Примечания переписчиков: Для некоторых таблиц суммы не сходятся с указанными числами; исправления не вносились. Все числа приведены из оригинала. Незначительные несоответствия в дефисном написании были сохранены.
AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS
INSTITUTED 1852
ТРУДЫ
Paper No. 1155
THE NEW YORK TUNNEL EXTENSION OF THE PENNSYLVANIA RAILROAD.
THE NORTH RIVER TUNNELS. [A]
By B. H. M. Hewett and W. L. Brown, Members, Am. Soc. C. E.
[A] Представлено на заседании 1 июня 1910 г.
Введение.
Участок работ по проходке туннелей Пенсильванской железной дороги, описанный в настоящей статье, расположен между Десятой авеню в Нью-Йорке и большой шахтой, построенной компанией в Уихокене, штат Нью-Джерси, и таким образом охватывает пересечение Северной реки (или Гудзона) — преграды, которая столь долгое время стояла между железными дорогами и созданием их терминальных станций в Нью-Йорке. Общий план и разрез показаны на Листе XXVIII.
Настоящая статья написана с точки зрения лиц, нанятых главным инженером железнодорожной компании для надзора за строительными работами на объекте. История предприятия не рассматривается, различные этапы, через которые прошли многие проекты и планы, не прослеживаются, а также не излагаются соображения относительно фундаментов под подводными частями туннелей и различные испытания, проведенные в связи с этим вопросом, поскольку все эти материалы читатели найдут в других статьях, посвященных данным туннелям.
Цель этой статьи — лишь как можно короче описать фактические проекты, которые были в конечном итоге приняты, реальные условия, встретившиеся на местности, и методы строительства, примененные подрядчиками.
Для удобства поиска и объединения описаний работ схожего характера материал изложен под четырьмя основными заголовками, а именно: Шахты, Оборудование, Наземные туннели и Речные туннели.
Шахты.
Не предполагается уделять много места описанию шахт или наземных туннелей, так как наибольший интерес, вероятно, вызовут речные туннели.
Шахты не входили в основной контракт на проходку туннелей, но были построены по договору Инженерно-строительной компанией О'Рурка в период подготовки проектной документации по туннелям. Таким образом, к моменту заключения контрактов на туннели подрядчик обнаружил шахты готовыми и смог сразу приступить к работе.
Было предусмотрено две шахты: одна со стороны Нью-Йорка, другая со стороны Нью-Джерси. Их точное расположение показано на Листе XXVIII. Они были размещены как можно ближе к точке, в которой исчезновение скального грунта в туннелях обусловило необходимость начала щитовой проходки.
Ниже приводится краткое описание деталей шахт.
Манхэттенская шахта. — Манхэттенская шахта расположена примерно в 100 футах к северу от оси туннеля; в ее конструкции не было ничего примечательного. Общие показатели, относящиеся к обеим шахтам, приведены в Таблице 1.
Уихокенская шахта. — Уихокенская шахта показана на Рис. 1. Это, как видно из Таблицы 1, был сравнительно крупный объект. Шахта расположена над туннелями и охватывает оба из них. В первоначальном проекте стена шахты должна была повторять в плане красную линию застройки, показанную на Рис. 2, и доходить лишь до поверхности скального грунта, который, как показали предварительные буровые скважины, залегал здесь примерно на 15 футов ниже поверхности. Однако по мере выполнения выемки выяснилось, что этот план не годится, так как глубина залегания скального основания сильно варьировалась и часто оказывалась намного больше ожидаемой; кроме того, сама скальная порода была весьма ненадежной, что объяснялось тем, что линия стыка между триасовым песчаником, являющимся здесь вмещающей породой, и интрузивными траппами гряды Берген-Хилл проходит примерно на расстоянии одной трети длины шахты от ее западного конца, вызывая большую или меньшую дезинтеграцию пород обоих видов. Поэтому было решено обделать шахту бетоном по всей ее глубине, изменив форму на прямоугольную в плане, как показано на чертежах. Одновременно с выемкой грунта в шахте было разработано по 40 футов туннеля с каждого ее конца — также из-за ненадежного характера грунта, что позволило избежать риска повреждения шахты приступавшими к работе туннельными подрядчиками. Осенью 1903 года возникало много проблем с затоплениями, и происходили многочисленные крупные обрушения породы, несмотря на крайнюю осторожность и устройство массивной деревянной крепи. Тщательнейшим образом выполнялась и укладка бетонной обделки; каркас для поддержания опалубки был тщательно спроектирован и имел массивную конструкцию; опалубка отличалась высочайшим качеством изготовления, и большое внимание уделялось поддержанию ее точного положения по оси. Гладкая поверхность бетона достигалась путем укладки 3-дюймового слоя растворной смеси с лицевой стороны стен и тщательного уплотнения этой жесткой лицевой смеси вместе с остальной массой бетона. Восточная и западная стены работают как подпорные стены, в то время как северная и южная служат облицовочными стенами и привязаны к скальному грунту стальными анкерами, заделанными на растворе в породу и в бетон. Было обеспечено надежное водоотведение за задней стенкой шахты с помощью вертикальных керамических дренажей с незамоноличенными стыками, устанавливаемых через небольшие интервалы, причем к ним из всех влажных участков грунта вели дренажи из сухого камня. Общий вид законченных работ показан на Рис. 1 Листа XXIX, а в Таблице 1 приведены наиболее важные даты и показатели, относящиеся к этой шахте.
TRANS. AM. SOC. CIV. ENGRS.
VOL. LXVIII, No. 1155.
HEWETT AND BROWN ON
PENNSYLVANIA R. R. TUNNELS: NORTH RIVER TUNNELS.
Plan and Profile of Sections Gy East, Gy Supplememtary, Gy West, and Gj
Click to view larger image.
ТАБЛИЦА 1. — Характеристики шахт на туннелях под Северной рекой Пенсильванской железной дороги для доступа в Нью-Йорк.
Location. Depth, in feet. Width, in feet. Length, in feet. Excavation (including drifts) Concrete, in cubic yards. Date commenced. Date finished. Ground met: Lined with: Cost to Railroad Company. Cost per cubic foot.
Manhattan: 11th Avenue and 32d Street. 55 22 32 2,010 209 June 10th, 1903. December 11th, 1903. Top 13 ft. filled; red mica schist and granite. Concrete reinforced with steel beams down to rock. $12,943.75 $0.335
Weehawken: Baldwin Avenue. 76 At bottom 56, at top 100 At bottom 115.75, at top 154 55,315 9,810 June 11th, 1903. September 1st, 1904 Top 6 ft. filled, 30ft. sand hardpan, decomposed rock (trap and sandstone)below. Concrete with steel tie-rods in rock. 166,162,98 0.337
Final Design of Weehawken Shaft Plan
Fig. 1.
Click to view larger image.
После завершения туннельных работ в обеих шахтах были устроены лестницы, ведущие на поверхность; над Нью-Йоркской шахтой был установлен защитный надшахтный копер, а вокруг Уихокенской шахты по линии собственности компании (то есть по контуру шахты в ее первоначальном проектном исполнении) возведено ограждение из армированного бетона высотой 8 футов.
Оборудование.
Строительные площадки.
Прежде чем приступить к описанию туннельных работ, целесообразно подробно изложить мероприятия, выполненные на поверхности для обеспечения подземных работ.
Все работы велись с использованием двух шахт: одной на Одиннадцатой авеню и 32-й улице в Нью-Йорке (называемой Манхэттенской шахтой) и другой на Болдуин-авеню в Уихокене, штат Нью-Джерси (называемой Уихокенской шахтой).
Weehawken Shaft Excavation
Fig. 2.
Click to view larger image.
Характеристики этих двух площадок кардинально различались и требовали применения разных подходов к решению транспортной задачи. Площадка Манхэттенской шахты показана на Листе XXX. Как видно, свободного пространства было немного, фактически площадка оказалась слишком тесной для комфортной работы; общая площадь, включая территорию занятого старого литейного цеха, использовавшегося под электростанции, офисы и т. д., составляла около 3250 кв. ярдов. Это обусловило необходимость разделения на два уровня: один на уровне земли для перемещения материалов на территорию двора, а второй — в виде надземной эстакады, по которой извлеченная порода вывозилась за пределы территории. Двор в Уихокене был значительно больше; он также показан на Листе XXX. Площадь его собственно дворовой части составляла около 15 400 кв. ярдов, имелся также дополнительный участок площадью около 750 кв. ярдов вдоль причала у «Северного слипа» на набережной реки, соединенный с основной частью двора надземной эстакадой.
Все вагонетки на Манхэттене перемещались вручную, тогда как в Уихокене использовались два электровоза с верхним токосъемом.
Оборудование электростанций.
У Манхэттенской шахты оборудование электростанции было размещено на первом этаже старого здания литейного цеха, занимавшего северную сторону арендованного участка. Это было старое кирпичное здание, находившееся в довольно ветхом состоянии к моменту вступления компании во владение, в связи с чем потребовался немалый объем ремонтных и укрепительных работ. Первый этаж здания использовался подрядчиком под офисы, помещения для рабочих, кабинеты врачей и т. п., а на следующем этаже выше, являющемся верхним этажом, располагались служебные помещения полевого инженерного персонала железнодорожной компании.
Со стороны Уихокена оборудование размещалось в одноэтажном каркасно-деревянном здании, обшитом гофрированным железом. В плане оно имело прямоугольную форму размером 80 на 130 футов.
По обеим сторонам реки агрегаты были установлены на массивные бетонные основания по скальному грунту.
Монтаж оборудования на Манхэттенской стороне осуществлялся с мая 1904 г. по апрель 1905 г., а на Уихокенской стороне — с сентября 1904 г. по апрель 1905 г. Воздушное давление в туннелях было подано со стороны Нью-Йорка 25 июня 1905 г., а со стороны Уихокена — 29-го числа того же месяца.
Оборудование, установленное в обеих электростанциях, было практически идентичным, за исключением небольших различий в деталях компоновки, обусловленных местными условиями. Перечень основного оборудования одной электростанции приведен в Таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. — Оборудование одной электростанции.
No. of items Description of item. Cost.
Three 500-h.p. water-tube Sterling boilers $15,186
Two Feed pumps, George F. Blake Manufacturing Company 740
One Henry R. Worthington surface condenser 6,539
Two Electrically-driven circulating pumps on river front 5,961
Three Low-pressure compressors, Ingersoll-Sergeant Drill Company 33,780
One High-pressure compressor, Ingersoll-Sergeant Drill Company 6,665
Three Hydraulic power pumps, George F. Blake Manufacturing Company 3,075
Two General Electric Company's generators coupled to Ball and Wood engines 7,626
Total cost of main items of plant $79,572
Sumary of Cost of One Plant.
Total cost of main items of plant $79,572
Cost of four shields (including installation, demolition, large additions and renewals, piping, pumps, etc.) 103,560
Cost of piping, connections, drills, derricks, installation of offices and all miscellaneous plant 101,818
Cost of installation, including preparation of site 39,534
Total prime cost of one power-house plant $324,484
Ниже приводится краткое описание каждого вида оборудования из Таблицы 2:
Котлы. — У каждой шахты имелось по три водотрубных котла мощностью по 500 л. с., класс F (производства компании Sterling and Company, Чикаго, шт. Иллинойс). Они имели независимые стальные дымовые трубы диаметром 54 дюйма и высотой 100 футов над уровнем колосниковой решетки; каждый котел обладал площадью поверхности нагрева 5000 кв. футов и площадью колосниковой решетки 116 кв. футов. Топка производилась вручную, каждая топка имела качающиеся колосники и четыре дверцы. При нормальных условиях работы двух котлов на каждой станции было достаточно для обеспечения всего необходимого объема пара. Среднее рабочее давление пара составляло 135 фунтов на кв. дюйм.
Система паропроводов была выполнена по кольцевой или байпасной схеме. Диаметр труб варьировался от 14 дюймов в главном коллекторе до 10 дюймов в теле кольца. Диаметр главного паропровода отработавшего пара увеличивался от 8 дюймов у наиболее удаленных машин до 20 дюймов, а затем до 30 дюймов у масловлагоотделителя, который, в свою очередь, соединялся с конденсаторами. Труба с автоматическим предохранительным клапаном, идущая от выхлопного тракта в атмосферу, использовалась при отключении конденсаторов. Все трубопроводы были стандартного типа с усиленными фланцами, с клиновыми задвижками с бронзовыми уплотнениями на основных линиях и шаровыми вентилями на некоторых вспомогательных. На главном коллекторе имелась 8-дюймовая грязевая камера (водосборник), оснащенная конденсатоотводчиком Мейсона-Келли, а другие меньшие конденсатоотводчики были установлены через подходящие интервалы.
PLATE XXIX.
TRANS. AM. SOC. CIV. ENGRS.
VOL. LXVIII, No. 1155.
HEWETT AND BROWN ON
PENNSYLVANIA R. R. TUNNELS: NORTH RIVER TUNNELS.
Fig. 1.
Click to view larger image.
Fig. 2.
Click to view larger image.
Каждый котел был оснащен предохранительными клапанами, а на цилиндрах высокого и низкого давления каждого компрессора, равно как и на каждом воздухосборнике, имелись автоматические спускные клапаны.
Использовался мелкий уголь (бакуэт), который доставлялся в бункера на Манхэттенской стороне гужевым транспортом, а на Уихокенской стороне — по железной дороге или на баржах, откуда доставлялся на электростанцию в вагонетках с шириной колеи 2 фута. Каждая станция расходовала в среднем по 20 тонн угля за каждые 24 часа.
Вода забиралась непосредственно из городского водопровода. Суточный расход составлял примерно 4000 галлонов для нужд котельной и 4400 галлонов для общестанционных нужд. Деревянные напорные баки емкостью 14 000 галлонов на каждой станции служили аварийным запасом на 12 часов.
Питательные насосы. — На каждой станции было по два питательных насоса. Их производительность составляла 700 куб. футов в мин. при свободном истечении. Поршни были сдвоенными, диаметром 6 дюймов с ходом 10 дюймов, паровые цилиндры — диаметром 10 дюймов с ходом 10 дюймов. На каждом котле для использования в аварийных ситуациях устанавливался инжектор типа «Метрополитен с двойной трубой» производительностью 700 куб. футов в мин.
Подогреватель питательной воды марки «Кокрейн № 9» гарантированно нагревал 45 000 фунтов воды в час и имел общую емкость 85,7 куб. фута. Он обогревался отработавшим паром от вспомогательного оборудования без конденсации.
Конденсаторная установка. — На каждой станции имелось по два поверхностных конденсатора. Каждый обладал поверхностью охлаждения, достаточной для конденсации 22 500 фунтов пара в час при температуре воды 70° по Фаренгейту и барометрическом давлении 30 дюймов, поддерживая в конденсаторе вакуум 26 дюймов. Каждый конденсатор был оснащен горизонтальным вакуумным насосом прямого действия системы Блейка.
Циркуляционные водяные насосы. — Два циркуляционных водяных насоса, подающих соленую воду непосредственно из Гудзона, были установлены на причале. Это были 8-дюймовые центробежные насосы, каждый из которых приводился в действие электродвигателем постоянного тока компании General Electric мощностью 36 л. с. (220 вольт и 610 об/мин), причем ток питался от генераторов электростанции подрядчика. Насосы работали попеременно по 24 часа каждый. Насосы на Манхэттенской стороне находились в 1300 футах от электростанции и подавали воду по 16-дюймовой трубе; насосы на Уихокенской стороне располагались на расстоянии 450 футов и подавали воду по 14-дюймовой трубе. На случай аварии солеводяных насосов также имелось прямое соединение с городскими водопроводными магистралями.
Компрессоры низкого давления. — На каждой станции было по три компрессора низкого давления. Они предназначались для подачи сжатого воздуха в рабочие камеры подводных туннелей, сооружаемых с помощью щитов. Они также периодически использовались для подачи сжатого воздуха в цилиндры компрессоров высокого давления, тем самым существенно увеличивая производительность последних при повышенных нагрузках из-за интенсивных буровых работ в скальных туннелях. Они были новой конструкции, дуплексного типа Корлисса, с паровыми цилиндрами системы компаунд с перекрестным расположением, рассчитанными на работу с конденсацией пара, но способными работать и без конденсации; воздушные цилиндры были простыми дуплексными. Клапаны паровых цилиндров были выполнены по отсечному типу Корлисса с вакуумными масляными буферами. Клапаны в воздушных цилиндрах представляли собой золотники с механическим приводом, с торцевым впуском и выпуском. Машины работали на паре под давлением 135 фунтов. Паровые цилиндры высокого и низкого давления имели диаметр соответственно 14 и 30 дюймов при ходе поршня 36 дюймов и максимальной скорости 135 об/мин. Два воздушных цилиндра имели диаметр 23½ дюйма и суммарную производительность 35,1 куб. фута свободного воздуха на один оборот; при работе со скоростью 125 об/мин каждая машина имела фактическую производительность 4389 куб. футов свободного воздуха в мин., или 263 340 куб. футов в час. Воздушные цилиндры были снабжены водяными рубашками, через которые протекала соленая вода от циркуляционных насосов. Могло создаваться избыточное давление воздуха по манометру в 50 фунтов.
Каждый компрессор был оснащен автоматическим регулятором скорости и давления воздуха, предназначенным для изменения отсечки в зависимости от требуемого объема воздуха, и снабжен концевым охладителем с трубками из луженой латуни и восемью трубными досками из тул-бронзы (Tobin bronze), имеющим 809 кв. футов поверхности охлаждения; каждый охладитель был способен снижать температуру нагнетаемого им воздуха до значений, превышающих температуру охлаждающей воды не более чем на 10° по Фаренгейту при работе компрессора на полную мощность. Из концевого охладителя воздух поступал в вертикальный воздухосборник диаметром 4 фута 6 дюймов и высотой 12 футов (на каждый компрессор приходился один такой воздухосборник). Воздухосборники были испытаны под давлением 100 фунтов на кв. дюйм. Концевые охладители были снабжены конденсатоотводчиками для сбора осаждающейся влаги и масла. Охладители и воздухосборники оснащались предохранительными клапанами, отрегулированными на срабатывание при превышении рабочего давления на 1 фунт. Забор воздуха осуществлялся снаружи, выше крыши электростанции, но в очень холодную погоду его можно было забирать изнутри помещений.