Проектирование трассы тоннеля. Глубина заложения Т., его длина, расположение в плане и профиле, форма поперечного сечения зависят от назначения Т., топографических, геологических и климатических условий. При проектировании и сооружении Т. выполняют комплекс геодезических работ по выбору и закреплению оси Т. в плане и профиле, по вычислению её геометрических элементов, перенесению этой оси внутрь выработки, по определению длины оси и разбивке поперечных сечений Т. По трассе Т. проводят инженерногеологические изыскания для установления геологического строения прорезаемого горного массива, характера напластований, степени устойчивости и физико-механических свойств горных пород, гидрогеологического режима и химического состава подземных вод, наличия газов, температуры в выработке, ожидаемого горного давления и т.д. Эти данные получают на основе проведения геологоразведочных работ и гидрогеологических исследований при помощи скважин, геофизическими методами и, в отдельных случаях, по результатам разведочных выработок.
В плане Т. может быть расположен (полностью или частично) на прямой и на кривой. Строительно-эксплуатационными преимуществами обладают Т., располагаемые на прямых, так как при трассировании Т. на кривых существенно возрастает объём выработки, усложняются работы по возведению тоннельных конструкций и ухудшаются условия вентиляции и видимости в Т. В ряде случаев (например, при развитии железнодорожной линии внутри горного массива) строят петлевые и спиральные Т.
Продольный профиль Т. может быть одно- и двускатным (с уклоном в обе стороны от середины Т.). По условиям водоотвода расположение Т. на горизонтальных участках не допускается. При большой длине Т. и его расположении на кривых требуется снижение уклона пути.
Материал и конструкции тоннелей. Основным материалы для возведения тоннельных обделок — монолитный бетон, монолитный и сборный железобетон, чугун и сталь. Их выбор производится в зависимости от условий района строительства и способа тоннельных работ. Монолитный бетон и железобетон применяют главным образом при прокладке Т. в труднодоступных районах (где создание производственной базы для изготовления сборных конструкций экономически нецелесообразно), а также в мягких и слабых породах, требующих возведения тоннельных обделок по частям. Применение сборных обделок, состоящих из элементов заводского изготовления (чугунных тюбингов , железобетонных блоков сплошного или ребристого сечения и др.), обусловлено повышением скоростей проходки Т. и ростом производительности труда.
Конструктивная форма обделки и её поперечное сечение определяются геологическими условиями и направлением действия на неё основных нагрузок. В слабых водоносных породах и при большом гидростатическом давлении рациональна обделка кругового очертания; в устойчивых породах, при преобладании вертикальных нагрузок — обделка подковообразной формы наиболее полно отвечает требованиям габарита приближения строений.
Расчёт конструкций тоннелей. Обделки Т. рассчитывают на наименее выгодные, но реальные сочетания нагрузок и воздействий — основных (действующих на обделку постоянно или регулярно, например горного давления), дополнительных (действующих кратковременно или периодически) и особых (главным образом сейсмических). Горное давление определяют на основе теоретических предпосылок (с учётом сводообразования, массы «столба породы» и др. факторов) или по результатам инструментальных измерений в готовых выработках. Расчёт обделок производится по предельным состояниям — на основе методов строительной механики , упругости теории и механики грунтов . При этом учитывается совместная работа обделки и породы как единой упругой системы. Расчётная схема обделки выбирается в соответствии с характером конструкции и окружающих пород, а также в зависимости от условий работ (на всех стадиях их выполнения обделка в целом или её отдельной части должны обладать достаточной прочностью и устойчивостью). Проверку прочности предварительно заданных сечений бетонной и чугунной обделок производят по несущей способности, в соответствии с требованиями строительных норм и правил .
Строительство тоннелей. В зависимости от глубины заложения Т. для его сооружения применяют либо открытый, либо закрытый способ работ. В первом случае с поверхности земли раскрывают котлован , в котором сооружаются конструкции Т., а затем производят обратную засыпку с восстановлением нарушенной поверхности. При закрытом способе разработка породы (проходка) и возведение обделки выполняются через стволы шахт или входные участки Т. (порталы). Способы проходки выработок и производства тоннельных работ отличаются большим разнообразием; основные из них — горные и щитовой.
Сооружение Т. горными способами включает 2 основных этапа: разработку и удаление породы и возведение в полученной выработке постоянной конструкции — обделки. В зависимости от свойств горных пород раскрытие выработки ведут по частям или за один приём (на полный профиль) (рис. 2 ). В мягких и полускальных породах сечение (профиль) выработки расчленяют на отдельные сравнительно мелкие части, закрепляемые временной (преимущественно деревянной) крепью, исключающей возможность обрушения породы. В скальных породах возможно расчленение сечения на более крупные части; временная крепь устанавливается лишь по контуру выработки, а её внутреннее пространство остаётся свободным. Благодаря этому работы могут быть в значительной степени механизированы. Разработка породы производится, как правило, буровзрывным способом с помощью бурильных машин большой мощности и механизацией погрузки и выдачи породы, при поточной системе организации работ по длине Т. Для бетонирования обделки используют передвижные металлические опалубки, обеспечивающие возможность применения бетоноукладочных машин. Значительное распространение получил способ опёртого свода, используемый в достаточно устойчивых породах, способных выдерживать давление, бетонного свода обделки. При этом способе раскрытие выработки производится по частям; вначале сооружают бетонный свод, опёртый на породу, а затем, по мере разработки нижележащих частей сечения, под пяты свода подводят стены из монолитного бетона. Работы могут вестись по одноштольневой и двухштольневой схемам. При способе сплошного забоя, практикуемом в устойчивых скальных породах, раскрытие выработки производят на полный профиль, для чего применяют специальное горнопроходческое оборудование — буровые подмости, самоходные буровые рамы, установки и агрегаты. Бетонирование обделки осуществляют при помощи бетононасосов или бетоноукладчиков (рис. 3 ).
Щитовой способ получил преимущественное распространение при сооружении Т. в слабых и неустойчивых породах. Он основан на применении в качестве временной крепи тоннельного (проходческого) щита (рис. 4 ), представляющего собой подвижную стальную цилиндрическую оболочку, под защитой которой выполняются основные операции — разработка породы и возведение обделки (как правило, сборной, кругового очертания). Сборка обделки Т. производится при помощи эректоров, тюбинго- или блокоукладчиков, размещаемых непосредственно на щите или за щитом на специальных опорных подвижных конструкциях. В неустойчивых водонасыщенных породах щитовую проходку ведут в сочетании с подачей сжатого воздуха как средства осушения забоя. Для ограждения головной части выработки (где ведут разработку породы и монтаж обделки при повышенном воздушном давлении) от остальной части Т. применяют воздухонепроницаемые переносные перегородки, оборудованные шлюзовыми устройствами для пропуска людей, выдачи породы, доставки материалов и различного оборудования. В отличие от горных способов сооружения Т., щитовая проходка не требует применения временных крепей, что повышает безопасность и экономическую эффективность выполнения работ. Проходческий щит может быть приспособлен (при использовании специальных механизмов) для проходки различных пород (пластичных, сыпучих, плывунных и др.), что обеспечивает возможность полной механизации всех процессов тоннельных работ при высоком качестве их выполнения и больших скоростях проходки. В СССР щитовая проходка получила наибольшее развитие при сооружении Т. метрополитена (рис. 5 ).
