«Тоннелестроение: Практическое руководство»

Пожалуйста, ознакомьтесь с примечаниями транскрибатора в конце этого текста.

Изображение на обложке было создано для данной электронной версии и является общественным достоянием.

ТОННЕЛЕСТРОЕНИЕ: ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО

ЧАРЛЬЗ ПРЕЛИНИ, ГРАЖДАНСКИЙ ИНЖЕНЕР

АВТОР КНИГ «ЗЕМЛЯНЫЕ И СКАЛЬНЫЕ РАБОТЫ», «ЗЕМСНАРЯДЫ И ДРЕДЖИНГ», «ЗЕМЛЯНЫЕ ОТКОСЫ, ПОДПОРНЫЕ СТЕНЫ И ПЛОТИНЫ» И ДР. ПРОФЕССОР ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В МАНХЭТТЕНСКОМ КОЛЛЕДЖЕ, НЬЮ-ЙОРК

167 ИЛЛЮСТРАЦИЙ

ШЕСТОЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

НЬЮ-ЙОРК D. VAN NOSTRAND COMPANY Двадцать пять Парк-Плейс 1912

Авторское право, 1912, D. VAN NOSTRAND COMPANY НЬЮ-ЙОРК

Stanhope Press F. H. GILSON COMPANY БОСТОН, США

ПРЕДИСЛОВИЕ К ШЕСТОМУ ИЗДАНИЮ

За несколько лет, прошедших с момента публикации первого издания этой работы, искусство тоннелестроения в различных грунтах и, особенно, под крупными водоемами, значительно продвинулось вперед. Только за последние десять лет для нужд города Нью-Йорка было построено не менее восьми подводных тоннелей, включающих прокладку шестнадцати труб. Читатель, несомненно, также вспомнит тоннели под Бостонской гаванью, реками Сент-Клэр, Чарльз и Детройт в нашей стране, а также тоннели под Темзой и Сеной в Европе. Инженеры, подрядчики и рабочие приобрели такой опыт в этих сложных подземных и подречных работах, что теперь они ведутся без страха и колебаний, которые были присущи ранним проектам.

Поскольку профессионалами были внедрены совершенно новые методы, возникла необходимость переработать изложение материала в шестом издании так, чтобы уделить должное внимание этим современным методам.

Кроме того, были внесены другие изменения, чтобы уделить больше внимания американским методам проходки тоннелей в скальных и рыхлых грунтах. Это объясняет рассмотрение метода верхнего свода с применением продольных брусьев (crown-bar), а также подробное описание метода верхнего и нижнего уступов и метода штолен, применяемых в Соединенных Штатах.

Также было отведено место для описания важных тоннелей, построенных недавно, главным образом для иллюстрации различных методов, обсуждаемых в тексте, а также для более четкого выявления характеристик различных способов проходки тоннелей.

Автор надеется, что эти дополнения будут соответствовать современным требованиям инженеров и студентов.

Чарльз Прелини.

Манхэттенский колледж, Нью-Йорк.

CONTENTS

PAGE

INTRODUCTORY—The Historical Development of Tunnel Building xiii

CHAPTER

I. Preliminary Considerations; Choice between a Tunnel and an Open Cut; Geological Surveys 1

II. Methods of Determining the Center Line and Forms and Dimensions of Cross-Section 9

III. Excavating Machines and Rock Drills; Explosives and Blasting 22

IV. General Methods of Excavation; Shafts; Classification of Tunnels 36

V. Methods of Timbering or Strutting Tunnels 47

VI. Methods of Hauling in Tunnels 59

VII. Types of Centers and Molds Employed in Constructing Tunnel Linings of Masonry 66

VIII. Methods of Lining Tunnels 72

IX. Tunnels through Hard Rock; General Discussion; Representative Mechanical Installations for Tunnel Work 84

X. Tunnels through Hard Rock (continued); Excavation by Drifts; The Simplon and Murray Hill Tunnels 102

XI. Tunnels through Hard Rock (continued); Excavation by Headings 130

XII. Excavating Tunnels through Soft Ground; General Discussion; The Belgian Method 143

XIII. The German Method—Excavating Tunnels through Soft Ground (continued); Baltimore Belt Line Tunnel 155

XIV. The Full Section Method of Tunneling; English Method; American Method; Austrian Method 166

XV. Special Treacherous Ground Method; Italian Method; Quicksand Tunneling; Pilot Method 182

XVI. Open-Cut Tunneling Methods; Tunnels under City Streets; Boston Subway and New York Rapid Transit 195

XVII. Submarine Tunneling; General Discussion; The Severn Tunnel 218

XVIII. Submarine Tunneling (continued); The Compressed Air Method; The Milwaukee Water-Works Tunnel 225

XIX. Submarine Tunneling (continued); The Shield System 238

XX. Submarine Tunneling (continued); The Shield and Compressed Air Method; The Hudson River Tunnel of the Pennsylvania Railroad 263

XXI. Submarine Tunneling (continued); Tunnels at very Shallow Depth; The Cofferdam Method; The Pneumatic Caisson Method; The Joining Together Sections of Tunnels Built on Land 281

XXII. Accidents and Repairs in Tunnels during and after Construction 301

XXIII. Relining Timber-Lined Tunnels with Masonry 315

XXIV. The Ventilation and Lighting of Tunnels during Construction 325

XXV. The Cost of Tunnel Excavation and the Time Required for Work 336

СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ

FIGURE PAGE

1. Diagram Showing Manner of Lining in Rectilinear Tunnels 10

2. B. R. Value’s Device for Locating the Center Line Inside of a Tunnel 11

3. Triangulation System for Establishing the Center Line of the St. Gothard Tunnel 12

4. Method of Transferring the Center Line down Center Shafts 13

5. Method of Transferring the Center Line down the Side Shafts 14

6. Method of Laying out the Center Line of Curvilinear Tunnels 15

7. Diagram of Polycentric Sectional Profile 19

8, 9 and 10. Typical Sectional Profiles for Tunnel 20

11. Soft Ground Bucket Excavating Machine; Central London Underground Railway 22

12. Column Mounting for Percussion Drill; Ingersoll Sargent Drill Co. 26

13. Sketch of Diamond Drill Bit 27

14. Diagram Showing Sequence of Excavation for St. Gothard Tunnel 36

15. Diagram Showing Manner of Determining Correspondence of Excavation to Sectional Profile 38

16. Polar Protractor for Determining Profile of Excavated Cross-Section 39

17. Joining Tunnel Struts by Halving 48

18. Round Timber Post and Cap Bearing 48

19. Ceiling Strutting for Tunnel Roofs 49

20. Ceiling Strutting with Side Post Supports 49

21. Sill, Side Post and Cap Cross Frame Strutting 49

22. Reinforced Cross Frame Strutting for Treacherous Materials 49

23. Longitudinal Poling-Board System of Roof Strutting 50

24. Transverse Poling-Board System of Roof Strutting 50

25. Shaft with Single Transverse Strutting 52

26. Rectangular Frame Strutting for Shafts 53

27. Reinforced Rectangular Frame Strutting for Shafts in Treacherous Materials 53

28. Strutting of Timber Posts and Railway Rail Caps 56

29. Strutting Made Entirely of Railway Rails 56

30. Rziha’s Combined Strutting and Centering of Cast Iron 57

31. Cast-Iron Segment of Rziha’s Strutting and Centering 57

32. Cast-Iron Segmental Strutting for Shafts 58

33. Platform Car for Tunnel Work 59

34. Iron Dump-Car for Tunnel Work 60

35. Wooden Dump-Car for Tunnel Work 60

36. Box-Car for Tunnel Work 61

37. Elevator Car for Tunnel Shafts 65

38. Ground Mold for Constructing Tunnel Invert Masonry 67

39. Combined Ground Mold and Leading Frame for Invert and Side Wall Masonry 67

40. Leading Frame for Constructing Side Wall Masonry 68

41. Plank Center for Constructing the Roof Arch 69

42. Trussed Center for Constructing the Roof Arch 70

43 and 44. A Typical Form of Timber Lining for Tunnels 73

45. Diagram Showing Forms adopted for Side-Wall Foundations 76

46 and 47. Transverse Sections of Tunnels Showing Methods for Increasing the Thickness of the Lining at Different Points 79

48. Refuge Niche in St. Gothard Tunnel 81

49. East Portal of Hoosac Tunnel 82

50, 51 and 52. Arrangement of Drill Holes in the Heading of Turchino Tunnel 91

53 and 54. Arrangement of Drill Holes in the Heading of the Fort George Tunnel 91

55. Diagram Showing Sequence of Excavations in Drift Method of Tunneling Rock 102

56. Sketches Showing Sequence of Work in Excavating and Lining the Simplon Tunnel 111

57. General Details of the Brandt Rotary Drills Employed at the Simplon Tunnel 112

58. Sequence of Excavation in the Murray Hill Tunnel 124

59. Traveling Platform for the Excavation of the Upper Side of the Murray Hill Tunnel 125

60. Timbering Used in the Murray Hill Tunnel 126

61. Diagram Showing Sequence of Excavation in Heading Method of Tunneling Rock 132

62. Method of Strutting Roof, St. Gothard Tunnel 135

63. Sketch Showing Arrangement of Tracks, St. Gothard Tunnel 135

64. Arrangement of Drill Holes in the Fort George Tunnel 137

65. Longitudinal Section of the Heading and Bench Excavation at the Fort George Tunnel 137

66. Diagram Showing the Arrangement of Drill Holes in the Heading and Bench of the Gallitsin Tunnel 140

67. Diagram Showing Modification of the Heading and Bench Method 140

68 and 68A. Diagrams Showing Sequence of Excavation in the Belgian Method 145

69. Sketch Showing Radial Roof Strutting, Belgian Method 147

70. Sketch Showing Roof Arch Center, Belgian Method 147

71. Sketch Showing Method of Underpinning Roof Arch with the Side Wall Masonry 149

72. Longitudinal Section Showing Construction by the Belgian Method 149

73. Diagram Showing Sequence of Excavation in Modified Belgian Method 152

74. Sketch Showing Failure of Roof Arch by Opening at Crown 153

75. Sketch Showing Methods of Repairing Roof Arch Failures 154

76. Diagrams Showing Sequence of Excavation in German Method of Tunneling 155

77. Diagram Showing Sequence of Excavation in Water Bearing Material, German Method 156

78. Sketch Showing Work of Excavating and Timbering Drifts and Headings 157

79. Sketch Showing Method of Roof Strutting 157

80. Sketch Showing Roof Arch Centers and Arch Construction 158

81. Sketch Showing Method of Excavating and Strutting Baltimore Belt Line Tunnel 162

82. Roof Arch Construction with Timber Centers, Baltimore Belt Line Tunnel 163

83. Roof Arch Construction with Iron Centers, Baltimore Belt Line Tunnel 164

84. Diagram Showing Sequence of Excavation in English Method of Tunneling 167

85. Sketches Showing Construction of Strutting, English Method 168

86 and 87. Sketches of Typical Timber Roof-Arch Centers, English Method 169

88. Sequence of Excavation in the American Method 172

89. Strutting the Heading in the American Method 172

90. Temporary Timbering of the Roof in the American Method 173

91. Showing Crown Bars Supported by Segmental Arches 173

92. Transversal and Longitudinal Section of a Tunnel Excavated and Strutted According to the American Method 174

93 and 94. Diagrams Showing Sequence of Excavation in Austrian Method of Tunneling 177

95, 96 and 97. Sketches Showing Construction of Strutting, Austrian Method 178

98. Sketch Showing Manner of Constructing the Lining Masonry, Austrian Method 179

99. Diagram Showing Sequence of Excavation in Italian Method of Tunneling 183

100. Sketch Showing Strutting for Lower Part of Section 183

101 and 101A. Sketches Showing Construction of Centers, Italian Method 184

102. Sketch Showing Invert and Foundation Masonry, Italian Method. 185

103. Sketch Showing Longitudinal Section of a Tunnel under Construction, Italian Method 186

104. Sketch Showing Sequence of Excavation, Stazza Tunnel 186

105. Sketch Showing Method of Strutting First Drift, Stazza Tunnel 187

106 and 107. Sketches Showing Temporary Strutting Arch Construction, Stazza Tunnel 187

108. Sketch Showing Preliminary Drainage Galleries, Quicksand Method 190

109. Sketch Showing Construction of Roof Strutting, Quicksand Method 190

110. Sketch Showing Construction of Masonry Lining, Quicksand Method 191

111. Sketch Showing Pilot Method of Tunneling 193

112. Diagram Showing Sequence of Construction in Open-Cut Tunnels 197

113. Sketch Showing Method of Timbering Open-Cut Tunnels, Double Parallel Trench Method 198

114. Side-Wall Foundation Construction Open-Cut Tunnels 198

115. Wide-Arch Section, Boston Subway 204

116. Double-Barrel Section, Boston Subway 205

117. Four-Track Rectangular Section, Boston Subway 206

118. Section Showing Slice Method of Construction, Boston Subway 206

119. Double-Track Section, New York Rapid Transit Railway 212

120. Park Avenue Deep Tunnel Construction, New York Rapid Transit Railway 214

121. Harlem River Tunnel, New York Rapid Transit Railway 215

122. Sketch Showing Underground Stream, Milwaukee Water-Works Tunnel 229

123. Sketch Showing Methods of Lining, Milwaukee Water-Works Tunnel 232

124. Longitudinal Section of Brunel’s Shield, First Thames Tunnel 241

125. First Shield Invented by Barlow 242

126. Second Shield Invented by Barlow 243

127. Shield Suggested by Greathead for the Proposed North and South Woolwich Subway 245

128. Beach’s Shield Used on Broadway Pneumatic Railway Tunnel 245

129. Shield for City and South London Railway 246

130. Shield for St. Clair River Tunnel 247

131. Shield for Blackwall Tunnel 248

132. Elliptical Shield for Clichy Sewer Tunnel, Paris 249

133. Semi-Elliptical Shield for Clichy Sewer Tunnel 250

134. Roof Shield for Boston Subway 251

135. Transversal and Longitudinal Section of Prelini’s Shield 252

136. Elevation and Section of Hydraulic Jack, East River Gas Tunnel 260

137. Cast-Iron Lining, St. Clair River Tunnel 262

138. General Elevations and Sections of Shields 270

139. Plan and Elevation of First Bulkhead Wall in South Tube, Manhattan 273

140. Typical Cross-Sections of One Tube of Pennsylvania Railroad Tunnel under the Hudson River 278

141. Sections of Cofferdam, Van Buren St. Tunnel, Chicago 283

142. Showing Working Platforms and Piles Sunk in Dredged Channel 286

143. Showing Sheeting-Piles for the Sides of the Caisson and Trussed Beam for the Roof 287

144. Showing the Caisson with the Working-Chamber 287

145. Showing the Tunnel Constructed within the Caisson 289

146. Showing Sides of the Caisson and Supports for the Roof 290

147. Showing the Roof of the Caisson Formed by the Upper Half of the Tunnel 291

148. Showing the Tunnel Completed by Building the Lower Half within the Caisson 292

149. Transversal Section of the Caissons for the Tunnel under the Seine River 294

150. Showing the Joining of the Caissons at the Pont Mirabeau Tunnel under the Seine River 295

151. Cross-Sections and Plans of the Detroit River Tunnel 298

152. Tunneling through Caved Material by Heading 306

153. Tunneling through Caved Material by Drifts 307

154 and 155. Filling in Roof Cavity Formed by Falling Material 307

156. Timbering to Prevent Landslides at Portal 308

157. Shortening Tunnel Crushed by Landslide at Portal 308

158. Extending Tunnel through Landslide at Portal 309

159 and 160. Relining Timber-Lined Tunnel 316

161. Relining Timber-Lined Tunnel, Great Northern Ry 317

162. Relining Timber-Lined Tunnel, Great Northern Ry 318

163. Relining Timber-Lined Tunnel, Great Northern Ry 319

164. Construction of Centering Mullan Tunnel 320

165. Centering Mullan Tunnel 321

166. Relining Timber-Lined Tunnel, Norfolk & Western Ry 322

167. Relining Timber-Lined Tunnel, Norfolk & Western Ry 323

ВВЕДЕНИЕ

ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ ТОННЕЛЕСТРОЕНИЯ.

Тоннель, определяемый как инженерное сооружение, представляет собой искусственную галерею, проход или дорогу под землей, под руслом реки или сквозь холм или гору. Искусство тоннелестроения известно человеку с глубокой древности. Фиванский царь при восшествии на престол сразу же начинал прокладывать длинный узкий проход или тоннель, ведущий к внутренней камере или склепу вырубленной в скале гробницы, которая должна была стать его последним пристанищем. Некоторые из этих вырубленных в скале галерей древнеегипетских царей достигали более 750 футов в длину. Подобные работы по проходке в скальных породах выполнялись нубийцами и индийцами при строительстве своих храмов, ацтеками в Америке и, по сути, большинством древних цивилизованных народов.

Первыми построенными тоннелями, о которых сохранились записи, были сооружения ассирийцев. Сводчатый дренаж или проход под юго-восточным дворцом Нимруда, построенный Салманасаром II (860–824 гг. до н. э.), по всем основным признакам является настоящим тоннелем в мягком грунте с каменной обделкой. Однако гораздо лучшим примером является тоннель под рекой Евфрат, который можно вполне обоснованно считать первым подводным тоннелем, о котором сохранились записи. Тем не менее, он был построен под сухим руслом реки, воды которой были временно отведены, а затем возвращены в свое обычное русло после завершения работ, что сделало его настоящим подводным тоннелем только после окончания строительства. Тоннель под Евфратом был проложен в мягком грунте и имел кирпичную обделку с внутренними размерами 12 футов в ширину и 15 футов в высоту.

В этих древних тоннельных работах использовался только ручной труд. В мягком грунте применялись кирки и лопаты или ковши. Для работы в скальных породах у них был более широкий набор приспособлений. Исследования показали, что египтяне, у которых искусство разработки карьеров было высоко развито, использовали трубчатые сверла и пилы с режущими кромками из корунда или другого твердого абразивного материала. Однако обычными инструментами для работы в скале были молот, зубило и клинья; совершенство и масштаб работ, выполненных с помощью этих ограниченных приспособлений, свидетельствуют о неограниченном времени и труде, которые, должно быть, были доступны для их осуществления.

Римлян, несомненно, следует считать величайшими строителями тоннелей древности по количеству, масштабу и полезности их сооружений, а также по усовершенствованиям, которые они внесли в методы тоннелестроения. Они ввели огонь как средство для ускорения разрушения скальной породы, а также разработали знакомый принцип ведения работ одновременно в нескольких точках с помощью шахт. Используя огонь, римляне просто практически применяли известный факт, что при резком охлаждении нагретая скала трескается и разрушается, что значительно облегчает ее разработку. Их метод работы заключался в разведении больших костров перед скалой, подлежащей разрушению, а когда она достигала высокой температуры, ее резко охлаждали, поливая горячую поверхность водой. Римляне также знали, что уксус воздействует на известняковые породы, и при проходке тоннелей в таком материале у них было принято заменять воду уксусом в качестве охлаждающего агента, воздействуя на скалу как химически, так и механически. Едва ли стоит говорить, что этот метод проходки был очень тяжелым для рабочих из-за жары и выделяющихся вредных газов. Однако это мало заботило строителей, поскольку работы обычно выполнялись рабами и военнопленными, которые гибли тысячами. Приговор к работам на римских тоннелях был одним из самых суровых наказаний, к которым мог быть приговорен раб или пленник. Это были места страданий и смерти, подобно нынешним испанским ртутным рудникам.

Помимо использования огня в качестве средства проходки, римляне обладали совершенными знаниями об использовании вертикальных шахт для ведения работ одновременно в нескольких точках. Плиний является авторитетным источником [1] утверждения о том, что при проходке тоннеля для осушения Фуцинского озера вдоль его протяженности в 3,5 мили было пройдено сорок шахт и несколько наклонных галерей, причем глубина некоторых шахт достигала 400 футов. Порода поднималась из этих шахт на поверхность с помощью воротов в медных бадьях емкостью около десяти галлонов.

[1] «Tunneling», Encly. Brit., 1889, том xxiii., стр. 623.

Римские тоннели предназначались для общественных нужд. Среди наиболее примечательных в этом отношении, а также являющихся прекрасными примерами тоннельных работ, можно упомянуть многочисленные водоводы, проложенные в известняковых скалах между Субиако и Тиволи для доставки в Рим чистой воды с гор над Субиако. Эти работы проводились при консуле Марции. Самым длинным из римских тоннелей является тот, что был построен для осушения Фуцинского озера, как упоминалось выше. Этот тоннель был спроектирован с сечением 6 × 10 футов, но его фактические размеры не были однородными. Он был проложен в известняковой скале, и сообщается, что на его строительстве в течение одиннадцати лет было занято 30 000 человек. Упомянутые тоннели, будучи водоводами, имели небольшое сечение; но римляне также строили тоннели большего сечения во многих местах вдоль своих великолепных дорог. Одним из самых примечательных является тоннель, обеспечивающий проход дороги между Неаполем и Поццуоли через холмы Позилиппо. Он вырублен в вулканическом туфе, имеет длину около 3000 футов и ширину 25 футов, а его сечение имеет форму стрельчатой арки. Чтобы облегчить освещение этого тоннеля, его пол и потолок были сделаны постепенно сходящимися от концов к середине; у входов сечение имело высоту 75 футов, а в центре — всего 22 фута. Такая конструкция, напоминающая две воронки, заставляла лучи света, проникающие в тоннель, концентрироваться по мере приближения к центру, тем самым улучшая естественное освещение. Тоннель имеет уклон. Вероятно, он был вырублен во времена Августа, хотя некоторые авторитеты относят его строительство к более ранней дате.

В Средние века искусство тоннелестроения практиковалось в военных целях, но редко для общественных нужд и удобства. Упоминается, что в 1450 году Анна Лузиньянская начала строительство дорожного тоннеля под перевалом Коль-ди-Тенда в Пьемонтских Альпах для обеспечения лучшего сообщения между Ниццей и Генуей; но из-за множества трудностей работа так и не была завершена, хотя ее несколько раз забрасывали и возобновляли. Поэтому по большей части тоннельные работы в Средние века предназначались для нужд и потребностей войны. Каждый замок имел свой тайный подземный ход из центральной башни или донжона к какому-нибудь отдаленному скрытому месту, чтобы позволить семье и ее слугам спастись в случае победы врага, а во время обороны — совершать вылазки и доставлять припасы.

Строители тоннелей Средневековья мало что добавили к знаниям в своем искусстве. Действительно, до XVII века и изобретения пороха в методах проходки тоннелей римлян не было сделано никаких практических улучшений. Гравюры горных работ того века показывают, что подземная выемка грунта осуществлялась киркой или молотом и зубилом, а в концах забоев разводились костры из дров, чтобы расколоть и размягчить скалы впереди. Хотя порох ранее применялся в горном деле, первое важное его использование в тоннельных работах произошло в Мальпа, Франция, в 1679–1681 годах при строительстве тоннеля для Лангедокского канала. Этот тоннель имел длину 510 футов, ширину 22 фута и высоту 29 футов и был вырублен в туфе. Семь лет он оставался без обделки, а затем был облицован каменной кладкой.

С появлением пороха и строительством каналов был дан первый мощный толчок развитию тоннелестроения в современном смысле, как коммерческого и общественно-полезного строительства, со времен Римской империи. Тоннели для каналов значительных размеров были проложены во Франции и Англии во второй половине XVII века. Все они были тоннелями в скальных или твердых грунтах. Действительно, до 1800 года проходка тоннелей в мягких грунтах была делом, требующим мужества, за исключением тоннелей таких малых размеров, что работу правильнее было бы назвать штольней или выработкой, а не тоннелем. Однако в 1803 году для канала Сен-Кантен во Франции был проложен тоннель шириной 24 фута в мягком грунте. Для поддержания стен и свода выработки по мере удаления грунта применялось крепление, а каменная обделка возводилась непосредственно вслед за ним. На основе опыта, полученного при строительстве этого тоннеля, были разработаны различные системы подземной проходки в мягких грунтах, применяемые с тех пор.

Однако именно развитие паровых железных дорог вывело искусство тоннелестроения на его нынешний уровень значимости. В 1820–1826 годах в Англии были построены два тоннеля на Ливерпуль-Манчестерской железной дороге. Это стало началом быстрого развития, которое сделало тоннель одним из самых привычных инженерных сооружений. Первый железнодорожный тоннель в Соединенных Штатах был построен на железной дороге Аллегейни-Портедж в Пенсильвании в 1831–1833 годах; а первый тоннель для канала был завершен примерно за 13 лет до этого (1818–1821 гг.) компанией Schuylkill Navigation Co. недалеко от Оберна, штат Пенсильвания. Было бы интересно и поучительно во многих отношениях проследить подъем и прогресс тоннельного строительства в деталях с момента постройки этих ранних примеров, но здесь можно лишь сказать, что он был идентичен развитию железных дорог.

Искусство тоннелестроения вступило в свою последнюю и величайшую фазу со строительством тоннеля Мон-Сени в Европе и тоннеля Хузак в Америке, работы на которых доказали полезность механических перфораторов и мощных взрывчатых веществ. Тоннель Мон-Сени был построен для облегчения железнодорожного сообщения между Италией и Францией, или, точнее, между Пьемонтом и Савойей, двумя частями королевства Виктора Эммануила II, разделенными Альпами. Он имеет длину 7,6 мили и проходит под перевалом Коль-де-Фрежюс недалеко от Мон-Сени. Соммейе, Граттони и Грандис были инженерами этого великого предприятия, которое было начато в 1857 году и закончено в 1872 году. Именно благодаря тщательному изучению различных трудностей, большой длины тоннеля и стремлению инженеров закончить его быстро, были разработаны все те различные усовершенствования, которые ознаменовали эту работу как заметный шаг в развитии искусства тоннелестроения. Так, первый механический перфоратор, когда-либо использовавшийся в тоннельных работах, был разработан Соммейе. Кроме того, сжатый воздух в качестве движущей силы для перфораторов, аспираторы для отсоса вредного воздуха из выработки, воздушные компрессоры, турбины и т. д. впервые нашли свое применение в тоннельном строительстве на Мон-Сени. Эта важная роль, которую сыграл тоннель Мон-Сени в Европе во внедрении современных методов, имела свой аналог в Америке — тоннель Хузак, завершенный в 1875 году. В этой работе впервые в Америке были использованы механические перфораторы, воздушные компрессоры, нитроглицерин, электричество для производства взрывов и т. д.

Теперь остается отметить лишь последнее достижение в искусстве подводного тоннелестроения в мягких грунтах, а именно использование проходческого щита и металлической обделки. Щит был изобретен и впервые использован сэром Изамбаром Брюнелем при проходке тоннеля под рекой Темзой в Лондоне, которая была начата в 1825 году и закончена в 1841 году. В 1869 году Питер Уильям Барлоу использовал железную обделку в сочетании со щитом при проходке второго тоннеля под Темзой в Лондоне. Из этих изобретений выросла одна из самых примечательных систем тоннелестроения, практикуемых сегодня, которая обычно называется щитовой системой.

Завершая этот краткий обзор развития современных методов тоннелестроения, представлению которых посвящена остальная часть этой книги, следует упомянуть вид движущей силы, который обещает много возможностей для развития в тоннельном строительстве. Электричество уже давно используется для взрывных работ и освещения в тоннелях. Остается распространить его на другие области применения. Для транспортировки и работы с определенными классами подъемных и землеройных машин это один из самых удобных видов энергии, доступных инженеру. Его успешное применение для перфораторов — еще одна многообещающая область. Для работы вентиляторов оно обещает необычайную полезность.

ТОННЕЛЕСТРОЕНИЕ

ГЛАВА I. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ. ВЫБОР МЕЖДУ ТОННЕЛЕМ И ОТКРЫТОЙ ВЫЕМКОЙ. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ.

ВЫБОР МЕЖДУ ТОННЕЛЕМ И ОТКРЫТОЙ ВЫЕМКОЙ.

Когда железнодорожную линию необходимо проложить через горный хребет или холмы, первым возникает вопрос, что лучше: построить тоннель или сделать такой обход, который позволит преодолеть препятствие с помощью обычного наземного строительства. Ответ на этот вопрос зависит от сравнительной стоимости строительства и эксплуатации, а также от относительных коммерческих и структурных преимуществ и недостатков двух методов. В пользу открытой дороги говорят ее меньшая стоимость и сокращенное время, необходимое для строительства. Это означает, что потребуется меньше капитала, и дорога быстрее сможет начать приносить доход своим строителям. Против открытой дороги говорят: ее большая протяженность и, как следствие, более высокие эксплуатационные расходы; большее количество подвижного состава, необходимого для ее эксплуатации; высокие расходы на содержание горной дороги; и необходимость использования более мощных локомотивов с сопутствующими увеличенными расходами. В пользу тоннеля говорят: сокращение пути, с последующим снижением эксплуатационных расходов и необходимого количества подвижного состава; меньшая стоимость содержания благодаря защите пути от снега, дождя и других природных факторов, вызывающих разрушение; и снижение стоимости перевозок благодаря более легким уклонам. Против тоннеля говорят: его огромная стоимость по сравнению с открытой дорогой и длительное время, необходимое для его строительства.

Чтобы определить в каждом конкретном случае, что лучше — тоннель или открытая дорога, требуется тщательный учет всех упомянутых факторов. Однако можно утверждать в общем виде, что огромный прогресс, достигнутый в искусстве тоннелестроения, во многом способствовал снижению веса основных возражений против тоннелей, а именно их высокой стоимости и длительного времени, необходимого для строительства. Там, где выбор стоит между тоннелем или длинным обходом с крутыми уклонами, решение почти всегда рано или поздно принимается в пользу тоннеля. Однако, когда условия таковы, что выбор стоит между тоннелем или глубокой открытой выемкой с теми же уклонами, задача выбора между двумя решениями становится более сложной.

Обычно предполагается, что если требуемая глубина выемки превышает 60 футов, то дешевле построить тоннель, если только вынутый грунт не нужен для близлежащей насыпи. Это правило не является абсолютным, а варьируется в зависимости от местных условий. Например, в материалах жесткого и непластичного характера, таких как скала, практический предел глубины выемки выходит далеко за пределы той точки, при которой тоннель был бы более экономичным согласно вышеуказанному правилу. В грунтах же пластичного характера очень пологий откос, необходимый для устойчивости, значительно увеличивает стоимость выполнения выемки.

В заключение можно отметить, что то же правило может быть использовано при определении расположения порталов тоннеля, ибо, если предположить, что удобнее прокладывать тоннель, чем делать открытую выемку, когда глубина превышает 60 футов, то подходы в виде открытых выемок должны заходить в склоны гор или холмов только до точек, где поверхность находится на 60 футов выше проектной отметки, и там должен начинаться тоннель. Если, следовательно, мы проведем на продольном профиле тоннеля линию, параллельную плоскости путей и на 60 футов выше нее, эта линия пересечет поверхность в точках, где должны заканчиваться подходы открытой выемки и начинаться тоннель. В лучшем случае это эмпирическое определение, требующее суждения при его использовании. Если, например, поверхность земли поднимается лишь на несколько футов выше 60-футовой линии на каком-либо участке, очевидно, лучше продолжить открытую выемку, чем строить тоннель.

МЕТОД И ЦЕЛЬ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ.

Когда принято решение о строительстве тоннеля, первой обязанностью инженера является проведение точного геологического изыскания местности. На основе этого изыскания должны быть определены: проходимый материал, форма сечения и тип применяемого крепления, наилучшая форма обделки, стоимость проходки и различные другие факты. В небольших тоннелях геологических знаний инженера должно быть достаточно, чтобы составить геологическую карту местности, или же эти сведения во многих случаях можно получить, обратившись к геологическим картам, изданным государственными или общими правительственными службами. Однако, когда тоннель должен быть большой протяженности, может потребоваться помощь профессионального геолога, чтобы точно реконструировать внутреннее строение горы и тем самым заранее установить различные пласты и материалы, подлежащие разработке, получив таким образом данные для расчета как времени, так и стоимости проходки тоннеля.

Геологическое изыскание должно позволить инженеру определить: (1) характер материала и его силу сцепления, (2) наклон различных пластов и (3) наличие воды.

Характер материала.

— Характер материала, через который будет проходить проектируемый тоннель, лучше всего устанавливается с помощью алмазных буровых станков. Эти машины бурят кольцевое отверстие и извлекают керн на всю глубину бурения, давая таким образом идеальный геологический разрез, показывающий характер, последовательность и точную мощность пластов. Делая такие скважины в разных точках вдоль осевой линии проектируемого тоннеля и сравнивая относительную последовательность и мощность различных пластов, показанных кернами, можно довольно точно определить геологическое строение горы. Там, где трудно или невозможно выполнить алмазное бурение из-за большой высоты горы над тоннелем или из-за ее недоступности, инженер должен прибегнуть к другим методам наблюдения.

Современные формы гор или холмов обусловлены выветриванием или воздействием разрушительных атмосферных влияний на исходный материал. Поэтому по тому, как гора или холм сопротивлялись выветриванию, можно в общем виде сделать вывод как о природе, так и о плотности материалов, из которых они состоят. Таким образом, мы обычно обнаруживаем, что горы или холмы с округлыми очертаниями состоят из мягких пород или рыхлых грунтов, в то время как под очень крутыми и гребнистыми горами обычно залегает твердая скала. К общим знаниям о природе недр, полученным таким образом из внешней формы горы, инженер должен добавить информацию, которую позволяют получить поверхностные обнажения и другие местные признаки.

Для целей тоннелестроителя мы можем сначала классифицировать все материалы как: (1) твердая скала, (2) мягкая скала или (3) мягкий грунт.

Твердые скалы — это те, которые обладают достаточным сцеплением, чтобы стоять вертикально при разработке на любую глубину. Многие первичные породы, такие как гранит, гнейс, полевой шпат и базальт, относятся к этому классу, но другие из той же группы подвержены воздействию атмосферы, влаги и мороза, которые постепенно разрушают их. Они также часто встречаются вкрапленными пиритами, чья хорошо известная склонность к распаду при воздействии воздуха вводит еще один разрушительный фактор. По этим причинам мы можем разделить твердые скалы на два подкласса: а именно, твердые скалы, не подверженные воздействию атмосферы, и те, которые подвержены ему. Это различие важно в тоннелестроении главным образом для определения того, потребуется ли обделка.

Мягкие скалы, как следует из названия, — это те, в которых сила сцепления меньше, чем в твердых скалах, и которые, как следствие, оказывают меньшее сопротивление воздействиям, стремящимся разрушить их первоначальную структуру. Они всегда подвержены воздействию атмосферы. Песчаники, слоистые глинистые сланцы, слюдяные сланцы и все сланцевые камни, мел и некоторые вулканические породы могут быть классифицированы в эту группу. Мягкие скалы требуют поддержки креплением во время проходки и нуждаются в защите прочной обделкой, чтобы исключить доступ воздуха, поддержать вертикальное давление и предотвратить падение обломков.

Мягкие грунты состоят из обломочных материалов, обладающих настолько малым сцеплением, что их можно разрабатывать без использования взрывчатых веществ. Тоннели, прокладываемые в таких грунтах, должны быть надежно закреплены во время проходки для поддержания вертикального давления и предотвращения обрушения; они также всегда требуют прочной обделки. Гравий, песок, сланец, глина, плывун и торф — это мягкие грунты, обычно встречающиеся при проходке тоннелей. Гравий и сухой песок являются самыми прочными и плотными; сланцы очень плотные, но обладают большим недостатком — склонностью к набуханию в присутствии воды или просто при воздействии воздуха, до такой степени, что, как известно, они могут раздавить крепление, установленное для их поддержки. Плывун и торф — это общеизвестно коварные материалы. Глины иногда бывают плотными и вязкими, но в слоистом состоянии и при наличии воды являются одними из самых коварных грунтов. Слоистые глины можно описать как обычные глины, измененные химическими и механическими факторами, и несколько модификаций одной и той же структуры часто встречаются в одной и той же местности. Они состоят из линзовидных слоев, разделенных гладкими поверхностями и легко отделяемых друг от друга. Слоистые глины обычно имеют темный цвет — красный, охристый или зеленовато-голубой — и очень часто встречаются чередующимися с пластами стеатитов или известнякового материала. Для целей строительства они были разделены на три разновидности.

Слоистые глины первой разновидности — это те, которые чередуются с известняковыми пластами и не настолько сильно изменены, чтобы потерять свою первоначальную стратификацию. Слоистые глины второй разновидности — это те, в которых известняковые пласты разбиты и измельчены, но в которых прежняя структура не полностью разрушена; глина не доведена до влажного состояния. Слоистые глины третьей разновидности — это те, в которых глина под силой постоянного нарушения и в присутствии воды стала пластичной. Слоистые глины — очень коварные грунты; плывун и торф можно классифицировать по их коварной природе среди слоистых глин третьей разновидности.

Наклон пластов.

— Зная наклон пластов, или угол, который они образуют с горизонтом, легко определить, где они пересекают вертикальную плоскость тоннеля, проходящую через осевую линию, что дает в определенной степени знание о различных пластах, которые встретятся при проходке. От наклона пластов зависят: (1) Стоимость проходки; взрывные работы, например, будут более эффективными, если воздействовать на скалы перпендикулярно стратификации; (2) Характер крепления; склонность скалы к обрушению больше, если пласты горизонтальны, чем если они вертикальны; (3) Характер и толщина обделки; горизонтальные пласты находятся в наиболее слабом положении для сопротивления вертикальному давлению от нагрузки сверху, когда лишены поддерживающей скалы снизу, в то время как вертикальные пласты при проходке действуют как своего рода арка, поддерживающая давление нагрузки сверху. Вышеприведенные замечания относятся только к твердым или мягким скальным материалам.

В обломочных образованиях наклон пластов является важным фактором из-за возникающих несимметричных давлений. Например, при проходке тоннеля в мягком грунте, пласты которого наклонены под углом 30° к горизонту, тоннель будет пересекать эти пласты под углом 30°. При проходке естественное равновесие грунта нарушается, и хотя земля стремится обрушиться и осесть с обеих сторон под углом, зависящим от трения и сцепления материала, этот угол будет намного больше с одной стороны, чем с другой, из-за наклона пластов; следовательно, призма обрушающейся земли с одной стороны больше, чем с другой, и, как следствие, давления различны, или, другими словами, они несимметричны. Эти несимметричные давления обычно легко учитываются при проектировании обделки, но они могут вызвать серьезные обвалы и сильно деформировать крепление. Обрушение во время проходки можно предотвратить, разрабатывая материалы в соответствии с их естественным откосом; но деформация крепления — более серьезная проблема, требующая зачастую предельной бдительности и осторожности для предотвращения серьезных неприятностей.

Наличие воды.

— Представление о вероятности обнаружения воды в тоннеле можно получить, изучив гидрографический бассейн местности. По нему можно проследить источник и направление родников, ручьев, оврагов и т. д., а по геологической карте можно увидеть, где пласты, несущие эти воды, встречаются с осевой линией. Внимательно изучать следует не только поверхностные воды, но и подземные источники, которые часто встречаются при проходке тоннелей. Как поверхностные, так и подземные воды следуют по водопроницаемым пластам и отклоняются водоупорными пластами. Скалы в целом можно классифицировать как водоупорные; но они содержат трещины и разломы, которые часто позволяют воде проходить сквозь них; поэтому нередко при проходке тоннелей в скальных породах встречаются большие количества воды. Как правило, под высокими горами обнаруживается вода, которая поступает от таяния льда и снега, просачивающегося через трещины в скалах.

Некоторые обломочные грунты, такие как гравий и песок, являются водопроницаемыми, а другие, такие как глина и сланец, — водоупорными. Обломочные грунты, залегающие над глиной, почти наверняка несут воду непосредственно над глиняным пластом. Поэтому в тоннельных работах, когда проходка идет внутри глиняного пласта, от воды вряд ли стоит ожидать больших неприятностей; однако, если проходка пересекает поверхность глины и входит в водопроницаемый материал выше, вода почти наверняка будет встречена. Количество воды, встреченной в любом случае, зависит от наличия поблизости высоких гор и от других обстоятельств, которые привлекут внимание инженера.

Желательно знать давление воды. Это можно получить, внимательно наблюдая за ее источником и характером пластов, через которые она проходит. Вода, поступающая в выработку через трещины в скале, теряет мало давления из-за трения, в то время как вода, прошедшая некоторое расстояние через песок, теряет значительную часть своего давления из-за трения. Водоносный песок, и, по сути, любой водоносный обломочный материал, увеличивает свою текучесть под давлением воды; и когда это достигает точки, при которой начинается течение, возникают неприятности. Потоки воды, встреченные при строительстве тоннеля Сен-Готард, имели достаточное давление, чтобы уносить крепления и материалы.

ГЛАВА II. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОЙ ЛИНИИ, ФОРМ И РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСЕВОЙ ЛИНИИ.

Тоннели могут быть криволинейными или прямолинейными, но последняя форма встречается чаще. В любом случае первой задачей инженера после того, как порталы тоннеля окончательно зафиксированы, является точное определение осевой линии. Это делается на поверхности земли; и цель этого — найти точную длину тоннеля и обеспечить опорную линию, по которой направляется проходка.

Прямолинейные тоннели.

— В коротких тоннелях осевая линия может быть достаточно точно определена для всех практических целей с помощью обычного теодолита. Работа выполняется в спокойный, ясный день, чтобы инструмент и наблюдения подвергались как можно меньшему атмосферному воздействию. Деревянные колья используются для временной маркировки различных установленных точек осевой линии. Наблюдения обычно повторяются по крайней мере один раз для проверки ошибок, и колья изменяются в соответствии с исправлениями; а после того, как линия окончательно признана правильно установленной, они заменяются постоянными каменными памятными знаками, точно размеченными. Метод проверки наблюдений описан г-ном У. Д. Хасколлом [2] следующим образом:

«Пусть теодолит будет тщательно установлен над одним из кольев с забитым в него гвоздем, выбрав тот, который обеспечит наилучшую позицию для визирования вперед и назад по всей длине линии, а также позволит получить обзор двух удаленных точек, которые находятся на одной линии с осевой линией; после этого пусть центры каждого кола... будут тщательно проверены. Если это будет сделано тщательно, и центры окажутся правильными и полностью находящимися на одной визуальной линии, видимой через телескоп, не будет никаких опасений, что получена идеально прямая линия».

[2] «Practical Tunneling», Ф. У. Симмс.

Рис. 1. — Схема, показывающая способ разметки в прямолинейных тоннелях.

Осевая линия, которая была таким образом определена на поверхности земли, должна быть перенесена внутрь тоннеля для направления проходки. Для этого пусть A и B будут входами, а a и b — двумя четко зафиксированными точками, которые были выверены по осевой линии, расположенной на поверхности земли над холмом A f B, рис. 1. Инструмент устанавливается в точке V, любой точке на продолжении линии A a, и направление фиксируется наблюдением по осевой линии, отмеченной на поверхности. Это направление затем переносится в тоннель путем перевода телескопа и установки колышков в своде забоя. Лампы, подвешенные к этим колышкам, обеспечивают необходимые точки визирования. Эта же операция повторяется на противоположной стороне холма, чтобы направлять проходку с того конца тоннеля. Эти операции служат для определения только первых нескольких точек внутри тоннеля. По мере того как проходка продвигается дальше в холм, становится невозможно продолжать определять линию по внешней точке, и линию приходится прокладывать от точек, отмеченных на своде забоя. Во всех этих наблюдениях требуется большая точность, поскольку очень маленькая ошибка в начале становится все больше и больше по мере продвижения проходки. Для облегчения точного определения точек на своде тоннеля г-ном Беверли Р. Вэлью было разработано простое устройство, показанное на рис. 2. Два железных штыря, каждый с небольшим отверстием в плоском конце, забиваются в скалу на расстоянии около 9 дюймов друг от друга. Латунная планка высотой 1 дюйм, толщиной 1/4 дюйма и длиной 10 дюймов, имеющая отверстие около одного конца и прорезь длиной 1 дюйм на другом, плотно привинчивается к головкам штырей. Средняя часть планки разделена на дюймы и десятые доли дюйма. Отдельный латунный подвес прикрепляется к планке, имея нониус с нулем в середине подвеса, соответствующий отвесу, прикрепленному ниже. Подвес перемещается взад-вперед, пока он не совпадет с линией визирования транзита, а затем записываются показания нониуса. В любое время, когда подвес помещается на планку и нониус показывает то же значение, отвес будет указывать на осевую линию тоннеля. Когда вместо одной планки вставляются две на расстоянии 20 или 30 футов друг от друга, отвесы, подвешенные к подвесам, будут представлять вертикальную плоскость, проходящую через ось тоннеля, совпадающую с той, что была размечена на поверхности земли.

Рис. 2. — Устройство Б. Р. Вэлью для определения осевой линии внутри тоннеля.

Определение осевой линии длинного тоннеля, который должен быть проложен под высокими горами, — очень сложная операция, и инженеры обычно оставляют эту часть работы астрономам, которые фиксируют станции, с которых инженеры направляют строительные работы. Осевые линии всех великих альпийских тоннелей были определены астрономами, использовавшими инструменты большого размера. Так, при визировании осевой линии тоннеля Сен-Готард использовался теодолит с объективом диаметром восемь дюймов. [3] Вместо обычного крепления для поддержки инструмента во время наблюдений используется каменный постамент с идеально ровной вершиной. Определение производится методом триангуляции. Различные операции должны выполняться с величайшей точностью и повторяться несколько раз таким образом, чтобы свести ошибки к минимуму, поскольку окончательная встреча забоев зависит от их устранения.

[3] См. также тоннель Симплон, Глава X.

Рис. 3. — Система триангуляции для установления осевой линии тоннеля Сен-Готард.

Тоннель Сен-Готард представляет собой, пожалуй, лучшую иллюстрацию тщательной работы по определению осевой линии длинных прямолинейных тоннелей из всех когда-либо построенных. Длина этого тоннеля составляет 9,25 мили, а высота горы над ним очень велика. Осевая линия была определена триангуляцией двумя разными астрономами, использующими разные наборы треугольников и работающими в разное время. Набор или система треугольников, использованная доктором Коппе, одним из наблюдателей, показана на рис. 3; она состоит из комбинации очень больших и довольно маленьких треугольников, последние из которых потребовались, потому что входы как в Айроло, так и в Гёшене были настолько низкими, что позволяли делать только короткое визирование. Вершины треугольников были определены с помощью контурных карт Швейцарского альпийского клуба. Каждый угол был измерен десять раз, инструмент коллимировался четыре раза для каждого измерения, а затем поворачивался на 5° или 10° во избежание ошибок градуировки. Средняя ошибка при измерении составляла около одной секунды дуги. Триангуляция была скомпенсирована по методу наименьших квадратов. Вероятная ошибка в фиксированном направлении была рассчитана как 0,8″ дуги в Гёшене и 0,7″ дуги в Айроло. Исходя из этого, предполагалось, что вероятное отклонение от истинного центра составит около двух дюймов в середине тоннеля, но когда забои наконец встретились, это отклонение оказалось равным одиннадцати дюймам.

Сравнительно немногие тоннели прокладываются только с порталов, проходка обычно ведется одновременно в нескольких точках с помощью шахт. В этих случаях, чтобы правильно направлять проходку, необходимо зафиксировать осевую линию на дне шахты. Это достигается двумя способами: один применяется, когда шахта расположена непосредственно над осевой линией, а другой — когда шахта расположена сбоку от осевой линии.

Когда шахта расположена на осевой линии, два небольших столба размещаются на противоположных краях шахты и коллимируются с осевой линией, как показано на рис. 4. На этих двух столбах точки, соответствующие осевой линии, правильно отмечаются и соединяются проволокой, натянутой между ними. К этой проволоке прикрепляются два отвеса как можно дальше друг от друга. Эти отвесы отмечают две точки на осевой линии на дне шахты, и от них линия продлевается в забои по мере продвижения работ. В этих операциях используются тяжелые отвесы. В нью-йоркском метро использовались стальные отвесы весом по 25 фунтов каждый, и для предотвращения вращения они были сделаны с поперечным сечением в форме греческого креста и опускались в ведра, наполненные водой. Из-за разницы температур вверху и внизу шахты возникают сильные воздушные потоки, которые заставляют проволоки, к которым подвешены грузы, постоянно колебаться.

Рис. 4. — Метод переноса осевой линии вниз через центральные шахты.

Чтобы определить осевую линию на дне шахты, сначала проходятся забои с обеих сторон шахты, после чего транзит устанавливается на той же линии с двумя проволоками, что укажет вертикальную плоскость, проходящую через ось строительства. Затем на своде тоннеля фиксируются две точки в продолжение этой вертикальной плоскости. Когда отвесы убираются из шахты и два небольших отвеса подвешиваются к двум упомянутым точкам, они всегда будут давать ту же вертикальную плоскость, проходящую через ось строительства, перенесенную с поверхности.

Из-за постоянного движения проволок фиксация точек на своде тоннеля очень затруднительна, и операцию следует повторять разными людьми в разное время, прежде чем точки будут окончательно зафиксированы.

Рис. 5. — Метод переноса осевой линии вниз через боковые шахты.

Когда шахта расположена с одной стороны тоннеля, столбы или реперы размещаются перпендикулярно осевой линии на краях шахты, как показано на рис. 5. Между точками A и B натягивается проволока, и с нее подвешиваются два отвеса, как описано в предыдущем случае; эти отвесы устанавливают вертикальную плоскость, перпендикулярную оси тоннеля. Проходка бокового тоннеля ведется вдоль линии BW до пересечения с линией главного тоннеля, осевая линия которого определяется путем откладывания под землей расстояния, равного расстоянию BO на поверхности. Установив инструмент над подземной точкой O и повернув на прямой угол от линии BO, осевая линия тоннеля продлевается в забои.

Криволинейные тоннели.

— Существуют различные методы определения осевых линий криволинейных тоннелей, но метод тангенциальных смещений является наиболее часто применяемым.

В начале проходка ведется как можно ближе к линии кривой, и как только она продвинется достаточно далеко, выверяется касательная AT, рис. 6. В точке B определяется точка, над которой устанавливается инструмент, и измеряется расстояние AB для нахождения ординаты прямоугольного треугольника OAB. Теперь OA = r, AB = d, и φ = угол ABO. Тогда: Tang. φ = r / d.

Рис. 6. — Метод разметки осевой линии криволинейных тоннелей.

Удвоив значение φ и сделав угол ABC = 2 φ, линия BC будет зафиксирована, а точка C определена путем принятия AB = BC. На BC откладываются ординаты для определения кривой. Продлите CB так, чтобы CD = CB. Тогда часть кривой CF симметрична CE, и ординаты, использованные для определения EC, могут быть использованы для определения CF путем откладывания их в обратном порядке.

В криволинейных тоннелях можно рассмотреть несколько случаев.

(1) Когда тоннель почти на всем своем протяжении прокладывается по касательной с кривой на каждом конце.

(2) Когда тоннель начинается с кривой и заканчивается прямой линией.

(3) Когда весь тоннель находится в кривой от портала до портала.

(4) Геликоидальный или штопорный тоннель.

(1) Ось каждого из великих альпийских тоннелей представляет собой прямую линию с кривой на каждом конце. Выверка осевой линии одного из этих длинных тоннелей по кривой, как бы точно она ни была размечена, безусловно приведет к ошибке, которая, увеличиваясь с расстоянием, может привести к серьезным результатам. Чтобы избежать этих неудобств, определение оси тоннеля должно производиться по прямой линии. Это означает, что тоннель сначала прокладывается по прямой линии на всю свою длину, и после того, как забои, пройденные с обоих порталов, встретились, две части тоннеля или кривой прокладываются и строятся. Части тоннеля, пройденные по прямым линиям для удобства строительства, могут быть затем заброшены или использованы в случаях аварий или ремонта.

Когда ось короткого тоннеля имеет кривую на каждом конце и прямую линию посередине, он прокладывается непосредственно с входов; сначала, однако, проходятся криволинейные части тоннеля. В таком случае было бы целесообразно действовать следующим образом. Пройдите забои на криволинейных частях тоннеля, разметив осевую линию с помощью смещений от касательных. На концах кривых разметьте с обоих фронтов прямолинейную часть тоннеля. Сначала следует проходить только очень узкие забои, в то время как все сечение может быть расширено вблизи входов. Проходка забоев на фронте должна продвигаться очень быстро, чтобы забои могли встретиться в кратчайшие сроки. Когда сообщение установлено, сравнительно легко исправить ошибку, возникшую в результате проходки тоннеля по кривым.

(2) Если тоннель начинается с кривой и заканчивается прямой линией, работы по выемке грунта следует вести с обоих концов. Со стороны прямого участка тоннеля следует проходить только верхний уступ (забой), в то время как со стороны криволинейного участка можно раскрывать всё сечение сразу. При такой организации работ выемка грунта продвигается медленно с криволинейного конца и быстро — с прямого. Как только будет установлена связь между забоями и исправлены возможные ошибки, работы по расширению профиля тоннеля можно вести с одинаковой интенсивностью с обоих концов.

(3) Если осевая линия всего тоннеля представляет собой кривую, возрастает вероятность небольших отклонений от проектной оси сооружения. В таком случае целесообразно сначала пройти узкий забой и сосредоточить все усилия на максимально быстром продвижении забоев, чтобы они встретились в кратчайшие сроки. Осевая линия этих забоев разбивается обычным методом смещений от касательной. Расширение сечения тоннеля можно начинать у обоих порталов и вести медленно до тех пор, пока забои не встретятся и не будут исправлены все ошибки, после чего работы можно вести с максимальной интенсивностью по всей длине.

(4) В штопорных или винтовых тоннелях вся осевая линия проходит по кривой. В таких тоннелях, как правило, существует большая разница в уровнях между двумя порталами, один из которых значительно выше другого, поэтому следует уделять пристальное внимание уклону тоннеля. При работе в ограниченном пространстве узких забоев весьма вероятно возникновение ошибок при фиксации как направления, так и уклона тоннеля. Чтобы предотвратить эти почти неизбежные ошибки, было бы хорошо сначала пройти только забои, закрепить осевую линию в своде этих забоев, а затем как можно точнее задать уклон тоннеля. Работы по проходке забоев следует вести как можно быстрее, чтобы они скорее встретились, что позволит скорректировать временно заданную осевую линию и окончательно зафиксировать её для направления последующих операций. В таких тоннелях забои следует проходить вблизи центра поперечного сечения тоннеля, чтобы боковые стенки и свод забоя находились на некотором расстоянии от стенок и свода проектируемого тоннеля. Такое расположение позволит легко внести коррективы в случае, если при проходке забоев были допущены незначительные отклонения от проектной линии.