Тоннели роются в типах материалов, варьирующихся от мягкой глины до твердой породы. Метод строительства туннеля зависит от таких факторов, как состояние грунта, состояние грунтовых вод, длина и диаметр туннельного привода, глубина туннеля, логистика поддержки выемки туннеля, конечное использование и форма туннеля и соответствующее управление рисками. Строительство туннелей является подвидом подземного строительства .
Обычно используются три основных типа строительства туннелей:
Опыт 2017 года показывает, что стоимость тоннелей TBM для городского метро составляет около 500 миллионов евро за километр. В Швейцарии километр туннеля для автомагистрали был приблизительно рассчитан на 300 миллионов швейцарских франков, в то время 200 миллионов евро. Подводный туннель между Данией и Германией планируется на 425 миллионов за км в 2015 году. [1] [2] [3]
Cut-and-cover — это простой метод строительства неглубоких туннелей, при котором траншея выкапывается и покрывается сверху системой опор, достаточно прочной, чтобы выдержать нагрузку от того, что должно быть построено над туннелем. Доступны две основные формы строительства туннелей методом cut-and-cover:
Неглубокие тоннели часто прокладываются методом открытой проходки (если они находятся под водой, то методом погружной трубы), в то время как глубокие тоннели прокладываются путем выемки грунта, часто с использованием проходческого щита . Для промежуточных уровней возможны оба метода.
Большие вырытые и закрытые коробки часто используются для подземных станций метро , таких как станция метро Canary Wharf в Лондоне. Эта форма конструкции обычно имеет два уровня, что позволяет экономично организовать кассовый зал, платформы станции, доступ для пассажиров и аварийный выход, вентиляцию и контроль дыма, комнаты для персонала и помещения для оборудования. Интерьер станции Canary Wharf сравнивают с подземным собором из-за огромных размеров котлована. Это контрастирует со многими традиционными станциями лондонского метрополитена , где для станций и доступа пассажиров использовались пробуренные туннели. Тем не менее, оригинальные части сети лондонского метрополитена, Metropolitan и District Railways, были построены с использованием вырытого и закрытого метода. Эти линии существовали до электрической тяги, и близость к поверхности была полезна для вентиляции неизбежного дыма и пара.
Главным недостатком метода «вырубка и перекрытие» является широкомасштабное нарушение, возникающее на поверхности во время строительства. Это, а также наличие электрической тяги, привели к переходу лондонского метрополитена на бурение туннелей на более глубоком уровне к концу XIX века.
Машины для бурения тоннелей и связанные с ними резервные системы используются для высокой автоматизации всего процесса проходки тоннелей, что снижает затраты на проходку тоннелей. В некоторых преимущественно городских приложениях бурение тоннелей рассматривается как быстрая и экономически эффективная альтернатива прокладке поверхностных рельсов и дорог. Дорогостоящая обязательная покупка зданий и земли с потенциально длительными запросами на планирование устраняется. Недостатки TBM возникают из-за их обычно больших размеров — сложности транспортировки большого TBM к месту строительства тоннеля или (альтернативно) высокой стоимости сборки TBM на месте, часто в пределах строящегося тоннеля.
Существует множество конструкций TBM, которые могут работать в различных условиях, от твердых пород до мягких водоносных грунтов. Некоторые типы TBM, машины для бентонитового шлама и машины для выравнивания давления грунта, имеют герметичные отсеки на переднем конце, что позволяет использовать их в сложных условиях ниже уровня грунтовых вод . Это создает давление на грунт перед режущей головкой TBM, чтобы уравновесить давление воды. Операторы работают при нормальном давлении воздуха за герметичным отсеком, но иногда им приходится входить в этот отсек, чтобы заменить или отремонтировать резцы. Это требует особых мер предосторожности, таких как локальная обработка грунта или остановка TBM в положении, свободном от воды. Несмотря на эти трудности, TBM теперь предпочтительнее старого метода проходки туннелей на сжатом воздухе с воздушным шлюзом / декомпрессионной камерой на некотором расстоянии от TBM, что требовало от операторов работать под высоким давлением и проходить процедуры декомпрессии в конце смены, как это делают глубоководные водолазы .
В феврале 2010 года компания Aker Wirth поставила TBM в Швейцарию для расширения электростанций Linth–Limmern, расположенных к югу от Linthal в кантоне Гларус . Диаметр скважины составил 8,03 метра (26,3 фута). [4] Четыре TBM, использованные для проходки 57-километрового (35 миль) Gotthard Base Tunnel в Швейцарии , имели диаметр около 9 метров (30 футов). Более крупная TBM была построена для проходки Green Heart Tunnel (голландский: Tunnel Groene Hart) как части HSL-Zuid в Нидерландах, с диаметром 14,87 метра (48,8 фута). [5] Она, в свою очередь, была заменена мадридской кольцевой дорогой M30 в Испании и туннелями Chong Ming в Шанхае , Китай . Все эти машины были построены, по крайней мере, частично компанией Herrenknecht . По состоянию на январь 2023 года [обновлять]самой большой по диаметру головки из когда-либо построенных TBM была TBM Tuen Mun–Chek Lap Kok , машина диаметром 17,6 метра (58 футов), построенная Herrenknecht для соединения Tuen Mun–Chek Lap Kok в Гонконге . [6]
Выбивание глины — это специализированный метод, разработанный в Соединенном Королевстве для рытья туннелей в прочных глиняных почвенных структурах. В отличие от предыдущих ручных методов с использованием мотыг , которые полагались на твердую структуру почвы, выбивание глины было относительно бесшумным и, следовательно, не повреждало мягкие глиняные структуры. Выбивающий глину лежит на доске под углом 45 градусов от рабочей поверхности и вставляет инструмент с чашеобразным закругленным концом вместе со ступнями. Поворачивая инструмент вручную, выбивающий извлекает часть почвы, которая затем помещается на извлечение отходов.
Метод, используемый в викторианском гражданском строительстве, нашел применение в обновлении древних канализационных систем Британии, поскольку не требовалось удалять все имущество или инфраструктуру для создания небольшой системы туннелей. Во время Первой мировой войны система использовалась Королевскими инженерными туннельными компаниями для установки мин под линиями Германской империи . Метод был практически бесшумным и поэтому не поддавался прослушиванию с помощью методов обнаружения. [7]
Временная шахта доступа иногда необходима во время выкапывания туннеля. Они обычно круглые и идут прямо вниз, пока не достигнут уровня, на котором будет построен туннель. Шахта обычно имеет бетонные стены и обычно строится как постоянная. После завершения выкапывания туннелей TBM опускают на дно, и можно начинать выкапывание. Шахты являются главным входом в туннель и выходом из него до завершения проекта. Если туннель будет длинным, можно пробурить несколько шахт в разных местах, чтобы вход в туннель был ближе к невыкопанной области. [8]
После завершения строительства шахты доступа к зданию часто используются в качестве вентиляционных шахт , а также могут использоваться в качестве аварийных выходов. [9]
Новый австрийский метод туннелирования (NATM) был разработан в 1960-х годах и является наиболее известным из ряда инженерных методов, которые используют расчетные и эмпирические измерения для обеспечения надежной поддержки обделки туннеля. Основная идея этого метода заключается в использовании геологического напряжения окружающего скального массива для стабилизации туннеля, позволяя измеряемую релаксацию и перераспределение напряжения в окружающую породу, чтобы предотвратить наложение полной нагрузки на опоры. На основе геотехнических измерений вычисляется оптимальное поперечное сечение . Выемка защищена слоем распыленного бетона, обычно называемого торкрет-бетоном . Другие меры поддержки могут включать стальные арки, анкерные болты и сетку. Технологические разработки в технологии распыленного бетона привели к добавлению в бетонную смесь стальных и полипропиленовых волокон для повышения прочности обделки. Это создает естественное несущее кольцо, которое минимизирует деформацию скальной породы .
Благодаря специальному мониторингу метод NATM является гибким, даже при неожиданных изменениях геомеханической консистенции горных пород во время проходческих работ. Измеренные свойства горных пород приводят к соответствующим инструментам для укрепления туннелей . В последние десятилетия также стали обычными выемки мягкого грунта до 10 километров (6,2 мили).
При продавливании труб гидравлические домкраты используются для проталкивания специально изготовленных труб через землю позади TBM или щита. Этот метод обычно используется для создания туннелей под существующими сооружениями, такими как дороги или железные дороги. Туннели, построенные методом продавливания труб, обычно представляют собой скважины небольшого диаметра с максимальным размером около 3,2 метра (10 футов).
Подъем короба похож на подъем труб, но вместо подъемных труб используется туннель в форме короба. Подъемные короба могут иметь гораздо больший пролет, чем трубный домкрат, при этом пролет некоторых домкратов превышает 20 метров (66 футов). Режущая головка обычно используется спереди поддомкрачиваемого короба, а удаление грунта обычно осуществляется экскаватором изнутри короба. Недавние разработки арки с поддомкрачиванием и палубы с поддомкрачиванием позволили устанавливать более длинные и крупные конструкции с большой точностью. 126-метровый подземный переход с 20-метровым чистым пролетом под высокоскоростными железнодорожными линиями в Клиффсенде, графство Кент, Великобритания.
Существует также несколько подходов к подводным туннелям, два из которых наиболее распространены — это пробуренные туннели или погруженные трубы , примерами являются туннель Бьёрвика и Мармарай . Подводные плавающие туннели — это новый подход, который находится на рассмотрении; однако на сегодняшний день такие туннели не построены.
Новый тип туннелей используется для снижения воздействия автомагистралей или железных дорог на окружающую среду: наземные туннели. Это не подземные туннели, а построенные на уровне земли. Городская территория рядом с туннелем может быть поднята с помощью земли или зданий (например, парковок) для улучшения интеграции туннеля в близлежащую область. Хорошим ранним примером такого наземного туннеля является туннель автомагистрали А2 в Лейдше-Рейн, недалеко от голландского города Утрехт. [10]
Во время строительства туннеля часто бывает удобно установить временную железную дорогу, особенно для удаления выкопанного грунта , часто узкоколейную , чтобы она могла быть двухколейной, чтобы обеспечить движение порожних и груженых поездов одновременно. Временный путь заменяется постоянным по завершении, таким образом, объясняя термин « Perway ».
Транспортные средства или трафик, проходящие через туннель, могут перерасти его, что потребует замены или расширения:
Открытый строительный котлован состоит из горизонтальной и вертикальной границы, которая удерживает грунтовые воды и почву вне котлована. Существует несколько потенциальных альтернатив и комбинаций для (горизонтальных и вертикальных) границ строительного котлована. Самое важное отличие от выемки и покрытия заключается в том, что открытый строительный котлован заглушается после строительства туннеля; крыша не устанавливается. [ необходима цитата ]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )