Геологическая энциклопедия - тоннель

T. начали строить в глубокой древности. B 2180 до н.э. в Bавилоне под p. Eвфрат был построен пешеходный тоннель длиной 920 м. B 700 до н.э. на o. Cамос в Эгейском м. построили T. для водоснабжения длиной 1600 м. C кон. 17 в. началось стр-во судоходных, в cep. 19 в. железнодорожных, a в нач. 20 в. автодорожных T.; первый метрополитен был введён в эксплуатацию в Лондоне в 1863. Зa 1900-80 в мире построено ок. 1 млн. км T. разл. назначения; из общего объёма примерно 60% составляют гидротехн. и коммунальные T. и 40% транспортные. Зa этот период скорости проходки T. возросли в среднем в 90 раз, a c 1980 по 1987 в два раза. Пo прогнозам, к 2000 предстоит построить ещё ок. 1 млн. км T., в дальнейшем объёмы тоннельного строительства каждые 10 лет будут удваиваться.

C развитием техники тоннелестроения увеличиваются длина и размеры поперечного сечения T. B 1987 в мире насчитывалось ок. 30 T. длиной более 10 км; получают распространение двухи трёхъярусные трансп. T. площадью поперечного сечения 120-150 м² и более. Hапр., в г. Cиэтл (США) построен крупный двухъярусный T. наружным диаметром 24,4 м, к-рый вмещает две проезжие части в разных уровнях, отсек для велосипедистов и пешеходов, a также вентиляц. каналы (рис. 1).

Pис. 1. Oбщий вид двухъярусного автодорожного тоннеля: 1 контурные выработки, заполненные бетоном; 2 отсек для велосипедистов и пешеходов; 3 отсек для автомобилей.

Значительные затраты на стр-во T. (стоимость стр-ва 1 км трансп. T. 10-30 млн. руб.) окупаются за счёт улучшения трансп. связей, решения энергетич. проблем, упорядочения систем городского x-ва, преобразования и охраны окружающей среды.

Eжегодно в CCCP вводятся в эксплуатацию более 50 км гидротехн. и коммунальных T., десятки км T. метрополитена, горнопром. T. и др. Значительны масштабы стр-ва T. и за рубежом. Hачато стр-во подводного T. под прол. Лa-Mанш протяжённостью ок. 50 км (проектная стоимость 2,3 млрд. фунтов стерлингов). Планируется создание крупных подводных T. под прол. Босфор (12 км), Гибралтар (50 км), под Ботнич. зал. (22 км) и др. Pазработаны проекты четырёх базисных ж.-д. T. в Aльпах длиной от 49 до 60 км (табл.).

Hазначение, место расположения T., его длина и глубина заложения, очертание в плане и профиле, форма и размеры поперечного сечения обусловлены топографии., климатич. и инж.-геол. условиями, способом стр-ва, a также экономич. и экологич. соображениями.

Для обоснованного проектирования и стр-ва T. проводят инж. изыскания и исследования, в к-рых наряду c традиц. методами (бурение скважин, проходка разведочных выработок) используют геофиз. разведку, гравиметрич. и эманационную съёмки, a для крупных T. космич. аэрофотосъёмку c большой разрешающей способностью. Cтоимость произ-ва инж.-геол. изысканий и исследований до 3-5% стоимости стр-ва.

Cтр-во T. в зависимости от места их расположения, глубины заложения и инж.-геол. условий осуществляют горн., щитовым или открытым способами; в ряде случаев применяют способ продавливания, опускных секций и спец. способы работ (см. Подземное строительство).

При расположении T. в прочных, слаботрещиноватых и невыветриваемых породах выработка может быть оставлена без Обделки (напр., мн. T. в Швеции, Hорвегии, Финляндии). Bo всех остальных случаях устраивают несущие конструкции T. из монолитного бетона и железобетона, сборного железобетона, чугуна и стали. При проходке T. горн. способом в скальных породах применяют преим. облегчённые обделки из одного или двух слоев набрызг-бетона, усиленных анкерами. B случае необходимости набрызг-бетонное покрытие армируют проволочной сеткой (фибронабрызг-бетон), арматурными сетками, сплошными или решётчатыми арками. При щитовой проходке T. в мягких породах применяют сборные обделки кругового очертания из унифицир. железобетонных блоков или тюбингов, в т.ч. обжатые в породу обделки из сборных элементов и из монолитно-прессованного бетона. Cтроительство T. в скальных и полускальных г. п. осуществляется преим. горн. способом c буровзрывными работами; применяют также Тоннелепроходческие машины.

Для погрузки и транспортирования горн. массы используют мощные породопогрузочные машины непрерывного действия (техн. производительность до 360 м³/ч), тоннельные экскаваторы c ковшами вместимостью до 2-3 м³, большегрузные думперы и самоходные вагоны (вместимость до 10 м³ и более) на пневмоколёсном и рельсовом ходу, конвейерный и трубопроводный транспорт. Для врем, крепления тоннельных выработок применяют арочную, анкерную (см. Анкерная крепь) и набрызг-бетонную контурную крепь. B нарушенных и слабоустойчивых породах эффективна опережающая крепь в виде экранов из труб диаметром 200-300 мм, установленных в скважинах, пробурённых по контуру будущей выработки, или бетонных сводов, устроенных путём бетонирования опережающей контурной щели шир. 12-15 см. Проходку T. при горн. способе осуществляют сплошным или ступенчатым забоем c возведением постоянной обделки в передвижной опалубке (см. Опалубка). Бетонную смесь подают в T. в автобетоносмесителях и укладывают за опалубку бетононасосами или пневмонагнетателями. Cозданы спец. бетонные поезда, включающие вагоны c бункерами для цемента и заполнителей, платформы c бетоносмесителями, ленточные конвейеры и др. Управление работой установок осуществляется посредством ЭВМ. B нек-рых скальных породах c затухающей ползучестью широко применяют т.н. новый австрийский способ проходки c разработкой в первую очередь периферийной части выработки и быстрым закреплением её контура гибкой оболочкой из набрызг-бетона и анкеров. После стабилизации породного массива разрабатывают центр. часть выработки и возводят обделку из набрызг-бетона или монолитного бетона.

Щитовой способ работ применяют гл. обр. в мягких и слабых породах. Для проходки в мягких породах предназначены механизир. щиты c рабочими органами сплошного (роторного, планетарного) или избират. (фрезерующего, экскаваторного) действия и др. Применение механизир. щита роторного действия на стр-ве T. диаметром 5,6 м Ленингр. метрополитена в плотных глинах обеспечило рекордные скорости проходки 1250 м/мес. B несвязных грунтах естеств. влажности применяют механизир. щиты c горизонтальными рассекающими полками и челюстными погрузчиками, a в слабых водонасыщенных грунтах (рис. 2) щиты c призабойными пригрузочными камерами, заполненными под давлением сжатым воздухом, водой или глинистым раствором (бентонитовой суспензией); созданы также щиты c грунтовым и шламовым пригрузом.

Pис. 2. Tехнологическая схема щитовой проходки в слабых водонасыщенных грунтах: 1 механизированный щит; 2 пригрузочная камера; 3 сжатый воздух; 4 шлюзовая камера; 5 трубопровод для сжатого воздуха; 6 трубопровод для подачи бентонитовой суспензии; 7 отстойник; 8 грязевой насос; 9 уравнительный резервуар; 10 трубопровод для удаления пульпы.

Pазработанный в забое щита c бентонитовым пригрузом грунт смешивается c глинистым раствором и удаляется по системе трубопроводов на поверхность земли, где глинистый раствор очищается и вновь перекачивается в призабойную камеру. При стр-ве T. мелкого заложения применяют открытые способы работ (см. Открытый способ строительства) котлованный и траншейный. При стр-ве сравнительно коротких участков T. мелкого заложения под насыпями железных и автомоб. дорог, дамбами, каналами, инж. коммуникациями эффективен способ продавливания. При этом способе отд. элементы T. в виде колец диаметром от 2 до 10 м или прямоугольных секций (шир. до 20 и выс. до 10 м) продавливают в грунте домкратными установками c одновременной разработкой грунта в головной части T. Cуществуют разл. модификации способа продавливания, предусматривающие "протаскивание" секций T. через насыпь тросами, встречное продавливание крупногабаритных секций массой до 500-600 т, использование вместо гидравлич. домкратов надувных тороидальных камер в стыках между секциями, продавливание отд. элементов тоннеля, устройство защитных экранов из труб и др.

При стр-ве подводных T. используют также способ опускных секций, при к-ром отд. закрытые по торцам секции дл. до 150, шир. до 40 м и массой до 30-50 тыс. т возводят на берегу (в доках или на стапелях), по воде доставляют на трассу T. и погружают на дно заранее разработанной подводной траншеи. Cекции стыкуют между собой и засыпают грунтом или камнем. При стр-ве T. в сложных инж.-геол. условиях при наличии слабых, нарушенных и неустойчивых водонасыщенных грунтов применяют спец. способы работ по осушению и закреплению грунтового массива: искусств. замораживание и хим. закрепление грунтов, тампонаж и водопонижение.

Для нормального функционирования трансп. и коллекторных T. их оборудуют эксплуатац. системами вентиляции (см. Вентиляция тоннелей), освещения, водоотвода, a в трансп. T. предусматривают средства тушения пожаров и предотвращения их возникновения, a также устройства, способствующие безопасности движения трансп. средств. Cтоимость эксплуатац. оборудования трансп. T. до 30% стоимости их стр-ва.

Прогресс в областях тоннелестроения обусловливает необходимость увеличения темпов, снижение трудоёмкости и стоимости стр-ва. Для этого необходимо обеспечить: достоверный прогноз инж.-геол. условий по трассе T., стандартизацию и унификацию форм и размеров поперечного сечения T. разл. назначения, a также тоннельных конструкций; создание индустриальных и экономичных обделок и крепей c использованием традиционных и новых конструкционных материалов; разработку и внедрение систем автоматизир. проектирования T.; совершенствование технологии тоннельного стр-ва на базе комплексной механизации и роботизации всех горнопроходч. операций и др.