Тоннель

Тоннель (далее Т) туннель (английское tunnel), горизонтальное или наклонное подземное сооружение, служащее для транспортных целей, перемещения воды, прокладки подземных коммуникаций и т.п. По назначению различают Т автодорожные, Т метрополитенов, на пересечениях в разных уровнях горных дорог и транспортных магистралей (см. Переход пешеходный, Транспортный тоннель), судоходные тоннели, Т для нескольких видов транспорта (в одном сечении), гидротехнические тоннели, коммунальные (для городских сетей водопровода, канализации, теплогазоснабжения и др.), специального назначения (входящие в состав подземных сооружений ГЭС, складов, гаражей и т.д.). По местоположению (рис. 1) Т подразделяют на горные (проложенные в горных районах - через хребты, водоразделы и отдельные возвышенности), подводные (см. Подводный тоннель) и равнинные, или городские (например, Т метрополитенов).   Историческая справка. Истоки тоннелестроения уходят в глубокую древность. В Вавилоне, Египте, Греции и Риме подземные работы проводились задолго до н.э. - сначала при добыче полезных ископаемых, сооружении гробниц и храмов, а затем для водоснабжения и транспорта. Дорожные, водопроводные и дренажные Т сооружались преимущественно сводчатого очертания, в устойчивых скальных породах, без закрепления последних. Проходческие работы велись примитивными орудиями. После падения Римской империи в строительстве Т наступил период относительного застоя; Т сооружались преимущественно в военных целях. В конце средних веков в связи с расширением международных торговых связей началось строительство судоходных Т, соединявших водные пути сообщения. Предпосылкой к этому явилось применение черного пороха для взрывания скальных пород. Первый Т (длина 1,19 км) был построен в Великобритании на линии Ливерпул-Манчестер в 1826-30. Изобретение пироксилина и динамита, а также успешное применение в горном деле бурильных машин обеспечили возможность сооружения больших альпийских Т между Италией и Швейцарией. До начала 1-й мировой войны 1914-18 было построено 26 Т длиной более 5 км каждый, в том числе Симплонский Т длиной около 20 км, соединивший Италию со Швейцарией. Среди сооруженных в 1920-х - начале 1930-х гг. выделяются Большой Апеннинский двухпутный Т на линии Флоренция-Болонья (Италия) длина 18,5 км, а также Ровский судоходный Т на водной магистрали Марсель-Рона ( длина свыше 7 км. Наряду с горными Т развивалось строительство и подводных Т, ставшее возможным благодаря применению щитов проходческих (в сочетании со сжатым воздухом) и сборной обделки. Щитовым методом сооружен ряд крупных подводных Т, например под р. Гудзон (США) длина 2,5 км, под Симоносекским проливом (Япония) длина свыше 6 км (1936-41). строительство подводных Т получило дальнейшее развитие в связи с применением опускных секций длина до 150 м.   В России первый двухпутный Ковенский Т (длина 1,28 км) был построен в 1862. В конце 19 в. сооружено много Т на дорогах Урала, Крыма и Кавказа. Наиболее крупный среди них - Сурамский Т длиной около 4 км (1886-90). В начале 20 в. был построен ряд Т в Сибири и на Дальнем Востоке. Значительное развитие тоннелестроение получило в СССР в связи с интенсивным строительством, созданием сети ГЭС, сооружением метрополитенов и объектов городского подземного хозяйства.   Основные элементы тоннелей. Для сооружения Т необходима выработка - полость, искусственно создаваемая в земной коре в один или несколько этапов, начиная со штольни (обычно трапециевидного сечения). В крепких невыветривающихся скальных породах однородного строения выработка Т может быть оставлена без закрепления, в неустойчивых породах требуется установка временных крепей горных, заменяемых впоследствии постоянной конструкцией - обделкой (монолитной или сборной). Обделка - важнейший элемент Т, образующий его внутренную поверхность, воспринимающий горное давление и обеспечивающий защиту Т от подземных вод. Головная часть (или входной участок) Т называют порталом; он обеспечивает устойчивость лобового и боковых откосов, так называемой предпортальной выемки, и придает архитектурное оформление входу в Т Для защиты от затопления входных участков подводных Т, а также в горных условиях применяют рампу - конструкцию корытообразного сечения.   Проектирование трассы тоннеля. Глубина заложения Т, его длина, расположение в плане и профиле, форма поперечного сечения зависят от назначения Т, топографических, геологических и климатических условий. При проектировании и сооружении Т выполняют комплекс геодезических работ по выбору и закреплению оси Т в плане и профиле, по вычислению ее геометрических элементов, перенесению этой оси внутрь выработки, по определению длины оси и разбивке поперечных сечений Т По трассе Т проводят инженерногеологические изыскания для установления геологического строения прорезаемого горного массива, характера напластований, степени устойчивости и физико-механических свойств горных пород, гидрогеологического режима и состава подземных вод, наличия газов, температуры в выработке, ожидаемого горного давления и т.д. Эти данные получают на основе проведения геологоразведочных работ и гидрогеологических исследований при помощи скважин, геофизическими методами и, в отдельных случаях, по результатам разведочных выработок.   В плане Т может быть расположен (полностью или частично) на прямой и на кривой. Строительно-эксплуатационными преимуществами обладают Т, располагаемые на прямых, так как при трассировании Т на кривых существенно возрастает объем выработки, усложняются работы по возведению тоннельных конструкций и ухудшаются условия вентиляции и видимости в Т В ряде случаев (например, при развитии линии внутри горного массива) строят петлевые и спиральные Т   Продольный профиль Т может быть одно- и двускатным (с уклоном в обе стороны от середины Т). По условиям водоотвода расположение Т на горизонтальных участках не допускается. При большой длине Т и его расположении на кривых требуется снижение уклона пути.   Материал и конструкции тоннелей. Основным материалы для возведения тоннельных обделок - монолитный бетон, монолитный и сборный чугун и сталь. Их выбор производится в зависимости от условий района строительства и способа тоннельных работ. Монолитный бетон и применяют главным образом при прокладке Т в труднодоступных районах (где создание производственной базы для изготовления сборных конструкций экономически нецелесообразно), а также в мягких и слабых породах, требующих возведения тоннельных обделок по частям. Применение сборных обделок, состоящих из элементов заводского изготовления (чугунных тюбингов, блоков сплошного или ребристого сечения и др.), обусловлено повышением скоростей проходки Т и ростом производительности труда.   Конструктивная форма обделки и ее поперечное сечение определяются геологическими условиями и направлением действия на нее основных нагрузок. В слабых водоносных породах и при большом гидростатическом давлении рациональна обделка кругового очертания; в устойчивых породах, при преобладании вертикальных нагрузок - обделка подковообразной формы наиболее полно отвечает требованиям габарита приближения строений.   Расчет конструкций тоннелей. Обделки Т рассчитывают на наименее выгодные, но реальные сочетания нагрузок и воздействий - основных (действующих на обделку постоянно или регулярно, например горного давления), дополнительных (действующих кратковременно или периодически) и особых (главным образом сейсмических). Горное давление определяют на основе теоретических предпосылок (с учетом сводообразования, массы "столба породы" и др. факторов) или по результатам инструментальных измерений в готовых выработках. Расчет обделок производится по предельным состояниям - на основе методов строительной механики, упругости теории и механики грунтов. При этом учитывается совместная работа обделки и породы как единой упругой системы. Расчетная схема обделки выбирается в соответствии с характером конструкции и окружающих пород, а также в зависимости от условий работ (на всех стадиях их выполнения обделка в целом или ее отдельной части должны обладать достаточной прочностью и устойчивостью). Проверку прочности предварительно заданных сечений бетонной и чугунной обделок производят по несущей способности, в соответствии с требованиями строительных норм и правил.   Строительство тоннелей. В зависимости от глубины заложения Т для его сооружения применяют либо открытый, либо закрытый способ работ. В первом случае с поверхности земли раскрывают котлован, в котором сооружаются конструкции Т, а затем производят обратную засыпку с восстановлением нарушенной поверхности. При закрытом способе разработка породы (проходка) и возведение обделки выполняются через стволы шахт или входные участки Т (порталы). Способы проходки выработок и производства тоннельных работ отличаются большим разнообразием; основные из них - горные и щитовой.   Сооружение Т горными способами включает 2 основных этапа: разработку и удаление породы и возведение в полученной выработке постоянной конструкции - обделки. В зависимости от свойств горных пород раскрытие выработки ведут по частям или за один прием (на полный профиль) (рис. 2). В мягких и полускальных породах сечение (профиль) выработки расчленяют на отдельные сравнительно мелкие части, закрепляемые временной (преимущественно деревянной) крепью, исключающей возможность обрушения породы. В скальных породах возможно расчленение сечения на более крупные части; временная крепь устанавливается лишь по контуру выработки, а ее внутреннее пространство остается свободным. Благодаря этому работы могут быть в значительной степени механизированы. Разработка породы производится, как правило, буровзрывным способом с помощью бурильных машин большой мощности и механизацией погрузки и выдачи породы, при поточной системе организации работ по длине Т Для бетонирования обделки используют передвижные металлические опалубки, обеспечивающие возможность применения бетоноукладочных машин. Значительное распространение получил способ опертого свода, используемый в достаточно устойчивых породах, способных выдерживать давление, бетонного свода обделки. При этом способе раскрытие выработки производится по частям; вначале сооружают бетонный свод, опертый на породу, а затем, по мере разработки нижележащих частей сечения, под пяты свода подводят стены из монолитного бетона. Работы могут вестись по одноштольневой и двухштольневой схемам. При способе сплошного забоя, практикуемом в устойчивых скальных породах, раскрытие выработки производят на полный профиль, для чего применяют специальное горнопроходческое оборудование - буровые подмости, самоходные буровые рамы, установки и агрегаты. Бетонирование обделки осуществляют при помощи бетононасосов или бетоноукладчиков (рис. 3).   Щитовой способ получил преимущественное распространение при сооружении Т в слабых и неустойчивых породах. Он основан на применении в качестве временной крепи тоннельного (проходческого) щита (рис. 4), представляющего собой подвижную стальную цилиндрическую оболочку, под защитой которой выполняются основные операции - разработка породы и возведение обделки (как правило, сборной, кругового очертания). Сборка обделки Т производится при помощи эректоров, тюбинго- или блокоукладчиков, размещаемых непосредственно на щите или за щитом на специальных опорных подвижных конструкциях. В неустойчивых водонасыщенных породах щитовую проходку ведут в сочетании с подачей сжатого воздуха как средства осушения забоя. Для ограждения головной части выработки (где ведут разработку породы и монтаж обделки при повышенном воздушном давлении) от остальной части Т применяют воздухонепроницаемые переносные перегородки, оборудованные шлюзовыми устройствами для пропуска людей, выдачи породы, доставки материалов и различного оборудования. В отличие от горных способов сооружения Т, щитовая проходка не требует применения временных крепей, что повышает безопасность и экономическую эффективность выполнения работ. Проходческий щит может быть приспособлен (при использовании специальных механизмов) для проходки различных пород (пластичных, сыпучих, плывунных и др.), что обеспечивает возможность полной механизации всех процессов тоннельных работ при высоком качестве их выполнения и больших скоростях проходки. В СССР щитовая проходка получила наибольшее развитие при сооружении Т метрополитена (рис. 5).   Наряду с горными и щитовым способами проходки при строительстве Т (главным образом подводных) применяют методы опускных готовых секций, Т-кессонов и др.   Гидроизоляция и водоотводные устройства. Т должны быть защищены от проникновения в них поверхностных и подземных вод. Отвод поверхностных вод обеспечивается соответствующей планировкой поверхности над Т, устройством открытых нагорных канав и водонепроницаемого ложа водотоков, протекающих над Т Защита Т от подземных вод достигается их отводом из прорезаемого горного массива путем устройства так называемого заобделочного дренажа, бурения скважин, а также гидроизоляцией самой обделки. Наиболее распространены: оклеечная гидроизоляция, состоящая из нескольких слоев рулонного битумизированного материала; нагнетание за обделку цементных или других растворов; уплотнение окружающих Т пород цементацией. Внутри Т предусматривают устройства (лотки, трубы) для отвода воды к порталам, выпуска и сброса ее за пределы Т   Основные тенденции развития техники тоннелестроения: совершенствование существующих и создание новых типов обделок для различных инженерно-геологических условий, внедрение безопалубочного метода возведения несущих обделок; разработка наиболее рациональных способов защиты Т от подземных вод, особенно в районах с суровым климатом; внедрение эффективных систем комплексной механизации тоннельных работ; совершенствование буровзрывного способа проходки.    Лит.: Волков В. П., Тоннели, 3 изд., М., 1970; Малевич Н. А., Горнопроходческие машины и комплексы, М., 1971; Компаннец С. А., Поправке А. К., Богородецкий А. А., Проектирование тоннелей, М,, 1973; Мостков В. М., Подземные сооружения большого сечения, 2 изд., М., 1974: Тоннели и метрополитены, под ред. В. П. Волкова, 2 изд., М., 1975; Строительные нормы и правила, ч. 3, раздел Б, гл. 8. Тоннели автодорожные и гидротехнические. Правила организации строительства, производства и приемки работ, М., 1968.   В. П. Волков.