Посвящается подвигу советских строителей 7 -ой отдельной ордена Трудового красного знамени железнодорожной бригаде, построившим 1938-1941 г железнодорожный тоннель под руслом реки Амуром протяжённостью 7198 метров, единственное подводное сооружение на железных дорогах России.
Это четвертая статья о сухопутном пути на остров Сахалин.
Статья №1.
Статья №2
Статья №3
В этих статьях мы обсудили варианты строительства сухопутной переправы на остров Сахалин попавшие, в разное время, в сферу внимания проектировщиков "Гипростроймост" и "Ленметрогипротранс" при разработке инвестиционных обоснований. Осталось рассмотреть единственный вариант переправы не пришедший в голову инженерам сооружений транспорта уважаемых проектных заведений. Причем этот вариант широко используется отечественными строителями при прокладке инженерных коммуникаций через естественные и искусственные преграды, в том числе через пролив Невельского их проложено в разные годы несколько штук. Под дну морей проливов их проложено многие тысячи километров, накоплен огромный опыт их строительства, эксплуатации, аварий и ремонта. Речь идет о магистральных трубопроводах и дюкерах для них.
Большая часть дюкеров и магистральных трубопроводов протаскивается, задавливается или кладется с судна на дно водного препятствия в подготовленную траншею или свободно. Также, последнее время, дюкеры сооружаются щитовой проходкой.
Единственное принципиальное отличие дюкера от погружного или щитового тоннеля это его неразрывность. Дюкер это сплошная, без деформационных швов конструкция, постоянной по длине жесткости, т.е. однородная. В погружном тоннеле имеются швы между секциями, также в щитовом тоннеле есть швы между сборными элементами обделки - тюбингами. В этом есть большое преимущество дюкеров, это их принципиальная герметичность и жесткость, но есть в этом и недостаток, в силу близости к воде преодолеваемого препятствия дюкер подвержен температурным сезонным деформациям и испытывает воздействия от сил трения сопротивляющимся этим деформациям, соответственно мугут произойти неприятные явления. При сжатии, это "выброс" потеря устойчивости при удлинении от нагрева дюкера, всплытие или разрыв при его укорачивании от охлаждения.
Какими преимуществами для строительства и эксплуатации обладает тоннель в виде сплошной неразрывной транспортной трубы (дюкера) большого диаметра проложенной по дну пролива Невельского:
- Устойчивость к деформациям морского дна при сейсмических воздействиях.
- Герметичность.
- Освоенность технологии и большой опыт прокладки магистральных трубопроводов и дюкеров по морскому дну.
- Производство механизмов и оснастки для работ по прокладке на территории России.
- Использование местных материальных и трудовых ресурсов для строительства без привлечения иностранных специалистов и материалов.
Несмотря на значительное сечение и показатели жесткости, вопрос обеспечения устойчивости транспортного дюкера весьма важен. Архимедова сила действующая вверх очень значительна, для такого сечения - 144,34 т/м, а собственный вес конструкции тоннеля с заполнением внутренними конструкциями и балластом составляет 150 т/м, поэтому устойчивость тоннеля в монтажном положении, когда тоннель не засыпан грунтом, требует особого внимания. Вопрос определения устойчивого состояния подводного трубопровода на настоящее время успешно решен. Присутствует как в нормативной так и в специальной литературе. Нормативной литературой рекомендуется продольное усилие ограничить критическим продольным усилием, исходя из условия общей устойчивости трубопровода в продольном направлении. Формула критического продольного усилия при упруго изогнутой оси выглядит так.
Исходя из формулы видно, что критическая сила тем больше, чем больше погонная нагрузка. Для нашего тоннеля, это и есть разница между архимедовой силой и собственным весом в монтажном положении. Собственный вес тоннеля (от которого прямо зависит сила трения) противодействует усилию протягивания тоннеля по дну. Необходимо оценить насколько такая операция вообще возможна для такой тяжелой и габаритной конструкции в принципе.
Тоннель в монтажном положении лежит на дне траншеи свободно, сила натяжения при протаскивании по дну снята, посчитаем критическую силу сжатия от трения по дну при температурных деформациях, примем, что потеря устойчивости произойдет в горизонтальной плоскости т.к. сила удерживающая от потери устойчивости меньше в горизонтальном направлении (сила трения бетона по песчаному дну при коэффициенте=0,45), чем в вертикальном (сила тяжести), моменты инерции вертикальной и горизонтальной осях одинаковы. При E=3,31*10^6 т/м2 для бетона В30, I=809.23 м4, q=0.5 т/м, f=35 м, Nкр вертик=12371т, Nкр гориз=5572т. Сила трения при коэффициенте трения по песчаному дну бетона 0,45 и длине туннеля 10000 м (по "южному" створу м. Уанги - м. Муравьева информацию по створам перехода есть в карте к статье №1) и компенсированном весе туннеля в воде 0,5 т/м составляет 1125 тонн, что меньше критической силы в 5 раз. Максимальное усилие при протаскивании туннеля по траншее, с компенсированным весом в воде 0,5 т/м, составит 2250 тонн. Что собственно под силу четырем отечественным лебедкам типа ЛП152 при помощи кратного полиспаста способных развивать усилие до 800 тонн.
Необходимо определить максимальное усилие от температурных деформаций при полной обваловке тоннеля. Для определения эквивалентной силы от температурных деформаций примем разницу температур при обваловке тоннеля и эксплуатации ДT=5 градусов, коэффициент температурного расширения а=0,000012, площадь сечения тоннеля F=144.34м2. Внутреннее эквивалентное усилие от температурных деформаций S=E*ДT*a*F=28665 т. Оценим также напряжения сжатия в бетоне от принятых температурных деформаций 199 т/м2, или 19,9 кг/см2, что сильно ниже средней прочности на сжатие бетона для класса В30 - 392 кг/см2. Можно пересчитать критическую силу по вышеприведенной формуле для обвалованного тоннеля. Примем q=100 т/м (компенсированный вес тоннеля и его обваловки), тогда критическая сила Nкр=175 000 тонн, что соответствует температурному перепаду в 30 градусов.
В соответствии с общими оценочными расчетами приведенными выше, можно сделать следующий вывод, что строительство конструкций транспортного тоннеля по типу трубопроводного дюкера в виде неразрывной (без швов) сталежелезобетонной трубы возможно, внутренние усилия возникающие от температурных деформаций не превышают несущей способности с большим запасом, устойчивость формы в условиях монтажа и эксплуатации обеспечена значительной жесткостью сечения и параметрами упругого прогиба перехода под проливом, так же с большим запасом. Возможно протаскивание такого тоннеля в траншее по дну пролива с берега стандартными механизмами отечественного производства.
В следующей статье рассмотрим вопросы сейсмической устойчивости такого непрерывного тоннеля.