Page numbers in [brackets] represent full-page illustrations or unpaginated plates, here placed as close as practicable to their referring text.
The larger illustrations are shown as thumbnails linked to the full-size version.
АМЕРИКАНСКОЕ ОБЩЕСТВО ГРАЖДАНСКИХ ИНЖЕНЕРОВ
ОСНОВАНО В 1852 ГОДУ
ТРУДЫ
Доклад № 1157
ПРОКЛАДКА ТОННЕЛЕЙ ПЕНСИЛЬВАНСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ В НЬЮ-ЙОРКЕ. УЧАСТОК ТЕРМИНАЛЬНОЙ СТАНЦИИ. 1
Джордж К. Кларк, член Ам. о-ва гр. инж.
Цель настоящего доклада — описать предварительные работы и подготовку той части участка под терминальную станцию в Манхэттене в рамках проекта прокладки тоннелей Пенсильванской железной дороги в Нью-Йорке, которая строилась под руководством главного инженера дивизиона Ист-Ривер, включая вывоз грунта, разработанного во всех частях терминала и тоннелей дивизиона Ист-Ривер.
Как изложено в докладе бригадного генерала Чарльза У. Реймонда, члена Ам. о-ва гр. инж., председателя Совета инженеров, станционный путевой парк (рис. LIII) простирается от восточной линии Десятой авеню на восток до точек на 32-й и 33-й улицах, находящихся соответственно в 292 и 502 футах к востоку от западной линии Седьмой авеню. Ширина доступной площади на уровне путей у Десятой авеню составляет 213 футов и сохраняется на этом уровне до точки, отстоящей на 182 фута к западу от западной линии Девятой авеню, где за счет смещения на юг она увеличивается до 355 футов. Эта ширина удерживается до точки, расположенной в 5 футах к востоку от восточной линии Девятой авеню, где за счет смещения на север она увеличивается до 509 футов; эта ширина сохраняется до западной линии Седьмой авеню, где она разделяется на две веерообразные зоны. Ширина северной зоны составляет около 170 футов, а южной — 160 футов у красной линии застройки; каждая зона постепенно сужается до ширины стандартного трехпутного тоннеля в восточных концах, указанных выше на 33-й и 32-й улицах. Дополнительное путевое пространство для четырех отстойных тупиков приобретается за счет строительства двух двухпутных тоннелей под Девятой авеню на 33-й улице, оси которых параллельны улице и находятся на расстоянии соответственно 45,5 и 84,5 футов от северной красной линии застройки. Дополнительная ширина в 24,5 фута занята на севере на расстоянии от 277,5 до 543,5 футов к западу от западной линии Седьмой авеню, где здания на северной стороне 33-й улицы были снесены, а ограждающая стена отодвинута назад в расчете на будущий выход к 34-й улице; а на юге на расстоянии от 459 до 597 футов к западу от западной линии Седьмой авеню прямоугольное смещение в 124 фута охватывает площадь, занятую служебным зданием. Общая площадь, очерченная выше, представляет собой пространство, занимаемое на уровне путей, и составляет 28 акров, из которых часть к западу от восточной красной линии застройки Девятой авеню и к югу от линии, проходящей в 107,3 футах к югу от южной линии 33-й улицы, является частью дивизиона Норт-Ривер и строилась под руководством инженеров этого дивизиона; веерообразные зоны к востоку от западной красной линии застройки Седьмой авеню строились под руководством главного инженера по электрической тяге и строительству терминальных станций.
План LIII. Пенсильванский вокзал, Нью-Йорк: план с указанием площади на уровне путей
В июне 1903 года, когда началась работа автора над проектом, предварительные изыскания были завершены, а расположение и размеры путевой зоны терминала — определены в отношении занимаемых кварталов города. Однако эта предполагаемая площадь не включала участок между Девятой и Десятой авеню, который был добавлен впоследствии. Отметка уровня путей также была установлена в соответствии с требованием соглашения с городом о том, что ни одна часть постоянной конструкции не должна приближаться к поверхности ближе чем на 19 футов под любой авеню или любой улицей, за исключением территории терминала. Наиболее близко к поверхности пути подходят в точке, расположенной в 320 футах к востоку от Восьмой авеню, где головка рельса находится на 40 футов ниже уровня бортового камня 31-й улицы.
Промывочное бурение. После принятия общего плана ограждения территории подпорными стенами было выполнено промывочное бурение с целью определения наилучшего расположения стен, глубины залегания скального грунта и характера подстилающих его пород. Бурение выполнялось вдоль обеих линий бортового камня Седьмой авеню, восточной линии бортового камня Девятой авеню, северной линии бортового камня 33-й улицы и южной линии бортового камня 31-й улицы. Бурение, как правило, производилось с интервалами приблизительно в 100 футов; в эти интервалы вносились некоторые отклонения во избежание повреждения водопроводных, газовых и канализационных подключений; если отметка поверхности скального грунта, определенная по одной из скважин, достаточно хорошо соответствовала данным скважин по обе стороны от нее, промежуточные скважины не бурились. При обнаружении расхождений скважину бурили посередине между двумя несоответствующими, а если информация, полученная из промежуточной скважины, не объясняла расхождения, дополнительные скважины бурили в точках четверть деления исходного 100-футового интервала.
Пунктирные линии на рис. 1 показывают профили поверхности скального грунта под 31-й и 33-й улицами по линии скважин, построенные по полученным в результате бурения отметкам; сплошные линии показывают профили фактической поверхности скального грунта в том виде, в каком она была обнаружена при вскрытии. Следует отметить, что, за исключением трех случаев (скважины 313, 328 и 333), оба профиля очень близко соответствуют друг другу в точках бурения, но существенно различаются между этими точками, причем отклонение в 5 футов является обычным; наблюдается отклонение в 14 футов между скважинами 324 и 327, а также между № 337 и 340; и 12 футов между № 333 и 335, а также между № 312 и 313, в то время как экстремальное отклонение в 17 футов зафиксировано между № 303 и 305. В каждой точке значительного расхождения интервал между скважинами составляет полные 100 футов, и совершенно очевидно, что для получения четкого представления об отметке поверхности скального грунта в Манхэттене бурение необходимо выполнять с меньшими интервалами.
Необходимая ширина траншеи для возведения подпорных стен определялась отметкой скального грунта, показанной по данным бурения, и лишь в случае понижения между скважинами 303 и 305 это расхождение привело к определенным трудностям. Траншею в этой точке пришлось расширить после достижения скального грунта. Данная впадина по своему расположению очень точно соответствовала одному из рукавов ручья, показанному на карте генерала Виле 1865 года, причем ложе этого ручья или ручья в примерно том же месте четко выделялось по всей выемке гладко отшлифованными скалами и хорошо окатанными валунами. Однако первоначальный ручей, судя по всему, поворачивал в западном направлении под 31-й улицей к Восьмой авеню, а не пересекал ее, как показано на карте генерала Виле.
Рис. 1. ПРОФИЛЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ СКАЛЬНЫХ ПОРОД НА ТРИДЦАТЬ ПЕРВОЙ И ТРИДЦАТЬ ТРЕТЬЕЙ УЛИЦАХ МЕЖДУ СЕДЬМОЙ И ДЕВЯТОЙ АВЕНЮ.
Канализация. Расположение канализационных коллекторов на улицах вблизи участка терминала до начала строительства и площадь водосбора, обслуживаемая этими коллекторами, показаны на рис. 2. Главный коллектор для этого района находился на Восьмой авеню и представлял собой круглый кирпичный водовод диаметром 6 футов в пределах территории терминала. Подводимые к нему с запада по 31-й, 32-й и 33-й улицам коллекторы были эллиптическими (3 на 2 фута) и яйцевидными (4 фута на 2 фута 8 дюймов), хотя ни один из них не дренировал территорию площадью более одного квартала и все они имели крутой уклон. Коллекторы, впадавшие в Восьмой авеню с востока, на 31-й улице были яйцевидными размером 4 фута на 2 фута 8 дюймов и дренировали участок протяженностью в два квартала, а на 32-й и 33-й улицах — круглыми диаметром 4 фута и дренировали территорию протяженностью на три квартала, или вплоть до Пятой авеню на востоке. На Седьмой авеню в пределах территории терминала канализационных коллекторов не было, за исключением небольших керамических труб длиной менее 200 футов каждая.
Было желательно, чтобы размер и количество канализационных коллекторов на улицах и авеню вокруг терминала были сведены к минимуму из-за сложностей с их обслуживанием во время строительства, а также для снижения вероятности утечки сточных вод в подземную часть объекта после его завершения. С учетом этого был принят план строительства перехватывающего коллектора по Седьмой авеню от северной стороны 33-й улицы до коллектора на 30-й улице, который, являясь круглым водоводом диаметром 4 фута, был достаточно велик, чтобы вместить все сточные воды, поступающие с востока от Седьмой авеню и с юга от 34-й улицы. Было решено выполнить этот коллектор из чугуна в местах пересечения с проектируемыми строительными работами, а также заменить на чугунные кирпичные коллекторы на 31-й, 32-й и 33-й улицах от Седьмой авеню до точки к востоку от западного конца стандартной секции тоннеля и коллектор на Восьмой авеню от северной стороны 33-й улицы до южной стороны 31-й улицы. Такое решение позволяло: во-первых, ликвидировать коллектор на 32-й улице между Седьмой и Восьмой авеню, что было необходимо, так как эта улица подлежала разработке; во-вторых, уменьшить диаметр круглого коллектора на Восьмой авеню с 6 до 5 футов; и, в-третьих, при условии, что сточные и дренажные воды из терминала будут перекачиваться непосредственно в коллекторы на авеню, уменьшить коллекторы на 31-й и 33-й улицах от Седьмой до Девятой авеню до керамических труб диаметром 15 дюймов, за исключением участка к западу от служебного здания на 31-й улице, для обслуживания которого требовался коллектор большего размера. Коллектор на 32-й улице от Девятой до Восьмой авеню, разумеется, мог быть исключен при любой схеме, поскольку вся обслуживаемая им площадь подлежала разработке.
Рис. 2. ПЛАН С УКАЗАНИЕМ РАСПОЛОЖЕНИЯ КАНАЛИЗАЦИОННОГО КОЛЛЕКТОРА В ВОДОСБОРНОЙ БАССЕЙНОВОЙ ЗОНЕ ВОКРУГ ТЕРМИНАЛЬНОЙ СТАНЦИИ
Газовые и водопроводные магистрали. Требовалась перекладка газопроводов на трех улицах, пересекающих участок терминала. Эти трубы делились на две категории: магистральные трубопроводы и распределительные сети (вводы). К счастью, на трех улицах было всего два магистральных трубопровода: один диаметром 20 дюймов на 31-й улице от участка к востоку от Седьмой авеню до Девятой авеню, а второй диаметром 16 дюймов на 32-й улице от участка к востоку от Седьмой авеню до Восьмой авеню. 20-дюймовая магистраль была перенесена с Седьмой авеню и 31-й улицы вниз по Седьмой авеню до 30-й улицы и далее по этой улице до Девятой авеню. 16-дюймовая магистраль была перенесена с Седьмой авеню и 32-й улицы на север до 34-й улицы и далее по этой улице до Восьмой авеню. Распределительные сети на 32-й улице больше не требовались, поэтому их демонтировали и не восстанавливали. Дома на 31-й и 33-й улицах обеспечивались газом через две 6-дюймовые кованые магистрали, проложенные позади подпорных стен на каждой улице; такое расположение было выбрано во избежание повреждения гидроизоляции мостовых конструкций улиц капелью из газовых труб. Поскольку постоянные конструкции под авеню не должны были подходить к поверхности ближе чем на 19 футов, потребовались лишь незначительные переделки, достаточные для прокладки новых коллекторов и водопроводных линий.
Крупных водопроводных магистралей, требующих переноса, не было; фактически трубы на улицах были слишком малы для обеспечения достаточной пожарозащиты — их диаметр составлял всего 6 дюймов. Магистраль на 32-й улице была демонтирована и не восстанавливалась, а магистрали на 31-й и 33-й улицах были заменены 12-дюймовыми трубами, уложенными позади подпорных стен. Изменения в магистралях на авеню не потребовались, однако перед утверждением перепланировки для улиц Департамент водоснабжения, газа и электричества добавил 48-дюймовую магистраль на Восьмой авеню, которую следовало проложить в рамках данного строительства, причем трубы предоставлялись городом.
Расположение и конструкция подпорных стен. Планы с самых ранних этапов предусматривали опирание подпорной стены на поверхность скального грунта при его надлежащем качестве с последующей выемкой скальной породы перед подошвой стены до проектной отметки земляного полотна. Этот план был окончательно принят вскоре после завершения бурения из-за высокой опасности взрывных работ при выемке больших объемов скального грунта в траншеях с креплениями вблизи зданий, возведенных на мягких грунтах, а также во избежание дополнительных затрат и задержек, которые возникли бы при заглублении стен до проектной отметки земляного полотна. Подпорные стены на Седьмой авеню к югу от эстакады и на Девятой авеню к северу от эстакады не подчинялись тем же условиям, что и на улицах. Падение и качество скального грунта в обеих точках требовали заглубления стен до проектной отметки земляного полотна, и фактически они представляют собой облицовочные стены; в частности, стена на Девятой авеню имеет незначительную нагрузку от распора и выполнена очень легкой.
При проектировании и размещении подпорных стен на 31-й и 33-й улицах преследовались следующие цели:
Первое. Абсолютно устойчивая стена при любых условиях, которые можно обоснованно ожидать;
Второе. Максимально возможное пространство на отметке верха рельса;
Третье. Минимально необходимое вмешательство в дела прилегающей собственности во время строительства; и
Четвертое. Наиболее экономичная стена, которая удовлетворяла бы остальным условиям.
Как указано в докладе Альфреда Нобла, бывшего президента Ам. о-ва гр. инж., третье условие требовало отказа от части пространства под этими улицами, предоставленного городом, однако в итоге было решено не приближаться задом стен к южной красной линии застройки 31-й улицы ближе чем на 9 футов, в то время как на 33-й улице крайнее положение задней грани было установлено по северной линии, поскольку на красной линии застройки в местах понижения скального грунта не было зданий, за исключением принадлежащих железнодорожной компании.
При проектировании стены принимались следующие допущения:
First.—Weight of concrete, 140 lb. per cu. ft.
Второе. Вес материала от поверхности земли до глубины 12 футов (которая, как показали испытания в скважинах, соответствует отметке зеркала грунтовых вод) — 100 фунтов на куб. фут; угол естественного откоса — 30 градусов. Глубина 12 футов ниже поверхности соответствовала глубине лотков канализационных коллекторов, которые несомненно дренировали вышележащий грунт, что объясняет залегание уровня грунтовых вод в плоскостях, практически параллельных поверхности.
Третье. Весом зданий позади стены пренебрегли, так как вес зданий существующего типа примерно равен весу подвалов, засыпанных грунтом с плотностью 100 фунтов на куб. фут, а если в будущем будут возведены крупные здания, их фундаменты несомненно доведедут до скального основания.
Fourth.—Reaction from superstructure, live and dead load, 20,000 lb. per lin. ft. of wall.
Пятое. Вес материалов ниже 12-футовой отметки принят равным 124 фунтам на куб. фут, что рассчитано следующим образом: материал в плотном теле считался имеющим вес 165 фунтов на куб. фут и 40% пустот, заполненных водой с весом 62,5 фунта на куб. фут, в результате чего вес составил (165 × 60/100) + (62,5 × 40/100) = 124 фунта на куб. фут.
При расследовании для этого материала применялись различные углы естественного откоса, и в конце концов было решено, что 30° — наибольший угол, которого можно ожидать, в то время как наихудшее условие, которое можно было предвидеть, заключалось в том, что песок и вода будут действовать раздельно, создавая давление со следующими параметрами:
Гидравлическое давление жидкости весом 62,5 фунта на куб. фут плюс давление песка с углом естественного откоса 30° и следующим весом:
Вес 1 куб. фута в воздухе = 165 × 60/100 = 99 фунтов.
Вес воды, вытесняемой 1 куб. футом = 60/100 × 62,5 фунта = 37,5 фунта.
Следовательно, вес в воде = 61,5 фунта на куб. фут.
Эти суммарные веса, разумеется, равны весу комбинированного материала в предыдущем допущении.
Шестое. Обычное требование о том, чтобы равнодействующая как горизонтальных, так и вертикальных сил во всех точках попадала в среднюю треть стены, или, иными словами, чтобы в бетоне не возникали растягивающие напряжения.
Исходя из этих допущений, были проанализированы стены с различными наклонами и различной конструкцией задней грани. Данный анализ выявил тот факт, что реакция от надземной конструкции настолько велика, что для обеспечения экономичности как по первоначальным затратам, так и по занимаемому пространству наклон должен быть достаточным для того, чтобы эта реакция попадала в пределы средней трети или очень близко к ней. Ничего нельзя было выиграть за счет того, чтобы эта реакция приходилась позади передней трети средней трети, поскольку стена должна была быть устойчивой против полного давления еще до возведения надземной конструкции и на случай ее возможного демонтажа; или, выражаясь яснее, реакция от надземной конструкции была настолько велика по сравнению с весом стены, что если бы она приходилась впереди равнодействующей всех остальных сил, то для обеспечения устойчивости стены после возведения надземной конструкции потребовалось бы значительно увеличить ширину подошвы; в то время как если бы реакция от надземной конструкции приходилась позади равнодействующей всех остальных сил, ширину подошвы нельзя было бы соответствующим образом уменьшить без риска опрокидывания стены до возведения надземной конструкции. Наименьший наклон, удовлетворяющий этим условиям, составил 2 дюйма на фут.
Для удобства проектирования и экономичности изготовления стальных конструкций лицевые поверхности подферменника и застенка были запроектированы параллельными оси терминала, а по высоте — на линии, параллельной верху бортового камня и настолько близко к нему, насколько позволяла экономичная глубина стальных балок, не выводя законченную конструкцию выше отметки, установленной постановлением. Поскольку разница в отметках верха бортового камня 31-й улицы над верхом рельса составляет 13 футов, а на 33-й улице — 18 футов, постоянный наклон с верхом, параллельным оси, привел бы к тому, что расстояние от подошвы до оси и других конструкций варьировалось бы. Поэтому из эстетических соображений было решено сделать лицевую поверхность стены (или ее продолжение) на уровне верха рельса параллельной оси терминала, а наклон изменять соответствующим образом, используя упомянутый выше наклон в 2 дюйма в качестве минимального. Это дало максимальный наклон в 3 дюйма на фут. Изменение происходит настолько плавно, что оно незаметно и не создает каких-либо осложнений при строительстве.