Рым-болты (анкерные болты с проушиной), ввернутые в резьбовые отверстия и замоноличенные в цементном растворе состава 1 к 1 на портландцементе, нагнетаемом через аналогичные отверстия, укрепляли кольцо из катаной стали против внешнего гидростатического давления. В двух тоннелях бетонная обделка была проведена через весь узел стыка и полностью покрывала всю конструкцию, в то время как в остальных двух тоннелях она не доходила до кольца из катаной стали, оставляя последнее открытым и отступя назад примерно на 3 дюйма от внутренней поверхности бетона.
Fig. 2.
Нагнетание цементного раствора.
За исключением случаев, оговоренных ранее, пустоты с внешней стороны тоннельной обделки заполнялись раствором, нагнетаемым через отверстия для раствора в каждом сегменте. Всегда существовала вероятность того, что портландцемент, если его использовать для нагнетания раствора в тоннелях, проходимых с помощью щита, может вытечь вперед вокруг щита и схватиться, «намертво зажав» щит в скале или в чугунной обделке либо образовав на нем наросты, которые затруднят управление им. Учитывая это, подрядчики предложили заменить его английской известью Blue Lias в качестве материала для раствора. Свежий раствор английской извести с умеренным количеством воды очень быстро схватывался на воздухе до консистенции мела. Однако его гидравлические свойства были слабыми, и в присутствии избытка воды он сохранял консистенцию мягкой грязи. Поэтому он не подходил в качестве поддерживающего материала для тоннеля.
Была опробована американская известь, изготовленная в подражание лиасской извести, но обладающая более высокими гидравлическими свойствами, однако она оказалась неудовлетворительной. Также были испытаны и отвергнуты две марки натурального цемента, но модифицированный быстротвердеющий натуральный цемент, производимый специально для этой работы, в итоге показал хорошие результаты, и подавляющая часть работ по нагнетанию раствора в подводных тоннелях была выполнена с использованием этого материала, смешанного с песком в пропорции 1 к 1 по объему. К востоку от шахт Лонг-Айленда работы, выполнявшиеся без щитов, инъецировались преимущественно портландцементом с песком, смешанными в пропорции 1 к 1 по объему.
В подводных тоннелях большие количества английской извести без добавок (чистым раствором) использовались для нагнетания над сводом тоннеля в попытках остановить утечки воздуха через мягкий грунт. Тем не менее, в этом отношении она была не слишком эффективна до тех пор, пока пустоты снаружи обделки не были заполнены выше замка свода. После этого ее свойства расширения и быстрого схватывания в сухом песке в этой зоне начинали приносить пользу. Использование сухой извести в забое, где выходящий воздух уносил ее в пустоты песка и закупоривал их, оказывалось гораздо более эффективным и быстрым средством для пресечения утечек.
За исключением английской извести, весь раствор смешивался с песком в пропорции 1 к 1 в машине непрерывного перемешивания Кокберна (Cockburn), приводимой в действие 3-цилиндровым пневматическим двигателем. Растворомешалка устанавливалась на нижней площадке концевой платформы, показанной на листе LXXII, в то время как материалы подавались на верхнюю площадку и вместе с водой загружались в машину через отверстие в верхнем настиле. Песок фасовался в мешки на строительном дворе, а вагонетки, на которых материалы доставлялись в тоннели, перед разгрузкой поднимались подъемником на уровень верхней площадки концевой платформы.
Серьезные трудности возникали при предотвращении утечки жидкого раствора перед щитом и в хвостовую часть через зазор между ней и чугунной обделкой. На участке, полностью сложенном мягким грунтом, первая проблема обычно не возникала. На участках, полностью проходящих в скале, самым эффективным методом борьбы с утечками оказалось возведение затворов или перемычек снаружи обделки — между ней и поверхностью породы. С этой целью примерно через каждые 30 футов головное кольцо и верхняя половина предыдущего кольца расстыковывались и подавались вперед на расстояние, достаточное для получения доступа к зазору с внешней стороны. Затем снаружи чугуна возводилась грубая перемычка из бутового камня, мешков с раствором или глиной, после чего кольца сдвигались назад и соединялись вновь. На участках, содержащих как скальные породы, так и мягкий грунт, перемычки для раствора возводились у режущей кромки с определенными интервалами и поднимались на максимально возможную по условиям высоту.
Предполагалось, что кольцевой зазор в хвосте щита все время будет плотно забит глиной и пустыми мешками, но эту набивку (тампонаж) было трудно удерживать под давлением раствора. Некоторое время для удержания набивки использовались 1/2-дюймовые сегментные стальные пластины, вставляемые сверху вниз между оболочками и чугуном, но их смещение приводило к поломке ряда фланцев, и от их применения отказались. Вместо них были внедрены 2-дюймовые сегментные пластины, прикрепленные к головкам домкратов, с более удовлетворительными результатами. Несмотря на эти приспособления, утечки раствора в хвосте были очень велики.
Мягкие грунты на различных участках работ вели себя по-разному. Глина и «бычья печенка» не обрушивались на чугунную обделку в течение нескольких часов после прохода щита, а иногда и суток или более, что позволяло заполнить раствором пространство между грунтом и чугуном. Мелкий серый или пляжный песок и плывун смыкались практически сразу. Плывун имел тенденцию заполнять пространство под чугуном с боков и местами оставлять пустоту примерно на уровне горизонтального диаметра, которая не заполнялась сверху, так как песок, высушенный воздухом, держался довольно хорошо и не обрушивался на обделываемые элементы, за исключением почти горизонтальных участков наверху.
Общее количество раствора, использованного на работах, было эквивалентно по затвердевшему объему 249 647 баррелям раствора портландцемента состава 1 к 1, из которых 233 647 баррелей было нагнетано через чугунную обделку, что составляет в среднем 14,93 барреля на погонный фут. Стоимость раствора, нагнетаемого снаружи подводных тоннелей, составляла 93 цента за баррель по рабочей силе и 2,77 доллара на накладные («верхние») расходы. К востоку от шахты Лонг-Айленда сопоставимые затраты составляли 0,68 и 1,63 доллара, причем разница частично объяснялась большой долей работ, выполненных в условиях нормального давления воздуха в последнем месте.
Чеканка швов и протечки.
До августа 1907 года стыки между сегментами чугунной обделки чеканились железными опилками и нашатырным спиртом, смешанными в весовой пропорции 400 к 1. При давлении воздуха, уравновешивающем гидростатический напор вблизи оси тоннеля, было трудно сделать чеканку ржачинным составом герметичной ниже оси против противодействующего напора воды; кроме того, этот вид чеканки во многих местах повреждался капелью из служебных трубопроводов, закрепленных на обделке тоннеля. Несколько проб с использованием свинцовой проволоки при холодной чеканке дали столь удовлетворительные результаты, что она была принята в качестве замены. Пневматические молотки с успехом применялись для чеканки свинцом, но лишь в небольших объемах использовались для чеканки железными опилками (ржачинным составом), которая выполнялась преимущественно вручную. Непосредственно перед возведением бетонной обделки все протечки, независимо от того, были ли они в местах чеканки опилками или свинцом, устранялись свинцом, а оставшаяся часть паза заполнялась раствором портландцемента состава 1 к 1, что делало стыки на тот момент абсолютно водонепроницаемыми. Последующее появление небольших следов просачивания через бетон свидетельствовало о том, что ремонтные работы следовало вести на достаточном удалении впереди бетонирования, чтобы можно было обнаружить вторичные протечки, которые могли развиваться медленно. Средняя стоимость рабочей силы, относимая на чеканку, составляла 12 центов на погонный фут, к чему следовало добавить 21,8 цента накладных расходов.
К сожалению, бо́льшую часть бетонной обделки в подводных тоннелях пришлось укладывать в летние месяцы, когда температура на рабочем месте часто превышала 85°; а температура бетона во время схватывания была еще выше. Это аномальное тепло, вызванное химическими процессами в цементе, вскоре рассеялось, и с приближением зимы усадка бетона привела к образованию поперечных трещин. К середине зимы они развились довольно равномерно по концам каждого 30-футового участка бетонного свода по мере его возведения, а зачастую более тонкие трещины проявлялись примерно в центре каждого 30-футового участка.
По мере падения температуры бетона аналогичные изменения происходили и в чугунной обделке, что приводило к ее усадке. Обделка была смонтирована в условиях сжатого воздуха, температура которого составляла в среднем около 70° зимой и была выше летом. После сброса давления сжатого воздуха летом 1908 года тоннели приобрели более низкую температуру окружающего грунта, которая медленно падала до середины зимы. Усадка бетона, прочно уложенного вокруг фланцев чугуна и проявившего трещины с довольно равными интервалами, вероятно, локализовала небольшие сопутствующие перемещения чугуна вблизи бетонных трещин, что привело к ослаблению чеканки в этих точках. С наступлением холодной погоды на бетоне во многих местах появились сырые пятна, а на температурных трещинах вполне закономерно проступили небольшие протечки, в некоторых случаях развившиеся настолько, что их можно было назвать течами. Тем не менее, лишь немногие из них поддавались измерению по объему.
В начале января по обе стороны от большого числа трещин были надежно установлены небольшие латунные штифты, и на протяжении всей зимы и весны регулярно производились измерения штангенциркулем и наблюдения за температурой воздуха. Ширина трещин и объем протечек в них увеличивались с каждым падением температуры и уменьшались по мере ее повышения, однако вплоть до весны ширина трещин не возвращалась к исходному значению при каждом возвращении температуры к прежнему уровню.
Протечки во всех четырех тоннелях были схожими, но наибольший объем наблюдался в тоннеле D, где в начале февраля обычный приток составлял около 0,0097 куб. фут/с, что эквивалентно 0,00000347 куб. фут/с на погонный фут тоннеля. Из этого количества 0,0065 куб. фут/с приходилось на восемь трещин с измеряемыми протечками, а оставшиеся 0,0032 куб. фут/с (или 0,00000081 куб. фут/с на погонный фут тоннеля) составляли общую фильтрацию, распределенную по всей длине.
Устранить каждую течь в тоннеле (большинство из которых обозначалось просто сырыми пятнами на бетоне) не представлялось возможным; однако был разработан довольно простой метод остановки течей в восьми-десяти местах каждого тоннеля, где вода капала со свода или текла по поверхности бетона. Самая сильная течь в любом из тоннелей составляла около 0,0023 куб. фут/с. Для устранения этих течей перфораторами с бурами джап (Jap drills) сквозь бетон до фланца чугуна высверливались ряды 1-дюймовых отверстий с шагом около 4 дюймов. Эти ряды имели длину от 3 до 18 футов, выходя на 1 фут или более за пределы зоны протечки. Дно отверстий приходилось непосредственно на чеканочный паз, и удары бура обычно осаживали чеканку назад, так что после бурения течь прекращалась или почти прекращалась. Если их оставлять без внимания, течи через несколько часов или дней постепенно пробивались вновь, выделяя больше воды, чем прежде. Тем не менее, в качестве эксперимента это было позволено сделать лишь в нескольких случаях. После бурения нижние 4 дюйма отверстия у фланца заполнялись мягким цементным раствором без добавок. Сразу поверх него закладывались две пробки из чистого цемента длиной около 2-1/2 дюйма, выдержанные 5–6 часов и достаточно твердые. Каждая из них уплотнялась круглым чеканочным инструментом диаметром с отверстие при помощи кувалды. Поверх них аналогичным образом забивались еще две пробки из чистого цемента того же размера, находящиеся в стадии полного схватывания. Они разрушались под ударами молотка и плотно зачеканивали отверстие. По окончании работ утрамбовывающий инструмент издавал звонкий звук, как при ударе по монолитной скале. На пластичный раствор в нижней части отверстия оказывалось сильное давление, что приводило к повторной чеканке стыка чугунных элементов. В отремонтированных трещинах в течение четырех месяцев не возникало никаких новых измеряемых протечек, а общая протечка в каждом тоннеле сократилась примерно до 0,002 куб. фут/с (в среднем 0,00000051 куб. фут/с на погонный фут).
Водосборные и насосные камеры.
Для обеспечения водоотведения из тоннелей для каждой пары тоннелей были предусмотрены водосборный приямок с расположенной над ним насосной камерой. Приямки представляли собой короткие тоннели под основными выработками, простирающиеся примерно между осевыми линиями последних. Они имели наружный диаметр 10 футов 9-1/2 дюйма и длину 44 фута. Вода поступала в приямки напрямую из дренажей по осям тоннелей. Над приямками и между тоннелями была построена насосная камера длиной 19 футов 5 инчей. Над торцом последней, противоположным приямку, между банкетными стенами двух тоннелей был устроен поперечный проход. Этот проход обеспечивает доступ из любого тоннеля через проем в полу в насосную камеру и далее через нее — к приямку.
По данным предварительного бурения предполагалось, что приямки расположены так, что вся конструкция целиком окажется в скальном грунте. Для тоннелей C и D это подтвердилось, но для тоннелей A и B — нет. Положение поверхности породы в последних показано на рис. 3. После завершения выемки грунта в тоннеле B (1 января 1908 года) плиты были демонтированы с борта тоннеля у поперечного прохода, и через грунт над поверхностью породы была пройдена штольня к обделке тоннеля А. Забой был раскреплен креплениями, как показано на рис. 3. Потерь воздуха из штольни практически не наблюдалось, но глиняный экран над этим местом был удален, и ситуация вызывала определенную тревогу. Чтобы сделать забой максимально надежным, к обделке обоих тоннелей прикрепили 24-дюймовые двутавровые балки, показанные на рис. 3. Эти балки образовали опору для постоянного бетонного арочного перекрытия прохода, которое было возведено немедленно. В то же время в тоннеле B над местом расположения приямка были сняты плиты в днище, и по оси приямка была начата проходка штольни в сторону тоннеля А. Как только штольня была пройдена за осевую линию насосной камеры, из разборки (забоя) в западном направлении внутри насосной камеры была выполнена нижняя штольня и осуществлена сбойка с поперечным проходом. Затем производился монтаж чугунной обделки насосной камеры от поперечного прохода в восточном направлении. Мягкий грунт разрабатывался непосредственно впереди обделки, а грунт удерживался с помощью продольной затяжки (полок) почти так же, как описывалось для щитовых работ. Из-за плохого грунта и прослоев песка, встреченных в скале ниже уровня поперечных балок, вся западная стена насосной камеры была смонтирована до расширения приямка до полного сечения. Это также было целесообразно для обеспечения максимальной поддержки чугунной обделки тоннелей. После этого приямок был разработан до полного сечения. Чугунная обделка приямка и восточная стена насосной камеры были установлены в кратчайшие сроки. Пустоты с внешней стороны чугунной обделки приямка и насосной камеры были максимально полно заполнены бетоном, а затем тщательно проинъецированы раствором. Наконец, внутри чугуна была смонтирована бетонная обделка.
Как показано на рис. 3, выемка грунта под эти камеры оставила значительную часть чугунной обделки тоннелей временно без опоры на нижней внутренней четверти. Для предотвращения деформаций была установлена система диагоналей и подкосов, как показано на рисунке.
Пол насосной камеры был гидроизолирован мешковиной (рулонным битумным материалом) на пекe способом, аналогичным описанному для кессонов в Лонг-Айленд-Сити. Закрепить битумную гидроизоляцию на вертикальных стенах с помощью мягкого пека (который был единственным видом, применимым в условиях сжатого воздуха) не представлялось возможным, поэтому поверхности были защищены стенкой из асфальтовых кирпичей, уложенных на пеке с температурой плавления 60° по Фаренгейту. По проектному контуру были установлены опалубки, а пространство до скалы было заполнено бетоном, образовав так называемую песчаную стенку, подобную тем, что обычно применяются для гидроизоляции рулонными битумными материалами. Затем кирпичи укладывались на высоту в четыре или пять рядов. Швы заполнялись пеком вместо раствора. К лицевой стороне стены прижимались стальные листы, раскрепленные от опалубки бетона. После этого между кирпичом и песчаной стенкой заливалось как можно больше пека, после чего бетон в основной стене поднимался до верха гидроизоляционного слоя. Затем стальной лист извлекался, и операция повторялась. Этот метод был медленным и дорогостоящим, но давал хорошие результаты. Обычный пек нельзя было использовать из-за выделения паров, которые особенно нежелательны в условиях сжатого воздуха. Пек с температурой плавления 60° перед использованием слегка подогревался на открытом воздухе.
Fig. 3.
Приямки и насосные камеры в тоннелях C и D отличались от описанных лишь в незначительных деталях; однако, будучи полностью сооруженными в скальном грунте, они представляли меньше трудностей и позволяли устроить сплошную гидроизоляционную оболочку в верхней части.
Бетонная обделка.
Укладка бетона внутри чугунной трубы выполнялась организацией, полностью отделенной от тоннелепроходческих сил. Бетоносмесительная установка была размещена в каждой из пяти шахт. Бункеры для щебня и песка разгружались напрямую в смесители, находящиеся внизу, которые, в свою очередь, разгружали смесь в стальные вагонетки для бетона с боковой разгрузкой. Весь бетон укладывался в условиях нормального воздуха.
Первым шагом после того, как чугунная обделка была очищена скребками, промыта струей воды и все течи были устранены, являлась установка балок (биат), обозначенных буквой B на листе LXXIV. Они изготавливались из бруса желтой сосны размером 6 на 12 дюймов и длиной 17 футов, к концам которого были пришиты два коротких бруска того же сечения с помощью отрезков 12-дюймовых швеллеров длиной 3 фута 9 инчей, закрепленных на боковых сторонах струбцинами. Эти балки устанавливались с шагом 5 футов вдоль тоннеля в кольцах, имеющих боковые замки. Затем на балки укладывался настил шириной 13 футов, на котором монтировались два пути с колеей 30 дюймов и межосевым расстоянием 6-1/2 фута. Бетонирование состояло из трех этапов. На рис. 2 на листе LXXIV показан бетон на месте по завершении первого этапа, а на рис. 3 на листе LXXIV — по завершении второго этапа. Возведение всего свода над банкетными стенами выполнялось в ходе последней операции.