ТОННЕЛЬ

ТОННЕЛЬ туннель (англ. tunnel),
горизонтальное или наклонное подземное сооружение, служащее для
трансп. целей, перемещения воды, прокладки подземных коммуникаций и т.
п. По назначению различают Т. ж.-д., автодорожные, Т. метрополитенов,
на
пересечениях в разных уровнях гор. дорог и трансп. магистралей (см.
Переход
пешеходный,
Транспортный тоннель), судоходные тоннели,
Т. для неск. видов транспорта
(в одном сеченги), гидротехнические тоннели, коммунальные (для гор. сетей
водопровода, канализации, теплогазоснабжения и др.), спец. назначения (входящие
в состав подземных сооружений ГЭС, складов, гаражей и т. д.). По местоположению
(рис. 1) Т. подразделяют на горные (проложенные в горных р-нах -
через хребты, годоразделы и отд. возвышенности), подводные (см.
Подводный тоннель) и равнинные, или городские (напр., Т. метрополитенов).

Историческая справка. Истоки тоннелестроения
уходят в глубокую древность. В Вг.вилоне, 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 преим. сводчатого очертания, в
устойчивых скальных породах, без закрепления последних. Проходческие работы
велись примитивными орудиями. После падения Римской империи в стр-ве Т.
наступил период относит. застоя; Т. сооружались преим. в военных целях.
В конце ср. веков в связи с расширением междунар. торговых связей началось
стр-во судоходных Т., соединявших водные пути сообщения. Предпосылкой
к этому явилось применение чёрного пороха для взрывания скальных пород.
Первый ж.-д. Т. (дл. 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 альп. Т. между Францией, Италией и Швейцарией. До нач.
1-й мировой войны 1914-18 было построено 26 Т. дл. более 5 км каждый,
в т. ч. Симплонский Т. дл. ок. 20 км, соединивший Италию со Швейцарией.
Среди
сооружённых в 1920-х - нач. 1930-х гг. выделяются Большой Апеннинский
двухпутный ж.-д. Т. на линии Флоренция - Болонья (Италия)
дл. 18,5
км,
а также Ровский судоходный Т. на водной магистрали Марсель - Рона (Франция)
дл. св. 7 км. Наряду с горными Т. развивалось стр-во и подводных
Т., ставшее возможным благодаря применению
щитов проходческих (в
сочетании со сжатым воздухом) и сборной обделки. Щитовым методом
сооружён ряд крупных подводных Т., напр. под р. Гудзон (США) дл.
2,5 км, под Симоносекским проливом (Япония)
дл. св. 6 км
(1936-41). Стр-во подводных Т. получило дальнейшее развитие
в связи с применением опускных секций дл. до 150 м.

В России первый ж.-д. двухпутный Ковенский
Т. (дл. 1,28 км) был построен в 1862. В кон. 19 в. сооружено много
Т. на жел. дорогах Урала, Крыма и Кавказа. Наиболее крупный среди них -
Сурамский Т. дл. ок. 4км (1886-90). В нач. 20 в. был построен
ряд Т. в Сибири и на Д. Востоке. Значит. развитие тоннелестроение получило
в СССР в связи с интенсивным ж.-д. стр-вом, созданием сети ГЭС, сооружением
метрополитенов и объектов гор. подземного х-ва.



Основные элементы тоннелей. Для
сооружения Т. необходима выработка - полость, искусственно создаваемая
в земной коре в один или неск. 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 врем. крепей горных, заменяемых впоследствии
постоянной конструкцией - обделкой (монолитной или сборной).
Обделка-важнейший
элемент Т., образующий его внутр. поверхность, воспринимающий
горное
давление и обеспечивающий защиту Т. от подземных вод. Головная часть
(или входной участок) Т. наз. порталом; он обеспечивает устойчивость
лобового и боковых откосов, т. н. предпортальной выемки, и придаёт архитектурное
оформление входу в Т. Для защиты от затопления входных участков подводных
Т., а также в гор. 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., топографич., геологич. и климатич. условий.
При проектировании и сооружении Т. выполняют комплекс геодезич. работ по
выбору и закреплению оси Т. в плане и профиле, по вычислению её геометрич.
элементов, перенесению этой оси внутрь выработки, по определению длины
оси и разбивке поперечных сечений Т. По трассе Т. проводят инженерно-геол.
изыскания для установления геол. строения прорезаемого горного массива,
характера напластований, степени устойчивости и физико-механич. свойств
горных пород, гидрогеол. режима и хим. состава подземных вод, наличия газов,
темп-ры в выработке, ожидаемого горного давления и т. д. Эти данные получают
на основе проведения геологоразведочных работ и гидрогеол. исследований
при помощи скважин, геофизич. методами и, в отд. 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, т. к. 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 (напр., при развитии ж.-д. линии внутри горного
массива) строят петлевые испиральные 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.
Осн. материалы для возведения тоннельных обделок - монолитный бетон, монолитный
и сборный железобетон, чугун и сталь. Их выбор производится в зависимости
от условий района стр-ва и способа тоннельных работ. Монолитный бетон и
железобетон применяют гл. обр. при прокладке Т. в труднодоступных р-нах
(где создание производств. 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 геол. условиями и направлением действия на неё осн.
нагрузок. В слабых водоносных породах и при большом гидростатич. 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,
напр. горного давления), дополнительных (действующих кратковременно
или периодически) и особых (гл. обр. сейсмических). Горное давление
определяют на основе теоретич. предпосылок (с учётом сводооб-разования,
массы "столба породы" и др. факторов) или по результатам инструментальных
измерений в готовых выработках. Расчёт обделок производится по предельным
состояниям - на основе методов строительной механики, упругости
теории и механики 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
отд. 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.



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
к-ром 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 произ-ва тоннельных
работ отличаются большим разнообразием; основные из них - горные и щитовой.

Сооружение Т. горными способами включает
2 осн. 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 отд. сравнительно мелкие части, закрепляемые временной (преим.
деревянной) крепью,< исключающей возможность обрушения породы.
В скальных породах возможно расчленение сечения на более крупные части;
врем. крепь устанавливается лишь по контуру выработки, а её внутр. пространство
остаётся свободным. Благодаря этому работы могут быть в значит. 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 металлич. опалубки, обеспечивающие
возможность применения бетоноукладочных машин. Значит. распространение
получил способ опёртого свода, используемый в достаточно устойчивых породах,
способных выдерживать давление бетонного свода обделки.

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).

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 одно-штольневоЙ
и двухштольневой схемам. При способе сплошного забоя, практикуемом в устойчивых
скальных породах, раскрытие выработки производят на полный профиль, для
чего применяют спец. горнопроходческое оборудование - буровые подмости,
самоходные буровые рамы, установки и агрегаты. Бетонирование обделки осуществляют
при помощи бетононасосов или бетоноукладчиков (рис. 3).

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.

Щитовой способ получил стях проходки.
В
СССР щитовая проход-преимуществ. распространение при ка получила наибольшее
развитие при сооружении Т. в слабых и неустойчивых сооружении Т. метрополитена
(рис. 5).

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.

породах. Он основан на применении в
качестве врем. крепи тоннельного (проходческого) щита (рис. 4),
представляющего собой подвижную стальную цилиндрич. оболочку, под защитой
к-рой выполняются осн. 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 спец. 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
возд. 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 врем. 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.

Наряду с горными и щитовым способами
проходки при стр-ве Т. (гл. обр. 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 т. н. заобделочного
дренажа, бурения скважин, а также гидроизоляцией самой обделки.
Наиболее распространены: окле-ечная гидроизоляция, состоящая из неск. 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-геол. условий, внедрение безопалубочного
метода возведения несущих обделок; разработка наиболее рациональных способов
защиты Т. от подземных вод, особенно в р-нах 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; Компаниец С. А., Поправко 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.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я