Общие сведения о тоннелях

Тоннелем называется горизонтальное или наклонное подземное ис­кусственное сооружение, имеющее значительную протяженность и предназначенное для транспортных целей, пропуска воды, прокладки городских коммунальных сетей или размещения производственных предприятий. К транспортным относятся тоннели железнодорожные, автодорожные, городские, пешеходные, судоходные, тоннели метропо­литенов.

Классификация транспортных тоннелей определяется признаками, положенными в их основу. По месту расположения тоннели бывают горные (рис. 10.1), подводные (рис. 10.2) и городские различного назна­чения. По способу постройки различаются тоннели, сооружаемые от­крытым и закрытым способами.

При открытом способе в предварительно разработанном котловане сооружается тоннельная конструкция, которая после ее завершения за­сыпается грунтом. Закрытый способ постройки (проходки) тоннелей делится на два типа: горный и щитовой. При горном способе создается подземная выработка, закрепляемая временной крепью, под защитой

которой сооружается постоянная
тоннельная конструкция, которая называется тоннельной обделкой. Такая конструкция обычно выполняется из монолитного бетона. Щитовой способ постройки основан на использовании проходческого щита — подвижной стальной крепи, ог­раждающий место разработки грунта и сооружения

обделки, которая при щитовом
Рис. 10.1. Горные тоннели способе

Рис. 10.2. Схемы подводных тоннелей: а — тоннель, проходящий в толще естественного; б — тоннель, уложенный по выровненному дну или подводной дамбе; в — тоннель, опирающийся на от­дельные подводные опоры (тоннель-мост); 1 — рамный участок; 2 — подвод­ный участок; 3 — дамба; 4 — опоры тоннеля; 5 — тюбинг тоннельной отделки

производства работ является сборной из железобетонных или чугунных элементов заводского изготовления, называемых тюбингами.

Применение тоннелей расширяет возможности трассирования и улучшает эксплуатационные показатели транспортной линии. Преодо­ление больших водных препятствий возможно в двух вариантах: по­стройкой моста или подводного тоннеля. Постройка подводного тонне­ля возможна щитовым способом или способом опускных секций. Осо­бенно успешно в мировой практике применяется метод опускных сек­ций, который отличается высокой индустриализацией. Секции длиной 100—150 м изготавливаются в заводских условиях в доках или на ста­пелях (подобно судам) и сплавляются к месту постройки тоннеля, опус­каются в заранее подготовленную траншею или при глубоких водото­ках на дамбу. Дальнейший процесс сводится к сравнительно мало тру­доемкому и хорошо механизированному соединению отдельных секций в тоннель под водой.

Тоннельное решение имеет целый ряд преимуществ перед мостовым: отсутствие помех судоходству, защищенность от ветра, льда и волн, мень­шая безопасная высота подъема транспорта и меньшая длина пересече-

ния при высоком габарите судов и широкой пойме. К недостаткам тон­нельного решения относятся: необходимость вентиляции, постоянного освещения и водоотвода. По экономическим показателям короткие тон­нели уступают мостам. С увеличением длины стоимость 1 пог. м моста увеличивается, а стоимость 1 пог. м тоннеля уменьшается.

Способы устройства тоннелей зависят от глубины их заложения от поверхности земли, от геологических и гидрогеологических условий. Форма и размеры поперечных сечений тоннелей, их длина, характер продольного профиля и положение в плане зависят от назначения тон­неля и условий местности.

При сооружении горного тоннеля порода удаляется по всему его по­перечному сечению. Пространство, образующееся при подземной вы­емке грунта, называется выработкой. Работы начинаются с проходки штолен, выработок небольшого сечения; далее выработка расширяется до проектных размеров. Обделка состоит из верхнего свода, боковых стен и обратного свода при наличии бокового и подошвенного давления грунта. Если это давление отсутствует, применяется конструкция об­делки без обратного свода. Для отвода воды в подошве тоннеля устраи­вается лоток. Крайние кольца тоннельной обделки, несколько выдвину­тые вперед и архитектурно оформленные, называются порталом.

При разработке тоннеля щитовым способом поперечное сечение имеет круглую форму, а при открытом — прямоугольную (рис. 10.3, а, б; рис. 10.4 и 10.5). Тоннели в плане могут быть прямолинейными и кри-

Рис. 10.4. Конструкция монолитной бетонной обделки с обратным сводом

(давление грунта вертикальное и боковое):

1 — свод; 2 — стены; 3 — обратный свод

волинейными. В криволинейных тоннелях ухудшаются условия эксп­луатации; возрастает сопротивление воздушной среды и ухудшаются условия вентиляции. Тоннели, трасса которых делает полный поворот или поворачивает на угол более 360° внутри горного массива для пре­одоления высоты подъема, на коротком горном участке, носят название спиральных. Трасса одного и того же спирального тоннеля пересекается в некоторой точке в разных уровнях.

Если трасса тоннеля поворачивает на 180° и более внутри горного массива, то такие тоннели называются петлевыми (рис. 10.6). По харак­теру продольного профиля тоннели бывают горизонтальные, двух-

Рис. 10.5. Конструкция монолитной бетонной обделки без обратного свода:

1 — свод; 2 — стены

скатные и односкатные. Короткие горизонтальные участки длиной от 200 до 400 м применяются как разделительные площадки между двумя

уклонами, направленными в разные стороны. Длинные горные тоннели имеют обычно двухскатный про­филь с уклоном от середины к пор­талам тоннеля (рис. 10.7). Повы­шенная влажность в тоннеле, умень­шение коэффициента сцепления ко­леса с рельсом, дополнительное по­вышенное сопротивление движе-

Рис. 10.7. Продольный профиль тоннелей: а — двухскатный тоннель; б — односкатный тоннель; в — тоннель на горизон­тальной площадке

нию поезда в тоннеле значительно возрастает, что требует смягчения (уменьшения) уклона на величину до 25 ‰ против допускаемых укло­нов вне тоннеля. Руководящий уклон, принятый для открытых участков трасы железнодорожной линии, допускается сохранять в тоннеле дли­ной не более 300 м.

В России накоплен огромный опыт строительства тоннелей (рис. 10.8). Первые тоннели были построены в период с 1852 по 1862 гг. на магистрали Петербург—Варшава: Виленский длиной 427 м и Ковен-ский — 1278 м. В последней четверти XIX в. Россия начинает строи­тельство железных дорог в горных районах Кавказа, Крыма, Урала и Сибири.

Значительный интерес представляло строительство самого протя­женного для того времени двухпутного Сурамского тоннеля на ли­нии Поти—Тифлис протяженностью 3998 м. Постройка Сурамского тоннеля — образец инженерного искусства, строительство его про-

Рис. 10.8. Виды горных тоннелей: а — мысовой тоннель; б — перевальный тоннель; 1 — вариант трассы тоннеля

при пересечении хребта

должалось 4 года. Большое количество тоннелей построено в период строительства Транссиба и Байкало-Амурской магистрали, многие из них уникальны. На трассе БАМа расположено пять перевальных тон­нелей: Байкальский — длиной 6,7 км, Кодарский — 1,9 км, Дусе-Алиньский — 1,8 км, Нагорный — 1,2 км и Северо-Муйский — длиной 15,3 км (рис. 10.9).

Северо-Муйский тоннель проходит в исключительно сложных инже­нерно-геологических условиях сейсмичностью 9—10 баллов. По техни­ческому проекту предстояло пересечь 26 тектонических зон, сложенных разрушенными и обводненными породами, наблюдалось сильное гор­ное давление и большой приток напорных вод, грунты совершенно не­устойчивые. Проходка осуществлялась двумя способами: щитовым и горным.

Условия проходки были сложнейшими, так как на забой наблюдался

водоприток от 3—5 м³/ч до 700—1000 м³/ч с колебаниями температуры воды от +20 до +40 °С. После проходки порядка 6 км произошел выброс грунтовой массы с напорной водой общим объемом 5 тыс. м³. Результа­том этой аварии явилась полная остановка работ на два года. Для ввода всей Байкало-Амурской железной дороги в установленный срок соору­жен открытый участок трассы (второй путь) с уклоном двойной тяги i = 18 ‰, протяженностью 54,6 км. Временный двухпутный обход Северо-Муйского тоннеля сооружался с уклоном i_p = 40 ‰, протяженностью 24,7 км.

Начиная с 1931 г. в Советском Союзе приступили к строительству Московского метрополитена, и по настоящее время строительство мет­рополитенов в стране не прекращается. Сразу же после окончания Ве­ликой Отечественной войны начинается строительство метро в Киеве, Харькове, Тбилиси. К моменту распада СССР наша страна занимала первое место в мире по числу городов с действующими метрополите­нами.

В последние десятилетия XX в. резко сократилось строительство транспортных тоннелей и метрополитенов. Однако накопленный потен­циал в метро- и тоннелестроении позволяет думать, что уже первые го­ды XXI в. будут временем возрождения отрасли. По перспективному пла­ну строительства метрополитенов в России до 2010 г. протяженность ли­ний должна увеличиться до 812,2 км в 13 городах: в Москве — 378,6 км, Санкт-Петербурге — 185,5 км, Нижнем Новгороде — 28,4 км, Новоси­бирске — 36,1 км, Самаре — 24,5 км, Екатеринбурге — 22,4 км, Челя­бинске — 24,5 км, Омске — 27 км, Красноярске — 13,1 км, Перми —

Рис. 10.9. Схема расположения тоннелей по трассе БАМа (цифрами обозначены горные хребты): 1 — Байкальский; 2 — Верхне-Ангарский; 3 — Северо-Муйский; 4 — Кодарский; 5 — Становой

16,3 км, Ростове-на-Дону — 13,6 км, Казани — 19,7 км, Уфе — 17,5 км. Построенные ранее метрополитены в столицах бывших союзных рес­публик теперь находятся за пределами нашей страны (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Развитие метрополитенов в России на период до 2010 г.