КЛАССИФИКАЦИЯ ТОННЕЛЕЙ
Тоннелем называют горизонтальное или наклонное подземное искусственное сооружение, предназначенное для транспорта, пропуска воды, размещения коммуникаций и других целей, длина которого обычно значительно превышает поперечные размеры.
В настоящее время тоннели имеют широкое распространение во всех отраслях народного хозяйства. Они могут быть классифицированы по назначению и положению относительно земной поверхности. По назначению тоннели делят на пять основных групп: 1 — тоннели на путях сообщения; 2 — тоннели гидротехнические; 3 — тоннели коммунальные; 4 — тоннели горнопромышленные и 5 — тоннели специальные.
Наибольшее распространение имеют тоннели на путях сообщения, к которым относят тоннели метрополитенов, железнодорожные, автодорожные, судоходные и пешеходные тоннели, а также тоннели для нескольких видов транспорта.
К гидротехническим тоннелям, предназначенным для перемещения больших объемов воды, относят тоннели гидроэлектростанций, подводящие воду к турбинам и отводящие ее после использования, тоннели водоснабжения, подающие воду для населенных пунктов (иногда на расстояние в десятки километров), тоннели, используемые для улучшения земель (ирригационные и мелиоративные).
Упомянутые выше судоходные тоннели являются транспортно-гидротехническими, так как их сечение частично заполнено водой.
Коммунальные тоннели являются существенным элементом хозяйства современного города. Это подземные водостоки, к которым относятся целые реки, заключенные в трубы, водопроводные и канализационные тоннели, а также коллекторы, служащие для размещения подземных городских сетей (силовых и телефонных кабелей, газопроводов, водопроводных магистралей и т.п.). В перспективе — это тоннели-каналы глубокого заложения.
Горнопромышленные тоннели обслуживают предприятия, добывающие полезные ископаемые.
К тоннелям специального назначения относят подземные оборонные сооружения, а также подземные электростанции, гаражи и т.п.
По положению относительно рельефа местности тоннели можно разделить на горные, подводные и равнинные. К последним относят в основном тоннели, сооружаемые в городах (например, метрополитены, переходы на перекрестках, подземные гаражи и т.п.).
Глубина заложения тоннеля в значительной степени влияет на его конструкцию и способы постройки. Различают тоннели, сооружаемые со вскрытием поверхности или без вскрытия ее, т.е. сооружаемые открытым или закрытым способом.
ТОННЕЛИ КАК СРЕДСТВО ПРЕОДОЛЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ ПРИ ТРАССИРОВАНИИ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Тоннель является эффективным средством расширения возможностей трассирования пути сообщения в трудных условиях, позволяющим преодолеть препятствие вместо его обхода.
Препятствия делят на высотные и контурные.
К высотным препятствиям относят холмы, хребты и водоразделы. При трассировании железной или автомобильной дороги возможны три решения: обход высотного препятствия, развитие линии с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки и, наконец, сооружение тоннеля, соединяющего склоны высотного препятствия (рис. 1).
Рис. 1. Преодоление высотного препятствия
При обходе препятствия имеет место значительное удлинение линии и увеличение уклонов, которое в случае железной дороги может потребовать на отдельных участках применения кратной тяги, а также вызвать ухудшение эксплуатационных показателей пути сообщения.
При развитии линии с открытым пересечением перевала ее длина получается меньшей, чем в первом случае, но потребность в применении больших уклонов возрастает; возникает необходимость в защите высоко расположенных участков линии от снежных заносов, лавин и обвалов путем устройства галерей и других инженерных сооружений.
Пересечение высотного препятствия при помощи тоннеля значительно сокращает длину линии и позволяет уменьшить уклоны, вследствие чего создается возможность увеличения весовых норм и скоростей движения, ликвидируются лишние подъемы и пробеги, характерные для двух первых решений, и улучшаются эксплуатационные показатели пути сообщения. Однако сооружение тоннеля, особенно расположенного в подошве высотного препятствия и имеющего в связи с этим большую длину, вызывает значительное увеличение капитальных затрат.
Поэтому выбор трассы пути сообщения производят на основании технико-экономического сравнения вариантов. При этом учитывают народнохозяйственную важность увеличения пропускной и провозной способности путей сообщения в свете задач, поставленных перед транспортом партией и правительством.
К контурным препятствиям относят участки оползней, осыпей, лавин и снежных заносов, водотоки и водоемы, а также участки густой застройки. Оползни и осыпи угрожают стабильности земляного полотна и безопасности движения при долинных и косогорных ходах. При оползнях малой мощности возможно расположение пути на эстакадах, опирающихся на ненарушенные породы, в сочетании с противооползневыми мероприятиями. Однако при мощных (более 5 м) оползнях и наличии глубоких потоков подземных вод наиболее правильным решением задачи часто является перенос трассы в глубь горного массива — за пределы оползневой зоны (рис. 2). Это же решение может оказаться целесообразным при наличии в районе трассы мощных осыпей, возникающих на скальных косогорах (круче 30—35°), сложенных из трещиноватых выветрелых пород. Защита пути от снежных лавин и заносов требует больших эксплуатационных расходов и серьезных инженерных мероприятий вплоть до устройства на опасных участках галерей из камня, бетона или железобетона.
Поэтому в ряде случаев отказываются от открытого пересечения перевала и сооружают тоннель вне зоны, опасной в отношении лавин и заносов (см. рис. 2).
Рис. 2. Преодоление участков оползней, осыпей и снегозаносимости
При преодолении водных препятствий необходимо сделать выбор между мостом и тоннелем, т.е. между надземным и подземным расположением трассы (рис. 3). В сравнении с мостовым переходом тоннельное пересечение имеет следующие преимущества: отсутствие помех судоходству; защищенность от ветра, льда, волн; меньшая длина пересечения при высоком габарите судов и широкой пойме; удобство подходов к пересечению в густозастроенных населенных пунктах.
Рис. 3. Преодоление водного препятствия
Однако тоннельное решение имеет ряд недостатков. При тоннельном пересечении необходима мощная вентиляция, без которой часто невозможна эксплуатация подводного тоннеля. Работы по сооружению тоннеля производят узким фронтом при ограниченном числе забоев, вследствие чего срок сооружения тоннеля, как правило, больше, чем срок сооружения моста. Стоимость тоннельного пересечения может быть выше стоимости мостового перехода, так как для сооружения тоннеля необходимо выполнить больший объем земляных работ, чем при сооружении моста. Однако следует иметь в виду, что с увеличением ширины водного препятствия стоимость 1 пог. м моста увеличивается, а стоимость 1 пог. м тоннеля уменьшается; с увеличением высоты моста возрастают объемы земляных работ на подходах.
В отношении безопасности производства работ мостовой переход не имеет преимуществ по сравнению с тоннельным пересечением. Проходка подводных тоннелей специальными (герметическими) щитами обеспечивает полную безопасность работ и гарантирует их своевременное выполнение, причем может производиться в течение всего года независимо от сезона и климатических условий.
Особенно возрастают преимущества тоннельного пересечения при сооружении тоннеля из крупных секций, изготовляемых на берегу и опускаемых в котлован, устраиваемый по оси пересечения подводным землечерпанием.
Выбор между мостовым переходом и тоннельным пересечением делают на основании технико-экономического сравнения с учетом всех перечисленных выше соображений.
В условиях современного города увеличение провозной способности пути сообщения требует его расположения вне улиц: на эстакадах или в тоннелях. Эстакадный вариант обладает рядом недостатков, к которым относят: загромождение поверхности опорами эстакад, создающими помехи городскому движению; нарушение эстакадами городского архитектурного ансамбля; затемнение домов, шум от движущихся с большой скоростью поездов, преобразование.
По перечисленным соображениям обычно отдают предпочтение тоннельному варианту внеуличного транспорта (метрополитен, глубокий железнодорожный ввод, автодорожные тоннели на перекрестках).
ОСНОВНАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ
Искусственно образованную в земной коре полость, предназначенную для размещения тоннеля или для вспомогательных строительных целей, называют выработкой. По положению в пространстве выработки делят на горизонтальные, наклонные и вертикальные.
Горизонтальная, или наклонная, выработка (рис. 4) делится на две части: верхнюю сводчатую — калотту и нижнюю — штроссу — и ограничивается сверху кровлей, снизу — подошвой и с боков — стенами. Торец выработки, в котором разрабатывают породу, носит название забоя.
Горизонтальную или наклонную выработку, используемую для раскрытия выработки на полное сечение или вспомогательных целей, называют штольней.
Рис. 4. Горизонтальная выработка
Вертикальные выработки, имеющие выход на дневную поверхность и предназначенные для обслуживания подземных работ, а также для целей вентиляции, носят название стволов (рис. 5). Верхняя часть 2 ствола 3 — устье. В нижней части ствола расположена околоствольная выработка 4, используемая для соединения ствола с подходными штольнями 1 и размещения транспортных и других устройств, а также водосборник (зумпф) 5.
Рис. 5. Вертикальная выработка
Конструкция тоннеля, называемая обделкой, в общем случае состоит из верхнего свода 1, стен 2 и обратного свода 3 (рис. 6). В некоторых случаях ограничиваются верхним сводом и стенами или даже одним верхним сводом.
В зависимости от степени застройки поверхности, глубины и инженерно-геологических условий заложения тоннеля для его сооружения применяют открытый или закрытый способ работ.
Рис. 6. Тоннельная обделка
При открытом способе с поверхности раскрывают котлован глубиной до 15 м с вертикальными стенами, поддерживаемыми временным ограждением, или с откосами, в котором сооружают конструкцию тоннеля с последующей обратной засыпкой и восстановлением поверхности.
Разновидностью открытого способа работ является сооружение подводных тоннелей опусканием в выполненный подводным землечерпанием котлован заранее приготовленных на поверхности секций тоннеля, которые после стыкования засыпают грунтом с планировкой дна водотока (способ опускных секций).
При закрытом способе разработку породы (проходку) и возведение обделки выполняют без нарушения земной поверхности через стволы шахт или входные участки тоннеля (порталы). При этом в зависимости от конкретных условий применяют горный или щитовой способ. В настоящее время широкое распространение получил закрытый способ сооружения тоннелей мелкого заложения.
Горный способ заключается в разработке всего сечения выработки за один прием или по частям с заменой при необходимости вынимаемой породы временной крепью. В первом случае обделку обычно возводят из монолитного бетона, укладываемого механизированными способами за инвентарные передвижные опалубки, или монтируют из железобетонных элементов. При разработке сечения по частям (рис. 7) первоначально проходят небольшую выработку, опережающую штольню 1 или опережающую калотту (см. рис. 175), из которой в последовательности, показанной цифрами, производят расширение сечения до проектного контура с возведением обделки из монолитного бетона. Плотный контакт обделки с окружающими породами обеспечивается нагнетанием за обделку цементного раствора.
Рис. 7. Горный способ работ
При щитовом способе в качестве временной крепи применяют стальной цилиндр — щит, имеющий диаметр, несколько больший чем тоннельная обделка (рис. 8).
Рис. 8. Щитовой способ работ
Тоннельная обделка при щитовом способе работ обычно имеет круговое очертание и состоит из изготовленных в заводских условиях чугунных элементов-тюбингов или железобетонных элементов-блоков. Кольца обделки собирают из этих элементов под защитой задней части щита — оболочки. Породу перед щитом разрабатывают на ширину кольца обделки, после чего щит передвигают в образовавшееся пространство при помощи расположенных в нем гидравлических домкратов, которые упираются в последнее кольцо обделки.
При щитовом способе работ можно также применять обделку из монолитного бетона, прессуемого щитовыми домкратами при передвижке щита.
В настоящее время широкое распространение получили механизированные щиты, снабженные в передней части рабочим органом, предназначенным для механизированной разработки породы.
Проходку тоннелей в водоносных грунтах и подводных тоннелей выполняют, как правило, щитовым способом. При этом для отжатия подземных вод переднюю часть тоннеля, отделенную перегородкой, заполняют сжатым воздухом, давление которого соответствует давлению воды. Более прогрессивным направлением является применение для проходки подводных тоннелей вышеупомянутого способа опускных секций или герметизированных щитов с использованием для разработки породы гидромеханизации.
КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ТОННЕЛЕСТРОЕНИЯ
Истоки тоннелестроения, первоначально заключавшегося в создании подземных выработок, уходят в глубокую древность. Задолго до нашей эры в Вавилоне, Египте, Греции и Риме подземные работы производили для добычи полезных ископаемых, сооружения гробниц, храмов. Позднее тоннели сооружали также для целей водоснабжения и транспорта. Значительные тоннельные работы вели римляне, создавшие ряд дорожных, водопроводных и дренажных тоннелей, часть которых сохранилась до нашего времени.
Развитие тоннелестроения тесно связано с развитием орудий и средств производства. Уровень тоннельной техники соответствовал уровню развития производительных сил. Все древние тоннели сооружали, как правило, в крепких скальных породах, не требующих устройства обделки, причем выработке придавали сводчатое очертание, соответствующее форме естественных пещер. Работы выполнялись рабским трудом с помощью кирок, ломов, клиньев, а также огневым способом, заключавшимся в сильном нагревании забоя выработки с последующим охлаждением холодной водой и разборкой растрескавшейся скалы. После падения Римской империи в тоннелестроении, как и в других отраслях человеческой деятельности, наступил период длительного застоя, в течение которого подземные работы производились преимущественно для военных целей.
В конце средних веков, в связи с расширением международных связей и стремлением к укорочению торговых путей начинается строительство судоходных тоннелей, соединявших между собой водные пути сообщения, разделенные водоразделами. Предпосылкой к строительству тоннелей в этот период явилось применение черного пороха для взрывания скальных пород.
Первый судоходный тоннель длиной около 160 м был построен во Франции на Лангедокском канале в 1679—1681 гг.
Толчком для дальнейшего развития тоннелестроения послужило появление железных дорог, требующих малых уклонов и сооружения тоннелей для преодоления высотных препятствий. Первый железнодорожный тоннель длиной 1190 м был построен в 1826—1830 гг. в Англии на линии Ливерпуль — Манчестер. Почти одновременно развернулось строительство железнодорожных тоннелей во Франции и других европейских странах.
Несмотря на быстрое развитие тоннелестроения, длина тоннелей, сооружавшихся с использованием ручного бурения и черного пороха, не превышала 3,5 км. Уровень техники ограничивал возможности строительства длинных тоннелей. Открытие пироксилина (1845 г.) и динамита (1866 г.), а также успешное применение в горном деле бурильных машин ударно-поворотного действия (1851 г.) произвели технический переворот в тоннелестроении и сделали возможным сооружение больших альпийских тоннелей между Францией, Италией и Швейцарией.
В 1857—1871 гг. был сооружен тоннель Мои-Сенис длиной 12 850 м, соединивший Францию с Италией, в 1872—1882 гг. — тоннель Сен-Готард длиной 14 984 м, соединивший Италию со Швейцарией. До начала первой мировой войны были построены 26 тоннелей длиной более 5 км каждый, в том числе самый длинный в мире Симплонский тоннель длиной 19 780 м, соединивший Италию со Швейцарией. Строительство первого из двух однопутных Симплонских тоннелей было начато в 1898 г. и закончено в 1906 г.
Тоннелестроителям пришлось встретиться с большими трудностями (огромное горное давление, большой приток горячей воды, высокая температура в выработке, доходившая до 55° С). Второй Симплонский тоннель был построен лишь к 1921 г.
Основным материалом для возведения обделки тоннелей была бутовая кладка на известковом и цементном растворах. Только в 1889 г. для реконструкции тоннелей впервые был применен бетон, получивший с первой четверти двадцатого века широкое распространение в тоннельном строительстве.
После первой мировой войны масштабы строительства тоннелей уменьшились, что в известной степени объяснялось завершением к этому времени развитии железнодорожной сети в основных странах Европы. Среди построенных в этот период значительных сооружений выделяется самый длинный в мире двухпутный железнодорожный тоннель — Большой Апеннинский на линии Флоренция — Болонья (Италия) (1920—1931 гг., длина 18 510 м), имеющий в середине подземную обгонную станцию. В 1927 г. был закончен Ровский судоходный тоннель длиной 7 118 м на водной магистрали Марсель — Рона (Франция), являющийся крупнейшим в мире по размерам поперечного сечения (выработка 24,5×17,1 м).
В последнее десятилетие в связи со значительным развитием автомобильного транспорта развернулось строительство горных автодорожных тоннелей, среди которых наиболее крупным является Монбланский тоннель длиной 11 200 м, построенный в 1959—1964 гг. Проектируется Большой Сен-Готардский тоннель длиной 16 320 м.
Наряду со строительством горных тоннелей развивалось и строительство тоннелей подводных, в первую очередь на железных, а позднее и на автомобильных дорогах.
Строительство подводных тоннелей стало возможным благодаря применению тоннельных щитов и использованию сжатого воздуха для оттеснения воды из выработки и сборной обделки, составляемой из чугунных элементов — тюбингов.
Впервые тоннельный щит был применен Брюнелем при постройке тоннеля под р. Темзой, но получил всеобщее признание лишь после его усовершенствования в 1869 г. Барлоу и Грэйтхэдом. Грэйтхэдом же был впервые успешно применен сжатый воздух для проходки тоннеля Лондонского метрополитена в 1886 г., хотя проходка шахтного ствола под сжатым воздухом была осуществлена Тригером еще в 1839 г.
Щитовым способом построено много подводных тоннелей, особенно в США. Только в Нью-Йорке имеется 20 крупных подводных тоннелей, из которых наиболее значительным является Линкольнский тоннель под р. Гудзон, пройденный вдавливанием щита в илистый грунт с рекордной скоростью 13,5 м в сутки (наружный диаметр 9,43 м, длина подводной части 1 397 м, общая длина 2 495 м.) Наиболее длинным подводным тоннелем в мире будет сооружаемый в настоящее время между островами Хоисю и Хоккайдо (Япония) железнодорожный тоннель Сейкен длиной 36,5 км, из которых 22 км будет пройдено под дном морского пролива Цугару. Самое большое поперечное сечение среди подводных тоннелей имеет Мерсейскнй тоннель (Англия), сооруженный в скальных породах без применения сжатого воздуха (наружный диаметр 14,1 м, длина подводной части 1 372 м, общая длина 3 425 м).
При строительстве подводных тоннелей наряду со щитовым способом широко применяют способ опускных секций, который исключает необходимость использования сжатого воздуха, обеспечивает сокращение сроков и стоимости строительства. К наиболее значительным сооружениям; возведенным этим способом относятся построенный в 1965—1969 гг. тоннель для автомобильного и железнодорожного транспорта под р. Шельдой (Бельгия), подводная часть которого состоит из железобетонных предварительно напряженных секций сечением 47,8×10 м и длиной 102 м, а также сооружаемый в настоящее время тоннель под р. Эльбой (ФРГ) (8 секций из железобетона сечением 42,5×8,5 м и длиной 132 м).
В 1863 г. пуском первой линии Лондонского метрополитена началось строительство в крупнейших городах мира метрополитенов, являющихся сложными комплексами подземных сооружений. В настоящее время находятся в эксплуатации 38 метрополитенов (в том числе в нашей стране — в Москве, Ленинграде, Киеве, Тбилиси и Баку), причем в связи с ростом городов сеть линий обслуживающих их метрополитенов непрерывно расширяется. Одновременно в десятках крупных городов мира ведется строительство (в том числе в Ташкенте и Харькове) и проектирование (в том числе в Минске и Новосибирске) новых метрополитенов.
Значительный размах получило строительство гидротехнических, коммунальных и специальных тоннелей. Гидротехнические тоннели, получившие широкое распространение в связи со строительством гидроэлектростанций и сооружаемые обычно в крепких скальных породах, имеют наибольшие размеры. Так, высота сечения отводящего тоннеля гидростанции Сторнфорс (Швеция) достигает 26,8 м при ширине 15,8 м, тоннель Сноун-Меррей (Австралия) имеет длину 29,2 км.
В России первый железнодорожный тоннель был построен к 1862 г. (двухпутный Ковенский тоннель длиной 1 280 м), что объяснялось равнинным характером европейской части страны и отсутствием необходимости в тоннелях на путях сообщения. Дальнейшее строительство железнодорожных тоннелей связано с освоением окраин России в конце XIX в. Среди многочисленных тоннелей, построенных в этот период на железных дорогах в горных районах Крыма, Урала, Сибири, наибольший интерес представляет двухпутный Сурамский тоннель (1886—1890 гг., длина 3 998 м), до настоящего времени являющийся самым длинным двухпутным горным тоннелем в нашей стране.
В начале XX в. развернулось широкое строительство тоннелей в Сибири и на Дальнем Востоке. Среди многочисленных сооружений этого периода выделяется Хинганский тоннель длиной 3 078 м на Китайско-Восточной железной дороге, средняя скорость постройки которого достигала 205 м в месяц. Ряд двухпутных тоннелей Дальнего Востока был сооружен впервые в мире в условиях вечной мерзлоты, создававших большие трудности как в период постройки, так и во время эксплуатации тоннелей.
В первые годы после Великой Октябрьской социалистической революции проводились работы по завершению строительства тоннелей, начатых до войны.
Новое тоннельное строительство развернулось лишь позднее в связи с созданием сети гидроэлектростанций по Ленинскому плану ГОЭЛРО. Значительный размах получили тоннельные работы после успешного завершения строительства первой очереди Московского метрополитена, которая была сдана в эксплуатацию в 1935 г. Во время постройки первого в СССР метрополитена были подготовлены многочисленные кадры советских тоннелестроителей и создана база для развертывания последующего строительства. Рост индустриальной мощи страны способствовал повышению степени механизации тоннельных работ.
Строительство каждой линии Московского метрополитена представляет собой крупный шаг в деле развития советского метростроения и характеризуется внедрением более совершенных конструкций, машин, механизмов, новых технологических процессов, достижением новых рекордных скоростей проходки тоннелей.
На 1 января 1974 г. сеть линий Московского метрополитена им. В. И. Ленина имела 154,4 км тоннелей (в двухпутном исчислении) с 96 станциями (к концу 1975 г. ее протяженность должна возрасти до 170,7 км, а число станций — до 104).
Большой опыт московских метростроителей широко использован и творчески развит строителями Ленинградского, Киевского, Тбилисского и Бакинского метрополитенов, каждый из которых построен в геологических условиях, резко отличающихся от московских. При строительстве этих метрополитенов широкое применение нашли механизированные щиты, внедрены новые оригинальные конструкции и способы производства работ, достигнуты высокие скорости проходки.
Для советских метрополитенов характерен массовый переход от чугунных обделок к обделкам из сборных железобетонных элементов. Успешно строят тоннели мелкого заложения кругового очертания щитовым способом без нарушения поверхности. Применение щитов с горизонтальными рассекающими площадками обеспечило высокие скорости сооружения перегонных тоннелей в песчаных грунтах. За пределами полосы густой застройки применяют открытый способ работ, обеспечивающий значительное снижение стоимости тоннелей. Ведется производственная проверка сооружения тоннелей мелкого заложения специальным прямоугольным щитом с укладкой обделки из цельных секций замкнутого сечения.
Одновременно со строительством метрополитенов в нашей стране велись большие работы по сооружению тоннелей всех видов,
К наиболее значительным транспортным тоннелям, построенным за последние десятилетия, относятся однопутный железнодорожный Росвумчоррский (5 000 м), 5 однопутных тоннелей на железной дороге Абакан — Тайшет (общая длина их 8 640 м), высокогорный Сусамырский автодорожный тоннель (2 562 м).
Большое развитие получило строительство гидротехнических тоннелей.
Значительный технический прогресс, улучшение организации производства и внедрение комплексной механизации позволили снизить трудоемкость и стоимость работ, достичь высоких скоростей сооружения тоннелей метрополитенов.
Мастерство советских тоннелестроителей получило международное признание. Ими сооружен ряд крупных тоннелей за рубежом, в том числе комплекс Асуанских тоннелей в АРЕ наружным диаметром 17 м, высокогорный тоннель на Гиндукуше (Афганистан) длиной 2 676 м и др. Метрополитены Будапешта и Праги строятся при участии советских специалистов.