Тоннель

По расположения тоннели подразделяются на: равнинные, или городские, подводные и горные.

В зависимости от расположения и предназначения выбирается способ проектирования и прокладки трассы. Обязательно учитываются геологические, климатические и топографические условия. Определяется глубина заложения, длина, расположение в плане и профиле, вид поперечного сечения.

Основные способы производства тоннельных работ: горный, требующий до возведения обделки закрепления выработки временной крепью, и щитовой — с применением проходческого щита.

Для сооружения тоннеля в земле создается выработка — искусственная полость в земной коре. Ее создание начинается с прокладки штольни, которую закрепляют (за исключением редких случаев прокладки тоннелей в крепкой горной породе). Временные крепи постепенно заменяются постоянной обделкой (монолитной или сборной). Обделка — конструктивный элемент, образует внутреннюю поверхность тоннеля. Именно обделка непосредственно воспринимает горное давление и обеспечивает защиту от подземных вод и плывунов.

Портал — входная часть туннеля. Обеспечивает устойчивость бокового и лобового откосов. Рампа — железобетонная конструкция корытообразного сечения, предназначенная для защиты от затопления входных участков.

Прежде чем приступить к строительству, необходимо изучить геологическое строение территории, через которую пройдет тоннель. От типа грунта зависит выбор соответствующих методов конструирования. По-разному сооружаются тоннели в мягком грунте (земля, глина), в породах малой и средней плотности (глинистые сланцы, мел, песчаник), в твердой скале (гранит), а также под водой.

При прокладывании самых длинных и глубоких тоннелей иногда решаются на сооружение т. н. пилотного тоннеля, проходящего вдоль главной проходки. Он позволяет сравнить результаты геологических исследований с фактическим строением породы. Это дорогостоящий метод, однако после начала сооружения собственно прокопа пилотный тоннель может быть расширен и использован для технических нужд или как водоотводный канал (в подводных тоннелях).Для неглубоких тоннелей применяют открытый способ прокладки. В раскрытом котловане сооружаются конструкции тоннеля, а затем его засыпают. При закрытом способе прокладки проходка тоннеля и возведение обделки выполняется через стволы шахт или портал.

Щитовой метод разработан англичанином Марком Брунелем (Marc Brunel) при строительстве Лондонского метрополитена в 1863. При этом способе для выдалбливания породы применяется специальный щит, приводимый в действие сервомоторами (так называемый проходческий щит). Это устройство представляет собой соединение трубчатого кожуха длиной в несколько метров, со специальным ножом в передней части. Нож врезается в землю, а труба образует род крыши, которая предотвращает осыпание земли.

В тоннелях, вырубаемых в твердых породах на поверхности земли (например, в горах), гораздо чаще используют бурильные машины. Они проделывают отверстия, в которые помещают взрывчатые вещества, достаточные для взрыва большой мощности (например, нитроглицерин). После вывода машины происходит отпалка очередных зарядов. Выработанную внутри проходки породу шахтеры раздробляют пневматическими молотами и бурами.

Подводные тоннели сооружаются с помощью проходческого щита, открытой технологии или больших автоматических бурильных машин. Эти машины могут достигать 9 м в высоту и более 200 м в длину. Они оснащены врубовыми головками (барабаны с алмазными режущими щитами), на одном месте удерживаются с помощью распорок, прижимаемых к стенкам гидравлическими сервомоторами. Другие сервомоторы продвигают буровую головку вперед. Лазерные лучи, регистрирующие минимальные отклонения от намеченного курса, контролируют продвижение головки. При наличии отклонения запускается система гидравлических сервомоторов, направляющих головку и корректирующих направление бурения.

Стенки тоннелей, вырубаемых в мягком грунте и под водой, укрепляют с помощью тюбингов — элементов в форме выгнутых плит из стали, чугуна, железобетона или бетона. По краям каждого тюбинга находится фланец, позволяющий соединять сегменты, внутри — ребра жесткости. В твердой породе, где вероятность осыпания значительно снижена, установка тюбингов необязательна, стенки тоннеля укрепляются бетонной кладкой. В альпийском тоннеле Симплон сланцевые и гипсовые породы были укреплены стеной, ее толщина — 3 м.

Для удаления отработанной породы часто служат механические погрузчики-скреперы, которые пересыпают щебень в рельсовые вагончики, на конвейер или в кузов грузовика. На стадии экспериментирования находятся другие технологии вырубки пород, в частности с помощью лазерных лучей, ультразвука и струй воды под давлением.

Для обеспечения необходимой вентиляции тоннелей, особенно шоссейных, сооружается система труб и вентиляторов. По трубам, расположенным под проезжей частью, осуществляется приток свежего воздуха, а потолочные трубы очищают туннель от выхлопных газов.

История сооружения тоннелей насчитывает ок. 4 тыс. лет. Достоверно первый туннель описан в Древнем Вавилоне: ок. 2180—2160 гг. до н. э. построен подземный переход между царским дворцом и храмом Мардука под водами Евфрата. Строители изменили течение реки, чтобы выкопать по ее дну ров длиной примерно 900 м. Потом они укрепили стены кирпичом, засыпали землей и вернули прежнее течение реки.

Известны подобные сооружения и в античности. Грек Евпалинос из Мегары построил в 6 в. до н. э. на острове Самос километровый тоннель для акведука, а римлянин Луций Кокцеус Авкт (Lucius Cocceus Auctus) в I в. до н. э. прорыл один из самых ранних шоссейных тоннелей, которых проходил в горах из Неаполя в Путеоли (ныне Пуццуоли), его длина составляла 1, 4 км.

В Средние века искусство тоннелестроения пришло в упадок. Лишь небольшие тоннели сооружались в военных целях. Постепенно развитие коммуникаций привело к возрождению тоннелестроительства в 17 в. Появление черного пороха сделало возможным прокладку коммуникаций в скальных породах. Первый судоходный тоннель (ок. 160 м) был построен во Франции в 1679-81. После появления в двадцатые годы 19 в. железных дорог, стали сооружаться железнодорожные тоннели (первый такой тоннель построен в Великобритании в 1826-30 на линии Ливерпуль—Манчестер). Появление автомобильного транспорта, развитие шоссейных дорог, совпало с изобретением пироксилина и динамита. В нач. 20 в. были изобретены бурильные машины. Этот период — настоящий взрыв строительства тоннелей. В Альпах их было проложено в 1914-18 гг. 26 тоннелей длиной более 5 км, в т. ч. Сен- Готард (15 км) и Симплон (19, 8 км), причем последний протянулся на высоте 2100 м. В наст. время в Альпах продолжают строиться тоннели, хотя пожар в Симплоне и Сен-Готарде в 2002-03 и вызвал протест местных жителей и требования закрыть тоннель. Теперь усиливаются меры противопожарной безопасности. В шоссейных тоннелях каждые 200 м находятся телефоны и огнетушители. Использование огнетушителя автоматически включает сигнал тревоги в контрольном помещении. Пожарные могут проверить причину его включения с помощью телекамер. Пожар или другую чрезвычайную ситуацию можно переждать в эвакуационных помещениях (например, в пилотных тоннелях или специальных комнатах, вырубленных в стенах тоннеля).

Евротоннель, сооруженный в 1988—1993 гг., составляет 50, 5 км в длину. Он состоит из трех стволов (двух коммуникационных, диаметром 7, 6 м, и технического, диматром 4, 8 м). Он был прорыт на глубине 50 м под морским дном. Самый длинный (1992) тоннель («Сэйкан») проложен под прол. Цугару между о-вами Хонсю и Хоккайдо (общая длина 53, 85 км, подводной части — 23, 3 км).

В 2000 г. было завершено строительство тоннеля, соединяющего норвежские города Орланд (Aurland) и Лердалсёйри (Laerdalsцyri), длиной 24, 5 км (часть переправы Осло—Берген). Тогда это был самый длинный шоссейный тоннель в мире.

В России самый длинный тоннель проложен на Бурятском участке трассы БАМ. Это Северомуйский тоннель длиной 15, 3 км, строился с 1977 по 2003 г.