрит и Атлантик-авеню, 46-этажное здание Финансового центра и туннель площади Дивей (Dewey) (рис. 20).
Здесь же прямо под Южной станцией Красной линии метро находится туннель северного направления Центральной Артерии, а все эти сооружения расположены под пересечением улиц Атлантик-авеню и Саммер-стрит. Южная станция построена в глинах ледникового происхождения и закреплена бетоном с последующим натяжением арматуры. Под наносами залегают выветрелые аргиллиты. Уровень грунтовых вод встречен в пределах 3–5 м от поверхности.
Строительство туннеля — части реконструируемой Центральной Артерии — должно было происходить без нарушения работы существующих транспортныхсистем и состояния зданий. Пороговым значением наклона или изгиба в их конструкциях (то есть тем, за которым начинается принципиально другое состояние конструкции) составляло 6 мм, предельно допустимое — 10 мм.
Комплексное решение сочетания имеющихся (функционирующих) и строящихся подземных объектов было достигнуто тем, что под перекрестком улиц Атлантик-авеню и Саммер-стрит, а также под Красной линией метро была проложена подземная часть четырехрядной Центральной Артерии 1-93. Это было единственное место в городе для ее северного направления. Здесь же находится самая глубокая отметка всего проекта Big Dig — минус 37,0 м.
В связи со значительной и комбинированной транспортной нагрузкой строительство выполнялось несколькими шагами, когда вначале были пройдены две вертикальные шахты глубиной около 37,0 м и две горизонтальные штольни длиной по 30,0 м с расстоянием между парами «шахта — штольня» около 21,0 м. В почву этих штолен бурились скважины и закачивался раствор, укрепляющий грунты. Это укрепление позволило из каждой вертикальной шахты прямо под первыми штольнями соорудить еще по три штольни. Таким образом, из восьми (2 х 4) штолен, пройденных из шахт, были образованы две стены туннеля Центральной Артерии. Дополнительные горизонтальные штольни образовали кровлю этого туннеля, над которой размещалась действующая Красная линия метро, надежно охраняемая построенными железобетонными сооружениями шахт и штолен (рис. 21).
(Окончание следует)
Статья была опубликована в июньском номере журнала «Наука и техника» за 2019 год