Тоннель, туннель (английское tunnel), горизонтальное или наклонное подземное сооружение, служащее для транспортных целей, перемещения воды, прокладки подземных коммуникаций и т.п. По назначению различают Т. железнодорожные, автодорожные, Т. метрополитенов, на пересечениях в разных уровнях горных дорог и транспортных магистралей (см. Переход пешеходный, Транспортный тоннель), судоходные тоннели, Т. для нескольких видов транспорта (в одном сечении), гидротехнические тоннели, коммунальные (для городских сетей водопровода, канализации, теплогазоснабжения и др.), специального назначения (входящие в состав подземных сооружений ГЭС, складов, гаражей и т.д.). По местоположению (рис. 1) Т. подразделяют на горные (проложенные в горных районах — через хребты, водоразделы и отдельные возвышенности), подводные (см. Подводный тоннель) и равнинные, или городские (например, Т. метрополитенов).
Историческая справка. Истоки тоннелестроения уходят в глубокую древность. В Вавилоне, 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 преимущественно сводчатого очертания, в устойчивых скальных породах, без закрепления последних. Проходческие работы велись примитивными орудиями. После падения Римской империи в строительстве Т. наступил период относительного застоя; Т. сооружались преимущественно в военных целях. В конце средних веков в связи с расширением международных торговых связей началось строительство судоходных Т., соединявших водные пути сообщения. Предпосылкой к этому явилось применение чёрного пороха для взрывания скальных пород. Первый железнодорожный Т. (длина 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 альпийских Т. между Францией, Италией и Швейцарией. До начала 1-й мировой войны 1914—18 было построено 26 Т. длиной более 5 км каждый, в том числе Симплонский Т. длиной около 20 км, соединивший Италию со Швейцарией. Среди сооруженных в 1920-х — начале 1930-х гг. выделяются Большой Апеннинский двухпутный железнодорожный Т. на линии Флоренция—Болонья (Италия) длина 18,5 км, а также Ровский судоходный Т. на водной магистрали Марсель—Рона (Франция) длина свыше 7 км. Наряду с горными Т. развивалось строительство и подводных Т., ставшее возможным благодаря применению щитов проходческих (в сочетании со сжатым воздухом) и сборной обделки. Щитовым методом сооружен ряд крупных подводных Т., например под р. Гудзон (США) длина 2,5 км, под Симоносекским проливом (Япония) длина свыше 6 км (1936—41). строительство подводных Т. получило дальнейшее развитие в связи с применением опускных секций длина до 150 м.
В России первый железнодорожный двухпутный Ковенский Т. (длина 1,28 км) был построен в 1862. В конце 19 в. сооружено много Т. на железных дорогах Урала, Крыма и Кавказа. Наиболее крупный среди них — Сурамский Т. длиной около 4 км (1886—90). В начале 20 в. был построен ряд Т. в Сибири и на Дальнем Востоке. Значительное развитие тоннелестроение получило в СССР в связи с интенсивным железнодорожным строительством, созданием сети ГЭС, сооружением метрополитенов и объектов городского подземного хозяйства.
Основные элементы тоннелей. Для сооружения Т. необходима выработка — полость, искусственно создаваемая в земной коре в один или несколько 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 временных крепей горных, заменяемых впоследствии постоянной конструкцией — обделкой (монолитной или сборной). Обделка — важнейший элемент Т., образующий его внутренную поверхность, воспринимающий горное давление и обеспечивающий защиту Т. от подземных вод. Головная часть (или входной участок) Т. называют порталом; он обеспечивает устойчивость лобового и боковых откосов, так называемой предпортальной выемки, и придаёт архитектурное оформление входу в Т. Для защиты от затопления входных участков подводных Т., а также в горных 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., топографических, геологических и климатических условий. При проектировании и сооружении Т. выполняют комплекс геодезических работ по выбору и закреплению оси Т. в плане и профиле, по вычислению её геометрических элементов, перенесению этой оси внутрь выработки, по определению длины оси и разбивке поперечных сечений Т. По трассе Т. проводят инженерногеологические изыскания для установления геологического строения прорезаемого горного массива, характера напластований, степени устойчивости и физико-механических свойств горных пород, гидрогеологического режима и химического состава подземных вод, наличия газов, температуры в выработке, ожидаемого горного давления и т.д. Эти данные получают на основе проведения геологоразведочных работ и гидрогеологических исследований при помощи скважин, геофизическими методами и, в отдельных 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, так как 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 (например, при развитии железнодорожной линии внутри горного массива) строят петлевые и спиральные 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. Основным материалы для возведения тоннельных обделок — монолитный бетон, монолитный и сборный железобетон, чугун и сталь. Их выбор производится в зависимости от условий района строительства и способа тоннельных работ. Монолитный бетон и железобетон применяют главным образом при прокладке Т. в труднодоступных районах (где создание производственной 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 геологическими условиями и направлением действия на неё основных нагрузок. В слабых водоносных породах и при большом гидростатическом 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, например горного давления), дополнительных (действующих кратковременно или периодически) и особых (главным образом сейсмических). Горное давление определяют на основе теоретических предпосылок (с учётом сводообразования, 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 отдельной 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 котором 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 производства тоннельных работ отличаются большим разнообразием; основные из них — горные и щитовой.
Сооружение Т. горными способами включает 2 основных 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 отдельные сравнительно мелкие части, закрепляемые временной (преимущественно деревянной) крепью, исключающей возможность обрушения породы. В скальных породах возможно расчленение сечения на более крупные части; временная крепь устанавливается лишь по контуру выработки, а её внутреннее пространство остаётся свободным. Благодаря этому работы могут быть в значительной 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 металлические опалубки, обеспечивающие возможность применения бетоноукладочных машин. Значительное распространение получил способ опёртого свода, используемый в достаточно устойчивых породах, способных выдерживать давление, бетонного свода обделки. 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 одноштольневой и двухштольневой схемам. При способе сплошного забоя, практикуемом в устойчивых скальных породах, раскрытие выработки производят на полный профиль, для чего применяют специальное горнопроходческое оборудование — буровые подмости, самоходные буровые рамы, установки и агрегаты. Бетонирование обделки осуществляют при помощи бетононасосов или бетоноукладчиков (рис. 3).
Щитовой способ получил преимущественное распространение при сооружении Т. в слабых и неустойчивых породах. Он основан на применении в качестве временной крепи тоннельного (проходческого) щита (рис. 4), представляющего собой подвижную стальную цилиндрическую оболочку, под защитой которой выполняются основные 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 специальных 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 воздушном 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 временных 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 проходки. В СССР щитовая проходка получила наибольшее развитие при сооружении Т. метрополитена (рис. 5).
Наряду с горными и щитовым способами проходки при строительстве Т. (главным образом 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 так называемого заобделочного дренажа, бурения скважин, а также гидроизоляцией самой обделки. Наиболее распространены: оклеечная гидроизоляция, состоящая из нескольких 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-геологических условий, внедрение безопалубочного метода возведения несущих обделок; разработка наиболее рациональных способов защиты Т. от подземных вод, особенно в районах 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; Компаннец С. А., Поправке 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.
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.
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).
Рис. 1. Схемы расположения тоннелей: а — горный тоннель; б — подводный тоннель; в — городской транспортный тоннель; 1 — портал; 2 — рампа; Lт — длина тоннеля; Lр — длина рампы; Н — глубина заложения тоннеля.
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.
Рис. 5. Общий вид участка тоннеля метрополитена.