(1) Одной из самых распространенных аварий является обвал передней части и боков выработки. Это часто можно предотвратить, следя за тем, чтобы забой выработки следовал естественному откосу материала, а не был более или менее близким к вертикальному. Однако, когда обвал все же происходит, его обычно можно отремонтировать путем удаления обвалившегося материала, сильного крепления полости и засыпки сзади камнем, деревом или фашинами.
(2) Выпучивание или поднятие дна тоннеля обычно можно рассматривать как следствие сжатия боковых стен. Обычно это происходит в очень рыхлых грунтах и важно главным образом потому, что становится необходимым восстановление боковых стен. Просадка дна тоннеля — более серьезное происшествие. Это редко случается, если под полом нет полости, вызванной либо естественными причинами, либо тем, что горные работы велись в холме или горе, прорезаемой тоннелем. Когда дно тоннеля проседает, можно рассмотреть три случая: (a) когда просадка ограничивается серединой пола тоннеля; (b) когда затронута только часть фундаментной кладки; и (c) когда нарушена вся обделка. В первом случае ремонт легко выполняется путем заполнения полости новым материалом. Во втором случае неповрежденная часть кладки временно поддерживается креплением, пока поврежденная часть удаляется и перестраивается на прочном основании. Оставшаяся полость затем заполняется. В случае полного разрушения обделки обычно применяется метод ремонта, используемый при обвале кровли и описанный ниже.
(3) Самым опасным из всех разрушений является обвал кровли тоннеля. В таких случаях можно рассмотреть два варианта: (a) когда обвалившаяся масса полностью заполняет сечение тоннеля, и (b) когда она заполняет только часть сечения.
Рис. 152. — Проходка через обвалившийся материал с помощью забоя.
Когда все сечение заполнено обвалившимся материалом, задачу можно рассматривать как проходку нового тоннеля небольшой длины внутри старого тоннеля и в довольно более сложных условиях. Первая задача, особенно если люди оказались заперты за обвалившимся материалом, — открыть сообщение через него между двумя неповрежденными частями тоннеля. Желательно делать это даже тогда, когда нет опасности для жизни из-за запертых рабочих, поскольку это позволяет вести ремонтные работы с обоих направлений. Проходка прохода через обвалившийся материал затруднена как тем, что обвалившийся материал имеет неустойчивый характер, так и тем, что он обычно заполнен кладкой обделки, креплением и т. д. Поэтому, когда авария произошла до того, как было вынуто полное сечение исходного материала, первый забой или выработка проходятся через этот исходный материал, а не через обвалившиеся обломки. Можно использовать любой из обычных методов тоннелестроения в мягких грунтах, но обычно лучше выбрать тот, который позволяет возводить кладку с как можно меньшей выемкой грунта вначале. По этой причине немецкий метод тоннелестроения особенно подходит для ремонтных работ такого рода. Бельгийский метод также может быть использован с выгодой, особенно когда обвал распространяется до поверхности земли выше, и верхняя часть обломков, следовательно, практически является тем же материалом, через который был пройден исходный тоннель. Самый большой недостаток бельгийского метода для проведения ремонта заключается в том, что свод кровли поддерживается довольно неустойчивой массой перемешанного грунта, камня и дерева, которая составляет нижний слой обвалившегося материала. Метод крепления работы при использовании немецкого или бельгийского метода показан на рис. 152. Иногда случается, что обвалившиеся обломки настолько неустойчивы, что не выдержат безопасно кладку свода при бельгийском методе или крепление при немецком методе, и в этих случаях обычно принимается один из методов проходки полного сечения. Характер используемого крепления показан на рис. 153. Когда сечение было открыто и новая кладка возведена, следует соблюдать большую осторожность, чтобы заполнить полость за кладкой деревом или камнем; и если нарушение доходит до поверхности земли, часто хорошим планом является проходка шахты через нарушенный материал и заполнение ее более устойчивым материалом.
Рис. 153. — Проходка через обвалившийся материал с помощью выработок.
Когда обвалившиеся обломки заполняют только часть сечения, первое, что нужно предусмотреть, — это предотвращение любого дальнейшего обвала; и это обычно делается путем строительства защитной кровли выше линии будущей кладки кровли. Рис. 154 и 155 показывают два метода строительства этой временной кровли, которая, как можно заметить, заполнена сверху набивкой из дров. Как только временная кровля завершена, возводится кладка обделки.
Рис. 154 и 155. — Заполнение полости кровли, образованной обвалившимся материалом.
Рис. 156. — Крепление для предотвращения оползней у портала.
(4) Оползни, закрывающие вход в тоннель, ремонтируются различными способами. Рис. 156 показывает распространенный метод предотвращения распространения оползня, который был начат выемкой грунта для кладки входа. Рис. 157 показывает метод, часто принимаемый, когда откос довольно пологий, а количество сползающего материала невелико. Он по существу состоит в удалении обвалившегося материала и строительстве нового портала дальше назад; то есть открытая выемка продлевается, а тоннель укорачивается. Когда количество сползающего материала очень велико, может быть принята противоположная практика удлинения тоннеля и укорачивания открытой выемки, как показано на рис. 158.
Рис. 157. — Укорачивание тоннеля, раздавленного оползнем у портала.
Аварии после строительства.
—Аварии после завершения тоннеля можно разделить на два класса: во-первых, те, которые полностью препятствуют проходу поездов, из которых обвал кровли является наиболее распространенным; и во-вторых, те, которые позволяют продолжать движение во время проведения ремонта, такие как выпучивание внутрь части обделки без полного обрушения. В первом случае первая обязанность инженера — открыть сообщение через обвалившиеся обломки, чтобы пассажиры, по крайней мере, могли быть переведены из одной части тоннеля в другую и продолжить свой путь. Это делается путем проходки забоя и его сильного крепления, чтобы он служил проходом. Если тоннель однопутный, этот забой впоследствии расширяется, пока не будет открыто все сечение. В двухпутных тоннелях обычно принятый метод — сначала открыть одну сторону сечения и сильно укрепить ее, чтобы освободить один путь для движения. Пока поезда идут через этот временный проход, другая половина сечения открывается и ремонтируется; затем движение переключается на новый постоянный путь, а временная конструкция, использованная первой, заменяется постоянной обделкой. Когда авария такова, что ремонт можно провести, не препятствуя движению полностью, следуют различным режимам действий. Во всех случаях необходимо соблюдать большую осторожность, чтобы предотвратить аварию с поездами и рабочими тоннеля. Работа должна выполняться небольшими участками, чтобы как можно меньше нарушать уже нарушенное равновесие грунта; крепление должно быть размещено так, чтобы дать достаточно свободного пространства для проходящих поездов, а сами поезда должны двигаться с низкой скоростью мимо места ремонта. Чтобы проиллюстрировать два вида аварий и методы их ремонта, которые были упомянуты, были выбраны аварии в тоннеле Джови в Италии и в тоннеле Чаттануга в Америке.
Рис. 158. — Удлинение тоннеля через оползень у портала.
Авария в тоннеле Джови.
—В сентябре 1869 года в точке примерно в 220 футах от южного портала тоннеля Джови было замечено нарушение кладки обделки на протяжении около 52 футов. Точные измерения показали, что обделка не симметрична относительно вертикальной оси сечения профиля. Был сделан вывод, что из-за некоторого нарушения окружающего грунта на кладку действуют несимметричные вертикальные и боковые давления. За деформированной кладкой велось пристальное наблюдение, которая некоторое время оставалась неизменной в положении. Однако в 1872 году было замечено развитие новых трещин, и вскоре после этого, в январе 1873 года, поврежденная часть кладки обвалилась, перекрыв все сечение тоннеля. Обвалившийся материал состоял главным образом из глины в почти пластичном состоянии. Было замечено, что поверхность земли выше просела. Расследование также показало, что причиной обвала было просачивание воды из близлежащего ручья. Вода пропитала грунт и уменьшила его устойчивость до такой степени, что кладка обделки оказалась не в состоянии выдержать возросшие вертикальные и боковые давления.
Порядок действий, принятый для устранения повреждений, был следующим: (1) открыть по крайней мере один путь для временного пропуска движения; (2) окончательно устранить причины, вызвавшие обрушение; (3) построить новую, значительно более прочную обделку. Рядом с западной боковой стеной, которая все еще стояла, была удалена порода, а проем был усилен мощным креплением, чтобы позволить уложить один путь для восстановления сообщения. В то же время с поверхности над обрушившейся частью тоннеля был пройден шахтный ствол с двойной целью: облегчить удаление обрушившегося материала и обеспечить вентиляцию. Глубина от поверхности до тоннеля составляла 41,6 фута (12,7 м), что сделало строительство шахты сравнительно простой задачей. Сама шахта имела ширину 6,5 фута (2 м) и длину 18 футов (5,5 м), причем ее большая сторона располагалась параллельно тоннелю; она была закреплена прямоугольной горизонтальной рамой и вертикальной затяжкой. После того как было открыто временное сообщение по западному пути тоннеля, остатки обрушившегося грунта были удалены, а выработка закреплена. Затем была построена новая каменная обделка.
Для окончательного устранения причины обвала, которой была фильтрация воды из близлежащего ручья, этот ручей был отведен в новое русло, построенное с бетонным ложем и боковыми стенами.
Разрушение первоначальной обделки произошло из-за появления трещин в своде, пятах и линиях пят. Новая обделка была сделана значительно толще первоначальной, а в местах, где в исходном своде впервые возникли разрушения, в кирпичную кладку нового свода были вставлены тесаные камни (замковые камни), как описано в главе XIII.
Тоннель Чаттануга.
Железная дорога Western & Atlantic проходит через горы Чаттануга посредством однопутного тоннеля длиной 1477 футов (450 м), построенного в 1848–1849 годах. Обделка состояла из кирпичного свода и стен из каменной кладки. После того как тоннель был открыт для движения, эта обделка местами выпятилась внутрь, сузив сечение тоннеля до такой степени, что было решено реконструировать деформированные участки. После тщательных изысканий и расчетов было решено разобрать и реконструировать около 170 футов (52 м) обделки.
Из-за ограниченного пространства в тоннеле необходимо было убирать всех людей, инструменты и материалы всякий раз, когда должны были проходить поезда; для этого был оборудован рабочий поезд из трех вагонов с необходимыми подмостями, снабженный бензиновыми горелками для освещения. Раствор замешивали прямо в вагонах, и все материалы оставались на них до момента использования. Порода, извлеченная из старой стены, грузилась в вагоны и вывозилась в отвал. Рядом с западным порталом тоннеля был построен разъезд для использования этого поезда, а между входами и рабочим поездом была установлена телефонная связь. Из-за ограниченного рабочего пространства и большей легкости работы с кирпичом было решено восстанавливать стены из кирпича, а не из камня.
При разборке старой стены сначала пробивалось отверстие через три нижних ряда свода, которое постепенно расширялось. Когда проем достигал четырех-пяти футов в длину, вблизи его центра устанавливался небольшой домкрат, который подводился к своду для его поддержания. После расширения проема до длины от 7 до 10 футов (2,1–3 м), в зависимости от устойчивости грунтовой засыпки, домкрат убирали, а под свод подводили брус сечением 8×16 дюймов (20×40 см), который подпирали домкратами. Один конец бруса опирался на старую стену, другой — на уступ, встроенный в примыкающий участок новой стены. Затем под концы бруса забивались клинья, а домкраты убирали. С установленным брусом старую стену можно было легко разобрать; единственной трудностью было то, что мелкие камни и грунт осыпались сверху и из-за свода. Это предотвращалось установкой 2-дюймовой (5 см) доски поперек проема, непосредственно за брусом 8×16 дюймов. Однако в нескольких местах грунтовая засыпка была насыщена водой, и по мере удаления старой стены приходилось устанавливать затяжку. Это крепление убиралось по мере возведения новой конструкции.
Надежное основание для новой стены было обеспечено на глубине от 2 до 4 футов (0,6–1,2 м) с использованием бетонной подготовки. Затем участок новой стены возводился как можно ближе к брусу 8×16 дюймов; после этого брус убирали, а новую стену достраивали и расклинивали под сводом.
Новая стена имела минимальную ширину 2,5 фута (0,76 м) в верхней части и 4 фута (1,2 м) на уровне головки рельса и была снабжена дренажными отверстиями через определенные интервалы. Для ускорения работ они велись одновременно в двух или трех разных местах, с расчетом на то, чтобы один участок был разобран и подготовлен для каменщиков к тому времени, когда они закончат секцию новой стены в другом месте.
При перестройке свода разбирались участки от линии пят вверх настолько, насколько это было необходимо для получения желаемого габарита, длиной от 2,5 до 4 футов (0,76–1,2 м). У стен грунт над сводом представлял собой плотную глину, которая была устойчивой, но ближе к центру встречался слой гравия и глины, насыщенный водой. Это доставляло значительные трудности, так как грунт осыпался почти непрерывно, пока не удавалось установить крепление. Один конец этого крепления опирался на старый свод, другой — на примыкающий участок новой конструкции. Поскольку новая конструкция должна была быть установлена на 6–13 дюймов (15–33 см) дальше старой, необходимо было сделать подкладки поверх старого свода, чтобы опереть конец затяжки так, чтобы она не касалась нового свода.
Из-за малого зазора между крышей вагона и сводом требовалась специальная форма кружал, занимающая как можно меньше места. Полосовое железо толщиной 1 дюйм (2,5 см), шириной 4 дюйма (10 см) и длиной 20 футов (6 м) было изогнуто по радиусу 6,5 фута (2 м), и к его нижней стороне была приклепана 6-дюймовая (15 см) пластина толщиной 0,25 дюйма (0,6 см). Эта пластина выступала на 1 дюйм по бокам кружал и поддерживала концы 1-дюймовых досок, используемых для опалубки. Заклепки были потайными с внешней стороны кружал, чтобы обеспечить гладкую поверхность со стороны свода.
При замыкании секции новой конструкции необходимо было оставить открытым пространство размером около 18 дюймов (45 см) для работы строителей. Как только следующий участок был разобран, это пространство закладывалось. При возведении последнего участка это пространство приходилось заполнять снизу, что оказалось утомительной задачей. Проем постепенно уменьшался до размера 10×18 дюймов, после чего верхнее кольцо завершалось и расклинивалось, при этом адгезия раствора удерживала кирпичи на месте до тех пор, пока не удавалось забить замковый камень. Следующее кольцо обрабатывалось аналогичным образом, и так далее до лицевого кольца. Всего было разобрано и перестроено 412 погонных футов (125,5 м) стен и 178 погонных футов (54 м) свода, что в сумме составило 607 кубических ярдов (464 куб. м) кладки общей стоимостью 7440 долларов, или около 12,25 доллара за кубический ярд.
Регулярные поезда прибывали к тоннелю так часто, что самое долгое время для работы между двумя поездами составляло чуть более двух часов, а обычно удавалось поработать менее одного часа за раз. Помимо регулярных поездов, приходилось пропускать большое количество дополнительных поездов с войсками. Работы продолжались восемь месяцев, и за это время не было ни одной задержки пассажирского поезда. Ремонт был завершен в августе 1899 года. Работы велись под руководством инженера железной дороги Western & Atlantic г-на У. Х. Уорли и прораба А. Х. Ричардса. Недавний осмотр не выявил никаких признаков осадочных трещин в местах сопряжения новой и старой кладки.
ГЛАВА XXIII. ЗАМЕНА ДЕРЕВЯННОЙ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЕЙ НА КАМЕННУЮ.
Первоначальное строительство многих американских железнодорожных тоннелей с деревянной обделкой для снижения стоимости и ускорения работ привело к необходимости их замены с течением времени на более долговечный материал. В большинстве случаев работы по удалению старой обделки и замене ее новой каменной кладкой приходилось выполнять без прерывания движения поездов, и инженерами был разработан ряд остроумных методов для выполнения этой задачи. Три из этих методов, которые были применены, соответственно, при переобделке тоннеля Боулдер на железной дороге Montana Central в Монтане, тоннеля Маллан на железной дороге Northern Pacific в Монтане и тоннеля Литтл-Том на железной дороге Norfolk & Western в Вирджинии, были выбраны как достаточно характерные для этого вида тоннельных работ.
Тоннель Боулдер.
Этот тоннель прорезает отрог главного хребта Скалистых гор на отметке проектного уклона 5454 фута (1662 м) и имеет длину 6112 футов (1863 м). Его трасса прямолинейна, за исключением 150-футового (46 м) участка кривой радиусом 30' на северном конце. Пройденная порода представляет собой синий трапп с прожилками на протяжении 4950 футов (1509 м) от северного конца и сиенитовые валуны с промежутками, заполненными разложившимся материалом, на оставшихся 1160 футах (354 м). Размеры и характер старой деревянной обделки и новой каменной обделки, заменяющей ее, показаны на рис. 159 и 160.
Принятая форма каменной кладки состояла из стен из грубого бутового гранита высотой 13 футов 8 дюймов (4,16 м) и толщиной обычно 20 дюймов (50 см), с полным полуциркульным сводом из четырех рядов кирпича, уложенного тычковыми рядами. Когда требовалась большая прочность, толщина боковых стен увеличивалась до 30 дюймов (76 см), а свода — до шести рядов кирпича.
Поперечное сечение.
Продольный разрез.
Поперечное сечение.
Поперечное сечение.
Рис. 159 и 160. — Замена деревянной обделки тоннеля.