Историята на тунелното строителство
Хората строят тунели от хилядолетия – за водоснабдяване, за рудодобив, за военни цели. Но съвременното тунелно строителство е продукт на индустриалната революция: железниците изискваха тунели под планини, и инженерите разработиха методите, използвани и днес. Първият голям железопътен тунел – Mont Cenis между Франция и Италия – е открит през 1871 г. след 14 години строителство. Днес TBM машините пробиват на ден онова, за което преди са нужни седмици.
Видове тунели
Тунелите се класифицират по предназначение и по метод на строителство. По предназначение: пътни, железопътни, метро, хидротехнически (водовземни, деривационни), минни и комунални (за тръбопроводи и кабели). По метод на строителство: класически (drill & blast или механизирано изкопаване), Cut & Cover (открит метод) и TBM (Tunnel Boring Machine).
Класически метод – Drill & Blast
Методът „пробий и взривявай" е най-старият и все още широко използван при скални масиви. Цикълът на работа включва:
- Пробиване – сондажни машини (jumbos) пробиват серия от отвори в забоя по предварително определена схема
- Зареждане – взривните вещества се зареждат в отворите, свързват се с детонатори
- Взривяване – контролирано взривяване, разрушаващо ограничен обем скала
- Проветряване – отстраняване на прахта и газовете чрез вентилационна система
- Товарене и извозване – изкопаната скала (muck) се натоварва и извозва с подземни самосвали
- Обезопасяване на забоя – поставяне на анкери, торкрет-бетон и мрежа за осигуряване на нова зона
Напредването при Drill & Blast е 3–5 м/ден при скали с добри условия. Предимствата са гъвкавостта при различни напречни сечения и условия на скалата, и относително ниската инвестиция в оборудване.
TBM – Tunnel Boring Machine
Тунелно-пробивните машини (TBM) са огромни цилиндрични съоръжения, пробиващи тунела непрекъснато с въртяща се режеща глава. Диаметрите варират от 1,5 до над 17 м (за голямите пътни тунели). Машините работят като живи организми: режещата глава разрушава скалата, изкопаният материал се транспортира по конвейер назад, едновременно се монтира сглобяема бетонна облицовка (сегменти), и машината „бута" напред с хидравлични домкрати, опирайки се в монтираната облицовка.
Видове TBM
- Open TBM – за стабилни скали. Режещата глава е отворена, няма налягане в забоя.
- Earth Pressure Balance (EPB) – за меки почви. Изкопаният материал в камерата зад главата балансира земното налягане, предотвратявайки вкарване или пропадане на земята.
- Slurry TBM – за нестабилни и водонаситени почви. Бентонитова суспензия под налягане поддържа забоя и транспортира изкопания материал.
TBM постигат напредване от 20–50 м/ден при добри условия. Те са идеални за дълги тунели с постоянно напречно сечение, но изискват огромна инвестиция (десетки до стотици милиони евро) и не са гъвкави при промяна на размерите.
NATM – Нова Австрийска Метода
NATM (New Austrian Tunnelling Method) не е метод за изкопаване, а философия за проектиране и изпълнение на тунели, базирана на принципа, че скалният масив около тунела е конструктивен елемент, не само натоварване. Чрез ранно инсталиране на поддържащи елементи (анкери, торкрет-бетон) скалата се „мобилизира" да поема самата себе си. Ключови принципи на NATM:
- Непрекъснат мониторинг на деформациите в реално време
- Гъвкава поддръжка, адаптирана към условията
- Затваряне на напречното сечение (инвертна арка) при меки условия
- Принцип на постепенното изкопаване при слаби скали
NATM е особено подходяща при нехомогенни геоложки условия и при градски тунели с малко покритие над тях.
Cut & Cover метод
При Cut & Cover тунелът се изгражда в открит изкоп: изкопава се траншея, изгражда се стоманобетонната конструкция на тунела, и след това траншеята се засипва, а повърхността се възстановява. Методът е подходящ за плитки тунели в градска среда (метро, подземни пешеходни подлези). Основният недостатък е временното прекъсване на движението и дейността на повърхността.
Облицовка на тунела
Тунелната облицовка предпазва конструкцията, осигурява гладка повърхност и поема земното и водното налягане. При TBM тя се изгражда от преди изготвени стоманобетонни сегменти (обикновено 6–8 сегмента на пръстен). При класическия метод и NATM се прилага: първична поддръжка (торкрет-бетон + анкери + решетъчни гредери) и окончателна облицовка (монолитен стоманобетон).
Хидроизолация на тунелите
Тунелите, особено при наличие на подпочвени води, изискват надеждна хидроизолационна система. Стандартната система включва: дренажна геомрежа по цялото сечение, HDPE геомембрана (2–3 мм), и монолитна бетонна облицовка. Проходките на тръби и технически съоръжения са критични детайли, изискващи специално третиране.
Безопасност при тунелно строителство
Тунелното строителство е сред най-опасните строителни дейности. Основните рискове са: газове (CO, CH4, H2S), пожар, срутване на забоя, наводняване, електрически опасности и ограничена видимост. Задължителни мерки: непрекъснат мониторинг на атмосферата, принудителна вентилация, строго разделяне на зоните за хора и машини, аварийни изходи и евакуационни планове, и редовни учения.
Тунели в България
България разполага с богата традиция в тунелното строителство – планинският релеф на Стара Планина, Родопите и Рила го прави необходимо. Значимите тунели включват: Шипченски тунел (2,7 км), тунелите по Хемус магистрала, множеството тунели по Люлин магистрала и тунелите на Софийско метро. Предстоящото развитие на магистралната мрежа ще изисква изграждане на нови тунели с обща дължина десетки километри.
Заключение
Тунелното строителство е върхът на строителното инженерство – съчетание от геология, конструктивно инженерство, механизация и управление на риска. От класическото взривяване до роботизираните TBM машини, методите непрекъснато се усъвършенстват. Тунелите, строени днес, ще служат на хората за 100 и повече години.