Работа с Корпорацией «Трансстрой», ведущими проектными и строительными организациями Москвы и других регионов России, в области тоннелестроения, зарубежными строительными фирмами, обусловили активное участие НИЦ ТМ в решении стратегических задач метро- и тоннелестроения ─ в разработке и использовании новых технологий, конструкций и материалов при строительстве транспортных тоннелей различного назначения и обеспечении эксплуатационной надежности действующих тоннелей и метрополитенов.

Тематика работ Центра неизменно отражает потребности метро- и тоннелестроения как одной из быстро развивающихся отраслей транспортного строительства. Удовлетворению этих потребностей подчинена структура Центра, преобразуемая в соответствии с главными направлениями развития отрасли на данный период времени.

В настоящее время в состав Центра входят четыре лаборатории:

 - горного давления и норм расчета (заведующий канд. техн. наук А.А.Кубышкин.);

 - конструкций и технологий сооружения тоннелей и метрополитенов (заведующий д-р техн. наук В.А.Гарбер.);

 - технологии инъекционных и тампонажных работ (заведующая Г.О.Смирнова);

 - технологии изготовления железобетонных тоннельных конструкций (заведующий канд. техн. наук  В.М. Цынков)

и два сектора: открытого способа работ (руководитель И.М.Малый) и бетонных работ (руководитель И.В. Гиренко).

В числе почти 80 сотрудников Центра 4 доктора и 16 кандидатов технических наук, лауреаты Государственных и правительственных премий, Заслуженные строители РФ, Заслуженный изобретатель РФ, почетные транспортные строители, почетные деятели науки и техники Москвы и т.п.

Практически все новые конструктивно-технологические разработки завершаются выпуском соответствующих руководств, рекомендаций, пособий и других рекомендательных документов. Большинство действующих нормативных документов в области метро- и тоннелестроения,  используемых не только на территории России, но и всех стран СНГ, разработано в нашем коллективе.

 За многолетний период работы НИЦ ТМ в составе Минтрансстроя СССР (Корпорации «Трансстрой») создана соответствующая экспериментальная база для научных исследований, в том числе уникальные стенды для испытания в натуральную величину колец обделок перегонных тоннелей метрополитена. Исследования на стендах обеспечили выбор наиболее эффективных конструктивно-технологических решений.

Так, в области тоннельных конструкций к разряду выдающихся по праву могут быть отнесены:

 - экспериментальные исследования горного давления и напряженно-деформированного состояния (НДС) тоннельных конструкций;

 - создание и внедрение сборных железобетонных обделок перегонных тоннелей вместо обделок из чугунных тюбингов;

 - разработка конструкций и внедрение в практику строительства односводчатых станций глубокого заложения;

 - разработка и внедрение цельносекционной обделки для тоннелей, сооружаемых открытым способом с уровнем сборности  0,9;

 - разработка облегченных конструкций тюбинговых обделок из высокопрочного чугуна.

Разработка Б.П. Бодровым, Я.Г. Гельманом и Б.Н. Виноградовым методик и приборов для измерений горного давления и НДС тоннельных конструкций и накопленные опытные данные были положены в основу нормирования нагрузок на перегонные тоннели и станции метрополитенов. Указанные приборы и методы измерений широко используются и в настоящее время при мониторинге подземных сооружений различного назначения.

Значительным вкладом являются разработанные НИЦ ТМ методы расчета:

 - конструкций подземных сооружений (разработка методик расчета обделок тоннеля с перевязкой швов);

        - временной крепи при проходке тоннелей с экраном из труб, методик и программ расчета многошарнирных, преднапряженных обжатием в грунт однопролетных конструкций как системы криволинейных брусьев на деформируемом основании (метод КАДИ-ЦНИИС, реализованный при расчетах односводчатых станций метрополитена);

 - осадок поверхности при сооружении тоннелей (методики и программы ЭВМ для решения плоских задач с упругопластической средой методом конечных элементов);

 - давления пригруза при проходке щитов в неустойчивых грунтах и методики измерения давления грунтовых вод.

За последние 10 лет разработаны и внедрены в практику проектирования методики:

- расчет сборных круговых обделок с центрированными стыками и перевязкой швов (Лефортовский тоннель и Серебряноборские автодорожные тоннели, тоннели метрополитена и др.);

- пространственное моделирование процесса сооружения тоннелей с большими пролетами с помощью программ «PLAXIS» и «Рабабат» (моделирование сооружения тоннелей на развязке у метро «Сокол» в Москве и станции метро «Чкаловская» в г. Екатеринбурге, автодорожного тоннеля № 1 в г. Сочи);

- расчет постоянных обделок тоннелей, содержащих временную крепь как элемент постоянной конструкции (Екатеринбург, Сочи);

Решению важной государственной задачи сокращения расхода металла в строительстве служит создание сборных тоннельных обделок, разработкой которых наши специалисты постоянно занимаются с начала организации центра, а актуальность их применения постоянно возрастала в связи с расширением масштабов использования проходческих щитов. Здесь уместно будет отметить, что при создании в СССР таких щитов большой вклад внесли результаты исследований ЦНИИСа по параметрам разрушения (резания) горных пород. По техническим заданиям ЦНИИС в разное время были созданы механизированные щиты Щ-105, КТ1-5.6, КГ 5.6-Д2, КМ-42 и другие. Институт принимал самое активное участие и в дальнейших работах по проектированию, изготовлению и испытанию щитов и щитовых комплексов. Технология сооружения тоннелей с обжимаемой в породу обделкой комплексом КТ1-5.6 позволила добиться устойчивых скоростей проходки на строительстве Санкт-Петербургского метрополитена 300…350 м тоннеля в месяц и достичь мирового рекорда - 1250 м готового тоннеля в месяц.

При щитовой проходке тоннелей использовались обделки из чугунных тюбингов, изготовление которых было освоено нашей промышленностью. Вслед за перегонными тоннелями обделки из чугунных тюбингов стали применяться на строительстве подземных станций, как в Москве, так и в других крупнейших городах страны, где приступали к строительству метрополитенов (С-Петербург, Киев, Баку, Харьков и др.).

С целью сокращения затрат на строительство для ведения подземных работ в условиях высокого гидростатического давления Центром разработана самая экономичная по расходу чугуна обделка с уменьшенной в 1,5 раза металлоемкостью.

Учитывая, что щитовая проходка перегонных тоннелей, а затем и станций  –  основа их строительства, центральной задачей работы НИЦ ТМ стала разработка эффективных типов сборных конструкций обделок из ж.-б. элементов. Разработка сборной ж.-б. обделки для перегонных тоннелей осуществлялась на основе теоретических и экспериментальных исследований (д-р техн. наук С.Н. Орлов), выполненных на кольцевом стенде НИЦ ТМ, где прошел испытания ряд других обделок - с плоскими и цилиндрическими стыками, с перевязкой швов и без них, из железобетона, фибробетона, грунтосиликата, с внутренним полиэтиленовым экраном, стальным экраном по внутреннему контуру, в том числе аналоги широко применяемой в настоящее время высокоточной обделки (один из ее видов, использованный на строительстве метрополитена в Будапеште, был удостоен Гран-при на международном конкурсе лучших подземных конструкций). Исследования позволили создать унифицированную обделку перегонного тоннеля метрополитена, которая применяется на строительстве всех новых метрополитенов в необводненных и слабообводненных грунтах при невысоком гидростатическом давлении, как при щитовой, так и без щитовой проходки тоннелей.

Дальнейшим развитием конструкции на пути снижения материалоемкости, стоимости и трудозатратам и повышения экологической безопасности стали сборные обделки, преднапрягаемые обжатием в грунт, область применения которых ограничивалась необводненными устойчивыми грунтами и возможностями монтажа обделки за пределами хвостовой оболочки щита. Углубленная проработка этого вопроса в НИЦ ТМ позволила распространить способ обжатия обделки на щитовую проходку в неустойчивых грунтах с монтажом обделки в пределах хвостовой оболочки щита и обжатием на выходе из нее.

В 60-х гг. лаборатория НИЦ ТМ при Ленметрострое вела разработку трехсводчатых колонных станций с обделками из жел. бетонных блоков, впервые примененных в Киеве (станция «Политехнический институт») и односводчатых станций глубокого заложения с обжатыми сводами из ж.б. блоков, одной из реализаций которых явилась станция «Тимирязевская» в городе Москве.  За разработку и  внедрение  таких  станций  на  строительстве С.-Петербургского метрополитена большая группа проектировщиков и строителей была удостоена Государственной премии, среди них сотрудники НИЦ ТМ – О.Ю. Антонов и С.Н. Сильвестров.

Разработка новых типов тоннельных конструкций и тоннелепроходческих щитов, совершенствование бетонных работ привели к созданию новых технологий тоннелестроения, таких, например, как технология сооружения перегонных тоннелей с монолитно-прессованной обделкой. Эта технология успешно применялась при сооружении тоннелей в необводненных грунтах, обеспечивая ведение проходческих работ с минимальными осадками земной поверхности.

Значителен вклад нашего Центра в разработку сборных водонепроницаемых обделок с упругими уплотнениями в стыках. Испытания фрагментов такой обделки и использование ее при строительстве Люблинской линии Московского метрополитена показало возможность замены ею обделок из чугунных тюбингов при строительстве тоннелей в слабых водонасыщенных грунтах при большом гидростатическом давлении.

Центр принял участие в разработке конструкции и технологии изготовления такого рода обделки для тоннелей ряда метрополитенов в России, в Казахстане (Алматы), а также для уникальных транспортных тоннелей в Лефортово и в Серебряном бору (Москва). Успешные испытания некоторых модификаций конструкций такой обделки на стендах института позволили их сертифицировать и рекомендовать для применения.

С конца 80-х годов весьма актуальной стала научная тематика, связанная с обеспечением эксплуатационной безопасности подземных объектов в условиях развития городской инфраструктуры и интенсивного освоения подземного пространства городов. Такое направление работ требовало разработки нормативно-методического обеспечения, выполнения инженерно-инструментального обследования и оценки технического состояния сооружений метрополитена, расчетов НДС конструкций тоннелей на разных стадиях их существования и мониторинга сооружений в процессе строительства новых объектов городской инфраструктуры.

С этой целью в НИЦ ТМ были разработаны «Методика комплексного обследования состояния строительных конструкций сооружений метрополитена, попадающих в зону влияния строительства городских объектов» и «Правила использования территорий технических и охранных зон метрополитена в городе Москве», которые определяли понятия «технических» и «охранных» зон метрополитена и устанавливали правила их применения в практике городского строительства.

   По результатам оценки технического состояния конструкций разрабатываются рекомендации по обеспечению эксплуатационной безопасности сооружений метрополитена, ориентирующие участников строительства на  исключение воздействия нового строительства на сооружения метрополитена, либо, когда это невозможно, - на его минимизацию.

  Результаты работ этого направления представлены в двухтомной монографии В.А.Гарбера «Тоннели. Научные основы проектирования тоннельных конструкций с учетом технологии их сооружения».

 Одно из все более актуальных направлений работ центра - прогнозирование осадок поверхности и деформаций зданий и сооружений при строительстве тоннелей различного назначения. Выполненные расчеты в пространственной постановке с использованием современных программных комплексов «PLAXIS» и «Z_SOIL», дополненные определением величины давления пригруза в призабойной камере, позволили назначить эффективные,  в том числе с позиций обеспечения сохранности окружающей среды, параметры проходки уникальных Лефортовских и Серебряноборских автотранспортных тоннелей в Москве, тоннелей и станций метрополитенов в ряде городов страны .

 Основные направления деятельности лаборатории инъекционных и тампонажных работ – разработка проектной, нормативной и технологической документации на укрепление грунтов и усиление конструкций инъекционными способами, гидроизоляция сооружений.

В последнее десятилетие большое развитие в работах Центра получили способы укрепления грунтов струйной цементацией, использование высокодисперсных цементных и полимерных материалов для ремонта и восстановления прочности и водонепроницаемости бетонных конструкций. Объектами указанных работ в разное время были сооружаемые в сложных инженерно-геологических условиях транспортных тоннели на Кавказе (Лысогорский, Меградзорский, Севанский автодорожный), Северо-Муйский и Мысовые на БАМе, Лефортовский и Серебряноборские в Москве, под Транссибом в г. Перми.

Практический интерес представляет также опыт проектирования и научно- технического сопровождения работ по укреплению грунтов в основании свайных фундаментов с замещением линзы вечной мерзлоты при строительстве школы в пос. Тарко-Сале Ямало-Ненецкого национального округа, уплотнению грунтов на подходе к Северянинскому путепроводу и в основании мостовых опор при строительстве моста через р. Москва при сооружении автомагистрали от проспекта Маршала Жукова до МКАД.

По разработанным лабораторией рекомендациям и проектной документации выполнена с применением отечественных и импортных материалов и технологий защита строящихся и эксплуатируемых тоннелей многих метрополитенов страны от притоков грунтовых вод на метрополитенах Москвы, Киева, Минска, Екатеринбурга, большой комплекс ремонтно-восстановительных работ по тоннелям и станционному комплексу «Аэропорт Внуково», эскалаторному тоннелю станции метро «Марьино», другим транспортным и городским объектам.

Разработанная и внедренная в Москве на строительстве Серебряноборских тоннелей технология укрепления грунтов комплексом инъекционных методов, основой которой явилась струйная цементация, использована при разработке проектов на укрепление грунтов в основании действующих сооружений Замоскворецкой линии метрополитена, попадающих в зону строительства Балтийского тоннеля транспортной развязки Ленинградского и Волоколамского шоссе, сооружении сбоек между тоннелями Митино-Строгинской и Бутовской линий метрополитена в г. Москве.

В настоящее время специалисты НИЦ ТМ участвуют в решении вопросов, связанных с преодолением зон геологических разломов тоннелепроходческими щитовыми комплексами при сооружении тоннелей к олимпийским объектам в г. Сочи.

В перечне направлений деятельности лаборатории заметное место занимает также разработка эффективных составов тампонажных растворов для нагнетания за обделку при щитовой проходке тоннелей. Созданные совместно с сектором бетонных работ ресурсосберегающие технологии тампонажных работ успешно внедрены на строительстве Московского, Алма-Атинского и Екатеринбургского метрополитенов, многих транспортных тоннелей.

Большой комплекс исследований и опытно-экспериментальных работ выполнен лабораторией по использованию отечественных бентонитовых глинопорошков для замены импортных материалов при устройстве пригруза для щитовой проходки тоннелей.

Все работы по совершенствованию гидроизоляции тоннельных сооружений транспортного назначения также осуществлялись в нашем Центре, где были разработаны практически все применявшиеся с начала строительства метрополитенов в нашей стране гидроизоляционные материалы. Большое значение для снижения трудоемкости гидроизоляционных работ, в свое время, имела разработка и внедрение технологии наплавляемой рулонной гидроизоляции для открытого способа работ. Эта технология получила повсеместное распространение на строительстве подземных сооружений.

Лаборатория входит в состав сертификационного центра ЦНИИС-ТЕСТ и выполняет значительный объем сертификационных испытаний строительных растворов, бентонитовых глинопорошков отечественных фирм, гидроизоляционных материалы различных производителей).

НИЦ ТМ стоял у истоков применения в отечественном метростроении прогрессивных технологий сооружения тоннелей под действующими магистралями продавливанием крупногабаритных ж.-б. секций и под защитой экранов из труб. Результаты исследований Сектора открытого способа работ по устройству ограждающих конструкций и подпорных стен методом «стена в грунте», из буронабивных и грунто - цементных свай, а также анкерному, распорному и подкосному типам креплений, послужили основой для проектирования соответствующих эффективных конструктивно-технологических решений и нормативных документов, в том числе стандартов Корпорации (СТО-ГК «Трансстрой»-014-2007), нагельному креплению котлованов и откосов в транспортном строительстве (СТО - ГК «Трансстрой»-013-2007), применению грунтовых анкеров и свай с тягой из трубчатых винтовых штанг «Титан» (СТО - ГК «Трансстрой»-023-2007).

Оригинальный пакет программ оптимального проектирования «Крепь» в сочетании с современными комплексами для геотехнических расчетов PLAXIS 2D v.8, PLAXIS 3D Tunnel v.20, PLAXIS 3D Foundation v.2 позволяет выполнять практически любые виды геотехнических расчетов. В активе Сектора проекты по анкерному креплению монтажной камеры Серебряноборского тоннеля глубиной 25 м, постоянных подпорных стен путепроводов тоннельного типа при реконструкции Киевского шоссе, котлована АВК «Внуково», научно-техническое сопровождение строительства ряда объектов Третьего транспортного кольца и Ленинградской развязки в Москве, устройства постоянного анкерного крепления подпорных стен при строительстве дороги Адлер - Красная Поляна.

Основным направлением работ Сектора бетонных работ является разработка составов и технологических режимов возведения набрызг-бетонных крепей и обделок. Для решения этих задач была разработана методика подбора составов набрызгбетона «сухого» метода нанесения и отечественные добавки - укорители схватывания для применения в постоянных конструкциях. Эта добавка-ускоритель запатентована и успешно применена при строительстве перегонного тоннеля между станциями «Киевская» - «Парк Победы» в г. Москве, станции «Геологическая» в г. Екатеринбурге. В 2000-е годы, с приходом на российский рынок зарубежных фирм с высокопроизводительным оборудованием возрос интерес к этому направлению, но уже на новом техническом уровне – с использованием «мокрого» способа набрызг - бетонирования новыми соответствующими составами.

Разработанные для сооружения ст. «Чкаловская» (г. Екатеринбург) и автодорожного тоннеля в г. Сочи составы набрызг-бетона обеспечивают параметры долговечности этого материала, позволяющие учитывать набрызг-бетонное покрытие в конструкции обделки тоннеля.

Впервые в отечественном тоннелестроении были разработаны и применены пластичные бетонные смеси, подаваемые бетононасосом на расстояние более 500м (бетонирование плит перекрытия Лефортовского и Серебряноборских тоннелей).

Разработанные на отечественных материалах совместно с заводами сухих смесей бесцементные тампонажные составы «БИРСС ТМ» и «ИРГАС» для нагнетания существенно упростили хранение исходных компонентов на строительной площадке и сократили трудоемкость приготовления самих растворов. Они были с успехом применены для заполнения строительного зазора при проходке Лефортовского, Серебряноборских автодорожных тоннелей, строительства метрополитенов в Москве, Нижнем Новгороде и др.).

Используя свой научный и кадровый потенциал, НИЦ «Тоннели и метрополитены» имеет все основания рассчитывать и в дальнейшем на участия в крупнейших проектах освоения подземного пространства в различных регионах страны, поддерживая и укрепляя, тем самым, завоеванный многими поколениями ученых авторитет ведущего научного подразделения транспортного тоннелестроения.

     В подготовке материалов к статье участвовали сотрудники НИЦ «Тоннели и метрополитены» В.А. Гарбер, О.Ю.Антонов, Б.Н.Виноградов, Г.О. Смирнова И.В. Гиренко, И.М. Малый.

Статья опубликована в журнале «Транспортное строительство», № 6, 2010г., стр. 8-14