Как построить тоннель

Тоннели начали строить еще в древности — первоначально они использовались для подачи воды и отвода сточных вод. Первые такие сооружения были возведены во времена Римской империи. Позже, с XVII века, тоннели стали применять для транспортных нужд, например, как часть каналов. С развитием железных дорог в XIX веке, а затем — с появлением автомобилей в XX, тоннели стали длиннее, прочнее и сложнее по конструкции. Сегодня существует несколько основных способов строительства тоннелей: прокладка открытым способом (траншея и настил), сооружение подводного тоннеля с использованием опускных секций и метод бурения с помощью тоннелепроходческих машин.

Часть 1. Что нужно учитывать перед строительством тоннеля

1. Оценка места строительства

Место, где будет построен тоннель, определяет выбор технологии и оборудования. Существуют три основных типа тоннелей:

В мягких породах — такие тоннели, как правило, неглубокие. Их применяют в метрополитенах, для водоснабжения и канализации. Чтобы предотвратить осыпание, своды укрепляют.
В каменных породах — более стабильные и, как правило, не требуют усиленного укрепления. Используются для автомобильных и железных дорог.
Подводные — строятся под дном рек, озер, морей. Один из примеров — Евротоннель под Ла-Маншем. Самые сложные в строительстве: нужно отводить воду как при возведении, так и при эксплуатации.

Дополнительные сложности возникают при строительстве тоннелей под городами. Почва может просесть под весом зданий, поэтому важно изучить геологию местности, чтобы снизить риск проседания.

2. Изучение маршрута

Прямые и длинные тоннели проще всего прокладываются с использованием тоннелепроходческой машины. Сложности возникают в следующих случаях:

При коротких маршрутах — использование машины становится экономически невыгодным.
При необходимости смены диаметра тоннеля — замена буров требует времени.
При наличии поворотов и ответвлений — машины плохо справляются с искривленными маршрутами.

3. Цель тоннеля

Назначение влияет на дополнительные системы и инфраструктуру:

Для транспортных тоннелей важна вентиляция: в авто-тоннелях — для отвода угарного газа, в железнодорожных — для удаления выхлопов.
Для безопасности — видеонаблюдение, центры управления движением, системы дымоудаления.
Освещение — в длинных тоннелях используют фонари или световые отверстия (например, в тоннеле Эйзенхауэра, США).
Многофункциональность — некоторые тоннели содержат под дорожным полотном коммуникации (вода, канализация, кабели), как в Квинсуэе (Великобритания) или SMART в Малайзии (может использоваться для отвода воды при наводнениях).

Часть 2. Прокладка тоннеля методом траншеи и настила

1. Выкопайте траншею

Это один из самых простых методов:

Снизу вверх — сначала копают котлован, внутри которого создается тоннель.
Сверху вниз — сначала сооружаются крыша и стены, после чего порода удаляется из-под них.

Метод "сверху вниз" позволяет строить более глубокие тоннели. Еще глубже копают при помощи проходческого щита — он вгрызается в породу и продвигается вперед, отбирая грунт.

2. Установите стены и крышу

Стены и перекрытия тоннеля могут быть:

Из гофрированной стали.
Из заранее отлитого бетона (арки или панели).
Из распыляемого (торкрет) бетона — его применяют вместе с арками для дополнительного укрепления.

3. Завершите конструкцию

В зависимости от метода:

Снизу вверх — требуется дополнительное укрепление, чтобы конструкция выдерживала нагрузку сверху.
Сверху вниз — необходимо заложить прочное основание (пол), чтобы тоннель был устойчивым.

Часть 3. Тоннель из опускных секций (под водой)

1. Подготовка

Сначала выкапывается траншея по дну водоема по всей длине будущего тоннеля.

2. Укладка секций

В траншею укладываются запечатанные стальные трубы. Если это транспортный тоннель — внутри труб уже размещается дорожное покрытие.

3. Защита от деформации

Трубы наполняют тяжелыми материалами — как, например, камнями при строительстве тоннеля Теда Уильямса в Бостоне — чтобы они не смялись под давлением воды.

4. Стыковка труб

Когда трубы уложены, их торцы открываются, и секции герметично соединяются. Транспортная инфраструктура внутри также совмещается.

Часть 4. Буровая тоннелепроходческая машина

1. Выбор машины

Такие машины, или проходческие щиты (в народе — "кроты"), оснащены режущими головками, которые измельчают породу. Измельченный материал выносится конвейером.

Машины подбираются в зависимости от типа породы (мягкая, каменистая, влажная).
Диаметры варьируются: от 8 м (как в проекте электростанции Линт-Лиммерн в Швейцарии) до 17,5 м ("Большая Берта", Япония).
Подводные машины дополнительно имеют камеры для стабилизации давления.
В крупных проектах применяются сразу несколько машин. В Евротоннеле, например, работали 11 установок.

2. Подготовка рабочей зоны

Для глубоких тоннелей создают вертикальные входные шахты, укрепленные бетоном. Машину опускают в шахту, и она начинает рыть тоннель.

Входные шахты могут стать вентиляционными или аварийными выходами. Если нет — их просто оставляют.

3. Установка подпорок

За машиной монтируют бетонные кольца, укрепляющие своды. Их размещают равномерно по мере продвижения.

4. Дополнительное укрепление

Пространство между кольцами покрывают торкрет-бетоном — это смесь с добавками (волокна, катализаторы), которая прочно сцепляется со стенами и быстро твердеет.

Советы

Раньше тоннели в твердых породах создавались с помощью взрывчатки: бурили отверстия, закладывали порох или динамит и подрывали. Стены укрепляли деревянными подпорками, затем кирпичом или металлическими кольцами.
В мягких породах применяют бурильные молоты или экскаваторы с резцами. Первый способ подходит для тоннелей диаметром до 3,2 м, а экскаватором можно вырыть тоннель шириной до 20 м.