Тоннель

туннель (английское tunnel), горизонтальное или наклонное подземное сооружение (См. Подземные сооружения), служащее для транспортных целей, перемещения воды, прокладки подземных коммуникаций и т.п. По назначению различают Т. Железнодорожные, автодорожные, Т. Метрополитенов, на пересечениях в разных уровнях горных дорог и транспортных магистралей (см. Переход пешеходный, Транспортный тоннель), судоходные тоннели (См. Судоходный тоннель), 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 чёрного пороха для взрывания скальных пород. Первый железнодорожный 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 Францией, 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 железнодорожный Т. На линии Флоренция—Болонья (Италия) длина 18,5 км, а также Ровский судоходный Т. На водной магистрали Марсель—Рона (Франция) длина свыше 7 км. Наряду с горными Т. Развивалось строительство и подводных Т., ставшее возможным благодаря применению щитов проходческих (См. Щит проходческий) (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 железнодорожный двухпутный Ковенский Т.

(длина 1,28 км) был построен в 1862. В конце 19 в. Сооружено много Т. На железных 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 железнодорожным 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 (См.

Крепь горная), заменяемых впоследствии постоянной конструкцией — обделкой (См. Обделка) (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 придаёт архитектурное оформление входу в Т. Для защиты от затопления входных участков подводных Т., а также в горных условиях применяют рампу — железобетонную 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 её 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 химического 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 объём выработки, усложняются работы по возведению тоннельных конструкций и ухудшаются условия вентиляции и видимости в Т. В ряде случаев (например, при развитии железнодорожной 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 железобетон, чугун и сталь. Их выбор производится в зависимости от условий района строительства и способа тоннельных работ. Монолитный бетон и железобетон 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, железобетонных блоков сплошного или ребристого сечения и др.), обусловлено повышением скоростей проходки Т.

И ростом производительности труда. Конструктивная форма обделки и её поперечное сечение определяются геологическими условиями и направлением действия на неё 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. Расчёт 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 учётом сводообразования, массы «столба породы» и др. Факторов) или по результатам инструментальных измерений в готовых выработках. Расчёт обделок производится по предельным состояниям (См. Предельное состояние) — на основе методов строительной механики (См. Строительная механика), упругости теории (См. Упругости теория) и механики грунтов (См. Механика грунтов). При этом учитывается совместная работа обделки и породы как единой упругой системы. Расчётная 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 её 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 (См. Строительные нормы и правила). 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 приём (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 её внутреннее пространство остаётся 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 опёртого свода, используемый в достаточно устойчивых породах, способных выдерживать давление, бетонного свода обделки. При этом способе раскрытие выработки производится по частям. Вначале сооружают бетонный свод, опёртый 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 путём устройства так называемого заобделочного дренажа, бурения скважин, а также гидроизоляцией (См. Гидроизоляция) 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 её 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 железнодорожные, автодорожные и гидротехнические. Правила организации строительства, производства и приемки работ, М., 1968.

В. П. Волков. Рис. 5. Общий вид участка тоннеля метрополитена. Рис. 1. Схемы расположения тоннелей. А — горный тоннель. Б — подводный тоннель. В — городской транспортный тоннель. 1 — портал. 2 — рампа. Lт — длина тоннеля. Lр — длина рампы. Н — глубина заложения тоннеля. Рис. 2. Схемы сооружения тоннеля. А — по частям (1 — опережающая штольня. 2, 4, 5 и 7 — этапы расширения сечения выработки. 3, 6 и 8 — этапы бетонирования). Б — на полный профиль (1 — сечение выработки. 2 — обделка). Рис. 3. Способ сплошного забоя. 1 — шпуры. 2 — анкерная крепь. 3 — передвижная опалубка. 4 — буровая рама с перестановщиком вагонеток. 5 — породопогрузочная машина. 6 — вагонетки. 7 — бетононасос. W — глубина заходки. Рис. 4. Тоннельный щит. 1 — опорное кольцо. 2 — ножевое кольцо. 3 — вертикальная перегородка.

4 — выдвижная платформа. 5 — горизонтальная перегородка. 6 — платформенный домкрат. 7 — забойный домкрат. 8 — накладка. 9 — оболочка. 10 — щитовой домкрат. 11 — опорная пята..