ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ ТУННЕЛИ

Гидротехнические туннели представляют собой водоводы, устраиваемые в земной коре без удаления вышележащей массы грунта. Чаще всего туннели как водопроводящие сооружения устраивают в горных условиях, где трасса водовода встречает на своем пути возвышенности, которые нужно пройти туннелем, так как обход по косогору бывает менее приемлем и по техническим и по экономическим соображениям, а прорезь глубокой выемкой практически исключается вследствие больших высот пересекаемого препятствия. Однако туннельные работы в гидротехнике применяют не только в горных условиях, но и при пересечении водоразделов на равнинах (Доно-Сальский водораздел при трассировании Донского магистрального канала), а также в некоторых других случаях (р. Неглинка в г. Москве и др.).

К устройству туннеля прибегают в следующих случаях:

1) ось водовода (трассируемого канала) лежит так глубоко под дневной поверхностью, что открытая выемка или обход данного места оказывается значительно дороже туннеля;

2) трасса водовода идет по крутому склону, где наблюдаются оползни, осыпи, лавины, камнепады и другие явления, затрудняющие условия возведения и эксплуатации канала;

3) трасса водовода проходит по густо застроенной населенной местности (по аналогии с метрополитеном).

В гидравлическом отношении туннели работают как напорные или безнапорные трубы.

По водохозяйственному назначению гидротехнические туннели делятся на:

• ирригационные и обводнительные, например туннели на Невинно-мысском канале, на магистральном канале Мало-Кабардинской оросительной системы, на Донском магистральном канале и др.;
• гидроэнергетические, устраиваемые на деривационных каналах гидроэлектростанций (например, на Рионской ГЭС в Грузии, Гизель-донской ГЭС на Кавказе, НиваГЭС в Карельской АССР и др.);
• водопроводные и канализационные, встречающиеся, как правило, в крупных населенных пунктах;
• судоходные и лесосплавные, применяемые на реках и крупных каналах. По одному из многих проектных вариантов Волго-Донского соединения судоходный канал между Волгой и Доном был запроектирован в форме туннеля.

В зависимости от положения оси и характера туннельной выработки существуют различные наименования туннелей:

• туннели, когда оси их горизонтальны или слегка наклонны;
• штольни, если выработка сравнительно невелика в поперечном сечении или имеет вспомогательное назначение;
• штреки — короткие туннельные выработки служебного назначения;
• шахты, когда их оси вертикальны или круто наклонены.

В естественном состоянии на некоторой глубине от дневной поверхности грунт находится в напряженном состоянии вследствие того, что вышележащие породы своей тяжестью давят на нижние слои. При проведении туннельных работ существующее равновесное состояние нарушается.

При выработках на некоторой глубине, если грунт недостаточно прочен, происходит обрушение части его и в первую очередь со стороны кровли. Устраивая облицовку произведенной выработки, нужно рассчитать ее так, чтобы она воспринимала горное давление, проявляющееся со стороны окружающего ее грунта.

Величина горного давления зависит от многих факторов: геологических и гидрогеологических условий в районе предстоящих работ; физико-механических свойств пород; формы и размеров поперечного сечения выработки; расположения трассы в продольном отношении (горизонтальная, наклонная, вертикальная); времени между произведенной выработкой и устройством облицовки и др.

Существуют многие теории и гипотезы, на основании которых авторы их предлагают соответственно и методы инженерного расчета туннелей.

Наиболее проста теория горного давления, трактующая его величины по аналогии с гидростатическим давлением: чем глубже заложена выработка, тем больше давление (как в воде). Но это было бы близко к истине для легкоподвижных грунтов плывунного типа и очень далеко от действительности для более или менее крепких или связных пород.

Некоторые авторы рекомендуют определять величину горного давления с помощью теории сыпучих тел.

Есть сторонники предположения о том, что породы обладают свойствами упругости, являются изотропными. Они предполагают определять величину горного давления на основе теории упругости. В каждой из этих предпосылок имеется разумное зерно, и для определенной категории грунтов и пород та или иная из них приведет к более или менее приемлемым результатам, но ни одна из них не может быть универсальной.

Заслуживают внимания современные методы, основанные на наблюдениях в натуре и констатирующие образование над выработками естественного свода различного очертания и различной величины. Наиболее удачным и правильным оказался метод проф. М. М. Протодьяконова, предложенный и разработанный им в стройную и легко применимую в практических условиях теорию.

Теория М. М. Протодьяконова предусматривает возможность применения к горным породам законов теории сыпучих тел с введением вместо настоящего коэффициента трения так называемого кажущегося коэффициента трения, учитывающего, кроме сил трения, также и силы сцепления между отдельными частицами. Этот коэффициент назван М. М. Протодьяконовым коэффициентом крепости пород. Он изменяется в широких пределах — от 0,3—0,6 для плывунов, песка, супеси, растительного грунта и торфа до 20 и выше для крепких горных пород — базальтов, порфиритов и др. Таким образом, охватываются все категории грунтов, практически встречающиеся при туннельных работах как в горных, так и в равнинных условиях.

М. М. Протодьяконов рассматривает две основные схемы горного давления: 1) для крепких пород, когда бокового давления практически нет или оно весьма мало, и 2) для мягких пород, когда наряду с вертикальным давлением наблюдается еще и боковое.

Приняв условие равновесия для элемента свода, находящегося под действием сжимающих сил, проф. М. М. Протодьяконов получил уравнение параболы для очертания свода с параметрами, которые необходимы для расчета и величина которых определяется при двойном запасе устойчивости свода.

Важным фактором при определении формы поперечного профиля является гидравлическая схема работы туннеля.

Как правило, для напорных туннелей выбирают круглое сечение, - так как при внутреннем давлении эта форма наиболее рациональна. Она же допускает и производство работ щитовым способом. Круглое сечение принимают и для безнапорных туннелей в тех случаях, когда колебание уровней воды в туннеле в период эксплуатации невелико и для устройства туннеля выбран щитовой способ, как наиболее современный и экономичный. Но иногда для безнапорных туннелей при сравнительно большом диапазоне колебаний уровней воды более удобно и выгодно сечение, несколько вытянутое по высоте — яйцеобразное при округлых внутренних очертаниях и прямоугольное при вертикальных боковых стенках.

Инженерно-геологические условия также могут определять выбор поперечного сечения туннеля, а нередко диктуют тип сечения независимо от гидравлических соображений.

Например, существуют специальные типы поперечного профиля гидротехнических туннелей в зависимости от наличия бокового горного давления: коробовое при большом боковом давлении и корытообразное при малом боковом давлении или при полном его отсутствии.

Проектирование и строительство гидротехнических туннелей — одна из сложных задач гидротехники, поэтому при необходимости нужно обращаться к специальным руководствам, где подробно изложены методы расчета, а также описаны способы производства работ по устройству туннелей.

Гидравлический расчет туннелей весьма прост и заключается в определении максимальной пропускной способности этих сооружений, а также в проверке их при малых расходах на предотвращение возможности отложения в туннеле взвешенных в воде частиц грунта.

Гидротехнические туннели рассчитывают, как обыкновенные трубы, если они работают сплошь заполненным сечением, и как каналы, если они безнапорные, то есть по всей длине туннеля имеется своббдная поверхность и уровень воды не поднимается выше 0,85 диаметра или вертикального размера.

Скорость воды в напорных туннелях принимают примерно от 1,5 до 4 м/сек.

Безнапорные туннели рассчитывают по формулам равномерного движения для открытых каналов, так как уровень воды в них на 15% вертикального размера не достигает верха поперечного сечения туннеля.

Для устройства гидротехнических туннелей оросительных систем, где чаще всего они возводятся в средних и слабых породах, обычно применяют щитовой спороб проходки, зарекомендовавший себя на работах по прокладке путей для метрополитена.

Вход в туннель и выход из него, сопряжения туннеля с подводящим и отводящим каналами выполняют с помощью входного и выходного оголовков, называемых порталами.

Конструкция портала состоит из подпорной стенки, поддерживающей лобовую часть горного откоса, и раскрылков (тоже подпорных стенок), ограждающих входную часть (называемую также врезкой) с боков.

В пределах входного портала или в начале туннеля устанавливают затворы или просто предусматриваются пазы для шандор, предназначенных для отключения туннеля на время ремонта или осмотра. В тех же случаях, когда в голове туннеля необходимо регулировать подачу воды на нижележащие участки, на входном портале устанавливают затворы и устраивают пазы для шандорных заграждений.

Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К., Гидротехнические сооружения, М., Колос, 1968