посвящается преподобному
Сергию Радонежскому
Подводные тоннели
сайт
Алексея Смирнова
Подводные тоннели
Предисловие
В 2021 г. началось строительство Фемарнбельского (нем. Fehmarnbelt) подводного тоннеля между Германией и Данией. Сроки передвигались, но об отказе от проекта речи никогда не шло, так как все осознавали его экономическую целесообразность.
Несмотря на то, что финансирование идёт на немецкие деньги и субсидии от Евросоюза, роль маленькой Дании в нём тоже заметна. Основные технологические принципы и наработки взяты из совместного Шведско-Датского проекта, завершённого в 2000 году. Это был совмещённый тоннельно-мостовой переход между Копенгагеном, Дания и Мальмё, Швеция через пролив Эресун. Многие инженерные детали того проекта подводного тоннеля Drogden актуальны для будущих подобных работ в России. Поэтому мы ниже на них остановимся.
Проект Фемарнбелького тоннеля, или попросту Femern, нам интересен именно в сравнении со своим предшественником Drogden. Сравнение позволяет понять, в каком направлении двигается инженерная мысль, что из себя представляют принципы, которые уже можно назвать классическими. Хотя в 80-х годах, когда только приступали к проекту Drogden, многие решения принимались вынуждено. Переход начинался близ Копенгагенского аэропорта, что не позволяло строить мост, а подземный тоннель пришлось бы проходить сквозь твёрдую скальную породу. В дальнейшем, когда велись работы по углублению дна под подводным тоннелем, скалу пришлось фрезеровать с помощью специально созданного оборудования. Стальные зубья настолько быстро изнашивались, что в поземных условиях могло бы стать причиной прекращения тоннельных работ. В итоге получилось 7,7 м метров от поверхности воды вместо проектных 10 м. Траншея под Drogden делалась для максимального его заглубления, чтобы не мешать судоходству в мелководной части пролива.
Несмотря на то, что финансирование идёт на немецкие деньги и субсидии от Евросоюза, роль маленькой Дании в нём тоже заметна. Основные технологические принципы и наработки взяты из совместного Шведско-Датского проекта, завершённого в 2000 году. Это был совмещённый тоннельно-мостовой переход между Копенгагеном, Дания и Мальмё, Швеция через пролив Эресун. Многие инженерные детали того проекта подводного тоннеля Drogden актуальны для будущих подобных работ в России. Поэтому мы ниже на них остановимся.
Проект Фемарнбелького тоннеля, или попросту Femern, нам интересен именно в сравнении со своим предшественником Drogden. Сравнение позволяет понять, в каком направлении двигается инженерная мысль, что из себя представляют принципы, которые уже можно назвать классическими. Хотя в 80-х годах, когда только приступали к проекту Drogden, многие решения принимались вынуждено. Переход начинался близ Копенгагенского аэропорта, что не позволяло строить мост, а подземный тоннель пришлось бы проходить сквозь твёрдую скальную породу. В дальнейшем, когда велись работы по углублению дна под подводным тоннелем, скалу пришлось фрезеровать с помощью специально созданного оборудования. Стальные зубья настолько быстро изнашивались, что в поземных условиях могло бы стать причиной прекращения тоннельных работ. В итоге получилось 7,7 м метров от поверхности воды вместо проектных 10 м. Траншея под Drogden делалась для максимального его заглубления, чтобы не мешать судоходству в мелководной части пролива.
Мы пишем данную статью, так как считаем сооружение подводных тоннелей в России нужным направлением. В первую очередь, для перехода больших рек и водохранилищ Сибири. Такие тоннели могут быть бесценны в ходе строительства Северного широтного хода из-за того, что придётся пересекать широкие реки в их нижнем течении. Первым подобным проектом мог бы стать подводный тоннель под Обью между Лабытнанги и Салехардом. Так что первым проектом вместо него может стать подводный тоннель (ПТ) под Енисеем, какое бы место для него ни выбрали. Совмещённый переход ПТ + мост выгоден в местах, где один или оба берега топкие. При переходе через Енисей в его нижнем течении нет необходимости создавать искусственный остров для выхода подводного тоннеля, так как там достаточно удобных островов, расположенных между фарватером реки и протокой.
Преимущества подводного тоннеля
По имеющимся сведениям, общее число подводных тоннелей в мире давно превысило цифру 200, включая кабельные и пешеходные. Считается, что более ста из них предназначено для транспортного сообщения. Мы настороженно относимся к этим цифрам из-за возможных ошибок в использовании термина подводный тоннель. Часть инженеров называет подводными тоннелями обычные пробуренные тоннели, сооружённые под водой. Так тоннель под Амуром, который был построен в Хаборовске для Транссиба, чаще всего называют подводным. В статье мы называем подводным тоннелем инженерное сооружение, проложенное по дну водоёма. Нужно сказать, что английский термин immersed tunnel более удачен. Но это не учитывает возможность применения технологии укладки открытым способом на дно будущего водохранилища; с последующим покрытием грунтом и заполнением водой. Подводный тоннель не создаётся ни проходческим щитом, ни горным способом. С появлением нового вида тоннелей необходимо изменить и исправить устаревшую терминологию. Такого рода подводных тоннелей в России до сих пор не построено.
Сегодня ПТ представляет собой железобетонную конструкцию. Но нельзя исключить того, что в недалёком будущем подводный тоннель будет изготавливаться из трубопроката огромного диаметра или методом пласмассового или металлического литья. Такая труба будет укладываться на дно аналогично газовой или нефтяной трубе.
При выборе между подводным и пробуренным тоннелем нужно иметь ввиду то, что второй из них проходит глубже во всех случаях жизни. Поэтому при той же длине он всегда окажется длиннее за счёт более длинных рамп. В тех случаях, когда бурить приходится довольно глубоко, становится очевидным выбор в пользу подводного тоннеля, если сюда добавить большие затраты на монтаж и эксплуатацию вентиляции, освещения и противопожарных и прочих систем. Подводный тоннель может быть уложен на мелководье, если это не препятствует судоходству. Это большое преимущество для ж.д. транстпорта, предъявляющего высокие требования к наклону рампы.
Похожая ситуация складывается при выборе между подводным тоннелем и мостом. С увеличением глубины водоёма и подмостового габарита заметно растут расходы на мостовой переход, возрастают всякого рода риски. Глубина почти не сказывается на стоимости работ по сооружению подводного тоннеля. Наоборот, в определённых случаях траншея не нужна, и подготовка дна может свестить лишь к его планировке. Наличие грунтов с низкой несущей способностью большой толщины значительно удорожает строительство моста, но никак не сказывается на цене проекта ПТ.
В тех случаях, когда водоём глубокий, и требуется больше транспортных ниток (автомобильных полос, линий ж.д.), подводный тоннель становится единственным реальным выбором. Скажем, когда дело доходит до перехода через Берингов пролив, то выбор в пользу подводного тоннеля очевиден. При ширине пролива около 100 км и глубинах 35 - 55 м соединение Азии с Сев. Америкой может быть экономически эффективно только при нескольких нитках. Суровые климатические и метеорологические условия в Беринговом проливе лишь подталкивают заказчика к такому выбору. Вид перехода настолько ясен, что сравнивать между собой нужно различные конструкции и технологии сооружения ПТ.
Такие тоннели, как Drogden и Femern поволяют говорить об высокой сейсмической надёжности подобной конструкции в сейсмоопасных зонах. При этом важно то, что такая конструкция надёжна не только в период эксплуатации, но и во время строительства.
Сооружать тоннели типа Drogden и Femern можно практически на всех видах грунта, включая грунты с низкой несущей способностью. Каждый сегмент подводного тоннеля, как и весь тоннель, обладает плавучестью, и способен держаться на поверхности воды. Для того, чтобы погрузить сегмент, используется балласт. Балластом также является защитный слой камней, который насыпают сверху на крышу тоннеля для его защиты от якорей и затонувших судов. Несмотря на балласт, удельное давление подводного тоннеля на дно весьма мало.
В отличие от пробуренного тоннеля, повторяющего круглую форму проходческого комплекса, подводный тоннель может иметь различное поперечное сечение. Его форма может быть круглой, арочной, а в случае с Drogden и Femern форма сечения горизонтальный прямоугольник. Эти два тоннеля предназначены как для автомобильного, так и для железнодорожного транспорта.
Подводный тоннель подобного типа представляет собой сборную конструкцию, позволяющую изготавливать отдельные секции промышленным способом. Производство может располагаться на некотором расстоянии от места сборки, т.е. места укладки тоннеля. Части производства могут размещаться в разных местах. Всё это важно в условиях тесной городской застройки. В случае длинного тоннеля производство крупных элементов, идущих на сборку, может располагаться в его середине, либо по обе стороны водоёма. Тогда как меньшие сегменты могут изготавливаться на удалении, с использованием технологии поточной линии. Если удастся составить каждый элемент из сравнительно небольших "кирпичей", то можно применить конвейер.
Перед щитовой проходкой у технологии сооружения подводного тоннеля есть то преимущество, что она позволяет вести параллельно: работы на дне водоёма, изготовление элементов тоннеля, их транспортировку и монтаж. В случае с Drogden и Femern производство вдобавок разделено на изготовление сегментов с их последующей сборкой в целые тоннельные секции или элементы. Проблемы и задержки с одними работами не оказывают прямого влияния на сроки всего проекта.
Работы по подготовке дна и последующая засыпка подводного тоннеля, а также его сборка могут идти довольно быстро. Наличие специального оборудования ускоряет эти работы, повышает их качество. Наибольшее влияние на сроки строительства оказывает производство. Многоручьевая технология изготовления секций не представляет трудности. Однако производство крупных элементов требует постройки дока. В тех случаях, когда проектная длина тоннеля велика, как в проекте Femern - 19 км вместе с рампами, требуется уже несколько доков. Для транспортировки тоже нужно больше буксиров и понтонов, по той причине, что всё производство сосредотачивается на одном, немецком берегу. Здесь сказалось то, что все работы по Femern ведутся одной страной.
Опускание элементов тоннеля на дно, их соединение с существущими, а также опрессовка не относятся к сложным задачам. Как мы сказали, отдельные элементы тоннеля обладают плавучестью. Во время работ по Drogden их поначалу доставляли к месту с использованием этого качества. Во время стыковки одного из элементов оборвался трос с одной стороны, и 55 тыс тонн железобетона упали на дно. Шестимесячная задержка в сроках привела к необходимости использования понтонов.
Присоединение и опрессовка каждого элемента проиводится с помощью вакуума, который образуется откачкой воды из совмещённого коридора уже собранного и нового элемента тоннеля. Такой способ соединения показал свою исключительную надёжность. Опыт строительства Drogden продемонстрировал, что вероятность появления течей в подводном тоннеле крайне мала. Она гораздо меньше такой вероятности в пробуренном тоннеле. Это объясняется тем, что отдельные железобетонные сегменты каждого элемента тоннеля, как и сам элемент, изготавливаются промышленным способом. При монтаже элементов под водой используются надёжные резиновые уплотнители, обжимаемые с помощью вакуума насколько это необходимо. Заиление подводного тоннеля сверху со временем полностью прекращает доступ влаги к арматуре внутри бетонного потолка и стен. Как известно, исторические артефакты из железа, находящиеся под слоем ила, не ржавеют.
Полезный опыт и выводы
О некоторых полезных сторонах опыта Дрогдена мы сказали выше. Несмотря на то, что строительство Femern только начинается, его проект представляет большой интерес, так как он сделан на основе опыта строительства и эксплуатации датско-шведского тоннеля Drognen.
Оба подводных тоннеля собраны из элементов прямоугольного сечения. В обоих случаях присутствуют два одноколейных железнодорожных коридора, два двухполосных автомобильных коридора и ещё один коридор. Этот коридор состоит из 3-х каналов, которые предназначены для сервисных работ, аварийно-спасательных действий и эвакуации людей, прокладки кабелей. Транспортные коридоры изолированы друг от друга, что способствует их естественной вентиляции в процессе эксплуатации. Разделение на коридоры позволяет создать вентиляцию, соответствующую назначению каждого из них. Нам здесь важно то, что такая форма сечения и схема расположения коридоров показали себя с лучшей стороны во время рабочего процесса, и в ходе эксплуатации тоннеля.
Внешние размеры тоннеля Drogden 8,6 м х 38,8 м, тоннеля Femern - 8,9 м х 42,2 м. Большая глубина залегания (40 м вместо 10 м) требует увеличения толщины стен. После окончания монтажа подводного тоннеля его покрывают слоями песка и камней, предохраняющих его от всех случаев жизни. Верхний слой камней защищает покрытие от размыва или эррозии от гребных винтов. Оно выдерживает падение или волочение якоря или затонувшего корабля. Сравнение говорит о том, что и в первом случае проектировщики угадали с размерами.
Когда пишутся эти строки идёт начальный этап проекта Femern - ведутся работы по созданию производственных сооружений для будущего Фемарнбельтского подводного тоннеля. Каждый элемент будет иметь длину 217 м. В то время, как у элементов Эресуннского тоннеля длина составляла 175,5 м. Если раньше каждый элемент состоял из 8 идентичных сегментов, то сейчас их стало 9. Длина каждого сегмента выросла на 2 с лишним метра. В итоге вес каждого элемента увеличился с 56 тыс. тонн до 73,5 тыс. тонн. Видимо принятая технология позволила увеличить длину элементов и составляющих их сегментов. Тем самым сокращается количество герметичных соединений во всём тоннеле, ускоряется его монтаж.
Стоимость подводного тоннеля при такой технологии включает также рытьё подводной траншеи, и засыпку уложенного тоннеля сверху и по бокам. На окончательную стоимость заметное влияние оказывает технология производства элементов и их сегментов, организация монтажных работ и применение специального оборудования. В России есть кому проектировать подводные тоннели, но для того, чтобы их строить, нужна специализированная компания. Работы могла бы вести государственная компания по образцу Минмотажспецстроя. Только в этом случае можно снизить затраты при сохранении выского качества работ. Специализация позволяет использовать одно и то же оборудование на разных объектах, а государственное планирование помогает использовать в дальнейшем производственные мощности после завершения работ; включая доки.
Обширная сеть больших рек давно нужнается в хозяйственном подходе правительства к такому богатству. Речной транспорт обладает тем огромным преимуществом перед транспортом железнодорожным и автомобильным, что позволяет перевозить габаритные и крупнотоннажные грузы. Страна нуждается в едином хозяйстве, которое включало бы в себя каналы со шлюзами, позволяющие речному транспорту передвигаться если не по всем большим рекам, то по большинству из них. Предельные габариты сухопутного транспорта ограничивают разработчиков машин и оборудования, включая военную технику. Между тем, потребность в их укрупнении растёт. Речной транспорт, при наличии речной сети на всю страну, способен помочь решить немало инженерных задач. Специализированное оборудование для сооружения подводных тоннелей можно было бы неоднократно использовать, доставляя с завершённого объекта на новое место.
Приходится сожалеть о том, что при строительстве перехода в Крым не был использован вариант подводного тоннеля для соединения о. Тузла с Керчью. Там можно было построить 1:1 новый Дрогден.
Оба подводных тоннеля собраны из элементов прямоугольного сечения. В обоих случаях присутствуют два одноколейных железнодорожных коридора, два двухполосных автомобильных коридора и ещё один коридор. Этот коридор состоит из 3-х каналов, которые предназначены для сервисных работ, аварийно-спасательных действий и эвакуации людей, прокладки кабелей. Транспортные коридоры изолированы друг от друга, что способствует их естественной вентиляции в процессе эксплуатации. Разделение на коридоры позволяет создать вентиляцию, соответствующую назначению каждого из них. Нам здесь важно то, что такая форма сечения и схема расположения коридоров показали себя с лучшей стороны во время рабочего процесса, и в ходе эксплуатации тоннеля.
Внешние размеры тоннеля Drogden 8,6 м х 38,8 м, тоннеля Femern - 8,9 м х 42,2 м. Большая глубина залегания (40 м вместо 10 м) требует увеличения толщины стен. После окончания монтажа подводного тоннеля его покрывают слоями песка и камней, предохраняющих его от всех случаев жизни. Верхний слой камней защищает покрытие от размыва или эррозии от гребных винтов. Оно выдерживает падение или волочение якоря или затонувшего корабля. Сравнение говорит о том, что и в первом случае проектировщики угадали с размерами.
Когда пишутся эти строки идёт начальный этап проекта Femern - ведутся работы по созданию производственных сооружений для будущего Фемарнбельтского подводного тоннеля. Каждый элемент будет иметь длину 217 м. В то время, как у элементов Эресуннского тоннеля длина составляла 175,5 м. Если раньше каждый элемент состоял из 8 идентичных сегментов, то сейчас их стало 9. Длина каждого сегмента выросла на 2 с лишним метра. В итоге вес каждого элемента увеличился с 56 тыс. тонн до 73,5 тыс. тонн. Видимо принятая технология позволила увеличить длину элементов и составляющих их сегментов. Тем самым сокращается количество герметичных соединений во всём тоннеле, ускоряется его монтаж.
Стоимость подводного тоннеля при такой технологии включает также рытьё подводной траншеи, и засыпку уложенного тоннеля сверху и по бокам. На окончательную стоимость заметное влияние оказывает технология производства элементов и их сегментов, организация монтажных работ и применение специального оборудования. В России есть кому проектировать подводные тоннели, но для того, чтобы их строить, нужна специализированная компания. Работы могла бы вести государственная компания по образцу Минмотажспецстроя. Только в этом случае можно снизить затраты при сохранении выского качества работ. Специализация позволяет использовать одно и то же оборудование на разных объектах, а государственное планирование помогает использовать в дальнейшем производственные мощности после завершения работ; включая доки.
Обширная сеть больших рек давно нужнается в хозяйственном подходе правительства к такому богатству. Речной транспорт обладает тем огромным преимуществом перед транспортом железнодорожным и автомобильным, что позволяет перевозить габаритные и крупнотоннажные грузы. Страна нуждается в едином хозяйстве, которое включало бы в себя каналы со шлюзами, позволяющие речному транспорту передвигаться если не по всем большим рекам, то по большинству из них. Предельные габариты сухопутного транспорта ограничивают разработчиков машин и оборудования, включая военную технику. Между тем, потребность в их укрупнении растёт. Речной транспорт, при наличии речной сети на всю страну, способен помочь решить немало инженерных задач. Специализированное оборудование для сооружения подводных тоннелей можно было бы неоднократно использовать, доставляя с завершённого объекта на новое место.
Приходится сожалеть о том, что при строительстве перехода в Крым не был использован вариант подводного тоннеля для соединения о. Тузла с Керчью. Там можно было построить 1:1 новый Дрогден.
Заключение
Зарубежный опыт говорит о том, что подводный тоннель всё больше находит своё место при пересечении широких водных пространств автомобильным и железнодорожным транспортом.
Даже в условиях либерального капитализма подобные тоннели имеют преимущества при большой ширине водных преград, больших транспортных потоках, наличии слабых грунтов, больших глубин, в условиях тесной городской застройки. Наличии мощного государства и специализированных государственных организаций выявляют дополнительные преимущества подводного тоннеля.
Стоимость работ по подводному тоннелю можно снизить, разрабатывая специальное оборудование с тем, чтобы можно было использовать на новых объктах. Работы по строительству подводных тоннелей должна всети специализированная компания. Наличие государственной компании позволяет снизить затраты на сооружение при сохранении качества работ. Последнее относится ко всем видам проектов, требующих квалифицированных инженеров и рабочих.
Даже в условиях либерального капитализма подобные тоннели имеют преимущества при большой ширине водных преград, больших транспортных потоках, наличии слабых грунтов, больших глубин, в условиях тесной городской застройки. Наличии мощного государства и специализированных государственных организаций выявляют дополнительные преимущества подводного тоннеля.
Стоимость работ по подводному тоннелю можно снизить, разрабатывая специальное оборудование с тем, чтобы можно было использовать на новых объктах. Работы по строительству подводных тоннелей должна всети специализированная компания. Наличие государственной компании позволяет снизить затраты на сооружение при сохранении качества работ. Последнее относится ко всем видам проектов, требующих квалифицированных инженеров и рабочих.
А. Б. Смирнов
опубликовано18 августа 2021 года
аналитик и искатель истины с дипломом МВТУ им Н.Э. Баумана
Метки: А. Б. Смирнов, подводные тоннели, пробуренные тоннели, грунты с низкой несущей способностью, укладка тоннеля, элемент тоннеля, рампа, конструкция тоннеля, immersed tunnels, Drogden, Femern
© Авторский сайт Алексея Борисовича Смирнова, 2022, novoruss.ru@gmail.com
Исключительные права на материалы, размещённые на интернет-сайте www.novoruss.ru, в соответствии с законодательством Российской Федерации об охране результатов интеллектуальной деятельности принадлежат автору интернет сайта Алексею Смирнову, и не подлежат использованию другими лицами в какой бы то ни было форме без письменного разрешения правообладателя.