Тоннели изначально создавались для транспортировки воды и отвода сточных вод; первые подобные сооружения появились еще в Римской империи. Использование тоннелей для транспортировки началось в XVII веке, когда их интегрировали в системы каналов. С развитием железных дорог в XIX веке и автомобилей в XX веке, тоннели стали более длинными и технологически сложными. Основные методы постройки тоннелей включают: рытье траншеи с установкой покрытия, создание подводных тоннелей из опускных секций и применение буровых тоннелепроходческих машин.
Факторы, определяющие строительство тоннеля
Шаг 1. Определите место для тоннеля.
Важно тщательно рассмотреть локацию, где будет проложен тоннель. Выбор места влияет на методику и оборудование, которые будут использованы. Тоннели можно классифицировать на три типа:
- Тоннели в мягких грунтах. Они нуждаются в дополнительном укреплении, чтобы избежать обрушений, и обычно имеют небольшую глубину. Чаще всего такие тоннели используются для метро, водоснабжения и канализации.
- Тоннели в твердых породах. Эти конструкции не требуют значительного укрепления, и в большинстве случаев оно вовсе не нужно. Такие тоннели строятся для автомобильных и железных дорог.
- Подводные тоннели. Эти тоннели прокладываются под дном рек, озёр и каналов; яркий пример — Евротоннель под Ла-Маншем. Строительство подводных тоннелей является наиболее сложным, так как необходимо отводить воду как на этапе строительства, так и в процессе эксплуатации.
- Городские тоннели. Строительство тоннелей под городом также предполагает множество сложностей, так как вес зданий может вызвать оседание почвы над тоннелем. Знание геологии местности помогает предсказать уровень оседания и минимизировать его.
Шаг 2. Изучите маршрут тоннеля.
Важно провести анализ маршрута будущего тоннеля. Прямые и длинные тоннели легче прокладываются с помощью буровой тоннелепроходческой машины, в то время как искривленные тоннели требуют более сложных решений.
- Для коротких тоннелей использование буровой машины нецелесообразно из-за высокой стоимости.
- Потребность в буровых с различными диаметрами также затрудняет работу тоннелепроходческой машины, так как замена бура замедляет процесс.
- Применение буровой машины невыгодно, если тоннель включает повороты или ответвления.
Шаг 3. Определите назначение тоннеля.
Необходимо учесть предназначение тоннеля, так как это влияет на дополнительные работы, которые должны быть выполнены после его строительства.
- Если тоннель предназначен для транспортных средств с пассажирами, потребуется система вентиляции. В автомобильных тоннелях это сеть вентиляционных шахт для отвода угарного газа, а в железнодорожных тоннелях — принудительная вентиляция для вывода выхлопных газов. Также необходима система для отвода дыма в случае пожара.
- В активно используемых тоннелях, таких как Большой бостонский тоннель, могут быть установлены центры управления с камерами для мониторинга движения и предотвращения нештатных ситуаций.
- Длинные дорожные тоннели, как, например, Лефортовский в Москве, часто оснащаются подвесными фонарями для удобства водителей. В некоторых случаях в тоннелях делают отверстия для проникновения солнечного света (например, тоннель Эйзенхауэра в Колорадо, США).
- Некоторые тоннели, такие как Квинсуэй между Ливерпулем и Беркенхедом или тоннель через Львиную скалу в Гонконге, комбинируют автомобильные трассы с водопроводными и канализационными трубами, а также кабелями. Тоннель SMART в Малайзии, помимо транспортных функций, также используется для предотвращения наводнений.
Рытье траншеи и установка покрытия
Шаг 1. Выкопайте траншею.
Начните с выемки траншеи. Необходимо удалить грунт из зоны, где будет построен тоннель, после чего формируется крыша. Существует два основных метода создания тоннелей:
- Снизу вверх: сначала создается опора, а затем формируется сам тоннель.
- Сверху вниз: стены и крыша тоннеля строятся на поверхности, после чего тоннель выкапывается под ними.
- Оба метода чаще всего применяются для неглубоких тоннелей, хотя метод "сверху вниз" позволяет создавать более глубокие конструкции. Более глубокие тоннели могут строиться с использованием проходческого щита — устройства, напоминающего коробку с резцами, которые вгрызаются в породу. Проходческий щит постепенно продвигается вперед по мере удаления грунта.
Шаг 2. Сформируйте стены и крышу тоннеля.
Создание стен и крыши может быть выполнено после выемки тоннеля или заранее, чтобы затем установить их в готовый тоннель. Используемые материалы могут включать:
- Гофрированные стальные арки.
- Предварительно отлитые бетонные арки.
- Бетонные стены, отлитые на месте.
- Распыляемый или порошковый бетон, который часто используется вместе с предварительными арками.
Шаг 3. Завершите тоннель.
Финальный этап зависит от выбранного метода строительства ("снизу вверх" или "сверху вниз").
- Тоннели, построенные методом "снизу вверх", нуждаются в подпорках для обеспечения устойчивости стен и крыши под давлением сверху.
- Тоннели, выполненные методом "сверху вниз", выкапываются под землёй, которая служит стенами, и в этом случае необходимо укладывать пол из прочных плит.
Тоннель из опускных секций
Шаг 1. Выройте траншею для тоннеля.
Начните с выемки траншеи в месте, где будет находиться тоннель. Этот метод напоминает предыдущий, но предназначен для создания тоннелей под водой. Выройте траншею по всему маршруту, который пройдет тоннель.
Шаг 2. Поместите стальные трубы в траншею.
Установите стальные трубы в вырытую траншею. Они должны быть герметично закрыты с торцевых частей, чтобы предотвратить попадание воды. Для тоннелей, предназначенных для автомобильного движения, трубы должны содержать заранее подготовленное дорожное покрытие.
Шаг 3. Заполните трубы, чтобы предотвратить деформацию.
Заполните трубы материалом, который предотвратит их деформацию под давлением воды. Например, во время строительства тоннеля Теда Вильямса в Бостоне трубы заполнялись камнями размером полтора метра.
Шаг 4. Удалите крышки с торцов труб и соедините их.
Сняв крышки с торцов труб, соедините их вместе. Также необходимо соединить заранее подготовленные фрагменты автомобильной или железной дороги, находящиеся внутри труб.
Применение буровой тоннелепроходческой машины
Шаг 1. Выберите подходящую буровую машину.
Выберите буровую машину, которая соответствует вашим потребностям. Буровые тоннелепроходческие машины, также известные как проходческие щиты или "кролики", имеют передние округлые резцы. Эти резцы проникают в породу, а куски грунта попадают через отверстия на передней части щита на ленточный конвейер, который выводит их за машиной.
- Вид используемой машины зависит от типа породы, через которую будет проходить тоннель: мягкой, влажной или каменистой. Диаметр проходческих щитов варьируется; например, щит компании Aker Wirth, использованный для строительства электростанции Линт-Лиммерн в Швейцарии, имел поперечное сечение 8,03 м (26,3 фута), в то время как диаметр щита "Большая Берта" от Hitachi Zosen составляет 17,5 м (57,5 футов).
- Для рытья подводных тоннелей машины дополнительно оснащаются камерами для создания давления в породе.
- При больших объемах работ одновременно могут использовать несколько тоннелепроходческих машин. Например, при строительстве тоннеля под Ла-Маншем работали 11 установок.
Шаг 2. Подведите машину к месту работ.
Подведите машину к месту, где будет проходить работа. При рытье тоннеля на уровне земли это довольно просто. Для глубоких тоннелей обычно сначала сверлят входное отверстие (обычно круглое), которое укрепляется бетоном. Затем тоннелепроходческая машина опускается в это отверстие для начала строительства.
- Для длинных тоннелей высверливают несколько входных шахт.
- После завершения тоннеля входные шахты могут использоваться как вентиляционные отверстия или запасные выходы. Если они не требуются, их просто оставляют.
Шаг 3. Устанавливайте подпоры по мере создания тоннеля.
По мере строительства тоннеля устанавливайте в нем подпоры. В качестве подпор можно использовать литые бетонные кольца, размещая их за проходческой машиной через равные промежутки.
Шаг 4. Опрыскивайте стены между кольцами бетонным раствором.
Опрыскивайте стены между кольцами бетонным раствором. Торкрет-бетон позволяет укрепить конструкции тоннеля. Для повышения прочности в торкрет-бетон часто добавляют стальные или полипропиленовые волокна, что делает его похожим на железобетон. Торкрет-бетон также содержит катализаторы, которые улучшают его сцепление со стенами и ускоряют затвердевание.
