Тоннели и метрополитены, история тоннелестроения

Содержание:

• Введение стр2
• История тоннелестроения стр2
• Классификация тоннелей стр5

• Метрополитены . Трасса, подвижной состав, путь и перегонные сооружения метрополитенов стр6

• Тоннели как средство преодоления  препятствий при  трассировании путей  сообщения стр8

• Список  литературы стр10

Введение 
 

Тонне́ль (фр. tonnelle от фр. tonneau — «бочка»; вар.: туннель) — горизонтальное или наклонное  подземное сооружение, имеющее два  выхода на поверхность, сооружаемое  с транспортными и иными целями. 

Тоннель может  быть пешеходным и/или велосипедным, для движения автомобилей или поездов, трамваев, перемещения воды (деривационные тоннели гидроэлектростанций, канализационные коллекторы), прокладки сетей городского хозяйства и т. п. Существуют также так называемые экологические тоннели. Они прокладываются под автомобильными или железными дорогами и служат для того, чтобы звери могли безопасно перемещаться. 

Основная часть  метро также проложена в виде тоннелей (название употребляется традиционно, несмотря на то, что линии метро в большинстве случаев не имеют выходов на поверхность). Чтобы избежать пересечений, линии метро прокладывают на различной глубине (уровне). 

Тоннели строят для преодоления природных препятствий (напр., тоннели под горами), для  сокращения пути (тоннель через гору вместо дороги вокруг), для сокращения времени движения (тоннель вместо паромной переправы). Тоннели под водными преградами часто строят вместо мостов там, где мосты могли бы помешать проходу судов. Также тоннели строят во избежание пересечения разных транспортных потоков на одном уровне (подземные переходы, тоннели вместо железнодорожных переездов, тоннели как часть автомобильных развязок и тому подобное). В некоторых случаях проезды под пролётами мостов тоже называют тоннелями, что, однако, неправильно.

 История тоннелестроения

     Истоки  тоннелестроения, первоначально заключавшегося в создании подземных выработок, уходят в глубокую древность. Задолго  до нашей  эры в Вавилоне, Египте, Греции и Риме подземные работы производились  для добычи полезных ископаемых, сооружения гробниц, храмов и т.п. Позднее тоннели сооружались также для целей водоснабжения и транспорта. Значительные тоннельные работы велись римлянами, создавшими для дорожных, водопроводных и дренажных тоннелей, часть которых сохранилась до нашего времени.

     Развитие  тоннелестроения тесно связано  с развитием орудий и средств  производства. Уровень тоннельной техники  соответствует уровню развития производительных сил. Все древние тоннели сооружались, как правило, в крепких скальных породах, не требующих устройства обделки, причем выработке придавалось сводчатое очертание, соответствующее форме естественных  пещер. Работы выполнялись рабским трудом с помощью кирок, ломов, клиньев, а также огневым способом, заключавшимся в сильном нагревании забоя выработки с последующим охлаждением холодной водой и разборкой растрескавшейся скалы. После падения Римской империи в тоннелестроении, как и в других отраслях человеческой деятельности, наступил период длительного застоя, в течение которого подземные работы производились преимущественно для военных целей.

     В конце средних веков в связи  с расширением международных  связей и стремлением к укорочению торговых путей начинается строительство  судоходных тоннелей, соединявших между  собой водные пути сообщения, разделенные водоразделами. Предпосылкой к строительству тоннелей в этот период явилось применение черного пороха для взрывания скальных пород. Первый судоходный тоннель длиной около 160 м был построен во Франции на Лангедокском канале в 1679 – 1681 гг.

     Толчком для дальнейшего развития тоннелестроения послужило появление железных дорог, требующих малых уклонов и сооружения тоннелей для преодоления высотных препятствий. Первый железнодорожный тоннель длиной  1190 м был построен в 1826 – 1830 гг. в Англии на линии Ливерпуль – Манчестер. Почти одновременно развернулось строительство железнодорожных тоннелей во Франции и других европейских странах.

     Несмотря  на быстрое развитие тоннелестроения, длина тоннелей, сооружавшихся с  помощью ручного бурения и  черного пороха, не превышала 3,5 км.  Уровень техники ограничивал возможности строительства длинных тоннелей. Открытие пироксилина (1845 г.) и динамита (1866 г.), а также успешное применение в горном деле бурильных машин ударно-поворотного действия (1851 г.) произвели технический переворот в тоннелестроении и сделали возможным решение самых трудных задач, стоявших перед тоннелестроителями, - сооружение больших альпийских тоннелей между Францией, Италией и Швейцарией.

     В 1857 – 1871 гг. был сооружен тоннель  Мон–Сенис длиной 12 850 м, соединивший Францию с Италией, в 1872 – 1882 гг.  – тоннель Сен-Готард длиной 14984 м, соединивший Италию со Швейцарией. До начала первой мировой войны было построено 26 тоннелей длиной более 5 км каждый, в том числе самый длинный в мире Симплонский тоннель длиной 19780 м, соединивший Италию со Швейцарией.  Первый из двух однопутных тоннелей – Симплон I – был начат в 1898 г. и закончен в 1906 г., несмотря на исключительные трудности, с которыми пришлось встретиться тоннелестроителям (огромное горное давление, большой приток горячей воды, высокая температура выработки, достигавшая 55 градусов).  Второй Симплонский тоннель был построен лишь к 1921 г.

     Основным  материалом для возведения обделки  тоннелей являлась бутовая кладка на известковом и цементном растворах. Только в 1889 г. для реконструкции тоннелей был впервые применен бетон, с первой четверти двадцатого века получивший широкое распространение в тоннельном строительстве.

     После первой мировой войны масштабы строительства  тоннелей уменьшились, что в известной степени объяснялось завершением к этому времени развития железнодорожной сети в основных странах Европы. Среди построенных в этот период значительных сооружений выделяется самый длинный в мире двухпутный железнодорожный тоннель – Б.Апеннинский на линии Флоренция – Болонья (1920 – 1931 гг., длина 18510 м), имеющий в середине подземную обгонную станцию. В это же время (1927 г.) был закончен Ровский судоходный тоннель длиной 7118 м на водной магистрали Марсель – Рона (Франция), по размерам поперечного сечения являющийся крупнейшим в мире (размеры выработки 24,5 × 17,1 м).

     Наряду  со строительством горных тоннелей развивалось  т строительство тоннелей подводных  сначала на железных, а после первой мировой войны – и на автомобильных  дорогах.

     Строительство подводных тоннелей сделалось возможным благодаря применению тоннельного щита в сочетании со сжатым воздухом для оттеснения воды из выработки и сборной обделкой, составленной из чугунных элементов – тюбингов.

     Тоннельный  щит был впервые применен Брюнелем в 1825 г. при постройке тоннеля под р. Темзой, но получил всеобщее признание лишь после его усовершенствования в 1869 г. Барлоу и Грэйтхэдом. Грэйтхэдом же был впервые успешно применен сжатый воздух для проходки тоннеля Лондонского метрополитена в 1886 г., хотя проходка шахтного ствола под сжатым воздухом была осуществлена Тригером уже в 1839 г.

     Щитовым способом построено большое количество подводных тоннелей, особенно в США. Только в Нью-Йорке имеется 19 крупных  подводных тоннелей, из которых наиболее значительным является Линкольнский тоннель под р. Гудзон, пройденный вдавлением щита в илистый грунт с рекордной скоростью 13,5 м в сутки (наружный диаметр 9,43 м, длина 2495 м, длина подводной части 1397 м). Наиболее длинным подводным тоннелем в мире является построенный в 1936 – 1941 гг. однопутный железнодорожный тоннель под Симоносекским проливом в Японии, имеющий длину 6330 м. Самое большое поперечное сечение среди подводных тоннелей имеет Мерсейский тоннель (Англия), сооруженный в скальных породах полущитом без применения сжатого воздуха (наружный диаметр 14,1 м, длина 3 425 м, длина подводной части 1372 м).

     Широкое распространение при строительстве  подводных тоннелей получило наряду со щитовым способом применение способа  опускных секций, изготавливаемых на берегу и погружаемых в подводную траншею с последующей засыпкой. Этот прогрессивный метод исключает необходимость применения сжатого воздуха, вредного для здоровья рабочих, и обеспечивает сокращение сроков и снижение стоимости строительства. Из тоннелей, сооружаемых способом опускных секций, выделяется транспортный тоннель смешанного пользования под р. Маас (Голландия), построенный в 1938 – 1942 гг. (длина подводной части 1915 м, 21 секция сечением 21,3×10,62 м и длиной 91,2 м).

В 1863 г. пуском первой линии Лондонского метрополитена начался период строительства в крупнейших городах мира метрополитенов, являющихся сложными комплексами подземных сооружений. В настоящее время находится в эксплуатации 33 метрополитена 9В том числе в Москве, Ленинграде и Киеве) и в стадии проектирования  и строительства – 32 метрополитена. Наибольшее  развитее имеет сеть линий Нью-Йоркского метрополитена, имеющая протяжение (в двухпутном исчислении) более 400 км (из них 175 км наземных) с 530 станциями.

Последнюю  четверть века значительный размах получило строительство гидротехнических, коммунальных и специальных тоннелей. Гидротехнические тоннели, получившие широкое распространение в связи со строительством гидроэлектростанций и сооружаемые обычно в крепких скальных породах, имеют рекордные размеры сечений и длины. Так, высота сечения отводящего тоннеля гидростанции Сторнфорс (Швеция) достигает 26,8 м при ширине 15,8 м, тоннель Сноуи – Мерей (Австралия) имеет длину 29,2 км.

В России первые железнодорожные тоннели были построены лишь к 1862 г. (двухпутный Ковенский тоннель длиной 1280 м), что объяснялось равнинным характером европейской части страны и отсутствием необходимости в тоннелях на путях сообщения. Дальнейшее строительство железнодорожных тоннелей связано с освоением окраин России в конце 19 в. Среди многочисленных тоннелей, построенных в этот период на железных дорогах Кавказа, Крыма, Урала и Сибири, наибольший интерес представляет двухпутный Сурамский тоннель (1886 – 1890 гг., длина 3998 м), до настоящего времени являющийся самым длинным горным тоннелем в нашей стране.

В начале 20 в. Развернулась широкое строительство тоннелей в Сибири и на Дальнем Востоке. Среди многочисленных сооружений этого  периода выделяется Хинганский тоннель  на Китайско-Восточной ж. д. длиной 3078 м, средняя скорость постройки которого достигала 205 м в месяц. Ряд двухпутных тоннелей на Дальнем Востоке был сооружен впервые в мире в условиях вечной мерзлоты, что потребовало преодоления больших трудностей, как в период постройки, так и во время эксплуатации.

В первые годы после  Великой Октябрьской социалистической революции проводились работы по завершению строительства тоннелей, начатых до войны.

Новое тоннельное строительство развернулось позднее  в связи с созданием сети гидроэлектростанций  по ленинскому плану ГОЭЛРО. Значительный размах получили тоннельные работы после успешного завершения строительства первой очереди Московского метрополитена (11,6 км), которая была сдана в эксплуатацию в 1935 г. Во время постройки первого в СССР метрополитена были созданы многочисленные кадры советских тоннелестроителей и подготовлена база для развертывания последующего строительства. Рост индустриальной мощи страны способствовал повышению степени механизации тоннельных работ.

Каждая новая  линия Московского метрополитена представляет собой крупный шаг в деле развития советского метростроения и характеризуется внедрением более совершенных конструкций, машин, механизмов, новых технологических процессов, достижением рекордных скоростей проходки тоннелей. На 1 января 1964 г. сеть линий Московского метрополитена имени В.И.Ленина имеет более 116 км тоннелей (в двухпутном исчислении) с 63 станциями.

Богатый опыт московских метростроителей широко использован  и творчески развит при строительстве  Ленинградского имени В.И.Ленина и Киевского метрополитенов, имеющих в эксплуатации соответственно 26,6 км линий с 19 станциями и 9 км линий с семью станциями. Сооружение тоннелей этих метрополитенов характеризуется широким применением механизированных щитов оригинальных конструкций и достижением высоких скоростей проходки.

При строительстве  советских метрополитенов осуществлен  массовый переход от чугунных обделок  к обделкам из сборных железобетонных элементов. За пределами полосы густой застройки широко применяется открытый способ работ, обеспечивающий значительное снижение стоимости тоннелей. Ведется производственная проверка сооружения тоннелей мелкого заложения специальным прямоугольным щитом с укладкой обделки из секций замкнутого сечения. Успешно ведется строительство тоннелей мелкого заложения кругового очертания без нарушения поверхности, щитовым способом. Применение щитов с горизонтальными площадками, внедряемых в песчаные грунты, обеспечило рекордные скорости сооружения перегонных тоннелей.

Одновременно  со строительством метрополитенов в большом масштабе велись работы по сооружению тоннелей все6х видов.

Большое развитие получило строительство гидротехнических тоннелей гидроэлектростанций, общее  протяжение которых к 1962 г. достигло 150 км.

На базе технического прогресса, улучшения организации производства и комплексной механизации значительно снижена трудоемкость и стоимость работ, достигнуты высокие скорости сооружения тоннелей метрополитенов.

Мастерство советских  тоннелестроителей получило международное признание. Ими сооружен ряд крупных тоннелей за рубежом, в том числе тоннели Ассуанской плотины (ОАР), имеющие наружный диаметр 17 м. 

Классификация тоннелей

           Тоннелем называется горизонтальное или наклонное подземное  искусственное сооружение, предназначенное для транспортных целей, пропуска воды, размещения коммуникаций и т.п.

     В настоящее время тоннели имеют  широкое распространение во всех отраслях народного хозяйства. Они  могут быть классифицированы по назначению и положению относительно земной поверхности. По назначению тоннели делятся на 4 основные группы: 1) тоннели на путях сообщения. 2) тоннели гидротехнические, 3) тоннели коммунальные, 4) тоннели специального назначения.

        Наибольшее распространение имеют  тоннели на путях сообщения,  к которым относятся железнодорожные, автодорожные, судоходные и пешеходные тоннели, тоннели метрополитенов, а также тоннели для нескольких видов транспорта в одном сечении.

     Гидротехнические  тоннели предназначены для перемещения  больших объемов воды. К ним  относятся тоннели гидроэлектростанций, подводящие воду к турбинам и отводящие ее после использования; тоннели водоснабжения, подающие воду для населенных пунктов (иногда за десятки километров); тоннели, используемые для улучшения земель (ирригационные и мелиоративные). До некоторой степени гидротехническими тоннелями являются также судоходные тоннели.

     Коммунальные  тоннели – существенный элемент  хозяйства современного города. Это  подземные водостоки, к которым  относятся целые реки, заключенные  в трубы, водопроводные и канализационные тоннели, а также коллекторы, служащие для размещения подземных городских сетей (силовые  и телефонные кабели, газопроводы, водопроводные магистрали и т.п.).

     К четвертой группе тоннелей относятся  подземные сооружения оборонного значения, а также  подземные электростанции, гаражи и др.

     По  положению относительно элементов  рельефа местности тоннели могут  быть разделены на горные, подводные  и равнинные (например, метрополитены).

МЕТРОПОЛИТЕНЫ . ТРАССА, ПОДВИЖНОЙ  СОСТАВ, ПУТЬ И ПЕРЕГОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНОВ

Разновидности линий

  Метрополитеном называют городской внеуличный электрифицированный рельсовый транспорт, оборудованный надежными системами безопасности движения и предназначенный для скоростных массовых пассажирских перевозок.

  Линии метрополитенов подразделяются на надземные, наземные и подземные.

  Надземные линии метрополитенов располагают на эстакадах на высоте, определяемой габаритами наземного транспорта, рельефом местности и условиями городской застройки.

  В прошлом  столетии в некоторых городах мира предпочитали строить надземные линии метрополитенов, так как при поездах с паровой тягой подземные линии было трудно эксплуатировать из-за дыма и копоти. С переходом на электрическую тягу надземные линии потеряли свое преимущество. Несмотря на это, строительство линий метрополитенов на эстакадах продолжалось из-за меньшей их стоимости по сравнению с подземными линиями. Так, например, в Нью-Йорке протяжение линий метрополитена, расположенных на эстакадах, достигало 140 км.

  Большое развитие надземные метрополитены получили в Чикаго, Бостоне. Филадельфии, Гамбурге. Впоследствии развитие городов потребовало уничтожения эстакад и перевода надземных линий под землю. В Нью-Йорке надземные линии с 1956 г. перестали существовать вообще, в Чикаго и других городах их также постепенно заменяют подземными. В некоторых случаях устройство надземных участков линий метрополиям нов оправдывается топографическими особенностями города, особенно при пересечении рек, автомобильных и железных дорог.

  Наземные линии метрополитенов, т. е. расположенные на поверхности земли, существуют во многих городах мира, и их проектируют в настоящее время для концевых участков отдельных линий метрополитенов. Как правило, наземные линии располагают в малонаселенных районах города, и на его окраинах и чаще всего в выемках, позволяющих в будущем, при развитии города, превратить эти линии в подземные. Наземные линии метрополитенов отнимаются от обычных железнодорожных линий пригородного сообщения главным образом способом питания электроэнергией.

  Подземные линии являются основным видом линий метрополитена и имеют преимущественное распространение. В большинстве городов мира сеть метрополитена состоит только из подземных линий. Подземные линии метрополитенов располагают на глубине от 5 до 60 м и более от поверхности земли. 

  В некоторых  городах мира под земле» находятся  также отдельные участии трамвайных и железнодорожных линий. Трамвайные линии, расположенные в тоннелях (скоростные трамваи), например, в Афинах, Будапеште, Осло.

  В СССР скоростные трамваи эксплуатируются в Волгограде, Кривом Роге-

    Под поверхностью  земли расположены  железнодорожные линии в Брюсселе, Копенгагене, Неаполе. Ливерпуле. Вене и других городах. Эти городские  железнодорожные линии с расположением  станций на небольшом расстоянии одна от другой (0,5— 1,0 км) используются населением для передвижения в пределах города, и поэтому их часто также называют «метрополитенами». Они отличаются от линий метрополитенов габаритами тоннелей, устройствами пути и электроснабжения.

    Во  многих городах мира пригородные  железнодорожные линии продлены от вокзалов в виде подземных участков в центр города и эксплуатируются  независимо от метрополитена. Такие  подземные участки железнодорожных  линий  принято называть глубокими  вводами и связывать с линиями метрополитена при помощи объединенных пересадочных станций или пересадочные тоннелей, расположенных между станциями глубокого ввода и метрополитена.

    Глубокие  вводы создают значительные удобства для пассажиров, улучшают связь с  пригородами и разгружают городские вокзалы, а также станции метрополитена, расположенные у вокзалов. Сооружение глубоких вводов требует больших расходов ввиду высокой стоимости тоннелей, удовлетворяющих железнодорожному габариту, поэтому применяют также другой, более экономичный способ связи пригородных железных дорог с линиями метрополитенов — так называемые вылетные линии. Их выводят за пределы города, прокладывают на поверхности земли и примыкают к платформам станций пригородных железных дорог. Сооружение вылетных линий обходится значительно дешевле, но эксплуатация таких линий, особенно при большой их протяженности и в зимнее время, затруднительна.

    В некоторых городах линии метрополитена  допускают пропуск железнодорожных  поездов, например в Лондоне, где  для движения железнодорожных поездов используют некоторые участки линий метрополитена, а в свою очередь    для    движения поездов метрополитена

    Используют  железнодорожные лини, расположенные  в пределах города.

    В большинстве городов метрополитены имеют свой собственный габарит и не могут быть использованы для пропуска железнодорожных поездов.

Ширину колеи  метрополитенов как правило, принимают  нормальной железнодорожной, т. е. 1520 мм в СССР и 1435 мм в зарубежных странах. Иногда нормальную железнодорожную  ширину колеи (1435 мм) используют на метрополитенах зарубежных стран даже в тех случаях, когда железнодорожные пути данной страны имеют широкую колею (1674 мм), как, например, в Испании и Аргентине, или узкую (1067мм) в Японии.

Тоннели как средство преодоления  препятствий при трассировании путей сообщения

      Тоннель расширяет возможности трассирования  пути сообщения в трудных условиях, так как позволяет преодолеть препятствие вместо его обхода. Препятствия  делят на высотные и контурные. К  высотным относят холмы, хребты и водоразделы. При трассировании железной или автомобильной дороги возможны три решения: обход высотного препятствия, развитие пути с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки и, наконец, сооружение тоннеля, соединяющего склоны высотного препятствия .

 При обходе препятствия происходит значительное удлинение пути и увеличение уклонов, которое в случае железной дороги может потребовать на отдельных  участках применения кратной тяги, а также вызвать ухудшение  эксплуатационных показателей пути сообщения.

 При развитии линии с открытым пересечением перевала ее длина получается меньшей, чем при обходе препятствия, но потребность  в больших уклонах возрастает; возникает необходимость в защите высокорасположенных участков линии  от снежных заносов, лавин и обвалов путем устройства галерей и других инженерных сооружений.

 Пересечение высотного препятствие при помощи тоннеля значительно сокращает длину пути и позволяет уменьшить уклоны, вследствие чего создается возможность увеличения весовых норн поезда и скоростей движения, ликвидируются лишние подъемы и пробеги и улучшаются эксплуатационные показатели пути сообщения. Однако сооружение тоннеля, особенно расположенного в подошве высотного препятствия и имеющего в связи с этим большую длину, вызывает значительное увеличение капитальных затрат. Поэтому выбор трассы пути производят на основании технико-экономического сравнения вариантов. При этом учитывают народнохозяйственную важность увеличения пропускной и провозной способности путей сообщения.

 К контурным  препятствиям относят; участки оползней, осыпей, лавин и снежных заносов, водотоки и водоемы ,а также участки густой застройки. Оползни и осыпи угрожают стабильности земляного полотна и безопасности движения при долинных и косогор ходах. При оползнях малой мощности возможно расположение пути на эстакадах, опирающихся на ненарушенные грунты, в сочетании с противооползневыми мероприятиями. Однако при мощных (более 5 м) оползнях и наличии глубоких потоков подземных вод наиболее правильным решением задачи

часто является перенос трассы в глубь горного массива — за пределы новой зоны . Это же может оказаться целесообразно при наличии в районе трассы мощных осыпей, возникающих на скальных косогорах (круче 30—35°), сложенных из трещиноватых, выветрелых грунтов. Защита пути от снежных лавин и заносов требует больших эксплуатационных расходов и серьезных инженерных мероприятий вплоть до устройства на опасных участках галерей из камня, бетона или железобетона. Поэтому в ряде случаев отказываются от открытого пересечения перевала и сооружают тоннель вне зоны, опасной в отношении лавин и заносов .

  При преодолении водных препятствий  необходимо сделать выбор между  мостом и тоннелем, т. е. между надземным  и подземным расположением трассы . В сравнении с мостовым переходом  тоннельное пересечение имеет следующие преимущества: отсутствие помех судоходству; защищенность от ветра, льда, волн; меньшая длина пересечения при высоком габарите судов и широкой пойме; удобство подходов к пересечению в густозастроенных населенных пунктах.

  Однако тоннельное решение имеет ряд недостатков. При тоннельном пересечении необходима постоянная вентиляция. Работы по сооружению тоннеля производят узким фронтом при ограниченном числе забоев, вследствие чего срок сооружения тоннеля, как правило, больше, чем срок сооружения моста. Стоимость тоннельного пересечения может быть выше стоимости мостового перехода, так как для сооружения тоннеля необходимо выполнить больший объем земляных работ, чем при сооружении моста. Однако следует иметь в виду, что с увеличением ширины водного препятствия стоимость 1 м моста увеличивается, а стоимость 1 м тоннеля уменьшается; с увеличением высоты моста возрастают объемы земляных работ на подходах.

  В отношении безопасности производства работ мостовой переход не имеет  преимуществ по сравнению с тоннельным пересечением. Проходка подводных тоннелей специальными (герметическими) щитами обеспечивает полную безопасность работ и гарантирует их своевременное выполнение, причем может производиться в течение всего года независимо от сезона и климатических условий.

  Особенно  возрастают преимущества тоннельного  пересечения при сооружении тоннеля  из крупных секций, изготовляемых  на берегу и опускаемых в котлован, устраиваемый по оси пересечения  подводным землечерпанием.

  Выбор между мостовым переходом и тоннельным пересечением делают на основании технико-экономического сравнения с учетом всех перечисленных выше соображений.