Железнодорожный тоннель – протяженное подземное искусственное сооружение на железной дороге, предназначенное для пропуска ж.-д. подвижного состава на участках высотных или контурных препятствий. По числу путей ж.-д. тоннели делятся на однопутные и двухпутные. По расположению на трассе различают горные, равнинные и подводные ж.-д. тоннели. Горные тоннели пересекают горные хребты, водоразделы, отдельные возвышенности, обходят участки осыпей, оползней, снежных лавин и заносов. Они бывают перевальные (базисные и вершинные), косогорные (петлевые и спиральные), мысовые. Равнинные тоннели в основном сооружаются в городской черте (например, глубокие вводы, соединяющие открытые участки ж. д. с подземными вокзалами в центральной части города); подводные – располагаются под руслами рек, дном водоемов, каналов, проливов или заливов.
Наибольшее развитие получило строительство горных ж.-д. тоннелей. Первые горные тоннели в России – Ковенский длиной 1280 м и Виленский длиной 430 м – построены в 1859-1862 гг. на Петербург-Варшавской дороге. Затем были сооружены ж.-д. тоннели в горных районах Крыма, Урала, Кавказа, Сибири, Дальнего Востока. Большое число горных тоннелей построено при прокладке Транссибирской магистрали: в горных отрогах Восточных Саян, вдоль берега Байкала (39 тоннелей на Кругобайкальской ж. д.). В 1890 г. было завершено строительство самого крупного в России двухпутного Сурамского тоннеля длиной 3998 м на Кавказе. Особенно большое развитие получило строительство ж.-д. тоннелей после Великой Отечественной войны. В кон. 40-50-х гг. 20 в. построены тоннели на Армавир-Туапсинской, Черноморской ж. д., на линии Абакан-Тайшет (5 тоннелей общей длиной 8,64 км), Росвумчорский тоннель длиной 5 км. Существенно увеличился объем ж.-д. тоннелестроения в связи с прокладкой Байкало-Амурской дороги, на трассе которой сооружено 11 тоннелей общей длиной 34,55 км, в т. ч. два наиболее протяженных – Байкальский (6,7 км) и Северо-Муйский (15,3 км).
За рубежом первый ж.-д. тоннель был построен в Великобритании в 1826-1830 гг. на линии Ливерпул-Манчестер (длиной 1190 м). Наибольшую протяженность имеют сооруженные в кон. 19 – нач. 20 вв. однопутные ж.-д. тоннели в Альпах: самый длинный в мире для того времени Симплонский (19780 м), Сен-Готардский (14 984 м), Мон-Сенисский (12 850 м) и др., а также двухпутный Большой Апеннинский тоннель (18510 м). К числу крупнейших ж.-д. тоннелей относится двухпутный Моффатский (9920 м). Существенного размаха достигло ж.-д. тоннелестроение в Японии; в 1970-х гг. на ж.-д. линии Осака-Окаяма построено 32 тоннеля, в т. ч. двухпутный тоннель Рокко (16 200 м). Завершена проходка самого длинного подводного ж.-д. тоннеля под проливом Цугару между островами Хонсю и Хоккайдо (36 400 м). В последнее десятилетие 20 в. строительство ж.-д. тоннелей, особенно в Европе и Азии, получило большой размах. Так, под дном пролива Ла-Манш проложены два параллельных тоннеля длиной по 37 км; на ж.-д. переходе Дания-Швеция построены: через пролив Б. Бельт два тоннеля по 7,3 км, через пролив Эресунн – 3,7 км; в Альпах сооружают и проектируют ряд базисных тоннелей для европейской сети высокоскоростных ж. д. длиной по 15-20 км.
Параметры и геометрические характеристики ж.-д. тоннеля – глубина заложения, длина, продольный профиль, очертание в плане, форма и размеры поперечного сечения – определяются эксплуатационными требованиями (категория ж. д., число путей, расположение трассы, вид тяги и др.), природными факторами (топографические, геологические, гидрогеологические и климатические условия), строительными требованиями (способы производства работ, применяемое горнопроходческое оборудование и т.д.).
Поперечное сечение ж.-д. тоннеля имеет, как правило, подковообразную форму, а его размеры обусловлены числом путей и габаритом проезда в тоннеле. На двухпутных ж. д. располагают один двухпутный или два однопутных тоннеля. В благоприятных инженерно-геологических условиях предпочтительна прокладка двухпутных тоннелей на прямых участках. Трасса и рельеф местности часто диктуют необходимость искривления оси тоннеля, что приводит к увеличению площади его поперечного сечения, большему расходу материалов, удорожанию строительных работ при ухудшении вентиляции и возрастании сопротивления движению поездов.
Требования к криволинейным участкам ж.-д. тоннеля аналогичны предъявляемым к открытым участкам ж. д. Продольный профиль тоннеля бывает одно- и двухскатным. Допускаются горизонтальные разделительные площадки длиной 200-400 м. Уклоны в ж.-д. тоннеле и на подходных участках принимают не более руководящего уклона продольного профиля ж.-д. линии, а при длине тоннеля более 300 м их уменьшают умножением руководящего уклона на коэффициент 0,75-0,9.
При трассировании ж. д. осуществляют геодезическо-маркшейдерские работы, в ходе которых определяют направление и длину оси тоннеля, производят разбивку продольного профиля и поперечных сечений. Проектированию ж.-д. тоннелей предшествуют инженерно-геологические изыскания на трассе, в результате которых выявляют геологическое и тектоническое строение горного массива, состав и свойства горных пород в обнажении и ожидаемое горное давление, наличие водоносных горизонтов, ожидаемые водопритоки и гидростатическое давление, температуру и состав подземных вод, наличие и состав подземных газов, температуру пород, сейсмичность района строительства, наличие вечной мерзлоты. Инженерно-геологические изыскания осуществляют на этапе рекогносцировочной съемки в основном с помощью шурфов, а на этапе детальных изысканий – бурением разведочных скважин, геофизическими методами, проходкой разведочных штолен.
Составные элементы ж.-д. тоннеля – тоннельные конструкции, к которым относятся:
обделка тоннеля, гидроизоляция, водоотводные устройства, нижнее и верхнее строения пути, порталы, камеры и ниши, а также системы освещения и энергоснабжения, вентиляционные устройства (при необходимости), устройства сигнализации, блокировки и связи, обеспечивающие бесперебойное и безопасное движение поездов. На входах обделка сопрягается с порталами, укрепляющими лобовые откосы и архитектурно оформляющими тоннель; устраивают площадки, укрепляют откосы предпортальной выемки. Для безопасного обслуживания и содержания тоннеля в нем сооружают через каждые 300 м камеры для хранения и укрытия оборудования, используемого при эксплуатации и ремонте, а также через 60 м (в шахматном порядке) ниши для временного укрытия персонала. В однопутных тоннелях с обделкой кругового очертания устраивают по всей длине тоннеля с одной его стороны площадку для прохода людей с перилами и с лестничными сходами через 30 м.
Тоннельные обделки в зависимости от свойств горных пород разделяются по своей конструкции на несущие и облицовочные. Несущие обделки рассчитаны на восприятие внешнего горного и гидростатического давлений, а также других силовых воздействий и должны обладать достаточной прочностью, жесткостью, устойчивостью и водонепроницаемостью, чтобы обеспечивать надежную и долговечную эксплуатацию тоннеля. Облицовочные обделки устраивают в крепких невыветри-вающихся скальных грунтах, не проявляющих горного давления; их назначение состоит в ограждении зоны движения поездов от возможного падения отдельных кусков породы, капежа подземных вод, а также в выравнивании поверхности выработки. Конструкция обделки тоннеля состоит из свода, стен и лотка или обратного свода (рис. 3.75). Выбор типа обделки обусловлен состоянием и свойствами горных пород с учетом наиболее целесообразного способа производства проходческих работ. В крепких скальных грунтах часто применяют обделку в виде свода, опирающегося на породу, с незакрепленными или закрепленными облицовкой стенами. В скальных грунтах средней крепости обделке придают форму подъемистого свода с плоским лотком, при гидростатическом давлении, а также в слабых скальных грунтах – с обратным сводом. В ряде случаев при щитовой проходке ж.-д. тоннеля в слабых неустойчивых грунтах, обычно встречаемых на припортальных участках, сооружают сборную обделку кругового очертания. В последнее время за рубежом находят применение т. н. гибкие тонкостенные обделки, использующие природную несущую способность горного массива.
Большое значение имеет защита ж.-д. тоннелей от поступления в них поверхностных и подземных вод. Для этого применяют осушение горного массива, уплотнение окружающих горных пород, гидроизоляцию. При осушении массива организуют поверхностный водоотвод и дренирование подземных вод (посредством дренажных штолен, скважин, за-обделочных прорезей). Уплотнение горных пород в окрестности тоннеля приводит к образованию вокруг тоннельной выработки водоупорного тампонажного слоя. С этой целью проводят цементацию, глинизацию, силикатизацию или битумизацию пород, а также нагнетают растворы непосредственно за обделку.
Гидроизоляция монолитных тоннельных обделок обеспечивает их полную герметизацию. Наружную гибкую гидроизоляцию помещают между обделкой и поверхностью выработки, выровненной слоем цементно-песчаного раствора. Внутреннюю гидроизоляцию, которая в зависимости от применяемых материалов может быть жесткой или гибкой, устраивают по внутренней поверхности обделки. Жесткая гидроизоляция из слоя торкрет-раствора, армированного стальной сеткой, целесообразна в трещиностойких конструкциях обделок. В иных конструкциях, а также при гидростатическом давлении св. 0,15 МПа устраивают гибкую гидроизоляцию, прижимаемую к обделке внутренней железобетонной «рубашкой», воспринимающей гидростатическое давление. В качестве гибкой гидроизоляции используют рулонный гидроизол и металлоизол на битумной мастике, гидростеклоизол, наклеиваемый оплавлением битумного слоя, нанесенного на основу из стеклоткани, и полимерные пленки, свариваемые по стыкам. При гидроизоляции сборных обделок производят чеканку швов расширяющимся цементом, установку в болтовых и других отверстиях сферических шайб и пробок с асбобитумными или полиэтиленовыми уплотнителями.
Верхнее строение пути в ж.-д. тоннеле обычно проектируют, как и для открытых участков ж. д. Однако в связи с трудностью ведения ремонтных работ в тоннелях для них разработаны более долговечные безбалластные конструкции на плитах.
В транспортной зоне ж.-д. тоннеля скапливаются вредные вещества, выделяемые при прохождении поездов, а также (иногда) токсичные газы, проникающие из окружающих пород. Кроме того, в тоннелях, как правило, повышены влажность и температура воздуха. Для создания нормальных условий эксплуатации в ж.-д. тоннелях осуществляется естественная или принудительная вентиляция. Если воздухообмен требуется только для компенсации тепловыделений, то предельная температура удаляемого из тоннеля воздуха принимается равной 35 °С. Систему вентиляции выбирают в зависимости от длины тоннеля и вида тяги. Вентиляцию с механическим побуждением назначают: для тепловозной тяги – при длине тоннеля 300-1000 м в случае, если расчеты показывают необходимость в искусственном проветривании, и в обязательном порядке, если длина тоннеля свыше 1000 м; для электровозной тяги – при длине тоннеля более 1000 м и при обосновании расчетом. При меньшей длине тоннеля используется естественная вентиляция, которая создается под действием теплового, барометрического и ветрового напоров. Эти природные факторы непостоянны, поэтому естественное проветривание не всегда эффективно и заметно ухудшается при длине тоннеля свыше 1000 м. Естественная вентиляция зависит также от поршневого действия поезда: при его движении в направлении потока воздуха – улучшается, а в противоположном направлении – ухудшается.
В ж.-д. тоннеле устраивают электрическое стационарное освещение с горизонтальной освещенностью на уровне головки рельсов не менее 1 лк. Питание силовых и осветительных сетей осуществляют переменным током напряжением 380/220 В от ближайших источников: тяговой подстанции, энергетической системы, промышленных и других электростанций, а также от собственных электростанций, расположенных вблизи тоннеля.
Системы сигнализации, блокировки и связи в ж.-д. тоннеле однотипны с принятыми для всего участка ж.-д. линии, на которой он расположен.
Технология строительства ж.-д. тоннеля определяется гл. обр. геологическими и гидрогеологическими условиями, а также технико-экономическими факторами. Применяют два основных способа производства работ: горный и щитовой. При строительстве подводных тоннелей рационально также использование способа опускных секций, а при сооружении глубоких вводов в черте города -открытого способа. Наиболее распространен в ж.-д. строительстве горный способ. Он включает два последовательно выполняемых технологических процесса: проходку тоннельной выработки и возведение обделки. На стадии проходки ведут разработку, погрузку и откатку породы с установкой в большинстве случаев в забое временной крепи. Возведение монолитной обделки предусматривает установку опалубки, бетонирование и выдержку бетона до набора требуемой прочности. В зависимости от крепости и устойчивости породного массива применяют различные варианты горного способа. В мягких и полускальных грунтах целесообразны способы опорного ядра, опертого свода; в скальных грунтах – способы сплошного и ступенчатого забоя, нижнего уступа и их разновидности.
В современной практике тоннелестроения отработаны рациональные технологические процессы с высокой степенью механизации. Вместе с тем ведение проходческих работ сопряжено с повышенной опасностью от вывалов и обрушения породы, что требует применения надежной временной крепи и своевременной ее установки. Распространение получили анкерная крепь и стальная арочная крепь. Анкера в виде стальных стержней длиной 1,2-3 м устанавливаются в пробуренных по контуру выработки шпурах. Различают два основных типа анкеров: с распорным замком в забое шпура и цементируемые по всей длине шпура. В ряде конструкций для закрепления анкера используют полимерные смолы. Анкера армируют зону грунта в окрестности выработки, повышая его устойчивость и монолитность. Анкерная крепь хорошо сочетается с набрызгбетонной крепью. Арочная контурная крепь состоит из отдельных сборно-разборных стальных рам, соединенных между собой и расклиненных в породный массив. Между арками устанавливают деревянную затяжку или металлическую сетку. При возможности арки перед бетонированием обделки демонтируют.
Разработку полускальных и скальных грунтов выполняют преимущественно буровзрывным способом, включающим операции бурения шпуров, их заряжения, взрывания зарядов взрывчатых веществ и проветривания. Бурение осуществляют пневматическими или гидравлическими перфораторами и электрическими сверлильными машинами. Разрушенную породу убирают погрузочными машинами на гусеничном или рельсовом ходу. Из тоннеля породу удаляют в основном рельсовым транспортом в большегрузных вагонетках: глухих, с боковой разгрузкой или с донным разгрузочным конвейером, используя при этом контактные и аккумуляторные электровозы и дизелевозы с очисткой отработавших газов. Применяют также автосамосвалы и подземные автопоезда. Обделку тоннеля бетонируют с помощью инвентарных стальных опалубок (переставных, передвижных секционных, сборно-разборных). Бетон за опалубку укладывают пневмобетононагнетателями или бетононасосами. К месту бетонирования бетонная смесь доставляется с перемешиванием в тех же пневмобетононагнетателях или автобетоновозами. Пустоты за обделкой заполняют нагнетанием цементно-песчаных и цементных растворов. Вместо буровзрывных работ в ряде случаев успешно используют механическое разрушение пород горнопроходческими комбайнами.
Щитовой способ используют в неустойчивых сыпучих или скальных выветрелых, раздробленных породах как обеспечивающий безопасность и безаварийность ведения работ. Под защитой проходческого щита в его головной части разрабатывают и убирают породу, а в хвостовой части под оболочкой монтируют сборную обделку. Щитовой способ позволяет повысить скорость проходки и существенно снизить затраты труда.
В неустойчивых водонасыщенных грунтах немеханизированные и частично механизированные щиты применяют в сочетании со специальными способами: проходкой под сжатым воздухом, с искусственным закреплением или замораживанием грунтов на коротких участках. В этих условиях все шире используют механизированные щиты с пригрузкой забоя – гидравлической, глинисто-суспензионной, грунтовой, пеногрунтовой.
В неоднородных полускальных и скальных грунтах, обеспечивающих достаточную устойчивость забоя, проходку целесообразно осуществлять механизированными щитами с фрезерным стреловым рабочим органом. В неоднородных мягких грунтах проходку тоннеля ведут при помощи щитов с экскаваторным рабочим органом. В однородных грунтах эффективно применение роторных механизированных щитов, дающих высокие технико-экономические показатели и позволяющие сооружать тоннели в широком диапазоне инженерно-геологических условий. Для проходки тоннелей в крепких устойчивых скальных грунтах успешно используют тоннелепро-ходческие машины, которые отличаются от механизированного щита отсутствием корпуса и механизма для укладки элементов обделки. Механизированные щиты применяют совместно с механизированным комплексом машин и оборудования для выполнения всех основных операций проходческого цикла.
