692

УДК 656.342(075.8) Г52

Г л а в а т с к и х В.А. Технология строительства метрополитенов. Ч. 4. Строительство шахтных стволов и эскалаторных тоннелей: Учеб. пособие. — Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006.

—215 с.

ISBN 5-93461-194-1

Приведены общие сведения об устройствах для межуровневого перемещения пассажиров на станциях метрополитенов; существующие и перспективные технологии строительства шахтных стволов и эскалаторных тоннелей.

Предназначено для студентов факультета «Мосты и тоннели», обучающихся по специальностям «Транспортные тоннели и метрополитены» и «Городские транспортные сооружения».

Рассмотрено и рекомендовано к печати на заседании кафедры «Тоннели и метрополитены».

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р канд. техн. наук, доц. Г.Н. Полянкин

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Тоннели и метрополитены» МГУПСа (МИИТа) (д-р техн. наук, действительный член РАТ Е.А. Демешко)

генеральный директор ЗАО «Новосибметропроект» А.П. Мельник

© Сибирский государственный университет путей сообщения, 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

На IV и V курсах студенты-тоннельщики изучают дисциплины: «Технология строительства метрополитенов» и «Организация, планирование и управление в мосто- и тоннелестроении», включающие вопросы строительства вертикальных шахтных стволов и наклонных эскалаторных тоннелей. Однако в существующей учебно-методической литературе эти вопросы освещены недостаточно полно, с изжившими себя технологиями. Учитывая это, автор настоящего пособия попытался устранить названные недостатки, рассмотреть отечественный и зарубежный передовой опыт и технологии строительства вертикальных и наклонных выработок в различных инженерногеологических условиях.

Структура и содержание пособия тесно увязаны с программами изучаемых дисциплин и составлены с использованием и на основе учебно-методической [8, 9, 14, 17, 18, 42–44, 46, 47, 49], специальной [1, 2, 10–13, 15, 16, 26, 27, 45, 48, 50] и справочной [19, 20, 25, 38, 40, 41] литературы; материалов научных, проектных и метростроительных организаций, а также публикаций отечественных и зарубежных авторов в специальных и периодических изданиях, в том числе журналах «Метро и тоннели», «Метро-инвест», «Подземное пространство мира», «Транспортное строительство», «Шахтное строительство» и др. Материал учебного пособия соответствует положениям действующих норм и правил по проектированию и строительству метрополитенов СНиП 32-02-2003 [34], СП 32-105-2004 [37], других утвержденных или согласованных Госстроем России нормативных документов [3–7, 28–36], а также правил, пособий и рекомендаций [21–24, 28, 39].

За ценные и полезные предложения по улучшению качества пособия автор выражает глубокую благодарность профессору кафедры «Тоннели и метрополитены» МИИТа Е.А. Демешко и генеральному директору ЗАО «Новосибметропроект» А.П. Мельнику.

ст. «Охотный ряд», созданного практически без участия зарубежных фирм на Ленинградском заводе «Красный Октябрь» (ныне ЗАО «ЛАТРЭС»).

Несмотря на отсутствие опыта, документации и помощи извне, на заводе были созданы эскалаторы, не только не уступающие по эксплуатационным характеристикам иностранным аналогам, но и превосходящие их. За прошедшие годы петербургские эскалаторостроители выпустили более 2 тыс. эскалаторов для метрополитенов России и других стран. По многим показателям (например по высоте подъема) пассажирские машины этого завода до сих пор не имеют аналогов в мире [Метро. 1992. № 3. С. 49–50].

По мере совершенствования конструкции и технологии производства появилась возможность выпускать эскалаторы значительной протяженности, способные действовать уже не только на станциях метро и в крупных общественных зданиях, но и в качестве самостоятельного средства городского транспорта для районов с холмистым рельефом.

Для размещения ферм, балюстрад и ступеней эскалаторов служит наклонный эскалаторный тоннель, располагаемый под углом 30° к горизонту с целью возможности использования эскалаторов как лестниц.

Верхняя часть наклонного эскалаторного тоннеля соединяется с машинным помещением через верхний оголовок, обделку которого выполняют из бетона с

внешней гидроизоляцией и сооружают в открытом котловане.

Москвичи помнят гигантский остекленный эскалаторный коридор, связавший в 1958 г. Воробьевское шоссе с открытой тогда ст. «Ленинские горы». В 1972 г. наземный эскалатор аналогичного типа был сооружен вдоль знаменитой Потемкинской лестницы в Одессе, где он пришел на смену сильно перегруженному фуникулеру. Заменить фуникулер эскалатором предполагалось и в Киеве на станции метро «Почтовая площадь», но эта идея не была реализована.

Для развития отечественного эскалаторостроения большую роль сыграла подготовка к возведению в 30–40 гг. Дворца Советов в столице; намечалось оснастить его всевозможными видами вертикального транспорта. Эскалаторам в этой замысловатой системе отводилась одна из важнейших функций — одновременная доставка до 7 тыс. человек в час в большой зал, рассчитанный на 21 тыс. мест. Сто тридцать движущихся лент различной протяженности должны были получить нарядное обрамление из белой гофрированной бронзы. В интересах безопасности пассажиров впервые предусматривались светильники у подножия балюстрад в местах вступления на полотно. Как известно, они лишь недавно появились на серийных отечественных эскалаторах, да и то на практике в большинстве мест не функционируют.

В соответствии со СНиП 32-02-2003 [34] и СП 32-105-2004 [37] эскалаторы на станциях и в коридорах между станциями следует предусматривать при высоте подъема начиная с 3,5 м. Количество эскалаторных лент определяют расчетом, исходя из следующих условий: пропуска максимального расчетного потока пассажиров в режиме их эвакуации в экстремальных условиях; вывода одного эскалатора в ремонт; остановки одного эскалатора по непредвиденным причинам. При сооружении станции с одним вестибюлем в наклонном ходе следует предусматривать 4 эскалатора, с двумя вестибюлями — в первом устанавливать 4 эскалатора, во втором — по расчету, но не менее 3. При применении эскалаторов только для подъема, число их должно быть не менее двух в наклоне.

Машинное помещение эскалаторов предназначено для размещения электроприводов с редукторами, приводных устройств, щита управления и вспомогательных устройств. Оно входит в состав наземного, промежуточного и подземного вестибюлей и является их нижним этажом.

Для размещения натяжных устройств эскалаторов служит натяжная камера. Ее располагают в нижней части тоннеля эллипсовидной формы.

Нижний оголовок наклонного эскалаторного тоннеля (веерная часть) или элемент примыкания к натяжной камере, ранее выполнявшийся из чугунных веерных и раструбных колец, в настоящее время имеет обделку из монолитного бетона с изоляцией (при необходимости) из металлических листов.

Общие тенденции развития транспортных узлов в стране и за рубежом обуславливают сближение и взаимообогащение меха-низации существующих систем перевозки. Так, на зарубежных метрополитенах вместо группы эскалаторов, последовательно соединяющих несколько уровней, стали сооружать характерные для отечественных подземных транспортных сооружений установки большой высоты, которые связывают непосред-ственно верхний и нижний уровни. К настоящему времени освоено около 40 типов и модификаций эскалаторов. Уни-версализация конструкций нашла свое отражение в переходе от изготовления принципиально различных тоннельных и поэ-тажных эскалаторов к однотипным по устройству — с 1978 г. выпускаются только эскалаторы типа ЭТ тяжелого и легкого режимов [38, табл. 15.1]. Эти эскалаторы легче предыдущих в 1,5 раза; для них требуются меньшие диаметр наклонного тоннеля и размеры машинного зала; взамен крупного волокнистого настила ступеней применен мелкий алюминиевый. Начат переход к изготовлению так называемых модульных эскалаторов с промежуточными приводами, рассредоточенными по трассе. У мо-дульных эскалаторов значительные преимущества в энерго- и металлоемкости, надежности и стоимости.

Ширина современного эскалатора не превышает 1,5 м. Ма-шинные залы в установках не предусматриваются. Сокращение ширины достигнуто за счет ликвидации проходов для об-служивания, находящихся под балюстрадами между смежными эскалаторами. Переход от обслуживания «снизу» (из проходов и машинного зала) к обслуживанию «сверху» (с полотна) стал возможен за счет введения на всех машинах легкосъемных ступеней. Время их снятия не превышает 20 с, сами балюстрады легко разбираются. Принцип агрегатного изготовления обеспечи-вает быструю замену отказавшего узла или механизма и исключает ремонт на объекте. Эта система обеспечивает ремонто-пригодность в условиях перехода к централизованному обслу-живанию от обслуживания постоянно закрепленными бригадами.

Наклонные эскалаторные тоннели имеют специальную чу-гунную или железобетонную обделку, рассчитанную не только по отдельным кольцам, но и в целом как балку трубчатого сечения, пересекающую различные напластования грунтов и защемленную нижним концом в более плотные грунты.

Наибольшее распространение на метрополитенах мира полу-чили тоннели для трех эскалаторов. В Советском Союзе для этих целей до 1970 г. применялись чугунные обделки наружным диаметром до 8,5 м, внутренним — 7,9 м, шириной колец

— 0,75 м. В настоящее время применяют эллипсовидную обделку с наружным диаметром 7,5 м, внутренним — 7,0 м и шириной кольца 1 м (рис. 1.1).

Для четырехленточных эскалаторных тоннелей применяют чугунную обделку кругового очертания диаметром по наруж-ному контуру 9,5 м (вместо прежнего 11,5 м) и внутренним диаметром 8,8 м (вместо 10,6 м).

Конструкция эскалаторов нового типа позволяет устанав-ливать их в наклонных тоннелях кругового или прямоугольного очертания с межосевым расстоянием 2080 мм, продиктованного минимально допустимой шириной проходов между ними и минимальным расстоянием от крайнего эскалатора до стены сооружения.

Длина эскалаторного тоннеля при нормативном угле наклона 30° составляет (рис. 1.2,

а):

Вдоль оси эскалаторного тоннеля длина зоны сдвижения толщи пород до поверхности (угол сдвижения 45°) равна:

Для обслуживания одним эскалаторным тоннелем подземного сооружения на глубине 60 м от поверхности необходимо выполнить большой объем горных работ (табл. 1.1).

Таблица 1.1

При других схемах вскрытия (рис. 1.2, б, в, г) протяженность выработок существенно сокращается.

Рис. 1.2. Вертикальная схема компоновки подземного сооружения с эскалаторными и лифтовыми подъемами

Объемы основных работ при сооружении эскалаторных тоннелей

Подземные сооружения, согласно общепринятым подходам, в целях безопасности людей должны иметь два независимых выхода на поверхность. При двух эскалаторах объемы работ, приведенные в табл. 1.1, удвоятся.

В некоторых случаях при благоприятных инженерно-геологи-ческих условиях и соблюдении требований, вытекающих из планировочных решений вестибюлей, при соответствующем технико-экономическом обосновании, разрешается устройство двухмаршевых эскалаторов с промежуточным залом. При этом число эскалаторов в каждом марше должно быть одинаковым.

Каждая из двух станций глубокого заложения с пересадочным узлом должна иметь для входа и выхода наружу наклонный тоннель с эскалаторами и отдельный или общий для двух станций вестибюль. В пересадочном узле, не имеющем разделения пассажирских потоков по направлениям, необходимо предусматривать четыре эскалатора; в решениях с разделением направлений движения число эскалаторов определяется расчетом по периоду с максимальным пассажирским потоком. В 15-минутный период максимума часа пик на

эскалаторах одного наклонного хода ряда станций может находиться одновременно свыше 1200 человек, что эквивалентно нагрузке одного метропоезда.

К преимуществам эскалаторных подъемов следует отнести: высокую провозную способность и относительную равномерность распределения пассажиропотоков; к недостаткам — большие объемы и сложность горно-строительных работ; высокий расход электроэнергии независимо от фактического количества обслуживаемых пассажиров; сложность и продолжительность восстановительного ремонта эскалаторов; большие мульды сдвижения массива, вследствие чего возможны на значительной площади осадки грунта и повреждения сооружений и коммуникаций; невозможность последующего использования больших объемов подземного пространства в зоне эскалаторных тоннелей. При расчетной глубине 60 м эскалаторного тоннеля с наружным диаметром 9,5 м площадь горизонтальной проекции мульды (угол сдвижения 45°) составит более 12 тыс. м2, а максимальная ширина зоны влияния — более 120 м.

Уровень работоспособности эскалаторов целесообразно оценивать комплексным показателем — коэффициентом готовности:

где Т — наработка подъема до отказа (показатель безотказности); Тв — среднее время восстановления (показатель ремонтопригодности).

Однако пропускная способность эскалаторных подъемников все-таки ограничена, что оказывает существенное влияние на провозную способность линии метрополитена в целом. Например, если станция имеет один трехленточный эскалаторный тоннель, то посадка и высадка на ней в сумме не могут превышать 23,5 % при восьмивагонном составе, расчетном заполнении и максимальной производительности эскалаторов. При 50 %-й посадке-высадке потребуется семь движущихся лент или даже больше, поскольку по последним данным провозная способность эскалатора ниже указанной в нормах. Но таких конструктивных решений (по два четырехленточных эскалатора) не имеет ни один отечественный станционный комплекс.

Дальнейшие направления повышения надежности эскалаторов — совершенствования конструкций, регулирование скорости движения лестничного полотна, автоматические — пуск в зависимости от пассажиропотока и остановка при падении пассажиров, дистанционный контроль тормозных характеристик, сборных узлов и деталей.

Понижение скорости движения лестничного полотна в непиковые часы дает возможность сократить эксплуатационные расходы, увеличить межремонтные пробеги и общий срок службы эскалаторов. Большее внимание следует уделять телемеханизации эскалаторного хозяйства, которой в настоящее время оснащены практически все метрополитены России.

1.2. Пассажирские лифты

Как отмечалось выше, нередки случаи, когда эксплуатируемые на метрополитенах страны эскалаторные подъемники в часы пик не справляются с пассажиропотоками. На некоторых станциях приходится ограничивать вход и выход, вплоть до полного прекращения доступа пассажиров, что недопустимо. Большинство станций закрытого способа работ на метрополитенах России имеют по одному трехленточному (реже — четырехленточному) эскалаторному тоннелю. Именно поэтому в настоящее время принято решение об обязательном оснащении станций метро (как проектируемых, так и действующих) вторыми входами.

Сооружение наклонных тоннелей в качестве вторых, а иногда и третьих входов, особенно в зоне сложившейся плотной городской застройки (при строительстве с применением спецспособов), сопряжено с большими затратами и трудностями. Кроме того, эскалатор трудоемок и дорогостоящ в обслуживании и ремонтах, а также требует строгого соблюдения порядка пользования. Поэтому в новых нормах [34] указывается, что «на станции в одном из вестибюлей следует предусматривать грузопассажирский лифт, установка которого должна проектироваться по отдельному заданию и специальным требованиям», а также лифты и подъемно-транспортные устройства для инвалидов. При этом лифт в уровень платформы станции должен предусматриваться непосредственно с поверхности земли в наиболее доступном для инвалидов

месте. Над входом в лифт необходимо устраивать павильон или встраивать вход в здание. При отсутствии возможности непосредственного выхода лифтовой шахты в уровень платформы станции открытого способа работ лифт следует предусматривать с уровня кассового зала вестибюля, а на лестницах с каждой стороны устраивать платформы-подъемники для транспортировки инвалидов «стоя», «сидя» или в инвалидной коляске. Для входа инвалидов на станцию закрытого способа работ следует предусматривать лифт с поверхности земли в коридор, размещаемый в промежуточном уровне, и платформу-подъемник из коридора в уровень пассажирской платформы. Лифтовые стволы должны быть оборудованы лестницами, автономным освещением и вентиляцией для использования в качестве эвакуационного выхода пассажиров и входа на станцию пожарных расчетов.

1.2.1. Вертикальные лифты

Лифт существовал и в древние времена, несмотря на его современно звучащее название (как указывает этимологический словарь французского языка «Ларусс», оно появилось от английского глагола to lift, т.е. поднимать, в 1904 г.). Между тем изобретателями механических подъемных устройств были древние римляне примерно 2 тыс. лет назад. В одной из «Десяти книг об архитектуре» знаменитый римский архитектор Витрувий в 26 г. до н.э. описал устройства, которые применяли для подъема грузов в 236 г. до н.э., в том числе использовавшиеся в строительстве.

Некоторое подобие современных лифтов находили в развалинах римских дворцов во время раскопок: во дворце императора Нерона (правил с 54 до 68 гг.) был найден лифт, который поднимал гостей на большую высоту. Кабину рабы подтягивали при помощи канатов. Иногда вместо рабов использовали также животных или гидравлические механизмы.

Всамом крупном сооружении Древнего Рима — Колизее — было 12 лифтов. Устройство для подъема механизмов и актеров со сцены использовали и в других амфитеатрах, когда это требовалось по ходу действия. Кстати, в Колизее даже животных поднимали и опускали при помощи специальных устройств.

Всередине XVIII в. лифты начали использовать в дворцовых постройках Царского Села и в подмосковной усадьбе Кусково. В 1793 г. знаменитый механик Кулибин изобрел винтовой пассажирский лифт для Зимнего дворца. Начиная с 1830 г. на некоторых предприятиях стран Западной Европы появились гидравлические поршневые лифты.

Однако пассажирский лифт современного типа был изобретен американцем Отисом. Весной 1854 г. распахнул свои двери для посетителей специально построенный к всемирной выставке в Нью-Йорке Хрустальный дворец. Среди множества диковин не могло не выделиться изобретение, впоследствии принципиально изменившее архитектурный и индустриальный облик всех городов и весей. Публика увидела почти что цирковой «смертельный номер» [Метро. 1990. № 3. С. 24–26].

На открытую платформу лифта, заполненную тяжелыми ящиками и бочками, взошел высокий бородатый мужчина в цилиндре (рис. 1.3). Механизм поднял платформу на уровень четвертого этажа, после чего ассистент разрубил веревки, на которых она держалась. Толпа ахнула, но лифт не упал, а только чуть просел. Мужчина, сняв цилиндр, галантно раскланялся, воскликнув: «Все безопасно, господа!» Это и был изобретатель — Элайша Грейвс Отис. Маркетинговый прием, достойный Гарри Гудини и Дэвида Копперфильда, возымел успех. Об изобретении Отиса заговорили, и уже в том же году было продано семь подъемников. Отис увековечил память о себе не только созданием лифта, но и фирмы, которая носит название «Отис».

Важный шаг в развитии лифтостроения сделан в Германии в 1880 г., когда Сименс изобрел электропривод. Его лифт был также снабжен реечным механизмом подъема. Любопытно, что гидравлические лифты, несмотря на появление такого опасного конкурента, как электролифт, не сдавали своих позиций, причем, как это не парадоксально, в высотных домах, например в здании страховой компании в Чикаго, от которого по всему миру пошло название «небоскреб». Объяснялось это тем, что кабины гидравлических лифтов перемещались с большей скоростью (3 м/с), чем кабины с электроприводом (2 м/с).

Сравнительно новым в строительстве лифтов стало появление стеклянных лифтов. Такие лифты особенно часто можно увидеть в гостиницах и торговых центрах. Они бывают со стеклянными кабинами и даже стеклянными шахтами. Встречаются также лифты и без шахт, когда кабина скользит по стене, причем как внутри, так и снаружи (например в зале торгового центра). Полагают, что благодаря таким лифтам может сократиться число их падений.

Небоскребы сегодня становятся настоящими городами (в некоторых служебных зданиях работают многие тысячи служащих), поэтому вполне естественно, что быстро, без помех доставить этих людей на их этажи утром и вывезти всех вниз может лишь очень большое число лифтов. Так, например, в 246-метро-вом небоскребе во Франкфурте-на- Майне (это здание носит название «Мессетурм», что в переводе означает «Выставочная башня») действуют 24 лифта. Ресторан, находящийся на 10-м этаже, обслуживают два лифта, 4 лифта ближней группы следует до 20 этажа, а 4 лифта верхней ближней группы

— до 29 этажа. Четыре лифта нижней дальней группы доставляют пассажиров до 45 этажа, а 6 лифтов верхней дальней группы — до 60-го. Наконец есть еще 2 мощных грузовых лифта, которые обслуживают все этажи.

Слаженная работа большого числа лифтов была бы невозможна без большого числа микроЭВМ, а также центральной ЭВМ небоскреба, которая оптимизирует все маршруты в зависимости от вызовов, исключая или сводя к минимуму холостые подъемы и спуски кабин.

Технические характеристики лифтов постоянно совершенствуются. Большое количество инженеров фирм разных стран прилагают немалые усилия к тому, чтобы сделать это подъемное устройство еще более удобным и безопасным. Создавая все новые устройства и системы, они повышают комфортность лифтов.

Вот несколько примеров из этой области. Японские инженеры Эндо Кадзуро и Вакацуки (фирма «Токе Сибаура Дзенки») разработали устройство в виде двух планок, приводимых в действие электродвигателем. Эти планки при движении лифта закрывают отверстие между полом кабины и этажной площадкой, благодаря чему исключается возможность падения небольших предметов, например ключей, в шахту.

Специалистами японской фирмы «Хитати Сейсакусе» создана золотниковая гидравлическая система, которая предупреждает толчки при трогании и остановке лифта. Японский изобретатель Усуи Ясуаки (фирма «Токе Сибаура Дзенки») предложил снабжать лифты светоизлучающим диодом, который указывает положение лифта в случае его внезапной остановки.

Германский специалист по лифтам Г. Гюнтер предложил использовать в лифтах дополнительный привод (механический или гидравлический) — аварийный, — который должен быть установлен на крыше кабины. При выходе из строя электропривода лифта пассажир может включить аварийный привод с помощью ручки, размещенной в кабине. Аварийный привод доставит кабину до ближайшего этажа, где пассажир сможет беспрепятственно выйти.

А вот Като Хироси, работающий в японской фирме «Мицубиси Дэнки», задался целью определить, сколько человек пользуется за день лифтом. Для этого он изобрел кодированную карточку, которую получает каждый житель дома. Показания карточки