Тунель, тунель (англійське tunnel), горизонтальне або похиле підземне спорудження, що служить для транспортних цілей, переміщення води, прокладки підземних комунікацій і тому подібне За призначенням розрізняють Т. железнодорожниє, автодорожні, Т. метрополітенів, на пересіченнях в різних рівнях гірських доріг і транспортних магістралей (див. Перехід пішохідний, Транспортний тунель ), судноплавні тунелі, Т. для декількох видів транспорту (у одному перетині), гідротехнічні тунелі, комунальні (для міських мереж водопроводу, каналізації, теплогазоснабженія і ін.), спеціального призначення (що входять до складу підземних споруд ГЕС(гідроелектростанція), складів, гаражів і так далі). По місцю ( мал. 1 ) розташування Т. підрозділяють на гірських (прокладені в гірських районах — через хребти, вододіли і окремі піднесеності), підводних (див. Підводний тунель ) і рівнинних, або міські (наприклад, Т. метрополітенів).
Історична довідка. Витоки тоннелестроєнія вирушають в глибоку старовину. У Вавілоні, Єгипті, Греції і Римі підземні роботи проводилися задовго до н.е. — спочатку при видобутку корисних копалин, спорудженні гробниць і храмів, а потім для водопостачання і транспорту. Дорожні, водопровідні і дренажні Т. споруджувалися переважно склепінчастого контура, в стійких скельних породах, без закріплення останніх. Прохідницькі роботи велися примітивними знаряддями. Після падіння Римської імперії в будівництві Т. настав період відносного застою; Т. споруджувалися переважно у військових цілях. В кінці середніх століть у зв'язку з розширенням міжнародних торгівельних зв'язків почалося будівництво судноплавних Т., що сполучали водні шляхи сполучення. Передумовою до цього з'явилося вживання чорного пороху для підривання скельних порід. Перший залізничний Т. (довжина 1,19 км. ) був побудований у Великобританії на лінії Ліверпул—Манчестер в 1826—30. Винахід піроксиліну і динаміту, а також успішне вживання в гірській справі бурильних машин забезпечили можливість споруди великих альпійських Т. між Францією, Італією і Швейцарією. До початку 1-ої світової війни 1914—18 було побудовано 26 Т. завдовжки більше 5 км. кожен, у тому числі Симплонський Т. завдовжки близько 20 км. , що з'єднав Італію з Швейцарією. Серед споруджених в 1920-х — початку 1930-х рр. виділяються Великий Апеннінський двоколійний залізничний Т. на лінії Флоренция—Болонья (Італія) довжина 18,5 км. , а також Ровський судноплавний Т. на водній магістралі Марсель—Рона (Франція) довжина понад 7 км. . Поряд з гірськими Т. розвивалося будівництво і підводних Т., що стало можливим завдяки вживанню щитів прохідницьких (у поєднанні із стислим повітрям) і збірного оброблення. Щитовим методом споруджений ряд крупних підводних Т. наприклад під р. Гудзон (США) довжина 2,5 км. , під Симоносекським протокою (Японія) довжина понад 6 км. (1936—41). будівництво підводних Т. отримало подальший розвиток у зв'язку з вживанням опускних секцій довжина до 150 м-код .
В Росії перший залізничний двоколійний Ковенський Т. (довжина 1,28 км. ) був побудований в 1862. В кінці 19 ст споруджено багато Т. на залізницях Уралу, Криму і Кавказу. Найбільш великий серед них — Сурамський Т. завдовжки близько 4 км. (1886—90). На початку 20 ст були побудовані ряд Т. в Сибіру і на Далекому Сході. Значний розвиток тоннелестроєніє отримав в СРСР у зв'язку з інтенсивним залізничним будівництвом, створенням мережі ГЕС(гідроелектростанція), спорудженням метрополітенів і об'єктів міського підземного господарства.
Основні елементи тунелів. Для спорудження Т. необхідне вироблення — порожнина, що штучно створюється в земній корі в один або декілька етапів, починаючи з штольні (зазвичай трапецієвидного перетину). У міцних скельних породах однорідної будови виробітку Т., що не вивітрюються, може бути залишена без закріплення, в нестійких породах потрібна установка тимчасових крепей гірських, що замінюються згодом постійною конструкцією, — обробленням (монолітною або збірною). Оброблення — найважливіший елемент Т., створюючий його внутренную поверхня, сприймає гірський тиск і Т., що забезпечує захист, від підземних вод. Головна частина (або вхідна ділянка) Т. називають порталом; він забезпечує стійкість лобового і бічних укосів, так званої передпортальної виїмки, і додає архітектурне оформлення входу в Т. Для захисту від затоплення вхідних ділянок підводних Т., а також в гірських умовах застосовують рампу — залізобетонну конструкцію ночвоподібного перетину.
Проектування траси тунеля. Глибина заставляння Т., його довжина, розташування в плані і профілі, форма поперечного перетину залежать від призначення Т., топографічних, геологічних і кліматичних умов. При проектуванні і спорудженні Т. виконують комплекс геодезичних робіт по вибору і закріпленню осі Т. в плані і профілі, по обчисленню її геометричних елементів, перенесенню цієї осі всередину вироблення, за визначенням довжини осі і розбиттям поперечних перетинів Т. По трасі Т. проводять інженерногеологичеськие дослідження для встановлення геологічної будови гірського масиву, що прорізається, характеру нашарувань, міри стійкості і фізіко-механічніх властивостей гірських порід, гидрогеологичеського режиму і хімічного складу підземних вод наявність газів, температури у виробленні, очікуваного гірського тиску і так далі Ці дані отримують на основі проведення геологорозвідувальних робіт і гидрогеологичеських досліджень за допомогою свердловин, геофизичними методами і, в окремих випадках, за результатами розвідувальних вироблень.
В плані Т. може бути розташований (повністю або частково) на прямій і на кривій. Будівельно-експлуатаційними перевагами володіють Т., що розташовуються на прямих, так як при трасуванні Т. на кривих істотно зростає об'єм вироблення, ускладнюються роботи по зведенню тунельних конструкцій і погіршуються умови вентиляції і видимості в Т. У ряді випадків (наприклад, при розвитку залізничної лінії усередині гірського масиву) будують петлеві і спіральні Т.
Подовжній профіль Т. може бути одно- і двосхилим (з ухилом в обидві сторони від середини Т.). За умовами водовідводу має в своєму розпорядженні Т. на горизонтальних ділянках не допускається. При великій довжині Т. і його розташуванні на кривих потрібне зниження ухилу дороги.
Матеріал і конструкції тунелів. Основним матеріали для зведення тунельних оброблень — монолітний бетон, монолітний і збірний залізобетон, чавун і сталь. Їх вибір виробляється залежно від умов району будівництва і способу тунельних робіт. Монолітний бетон і залізобетон застосовують головним чином при прокладці Т. у важкодоступних районах (де створення виробничої бази для виготовлення збірних конструкцій економічно недоцільно), а також в м'яких і слабких породах, що вимагають зведення тунельних оброблень по частинах. Вживання збірних оброблень, що складаються з елементів заводського виготовлення (чавунних тюбінгів, залізобетонних блоків суцільного або ребристого перетину і ін.), обумовлене підвищенням швидкостей проходки Т. і зростанням продуктивності праці.
Конструктивна форма оброблення і її поперечний перетин визначаються геологічними умовами і напрямом дії на неї основних навантажень. У слабких водоносних породах і при великому гідростатичному тиску раціональне оброблення кругового контура; у стійких породах, при переважанні вертикальних навантажень — оброблення підковоподібної форми якнайповніше відповідає вимогам габариту наближення будов.
Розрахунок конструкцій тунелів. Оброблення Т. розраховують на найменш вигідні, але реальні поєднання навантажень і дій — основних (що діють на оброблення постійно або регулярно, наприклад гірського тиску), додаткових (що діють короткочасно або періодично) і особливих (головним чином сейсмічних). Гірський тиск визначають на основі теоретичних передумов (з врахуванням утворення склепіння, маси «стовпа породи» і ін. чинників) або за результатами інструментальних вимірів в готових виробленнях. Розрахунок оброблень виробляється по граничним станам — на основі методів будівельної механіки, пружності теорії і механіки грунтів . При цьому враховується спільна робота оброблення і породи як єдиної пружної системи. Розрахункова схема оброблення вибирається відповідно до характеру конструкції і навколишніх порід, а також залежно від умов робіт (на всіх стадіях їх виконання оброблення в цілому або її окремій частині повинні володіти достатньою міцністю і стійкістю). Перевірку міцності заздалегідь заданих перетинів бетонного і чавунного оброблень виробляють по здатності, що несе, відповідно до вимог будівельних норм і правил .
Будівництво тунелів. Залежно від глибини заставляння Т. для його споруди застосовують або відкритий, або закритий спосіб робіт. У першому випадку з поверхні землі розкривають котлован, в якому споруджуються конструкції Т., а потім виробляють зворотну засипку з відновленням порушеної поверхні. При закритому способі розробка породи (проходка) і зведення оброблення виконуються через стволи шахт або вхідні ділянки Т. (портали). Способи проходки вироблень і виробництва тунельних робіт відрізняються великою різноманітністю; основні з них — гірські і щитовою.
Спорудження Т. гірськими способами включає 2 основних етапу: розробку і видалення породи і зведення в отриманому виробленні постійної конструкції — оброблення. Залежно від властивостей гірських порід розкриття вироблення ведуть по частинах або за один прийом (на повний профіль) ( мал. 2 ). У м'яких і напівскельних породах перетин (профіль) вироблення розчленовують на окремих порівняно дрібні частини, що закріплюються тимчасовою (переважно дерев'яною) крепью, що унеможливлює обвалення породи. У скельних породах можливе розчленовування перетину на крупніші частини; тимчасова крепь встановлюється лише по контуру вироблення, а її внутрішній простір залишається вільним. Завдяки цьому роботи можуть бути в значній мірі механізовані. Розробка породи виробляється, як правило, буропідривним способом за допомогою бурильних машин великій потужності і механізацією вантаження і видачі породи, при потоковій системі організації робіт по довжині Т. Для бетонування оброблення використовують пересувні металеві опалубки, що забезпечують можливість вживання бетоноукладочних машин. Значного поширення набув спосіб опертого зведення, використовуваний в досить стійких породах, здатних витримувати тиск, бетонного зведення оброблення. При цьому способі розкриття вироблення виробляється по частинах; спочатку споруджують бетонне зведення, опертий на породу, а потім, у міру розробки частин перетину, що пролягають нижче, під п'яти зведення підводять стіни з монолітного бетону. Роботи можуть вестися по одноштольневой і двухштольневой схемах. При способі суцільного забою, що практикується в стійких скельних породах, розкриття вироблення виробляють на повний профіль, для чого застосовують спеціальне гірничопрохідницьке устаткування — бурові подмості, самохідні бурові рами, установки і агрегати. Бетонування оброблення здійснюють за допомогою бетононасосів або бетоноукладачів ( мал. 3 ).
Щитовою спосіб набув переважного поширення при спорудженні Т. в слабких і нестійких породах. Він заснований на вживанні як тимчасової крепі тунельного (прохідницького) щита ( мал. 4 ), що є рухливою сталевою циліндровою оболонкою, під захистом якої виконуються основні операції, — розробка породи і зведення оброблення (як правило, збірної, кругового контура). Збірка оброблення Т. виробляється за допомогою еректоров, тюбінго- або блокоукладчиков, що розміщуються безпосередньо на щиті або за щитом на спеціальних опорних рухливих конструкціях. У нестійких водонасичених породах щитову проходку ведуть у поєднанні з подачею стислого повітря як засоби осушення забою. Для обгороджування головної частини вироблення (де ведуть розробку породи і монтаж оброблення при підвищеному повітряному тиску) від останньої частини Т. застосовують повітронепроникні переносні перегородки, обладнані шлюзовими пристроями для пропуску людей, видачі породи, доставки матеріалів і різного устаткування. На відміну від гірських способів спорудження Т., щитова проходка не вимагає вживання тимчасових крепей, що підвищує безпеку і економічну ефективність виконання робіт. Прохідницький щит може бути пристосований (при використанні спеціальних механізмів) для проходки різних порід (пластичних, сипких, пливунних і ін.), що забезпечує можливість повної механізації всіх процесів тунельних робіт при високій якості їх виконання і великих швидкостях проходки. У СРСР щитова проходка отримала найбільший розвиток при спорудженні Т. метрополітену ( мал. 5 ).
Поряд з гірськими і щитовим способами проходки при будівництві Т. (головним чином підводних) застосовують методи опускних готових секцій, Т.-кесонів і ін.
Гідроізоляція і водовідвідні пристрої. Т. мають бути захищені від проникнення в них поверхневих і підземних вод. Відведення поверхневих вод забезпечується відповідним плануванням поверхні над Т., пристроєм відкритих нагірних канав і водонепроникного ложа водотоков, що протікають над Т. Защита Т. від підземних вод досягається їх відведенням з гірського масиву, що прорізається, шляхом пристрою так званого заобделочного дренажу, буріння свердловин, а також гідроізоляцією самого оброблення. Найбільш поширені: оклєєчная гідроізоляція, що складається з декількох шарів рулонного бітумізірованного матеріалу; нагнітання за оброблення цементних або інших розчинів; ущільнення порід, що оточують Т., цементацією. Усередині Т. передбачають пристрою (лотки, труби) для відведення води до порталів, випуску і скидання її за межі Т.
Основні тенденції розвитку техніки тоннелестроєнія: вдосконалення тих, що існують і створення нових типів оброблень для різних інженерно-геологічних умов, впровадження безопалубочного методу зведення оброблень, що несуть; розробка найбільш раціональних способів захисту Т. від підземних вод, особливо в районах з суворим кліматом; впровадження ефективних систем комплексної механізації тунельних робіт; вдосконалення буропідривного способу проходки.
Літ.: Вовків Ст П., Тунелі, 3 видавництва, М., 1970; Мальовіч Н. А., Гірничопрохідницькі машини і комплекси, М., 1971; Компаннец С. А., Поправці А. До., Богородецкий А. А., Проектування тунелів, М-код,, 1973; Мостків Ст М., Підземні спорудження великого перетину, 2 видавництва, М. 1974: Тунелі і метрополітени, під ред. Ст П. Волкова, 2 видавництва, М., 1975; Будівельні норми і правила, ч. 3, розділ Би, гл.(глав) 8. Тунелі железнодорожниє, автодорожні і гідротехнічні. Правила організації будівництва, виробництва і приймання робіт, М., 1968.
