АМЕРИКАНСКОЕ ОБЩЕСТВО ИНЖЕНЕРОВ-СТРОИТЕЛЕЙ
ОСНОВАНО В 1852 ГОДУ
ТРУДЫ
Доклад № 1152
ПРОДЛЕНИЕ ТОННЕЛЕЙ НЬЮ-ЙОРКА ПЕНСИЛЬВАНСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ.
УЧАСТОК ИСТ-РИВЕР.
Альфред Нобл, бывший президент Амер. о-ва инж.-строит.
Общий обзор работ, входящих в этот участок, был представлен генералом Ч. В. Рэймондом, д. чл. Амер. о-ва инж.-строит., в первом докладе серии. Приводимые ниже несколько страниц задумывались лишь как примечание, связывающее его доклад с более детальными описаниями выполнения работ, которые будут предоставлены инженерами-резидентами, непосредственно руководящими ими.
Вскоре после того, как проект компании был обнародован в конце 1901 года, в Ист-Ривер было начато бурение, а несколькими неделями позже — в Манхэттене и Лонг-Айленд-Сити. На стороне Манхэттена была измерена предварительная базисная линия и установлены временные транзитные станции на зданиях, по которым определялось положение всех скважин в реке. Все речные скважины представляли собой скважины промывочного бурения, пройденные с судна копра. После нанесения результатов на карту были проведены контурные линии, обозначающие поверхность скального грунта, и по этим контурам были построены профили вдоль линий тоннелей; поскольку бурение носило предварительный характер по отношению к окончательному трассированию тоннелей и во многих случаях находилось на некотором расстоянии от линий тоннелей, ожидались значительные расхождения с фактической поверхностью скального грунта, которые в нескольких местах действительно имели место, однако в целом совпадение оказалось весьма хорошим. Бурение выявило два понижения или русла, где поверхность скального грунта опускалась ниже проектной отметки подошвы тоннелей; эти понижения разделялись скальной грядой, простирающейся вниз по течению от острова Блэквелл. На 32-й и 33-й улицах в Манхэттене бурение выполнялось от реки до участка станции с интервалами около 100 футов, причем промывочное бурение чередовалось с керновым бурением. В Лонг-Айленд-Сити, где трассы тоннелей должны были проходить по диагонали под зданием пассажирского вокзала и пассажирским парком Пенсильванской железной дороги, а также под улицами и частной собственностью, расположение скважин было менее регулярным, хотя чередование промывочного и кернового бурения выполнялось настолько, насколько это было практически возможно. После окончательного трассирования работ были выполнены дополнительные скважины, в частности на участках шахт, а также вдоль подходов и в парке Санисайд в Лонг-Айленд-Сити.
Триангуляция была перенесена через реку с измерением базиса на каждой из сторон. Прямое измерение между концами любого из базисов было невозможно. Базисы измерялись 100-футовыми стальными лентами, поддерживаемыми каждые 20 футов, натянутыми с равномерным усилием и регулярно сопоставляемыми со стандартизированными лентами. Из-за сильной загруженности улиц в дневное и вечернее время большая часть работ выполнялась в период с 22:00 до 05:00. Аналогичные измерения выполнялись на улицах вдоль линий тоннелей. Измерения углов многократно повторялись, как это принято при подобных работах. На рис. 1 показана триангуляция, причем измерения по улицам опущены.
Нивелирование сначала передавалось через реку путем одновременных наблюдений поверхности воды в реке; затем посредством нескольких повторений через остров Блэквелл и узкие протоки по обе стороны от него, где наибольшие визирные лучи составляли около 1100 футов; и, наконец, по нескольким линиям через тоннель компании East River Gas Company на 71-й улице.
Франшиза, предоставленная городом Нью-Йорк, предусматривала продажу Железнодорожной компании участков 32-й улицы между Седьмой и Восьмой авеню, а также между Восьмой и Девятой авеню. Позже Компания приобрела путем покупки участок 32-й улицы между Девятой и Десятой авеню. Франшиза предоставляла права на подземное пространство под улицами вокруг участка станции на глубине до 19 футов от поверхности улицы под Седьмой, Восьмой и Девятой авеню; до 30 дюймов от поверхности улицы под 31-й и 33-й улицами, за исключением того, что под тротуарами напротив станции, то есть под южным тротуаром на 31-й улице и северным тротуаром на 33-й улице, конструкция должна располагаться на глубине не менее 5 футов от поверхности улицы. При выполнении работ полное использование этих прав было осуществлено под Восьмой авеню и лишь под теми участками Седьмой и Девятой авеню, которые были абсолютно необходимы для доступа поездов к зоне станции. Полное использование прав, предоставленных под 31-й и 33-й улицами, было непрактичным без несения больших расходов на поддержку примыкающих зданий или возмещение ущерба им, и после тщательного рассмотрения было принято решение остановиться на схеме, показанной на чертежах, при которой около 45% площади подземного пространства под этими улицами становилось доступным на уровне путей.
Fig. 1.—Triangulation System East River Tunnel
Работы участка Ист-Ривер на этом объекте включали выемку до глубины, необходимой для железнодорожных путей, и возведение подпорной стены, простирающейся по 31-й улице от восточной стороны Девятой авеню до западной стороны Седьмой авеню, далее на север вдоль Седьмой авеню на расстояние 155,5 фута; а также подпорной стены по 33-й улице от западной стороны Седьмой авеню до восточной стороны Девятой авеню и далее на юг вдоль Девятой авеню на расстояние 136,3 фута. Эти работы были переданы по контракту 21 июня 1904 года компании New York Contracting and Trucking Company, а позже переуступлены этой компанией организации New York Contracting Company-Pennsylvania Terminal и выполнялись под руководством Джорджа К. Кларка, д. чл. Амер. о-ва инж.-строит., в качестве инженера-резидента, который опишет их подробно.
PLATE IX.—Map of Portion of Manhattan Island from 23d to 40th Streets, Showing Former Topography From Map Made by Gen. Egbert L. Viele in 1865
Станционные пути, ведущие на восток от станции, будут сходиться под Седьмой авеню и на некотором расстоянии далее к востоку и переходить в два трехпутных тоннеля — один под 32-й улицей, а другой под 33-й улицей — на расстояниях 192 и 402 фута от Седьмой авеню соответственно. Типичное поперечное сечение трехпутного тоннеля показано на листе XII. Сходящиеся участки рассматривались как восточные продолжения станции и не включались в участок Ист-Ривер. В пределах нескольких сотен футов (лист XIV) пути сокращаются до двух, причем каждое переходит в отдельную нитку, а два тоннеля под каждой улицей выполняются в одной выемке, при этом расстояние между осями тоннелей составляет 20 футов 4 дюйма. Такая конструкция получила название спаренного тоннеля, а ее типичное поперечное сечение показано на листе XII. Тоннели продолжаются по прямым под улицами до Второй авеню, где они поворачивают налево по кривым радиусом 1° 30', проходят под частной собственностью, постепенно расходясь и проходя через шахты сразу к востоку от Первой авеню. Примерно в 350 футах к западу от шахты расхождение двух линий от каждой улицы становится достаточным для образования между ними скальной разделяющей стены, и оттуда к востоку каждый тоннель сооружается в отдельной выемке. Типичное поперечное сечение двух раздельных тоннелей показано на листе XII.
Таким образом, к востоку от станции линии образуют четырехпутную железную дорогу, причем каждый путь находится в отдельном тоннеле; для удобства производства работ эти линии обозначались буквами A, B, C и D с севера на юг.
PLATE X.—Manhattan Shaft, Lines A and B
В самом начале, при формировании инженерного штата, Чарльз Л. Харрисон, д. чл. Амер. о-ва инж.-строит., был назначен главным помощником инженера. Он непосредственно руководил всеми частями работ, и все инженеры-резиденты подчинялись ему. Джордж Лейтон, д. чл. Амер. о-ва инж.-строит., был назначен инженером-резидентом, ответственным за линии 33-й улицы от западного конца трехпутного тоннеля до шахты, а также к востоку от шахты под Ист-Ривер. Поскольку он тогда не выносил воздействия сжатого воздуха, работы под рекой были переданы Джеймсу Х. Брейсу, д. чл. Амер. о-ва инж.-строит., в качестве инженера-резидента. До завершения сухопутных тоннелей под 33-й улицей г-н Лейтон принял предложение о более ответственной работе в другом месте, и г-н Брейс взял под свое руководство и их. Фрэнсис Мейсон, д. чл. Амер. о-ва инж.-строит., являлся инженером-резидентом, руководившим линиями 32-й улицы на протяжении всего их строительства, а также тоннелями, продолжающими эти линии на восток от шахты Первой авеню под рекой.
Работы, описанные выше как линии 32-й и 33-й улиц, заканчивающиеся на восточном конце у шахт Первой авеню, были переданы по контракту 29 мая 1905 года компании United Engineering and Contracting Company. Проекты в то время предусматривали трехпутные тоннели от западного конца работ по контракту на восток на 1628 футов по 32-й улице и на 1418 футов по 33-й улице до западной линии Пятой авеню с уклоном вниз 0,4%; это должно было в определенной степени являться продолжением станции, где поезда могли бы стоять без тормозов в ожидании сигналов для отправления на станцию или со станции. От Пятой авеню на восток до наинизшей точки под рекой уклон на всех линиях должен был составлять 1,5%. Позже, в ходе строительства при выемке грунта в западном направлении под 33-й улицей от Пятой авеню, поверхность скального грунта была прорвана, обнаружив плывун; в течение нескольких следующих дней пробные буровые скважины через свод тоннеля на 32-й улице и Пятой авеню показали тонкую прикрывающую толщу с плывуном над ней. Эти условия в общих чертах обозначались бурением, выполненным до начала строительства, но они оказались несколько хуже предполагавшихся. На топографической карте острова Манхэттен, составленной генералом Эгбертом Л. Виле в 1865 году, показан водоток, который брал свое начало примерно в районе нынешнего пересечения Бродвея и 44-й улицы, протекая оттуда вдоль западной стороны и южной оконечности Мюррей-Хилл, проходя под нынешним участком отеля Waldorf-Astoria, пересекая 33-ю улицу в точке, где при выемке тоннеля была прорвана поверхность скального грунта, как указано выше, пересекая 32-ю улицу на ее пересечении с Пятой авеню, где пробное бурение показало тонкую скальную прикрывающую толщу над выемкой тоннеля, направляясь затем на восток немного южнее 32-й улицы, которую он вновь пересекал около Третьей авеню, и в конечном итоге впадая в Ист-Ривер около 34-й улицы и чуть западнее нынешней Первой авеню. Древний ручей, по-видимому, повторял очертания долины в скальном грунте, причем эта долина на значительную глубину заполнилась очень мелким плывуном. Это совпадение понижений поверхности скального грунта с водотоком, показанным на карте Виле, отмечалось в стольких местах, а трудности строительства в этих местах были настолько серьезными, что фрагмент карты, показывающий старый рельеф вдоль и вблизи линий станции и тоннелей, воспроизведен на листе IX.
PLATE XI.—Long Island Shaft. Lines A and B
Неблагоприятные условия, проявившиеся на Пятой авеню, повлияли как на строительство тоннелей, так и на содержание примыкающих зданий. Возникла бы необходимость сооружать тоннели в открытом котловане на большей части пути на запад, что доставило бы серьезные неудобства общественности; здания в основном относились к старой категории, имея фундаменты на грунте, однако имелось несколько современных высотных зданий с фундаментами в том же грунте; некоторые из них были построены уже после того, как были спроектированы тоннели. Ввиду этих дополнительных рисков и возросшей стоимости строительства ценность трехпутной конструкции была пересмотрена, и в проекты были внесены два важных изменения. Первое из них заключалось в том, чтобы продлить спаренный тоннель на запад до Шестой авеню по 32-й улице и до точки в 180 футах к западу от Шестой авеню по 33-й улице; поскольку спаренный тоннель был на 9,5 фута ниже по высоте, чем трехпутный тоннель, и на 9 футов уже, это изменение существенно уменьшило трудности. Там, где трехпутный тоннель таким образом исключался, более крутой уклон больше не встречал возражений, поэтому при движении на восток от станции вместо первоначального уклона 0,4% был принят уклон 0,8% на 33-й улице и 0,9% на 32-й улице. От западной линии Пятой авеню на восток короткие участки с уклонами вниз 0,3% соединяются с первоначальным уклоном 1,5% около Мэдисон-авеню. Эффект от этих двух изменений — типа тоннеля и уклона — заключался в понижении свода тоннелей на Пятой авеню примерно на 15 футов, что сделало возможным избежать открытых работ к востоку от Шестой авеню.
Подробный отчет о строительстве внутригородских тоннелей будет представлен инженерами-резидентами.
Постоянные шахты были сооружены по обе стороны Ист-Ривер: шахты в Манхэттене располагались в нескольких футах к востоку от Первой авеню, а в Лонг-Айленд-Сити — одна в так называемом Аннекс-Слип (Annex Slip), а другая в пирсе прямо к югу от него. Две железнодорожные линии, идущие от 32-й улицы в Манхэттене и поворачивающие налево на Второй авеню, на Первой авеню находятся на расстоянии около 34 футов между осями, и было удобно сделать шахту достаточно большой, чтобы охватить обе линии. Бурение показало, что выемка для тоннелей выйдет из скального грунта примерно в 200 футах к востоку от Первой авеню. Желательно было вести выемку тоннеля на восток от шахты при нормальном давлении воздуха на расстояние, достаточное для сооружения по меньшей мере 50 футов тоннеля и установки шлюзовых камер, чтобы сжатый воздух был доступен при прорыве поверхности скального грунта. Принятое расположение, показанное на листе XIII, имело те дополнительные преимущества, что поверхность скального грунта находилась на несколько футов выше уровня верха тоннелей, а доступ к реке для приема и отгрузки материалов мог осуществляться без пересечения каких-либо улиц. Аналогичные соображения определяли расположение северной шахты для линий от 33-й улицы. На лонг-айлендской стороне реки имелось лишь два целесообразных расположения, отвечающих этим условиям, особенно в отношении безопасной толщины скального грунта над тоннелями: одно — вблизи линии оконечности пирсов, другое — сразу за линией набережной, и по многим второстепенным причинам последнее было предпочтительнее. Оси каждой пары тоннелей находились на расстоянии 37 футов друг от друга, и поэтому каждая шахта была выполнена пересекающей обе линии пары, так же как и на манхэттенской стороне реки. Однако не ожидалось, что шахты Лонг-Айленда удастся удобно построить или начать из них тоннели при нормальном давлении воздуха.
Решение выполнить шахты в капитальном исполнении основывалось не только на желании иметь доступ в тоннели и выход из них вблизи берегов реки для удобства рабочих или эвакуации пассажиров в случае аварии, но и на необходимости облегчить вентиляцию; эти места делят всю длину тоннелей к востоку от станции на три части, две из которых составляли приблизительно по 4000 футов каждая, а третья — около 5500 футов. Риск возникновения аварий считался очень малым, в то время как большому значению фактора облегчения вентиляции уделялось первостепенное внимание. Дальнейшие проработки повысили важность, придаваемую вентиляции, и в настоящее время планируется предусмотреть устройства для механической вентиляции на всех шахтах. Планы шахт показаны на листах X и XI. Кессоны шахт выполнены из строительной стали с двойными стенками, пространство между которыми заполнено бетоном, включая поперечную стенку между тоннелями и параллельную им. Все эти конструкции были приспособлены для погружения с использованием сжатого воздуха, если бы это оказалось необходимым.
Хотя бурение показало, что на всех участках шахт скальный грунт будет обнаружен на несколько футов выше уровня тоннеля, до начала выемки невозможно было определить, придется ли погружать кессоны на полную глубину; если бы был обнаружен прочный, без трещин скальный грунт, погружение можно было бы остановить выше уровня тоннеля; но если нет, кессоны в любом случае пришлось бы погрузить достаточно далеко, чтобы позволить устроить водонепроницаемый пол ниже тоннелей, а сами тоннели начинать через проемы в боковых стенках кессона; поэтому такие проемы, закрываемые съемными перемычками, были предусмотрены во всех кессонах.
PLATE XII.—Typical Tunnel Sections
Как уже отмечалось, уклон 1,5% от Пятой авеню на восток был установлен с учетом наинизшей точки русла реки для обеспечения требуемой прикрывающей толщи над тоннелями в самой глубокой точке русла на западной стороне гряды, где дно реки на коротком участке находилось примерно на 60 футах ниже среднего уровня прилива. С другой стороны, поскольку предполагалось использование сжатого воздуха при строительстве тоннелей, по возможности следовало избегать чрезмерной глубины под поверхностью воды; тем не менее, необходимо было продолжать спуск с уклоном на некоторое дальнейшее расстояние, пока тоннели большей частью не окажутся в скальном грунте, чтобы можно было легко устроить дренажные зумпфы под тоннелями. К востоку от зумпфов тоннели имели подъем с уклоном 0,7% до установленной линии набережной со стороны Лонг-Айленда, обеспечивая прикрывающую толщу в точках, где тоннели входят в скальный грунт на небольшом расстоянии к западу, около 10 футов (если плоскость дноуглубления будет установлена в будущем на отметке 40 футов ниже среднего уровня отлива, как можно обоснованно ожидать). К востоку от линии набережной тоннели A, B и D имеют подъемы с уклонами около 1,25%, в то время как тоннель C поднимается с крутизной 1,9% для осуществления пересечения над тоннелем B к западу от порталов. Эта особенность была введена для того, чтобы пустить оба пути западного направления вместе через парк Санисайд, и более крутой уклон, направленный вниз по ходу движения поездов, не представлял неудобств.
Расположение уклонов и путей на подходах и в парке Санисайд потребовало бы включения слишком большого количества деталей, чтобы рассматривать их здесь, но будет рассмотрено в докладе по парку Санисайд.
С самого начала проекта было признано, что тоннели под Ист-Ривер станут самым сложным и дорогостоящим участком участка Ист-Ривер. Бурение показало огромное разнообразие проходимых материалов, включая плывун, крупный песок, гравий, валуны и коренные породы, а также некоторые глинистые материалы (см. лист XIII). Скальный грунт обычно был покрыт слоем перемешанных между собой песка, гравия и валунов мощностью в несколько футов, но в некоторых местах, где поверхность скального грунта находилась на некотором расстоянии ниже проектной отметки тоннеля, материал, встречавшийся при проходке, целиком состоял из плывуна; ближайшими аналогами в ранее выполненных работах были некоторые тоннели под Темзой, в частности тоннель Блэкволл, где пройдено открытое гравийное отложение. До завершения проектов тоннелей Ист-Ривер были возобновлены после многолетнего перерыва работы в старых тоннелях под рекой Гудзон между 15-й улицей в Джерси-Сити и Мортон-стрит в Манхэттене, где на коротком расстоянии были пройдены песчаные материалы. Этот опыт убедил почти всех инженеров, имевших какое-либо отношение к работам, в том, что щитовой метод является наиболее подходящим для тоннелей Ист-Ривер, и проекты работ основывались на его применении (поперечные сечения и т. д. см. на листе XII). Другие методы, как указал генерал Рэймонд во вводном докладе, пропагандировались, в частности кессонные конструкции и способ замораживания, причем последний отстаивался весьма настойчиво, и при рассылке приглашений к подаче оферт в октябре 1903 года участникам торгов сообщили, что альтернативные методы будут приняты во внимание.