Туннель

<час />

Фон

Туннель - это подземный или подводный проход, который в основном горизонтальный. Относительно небольшого диаметра они несут инженерные сети или функционируют как трубопроводы. Туннели, по которым люди перевозят людей по железной дороге или на автомобиле, часто состоят из двух или трех больших параллельных проездов для встречного движения, служебных транспортных средств и маршрутов аварийных выходов.

Самый длинный туннель в мире несет воду в 170 км от Нью-Йорка от реки Делавэр. Самый длинный туннель для перевозки людей - это железнодорожный туннель Сэйкан. Это железнодорожное сообщение длиной 33 мили (53 км) и диаметром 32 фута (9,7 м) между двумя крупнейшими островами Японии, Хонсю и Хоккайдо.

Одним из самых ожидаемых туннелей был Тоннель под Ла-Маншем. Завершенный в 1994 году, этот туннель соединяет Великобританию с Европой через три туннеля длиной 31 милю (50 км) (два односторонних и один служебный). Двадцать три мили (37 км) этого туннеля находятся под водой.

История

Туннели были вырыты вручную несколькими древними цивилизациями в регионах Индии и Средиземноморья. В дополнение к инструментам для копания и ножам для медных пород иногда использовался огонь, чтобы нагреть каменную преграду, прежде чем поливать ее водой, чтобы расколоть ее. Метод «вырезать и закрыть» - вырыть глубокую траншею, построить крышу на соответствующей высоте внутри траншеи и закрыть траншею над крышей (техника прокладки туннелей, применяемая до сих пор) - использовался в Вавилоне 4000 лет назад.

Первым достижением, выходящим за рамки копания вручную, было использование пороха для взрыва туннеля канала длиной 515 футов (160 м) во Франции в 1681 году. Следующие два важных достижения были сделаны примерно в 1850 году. Нитроглицерин (стабилизированный в форме динамита) заменил менее мощный черный порох при взрывных работах в туннелях. Пар и сжатый воздух использовались в дрелях для создания отверстий для зарядов взрывчатого вещества. Эта механизация в конечном итоге заменила ручной процесс, прославившийся Джоном Генри, «водителем стали», который размахивал кувалдой весом 10 фунтов (4,4 кг) каждой рукой в ​​течение 12 часов в день, забивая стальные долота на глубину 14 футов (4,2 м) в твердую скалу.

Между 1820 и 1865 годами британские инженеры Марк Брунель и Джеймс Грейтхед разработали несколько моделей проходческого щита, который позволил им построить два туннеля под Темзой. Прямоугольная или круглая ограда (щит) разделялась по горизонтали и вертикали на несколько отсеков. Человек, работающий в каждом отсеке, мог снимать по одной доске с лицевой стороны щита, копать на несколько дюймов вперед и заменять доску. Когда пространство было вырыто далеко от всей передней поверхности, щит выдвигался вперед, и процесс копания повторялся. Рабочие позади щита выложили туннель кирпичом или чугунными кольцами.

В 1873 году американский туннелист Клинтон Хаскинс не позволил воде просочиться в строящийся железнодорожный туннель ниже реки Гудзон, заполнив его сжатым воздухом. Этот метод все еще используется сегодня, хотя он представляет собой несколько опасностей. В конце смены рабочие должны проводить время в декомпрессионных камерах - требование, ограничивающее возможность аварийных выходов из туннеля. Давление в туннеле должно быть тщательно сбалансировано с давлением окружающей земли и воды; дисбаланс вызывает обрушение или разрыв туннеля (что впоследствии приводит к затоплению).

Мягкая почва склонна к обрушению и может забить землеройный инвентарь. Один из способов стабилизировать почву - заморозить ее путем циркуляции охлаждающей жидкости по трубам, проложенным через определенные промежутки времени по всей территории. Этот метод использовался в Соединенных Штатах с начала 1900-х годов. Другой метод стабилизации и гидроизоляции, широко используемый с 1970-х годов, заключается в закачивании цементного раствора (жидкого связующего вещества) в почву или трещиноватую породу, окружающую трассу туннеля.

Торкрет-бетон - это жидкий бетон, который распыляется на поверхности. Изобретенный в 1907 году, он использовался как предварительная, так и окончательная облицовка туннелей с 1920-х годов.

В 1931 году были изобретены первые буровые установки для рытья туннелей, которые должны были отклонить реку Колорадо вокруг строительной площадки плотины Гувера. Эти джумбо состояли из 24-30 пневматических буров, установленных на раме, приваренной к кузову грузовика. Современные подъемники позволяют одному оператору управлять несколькими сеялками, установленными на рычагах с гидравлическим управлением. В 1954 году, строя отводные туннели для строительства дамбы в Южной Дакоте, Джеймс Роббинс изобрел туннельно-буровую машину (TBM), цилиндрическое устройство с копающими или режущими головками, установленными на вращающейся передней поверхности, которая измельчает камни и почву во время работы машины. ползет вперед. Современные TBM настраиваются для каждого проекта путем подбора типов и расположения режущих головок в соответствии с геологией площадки; при этом диаметр ТБМ должен быть равен диаметру проектируемого тоннеля (включая его футеровку).

Сырье

Материалы, используемые в туннелях, различаются в зависимости от дизайна и методов строительства, выбранных для каждого проекта. Раствор, используемый для стабилизации грунта или заполнения пустот за облицовкой туннеля, может содержать различные материалы, в том числе силикат натрия, известь, микрокремнезем, цемент и бентонит (вулканическая глина с высокой абсорбирующей способностью). Бентонитовая и водная суспензия также используется в качестве суспензии и транспортной среды для навоза (мусора, выкапываемого из туннеля) и в качестве смазки для объектов, проталкиваемых через туннель (например, ТБМ, щиты). Вода используется для борьбы с пылью во время бурения и после взрывных работ, которые часто выполняются с помощью желатинового взрывчатого вещества с низкой температурой замерзания. Водно-солевой раствор или жидкий азот являются обычными хладагентами для стабилизации мягкого грунта путем замораживания. Самый распространенный современный облицовочный материал, бетон, армированный сталью или фиброй, можно распылять, заливать на месте или собирать из панелей.

Выбор метода

Метод строительства туннеля определяется несколькими факторами, включая геологию, стоимость и возможное нарушение других работ. В отдельных туннелях, являющихся частью одного и того же более крупного проекта, могут использоваться разные методы; например, четыре отдельных метода используются на отдельных участках проекта Бостонской центральной артерии / туннеля.

Производственный процесс

Подготовка

• 1 Геология участка оценивается путем изучения особенностей поверхности и подземных образцов керна. Пилотный туннель диаметром около одной трети диаметра запланированного основного туннеля может быть построен вдоль всего маршрута для дальнейшей оценки геологии и проверки выбранного метода строительства. Пилотный туннель может проходить вдоль пути основного туннеля и в конечном итоге подключаться к нему через определенные промежутки времени для обеспечения вентиляции, доступа для обслуживания и пути эвакуации. Или пилотный туннель может быть увеличен для создания основного туннеля.
• 2 Если требуется стабилизация грунта, это можно сделать путем впрыскивания раствора через небольшие трубы, проложенные через определенные промежутки времени. В качестве альтернативы хладагент может циркулировать по трубам, заложенным в землю, чтобы заморозить почву.

Горное дело

• 3 Есть семь различных методов, используемых для удаления материала с пути туннеля. Первый - это метод погруженной трубки. Рабочие подготавливают площадку для подводного туннеля, роя траншею на дне водного пути. Стальные или железобетонные секции оболочки тоннеля возводятся на суше. Каждая секция может иметь длину несколько сотен футов (100 м и более). Концы секции заделываются, и секция сплавляется к месту туннеля. Секция привязана к анкерам, прилегающим к траншее, и встроенные в секцию балластные цистерны затопляются. Когда секция опускается, ее направляют на место в траншее. Секция соединяется с соседней, ранее размещенной секцией, и пластины, уплотняющие этот конец каждой секции, удаляются. Резиновое уплотнение между двумя секциями обеспечивает водонепроницаемое соединение.

  При использовании метода «вырезать и закрыть» рабочие вырывают траншею, достаточно большую, чтобы вместить туннель и его оболочку. Труба коробчатой ​​формы изготавливается часто путем заливки железобетона на месте. В определенных типах грунта или в непосредственной близости от других сооружений стены туннеля могут быть построены до начала рытья, чтобы предотвратить обрушение траншеи во время земляных работ. Это может быть сделано путем вбивания стальных листов в землю или сооружения стены из гидросмеси (глубокая траншея, которая заполняется водянистой глиной по мере удаления грязи). Когда желаемый размер будет достигнут для участка стены, в него опускается клетка из стальных арматурных стержней и закачивается бетон для вытеснения мокрого глинистого раствора. По мере того, как рытье продвигается достаточно, чтобы землеройная техника находилась ниже уровня земли, поперек траншеи можно уложить временные поверхностные панели, чтобы по ней могли перемещаться транспортные средства. Когда оболочка туннеля завершена, ее закрывают заменой выкопанного грунта.

  Третий метод - метод сверху вниз. Пара параллельных стен заделывается в грунт вдоль трассы туннеля путем забивки стальных шпунтовых свай или сооружения стен из цементного раствора. Между стенами выкапывается траншея на глубину, равную планируемому расстоянию от поверхности до внутренней части кровли тоннеля. Крыша туннеля образуется между стенами путем обрамления и заливки железобетона на дно неглубокой траншеи. После затвердевания кровли тоннеля ее покрывают гидроизоляционной мембраной, а над ней заменяют выкопанный грунт. Обычная землеройная техника, такая как фронтальный погрузчик, используется для выкапывания почвы между стенками диафрагмы и под крышей туннеля. По достижении достаточной глубины заливается железобетонный пол, завершающий оболочку туннеля.

  При буровзрывном методе буровая установка используется для бурения заданного набора отверстий в породе вдоль пути туннеля. В просверленные отверстия вставляются тщательно спланированные заряды динамита. Заряды взрываются в последовательности, предназначенной для отрыва материала от пути туннеля без чрезмерного повреждения окружающей породы. Воздух циркулирует в зоне взрыва для удаления взрывоопасных газов и пыли. Обломки, выбитые взрывом, уносятся. Пневматические буры и ручной инструмент используются для выравнивания поверхности взорванного участка и удаления отдельных кусков горной породы.

  Евротоннель.

  Строительство туннеля под Ла-Маншем между Англией и Францией, мечта, которую веками предвидел и поощрял Наполеон, было начато в 1987 году. Первоначально называвшийся Каналом, а теперь известный как Евротоннель, он был завершен в 1994 году и обошлось в 13 миллиардов долларов. . Два железнодорожных туннеля (один для движения на север и один для движения на юг) и один служебный туннель имеют длину 31 милю (50 км) каждый и имеют среднюю глубину 150 футов (46 м) под морским дном. Это первая физическая связь между Великобританией и европейским континентом. Предоставляются пассажирские железнодорожные перевозки, а также перегон легковых и грузовых автомобилей. Время в пути из Лондона в Париж было сокращено с более чем пяти часов (по морю) до трех часов через Евротоннель.

  Тоннель Сэйкан в Японии был введен в эксплуатацию в 1988 году. Туннель длиной 33 м (53 км) соединяет северную оконечность главного острова Японии Хонсю с островом Хоккайдо, проходя под проливом Цугару. Туннель Сэйкан - самый длинный в мире подводный туннель, включающий выемку грунта на глубине 330 футов (100 м) ниже морского дна через пролив, где глубина моря достигает 460 футов (140 м).

  Обычно необходимо стабилизировать и укрепить поверхность вновь взорванной секции с помощью предварительной футеровки. Один из методов заключается в установке ряда стальных ребер, соединенных деревянными или стальными скобами. Другой метод, называемый новым австрийским методом проходки туннелей (NATM), включает распыление на поверхность нескольких дюймов (нескольких сантиметров) бетона. В соответствующих геологических условиях, Защитное туннелирование. эта «торкретбетонная» футеровка может быть дополнена вставкой длинных стальных стержней (анкерных болтов) в породу и затягиванием гаек на стальных пластинах, окружающих головки каждого болта.

  Пятый метод удаления материала из туннеля - это метод забивки щита или метод проходки туннеля. Некоторые туннели все еще вырыты с использованием щита в стиле Великоголовый. Верхняя часть щита выходит за боковые стороны и нижнюю часть, обеспечивая защитную крышу для рабочих, копающих до щита. Передний край верхней части щита острый, поэтому он может прорезать почву. Земляные работы можно проводить вручную или с помощью электроинструмента. Излишки материала проходят через щит на конвейере или ленте, загружаются в тележки и вывозятся из туннеля. Когда рабочие выкопали материал перед щитом до самого верха, домкраты в задней части щита упираются в последнюю установленную секцию футеровки туннеля. Активация домкратов толкает щит вперед, так что рабочие могут начать копать еще одну секцию. После того, как щит сдвинулся вперед, домкраты убираются, и стальные или железобетонные кольцевые сегменты прикручиваются на место болтами, образуя секцию постоянной облицовки туннеля.

  Поддомкрачивание туннелей представляет собой похожую технику, но экран, проходящий через землю, на самом деле представляет собой сборный участок облицовки туннеля.

  В методе параллельного штрека ряд параллельных горизонтальных скважин (штреков) бурят с использованием оборудования для микротоннелирования (микротоннели слишком малы для работы горняков), например шнеков или небольших версий TMB. Эти сугробы заполнены; например, в них можно вбивать стальные трубы, а затем трубы заполнять цементным раствором. Заполненные штольни образуют защитную арку вокруг пути туннеля. Земляные работы используются для удаления почвы изнутри арки.

  Последний метод - это метод туннельно-проходческого станка. Типы и расположение режущих устройств на забое ТПМ определяются геологическими условиями на участке туннеля. Забой медленно вращается и измельчает камни и почву перед собой (например, ТБМ, используемые для строительства туннеля под Ла-Маншем, могут вращаться со скоростью до 12 оборотов в минуту в оптимальном грунте). TBM постоянно продвигается вперед, чтобы лицо оставалось в контакте с целью. Давление вперед может быть оказано домкратами в задней части ТБМ, прижимающимися к последней установленной секции футеровки туннеля. В качестве альтернативы захваты могут выступать наружу от боковых сторон TBM и давить на каменистые стены туннеля, чтобы удерживать машину на месте, в то время как забой выдвигается вперед. Грязь проходит через отверстия в забое и транспортером транспортируется к задней части ТБМ, где попадает в тележки, которые вывозят ее из туннеля. Бентонит можно перекачивать через забой БТМ, чтобы сделать поверхность почвы более пригодной для обработки и унести навоз. Некоторые TBM оснащены сзади роботизированными манипуляторами, которые позиционируют и прикрепляют сегменты футеровки туннеля, как только машина движется вперед. Стальные болты крыши прикреплены к скале, чтобы поддерживать верхнюю часть туннеля. достаточное расстояние. В других случаях NATM используется для создания предварительной подкладки по мере продвижения TBM.

  Особенно в случаях, когда два TBM копают навстречу друг другу с противоположных концов туннеля, их удаление после завершения копания может оказаться слишком сложным или дорогостоящим. По мере приближения к завершению своей миссии ТБМ можно увести с пути туннеля, чтобы выкопать короткий отрог, в котором он навсегда запечатан.

Финишная облицовка

• 4 В некоторых случаях окончательная облицовка укладывается во время выемки грунта. Двумя примерами являются TBM, которые устанавливают сегменты футеровки, и готовые туннели, которые устанавливаются на место. В других случаях окончательная облицовка должна быть построена после того, как будет выкопан весь туннель. Один из вариантов - залить на место железобетонную футеровку. Скольжение - эффективный метод, при котором часть формы медленно перемещается вперед по мере того, как бетон заливается между ней и стеной туннеля; бетон затвердевает достаточно быстро, чтобы поддерживать себя к тому времени, когда форма будет двигаться дальше.

  Второй вариант - установить сегменты предварительно отформованного бетона или стальной футеровки, как это делают некоторые ТБМ. Сегменты футеровки сконструированы таким образом, что несколько из них могут быть соединены в единое кольцо шириной в несколько футов (метр или два). После того, как кольцо прикручено болтами, между ним и стеной туннеля вводится раствор.

  Третий вариант - нанести слой торкретбетона толщиной несколько дюймов (70 мм и более) на стены туннеля. Один или два слоя проволочной сетки могут быть помещены первыми для усиления торкретбетона, или в бетонную смесь могут быть добавлены армирующие волокна для увеличения ее прочности.

Побочные продукты / отходы

Иногда земля, удаленная из туннеля, просто выбрасывается на свалку. Однако в других случаях он становится сырьем для других проектов. Например, его можно использовать для формирования основного курса подъездной дороги или для создания насыпей проезжей части для более широких обочин или борьбы с эрозией.

Контроль качества

Помимо поддержания устойчивости грунта вокруг туннеля и обеспечения структурной целостности облицовки туннеля, необходимо обеспечить правильное выравнивание пути выемки грунта. Двумя ценными инструментами являются датчики глобальной системы позиционирования (GPS), которые получают точные данные о местоположении через спутниковые сигналы, и системы наведения, которые проецируют и обнаруживают лазерный луч в туннеле.

Будущее

Методы разведки, материалы и оборудование - возможные области для улучшения. Звуковые волны, передаваемые через землю, теперь могут генерировать виртуальное компьютерное сканирование пути туннеля, уменьшая необходимость бурения образцов керна и пилотных туннелей. Некоторые примеры исследований материалов включают в себя более эффективные и долговечные режущие инструменты, бетон с более точно контролируемой скоростью твердения и улучшенные процессы модификации почвы, чтобы ее было легче резать, копать или удалять. Последние разработки в области машиностроения включают в себя многоголовые TBM, которые могут одновременно прокладывать два или три параллельных туннеля, и TBM, который может поворачивать угол до 90 ° во время резки. Улучшенные возможности дистанционного управления землеройной техникой повысили бы безопасность за счет сокращения времени, которое люди должны находиться под землей во время процесса копания.