Трассы под землей
Искусство прокладки тоннельных сооружений было известно уже в древнем мире (Ассирия, Греция, Египет, Рим).
За 3600 лет до н. э. древние египтяне вели подземные работы при устройстве храмов и гробниц и в каменоломнях. Различного вида тоннельные выработки обнаружены также в Индии, где часто строили подземные ходы к храмам и гробницам. В Турции много столетий назад был сооружен тоннель у города Селенции. Большое поперечное сечение этого тоннеля (ширина 71 м и высота 7 м) использовалось для судоходства и подачи воды. Подземные лабиринты и катакомбы Древнего Рима представляют собой большие подземные каменоломни, где добывались известняк и туф. Имеются примеры использования древних водопроводных тоннелей и в настоящее время. В их числе можно назвать тоннель близ Неаполя, имеющий поперечное сечение 8х9 м и длину 1200 м. Все тоннели древности сооружались путем выемки мягкого грунта кирками и лопатами, а скалистого — путем выдалбливания с помощью клиньев и других ручных инструментов, а также огневым способом, при котором скала раскалялась огнем огромного костра с последующим охлаждением водой или уксусом, в результате чего она растрескивалась, крошилась, и таким образом облегчалась дальнейшая ее разработка. В России следы огневого метода разработки обнаружены в древних рудниках Урала и Сибири, в недрах которых сохранились кожаные мешки, использовавшиеся для поливки водой раскаленной огнем породы. Благоприятствовавшие подземным работам топографические и геологические условия Кавказа способствовали широкому развитию в далекой древности подземного строительства у кавказских народов. Можно полагать, что они являются пионерами подземного строительства на территории бывшего СССР. Сильно распространенные в пределах Малого Кавказа туфовые и лавовые породы объясняют развитие здесь строительства пещер. Значительных масштабов подземные сооружения на Кавказе прекрасно сохранились и до наших дней. Грандиозным и сложным пещерным комплексом Кавказа (V-XIII вв.) является высеченный в скале город Вардзиа, строители которого удачно разрешили совокупность сложных и трудных для того времени задач — таких, как снабжение пещерного города водой, естественным светом и воздухом. По свидетельству Ксенофонта (IV-V вв. до н.э.), армяне, обитавшие на холодном плоскогорье, жили в обширных подземельях, куда опускались по лестницам и наклонным ходам. В более позднее время подземные работы на Кавказе велись для целей сообщения. Так, в произведениях грузинского писателя Александра Казбеша упоминается о тоннеле на дороге с Северного Кавказа в Грузию.
Вследствие ограниченности технических средств возведение наиболее значительных тоннелей далекого прошлого длилось десятилетиями, а завершение такого строительства расценивалось как историческое событие. Так, на строительстве тоннеля под горой Сальвино протяжением 5 км, сооруженного древними римлянами, работало в течение 11 лет 30 тыс. человек. В древности тоннели использовали и для военных целей — например, для проходки под стенами осажденных городов с целью разрушения стен и открытия доступа в город. Так, при осаде Казани русскими войсками 31 августа 1552 г. Иван IV призвал розмысла (инженера) Алексея Адашева и велел ему сделать большой подкоп под город. Затем, узнав, что казанцы берут воду из ключа- тайника близ одних ворот, к которому ходят подземным путем, Иван IV приказал Адашеву с его учеником сделать другой подкоп под этот подземый путь у каменной башни. К 4 сентября 1552 г. подкоп под тайник был готов. В 1657 г. смоленский розмысел Василий Азанчеев попытался построить подводный тоннель под рекой Москвой. Три раза начинал он «подкопное дело делать по высмотру своему», но из-за большого поступления воды попытка осталась незавершенной. Следует отметить, что первый подводный тоннель под рекой Темзой в Лондоне был начат строительством в 1807 г., то есть 150 лет спустя после попытки Василия Азанчеева. В русских летописях того времени встречаются такие записи: «подкопщиков хотят найти», что свидетельствует о ведении подземных работ в Древней Руси. Строителем выдающихся инженерных сооружений в XVIII в. К.Д. Фроловым была создана первая гидросиловая подземная установка на Змеиногорском руднике (Алтай). Это инженерное сооружение, созданное в начале 80-х годов XVIII в., предназначалось для подъема из шахт и перемещения руды, а также для водоотлива. В подземных камерах высотой, достигавшей 21 м, располагались гигантские деревянные колеса диаметром 17 м. Общая протяженность всех подземных помещений составляла около 2,5 км.
Среди первых в мире транспортных тоннелей-каналов заслуживают внимания построенные во Франции тоннель Мальпас на Лангедокском и тоннель на Сен-Кентенском каналах. Тоннель Мальпас длиной 157 м был построен в течение 1679-1681 гг. в твердой скале, выработка которой была осуществлена с использованием механических паровых ударников. Тоннель Транкуа, расположенный на расстоянии около 130 км к северо-востоку от Парижа, был проложен в XVIII в. в слабых песчаных грунтах, причем здесь впервые применялась деревянная арочная инструкция для поддержания потолка выработки при проходке. Среди первых тоннелей Англии упоминается тоннель длиной 1,6 км, сооружение которого приписывается строителю канала Бриджуотер Джеймсу Бриндлэю. В числе первых английских железнодорожных тоннелей заслуживают внимания тоннель Бокс Хилл длиной около 3 км, построенный Брюннелем в различных грунтах (глина, известняки, супесь) и стоивший жизни сотням рабочих; тоннель Килсби длиной около 2,5 км, построенный Стивенсоном на железной дороге Лондон — Бирмингем, и, наконец, три тоннеля (на Манчестерской, Бирмингемской и Шеффилдской железных дорогах) каждый длиной 4,8 км, сооруженные в 1830 г. В 1843 г., после многократных попыток, длившихся в течение 40 лет, под рекой Темзой в Лондоне Брюннелем был проложен первый подводный тоннель длиной 3,66 км. На строительстве этого тоннеля он впервые применил проходческий металлический щит весом 120 т с 36 перегородками, который был им запатентован в 1818 г. При постройке метрополитена в Москве обнаружен ряд подземных сооружений, имевших, очевидно, оборонное значение. Такие же подземные сооружения найдены при раскопках в Новгороде и других городах. Так, в Новгороде при раскопках на участке между кремлевской стеной и Софийской звонницей были открыты три подземные камеры, соединенные с новгородской крепостью и служившие, вероятно, военным целям. Сохранившаяся лучше других самая большая южная камера имеет размеры в плане 4,48х4,45 м и наибольшую высоту 5,65 м. Массивные стены камеры, выложенные из плитного камня вперемешку с кирпичом, имеют толщину 1,6 м. Камера покрыта коробовым кирпичным сводом. В ней устроены два дверных проема шириной 1,7 и высотой 2,0 м. Один из них ведет во вторую камеру, а другой — в подземный ход к звоннице. Стены камеры были покрыты штукатуркой, частично сохранившейся. Строительство камеры относится к XVI в., то есть ко времени сооружения Софийской звонницы.
Изобретение в середине XIX в. нитроглицерина и применение его для взрывных работ, а также изобретение проходческого щита создали резкий поворот в истории техники и обусловили технический прогресс подземного строительства. Таким образом, в середине XIX в. строители подземных сооружений располагали механизированными средствами для производства тоннельных работ. Необходимость в сооружении тоннелей вызывалась главным образом наличием на трассах прокладываемых путей естественных препятствий, обход которых представлял большие затруднения и требовал значительной затраты средств. Развитие транспортной сети в XVIII и XIX вв. привело к дальнейшему развитию тоннельного строительства. Из построенных в XIX и начале XX вв. крупных тоннелей можно отметить тоннель Мон-Сени в Альпах протяженностью 12,8 км (1857-1871 гг.), Сен-Готардский тоннель протяженностью 14,98 км (1872-1881 гг.), Симплонский железнодорожный тоннель через Альпы протяженностью 19,73 км (1895-1906 гг.). Первыми железнодорожными тоннелями, построенными в России, были два тоннеля на Варшавской железной дороге (1859-1862 гг.). В 1890 г. был построен Сурамский тоннель на Кавказе протяженностью 4 км, принадлежавший к числу крупнейших тоннелей России. Наряду с сооружением горных железнодорожных тоннелей широко развивалось строительство тоннелей специального назначения — судоходных, коммунальных.
В числе подземных сооружений СССР одно из первых мест по масштабам и технике работ занимает строительство метрополитена. Передовой лабораторией подземного строительства явилось сооружение Московского метрополитена. Опыт московских метростроевцев с успехом перенесен на многие отечественные стройки, в том числе на строительство Ленинградского и Киевского метрополитенов, строительство тоннельного участка главного оросительного канала на Волго-Донском судоходном канале им. В.И. Ленина. Основной метод работы в отечественном метростроении — щитовой, заключающийся в разработке грунта под защитой мощной стальной крепи (так называемого проходческого щита). Разработка ведется в передней — ножевой — части. В задней — хвостовой — части помещается специальный механизм (эректор) для монтажа сборной обделки тоннеля и механизмы передвижки щита. Передвижка щита производится при помощи мощных гидравлических домкратов. В конструкцию щита входит скребковый погрузчик, при помощи которого порода грузится на вагонетки, поднимаемые на поверхность с помощью клети. Для погрузки породы в вагонетки применяется также транспортер. Щитовой метод проходки не требует крепей, как это имеет место при горном способе, что обусловливает полную безопасность работы. Разработка породы ведется под прикрытием щита специальными электрическими или пневматическими машинами, среди которых широко применяются ковшовая электрическая машина ЭПМ-1 производительностью 25 м3 грунта в час и пневматическая механическая лопата ПМЛ производительностью 10 м3/час. Щитовой метод проходки с механизированной разработкой и отвозкой породы позволил довести механизацию работ до 80-85%. В целях дальнейшего совершенствования техники подземного строительства отечественной промышленностью освоены и выпущены новые конструкции механизированных щитов с режущими и убирающими устройствами, полностью заменяющими тяжелый труд проходчиков, в том числе механизированный щит- экскаватор системы Волкова, механизированный щит Каханова и Казанского, механизированный щит М-3. Несмотря на грандиозность этих машин, втрое превышающих по своему диаметру обычный механизированный щит, работой такой машины, производящей резку и уборку грунта, а также установку сборной облицовки тоннеля, управляет один механик. Однако и эти передовые решения не останавливают дальнейших разработок новых, еще более совершенных, конструкций машин и приемов разработки тоннелей метрополитена. Одним из таких решений является разработка при помощи железобетонной кессонной секции, в которую вдвигаются проходческие щиты. Для устройства гидроизоляции тоннелей применяются новые виды материалов — металлоизол (на алюминиевой основе), расширяющийся цемент.
По материалам www.findstroy.ru подготовил
Сергей ЗОЛОТОВ
За 3600 лет до н. э. древние египтяне вели подземные работы при устройстве храмов и гробниц и в каменоломнях. Различного вида тоннельные выработки обнаружены также в Индии, где часто строили подземные ходы к храмам и гробницам. В Турции много столетий назад был сооружен тоннель у города Селенции. Большое поперечное сечение этого тоннеля (ширина 71 м и высота 7 м) использовалось для судоходства и подачи воды. Подземные лабиринты и катакомбы Древнего Рима представляют собой большие подземные каменоломни, где добывались известняк и туф. Имеются примеры использования древних водопроводных тоннелей и в настоящее время. В их числе можно назвать тоннель близ Неаполя, имеющий поперечное сечение 8х9 м и длину 1200 м. Все тоннели древности сооружались путем выемки мягкого грунта кирками и лопатами, а скалистого — путем выдалбливания с помощью клиньев и других ручных инструментов, а также огневым способом, при котором скала раскалялась огнем огромного костра с последующим охлаждением водой или уксусом, в результате чего она растрескивалась, крошилась, и таким образом облегчалась дальнейшая ее разработка. В России следы огневого метода разработки обнаружены в древних рудниках Урала и Сибири, в недрах которых сохранились кожаные мешки, использовавшиеся для поливки водой раскаленной огнем породы. Благоприятствовавшие подземным работам топографические и геологические условия Кавказа способствовали широкому развитию в далекой древности подземного строительства у кавказских народов. Можно полагать, что они являются пионерами подземного строительства на территории бывшего СССР. Сильно распространенные в пределах Малого Кавказа туфовые и лавовые породы объясняют развитие здесь строительства пещер. Значительных масштабов подземные сооружения на Кавказе прекрасно сохранились и до наших дней. Грандиозным и сложным пещерным комплексом Кавказа (V-XIII вв.) является высеченный в скале город Вардзиа, строители которого удачно разрешили совокупность сложных и трудных для того времени задач — таких, как снабжение пещерного города водой, естественным светом и воздухом. По свидетельству Ксенофонта (IV-V вв. до н.э.), армяне, обитавшие на холодном плоскогорье, жили в обширных подземельях, куда опускались по лестницам и наклонным ходам. В более позднее время подземные работы на Кавказе велись для целей сообщения. Так, в произведениях грузинского писателя Александра Казбеша упоминается о тоннеле на дороге с Северного Кавказа в Грузию.
Вследствие ограниченности технических средств возведение наиболее значительных тоннелей далекого прошлого длилось десятилетиями, а завершение такого строительства расценивалось как историческое событие. Так, на строительстве тоннеля под горой Сальвино протяжением 5 км, сооруженного древними римлянами, работало в течение 11 лет 30 тыс. человек. В древности тоннели использовали и для военных целей — например, для проходки под стенами осажденных городов с целью разрушения стен и открытия доступа в город. Так, при осаде Казани русскими войсками 31 августа 1552 г. Иван IV призвал розмысла (инженера) Алексея Адашева и велел ему сделать большой подкоп под город. Затем, узнав, что казанцы берут воду из ключа- тайника близ одних ворот, к которому ходят подземным путем, Иван IV приказал Адашеву с его учеником сделать другой подкоп под этот подземый путь у каменной башни. К 4 сентября 1552 г. подкоп под тайник был готов. В 1657 г. смоленский розмысел Василий Азанчеев попытался построить подводный тоннель под рекой Москвой. Три раза начинал он «подкопное дело делать по высмотру своему», но из-за большого поступления воды попытка осталась незавершенной. Следует отметить, что первый подводный тоннель под рекой Темзой в Лондоне был начат строительством в 1807 г., то есть 150 лет спустя после попытки Василия Азанчеева. В русских летописях того времени встречаются такие записи: «подкопщиков хотят найти», что свидетельствует о ведении подземных работ в Древней Руси. Строителем выдающихся инженерных сооружений в XVIII в. К.Д. Фроловым была создана первая гидросиловая подземная установка на Змеиногорском руднике (Алтай). Это инженерное сооружение, созданное в начале 80-х годов XVIII в., предназначалось для подъема из шахт и перемещения руды, а также для водоотлива. В подземных камерах высотой, достигавшей 21 м, располагались гигантские деревянные колеса диаметром 17 м. Общая протяженность всех подземных помещений составляла около 2,5 км.
Среди первых в мире транспортных тоннелей-каналов заслуживают внимания построенные во Франции тоннель Мальпас на Лангедокском и тоннель на Сен-Кентенском каналах. Тоннель Мальпас длиной 157 м был построен в течение 1679-1681 гг. в твердой скале, выработка которой была осуществлена с использованием механических паровых ударников. Тоннель Транкуа, расположенный на расстоянии около 130 км к северо-востоку от Парижа, был проложен в XVIII в. в слабых песчаных грунтах, причем здесь впервые применялась деревянная арочная инструкция для поддержания потолка выработки при проходке. Среди первых тоннелей Англии упоминается тоннель длиной 1,6 км, сооружение которого приписывается строителю канала Бриджуотер Джеймсу Бриндлэю. В числе первых английских железнодорожных тоннелей заслуживают внимания тоннель Бокс Хилл длиной около 3 км, построенный Брюннелем в различных грунтах (глина, известняки, супесь) и стоивший жизни сотням рабочих; тоннель Килсби длиной около 2,5 км, построенный Стивенсоном на железной дороге Лондон — Бирмингем, и, наконец, три тоннеля (на Манчестерской, Бирмингемской и Шеффилдской железных дорогах) каждый длиной 4,8 км, сооруженные в 1830 г. В 1843 г., после многократных попыток, длившихся в течение 40 лет, под рекой Темзой в Лондоне Брюннелем был проложен первый подводный тоннель длиной 3,66 км. На строительстве этого тоннеля он впервые применил проходческий металлический щит весом 120 т с 36 перегородками, который был им запатентован в 1818 г. При постройке метрополитена в Москве обнаружен ряд подземных сооружений, имевших, очевидно, оборонное значение. Такие же подземные сооружения найдены при раскопках в Новгороде и других городах. Так, в Новгороде при раскопках на участке между кремлевской стеной и Софийской звонницей были открыты три подземные камеры, соединенные с новгородской крепостью и служившие, вероятно, военным целям. Сохранившаяся лучше других самая большая южная камера имеет размеры в плане 4,48х4,45 м и наибольшую высоту 5,65 м. Массивные стены камеры, выложенные из плитного камня вперемешку с кирпичом, имеют толщину 1,6 м. Камера покрыта коробовым кирпичным сводом. В ней устроены два дверных проема шириной 1,7 и высотой 2,0 м. Один из них ведет во вторую камеру, а другой — в подземный ход к звоннице. Стены камеры были покрыты штукатуркой, частично сохранившейся. Строительство камеры относится к XVI в., то есть ко времени сооружения Софийской звонницы.
Изобретение в середине XIX в. нитроглицерина и применение его для взрывных работ, а также изобретение проходческого щита создали резкий поворот в истории техники и обусловили технический прогресс подземного строительства. Таким образом, в середине XIX в. строители подземных сооружений располагали механизированными средствами для производства тоннельных работ. Необходимость в сооружении тоннелей вызывалась главным образом наличием на трассах прокладываемых путей естественных препятствий, обход которых представлял большие затруднения и требовал значительной затраты средств. Развитие транспортной сети в XVIII и XIX вв. привело к дальнейшему развитию тоннельного строительства. Из построенных в XIX и начале XX вв. крупных тоннелей можно отметить тоннель Мон-Сени в Альпах протяженностью 12,8 км (1857-1871 гг.), Сен-Готардский тоннель протяженностью 14,98 км (1872-1881 гг.), Симплонский железнодорожный тоннель через Альпы протяженностью 19,73 км (1895-1906 гг.). Первыми железнодорожными тоннелями, построенными в России, были два тоннеля на Варшавской железной дороге (1859-1862 гг.). В 1890 г. был построен Сурамский тоннель на Кавказе протяженностью 4 км, принадлежавший к числу крупнейших тоннелей России. Наряду с сооружением горных железнодорожных тоннелей широко развивалось строительство тоннелей специального назначения — судоходных, коммунальных.
В числе подземных сооружений СССР одно из первых мест по масштабам и технике работ занимает строительство метрополитена. Передовой лабораторией подземного строительства явилось сооружение Московского метрополитена. Опыт московских метростроевцев с успехом перенесен на многие отечественные стройки, в том числе на строительство Ленинградского и Киевского метрополитенов, строительство тоннельного участка главного оросительного канала на Волго-Донском судоходном канале им. В.И. Ленина. Основной метод работы в отечественном метростроении — щитовой, заключающийся в разработке грунта под защитой мощной стальной крепи (так называемого проходческого щита). Разработка ведется в передней — ножевой — части. В задней — хвостовой — части помещается специальный механизм (эректор) для монтажа сборной обделки тоннеля и механизмы передвижки щита. Передвижка щита производится при помощи мощных гидравлических домкратов. В конструкцию щита входит скребковый погрузчик, при помощи которого порода грузится на вагонетки, поднимаемые на поверхность с помощью клети. Для погрузки породы в вагонетки применяется также транспортер. Щитовой метод проходки не требует крепей, как это имеет место при горном способе, что обусловливает полную безопасность работы. Разработка породы ведется под прикрытием щита специальными электрическими или пневматическими машинами, среди которых широко применяются ковшовая электрическая машина ЭПМ-1 производительностью 25 м3 грунта в час и пневматическая механическая лопата ПМЛ производительностью 10 м3/час. Щитовой метод проходки с механизированной разработкой и отвозкой породы позволил довести механизацию работ до 80-85%. В целях дальнейшего совершенствования техники подземного строительства отечественной промышленностью освоены и выпущены новые конструкции механизированных щитов с режущими и убирающими устройствами, полностью заменяющими тяжелый труд проходчиков, в том числе механизированный щит- экскаватор системы Волкова, механизированный щит Каханова и Казанского, механизированный щит М-3. Несмотря на грандиозность этих машин, втрое превышающих по своему диаметру обычный механизированный щит, работой такой машины, производящей резку и уборку грунта, а также установку сборной облицовки тоннеля, управляет один механик. Однако и эти передовые решения не останавливают дальнейших разработок новых, еще более совершенных, конструкций машин и приемов разработки тоннелей метрополитена. Одним из таких решений является разработка при помощи железобетонной кессонной секции, в которую вдвигаются проходческие щиты. Для устройства гидроизоляции тоннелей применяются новые виды материалов — металлоизол (на алюминиевой основе), расширяющийся цемент.
По материалам www.findstroy.ru подготовил
Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 23 за 2007 год в рубрике дороги
