«Тоннелестроение: Практическое руководство»

Эта катастрофа на некоторое время задержала работы, но в июне подрядчики возвели новое здание, установили новое оборудование и возобновили работу. Прогресс был незначительным; воздух выходил так быстро, что разрыхлил песок вокруг ствола и уменьшил трение настолько, что 28 июля весь цилиндр поднялся примерно на 6 футов, и песок хлынул внутрь, заполнив нижнюю часть цилиндра до уровня 45 футов от поверхности озера. Подрядчики больше не вели никаких работ, хотя и предложили погрузить стальной цилиндр внутрь чугунного, от уровня 5 футов выше проектной отметки до 100 футов ниже нее, по цене 300 долларов за фут. Это предложение было отклонено городом; и поскольку работы на самом тоннеле были заброшены подрядчиками некоторое время назад, как уже было описано, город расторг их контракт 19 октября.

30 октября был заключен контракт с г-ном Томасом Мерфи из Милуоки, штат Висконсин, на погружение стального цилиндра внутрь старого железного. Сначала из старого цилиндра откачали воду и на дне построили деревянную перемычку. На ней был возведен стальной цилиндр, после чего перемычку убрали. Было подано давление воздуха, и разработка грунта успешно продолжалась до тех пор, пока не был встречен нижний слой глины, после чего все шансы на возникновение проблем исчезли.

Цилиндр в завершенном виде вошел в твердую глину на 9 футов и был подведен кирпичной кладкой на глубину 29 футов или более, до точки на 4 фута ниже проектной отметки тоннеля. В нижней части сечение ствола было изменено с круглого на квадратное. Позже стальной цилиндр был облицован кирпичом.

28 марта 1894 года было заключено соглашение с г-ном Томасом Мерфи о строительстве тоннеля от озерного ствола в сторону берега. За исключением того, что был встречен значительный приток воды, который из-за неадекватного насосного оборудования дважды заполнял тоннель и ствол и требовал откачки, особых трудностей на этом участке работ не возникало.

28 июля 1895 года забои от озерного и берегового стволов встретились. Тем временем чугунный водозабор, водозаборный ряж и т. д. были завершены, и практически все, что оставалось сделать, — это очистить тоннель и поднять насосное оборудование у берегового ствола. Во время очистки давление воздуха поддерживалось из-за утечек через кирпичную обделку, и, действительно, давление сохранялось до последнего возможного момента, а все было подготовлено для демонтажа шлюзов, перемычек, насосов и т. д. в кратчайшие сроки. Насосы были извлечены последними.

ГЛАВА XIX. ПОДВОДНОЕ ТОННЕЛЕСТРОЕНИЕ (Продолжение).

ЩИТОВОЙ МЕТОД.

Историческое введение.

Изобретение щитового метода проходки тоннелей в слабых грунтах обычно приписывают сэру Изамбару Брюнелю, французу, родившемуся в 1769 году, который в 1793 году эмигрировал в Соединенные Штаты, где прожил шесть лет, а затем отправился в Англию, где его эпохальное изобретение в тоннелестроении было развито и успешно применено при строительстве первого тоннеля под Темзой, и где он скончался в 1849 году, через несколько лет после завершения этой великой работы. Говорят, что сэр Изамбар получил идею использования щита для проходки тоннелей в слабых грунтах, наблюдая за работой корабельного червя. Он заметил, что голова этого маленького животного снабжена буровым аппаратом, с помощью которого оно прокладывает себе путь в древесине, а его тело выделяет секрет, который выстилает отверстие позади него и делает его водонепроницаемым. Повторить эту операцию механическими средствами в достаточном масштабе, чтобы сделать ее применимой к строительству тоннелей, — таков был план, который пришел в голову инженеру; и насколько точно он следовал своей живой модели, можно увидеть, изучив чертежи его первого щита, на который он получил патент в 1818 году. Кратко говоря, это устройство состояло из железного цилиндра, имеющего на переднем конце буроподобный резец, вращение которого должно было оттеснять материал впереди и таким образом продвигать цилиндр. По мере продвижения цилиндра периметр отверстия позади должен был быть выложен спиральной листовой железной обшивкой, которая должна была быть усилена внутренней каменной кладкой. Видно, что механическое сходство этого устройства с корабельным червем, на котором оно, как утверждается, было смоделировано, было поразительно близким.

В том же патенте, в котором сэр Изамбар обеспечил защиту своего механического корабельного червя, он заявил равные права на изобретение другого щита, который имеет гораздо большее значение, будучи прототипом щита, фактически использованного им при строительстве первого тоннеля под Темзой. Это альтернативное изобретение, если его можно так назвать, состояло из группы отдельных ячеек, которые можно было продвигать по одной или несколько за раз, или все вместе. Стороны этих ячеек должны были быть снабжены роликами трения, чтобы они могли легко скользить друг по другу; также было указано, что предпочтительной движущей силой для продвижения ячеек являются гидравлические домкраты. Таким образом, кратко резюмируя, два изобретения Брюнеля включали защитный цилиндр или щит, закрытие забоя выработки, ячеистое деление, гидравлические домкраты в качестве движущей силы и цилиндрическую железную обделку, которые являются основными характеристиками современной системы щитовой проходки. Следующим необходимым шагом было практическое доказательство осуществимости изобретений Брюнеля, и оно вскоре последовало.

Те, кто читал историю первого тоннеля под Темзой, вспомнят ранние неудачные попытки строительства, которые обескуражили английских инженеров. Через пять лет после получения патента Брюнеля была сформирована компания, чтобы снова взяться за эту задачу, причем план состоял в использовании щитового метода под личным руководством его изобретателя в качестве главного инженера. Для этой работы Брюнель выбрал ячеистый щит, упомянутый как альтернативная конструкция в его первоначальном патенте. Он также решил сделать этот щит прямоугольным по форме. Этот выбор обычно объясняется тем фактом, что пласты, которые должен был пройти тоннель, были практически горизонтальными, и инженер предположил, что прямоугольный щит по какой-то причине лучше всего будет сопротивляться возникающим давлениям. Какова бы ни была причина выбора, факт остается фактом: был принят прямоугольный щит. Тоннель, согласно проекту, состоял из двух параллельных подковообразных тоннелей шириной 13 футов 9 дюймов, высотой 16 футов 4 дюйма и длиной 1200 футов, отделенных друг от друга стеной толщиной 4 фута, прорезанной 64 арочными проемами с пролетом 4 фута, причем все это было окружено массивной кирпичной кладкой, построенной по прямоугольному сечению, измеряющему в целом 38 футов в ширину и 22 фута в высоту.

Первый щит, спроектированный Брюнелем для этой работы, оказался неспособным выдержать давление, и его заменили другим, несколько большим щитом по существу той же конструкции, но улучшенного исполнения. Этот последний щит имел высоту 22 фута 3 дюйма и ширину 37 футов 6 дюймов. Он был разделен вертикально на двенадцать отдельных чугунных рам, расположенных вплотную друг к другу, и каждая рама была разделена горизонтально на три ячейки, способные к отдельному движению, но соединенные особой шарнирной конструкцией, которая в общих чертах показана на рис. 124. Для закрытия или покрытия забоя выработки использовались доски опалубки, удерживаемые на месте многочисленными небольшими винтовыми домкратами. Каждую ячейку или каждую раму можно было продвигать независимо от других, причем сила для этой операции получалась с помощью винтовых домкратов, упирающихся в готовую каменную обделку. Кратко говоря, порядок действий заключался в том, чтобы убрать доски опалубки перед верхней ячейкой одной рамы и разработать материал впереди примерно на 6 дюймов. После этого верхняя ячейка продвигалась на 6 дюймов с помощью винтовых домкратов, а доски опалубки устанавливались на место. Затем средняя ячейка рамы продвигалась на 6 дюймов путем повторения того же процесса, и, наконец, операция дублировалась для нижней ячейки. С продвижением нижней ячейки одна рама была продвинута вперед на 6 дюймов, и последовательностью таких операций остальные одиннадцать рам продвигались на расстояние 6 дюймов, одна за другой, пока весь щит не занимал положение на 6 дюймов впереди того, с которого начинались работы. Следующим шагом было заполнение 6-дюймового пространства за щитом кольцом кирпичной кладки.

Рис. 124. — Продольный разрез щита Брюнеля, первый тоннель под Темзой.

Иллюстрация, рис. 124, представляет собой разрез, параллельный вертикальной плоскости тоннеля через центр одной из рам, и она довольно ясно показывает сложные детали конструкции щита. Две особенности, которые следует особо отметить, — это подвесные подмости и кружало для возведения свода, а также верхняя плита щита, выступающая назад и перекрывающая сводчатую кладку, чтобы полностью закрыть свод выработки и предотвратить его обрушение. Несмотря на сложную конструкцию и громоздкий вес в 120 тонн, этот щит работал успешно, и в течение нескольких месяцев строительство велось со скоростью 2 фута каждые 24 часа. Во время работы было два прорыва воды и ила из реки, но отверстия были эффективно остановлены путем сбрасывания мешков с глиной в ямы на дне реки и покрытия их брезентом с наложением слоя гравия поверх всего. Тоннель был завершен в 1843 году, через 20 лет с момента начала работ, включая все задержки, при стоимости около 5600 долларов за погонный ярд.

Рис. 125. — Первый щит, изобретенный Барлоу.

Следующим тоннелем, построенным щитовым методом, стал тоннель под Лондонским Тауэром, сооруженный Барлоу и Грейтхедом и начатый в 1869 году. В 1863 году г-н Питер У. Барлоу получил в Англии патент на систему строительства тоннелей, включающую использование круглого щита и цилиндрической чугунной обделки. Щит, как показано на рис. 125, был просто цилиндром из железных или стальных листов. Листы цилиндра были утончены спереди, образуя режущую кромку, и выступали достаточно далеко назад, чтобы позволить установить внутри цилиндра передовое кольцо чугунной обделки. По простоте формы этот щит был намного лучше щита Брюнеля; но кажется очень сомнительным, поскольку он не имел никаких диаметральных распорок, выдержал бы он когда-либо комбинированное давление винтовых домкратов и окружающего грунта в процессе эксплуатации без серьезной деформации и, вероятно, полного разрушения. Следует также отметить, что щит Барлоу не предусматривал защиты забоя выработки, хотя изобретатель и заявлял, что если грунт делает это необходимым, такая защита может быть использована. Патент предусматривал нагнетание жидкого цемента за чугунную обделку для заполнения кольцевого пространства, оставленного продвигающимися хвостовыми листами щита. Хотя Барлоу предпринимал энергичные усилия, чтобы добиться использования своего щита, возможность представилась только в 1868 году. Тем временем изобретатель изучал, как улучшить свое первоначальное устройство, и в 1868 году получил дополнительные патенты, охватывающие эти улучшения. Кратко говоря, они заключались в частичном закрытии щита диафрагмой, как показано на рис. 126. Незакрытая часть щита здесь показана в центре, но патент указывал, что она может быть расположена и ниже центра в нижней части щита. Идея конструкции заключалась в том, что в случае прорыва воды верхняя часть щита могла оставаться открытой за счет давления воздуха, и работы могли продолжаться в этом открытом пространстве до тех пор, пока щит не будет продвинут вперед настолько, чтобы закрыть отверстие, после чего нормальное состояние дел возобновится. Это было, очевидно, улучшение, заслуживающее внимания. Частичная диафрагма также служила для некоторого укрепления щита против разрушения, но тонкие режущие кромки из листового металла и большинство других структурных слабостей остались без изменений. Кратко резюмируя улучшения, обусловленные работой Барлоу, мы имеем: конструкцию щита в виде единого целого; использование сжатого воздуха и частичной диафрагмы для поддержания верхней части щита открытой в случае прорывов воды; и нагнетание жидкого цемента для заполнения пустот за обделкой.

Продольный разрез.

Поперечный разрез.

Рис. 126. — Второй щит, изобретенный Барлоу.

Переходя теперь к работам по тоннелю под Лондонским Тауэром, можно прежде всего отметить, что Барлоу столкнулся с трудностями при поиске подрядчика, который согласился бы взяться за эту работу, настолько мало инженеры в целом доверяли его щитовой системе. Однако один человек, г-н Дж. Х. Грейтхед, понял, что устройство Барлоу представляет ценность, хотя его проект и конструкция были дефектными, и он в конце концов взялся за работу и довел ее до блестящего успеха. Тоннель был длиной 1350 футов и диаметром 7 футов и проходил в плотной глине. Работы на первом береговом стволе были начаты 12 февраля 1869 года, а тоннель был завершен к следующему Рождеству, то есть менее чем за одиннадцать месяцев, при стоимости 14 500 фунтов стерлингов.

Использованный щит был идеей Барлоу, воплощенной в практическую форму Грейтхедом. Он состоял из железного цилиндра, или, точнее, усеченного конуса, чьи окружные стороны были очень слегка наклонены к оси, с той идеей, что трение будет меньше, если передний конец щита будет немного больше заднего. Оболочка конуса была сделана из 1/2-дюймовых листов. Утонченная режущая кромка щита Барлоу была заменена Грейтхедом на круглое кольцо из чугуна. Грейтхед также изменил конструкцию диафрагмы, расположив угловые ребра жесткости так, чтобы они шли горизонтально и вертикально, и прикрепив листы диафрагмы к внутреннему чугунному кольцу, соединенному с листами оболочки. Это было решительное структурное улучшение, но оно сопровождалось другой модификацией, которая была столь же решительным регрессом по сравнению с проектом Барлоу. Грейтхед сделал отверстие в диафрагме прямоугольным и простирающимся почти от верха до низа щита, тем самым отказавшись от элемента безопасности, предусмотренного Барлоу на случай прорыва воды. К счастью, материал, пройденный щитом для тоннеля под Тауэром, был настолько плотным, что проблем с водой не возникало; но опасный характер конструкции был несколько лет спустя катастрофически доказан при проходке тоннеля под рекой Ярра в Мельбурне, Австралия. Для продвижения своего щита Грейтхед использовал шесть 2,5-дюймовых винтовых домкратов, способных развивать общую силу в 60 тонн. Хвостовики домкратов упирались в готовую обделку, которая состояла из чугунных колец шириной 18 дюймов и толщиной 7/8 дюйма, каждое кольцо состояло из замкового элемента и трех сегментов. Различные сегменты и кольца были снабжены двойными (внешними и внутренними) фланцами, с помощью которых они соединялись болтами. Грунт за обделкой заполнялся жидким цементом, нагнетаемым через небольшие отверстия с помощью ручного насоса.

Рис. 127. — Щит, предложенный Грейтхедом для предлагаемого метрополитена Северного и Южного Вулиджа.

Рис. 128. — Щит Бича, использованный на тоннеле Бродвейской пневматической железной дороги.

Замечательный успех тоннеля под Лондонским Тауэром побудил Барлоу в 1871 году сформировать компанию для проходки тоннеля под Темзой между Саутуарком и Сити, а Грейтхеда в 1876 году — спроектировать тоннель под тем же водным путем, известный как метрополитен Северного и Южного Вулиджа. Концессия Барлоу была аннулирована Парламентом в 1873 году, без выполнения каких-либо работ. Грейтхед продвинулся в своем предприятии достаточно далеко, чтобы построить щит и большое количество железной обделки, когда подрядчики бросили работу. Из краткого описания его щита, данного Грейтхедом Лондонскому обществу инженеров-строителей, он содержал несколько важных отличий от щита, построенного им для тоннеля под Лондонским Тауэром, как показано на рис. 127. Изменения, заслуживающие особого внимания, — это значительное удлинение щита за диафрагмой, изогнутая форма диафрагмы и использование гидравлических домкратов. Грейтхед также спроектировал для этой работы специальный кран, который должен был использоваться при монтаже чугунных сегментов обделки.

Рис. 129. — Щит для железной дороги Сити и Южного Лондона.

В то время как эти работы продвигались в Англии, г-н Бич, американец, получил в Соединенных Штатах патент на тоннельный щит конструкции, показанной на рис. 128, который был впервые практически опробован при строительстве короткого участка тоннеля под Бродвеем для почти забытой Бродвейской пневматической подземной железной дороги. Этот щит, как показано на иллюстрации, состоял из деревянного цилиндра с железной режущей кромкой и железным хвостовым кольцом. Поперек щита на переднем конце проходил ряд горизонтальных железных плит или полок с режущими кромками, как ясно показано на чертеже. Щит продвигался вперед с помощью ряда гидравлических домкратов, снабжаемых энергией от ручного насоса, прикрепленного к щиту. С помощью соответствующих клапанов можно было управлять всеми или любым меньшим количеством этих домкратов, и таким образом, регулируя действие движущей силы, можно было изменять направление щита по желанию. Работы на Бродвейском тоннеле были прекращены в 1870 году. В 1871-2 годах щит Бича использовался при строительстве короткого круглого тоннеля диаметром 8 футов в Цинциннати, а чуть позже он был внедрен в тоннель водопровода Кливленда диаметром 8 футов. В этой последней работе, которая велась в очень коварном грунте, щит доставил много хлопот и в конце концов был настолько сплющен давлением, что от него отказались. Очевидно дефектными чертами этого щита были отсутствие вертикальных распорок и отсутствие каких-либо средств закрытия передней части в мягком грунте.

Рис. 130. — Щит для тоннеля под рекой Сент-Клэр.

Увеличенная иллюстрация

Продольный разрез.

Поперечный разрез.

Рис. 131. — Щит для тоннеля Блэкуолл.

Увеличенная иллюстрация

С вышеприведенным кратким обзором раннего развития щитового метода проходки тоннелей мы подошли к точке, где можно разумно изучить методы современной практики. На следующих страницах мы сначала полностью проиллюстрируем конструкцию ряда щитов типичной и специальной конструкции, а затем последуем за этими иллюстрациями общим обсуждением современной практики в различных деталях конструкции щитов.

Поперечный разрез.

Увеличенная иллюстрация

Продольный разрез.

Увеличенная иллюстрация

Рис. 132. — Эллиптический щит для тоннеля канализационного коллектора Клиши, Париж.

Продольный разрез.

Увеличенная иллюстрация

Поперечный разрез.

Увеличенная иллюстрация

Рис. 133. — Полуэллиптический щит для тоннеля канализационного коллектора Клиши.

Г-н Рейнальд Легуэ в своей превосходной книге о щитовом методе проходки тоннелей считает, что тоннельные щиты можно разделить на три класса по конструкции, в зависимости от характера материала, который они предназначены проходить. К первому классу он относит щиты, предназначенные для работы в жестком и сравнительно устойчивом грунте, таком как известная лондонская глина; ко второму классу — щиты, сконструированные для работы в мягких глинах и илах; и к третьему классу — щиты, предназначенные для грунтов нестабильной зернистой природы. Эта классификация в общих чертах будет сохранена автором. В качестве представительного щита первого класса проиллюстрирован щит, спроектированный для железной дороги Сити и Южного Лондона, на рис. 129. Щиты для тоннеля под Лондонским Тауэром, железной дороги Ватерлоо и Сити, метрополитена района Глазго, сифонов Клиши и Конкорд в Париже и портового тоннеля Глазго имеют тот же общий проект и конструкцию. В качестве представителей щитов второго класса показаны щиты для реки Сент-Клэр и Блэкуолла на рис. 130 и 131. Щиты для тоннелей под рекой Мерси, рекой Гудзон и Ист-Ривер также относятся к этому классу. В качестве представителей щитов третьего класса показаны эллиптические и полуэллиптические щиты для работ по тоннелю Клиши в Париже на рис. 132 и 133. Полукруглый щит метрополитена Бостона проиллюстрирован на рис. 134.

Половина поперечного разреза A-B.

Половина вида сзади.

Увеличенная иллюстрация

Детали отливки, поддерживающей концы домкратов.

Детали отливок под концами балок.

Продольный разрез C-D.

Увеличенная иллюстрация

Рис. 134. — Щит для проходки свода метрополитена Бостона.

Щит Прелини.

— В завершение этого краткого обзора будет упомянут новый щит, спроектированный и запатентованный автором и показанный на рис. 135. Это шарнирный щит, состоящий из двух раздельных щитов, внешние оболочки которых перекрывают друг друга. Щиты соединены между собой с помощью гидравлических домкратов, прикрепленных по всему периметру двух диафрагм. Между этими диафрагмами находится большое закрытое пространство, называемое камерой безопасности, куда рабочие могут отступить в случае аварии и где давление воздуха может быть немедленно повышено до требуемого уровня. Это преимущество в случае прорывов, поскольку предотвращается затопление тоннеля, а авария ограничивается лишь несколькими футами от забоя. Благодаря тому, что щит продвигается по половине за раз, он всегда находится под контролем и, таким образом, лучше направляется по уклону и трассе. Кроме того, этот щит не будет вращаться вокруг своей оси и, следовательно, может быть построен любой формы, что позволяет строить подводные тоннели любого поперечного сечения и даже с более широким основанием, что сегодня невозможно с обычными вращающимися щитами круглого поперечного сечения.

Рис. 135. — Поперечный и продольный разрез щита Прелини.

Увеличенная иллюстрация

КОНСТРУКЦИЯ ЩИТА.

Общая форма.

— Тоннельные щиты обычно имеют цилиндрическое или полуцилиндрическое поперечное сечение. Цилиндр может быть круглым, эллиптическим или овальным в сечении. Подавляющее большинство щитов, использовавшихся в прошлом, были круглыми цилиндрами; но на одном участке канализационного тоннеля Клиши в Париже использовался эллиптический щит с горизонтальной большой осью, а немецкий инженер, г-н Макензен, спроектировал овальный щит с вертикальной большой осью. Полуэллиптический щит применялся на тоннеле Клиши, а полукруглые щиты использовались на тоннеле Балтиморской поясной дороги и метрополитене Бостона в Америке. Как правило, тоннельные щиты также являются прямыми цилиндрами; то есть передний и задний края находятся в вертикальных плоскостях, перпендикулярных оси цилиндра. Однако иногда они бывают косыми цилиндрами; то есть передний или задний края, или оба, находятся в плоскостях, наклонных к оси цилиндра. Один из таких щитов в форме козырька применялся на тоннеле Клиши.

Оболочка.

— Абсолютно необходимо, чтобы внешняя поверхность оболочки была гладкой, и по этой причине головки внешних заклепок должны быть потайными. Также общепризнано, что оболочка должна быть идеально цилиндрической, а не конической. Коническая форма имеет некоторое преимущество в уменьшении сопротивления трения при продвижении щита; но это, как правило, считается более чем компенсированным опасностью просадки грунта, вызванной чрезмерной пустотой, которую она оставляет за железной обделкой тоннеля. По той же причине лист оболочки, перекрывающий переднее кольцо обделки, должен быть как можно более тонким, но его толщина не должна быть уменьшена настолько, чтобы он прогибался под давлением грунта сверху. Обычно оболочка изготавливается как минимум из двух слоев листового металла, листы располагаются так, чтобы стыки не совпадали, и, таким образом, чтобы избежать использования накладок, прерывающих гладкую поверхность, которая так важна, особенно снаружи. Требуемая толщина оболочки будет варьироваться в зависимости от диаметра щита, а также характера и прочности диаметральных распорок. Г-н Рейнальд Легуэ предлагает в качестве правила для определения толщины оболочки, что к минимальной толщине 2 мм следует добавлять 1 мм на каждый метр диаметра свыше 4 метров. Обращаясь к иллюстрациям, рис. 128-132 включительно, следует отметить, что щит тоннеля Сент-Клэр диаметром 21,5 фута имел оболочку из 1-дюймовых стальных листов с накладными стыками и внутренними угловыми ребрами жесткости; оболочка щита тоннеля Ист-Ривер диаметром 11 футов была изготовлена из одного 1/2-дюймового и одного 3/8-дюймового листа; щит тоннеля Блэкуолл диаметром 27 футов 9 дюймов имел оболочку, состоящую из четырех слоев 5/8-дюймовых листов; а щит тоннеля Клиши диаметром 2,06 метра имел оболочку толщиной 2 миллиметра.

Конструкция передней части.

— Под передней частью понимается та часть щита, которая находится между режущей кромкой и вертикальной диафрагмой. Длина этой части щита раньше делалась довольно небольшой, и там, где проходимый материал очень мягкий, короткая конструкция передней части до сих пор имеет много сторонников; но общая тенденция сейчас состоит в том, чтобы выдвинуть режущую кромку достаточно далеко вперед от диафрагмы, чтобы сформировать рабочую камеру приличного размера. Разработка грунта гораздо проще и быстрее, когда забой можно атаковать непосредственно перед диафрагмой, чем когда работу приходится выполнять из-за нее через отверстия в диафрагме. Пока свод выработки поддерживается от обрушения, опыт показал, что вполне возможно безопасно продлить разработку на некоторое расстояние впереди диафрагмы. В достаточно устойчивом материале, таком как плотная глина, передний забой обычно стоит сам по себе в течение короткого времени, необходимого для разработки секции и продвижения щита на один шаг. В более мягком материале забой обычно можно поддерживать в течение того же короткого периода с помощью сжатого воздуха; или забой выработки, вместо того чтобы быть вертикальным, может принять свой естественный откос. В последнем случае особенно выгодна конструкция передней части в форме козырька, подобная той, что использовалась на некоторых участках тоннеля Клиши. Следующие рисунки показывают длину передних частей ряда представительных тоннельных щитов.

City and South London 1 ft.

St. Clair River 11 .25 „

Hudson River 5 2⁄3 „

Mersey River 3 „

East River 3 2⁄3 „

Blackwall 6 .5 „

Для режущей кромки применяются два общих типа конструкции. Первый тип состоит из кольца из чугуна или литой стали, скошенного для образования долотообразной режущей кромки и приболченного к концам передних листов оболочки. Эта конструкция была впервые применена в щите для тоннеля под Лондонским Тауэром и с тех пор использовалась на тоннелях Сити и Южного Лондона, Ватерлоо и Сити, а также Клиши. Вторая конструкция заключается в укреплении передних листов оболочки с помощью прямоугольных треугольных кронштейнов, перпендикулярные стороны которых приклепаны соответственно к листам оболочки и диафрагме, а наклонные стороны скошены назад и вниз от переднего края и несут коническое кольцо обшивки. Щиты для тоннелей Сент-Клэр, Ист-Ривер и Блэкуолл показывают формы этого типа конструкции режущей кромки. Модификация второго типа конструкции, которая заключается в исключении конической обшивки, применялась на некоторых щитах для тоннеля Клиши. Эта модификация обычно считается допустимой только в материалах, которые обладают малой устойчивостью и осыпаются перед продвижением режущей кромки. Там, где материал имеет липкую или плотную природу, в которую щит при продвижении должен буквально врезаться, скошенная обшивка необходима для обеспечения чистого режущего действия без заклинивания или защемления материала.

Ячеистое деление.

— В щитах большого диаметра необходимо укреплять оболочку горизонтально и вертикально против деформации. Эти распорки также служат для формирования подмостей для рабочих и для разделения щита на ячейки. Следующая таблица показывает расположение вертикальных и поперечных распорок в нескольких представительных тоннельных щитах.

Name of

Tunnel. Diameter. Hori-

zontal. Plates,

Dist.

Apart. Vert.

Braces.

Ft. In. No. Ft. No.

Hudson River 19 11 2 6.54 2

Clichy 19.4 0 2 6.54 None

St. Clair River 21 6 2 6.98 3

Waterloo (Station) 24 10 1⁄2 2 7.12 None

Blackwall 27 8 2 6.0 3

East River 11 3⁄4 None ... 1

Обращаясь сначала к горизонтальным делениям, можно отметить, что они служат разным целям в разных случаях. В щите тоннеля Клиши горизонтальные деления просто образовывали рабочие платформы; в щите тоннеля Ватерлоо они были спроектированы так, чтобы плотно прилегать к рабочему забою с помощью специальных домкратов, и таким образом разделять его на три отдельных деления; в тоннеле Сент-Клэр они служили рабочими платформами, а также имели режущие кромки для проникновения в материал впереди; а в щите тоннеля Блэкуолл они служили рабочими платформами и имели режущие кромки, как в щите тоннеля Сент-Клэр, и, кроме того, среднее деление было разработано так, что две нижние камеры щита могли поддерживаться под более высоким давлением воздуха, чем две верхние камеры. Переходя теперь к вертикальным делениям, они служат для укрепления оболочки щита против вертикальных давлений, а также для разделения горизонтальных камер на ячейки; но, в отличие от горизонтальных плит, они не снабжены режущими кромками. Щиты тоннелей Сент-Клэр, Гудзон и Блэкуолл иллюстрируют использование вертикальных распорок для двойной цели: вертикального укрепления и разделения горизонтальных камер на ячейки. Щит тоннеля Ватерлоо является примером вертикальных распорок, используемых исключительно как распорки. Вертикальное деление щита тоннеля Ист-Ривер было использовано для того, чтобы позволить разбирать щит на квадранты.

Диафрагма.

— Цель диафрагмы щита — закрыть задний конец щита и тоннель позади от прорыва воды и грунта из забоя выработки. Она также служит вторичной цели — диаметральному укреплению оболочки. Структурно диафрагма отделяет конструкцию передней части, описанную ранее, от конструкции задней части, которая будет описана далее; и она обычно состоит из железной или стальной обшивки, усиленной балками или фермами, и прорезана одним или несколькими отверстиями, через которые осуществляется доступ к рабочему забою. В устойчивом материале, где обрушение или прорыв воды и грунта маловероятны, диафрагма опускается. Щит тоннеля Ватерлоо является примером такой конструкции. Однако в более коварных материалах необходима не только диафрагма, но также необходимо уменьшить размер отверстий в ней и предусмотреть средства для их полного закрытия. Иногда в нижней части диафрагмы оставляют только одно или два отверстия, как в щитах тоннелей Сент-Клэр и Мерси; а иногда предусматривают ряд меньших отверстий, как в щитах тоннелей Ист-Ривер и Гудзон.

В крайне коварных материалах, подверженных внезапным и сильным прорывам грунта из забоя выработки, иногда случается, что отверстия, какими бы маленькими они ни были, закрытые обычным способом, непрактичны, и приходится применять специальную конструкцию для решения этой проблемы. Щиты для тоннелей Мерси и Блэкуолл являются примерами таких специальных устройств. В тоннеле Мерси за первой диафрагмой была построена вторая, простирающаяся от дна щита вверх примерно до половины его общей высоты. Поскольку отверстие в первой диафрагме находилось внизу, пространство между второй и первой диафрагмами образовывало ловушку для удержания поступающего материала. Щит тоннеля Блэкуолл, как указывалось ранее, имел переднюю часть, разделенную на ячейки. Обычно забой выработки перед каждой ячейкой оставлялся открытым, но там, где встречался материал, прорывавшийся в эти ячейки, требовались специальные средства закрытия забоя. Они состояли из трех досок опалубки или железных затворов, удерживаемых один над другим против забоя выработки. Эти затворы поддерживались с помощью прочных резьбовых стержней, проходящих через гайки, закрепленные на вертикальных рамах, что позволяло каждому затвору независимо от других продвигаться к забою выработки или отводиться от него. Были разработаны различные другие конструкции для удержания забоя выработки в крайне коварных грунтах, но немногие из них подвергались убедительным испытаниям, и поэтому они не заслуживают рассмотрения.

Конструкция задней части.

— Под задней частью щита понимается та часть, которая находится позади диафрагмы. Ее можно разделить на две части, называемые соответственно корпусом и хвостом щита. Главная цель корпуса щита — обеспечить место для размещения домкратов, насосов, двигателей и т. д., используемых при управлении щитом. Он также служит цели распределения веса щита на большую площадь. Для облегчения прохождения щита на поворотах или при изменении уклона желательно сделать корпус щита как можно короче. В щитах тоннелей Мерси, Клиши и Ватерлоо, и, по сути, в большинстве других, которые использовались, листы оболочки корпуса были усилены тяжелым чугунным кольцом, внутри и к которому прикреплены домкраты и другие аппараты. Однако последнее мнение, по-видимому, указывает на использование кронштейнов и балок для укрепления оболочки для названной цели, а не на эту тяжелую чугунную конструкцию. В щитах тоннелей Гудзон, Сент-Клэр и Ист-Ривер с их длинной и сильно укрепленной конструкцией передней части для размещения домкратов корпус щита, так сказать, опущен, и конструкция задней части состоит просто из хвостовой обшивки. В щите Блэкуолл оболочка корпуса щита обеспечивает пространство, необходимое для двойных диафрагм и ячеек, которые они заключают. В общем, можно сказать, что современная тенденция инженеров — отдавать предпочтение как можно более короткой и легкой конструкции корпуса.

Хвост щита служит для поддержания грунта во время возведения обделки; и по этой причине он перекрывает переднее кольцо обделки, как ясно показано на большинстве проиллюстрированных щитов. Чтобы выполнить эту цель, хвостовые листы должны быть идеально гладкими внутри и снаружи, чтобы легко скользить между внешней стороной листов обделки и грунтом, а также должны быть как можно более тонкими, чтобы не оставлять большую пустоту за обделкой, которую нужно заполнять. В грунтах, которые достаточно устойчивы, конструкция хвоста часто имеет форму козырька; то есть хвостовые листы перекрывают обделку только, скажем, в своде от пяты свода вверх, как в одном из щитов для тоннеля Клиши. В нестабильных материалах хвостовая обшивка простирается полностью вокруг щита и выработки. Длина хвостовой обшивки обычно достаточна для перекрытия двух колец обделки, но в одном из щитов тоннеля Клиши можно заметить, что она простиралась на три кольца обделки. Это кажущееся значительным пространство для тонких стальных листов становится возможным благодаря тому, что крайний задний конец хвоста всегда опирается на последнее завершенное кольцо обделки.

В завершение этих замечаний, касающихся конструкции задней части, прилагаемая таблица, подготовленная г-ном Рейнальдом Легуэ, будет интересна как общее резюме основных размеров большинства важных тоннельных щитов, которые были построены. Цифры в этой таблице были переведены из метрической системы в английскую, и неизбежно существует некоторое небольшое отклонение от точных размеров. Различные столбцы таблицы показывают диаметр, общую длину и длину каждой из трех основных частей, на которые тоннельные щиты обычно делятся при строительстве, как описано ранее:

Name of Shield. Length in Feet.

Diameter. Tail. Body. Front. Total.

Concorde Siphon 6.75 2.51 2.55 1.16 6.67

Clichy Siphon 8.39 2.51 2.55 1.16 6.16

Mersey 9.97 5.61 2.98 2.98 11.58

East River 10.99 3.51 0.32 3.67 7.51

City and South London 10.99 2.65 2.82 1.01 6.49

Glasgow District 12.07 2.65 2.82 1.01 6.49

Waterloo and City 12.99 2.75 2.98 1.24 6.98

Glasgow Harbor 17.25 2.75 2.98 1.08 8.49

Hudson River 19.91 4.82 2.98 5.67 10.49

St. Clair River 21.52 4.00 2.98 11.25 15.25

Clichy Tunnel 23.7-19.8 4.00 2.98 6.88 17.22

Clichy Tunnel 23.8-19.4 7.44 11.90 4.46 23.65

Blackwall 27.00 6.98 5.90 6.59 19.48

Waterloo Station 24.86 3.34 5.51 1.14 10.00

Щит весом 60 или 100 тонн вряд ли можно направить вдоль линии предлагаемого тоннеля, а также через кривые и уклоны, особенно при проходке через рыхлые или илистые грунты. Тоннели железной дороги Нью-Йорка и Гудзона под Гудзоном и тоннель железной дороги Нью-Йоркского скоростного транспорта под Ист-Ривер показывают явные доказательства того, насколько хлопотна эта работа. Чтобы избежать этих и других неудобств, встречающихся в каждом щите, автор спроектировал новый щит, который был кратко описан на странице 251.

Рис. 136. — Вид и разрез гидравлического домкрата, газовый тоннель Ист-Ривер.

Домкраты.

— Движущей силой, обычно используемой при проходке современных тоннельных щитов, являются гидравлические домкраты. В некоторых из более ранних щитов использовались винтовые домкраты, но они вскоре уступили место более мощному гидравлическому устройству. Способ крепления гидравлических домкратов к щиту всегда заключается в закреплении цилиндровых отливок через равные промежутки вокруг внутренней стороны оболочки, при этом штоки поршней направлены назад к упору против переднего края обделки. В старых формах щитов, имеющих внутреннюю чугунную конструкцию усиливающего кольца, цилиндровые отливки домкратов всегда крепились к этому чугунному кольцу; но во многих более поздних щитах, построенных без этого чугунного усиливающего кольца, цилиндровые отливки крепятся к оболочке с помощью кронштейнов и фасонок. Количество и размер используемых домкратов, а также расстояние, на котором они расположены, зависят от размера щита и характера материала, в котором он предназначен работать. В жестких и сравнительно устойчивых глинах трение оболочки щита сравнительно невелико, и суммарная мощность домкратов от 4 до 5 тонн на квадратный ярд внешней поверхности трения щита обычно оказывалась достаточной. Цилиндры расположены на расстоянии около 5,75 фута друг от друга и имеют рабочий диаметр от 5 до 6 дюймов при давлении воды около 1000 фунтов на кв. дюйм. В мягком, липком материале, дающем высокое трение оболочки, суммарная мощность домкратов, требуемая на квадратный ярд внешней поверхности оболочки, возрастает до 18-24 тонн; домкраты расположены на расстоянии около 3 футов друг от друга; а рабочий диаметр цилиндра и давление воды составляют соответственно около 6 или 7 дюймов и от 4000 до 6000 фунтов на кв. дюйм. При таких высоких давлениях необходимы силовые насосы для обеспечения требуемого давления воды; но там, где требуемое давление не превышает 1000 фунтов на кв. дюйм, могут быть и обычно используются ручные насосы. Рис. 136 показывает гидравлические домкраты, использованные в газовом тоннеле Ист-Ривер в Нью-Йорке. Количество необходимых домкратов зависит от диаметра щита и, конечно, от расстояния, на котором они расположены. В щите тоннеля Сити и Южного Лондона использовалось шесть домкратов, а в щите Блэкуолл — 24. Механическая конструкция домкратов для тоннельных щитов не представляет никаких особенностей, выходящих за рамки обычных линий таких устройств, используемых в других местах. Домкраты, использованные на щите тоннеля Ист-Ривер, показаны на рис. 136.

Для передачи усилия штоков поршней на обделку тоннеля применяются два общих метода. Цель, преследуемая в каждом из них, состоит в распределении усилия таким образом, чтобы не было опасности изгиба тонкого переднего фланца переднего кольца обделки. В английской практике обычно принят план прикрепления башмака или опорной отливки к концу штока поршня, что распределяет давление на значительную площадь. Примером этой конструкции является щит для тоннеля Сити и Южного Лондона. В тоннелях Ист-Ривер и Сент-Клэр, построенных в Америке, хвост штока поршня сконструирован так, что усилие передается непосредственно на оболочку обделки.

ОБДЕЛКА.

Для обделки тоннелей, сооружаемых с помощью проходческого щита, может использоваться как чугун, так и каменная кладка, однако современная практика почти повсеместно отдает предпочтение чугунной обделке. Обычно чугунная обделка состоит из ряда последовательных колец, стыкующиеся края которых снабжены фланцами. Эти фланцы соединяются болтами, а швы уплотняются тонкими прокладками из дерева, пакли, цемента или другого материала для обеспечения водонепроницаемости. Каждое кольцо обделки состоит из четырех или более сегментов, снабженных фланцами для болтовых соединений, аналогичных тем, что используются для скрепления последовательных колец. Как правило, верхний (замковый) сегмент делается значительно короче тех, что образуют боковые стороны и нижнюю часть кольца. Монтаж чугунных сегментов, образующих последовательные кольца обделки, может выполняться вручную в тоннелях малого диаметра, где перемещаемые грузы сравнительно легки, но в тоннелях большого размера применяются специальные краны, прикрепленные к щиту или перемещаемые по готовой обделке. Конструкция чугунной обделки для тоннеля под рекой Гудзон проиллюстрирована в главе XX, а конструкция для тоннеля под рекой Сент-Клэр показана на рис. 137.

Поперечный разрез.

Продольный разрез.

Рис. 137. — Чугунная обделка, тоннель под рекой Сент-Клэр.

Увеличенная иллюстрация

ГЛАВА XX. ПОДВОДНОЕ ТОННЕЛЕСТРОЕНИЕ (продолжение).

МЕТОД ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА И СЖАТОГО ВОЗДУХА. ТОННЕЛЬ ПОД РЕКОЙ ГУДЗОН ПЕНСИЛЬВАНСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ.

Метод проходческого щита и сжатого воздуха для проходки подводных тоннелей используется в тех случаях, когда расстояние между сводом тоннеля и дном реки невелико. Такие тоннели обычно прокладываются от шахт, пройденных с каждого берега. Очень редко их удается прокладывать также с помощью промежуточной шахты. Однако это было сделано в случае с тоннелем Белмонт под Ист-Ривер. Здесь тоннели проходили под рифом «Мэн-оф-уор», где была пройдена рабочая шахта.

Производственная площадка располагается в удобном месте рядом с головной шахтой. Она состоит из комплекта котлов для обеспечения энергией различных машин. Имеются компрессоры низкого и высокого давления: первые подают воздух в тоннель, вторые — воздух для работы буров (в случае проходки в скальных породах) и энергию для транспортных и подъемных операций. Различные насосы нагнетают воду для гидравлических домкратов, которые приводят в действие щит и работают с эректором. Они также откачивают из тоннеля воду, которая всегда скапливается в переменном количестве в нижней части выработки. Помимо машин для освещения и вентиляции, головная шахта оборудована надшахтным сооружением, в котором размещены подъемные машины, телефон и другие средства связи с забоем. Обычно в связи с головной шахтой строится длинная эстакада, ведущая к месту отвала и на склад. На этом наклонном возвышенном сооружении также расположены пути, по которым будут перемещаться небольшие вагонетки, используемые внутри тоннеля для транспортировки.

Шахты проходят в плане квадратной, прямоугольной или круглой формы, и обычно они имеют каменную обделку. Лишь недавно шахты, проходимые в рыхлых грунтах, стали крепить той же чугунной обделкой, что используется в тоннелях, с той лишь разницей, что кольца укладывались плашмя на грунт и крепились к уже опущенным.

После того как шахта опущена до требуемого уровня, тоннель прокладывается в сторону реки любым из методов, используемых для наземных работ. На некотором удобном расстоянии от шахты размеры тоннеля увеличиваются на длину 20 или 30 футов. В этом расширенном пространстве, называемом щитовой камерой, щит собирается, устанавливается, и по завершении сборки его медленно продвигают в сторону реки. Начиная от щитовой камеры, тоннель разрабатывается с размерами, равными внешнему кожуху щита.

Конструкция щита и гидравлических домкратов, используемых для его продвижения, объясняются в предыдущей главе.

В очень рыхлых грунтах после того, как щит продвинулся на определенное расстояние и было смонтировано несколько колец чугунной обделки, поперек тоннеля возводится сплошная перемычка из каменной кладки. Перемычка снабжена тремя шлюзами: двумя вблизи пола тоннеля для рабочих целей и одним вблизи свода, называемым аварийным шлюзом, который, как следует из названия, используется только в случае опасности. Шлюзы представляют собой стальные цилиндры длиной от 10 до 15 футов и диаметром 6 футов, изготовленные из котельных листов. Они снабжены дверями с каждого конца, а также трубами для подачи и выпуска сжатого воздуха. Рабочие шлюзы также имеют узкоколейные пути для транспортировки. В скальных или более плотных грунтах перемычка возводится после того, как щит значительно продвинется вперед, поскольку в этих условиях нет непосредственной необходимости использовать сжатый воздух. Как в рыхлых, так и в плотных грунтах, когда щит продвигается более чем на 500 футов от перемычки, в тоннеле возводится вторая перемычка со шлюзами. Первая оставляется на месте, но используется только в экстренных случаях.

Для направления щита по осевой линии, а также через кривые и уклоны производятся точные измерения, и расстояние между щитом и последним установленным кольцом чугунной обделки регулируется соответствующим образом. Выравнивание внутри тоннеля поддерживается очень простым способом. Для этой цели на своде на расстоянии 100 футов друг от друга отмечаются точки, соответствующие осевой линии. Примерно в 100 футах от щита на прочных подмостях, перекрывающих тоннель и опирающихся на фланцы чугунной обделки, устанавливается теодолит. От одной из точек на своде, уже определенных как указывающие осевую линию, подвешивается отвес; маркшейдер наводит свой инструмент на этот отвес, после чего «перекладывает» зрительную трубу. Затем рабочий устанавливает горизонтальную рейку специальной конструкции между фланцами последнего кольца обделки. Эта рейка имеет в центре открытую прорезь, в которой находится стекло с черной вертикальной линией. Прорезь проградуирована, ноль шкалы остается в центре, а вертикальная линия перемещается вправо и влево. Рабочий ставит лампу позади прорези, а маркшейдер указывает ему, как перемещать темную линию, пока она не совпадет с осью тоннеля. Если только что установленное кольцо немного отклонилось от оси, оно корректируется путем большего выдвижения домкратов щита с той стороны, которая отклонилась от оси тоннеля. По мере продвижения щита его положение контролируют четыре человека с градуированными рейками: по одному человеку с каждой стороны щита, один сверху и один на полу. По мере продвижения щита они вслух по очереди повторяют расстояние, указанное на рейках, которое представляет собой расстояние от щита до внешнего кольцевого фланца последнего кольца обделки. Когда пройдена одна ступень (один фут), отсчеты снимаются через каждый дюйм, а когда расстояние близко к требуемому — через каждые четверть дюйма. Таким образом, несложно вернуть щит на линию, если он немного сместился вправо или влево. При прохождении кривых кольца перестают быть цилиндрическими сегментами и становятся торами, так что сегменты с одной стороны длиннее, чем с другой. В этом случае щит выдвигается с одной стороны на величину, равную разности между двумя сторонами устанавливаемого кольца. При каждом продвижении щит перемещается на 2 фута или 2,5 фута вперед, что соответствует длине чугунных колец обделки. В пространстве, открывшемся между щитом и обделкой, вставляется следующее кольцо. Кольцо состоит из различных сегментов, снабженных фланцами и просверленными отверстиями, чтобы их можно было соединить болтами. Сегменты обделки очень тяжелы и сложны в обращении, но они легко устанавливаются с помощью эректора.

Когда эректор не смонтирован на щите, он располагается посередине балки, установленной поперек чугунных колец обделки непосредственно у заднего конца щита. Балка на обоих концах имеет фланцевые колеса, опирающиеся на рельсы, которые уложены на кронштейны. Эти кронштейны временно прикреплены к фланцам чугунной обделки. Эректор снабжен рычагом, способным поворачиваться по полному кругу. Его движения регулируются двумя гидравлическими домкратами, расположенными горизонтально на поперечной балке. На крайнем конце вращающегося рычага имеются выступы с отверстиями для болтов. Каждый сегментный элемент обделки имеет в центре своего рода выступ (пробку), который отлит вместе с элементом и снабжен отверстиями для болта. При установке сегментных элементов обделки рычаг эректора поворачивается над элементом, который нужно поднять, затем два болта пропускаются через отверстия в выступе эректора и через отверстия в выступе элемента. Затем рычаг эректора поднимается до тех пор, пока элемент, свободный от всех препятствий, не окажется в непосредственной близости от своего проектного положения. Там он выравнивается и удерживается до тех пор, пока не будут вставлены болты для крепления его к элементам предыдущего кольца.

В связи с методом проходки подводных тоннелей с помощью щита и сжатого воздуха характер разработки зависит от качества встреченного грунта. В плотных скальных породах в данном случае также применяется обычный метод верхнего и нижнего уступа, столь распространенный при проходке наземных тоннелей. При наличии хорошей скальной породы щит оставляется позади.

Рабочие в забое атакуют породу пневматическими бурильными машинами и зарядами динамита. Шпуры бурятся на меньшую глубину, чем при наземных работах; используются очень легкие заряды динамита, и за один раз взрывается лишь несколько шпуров. Принимаются все меры предосторожности, чтобы не потревожить щит и дно реки больше, чем это возможно, поскольку на малой глубине взрыв может привести к расширению существующих трещин в породе и, таким образом, вызвать приток воды. Когда порода трещиновата или разрушена и свод выработки в забое требует крепления, щит следует держать ближе к забою. Таким образом, количество лесоматериалов для крепления значительно сокращается, что уменьшает вероятность пожаров. В условиях сжатого воздуха очень трудно тушить пожары, и почти в каждом случае единственный способ — затопить тоннель. Это было сделано на манхэттенской стороне тоннеля под Ист-Ривер для продления Нью-Йоркского метрополитена до Бруклина.

В рыхлых, но плотных грунтах, таких как глина, разработка ведется вручную. Рабочие трудятся на платформах, расположенных в передней части щита, и защищены от обрушения свода козырьком, добавленным для работы в рыхлых грунтах. Рабочие разрабатывают породу, которую грузят в тоннеле и вывозят в небольших вагонетках. В рыхлом грунте щит находится очень близко к забою. Тоннель Ист-Бостон под Бостонской гаванью, соединяющийся с Бостонским метрополитеном, был пройден в синей глине. Минимальное расстояние между дном водоема и сводом выработки составляло 18 футов. Тоннель был пройден с помощью сжатого воздуха и щита, который использовался только для свода. Он скользил по бетонным боковым стенам, построенным в двух выработках, которые были пройдены почти на 100 футов впереди щита. Тоннель был облицован бетоном, свод был усилен продольными стальными стержнями, которые воспринимали давление домкратов, используемых для продвижения щита. Материал в выработках под щитом и нижним уступом удалялся вручную и вывозился в небольших вагонетках.

Подводные тоннели, прокладываемые в очень рыхлых грунтах, можно разрабатывать, просто оставляя двери открытыми, пока щит продвигается вперед. Материал, отделяемый режущей кромкой щита, продавливается через двери и падает на пол, откуда удаляется в небольших вагонетках. В очень рыхлых грунтах разработка велась еще более экономичным способом: щит с закрытыми дверями просто вдавливался в грунт. Этот метод финансово выгоден, поскольку исключаются все операции по разработке и транспортировке, а тоннель продвигается на 40–50 футов в день, но это явно указывает на недостаток устойчивости. Таким образом был построен тоннель под рекой Гудзон компании «Нью-Йорк энд Нью-Джерси Рейлроуд».

Давление воздуха в тоннеле зависит от глубины и, как правило, варьируется от 20 до 40 или более фунтов на квадратный дюйм выше атмосферного давления. Работа в условиях сжатого воздуха вызывает специфическое заболевание, обычно называемое «кессонной болезнью», которое часто заканчивается летальным исходом. Для предотвращения и лечения этого заболевания инженеры должны установить ряд правил, подлежащих строгому соблюдению. Профилактические меры должны заключаться, во-первых, в найме только трезвых, сильных и здоровых людей, никогда не брать тех, кто не прошел успешно осмотр у врача; во-вторых, в приказе шлюзовым рабочим никогда не позволять никому входить в тоннель или выходить из него, если он не провел по меньшей мере десять минут внутри шлюзов. Как сжатие, так и декомпрессия должны быть тщательными, и это не может занимать меньше указанного времени. Остановки всего на несколько минут в шлюзах недостаточно, и это неполное сжатие или декомпрессия являются истинной причиной кессонной болезни. Рабочие становятся беспечными после того, как некоторое время поработают в сжатом воздухе, и пытаются свести эту утомительную операцию к минимуму, отсюда обязанность инженера строго соблюдать это правило. Лечебные меры должны состоять в постоянном медицинском обслуживании рядом с шахтами и создании больницы со сжатым воздухом, где рабочие, пострадавшие от кессонной болезни из-за недостаточной декомпрессии, могут получать помощь и лечение.

ТОННЕЛИ ПОД РЕКОЙ ГУДЗОН ПЕНСИЛЬВАНСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ. [13]

Тоннели, построенные под рекой Гудзон для Пенсильванской железной дороги, состоят из двух параллельных труб, проложенных бок о бок на расстоянии 14 футов друг от друга. Трубы имеют круглое поперечное сечение, внешний диаметр 23 фута и облицованы чугунными кольцами. Тоннели прокладывались от двух шахт: одна на восточном берегу реки Гудзон возле 32-й улицы и 11-й авеню в Нью-Йорке, другая в Уихокене, Нью-Джерси, возле пирсов железной дороги Эри. Горизонтальное расстояние между шахтами составляло 6550 футов. Постоянная шахта в Уихокене была построена по квадратному плану со стороной 130 футов. Она была облицована бетонной кладкой, а стены имели уклон, образуя форму перевернутого усеченного конуса. В нижней части она была снабжена пятью отверстиями: четыре из них используются поездами, которые ходят по открытому участку, пятое ведет к расположенной неподалеку электростанции. Во время строительства тоннелей одна треть этой шахты использовалась для наземной части тоннеля под Берген-Хилл, в то время как остальные две трети были отведены под строительство тоннеля под рекой. Рабочая шахта на острове Манхэттен была боковой шахтой прямоугольного плана размером 30 на 22 фута, причем сам тоннель соединялся двумя выработками размером 10 на 10 футов каждая. Щитовые камеры длиной 23 фута располагались по обе стороны реки непосредственно перед шахтами. На нью-йоркской стороне щиты, по одному на каждую трубу, были построены внутри чугунной обделки щитовой камеры, а подъемные приспособления были подвешены к чугунной обделке. Монтаж на стороне Уихокена производился в открытой скальной выработке, где использовались деревянные подмости. После того как щиты были закончены и установлены в положение, в хвосте щита были смонтированы первые два кольца обделки. Эти кольца были прочно закреплены к скале и обделке камеры; затем щиты были продвинуты вперед собственными домкратами, было построено еще одно кольцо и так далее.

[13] Сокращено по статье Джеймса Форги, «Eng. News», том LVI, и Г. Б. Хьюэтта и У. Л. Брауна, «Proc. Am. Soc. C. E.», том XXXVI.

Вид щита сзади.

Вертикальный разрез.

Увеличенная иллюстрация

Половина разреза A-B.

Половина разреза C-D.

Горизонтальный разрез.

Увеличенная иллюстрация

Рис. 138. — Общие виды и разрезы щита.

Щит.

— Щиты, использованные в этих тоннелях, были спроектированы г-ном Джеймсом Форги, членом Института гражданских инженеров и Американского общества гражданских инженеров, и были снабжены тремя новшествами: сегментными дверями, выдвижными платформами и съемным козырьком. Щиты (рис. 138) были круглыми, 23 фута 6 1/4 дюйма в наружном диаметре и 16 футов длиной, не считая козырька. Хвост щита перекрывал обделку, максимум составлял 6 футов 4 1/2 дюйма при обычной работе; минимум — 2 фута во время операции по извлечению любого домкрата для ремонта. Щиты имели только одну поперечную переборку, состоящую из двух сплошных горизонтальных платформ и трех вертикальных перегородок, усиливающих угловые листовые ребра до и после камер домкратов. Они были соединены уголками и обшивкой, которые образовывали кольцеобразную раму толщиной 25 дюймов в радиальном направлении и почти 5 футов длиной. Между вертикальными и горизонтальными перегородками были оставлены отверстия, которые частично или полностью закрывались сегментными дверями, поворачивающимися на оси, параллельной плоскости переборки щита. На каждом щите было девять таких отверстий, чистая ширина составляла 2 фута 7 дюймов, высота варьировалась от 2 футов 2 дюймов до 3 футов 4 дюймов в зависимости от расположения. Козырек в передней части щита был спроектирован так, чтобы его можно было отсоединить под землей, и был изготовлен из полных сегментов, чтобы обеспечить легкую сборку или демонтаж. Козырек был выдвинут до верхней платформы, защищая таким образом только свод выработки. Он крепился к щиту с помощью болтов, а при снятии заменялся литой стальной режущей кромкой, состоящей из 24 секций и расположенной по всему периметру щита. Восемь выдвижных платформ, еще одна особенность этого щита, могли выдвигаться на 2 фута 9 дюймов перед щитом с помощью гидравлических домкратов и в выдвинутом состоянии могли выдерживать давление 7900 фунтов на кв. фут. Эти выдвижные платформы использовались в качестве козырьков для защиты рабочих, трудящихся в рыхлых грунтах, в то время как в скальных породах они позволяли вести бурение и взрывные работы на трех уровнях. Водяной затвор или «птичий фонтан» был сконструирован в задней части переборки щита с помощью уголкового железа, к которому были приболчены стальные листы. Отверстие к забою было настолько просторным, что в экстренной ситуации рабочие могли легко спастись, перебравшись через этот затвор в безопасное место. Кроме того, с помощью сжатого воздуха этого было достаточно, чтобы идеально перекрыть водоносный грунт в случае обрушения забоя. Включая домкраты и эректор, общий вес щита составлял 193 тонны.