Туннели

Туннели. Туннель — подземная галерея, прокладываемая для путей сообщения, каналов, водостоков, водопроводов и пр.

1.  Сооружение подземных ходов было известно людям еще в глубокой древности для добычи полезных ископаемых, водопроводов, подземных храмов и усыпальниц, а также для дорог. Остатки таких подземных сооружений, построенных более 3 000 лет тому назад, можно найти в Египте близ Фив и Мемфиса и в других местах. В Вавилоне царем Навуходоносором был построен туннель от его дворца к храму Ваала с проходом под р. Евфратом (см. XLI, ч. 5, 60). В древней Элладе также прокладывались туннели. В истории упоминается об инженере Кротосе, проложившем при Александре Великом большой туннель для водопровода из озера Копано в Беотии. До сих пор еще сохранились вентиляционные шахты этого туннеля. Геродот говорит о постройке дорожного туннеля на о. Самосе. Последние раскопки в Греции обнаружили туннель около Мины, относящийся в эпохе около 4 000 лет тому назад. Особенное развитие в древности туннельное дело получило у римлян. Как народ практический, римляне обращали большое внимание на соединение хорошими дорогами разных частей своей огромной империи и не задумывались перед сооружением больших туннелей для своих дорог. Туннели римской постройки, хорошо сохранившиеся, встречаются в Италии, Франции, Швейцарии, Испании, Португалии и даже около Константинополя. Близ Неаполя римлянами был построен около 2000 лет тому назад туннель для дороги длиной в 1300 м, высотой 10 м и шириной в 8 м. Интересны способы сооружения этих туннелей, пробивавшихся исключительно в скалистых грунтах. Взрывчатые вещества тогда были неизвестны, неизвестно было также применение бурильных машин. Для работ имелись только кирки, ломы и клинья с молотками. При этом для раскалывания скалы римляне часто накаливали ее кострами до очень высокой температуры и затем быстро охлаждали ее холодной водой. Тысячи жертв гибли у римлян на туннельных работах, и они посылали туда провинившихся рабов и военнопленных.

С падением Римской империи строительство туннелей совершенно заглохло на много столетий. К концу средневековья изобретение пороха, нашедшее себе применение при осаде крепостей, дало толчок для устройства подкопов-туннелей под стены осаждаемых крепостей. Такие подкопы в виде длинных подземных галерей были известны даже и русскому военному искусству. При осаде Казани Иоанном Грозным был проложен царским инженером (или «розмыслом», как тогда называли в Москве инженеров) Зелантием длинный туннель от царской ставки до стен Казани, взрыв которых через туннель и помог взять город. Подземные ходы имелись в ту же эпоху и в самой Москве.

Рис. 1. туннель Мон-Сени.

В 1613 г. немецкий инженер Мартин Вейгель впервые стал применять порох для разработки рудников, но для настоящих туннелей порох еще долгое время не применялся.

Постройка туннелей после средневекового упадка началась только к концу ХVII столетия, когда во Франции был пробит в скалистом грунте туннель для Лангедокского канала. В ХVIII ст. было построено еще несколько туннелей для судоходных каналов во Франции и Англии. С началом XIX  ст. строительство туннелей в связи с необходимостью прокладки дорог и каналов распространилось по всей Европе, главным образом во Франции, и перекинулось в Америку. Однако, до половины XIX ст. развитие туннельного дела тормозилось трудностями проходки в скалистых грунтах, и только изобретение бурильных машин (перфораторов) и новых взрывчатых веществ двинуло его сильно вперед.

Рис. 2. С-Готардский туннель.

В 1857 г. французскими инженерами было приступлено к прокладке туннелей длиной 12,8 км в Альпах, между Францией и Италией, под горой Мое-Сени (см.), для двухпутной железной дороги (рис .1). Грандиозная по тому времени длина туннеля казалась необычайным дерзновением со стороны строителей. Взоры всего цивилизованного мира были прикованы к этим работам. Постройку предполагалось вести 25 лет. Работы начали с обоих порталов туннеля вручную. Порода состояла на ¾  из известковых сланцев, в остальной части из крепких известняков и немного из кварцитов большой твердости. Работа в таких грунтах продвигалась медленно, при средней успешности 60 см  по длине туннеля в сутки. Мысль инженеров не мирилась с таким темпом и работала над усилением его. Со всей очевидностью выявлялась необходимость применения взрывчатых веществ (тогда был известен только порох) и вместе с тем механического бурения (см. бурение). Незадолго перед тем француз Пекер (1848) американцы Кауч (1849), и Фаул (1851), а так же немец Шуман (1854), предложили типы бурильных машин, которые, однако, успеха не имели и применения нигде не нашли. Строитель туннелей инж. Соммелье изобрел и применил для работ свой тип перфоратора. Успешность продвижения после некоторого периода нащупывания и испытания новых машин повысилась до 1,5 м и даже до 2,0 м, и к концу работ достигла 2,3 м в сутки. Задача была решена, и  вместо 25 лет был закончен в 14 и обошелся в 75 миллионов франков или 6 130 франков (2 300 руб.) на 1 погонный метр.

Рис. 3. Симплонский туннель.

Новым этапом в развитии туннельного дела, было применение для работ динамита. Еще в 1847 г. итальянским профессором Собреро  было открыто в Париже новое взрывчатое вещество — нитроглицерин. Это взрывчатое вещество, опасное в чистом виде, было применено шведским инженером Нобелем в виде динамита для взрывных работ, и после этого черный порох уступил свое место в туннельных работах динамитам разного сорта. Мон-Сенисский туннель был последним, где порох имел широкое применение.

Едва успели закончить Мон-Сенисский туннель, как в Швейцарии в Альпах приступили в 1872 г. к пробивке Сен-Готартского туннеля, тоже двухпутного, длиной почти 15 км (рис. 2). Весь опыт Мон-Сенисского туннеля здесь был широко использован, и, несмотря на ряд затруднений, разоривших контрагента, туннель был благополучно закончен в 1882 г., т. е. через 10 лет. Стоимость его определялась в 67 млн. франков, или 4 400 фр. (1 650 руб.) на погонный метр. Здесь виден успех туннельной техники по сравнению с Мон-Сени: при равных условиях работы произведены и дешевле и скорее.

Рис. 4. Ровский туннель.

Самым большим по длине туннелем (не считая небольшого по сечению и неглубокого Катскильского туннеля для нью-йоркского водопровода) до сих пор остается Симплонский (рис. 3), проложенный в тех же Альпах между Швейцарией и Италией на длину почти 20 км (см, II, 876). Здесь встретились еще небывалые затруднения. Прежде всего, пришлось бороться с необычайно высокой температурой, доходившей до 55° при обильном притоке горячей воды, что, несмотря на усиленную вентиляцию и принятые меры для охлаждения туннеля совершенно изнуряло работавших в этой банной атмосфере. Затем, местами каменистая порода, находившаяся под большим давлением (глубина заложения туннеля доходила до 2 000 м), при обнажении ее в туннеле с страшным треском, как взрыв, отскакивала отдельными плитками и ранила рабочих. Наконец; с южной стороны на 5-м километре обнаружилось такое давление, что железные крепи из двутавровых балок высотой в 40 см  перегибались пополам, и для работ там был применен дорогой итальянский способ. Тем не менее, туннель был закончен в семь лет (1898-1905),т. е. с большей успешностью, чем Сен-Готардский. Симплонский туннель был проложен под один путь, а через 10 лет был пробит параллельно и другой туннель под второй путь.

Из других больших мировых туннелей для железных дорог следует отметить: Лечбергский в Швейцарии, длиной 15 км (1906-1911), знаменитый по катастрофе, случившейся в 1918 г., когда протекавшая сверху горная река, несмотря на большой слой земли над туннелем, прорвалась в туннель и затопила 26 человек, работавших в нем; законченный в 1929 г. туннель через Каскадные горы в Соединенных Штатах, длиной 12,5 км, замечательный по своей организации работ и созданию в пустынном месте целого городка для рабочих и служащих со всеми культурными удобствами и развлечениями; Арльбергский туннель в Австрии, длиной 10 км (1880-1888); Моффатокий туннель в Соединенных Штатах, недавно законченный, длиной 10 км; Риккенский туннель в Швейцарии, длиной 9 км (1904-1910); Гренхенбергский туннель в Швейцарии, длиной 9 км (1912-1917); Тауэрнский туннель в Австрии, длиной 9 км (1901-1909); туннель Ронко в Италии, длиной 8 км  (1880-1888); туннель Колле-ди-Тенда в Италии, известный по трудностям, встретившимся при его разработке, вследствие сильного горного давления; базисный Гауэнштейнский туннель в Швейцарии, длиной 8 км (1912-1915); Каравенкенский туннель в Австрии, длиной 8 км (1902-1906); недавно законченный Сомпортский туннель в Пиренеях, между Францией и Испанией, длиной 8 км и, наконец, открытый теперь, в 1930 г., в Италии самый большой туннель в мире после Симплонского—Апеннинский туннель, «Direttissima», между Болоньей и Флоренцией, длиной 18,5 км.

Рис. 5. Сурамский туннель.

Совершенно особое место занимает Ронский туннель, построенный для судоходного канала между Марселем и Роной во Франции, протяжением более 7 км. По своему поверенному сечению это самый большой туннель в мире. Его ширина в свету 22 м и высота более 15 м (рис. 4). Он может пропускать морские суда с осадкой до  4 м. Объем выломки этого туннеля вдвое больше объема выломки обоих Симплонских туннелей. Начатый еще до войны, этот туннель был закончен в 1927 г.

Нет возможности перечислить все туннели, длиной менее 8 км, сооруженные в  Франции,  Италии, Швейцарии, Австрии, Германии, Соединенных Штатах, Японии и в других странах всех частей света.

Наш Союз, ври преобладающем равнинном характере страны, не богат туннелями, и туннельная техника развита у нас сравнительно слабо. Самый большой туннель — Сурамский (рис. 5) на Закавказской железной дороге, под два пути (1886—1890), имеет длину около 4 км. Стоимость его — 5 225 000 руб., или 1 306 руб. на погонный метр. Из других туннелей в СССР следует отметить два Новороссийских под два пути, построенные бывшей Владикавказской железной дорогой (1884—1888); многочисленные, но небольшие туннели Кругобай-кальской железной дороги (1900 — 1907); однопутные туннели Северо-Донецкой линии (1912 — 1916), проложенные в равнинной местности и частью в мягких, неустойчивых грунтах; туннель Амурской железной дороги и бывшей Казань-Екатеринбургской линии, бывшей Черноморской ж. д. (эти туннели заканчивались в трудных условиях гражданской войны); после революции был закончен близ Днепропетровска туннель для Мерефа-Херсонской линии, проложенный сплошь в мягких грунтах. Наконец, в последнее время прокладываются советской властью туннели для деривационных и напорных каналов гидротехнических станций на Аджарис-Цхали, Рионгэсе (рис. 6) и Дзорагэсе и даже один в Малой Кабарде, проложенный в сухих зыбучих песках для мелиоративного канала. Туннелей  для судоходных каналов в СССР пока не имеется. Намечается сооружение большого туннеля, длиной около 24 км (что будет рекордом), через Кавказский хребет для перевальной железной дороги; там же проектируется туннель для перевальной шоссейной дороги и, кроме того, в связи с общим планом железнодорожного строительства и постройки новых гидротехнических станций, предполагается к сооружению целый ряд небольших туннелей.

Рис. 6. Туннель Рионгэса.

2.  При прокладке туннелей особое внимание строителей приковывается к правильности разбивки его оси. Туннели  обычно пробиваются с двух сторон, и при малейших неточностях в разбивке штольни, идущие навстречу друг другу, могут не сойтись. На деле, несмотря на тревоги руководителей работ, таких ошибок не бывает, и в туннельных разбивках добиваются такой точности, что расхождение в плане и профиле при встрече многокилометровых туннелей бывает всего порядка нескольких сантиметров.

Если возможно, разбивки производятся сначала сверху по дневной поверхности от портала к порталу, и провешенная линия прочно закрепляется особыми знаками. При благоприятном рельефе местности иногда является возможность пробить сверху шахту, где-нибудь по длине будущего туннеля, и тогда это является большим подспорьем для проверки правильности разбивки. Все съемки и разбивки производятся несколькими лицами независимо друг от друга и по многу раз. Только при таких условиях можно добиться необходимой точности и избежать ошибок.

Помимо геодезических работ, прокладке туннеля предшествуют геологические обследования. Правильный геологический прогноз решает вопрос о возможности прокладки туннеля, о наиболее выгодной трассировке его, дает характеристику породы, в которой будет пробит туннель, указывает на режим подземных вод, на возможное давление породы на туннель. На основании данных этого прогноза вырабатываются типы туннеля и способы его разработки. К сожалению, геология далеко не точная наука, и в истории туннельного дела известны случаи, когда лучшие геологи жестоким образом ошибались в своих предсказаниях. При прокладке Симплонского туннеля в тех местах, где геологи предсказывали сильное горное давление, оказывалось возможным пройти даже без крепей, а там, где ожидалась твердая порода без давления, пришлось встретиться с таким давлением, которого не выдерживали сильнейшие железные крепи. Ошиблись геологи и в предсказании температуры в Симплонском туннеле: она в действительности оказалась много выше и сильно осложнила производство работ. Роковые последствия имели ошибки геологов при прокладке Лечбергского туннеля. Лучшие геологи Европы, созванные для консультации перед пробивкой этого туннеля, почти единогласно утверждали, что при проходе туннеля под р. Кандер над туннелем останется слой плотных известняков не менее 100 м толщиной и что всякая опасность с этой стороны исключена; на деле же туннель встретился с водоносными аллювиями этой реки, и она вся прорвалась в туннель. У нас при постройке туннеля на Северо-Донецкой линии один из лучших авторитетов предсказывал, что туннель пройдет всюду в устойчивых грунтах, на деле же пришлось встретиться с мягким разжиженным грунтом-плывуном. Но как бы ни были велики в некоторых случаях ошибки геологов, прокладывать туннель без освещения его трассы геологическими исследованиями совершенно недопустимо и немыслимо для производителя работ.

По характеру затруднений при прокладке туннелей, последние  могут быть разделены на горные, городские и подводные. В горних туннелях (к которым можно отнести туннели, прокладываемые через перевалы равнинной местности) затруднения заключаются в тех или иных свойствах грунтов, в давлении, оказываемой ими, и в большей или меньшей степени водоносности их. В городских туннелях к этим естественным затруднениям прибавляются — и часто доминируют над ними затруднения, вытекающие из чисто городских условий, как наличие большого уличного движения, которого нельзя прерывать, близкое соседство больших зданий и густая сеть других подземных сооружений, осложняющие прокладку туннеля. При прокладке подводных туннелей затруднения состоят, главным образом, в наличии над туннелем воды, что и обусловливает совершенно особые способы работ.

Рис. 7. Способы разработки.

3.  Характер работ при прокладке горных туннелей меняется в зависимости от грунтов. В мягких грунтах, всегда оказывающих более или менее сильное давление, приходится все время крепить деревянными крепями потолок и бока разработки, самая же разработка ведется обычным землекопным инструментом, а туннель прикрывается окончательно каменной или другой обделкой, сдерживающей напор земляных масс. В твердых грунтах часто можно вести туннельные работы, по крайней мере на некоторое время, совсем без креплений. Туннель  в таких грунтах иногда может оставаться без обделки или иметь легкую обделку только для предохранения обнаженной каменной породы от выветривания или от выпада отдельных камней, потревоженных взрывами. Большое горное давление возможно, однако, и в скалистых грунтах, и тогда приходится также прибегать к сильным креплениям и назначать обделку в соответствии с обнаруженным давлением. Но главные трудности при пробивке туннеля в скалистых грунтах заключаются в выломке породы (ср. горное дело), Поэтому не случайно развитие   туннельного дела совпало с открытием новых сильных взрывчатых веществ и механического бурения. Новейшие способы разработки горных туннелей известны, главным образом, по разным национальным наименованиям, в зависимости от возникновения или преимущественного распространения их в той или иной стране.

При английском способе (рис. 7) разработка туннелей ведется сразу на весь профиль его поперечного сечения. На небольшом сравнительно протяжении друг от друга разрабатывается сначала верхняя часть на всю ширину туннеля, затем средняя и, наконец, нижняя. Каменная кладка следует за разработкой. Сначала кладут стенки туннеля, и затем выкладывается на них свод. Способ этот возник в Англии в самом начале XIX в. и с успехом применяется при работах в скалистых породах без давления. При мягких породах и при сильном горном давлении применение его затруднительно, так как раскрытие профиля на все поперечное сечение туннеля требует сложных креплений с многократной перестановкой крепей при переходе от разработки одного яруса к другому. Из Англии этот способ был перенесен в Америку и в некоторые другие страны.

Бельгийский способ (рис. 7 и 11) характеризуется тем, что работы ведутся сначала в верхней части туннеля и свод возводится раньше стенок. Разработка при этом начинается с пробивки по оси туннеля в верхней его части небольшой продольной галереи—«штольни». Из этой штольни ведется дальнейшая разработка «калотты», т. е. верха туннеля по обе стороны штольни. Разработка эта ведется небольшими участками от 3 до 6 м, смотря по породе грунта и давлению. Как только разработка такого участка закончена, немедленно приступают к кладке свода, который временно опирается своими пятами прямо на землю. Когда таким образом верхняя часть туннеля закончена на большом протяжении и свод всюду раскружален и окреп, то под защитой этого готового свода и уже без всяких креплений приступают к разработке центрального нижнего земляного ядра — «штроссы». После штроссы приступают осторожно небольшими участками в разных местах, достаточно удаленных друг от друга, к выемке породы под пятами свода и подведению под него стенок. Затем, если требуется, устраивается внизу обратный свод. Бельгийский способ, возникший в начале XIX ст. при постройке туннеля между Брюсселем и Шарлеруа, получил повсеместное распространение, но особенно привился во Франции и вообще в латинских странах. Так как при этом способе значительная часть работ ведется без креплений под защитой уже сложенного ранее свода, то он обходится сравнительно дешево.

Рис. 8. Крепи в туннеле.

Разработка по австрийскому способу (рис. 7), в противоположность бельгийскому, начинается с пробивки штольни в нижней части туннеля по оси его. В этой штольне укладывается путь для вывозки разработанной породы и доставки материалов к месту работ, а также устанавливаются трубопроводы для сжатого воздуха, воды и разного рода кабели, необходимые для производства работ. После нижней штольни прокладывается над ней в верхней части туннеля другая штольня, из которой ведется небольшими участками от 3 до 6 м разработка калотты вширь, но, в отличие от бельгийского способа, калотта не обделывается сразу каменным сводом, а разработка продолжается внизу до полного раскрытия профиля на разрабатываемом участке, после чего приступают к каменной кладке туннеля, начиная со стен и кончая сводом. Разработка туннеля по австрийскому способу дает возможность, если пробита далеко нижняя штольня (что при настоящих перфораторных машинах не представляет затруднений), развить работы сразу в нескольких местах. Для этого из нижней штольни пробиваются вверх особые шахты, и из них ведется в обе стороны разработка верхней штольни, затем калотта и т. д. Такое развитие фронта работ значительно сокращает выполнение работ, что для длинных туннелей, прокладка которых требует много времени, имеет большое значение. Прокладка нижней штольни раньше других работ хорошо осушает весь туннель и, кроме того, представляет большие удобства для укладки рельсового пути, трубопроводов и пр. без необходимости их перекладывать в процессе работ, как это имеет место при бельгийском способе. Большое преимущество австрийского способа заключается еще в системе креплений обеспечивающей сопротивление боковому давлению грунта. Но способ этот требует много креплений, разработка остается долгое время на крепях, что увеличивает шансы осадок и выветривания слабой породы, и, наконец, он сравнительно дорог.

В скалистых грунтах без особого давления нашел широкое применение способ потолочного разреза (рис. 7), возникший и распространившийся в Швейцарии. Сущность его заключается в том, что сначала, как и при австрийском способе, пробивается нижняя штольня. Затем в потолке штольни делается на некоторую высоту вертикальный прорез, после чего потолок штольни покрывается сильным деревянным настилом, на который устанавливаются перфораторы для дальнейшей разработки скалы и временно сваливается разрабатываемая порода до нагрузки ее в вагонетки. Разрез продолжается до самого верха, после чего приступают к боковой разработке по обе стороны разреза, а затем и штольни. По окончании разработки на полный профиль приступают к каменной кладке. Главное достоинство этого способа заключается в удачном распределении фронта разработки для взрывных работ, благодаря чему расход на бурение и взрывчатые вещества значительно сокращается. В слабых грунтах и при наличии сильного давления, требующего больших креплений, этот способ теряет свое значение. По этому способу были проложены туннели Лечбергский и, недавно, базисный Гауэнштейнский.

Германский и итальянский способы применяются очень редко и в исключительных условиях, при наличии очень сильного давления. Так называемый американский способ, в сущности не столько способ разработки, сколько способ креплений, возможен только при очень небольшом и равномерном давлении. Применялся пока исключительно в Соединенных Штатах.

В редких случаях при прокладке туннеля можно вести работы без крепления породы деревянными (или иногда железными) креплениями. Даже при работе в скале, не оказывающей давления на туннель, приходится подпирать отдельные участки из опасения выпада камней, отделившихся при взрывах. В породах же, оказывающих давление, особенно в мягких и сыпучих грунтах, необходимо все  время сильно крепить потолок и бока туннельной разработки до возведения каменной обделки. Система креплений меняется в зависимости от грунта и способа разработки. Понятие о туннельных креплениях дает рис. 8. Самый потолок разработки крепится досками, которые в слабых грунтах забиваются вперед таким образом, что потолок разработки все время остается прикрытым. Эти доски поэтому называются «марчеванками», от занесенного к нам итальянскими туннельщиками слов «marcia avanti»—«иди вперед».

Рис. 9. Тюб.

4.  Городские туннели прокладываются для железных дорог, вводимых в центральные части города, и, если проведение их на поверхности улиц было бы недопустимо, — для больших коллекторов канализации и других целей. Развитию городского туннелестроительства в последнее время особенно содействовало сооружение подземных метрополитенов в больших городах (см. XX, 189/40, прил. 57/65).

Городские туннели устраиваются либо с каменным сводчатым перекрытием (в качестве материалов применяется бутовая, тесовая, кирпичная и бетонная кладка или железобетон), либо с плоским перекрытием (железным или железобетонным), либо, наконец, в виде круглых чугунных труб, называемых в Англии «тюбами». По преимущественному распространению того или иного типа в главнейших городах Европы, среди русских техников принято называть эти типы соответственно парижским, берлинским и лондонским. Такое наименование, однако, совершенно условно и не вполне правильно, так как все три типа, и плоский, и сводчатый, и тюбы, применялись, например, и в Нью-Йорке, и в Париже, и в Лондоне, и в Берлине, и в других городах.

Преимущественное распространение определенного типа подземного метрополитена в том или ином городе объясняется прежде всего топографическими, геологическими и гидрогеологическими особенностями города, расположением сети его подземных сооружений (канализации, водопровода, водостоков, разных кабелей и пр.) и состоянием промышленности в стране; не последнюю роль играют в данном случае и строительные навыки инженеров и рабочих каждой страны, но эти навыки опять-таки вырабатываются под влиянием совокупности всех указанных материальных обстоятельств.

В Лондоне на первых линиях подземного метрополитена туннель прокладывались на небольшой глубине и перекрывались обыкновенным каменным сводом, причем работы велись не туннельным способом, а в открытых котлованах сверху. При таком способе работ пришлось перекладывать всю сложную сеть подземных городских сооружений. Эта перекладка часто обходилась дороже сооружения самого метрополитена и вызывала в то же время при производстве работ большие замешательства в уличном движении. Поэтому при дальнейшем развитии сети лондонского метрополитена английские инженеры решали зарыться поглубже в землю и для прокладки туннелей остановились на так называемом способе щита, давшем перед тем хорошие результаты при многочисленных переходах туннеля под дном Темзы и описанном ниже при изложении способов прокладки подводных туннелей, причем самые кольца туннеля собирались из отдельных круговых чугунных дуг, обалчиваемых друг с другом болтами (рис. 9). Такие туннели в Лондоне были названы «тюбами» (трубами), и это слово завоевало теперь право гражданства на всех языках. Опыт показал, что для работы щитом особенно пригодным является плотный глинистый грунт, не содержащий валунов, и в Лондоне как раз на глубине 23—50 м оказался мощный пласт такой глины, чем и воспользовались английские инженеры для прокладки своих тюбов. Тюбы требуют для своей обделки значительного количества высокосортного чугуна, что для Англии с ее богатой металлургической промышленностью не представляет затруднений, и чугунные кольца для обделки там обходились сравнительно недорого. В общем один погонный метр тюба под один путь без верхнего строения обходился в среднем на наши деньги 650 руб. (довоенных). Таким образом, преимущественное распространение тюбов при сооружении лондонского метрополитена находит себе объяснение в наличии трех материальных факторов: 1) чрезвычайной запутанности сети подземных сооружений в Лондоне, что служило большим препятствием для неглубокого заложения туннеля метрополитена, 2) нахождения на известной глубине плотной пластичной глины, особо благоприятной для работы щитом, 3)   сильной металлургической промышленности Англии, обеспечивающей недорогую заготовку чугунных колец для тюбов. К этому нужно прибавить весь предыдущий опыт и навыки английских инженеров при прокладке многих таких тюбов под Темзой.

Рис. 10. Туннели берлинского метрополитена.

Совершенно иначе обстояло дело при сооружении подземного метрополитена в Берлине. Прежде всего, там не знали тех затруднений, какие выпали на долю Лондона при встрече с сетью подземных сооружений. В Берлине все подземные трубы и кабели были расположены в образцовом порядке под тротуарами. Улица от них была свободна, и потому при прокладке метрополитена ее можно было вскрывать, не трогая существующих сооружений и не вызывая в них существенных переделов. Только при пересечении поперечных улиц приходилось неизбежно встречаться со всеми подземными трубами и кабелями встречной улицы,  но при таких условиях уже не представляло больших затруднений пропускать эти трубы и кабели над или под метрополитеном. С другой стороны, природные условия в Берлине были таковы, что туннель должен был быть приподнят как можно выше к поверхности мостовой. Берлин, как известно, расположен на низменной долине реки Шпре, грунт там состоит из песчаных наносов, сильно водоносных, и грунтовые воды находятся близко от поверхности земли. При таких условиях вполне естественно было стремление строителей берлинского метрополитена как можно менее заглубляться со своими туннелями, тем более, что расположение сети подземных сооружений этому не препятствовало, а так как при плоском перекрытии можно ближе прижаться в поверхности мостовой, чем при сводчатом, то предпочтение, данное в Берлине плоскому перекрытию (рис. 10), становится объяснимым. Плоское  перекрытие требует много железа и потому обходится дороже сводчатого, но для Германии с ее богатой металлургической промышленностью расход на железо не мог являться препятствием. Кроме того, концерны, строившие метрополитенные линии в Берлине, были тесно связаны с металлургическими фирмами и так или иначе заинтересованы в поставке железа. Работы по прокладке туннелей с плоским перекрытием ведутся сверху в открытых котлованах (рис. 11). Способ производства работ по устройству туннелей этого типа сравнительно прост, работы земляные и бетонные ведутся под защитой продольных вертикальных стенок, ограждающих котлованы. Для борьбы с водой был принят способ, чрезвычайно характерный для этих работ в Берлине. Он заключается в том, что несмотря на значительную водоносность грунта в Берлине, работы по прокладке туннелей там велись насухо. Достигалось это так называемым искусственным понижением горизонта грунтовых вод. Для этого вдоль линии будущего метрополитена забивался целый ряд металлических обсадных труб на расстоянии около 7 м друг от друга и на глубину несколько ниже днища туннеля. Через эти трубы высасывалась вода, вследствие него горизонт воды в грунте понижался ниже уровня, где производились работы, и их вели как в сухом грунте. При глубине заложения дна туннеля более 7 м, когда откачка воды обычными насосами становится затруднительной, методы понижения горизонта воды несколько изменились, но осушение грунта, тем не менее, вполне достигало совершенства.

Рис. 11.

В Париже строительство метрополитена приняло другие формы, чем в Лондоне и Берлине, и для этого были свои основания также материального свойства. Прежде всего, в Париже не было того хаоса в расположении разных подземных сетей, который так осложнил работы при сооружении первых линий метрополитена в Лондоне. В Париже принята система общесплавной канализации, т. е. в канализационные трубы попадают и домовые и ливневые воды, и этим трубам всюду даны значительные размеры, дающие возможность для прохода по ним людей. Трубы эти, обычно овального сечения, расположены по одной с каждой стороны улицы под мостовой, рядом с тротуарами, и в них обычно расположены все водопроводные, газовые, воздухопроводные и пр. трубы, а также всякого рода кабели, что благодаря большим размерам канализационных труб вполне возможно. Таким образом, середина улицы в Париже, как и в Берлине, обычно свободна от подземных сооружений. Но для прокладки туннелей метрополитена непосредственно под мостовой мешали бы трубопроводы канализации в встречных поперечных улицах. Трубопроводы эти, в отличие от берлинских, настолько велики сами по себе, что переустройство их (дюкера и пр.) для пропуска метрополитена вызвало бы большие затруднения и, главное, осложнило бы всю хорошо налаженную систему городского хозяйства. Поэтому парижские инженеры, как общее правило, проводят линии своего метрополитена, не углубляясь далеко, все же несколько ниже сети канализации. Грунт в Париже, за исключением высот Монмартра, Бельвиля и пр., в верхних своих слоях состоит из аллювиальных отложений Сены (и впадающих в нее речек) преимущественно мелкопесчаных, илистых и пропитанных водой. В пески иногда вклинивается глина, но небольшими слоями. Аллювии эти покрыты слоем насыпного грунта, достигшего местами — за более чем двухтысячное существование Парижа — значительной толщи (до 10 м у площади Бастилии). Метрополитен прокладывался главным образом в верхних слоях аллювия или в насыпном грунте. Проход щитом в таких грунтах, хотя и возможен, но  представляет известные затруднения, так что в Париже после многих опытов отказались  вообще от способа щитовой разработки для метрополитена, оставив этот способ только для прохождения под реками или для большой глубины. Устройство плоских перекрытий на  сравнительно уже большой, по сравнению в Берлином, глубине было бы неэкономично и нерационально. Таким образом, парижские инженеры при сооружении своего метрополитена остановились на сводчатом типе туннеля, разрабатываемом обычным туннельным способом, преимущественно бельгийским, на деревянных  крепях (рис. 12).

Рис. 12.

5. Подводные туннели, если не считать глубокой древности (туннель под Евфратом для царя Навуходоносора) стали прокладываться только с начала XIX в. Тогда все усложняющиеся потребности человечества поставили перед техникой задачу прокладки туннелей под реками и даже под морем.

Рис. 13. Туннель под рекой Шпрее.

Подводные туннели прокладываются иногда туннельным обычным способом, что допустимо и возможно только в плотных, водонепроницаемых грунтах и на достаточной глубине под дном. По этому способу был проложен в Англии (1873—1879) под морским заливом при впадении р. Северн туннель общей длиной в 7 км на глубине свыше 10 м под дном. Работы эти велись в твердой скале, но несколько раз останавливались из-за сильных притоков воды через трещины в овале, и туннель совершенно заливался водой. Только установка чрезвычайно мощных насосов, откачивающих свыше 2 000 куб. м воды в час из каждой шахты на берегу, позволила довести работы до конца.

Для уменьшения фильтрации воды при прокладке подводных туннелей иногда прибегают к замораживанию грунта или цементации его. Очень часто для этого же работы ведутся в сжатом воздухе. Тогда в законченной уже части туннеля возводится толстая непроницаемая стена, в которой замуровываются шлюзовые камеры для прохода рабочих из части туннеля с нормальным давлением в переднюю часть с сжатым воздухом.

В слабых грунтах и при небольшой глубине воды подводные туннели с успехом прокладываются в открытых котлованах за перемычками (рис. 13). Перемычки устраиваются из двух рядов шпунтовых свай, причем в промежуток между обычными рядами (2 м и более) набивается глина. Из образованного таким образом замкнутого со всех сторон котлована откачивается вода, затем в нем производится выемка дна туннеля, и устраивается самый туннель.

Развитие техники в XIX ст. дало возможность применить для прокладки подводных туннелей более усовершенствованные способы, как щитовой способ, кессонный способ и, наконец, способ погружения готовых секций туннеля.

Щитовой способ впервые был применен в Англии французским эмигрантом, инженером Брюнелем, при прокладке туннеля под Темзой для обыкновенной дороги (1825—1842). Для этих работ Брюнель предложил особый прибор, названный им «щитом». Щит Брюнеля задней своей частью, «хвостом», обнимал по внешнему контуру уже законченную часть туннеля и продвигался вперед в грунт винтовыми домкратами, расположенными в самом щите и упиравшимися в законченную кладку туннеля. После продвижения щита на полный ход домкратов в задней части щита под его защитой возводилось новое кольцо каменной (у Брюнеля — кирпичной) кладки. Разработка грунта велась впереди щита под защитой его передней части. Грунт под дном реки был слабый, водоносный, конструкция щита представляла ряд недостатков, применение сжатого воздуха для таких работ еще не было известно, и работы несколько раз останавливались из-за катастроф, сопровождавшихся иногда человеческими жертвами.

Рис. 14. Щит Грэтхэда

После многих попыток прохода щитом под рекой, инженер Грэтхэд разработал в 80-ых годах прошлого столетия тип щита, применяемый с успехом и до сих пор при диаметрах туннелей не свыше 4 м. Туннель  при способе Грэтхэда представляет в сечении окружность и состоит из чугунных колец, собранных из отдельных звеньев, сболченных друг с другом. Щит представляет собой цилиндр из котельного железа (рис. 14), который сзади по всему своему периметру опирается на последнее собранное кольцо туннеля. Спереди щит усилен по всей окружности стальными отливками — «ножом» с острием, обращенным вперед в сторону грунта. Этим ножом щит при продвижении врезывается в грунт. Для жесткости щит усилен вертикальной поперечной диафрагмой также из котельного железа. Посередине диафрагмы устроено прямоугольное отверстие для прохода рабочих и перекидки грунта. По всей окружности щита расположен ряд гидравлических прессов, поршни которых, упираясь в последнее собранное кольцо туннеля, продвигают щит вперед, после чего в задней части щита, под защитой его, собирается новое кольцо туннеля, тогда как впереди щита рабочие вынимают грунт и перекидывают его назад в вагонетки или на транспортер. Работы ведутся в сжатом воздухе, для чего в законченной части устанавливаются шлюзовые камеры, как было описано выше.

Щитовой способ прокладки туннеля получил большое распространение в Европе и Америке. Щит применяется для туннелей до 10 м диаметром. При таких размерах щиты для жесткости укрепляются горизонтальными и вертикальными металлическими переборками. Разработка грунта ведется в разных ярусах. Шлюзовые камеры иногда устанавливаются в самом щите. Конструкции щитов и техника безопасности при щитовом методе значительно усовершенствовались, и теперь проход щитом под дном реки уже не сопровождается катастрофами с человеческими жертвами, как первое время.

Рис. 15. Кессон.

Из больших туннелей, проложенных при помощи щита, следует отметить: туннель под р. Сент-Клер в Канаде (1890—1892), диаметром около 6,5 м и длиной около 1,8 км — в щите этого туннеля имеются большие достижения, попользованные при последующих работах; Блэкуэльский туннель в Англии под Темзой для обыкновенной дороги (1892—1897), диаметром около 8 м и длиной около 1,8 км — в щите этого туннеля техника безопасности доведена до большой степени совершенства; туннель под Сеной в Париже для метрополитена, диаметром около 8  м, из которых последний вполне удачно закончен в 1929 г.; двойной туннель для обыкновенной дороги под Эльбой в Гамбурге (1907—1911), замечательный своей обделкой из железных колец вместо общепринятого чугуна. Наконец, много туннелей при помощи щита было проложено в последнее время в Соединенных Штатах, преимущественно в Нью-Йорке, для железнодорожных и метрополитенных линий, а также для автомобильных дорог. В 1927 г. были проложены там под р. Гудзон для автомобильной дороги два туннеля — близнецы, диаметром каждый около 9 м и длиной 2,5 км. Так как по этим туннелям должно пробегать огромное число автомобилей с большим выделением отработанных газов, то вентилированию туннеля было отведено особое внимание. Туннель с двумя горизонтальными переборками делится на три части. Средняя служит для езды, через нижнюю подается свежий воздух, а через верхнюю вытягивается испорченный. Подача и вытягивание воздуха производится на гигантских воздуходувных станциях, установленных на берегу реки.

Кессонный способ применялся в Соединенных Штатах и во Франции. Этот способ заимствован из практики сооружения мостовых опор, и сущность его сводится к тому, что к месту прокладки будущего туннеля подводится на плаву кессон, представляющий собой определенную секцию туннеля и имеющий в отличие от мостового кессона в плане очень удлиненную форму (см. кессоны). Этот кессон состоит из обычной рабочей камеры и надстроенного над ней металлического остова для будущего туннель, закрытого с торцов (рис. 15). Кессон точно устанавливается над местом будущего туннеля, после чего приступается к бетонированию остова туннеля. Под действием тяжести возводимой кладки кессон постепенно садится на дно. Для придания ему еще большего веса камера туннеля по окончании бетонирования заполняется водой. Ножи рабочей камеры врезываются в грунт, в нее впускается сжатый воздух. Рабочие спускаются в рабочую камеру, разрабатывают там грунт, который через шахты доставляется наверх и выгружается в шаланды, и кессон постепенно опускается на требуемую глубину. Некоторые затруднения при этом способе представляют соединения опущенных соседних секций между собой, но техника, в общем, удачно разрешает этот вопрос. Кессонный способ дает большие гарантии безопасности, чем щитовой. Большим его преимуществом является то, что он исключает необходимость в оставлении большой земляной подушки между верхом туннеля и дном реки, как это требуется при щитовом способе, а потому дает возможность поднять туннель значительно выше, чем при работе щитом, что значительно улучшает общий продольный профиль линии.

Способ опускания готовых секций напоминает кессонный. По идее он очень прост. Где-то в стороне на стапеле или в сухом доке изготовляются отдельные секции туннеля, преимущественно из железобетона, длиной до 70 м. Секция, заделанная с обоих концов водонепроницаемыми днищами, спускается на воду и на плаву буксируется к месту работ, где к этому времени землечерпанием подготовляется на дне реки соответствующая выемка. Секция устанавливается над выемкой, постепенно заполняется водой и под действием ее тяжести погружается на дно, после чего засыпается землей и из нее откачивается вода. Для стыков между двумя опущенными секциями применяются особые приемы. Как ни проста сама по себе идея погружения готовых секций, выполнение ее для больших туннелей стало возможным только при последних достижениях техники. В Соединенных Штатах проложен ряд туннелей по этому способу. Из них особенно интересен законченный в 1928 г. Оклендский туннель для автомобильной дороги под Аламедой. при самом впадении ее в Тихий океан, в Калифорнии, между городами Оклендом и Аламедой. Подводная часть этого туннеля состоит из 12 секций по 62 шт. каждая, с наружным диаметром 11 м, при толщине железобетонных стенок в 0,75 м (рис. 16).

Рис. 16. Оклендский туннель.

Литература:  G. Lucas, «Der Tunnel», Berl., 1920—24; С. Andreae, «Der Bau langer tiefliegender Gebirgstunnel», В., 1926; Randzio, «Stollenbau», В. 1927; D. W. Brunton and J. А. Davis, «Modern Tunneling», N.-Y., 1922; В. Н. М. Hewett and S. Johannesson, «Shield and Compressed Air Tunneling», N.-Y., 1922; L. Biette, «Les chemins de fer urbains parisiens», Р., 1928; G. Biadego, «Igrandi trafori alpini», Milano, 1906; А. Пассек, «Способы разработки туннелей», II., 1923; М. Евдокимов-Рокотовский, «Давление горных пород и расчет туннельных обделок», Томск, 1927; его же, «Основы геологии при проведении туннелей», Т., 1928; М. Протодиаконов, «Давление горных пород», М., 1930.

С. Розанов.