Сооружение тоннелей — одна из сложнейших и важнейших задач в современной инфраструктуре, а курсовая работа на эту тему требует от студента не простого пересказа теории, а глубокого инженерного анализа. Это не реферат, а проект, в основе которого лежит обоснованный выбор технологии. Успех такой работы зависит от четкого понимания сильных и слабых сторон ключевых методов проходки и умения их сравнивать. Центральный вопрос, на который должна отвечать качественная курсовая: какой способ — горный, щитовой или один из их вариантов — является оптимальным для заданных инженерно-геологических условий и почему? Эта статья призвана стать вашим путеводителем в мире тоннелестроения, предоставив не только теоретическую базу, но и практическую структуру для вашего исследования.
Фундаментальная классификация как отправная точка анализа
Прежде чем погружаться в детали, необходимо выстроить четкую систему координат. Все многообразие методов сооружения тоннелей принято делить на три основные группы. Их выбор зависит от множества факторов: глубины заложения, геологических условий, особенностей городской застройки и экономической целесообразности.
- Открытые способы: Применяются при неглубоком залегании тоннеля (до 20-25 метров). Суть метода заключается в разработке котлована или траншеи, возведении в нем конструкций тоннеля и последующей обратной засыпке грунтом. Это экономически выгодный, но не всегда возможный вариант, особенно в условиях плотной городской застройки.
- Закрытые (подземные) способы: Используются на больших глубинах или когда необходимо сохранить целостность земной поверхности. Именно эта группа представляет наибольший интерес для курсового проектирования. Ключевыми представителями здесь являются горный и щитовой способы, которые кардинально различаются по своей технологии и области применения.
- Специальные способы: Применяются в особо сложных условиях, например, в сильно обводненных или неустойчивых грунтах. Сюда относятся такие технологии, как искусственное замораживание грунта, кессонный метод или продавливание.
В рамках курсовой работы основной фокус, как правило, делается на двух столпах подземного строительства — горном и щитовом методах, поскольку именно их сравнительный анализ позволяет продемонстрировать глубину понимания инженерной задачи.
Горный способ, или когда сама порода становится частью конструкции
Горный способ — это классический, проверенный временем подход к строительству тоннелей, особенно эффективный в скальных и полускальных породах. Его основная особенность — цикличность процесса, который включает три последовательных этапа: разработка породы, установка временной крепи и возведение постоянной обделки. Традиционные горные методы часто считаются трудоемкими, так как работы ведутся на узком фронте, что ограничивает применение высокопроизводительной техники.
Настоящей революцией в этой области стал Новоавстрийский тоннельный метод (NATM), разработанный в середине XX века. Его ключевая философия заключается в том, чтобы не бороться с горным давлением, а управлять им, превращая окружающий массив породы в несущий элемент конструкции. Это достигается за счет применения податливой крепи сразу после выемки грунта. Основными инструментами NATM являются:
- Набрызг-бетон (торкрет-бетон): Слой бетона, который под давлением наносится на поверхность выработки, создавая тонкую, но прочную оболочку.
- Анкеры: Стержни, которые устанавливаются в пробуренные в породе скважины и скрепляют массив, не давая ему расслаиваться и обрушаться.
Такой подход позволяет крепи деформироваться вместе с породой до момента стабилизации, что значительно снижает нагрузку на постоянную обделку. Гибкость NATM позволяет адаптировать конструкцию крепи в режиме реального времени на основе данных геотехнического мониторинга, что делает его незаменимым в сложных и изменчивых геологических условиях.
Щитовая проходка как инженерный ответ на сложные вызовы
Щитовой способ — это триумф инженерной механизации, созданный для работы в самых неблагоприятных условиях: слабых, неустойчивых и водонасыщенных грунтах. Он незаменим при строительстве метрополитенов и других тоннелей в условиях плотной городской застройки, где недопустимы просадки земной поверхности. Основа метода — тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК), или проходческий щит. Исторически первый такой щит был применен Марком Брюнелем еще в 1825 году при строительстве тоннеля под Темзой.
Современный ТПМК — это настоящий подземный завод, который выполняет весь цикл работ под защитой стальной оболочки:
- Разработка грунта: Осуществляется вращающимся режущим органом (ротором), оснащенным резцами или шарошками.
- Крепление забоя: В слабых грунтах для предотвращения обрушения используется активный пригруз забоя — давление, создаваемое бентонитовым раствором (гидропригруз) или разработанным грунтом (грунтопригруз).
- Продвижение вперед: Комплекс отталкивается от уже смонтированной обделки с помощью мощных гидравлических домкратов.
- Монтаж обделки: Внутри щита, в защищенной зоне, из готовых железобетонных блоков (тюбингов) собирается кольцо постоянной обделки.
Главные преимущества щитовой проходки — это высокая скорость (до 15-20 метров в сутки), безопасность и минимальное воздействие на окружающий массив и здания на поверхности. Однако это и самый дорогостоящий метод, требующий значительных первоначальных вложений в оборудование.
Сравнительный анализ методов, который станет ядром вашей курсовой работы
Обоснование выбора способа сооружения тоннеля — ключевая аналитическая задача курсового проекта. Она требует прямого сопоставления горного и щитового методов по ряду критически важных параметров. Наиболее наглядно это можно представить в виде сравнительной таблицы.
| Критерий | Горный способ (включая NATM) | Щитовой способ (ТПМК) |
|---|---|---|
| Инженерно-геологические условия | Преимущественно скальные и полускальные породы средней и высокой крепости. NATM адаптируется к слабым породам. | Слабые, неустойчивые, обводненные грунты (пески, глины, плывуны). |
| Условия проходки | Глубокое заложение, горная местность. Требует тщательного контроля для минимизации осадок поверхности. | Плотная городская застройка, проходка под реками и зданиями, где требуется минимизировать воздействие на поверхность. |
| Экономика и скорость | Меньшие капитальные затраты на оборудование, но более высокая трудоемкость и, как правило, меньшая скорость проходки. | Высокая стоимость ТПМК и его подготовки, но очень высокая скорость проходки (до 1 км/месяц) и меньшие трудозатраты в процессе. |
| Гибкость и риски | Высокая гибкость (особенно у NATM), возможность оперативно изменять тип крепи при изменении геологии. | Низкая гибкость: щит проектируется под конкретные условия. Поломка ротора или заклинивание щита — серьезные риски. |
| Форма сечения | Практически любая (подковoобразная, сводчатая). | Преимущественно круглая. |
Этот анализ показывает, что не существует «лучшего» метода в вакууме. Выбор всегда является компромиссом, основанным на приоритетах конкретного проекта: геологии, бюджета, сроков и градостроительных ограничений.
Проектирование технологических разделов курсовой работы
После того как выбор метода обоснован, необходимо детально описать технологию его реализации. Структура этой части курсовой работы должна быть логичной и последовательной, отражая реальный производственный процесс. Вот типовая структура, которую можно взять за основу:
- Обоснование выбора способа: Этот раздел является выводом из вашего сравнительного анализа. Здесь вы четко формулируете, почему для заданных условий выбран, например, горный способ с применением NATM или щитовая проходка.
- Технологическая схема сооружения: Здесь приводится общая схема организации работ, включая размещение основного и вспомогательного оборудования в тоннеле и на поверхности.
- Описание технологии и выбор оборудования: Это самый объемный раздел, где пошагово описывается весь цикл работ.
- Для горного способа: описывается порядок разработки (например, по частям — калотта, штросса), технология буровзрывных работ (паспорт БВР), установка временной крепи (расчет анкеров и набрызг-бетона), бетонирование постоянной обделки.
- Для щитового способа: описывается выбор ТПМК, процесс монтажа щита в стартовой камере, технология разработки грунта, монтаж колец обделки, нагнетание раствора за обделку.
- Расчеты основных параметров: В этом разделе приводятся ключевые инженерные расчеты. Для горного способа это может быть расчет параметров временной крепи (паспорт крепи), для щитового — расчет производительности щита.
- Вспомогательные процессы: Нельзя забывать о системах жизнеобеспечения строительства. Сюда входит описание вентиляции, водоотведения, электроснабжения и транспортировки породы и материалов.
Такая структура позволяет системно и полно раскрыть тему, продемонстрировав не только знание теории, но и понимание практической стороны строительства.
Практический пример, который оживит вашу теоретическую часть
Чтобы теоретические выкладки не выглядели сухими, полезно включить в работу практический пример расчета. Возьмем один из ключевых показателей для щитового способа — расчет эксплуатационной скорости проходки. Это позволит оценить общие сроки строительства.
Задача: Рассчитать ожидаемую месячную скорость проходки ТПМК, если известны следующие данные:
- Средняя техническая скорость проходки: 18 метров в сутки.
- Количество рабочих дней в месяце: 25.
- Коэффициент использования машины во времени (учитывает плановые остановки, обслуживание, пересменки): k = 0.85.
Логика расчета:
- Сначала определяем теоретически возможную проходку за месяц без учета остановок:
Vтеор = 18 м/сутки * 25 суток = 450 м/месяц - Затем вводим поправочный коэффициент, чтобы получить более реалистичную, эксплуатационную скорость:
Vэкспл = Vтеор * k = 450 м/месяц * 0.85 = 382.5 м/месяц
Интерпретация результата: Ожидаемая скорость строительства перегонного тоннеля составит примерно 382.5 метра в месяц. Этот, казалось бы, простой расчет является основой для составления графика производства работ и экономического планирования всего проекта. Подобный пример в курсовой работе наглядно демонстрирует вашу способность применять теоретические знания на практике.
В заключение необходимо подчеркнуть, что выбор и обоснование метода сооружения тоннеля — это комплексная инженерная задача, которая лежит в основе успешного проекта. Горный способ с его гибкостью и относительно низкими стартовыми затратами идеален для скальных пород, в то время как высокопроизводительный, но дорогой щитовой метод незаменим в сложных грунтах и условиях мегаполиса. Главный вывод, который должен сделать студент при работе над курсовым проектом, заключается в следующем: качественная работа — это не компиляция разрозненных фактов, а демонстрация логики инженерного мышления. Она проявляется в способности анализировать исходные данные, сравнивать альтернативные технологии по значимым критериям и делать аргументированный, технически и экономически обоснованный выбор.
Список использованной литературы
- СП 122.13330.2012 Тонели железнодорожные и автодорожные
- Проектирование тоннелей сооружаемых горным способом. Методические указания по курсовому проектированию для студентов факультета «Мосты и тоннели» / Сост. А.К. Поправко, Б.Е. Славин, Ю.Н. Третьяков, Г.Н.
- Технология строительства метрополитенов. Учебное пособие для студентов факультета «Мосты и тоннели» / Под ред. В.А. Главатских. Часть 4. Новосибирск, 2006. 20 с.
- Производство работ при строительстве тоннелей, сооружаемых горным способом. Методические указания по курсовому проектированию для студентов факультета «Мосты и тоннели» / Сост. А.К. Поправко, Б.Е. Славин, Ю.Н. Третьяков, Г.Н. Полянкин, Ю.Н. Савельев. Часть 2. Новосибирск, 1999. 26 с.
- Тоннели и метрополитены / Под ред. В.Г. Храпова. М., 1989. 383 с.
- Шахтное и подземное строительство: Учеб. для вузов – 2 –е изд, перераб. И доп.: В 2 т. / Б.А. Картозия и др. – М.:Изд-во Академии горных наук, 2001. – Т.1. – 607 с.
- ЕНиР Сборник Е36. Выпуск 2. «Строительство метрополитенов, тоннелей и подземных сооружений специального назначения.» М., 1990. 71с.
- ПБ 03-428-02. Правила Безопасности при строительстве подземных сооружений. Спб., 2002. 130 с.
- СТО СГУПС 01.01С.02-2015. Выпускная квалификационная работа. Курсовой проект. Требования к оформлению. Новосибирск. Издательство СГУПС, 2015.