Инженерное туннелестроение: от древних путей к современным ТБМ и будущим инновациям

Общие сведения

Туннель — подземный или подводный проход, преимущественно горизонтальный. Малосеченные туннели прокладывают коммуникации или служат трубопроводами, крупные — для ж/д или автотрафика — имеют две-три параллельные трубы для встречного движения, служебного транспорта и аварийных выходов.

Самый длинный водопроводный туннель простирается на 170 км от реки Делавэр до Нью-Йорка. Самый длинный пассажирский — Японский Сейканский ж/д туннель, 53 км длиной, диаметром 9,7 м, соединяющий Хонсю и Хоккайдо под Цугарским проливом.

Пожалуй, самый известный современный туннель — Туннель под Ла-Маншем, завершенный в 1994 году. Соединяет Великобританию и континентальную Европу тремя трубами по 50 км — двух односторонних и служебной — из которых 37 км проходят под водой.

История

Древние цивилизации Индийского и Средиземноморского регионов вручную прорывали туннели медными пилами, огнем и ранними каменными пилами. Вавилонский метод открытой раскопки, разработанный 4000 лет назад, остается базовой техникой до сих пор.

Прорыв пороха в 1681 году дал 160-метровый канальный туннель во Франции, а в середине XIX века нитроглицерин (динамит) и паровые буры вытеснили черный порох, революционизируя разработку.

Марк Брунель и Джеймс Грейтхед пионерировали тунельный щит между 1820 и 1865 годами, позволив построить два туннеля под Темзой. Их щит делил fronte на отсеки, позволяя рабочим последовательно выкапывать и опорять туннель.

В 1873 году Клинтон Хаскинс использовал сжатый воздух для удержания воды при прокладке ж/д туннеля под Гудзоновой рекой — техника, все еще применяемая, но требующая тщательного управления давлением и декомпрессионных камер для рабочих.

Стабилизация грунта эволюционировала от замораживания (циркуляция хладагента) к инъекциям — впрыску жидких связующих в окружающую горную породу. Шоткрет, изобретенный в 1907 году, служит и предварительной, и финальной облицовкой с 1920-х годов.

«Буровой жумбо» 1931 года и тунельный бурильный комплекс (ТБМ) 1954 года стали крупными технологическими скачками, позволив большим кастомным машинам эффективно прорывать породу и грунт.

Сырье

Материалы туннелестроения варьируются по проекту и методу. Инъекционные растворы часто содержат жидкое стекло, известь, микрокремнезол, цемент и бентонит — вулканическую глину, дающую абсорбцию и смазку. Бентонитовая суспензия облегчает вывоз породы, вода, соляная рассоль или жидкий азот замораживают слабые грунты. Железобетон — распыляемый, монолитный или префабрицированный — самая частая облицовка.

Выбор метода

Зависит от геологии, стоимости и риска нарушений. Несколько методов могут сосуществовать в одном проекте: например, Центральная артерия/туннель Бостона использует четыре различных техники на разных участках.

Производственный процесс (строительство)

Подготовка

• Геологию участка изучают поверхностными съемками и кернобурением. Пилотный туннель — обычно треть диаметра основного — часто прокладывают вдоль трассы для тестирования геологии и методов, обеспечивая вентиляцию, служебный доступ и аварийные выходы.
• Стабилизация грунта может включать инъекции через малые трубы или замораживание циркуляцией хладагентов в заложенных трубах.

Разработка породы

• Метод погруженных труб: Стальные или железобетонные секции изготавливают на берегу, буксируют на место, прикрепляют и опускают в заранее выкопанную котлован, затем соединяют резиновыми уплотнениями.
• Открытая раскопка (cut-and-cover): Копят котлован, монолитно литуют коробкообразный туннель, затем засыпают грунтом. В чувствительных грунтах стальными листами или бентонитовыми стенами предварительно оперивают котлован.
• Верх-вниз (top-down): Сначала возводят параллельные стены, затем литуют и выдерживают кровлю. Выкопка ведется под крышей, гидроизоляционная мембрана защищает готовую оболочку.
• Буровзрывной метод: Бурят шахтный рисунок, заряжают динамит, контролируемые взрывы ломают породу. Вентиляция удаляет пыль и газы, пневмобуры доводят поверхность.
• Щит/Грейтхед: Щит продвигается шагами, рабочие выкапывают впереди, затем домикрами толкают щит вперед. Кольца постоянной облицовки устанавливают сразу после шага щита.
• Параллельные дрифты: Микротоннелирование создает горизонтальные дрифты, которые затем инъекционируют или облицовывают для формирования защитной арки над основной трассой.
• Тунельный бурильный комплекс (ТБМ): Кастомная машина с вращающейся режущей головкой разрушает породу или грунт, продвигаясь за счет домикров или зажимных рук. Порода выводится конвейером, бентонит подают для смазки фронта. Некоторые ТБМ устанавливают сегменты облицовки или применяют НАвTM (Немецкий австрийский метод) для предварительной опоры.

Финальная облицовка

• Во время раскопки ТБМ могут устанавливать сегменты облицовки или префабрицированные туннели домикрами втискивают в место.
• После раскопки монолитную железобетонную облицовку могут лить подвижной опалубкой (slipforming) — перемещая опалубку по мере застывания бетона.
• Альтернативно — префабрицированные бетонные или стальные сегменты болтят в кольцо, затем заинъекционируют.
• Шоткрет могут распылять слоем в несколько дюймов, опционально армируя металлической сеткой или волокнами для прочности.

Побочные продукты и отходы

Выкопанный материал либо утилизируют на полигонах, либо перерабатывают — в основание подъездных путей, насыпи, антиэрозионные материалы.

Контроль качества

Критичны устойчивость грунта, структурная целостность и точная геометрия. GPS-датчики дают спутниковые позиционные данные, лазерные системы наведения проецируют и детектируют лучи для точного следовения траектории.

Будущее

Прогресс в разведке, материалах и машинах обещает значительные улучшения. Соноразведка теперь создает виртуальные КТ-снимки трасс, сокращая потребность в кернобурении. Исследования фокусируются на высокопроизводительных режущих инструментах, саморегулирующемся бетоне и модификаторах грунта. Передовой ТБМ могут бурить несколько туннелей одновременно или проходить повороты до 90° во время резания, а дистанционное управление снижает риск для людей под землей.

Знаменитые проекты

Туннель под Ла-Маншем, завершенный в 1994 году за 13 млрд долларов, соединяет Англию и Францию. Два ж/д туннеля и служебный — по 50 км, в среднем 46 м под дном моря. Пассажирские поезда и автоперевозка сократили Лондон–Париж с 5 часов через море до 3 часов через туннель.

Сейканский туннель, открытый в 1988 году, простирается на 53 км под Цугарским проливом — самый длинный подводный туннель мира. Лежит на 100 м под дном, пересекает пролив глубиной до 140 м.