Тоннели начали строить в глубокой древности, преимущественно для подачи воды и для военных целей. Первый горный железнодорожный тоннель длиной 1190 м был построен в 1826-1830 гг. в Англии. Крупнейший в мире однопутный железнодорожный Симплонский тоннель длиной 19,78 км, соединивший Италию со Швейцарией, был построен в 1898- 1906 гг. Железнодорожные тоннели в России начали строить с 1859 г. За три года были построены двухпутные тоннели длиной 427 и 1280 м на Петербург- Варшавской железной дороге. До конца прошлого столетия сооружено большое количество тоннелей на железных дорогах Кавказа, Сибири, Урала. Самым крупным был Сурамский тоннель в Закавказье длиной 4 км, построенный в 1886-1890 гг. До Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране было сооружено несколько десятков крупных горных однопутных и двухпутных тоннелей на железных дорогах Дальнего Востока. После Великой Октябрьской социалистической революции построены крупные тоннели на линиях Казань - Свердловск, Мерефа - Херсон, на Черноморской железной дороге и ряд тоннелей на востоке страны. Железнодорожные тоннели строили различными способами с обделками, защищающими движущиеся поезда от обвалов горных пород, из каменной кладки на известковых растворах, а позднее из бетона. Первая линия метрополитена была построена в Англии в 1863г. в Лондоне. С этого времени сеть метрополитенов быстро росла. В России строительство метрополитенов, начатое в 1930 г., ведется непрерывно. На 1 января 1988 г. протяженность Московского метрополитена составляла уже 224 км.

Тоннель (рис.1) – протяженное подземное или подводное сооружение для пропуска через высотное или контурное препятствие транспортных средств, пешеходов, воды, инженерных коммуникаций и пр.

Тоннели имеют обычно два выхода на поверхность, а в особых случаях только один (тупиковый тоннель транспортного рис. 1. или специального назначения).

Нормальная эксплуатация тоннеля обеспечивается комплексом согласованно работающих подземных и наземных сооружений и устройств, состав которых зависит от назначения, протяженности и места расположения тоннеля.

Железнодорожные и автодорожные тоннели, равно как и метрополитены, кроме железнодорожного пути или полотна проезжей части, должны иметь водоотводные, вентиляционные, оградительные и защитные сооружения и устройства, обеспечивающие безопасность движения и обслуживающего персонала.

Водоотводные устройства необходимы для удаления из тоннеля воды, проникающей через обделку или поступающей из водопровода при уборочных работах. Выполняются они в виде продольных лотков или труб, прокладываемых посередине или сбоку тоннеля.

Вентиляционные сооружения предназначены для очистки воздуха в тоннелях. Конструкция и состав этих сооружений зависят от системы вентиляции и длины тоннеля. При искусственной вентиляции могут сооружаться вентиляционные стволы, подземные камеры или наземные здания для вентиляторов.

К оградительным и защитным сооружениям относятся порталы, облицовочные и поддерживающие стены вдоль откосов предпортальных выемок, улавливающие стены и надолбы с заградительными валами и траншеями на пологих склонах, галереи в припортальных полувыемках на крутых косогорах, где имеется опасность обвалов, осыпей и лавин.

К водозащитным сооружениям относятся водосборные и водоотводные канавы на склонах гор, прорезаемых тоннелем, поверхностные и подземные дренажи.

К устройствам, обеспечивающим безопасность движения, относятся электрическое освещение тоннелей, оповестительная и заградительная сигнализации, телефонная связь, противопожарные установки и т. п.

Метрополитены из всех типов тоннелей отличаются наиболее сложным комплексом сооружений и устройств. Основными сооружениями метрополитена являются перегонные тоннели, станции, вестибюли, тяговые и понизительные электроподстанции, вагонные депо.

Для нормальной эксплуатации перегонных тоннелей необходимы вспомогательные сооружения: камеры для водоотливных установок, вентиляционные камеры и тоннели, вертикальные стволы вентиляционных шахт. В местах выхода перегонных тоннелей на поверхность устраиваются рампы - открытые выемки с подпорными стенами.

Строительство тоннелей- довольно-таки трудоемкий и дорогостоящий вид работ.

1. Классификация тоннелей.

Область применения тоннелей настолько велика, что позволяет дать лишь самую общую их классификацию по назначению, месту расположения, глубине заложения и способу строительства (рис. 2).

Они различаются также длиной (от нескольких десятков метров до нескольких десятков километров), формой и размерами поперечного сечения, конструкциями, условиями эксплуатации и пр.

По назначению выделяют транспортные тоннели, предназначенные для пропуска средств автомобильного или железнодорожного транспорта, поездов или скоростного трамвая, специальных видов транспорта (поездов на магнитной или воздушной подушке). Существуют также совмещенные транспортные тоннели для нескольких видов транспортных средств и пешеходов, судоходные тоннели и др.

Рис. 2.

В последнее время в ряде протяженных железнодорожных тоннелей осуществляется перевозка автомобилей на специальных платформах, что значительно экономит время, снижает экологическую нагрузку и стоимость проезда.

Гидротехнические тоннели сооружают в системе ГЭС, ГАЭС или АЭС для отвода и подачи воды к силовым агрегатам (энергетические и деривационные). К гидротехническим относятся также мелиоративные тоннели для осушения или орошения земель, тоннели для водоснабжения, а также лесосплавные тоннели.

Коммуникационные тоннели чаще всего располагают в городах для прокладки различных инженерных коммуникаций: электрических кабелей высокого или низкого напряжения, кабелей связи, теплосетей, водостока, водопровода, газопровода, канализации. Во многих случаях устраивают коллекторные тоннели для пропуска нескольких видов коммуникаций.

Горнопромышленные тоннели строят на горнодобывающих предприятиях, шахтах и рудниках. Они служат для транспортирования руды и породы, проветривания и осушения подземных выработок.

К тоннелям специального назначения относят подземные автостоянки и гаражи тоннельного типа, тоннели для научных исследований (например, ускорители заряженных частиц, тоннели для аэродинамических испытаний), газо- и нефтехранилища, подземные склады, тоннели оборонного характера.

По месту расположения транспортные тоннели подразделяют на горные, подводные и городские. ^ Горные тоннели сооружают преимущественно в горной местности для преодоления высотных препятствий: горных хребтов, отрогов гор, холмов, возвышеннос­тей. Подводные тоннели располагают в месте пересечения контур­ных препятствий: рек, каналов, озер, водохранилищ, морских за­ливов и проливов. Городские автотранспортные и пешеходные тоннели служат для упорядочения движения транспорта и пешехо­дов на городских магистралях и улицах. Такое подразделение следует считать условным, поскольку горные и подводные тоннели могут располагаться и на участках городских территорий, разделен­ных высотными или водными препятствиями.

В зависимости от глубины заложения от поверхности земли H различают тоннели глубокого[H> (2-3)В] и мелкого заложения [H < (2-3)B], где B-наибольший размер (пролет или вы­сота) поперечного сечения тоннеля.

В соответствии со способом строительства выделяют тон­нели, сооружаемые закрытыми, открытыми или опускными спосо­бами, каждый из которых имеет несколько разновидностей.

Закрытые способы (горный, щитовой, продавливание) предусматривают ведение работ без нарушения поверхностных условий, а открытые способы (котлованный, траншейный) - с предваритель­ным вскрытием поверхности земли. Используя опускные способы (опускные колодцы, опускные секции подводных тоннелей), конст­рукции тоннеля изготавливают на поверхности земли, а затем по­гружают на проектную отметку.

В наиболее сложных инженерно-геологических условиях для предварительного закрепления или осушения грунтового массива ранее перечисленные способы применяют в сочетании со специаль­ными способами работ: водопонижением, искусственным заморажи­ванием, тампонажем или химическим закреплением грунтов.

Выбор того или иного способа строительства определяется главным образом инженерно-геологическими условиями, длиной тоннеля и размерами его поперечного сечения, а также технико-экономическими и экологическими соображениями.

Горные и подводные тоннели чаще всего строят горным и Щитовым способами, а городские тоннели мелкого заложения кот­лованным или траншейным способами.

Горный способ применяют преимущественно в скальных грунтах. При этом тоннельную выработку раскрывают за один прием или по частям, закрепляя ее временной крепью, а затем на неко­тором расстоянии от забоя возводят постоянную конструкцию Обделку. В мягких и слабых грунтах наиболее эффективен щитовой способ, основанный на использовании передвижной крепи замкнутого очертания -- щита, под прикрытием которого разрабатывают грунт и возводят обделку (рис. 3,б ). При котлованном способе конструкции тоннеля возводят в предварительно устроенном котловане (рис. 3,в ), а при траншейном способе вначале в траншеях сооружают стены, на которые опирают перекрытие, а затем разрабатывают грунт между стенами и бетонируют лоток тоннеля (рис. 3,г ).

Рис. 3. Схемы строительства тоннелей.

Тоннель - сложный для осуществления и дорогой вид искусственных сооружений, достаточно широко применяемый при строительстве железных и автомобильных дорог. По своим конструктивным формам, размерам и условиям строительства тоннели в транспортном строительстве отличаются от других видов подобных сооружений - гидротехнических, коммунальных, промышленных, горно-разведочных и специального назначения

Тоннели могут быть перевальными, сооружаемыми через высокие водоразделы; косогорными, прокладываемыми вдоль склонов гор; петлевыми и спиральными (рис. 4), сооружаемыми для развития трассы дорог в горных условиях. При пересечении трассой автомобильной дороги крупных водных преград, для обеспечения постоянной транспортной связи между берегами наряду с мостовыми переходами сооружают подводные тоннели. Для преодоления глубоких, но сравнительно узких водных преград эффективны подводные тоннели на искусственных дамбах, отдельных опорах (тоннели-мосты), а также «плавающие» тоннели, заанкеренные в дно тросовыми оттяжками или удерживаемые на плаву специальными плавающими опорами.

Горные

Автотранспортные тоннели в городах сооружают для развязки движения в разных уровнях на пересечениях, примыканиях или разветвлениях магистралей для увеличения или выравнивания пропускной способности отдельных участков магистралей, улучшения планировочной структуры улично-дорожной сети, охраны окружающей среды, создания подъездных путей к подземным автостоянкам и гаражам, торговым центрам и пр. В крупных городах в нашей стране с населением более 1 млн. жителей, сооружают метрополитены. Как наиболее удобный вид городского пассажирского транспорта тоннели метрополитенов прокладывают в городах по направлениям наибольших пассажиропотоков.

При устройстве метрополитенов в пределах застроенных участков городов они прокладываются под поверхностью земли, иногда по геологическим и топорельефным условиям на большой глубине. На окраинах городов устраиваются наземные участки на так называемых «вылетных» линиях, предназначенных для связи метрополитенов с пригородными электрифицированными железными дорогами. Городские пешеходные тоннели сооружают в местах интенсивного уличного движения для обеспечения движения потоков городского транспорта и пешеходов в разных уровнях и для повышения безопасности движения.

Способ сооружения тоннеля метрополитена может быть открытым или закрытым в зависимости от гидрогеологических условий, плотности подземных коммуникации и городской застройки. В центральных участках города, как правило, работы ведут закрытым способом. В периферийных районах города, вне уличных магистралей, строительство целесообразно вести открытым способом.

Закрытый способ. При этом способе работ тоннели сооружают одновременно на нескольких участках, что ускоряет сроки строительства. На каждом участке с поверхности над осью тоннеля или вблизи от него закладывают ствол шахты и штольней соединяют его со строящимся тоннелем. Разработку грунта в тоннеле и обделки ведут от каждого ствола к соседним до встречи, т. е. до сбойки отдельных участков.

Горный способ проходки тоннелей заключается в следующем: породу разрабатывают буровзрывным методом или механизированным инструментом, после этого немедленно выполняют временное крепление лба и контура выработки, а затем возводят обделку тоннеля. В случае сооружения обделки из монолитного бетона или железобетона при наличии грунтовой поды устраивают внутреннюю оклеенную гидроизоляцию из четырех - шести слоев рубероида на битумной мастике и поддерживающую ее железобетонную оболочку толщиной 20 см. Так были сооружены участки значительной протяженности на первой очереди Московского метрополитена.

Щитовая проходка возможна в глинах, суглинах, песках, где тоннели круглого поперечного сечения сооружают, как правило, с применением специального механизма - щита.

Щит представляет собой подвижную металлическую крепь, под защитой которой в безопасных условиях разрабатывают забой, убирают разрыхленную породу и сооружают обделку тоннеля. Форма поперечного сечения щита соответствует внешнему очертанию обделки тоннеля. Наибольшее распространение имеют щиты круглой формы.

Существует много разновидностей проходческих щитов , которые вошли в практику строительства отечественных метрополитенов.

Щит имеет вид металлического цилиндра, состоящего из трех основных частей:

1. Опорное кольцо из стальных сегментов;
2. Стальной нож;
3. Оболочка из листовой стали.

Сечение щита разделено вертикальными и горизонтальными перегородками па рабочие ячейки, в которых находятся проходчики, ведущие разработку грунта. Под защитой опорного кольца щита разрабатывают грунт с одновременной его уборкой на длине одного кольца обделки (т. е. на одной находке). Затем включают гидравлические домкраты, которые отталкиваясь от готовой обделки тоннеля, передвигают щит вперед. Под защитой стальной оболочки щита монтируют очередное кольцо сборной обделки или подают бетонную смесь для сооружения монолитной обделки.

Если щит не механизирован, то в нем отсутствуют какие-либо механизмы для разработки грунта. В этом случае щит выполняет функции передвижной крепи и рабочих подмостей. При проходке тоннеля в твердых породах их разрабатывают буровзрывным способом, а в пластичных и сыпучих породах - отбойными молотками и лопатами. Разрыхленную породу убирают погрузочными машинами или специальными устройствами, вмонтированными в нижнюю ячейку щита.

Механизированные щиты оснащают рабочими органами механического и гидравлического действия. Наибольшее распространение получили щиты с роторным рабочим органом, вращающимся вокруг продольной оси тоннеля. Используют также щиты с рабочими органами, оснащенными фрезами.

Коллективом Московского метростроя разработан способ проходки тоннелей мелкого заложения при максимальном использовании механизации проходческого цикла, который получил название московского способа.

Московский способ проходки тоннелей мелкого заложения предусматривает ведение работ закрытым способом. Он заменил применявшийся ранее открытый способ работ, при котором приходилось вскрывать земную поверхность по всей длине тоннеля па глубину его закладки и на ширину от 10 до 20 м, в связи с чем нарушается движение городского транспорта, требуется перенесение городских коммуникации и пр. Московский способ предусматривает использование механизированного щита. В проходческий цикл входят разработка забоя и выдача из него породы, погрузка породы в вагонетки, передвижение щита и всего вспомогательного оборудования за ним, монтаж обделки, нагнетание раствора за обделку и другие работы.

При проходке московским способом снижается стоимость 1 км перегонного тоннеля и значительно увеличивается по сравнению с проходкой открытым способом производительность труда.

Открытый способ. Этот способ работ применяют при строительстве тоннелей мелкого заложения. В этом случае вскрывают земную поверхность - сразу на всю ширину разрабатываемого под обделку котлована или по частям - при сооружении тополей траншейным способом. Конструкция обделки при траншейном способе возводится по частям. Обделка состоит из бетонных стен, перекрытия и лотка. Наиболее ответственным и сложным при этом является устройство наружной оклеечной гидроизоляции.

Наибольшее распространение имеет способ разработки котлована сразу на полное сечение.

При открытом способе работ вначале с поверхности земли над будущими стенами тоннеля прорывают разведочную траншею и забивают в псе через 1-2 м друг от друга двутавровые стальные сваи па глубину 3- 5 м ниже лотка тоннеля. Затем экскаваторами разрабатывают котлован, стены которого по мере его углубления закрепляют досками, заводимыми за полки свай. Сваи раскрепляют металлическими распорками и подкосами, располагаемыми выше перекрытия обделки, обеспечивая возможность механизированной разработки породы и возведения обделки индустриальными методами. Там, где позволяет городская застройка, котлован роют без крепления, а стены его делают под углом естественного откоса грунта.

Оклеечную гидроизоляцию накладывают под лотком тоннеля на специальную бетонную подготовку, а в пределах обделки стен - на предварительно сооружаемую защитную стену из плит различных материалов. Пространство за защитными стенами засыпают песком.

По окончании работ извлекают металлические сваи. После возведения перекрытия на него также наклеивают гидроизоляционный слой, защитный слой и котлован засыпают землей.

В последние годы секции обделки тоннеля возводят главным образом из сборных железобетонных блоков, что значительно сокращает сроки строительства. Однако наличие в секции обделки четырех- шести элементов требует трудоемких работ по замоноличиванию стыков между блоками, устройству оклеенной гидроизоляции на месте работ и т. п. Эти недостатки исключаются применением предварительно напряженных железобетонных обделок из готовых секции.

При сооружении тоннелей мелкого заложения и их расположении под зданиями пли в непосредственной близости от них предусматривают устройство опорных конструкций, укрепление грунтов или устройство ограждающих стенок, а также мероприятия по снижению вибрации и шума от проходящих поездов.

В конструкциях тоннеля вследствие колебания температур и усадки бетона, неравномерной осадки неоднородного грунта могут появиться трещины. Чтобы предотвратить появление таких трещин, в конструкции делают вертикальные разрезы, называемые температурно-усадочными или деформационными швами. Расстояние между такими швами в зависимости от конструкции отделки может быть 20; 40; 50 и 60 м.

Специальные способы работ. Такие способы применяют в особо сложных инженерно-геологических условиях, когда обычные способы ведения горных работ не могут быть применены.

При проходке тоннелей, расположенных ниже уровня подземных вод, всегда приходится вести борьбу с обводнением забоев. Применяют следующие способы искусственного осушения и закрепления пород :

• водопонижение;
• замораживание;
• химическое закрепление;
• цементацию;
• битумизацию;
• устройство противофильтрационных перемычек.

Водопонижение заключается и откачке воды из породного массива, понижающей ее уровень ниже подошвы тоннеля. Этот способ широко применяют при сооружении тоннелей мелкого заложения, при проходке стволов шахт. Недостатком его является нарушение естественного режима водоносных пластов, из-за чего невозможно использовать их в дальнейшем в качестве источника водоснабжения.

Способ замораживания не требует удаления воды из пор породы. Порода закрепляется замораживанием, которое происходит при циркуляции особого раствора по трубам (колонкам), установленным в замораживающих скважинах, пробуренных по определенному контуру. Раствор (хладагент) подается холодильными установками.

В результате этого около будущей выработки образуется контур из ледовородного массива, обладающего достаточной прочностью и полной водонепроницаемостью. Этот способ применяют при проходке наклонных ходов эскалаторов, тоннелей и станций в самых неблагоприятных гидрогеологических условиях. К недостаткам способа относится подверженность некоторых пород пучению в процессе замерзания и осадкам при оттаивании, сложность подготовительных работ, длительность самого процесса и высокая стоимость замораживания.

Замораживанием и водопонижением закрепляют породу только на период строительства подземного сооружения, после возведения всех конструкций и их гидроизоляции порода оттаивает до первоначального состояния и горное н гидростатическое давления передаются на обделку сооружения.

Химическое закрепление пород осуществляют силикатизацией и смолизацией. Силикатизация заключается в последовательном нагнетании в поры породы водных растворов - сначала жидкого стекла (силиката натрия), а затем хлористого кальция. В результате химической реакции образуется студенистая масса, которая твердеет и связывает частицы породы в монолит, обладающий высокой механической прочностью и водонепроницаемостью. Смолизация состоит в нагнетании растворов синтетических смол с добавками-отвердителями. Высокая стоимость этого материала ограничивает его применение.

Цементация заключается в заполнении пор, трещин и пустот в породе цементным раствором, вытесняющим под давлением воду. При высокой агрессивности подземных вод цементацию осуществить трудно; кроме того, не все породы хорошо поддаются закреплению этим способом.

Битумизация состоит в том, что трещины и пустоты породного массива заполняют расплавленным горячим битумом, который вытесняет воду и, застывая, образует монолит. С такой же целью в породу иногда нагнетают тонкодисперсную битумную эмульсию; этот способ называют холодной битумизацией.

Насыщение породы битумом или специальной эмульсией производится через скважины, в которые опущены колонны стальных труб при помощи специального оборудования.

Устройство противофильтрационных перемычек. Такие перемычки - шпунтовые ограждения - представляют собой сплошные стены за пределами контура выработки, сооружаемые до начала земляных работ. Устраивают их из свай, погружаемых в грунт вплотную одна к другой. Они могут быть сделаны из дерева, металла и других материалов. Такая защита выработки от подземных вод может быть устроена быстро и дает полную гарантию безопасности работ.

Проходка тоннелей под сжатым воздухом. В водоносных неустойчивых породах проходку тоннелей можно производить также и под сжатым воздухом (кессонный способ ). До начала кессонных работ в тоннеле па расстоянии 40-50м от забоя сооружают шлюзовую воздухонепроницаемую железобетонную или стальную перегородку, разделяющую тоннель на две зоны: зону нормального давления и рабочую зону (от забоя до перегородки), называемую кессоном, где создают повышенное давление (по сравнению с атмосферным), подавая сжатый воздух от компрессорной станции. Забой может разрабатываться любым из вышеописанных способов. Благодаря повышенному давлению воздуха в кессоне, превышающему гидростатическое давление, вода оттесняется из забоя и рабочей зоны.