Тоннель: определение, виды и устройство¶

Тоннель (от англ. tunnel, фр. tonnelle — «свод, бочарный обруч») — горизонтальное или наклонное подземное сооружение, проложенное в толще грунта или под водной преградой, предназначенное для пропуска транспортных средств, пешеходов, воды или прокладки инженерных коммуникаций. Тоннель характеризуется замкнутым поперечным сечением и значительной протяжённостью относительно своих поперечных размеров. В отличие от трубопроводов, тоннель, как правило, имеет доступ для обслуживания и ремонта, а его поперечное сечение рассчитано на нахождение внутри человека или крупногабаритной техники.

¶История

Первые тоннели появились в глубокой древности и сооружались в основном для водоснабжения и орошения. Один из древнейших известных тоннелей — Силоамский, прорубленный в скале в Иерусалиме около 701 года до н. э. для подачи воды из источника Гихон к Силоамской купели. Его длина составляла около 533 метров.

В Древней Греции и Риме строительство тоннелей получило развитие: известен тоннель на острове Самос, пробитый в VI веке до н. э. инженером Евпалином для водопровода. Римляне строили дорожные тоннели, самым известным из которых является тоннель через гору Посилиппо в Неаполе (длина около 700 метров, I век до н. э.).

Средневековье не принесло значительного прогресса в тоннелестроении. Активное развитие отрасли началось в XVII–XVIII веках с распространением каналов. В 1681 году во Франции был открыт тоннель Мальпас на Лангедокском канале, один из первых судоходных тоннелей в Европе. В XIX веке, с появлением железных дорог, начался настоящий бум тоннелестроения. В 1826–1830 годах в Англии был построен первый железнодорожный тоннель Ливерпуль — Манчестер. В 1843 году открыт первый в мире подводный тоннель под Темзой в Лондоне (ныне пешеходный). В 1871 году под Альпами проложен Фрежюсский тоннель, соединивший Францию и Италию.

¶Классификация тоннелей

Тоннели классифицируются по нескольким основным признакам.

¶По назначению

• Транспортные — для движения автомобилей, поездов, метрополитена, трамваев, пешеходов. Подразделяются на автодорожные, железнодорожные, метрополитены, пешеходные и судоходные.
• Гидротехнические — для пропуска воды: деривационные (подводящие воду к ГЭС), водосбросные, ирригационные, канализационные.
• Коммуникационные — для прокладки кабелей, трубопроводов, теплосетей.
• Горные — сооружаемые для доступа к полезным ископаемым (штольни, квершлаги), а также вентиляционные и водоотливные выработки шахт.

¶По расположению

• Горные — прокладываемые в горных массивах.
• Подводные — сооружаемые под дном рек, проливов, заливов.
• Равнинные (городские) — закладываемые на небольшой глубине под городской застройкой.
• Косогориые — расположенные на склонах.

¶По глубине заложения

• Мелкого заложения (до 10–15 метров) — сооружаются открытым способом.
• Глубокого заложения — сооружаются закрытыми (щитовыми или горными) способами.

¶Устройство и конструктивные элементы

Основными элементами тоннеля являются обделка (постоянная несущая конструкция), лоток (нижняя часть), порталы (входные и выходные участки) и внутреннее оборудование.

Обделка воспринимает давление горных пород и гидростатическое давление, обеспечивает водонепроницаемость. Материалы обделки — монолитный или сборный железобетон, чугунные тюбинги, сталь, каменная кладка. В скальных породах обделка может не возводиться вовсе, если порода достаточно устойчива, — тогда применяется набрызг-бетон и анкерное крепление.

Порталы — архитектурно оформленные входные части, защищающие тоннель от осыпей и атмосферных осадков. Для автодорожных и железнодорожных тоннелей обязательны подходные выемки.

Внутреннее оснащение тоннелей включает:

• систему вентиляции (естественную или искусственную);
• освещение (для транспортных тоннелей);
• водоотводные лотки и дренажные устройства;
• сигнализацию, связь, автоматику (для железнодорожных тоннелей);
• противопожарные системы и эвакуационные выходы (для автодорожных и метрополитенов).

¶Способы строительства

Выбор способа строительства зависит от геологических условий, глубины заложения, длины и назначения тоннеля.

Открытый способ применяется при мелком заложении: разрабатывается котлован, в нём возводится конструкция, после чего тоннель засыпается грунтом. Разновидностью является способ «стена в грунте».

Щитовой способ — проходка с использованием механизированного проходческого щита, который одновременно разрабатывает грунт и возводит обделку из сборных элементов. Применяется в слабых, неустойчивых грунтах (глины, пески) и под водоносными горизонтами. Разновидность — тоннелепроходческий комплекс (ТПМК) с активным пригрузом забоя, позволяющий вести проходку под реками и в обводнённых грунтах.

Горный способ — разработка породы с применением буровзрывных работ или отбойных молотков в скальных грунтах. Крепление возводится по мере продвижения забоя.

Погружные секции — способ строительства подводных тоннелей: на берегу изготавливаются крупные секции, которые затем буксируются на место и опускаются в заранее подготовленную траншею на дне, после чего соединяются между собой.

¶Известные тоннели мира

• Тоннель Сэйкан (Япония) — железнодорожный тоннель под проливом Цугару, длина около 53,85 км, из них 23,3 км под водой. Открыт в 1988 году.
• Тоннель под Ла-Маншем (Великобритания — Франция) — железнодорожный тоннель длиной около 50,5 км, из них 37,9 км под проливом. Открыт в 1994 году.
• Готардский базисный тоннель (Швейцария) — самый длинный железнодорожный тоннель в мире (57,1 км), открыт в 2016 году.
• Тоннель Эйксунн (Норвегия) — самый глубокий подводный автомобильный тоннель в мире, глубина до 287 метров ниже уровня моря.
• Северо-Муйский тоннель (Россия, Бурятия) — железнодорожный тоннель на Байкало-Амурской магистрали длиной 15,3 км, один из самых сложных по геологическим условиям, строился с 1977 по 2003 год.

¶Значение тоннелей

Тоннели позволяют существенно сокращать транспортные маршруты, преодолевая горные хребты и водные преграды, где мосты невозможны или нецелесообразны. В городах метрополитены разгружают наземный транспорт, а автодорожные тоннели решают проблему пересечения рек и плотной застройки. Гидротехнические тоннели обеспечивают работу гидроэлектростанций и систем водоснабжения. К недостаткам тоннелей относятся высокая стоимость строительства, сложность вентиляции и обеспечения безопасности, а также длительные сроки возведения.