Оценка целесообразности устройства тоннельного пересечения

В условиях современной конъюнктуры большое внимание в России уделяют проектированию и стро­ительству новых грузообразующих железнодорожных линий, обеспечивающих транспортные связи между месторождениями полезных ископаемых и пунктами их потребления. Это находит свое отражение в Стра­тегии развития железнодорожного транспорта в Рос­сийской Федерации до 2030 г., утвержденной распо­ряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-р.
К особенностям строительства этих дорог следует отнести сложные природные и климатические усло­вия, в том числе рельеф местности.
При пересечении горных хребтов и высоких водо­разделов на стадии выбора направления трассы вы­полняют ориентировочный анализ конкурентных проектных вариантов. К ним следует отнести глубо­кую перевальную выемку и тоннель. Возможно также использование кратной тяги в районе перевала.
Решение этой задачи связано с оценкой стоимости устройства выемки или тоннеля при различных ха­рактеристиках места пересечения (отметки, крутизна склонов). При этом вариант использования кратной тяги сопряжен с необходимостью обеспечения участ­ков подталкивания, что ведет к потенциально бросо­вым мероприятиям по их устройству. Таким образом действительно конкурентными остаются варианты строительства глубокой перевальной выемки или тоннеля.
В статье рассматриваются сопоставление вариан­тов пересечения гоцного перевала, разработка реко­мендаций по оценке этих решений на прелпроектной стадии, а также методика расчета, которая помогала бы в короткие сроки определить эффективность того или иного варианта.
В качестве исходного примера земной поверхности использовано утрированное конусообразное очерта­ние рельефа с различной крутизной склонов. Расчеты велись для заложений склона 1:0,1; 1:0,25; 1:0,5; 1:1; 1:2; 1:5; 1:10.
Для каждого варианта строился профиль, на осно­ве которого определялись объемы работ по устрой­ству выемки. Отметки варьировались в зависимости от глубины прохождения седловины (перевала) в са­мом глубоком месте. К расчету принимался массив, ограниченный проектной линией профиля снизу и земной поверхностью — сверху.
Таким образом в данном случае не учитывалась поперечная косо- горность.
Типовой пример продольного профиля одного из вариантов при­веден на рис. 1.
де Fii, Fcp, Fi+1 — площади попе­речных профилей земляного полотна по концам и в середине эле­ментарного массива;

 

 

Объемы определялись для эле­ментарного массива, расположен­ного между смежными сечениями. Расчет элементарного объема мас­сива qij+l, ограниченного сечения­ми i и i+1, выполнен по кубатурной формуле Симпсона:
Ц.1+1 — длина элементарного массива, ограниченного сечениями i и i+1.
Определение площади в середи­не массива выполнялось по вели чине средней рабочей отметки, равной h р = (h, + h н)/2.
Принятый к расчету вид попе­речного профиля приведен на рис. 2.
Участок разделен на элементар­ные массивы с учетом всех перело­мов проектной линии, земли и ну­левых мест. Расчеты произведены с использованием электронных та­блиц Microsoft Excel.
Помимо земляных работ по сооружению земляно­го полотна, при определении строительной стоимо­сти учтены следующие виды операций: транспортировка грунта до карьера; сооружение, ремонт и содержание грунтовых подъездных дорог;
планировка и укрепление откосов; сборка, транспортировка и укладка рельсошпаль- ной решетки;
балластировка пути; выправка и стабилизация пути; устройство водоотводных сооружений (лотков, кюветов).
Кроме этого, выполнен расчет стоимости обору до вания, изделий и материалов.
Стоимость устройства выемки определена с помо­щью локальной сметы. Были подобраны расценки, и в каждую статью подставлялись объемы работ. К ос­новным разделам относятся следующие, устройство выемки, верхнего строения пути (ВСП) и водоотво дов.
В раздел «Устройство выемки» входят расценки на разработку грунта, транспортировку и работу на ка рьере, планировку откосов и основной площадки земляного полотна, укрепление откосов, временные дороги.
К разделу «Устройство ВСП» относятся сборка, транспортировка, укладка редьсошпальной решетки, балластировка, выправка пути, а также расценки на материалы.
Раздел «Устройство водоотвода» включает матери­алы и укладку лотков.
Все расчеты велись в базисных ценах 2000 г., а также в перерасчете на IV квартал 2012 г. Конечные стоимости вариантов устройства выемок соответ­ствуют текущим ценам с учетом коэффициентов пересчета.
Для каждого варианта определены объемы работ и затраты по каждому наименованию.
При разработке варианта тоннеля приняты следу­ющие допущения:
строительство ведется закрытым способом с ис­пользованием тоннелепроходческого механизирован­ного комплекса;
отделка ствола проводится тюбинговыми кольца­ми;
объем вытесняемого грунта, при разработке тон- нелепроходческим комплексом, равен произведению площади сечения (рассчитанного по Формуле пло­щади окружности лЯ2) на предполагаемую длину тоннеля;
устройство порталов не зависит от длины тоннеля и в каждом варианте одинаково.
Так же, как в случае с выемкой, для тоннеля была составлена локальная смета, в которой по разделам сформированы расценки на каждый вид рабо
В раздел «Тоннель» включены разработка грунта, устройство порталов и ствола тоннеля из тюбинговых колец, а также материалы.
Раздел «ВСП» содержит сборку, транспортировку и устройство редьсошпальной решетки, выправку, от­делку и затраты на материалы.

 

В результате удалось получить достаточно досто­верную информацию о соотношении стоимости стро­ительства выемки и тоннеля.
 

 

 

По результатам расчетов построена диаграмма за­висимости стоимости устройства выемки или тоннеля от максимальной глубины. Таким образом выявлена точка, определяющая высоту пересечения, при кото­рой выемка становится дороже тоннеля по строитель­ным затратам. Как видно из рис 3, оптимальной от­меткой пересечения является ордината МО м.

На рис. 4 показано изменение величины ординаты в зависимости от уклона рельефа. Как видно из гра­фика, высота пересечения не претерпела значитель­ных изменений при разных коэффициентах уклона поверхности. Это можно объяснить тем, что измене­ние глубины и длины выемки пропорционально из­менению длины тоннеля. Подтверждением также служит предположение, что в каждом случае должно быть соответствующее соотношение определяющих стоимость величин — объемов выемки и длины тон неля. Действительно, в каждом варианте это соотно шение равно шести. Таким образом, высота пересече­ния для разных коэффициентов будет одинаковой. 
 
При заданных исходных данных высота, при кото­рой строительная стоимость выемки становится боль­ше тоньеля, равна 110 м, а коэффициент зависимости объема выемки от длины тоннеля равен шести.
С помощью тех же методов была рассчитана опти­мальная отметка устройства портала тоннеля.
В этом случае расчет велся с учетом стоимости только портала для тоннеля Кпт и для всех компонен­тов выемки Кв.
При этом применены два подхода:
исходя из средней стоимости за 1 м3 выемки кв и портала тоннеля кпт;
исходя из полной стоимости выемки Кв и портала тоннеля Кпт .

где VB — объем разработки выемки, м3
Средняя стоимость 1 м3 выемки рассчитывалась по формуле,где 1 объем разработки под устройство порта­ла тоннеля, м3.
В обоих вариантах, при сравнении величин к„/кпт и Квпт, результат оказался идентичным. Отметка, при которой необходимо начинать устройство порта­ла, составляет 20 м.
Стоит отметить, что при других исходных данных (а именно, конструкции выемки и тоннеля) климати­ческие, геологические и топографические условия, как и результаты расчетов, скорее всего, будут раз­ниться. Поэтому было принято решение о целесоо­бразности разработки универсального метода расчета задачи «выемка/тоннель» для каждого отдельного случая.
Преимуществами данного метода должны стать быстрота, надежность и достоверность полученных данных, доступность широкому кр>гу пользователей. Согласно этим параметрам был получен метод, суть которою заключается в унификации и систематиза­ции подсчетов с помощью программы Excel. Доста точно подставить исходные данные, и программа укрупненно представит результат в виде таблицы. За исходные данные для выемки принимаются объемы работ, длина и высота, для тоннеля — длина ствола.
С помощью программы AutoCAD Civil 3D расчет одного конкретного случая, при имеющихся цифро­вой модели рельефа (UMP), трассе и профиле, зани­мает приблизительно 15—20 мин.
 
Антонцев В. ОАО «Российские железные дороги», главный специалист Департамента капитального строительства