Туннель — искусственный подземный ход по горизонтальному или наклонному направлению, сооружаемый для проведения дороги, канала и пр. В горном деле Т. также проводятся для разработки и извлечения полезных пород, а в военной технике носят название минных галерей. Открытые выемки значительной глубины (свыше 20 м) заменяются Т. по следующим причинам: 1) для удешевления работ от уменьшения объема удаляемой земли; 2) глубокая выемка занимает широкую полосу земли, которая часто имеет высокую ценность; 3) зимой представляется необходимость очищать выемку от снежных заносов: 4) укрепление откосов глубоких выемок для удержания их от обвалов требует сложных и ценных работ. Последние два условия имеют особую важность при сооружении дорог в горах (альпийские дороги, участок Тихоокеанской жел. дороги в Скалистых горах Сев. Америки и др.), где вследствие высоты и недоступности проходов проведение дорог без устройства Т. большей частью немыслимо. Равным образом, Т. представляются удобными для устройства сообщений под оживленными улицами больших городов и под руслом широких рек, взамен мостов, постройка которых иногда сопряжена с большими расходами или стеснением для судоходства. Подземные работы производились древними египтянами за 3000 лет до Р. Хр., а в XX в. до Р. Хр. ассирийцы разрабатывали под землей медные рудники у верховьев р. Тигра. Древнейшее и притом весьма яркое описание подобных работ с характеристикой приемов искусственного водоотвода и пр. находим в кн. Иова (гл. XXVIII, стр. 1—11). Первое описание подземного хода, устроенного для целей сообщения, встречаем в истории вавилонян. Он был построен царем Навуходоносором и вел от царского дворца к храму Ваала, проходя под Евфратом. Геродот дает описание Т. на острове Самосе, пробитого через горный кряж высотой в 900 фт. Т. этот имел длину около l 1/2 км и был удобен для прохода людей. Следы Т. найдены на некоторых других о-вах Греции. Римляне, заимствовав у этрусков приемы подземных работ, впервые на них же применили свое искусство, овладев посредством подкопа столицей этрусков Вейями (396 до Р. Хр.). Следы подземных акведуков и дорог, построенных римлянами, сохранились до нашего времени (например, грот Поссилипса между Неаполем и предместьем его, представляющий туннель длиной около 1 км). Порохом стали пользоваться для сооружения Т. лишь в XVII в. (Мальпасский Т. на Лангедокском канале в 1679—1681 гг., Урнер-лох в С.-Готардском проходе — 1707 г.). Первым значительным Т., прорытым в слабой породе, был С.-Кентинский (1803) шириной 8 м, пролегающий в сыпучем песке на С.-Кентинском канале. Сооружение первых железных дорог и затем изобретение динамита содействовали развитию постройки Т. Пять длиннейших Т. в Европе: С.-Готардский (14912 м), Фреюс (12233 м), Арльбергский (10248 м), Т. под проходом Джиови у Генуи (8800 м) и Т. через Col di Tenda (8100 м). Выше всех над уровнем моря расположен Арльбергский Т. (1310 м).В России длиннейший Т. — Сурамский на Закавказской ж. дор. (1874: саж.). Постройке Т. должны предшествовать подробные геологические исследования для выяснения расположения, длины, профиля, конструкции и способа исполнения Т. Профиль Т. в породах, производящих значительный напор с боков и на потолок, приближается к кругу (Блекуэльский Т. под Темзой и другие подводные Т.), вообще же сечению Т. придается форма более или менее растянутой параболы; для Т., подошва которых не обделывается сводом, выбирается подковообразная форма, при полной обделке камнем иногда отдают предпочтение яйцевидной форме, которая более всего соответствует теоретическим предположениям относительно величины и распределения усилий, производящих давление на обделку Т. Подземным жел. дор. в городах большей частью придается круглый профиль, а для городских трамваев, прокладываемых в крытых выемках, предпочитают прямоугольное сечение (Бостон, Париж). В остальном размеры профиля определяются, в зависимости от числа путей, установленным габаритом и пределами приближения сооружений к путям, а равно необходимыми уширениями для безопасного прохода рабочих и возможности ремонта. Профили некоторых существующих Т. для железных дорог нормальной колеи в два пути представлены на фиг. 1—7, для однопутных нормальных дорог на фиг. 8—10, а для однопутной узкоколейной жел. дороги местного значения — на фиг. 11 и 12. При назначении продольной профили Т. приходится иметь в виду водоотвод и вентиляцию, вследствие чего для длинных Т. избегается вполне горизонтальное расположение. При пересечении горных хребтов Т. придается небольшой уклон от вершины в обе стороны, при чем обыкновенно для содействия естественной вентиляции предпочитают располагать выходы Т. на разных высотах.
По окончании изысканий и выборе направления Т. приступают к разбивке его на поверхности (где это возможно), при чем обычные геодезические действия производятся особенно тщательно и точность их обеспечивается частыми контрольными измерениями. Затем приступают к отбойке, которая заключается в выломке породы или отрытии грунта; вместе с тем производится уборка добытой породы и вывозка ее из Т. Обнаженные поверхности, которые сами не могут держаться, крепятся сначала временными деревянными крепями, а затем обделкой, большей частью каменной, реже деревом или железом (способ Ржиги). Первой задачей при этих работах является устройство главного, или направляющего, хода, который потом расширяется, смотря по способу работ. По местным обстоятельствам углубление производится при помощи штольни или галереи (так наз. ход, имеющий горизонтальное или слабонаклоненное направление), или посредством шахт (вертикальный или круто наклоненный ход, колодезь). В галереях значительных размеров, которые при сооружении Т. разрабатываются частями, эти ходы носят особые названия: I — подошвенная штольня, штросса, II — проработка, III — ключевая штольня, калотта, IV — ключевая разработка, V — боковая разработка (фиг. 13). Проработки или проломы снизу вверх применяются в случае необходимости форсировать работу. Тогда от подошвенной штольни в разных местах, расстояние между которыми зависит от свойств грунта, пробиваются вертикальные шахты до потолка, где отверстие расширяется для надлежащего крепления и кладки свода. Работа может при этом вестись как по английской, так и по австрийской системе (см. ниже) или же комбинируя обе системы (прусская система), как это было сделано при постройке Арльбергского Т. При последней работе предпринимателю поставлено было условием, чтобы Т. был окончательно обделан через 180 дней после пробивки подошвенной штольни. Поэтому с целью ускорения работ по мере углубления подошвенной штольни через 60—80 сажен делали проломы и выводили свод кольцами длиной от 4 до 8 м, так что к моменту полной пробивки подошвенного хода (19 ноября 1883 г.) в работе находилось уже 90 подобных колец и Т. на протяжении 6,8 км был уже совершенно готов. При таком способе работы вывозка грунта и доставка материалов производятся исключительно по нижнему направляющему ходу, а потому он должен иметь достаточно просторные размеры. Отбойка породы производится помощью разных приспособлений в зависимости от грунта, а именно посредством копания заступами и лопатами, отбивки кирками, ломами и кувалдами, иногда с употреблением клиньев, а при твердых породах весьма часто помощью бура и взрывов динамитом или другими взрывчатыми составами. Применение бурильных машин дало возможность значительно ускорить работы по сооружению больших Т. (см. Бурильные машины). Для пробивки направляющей штольни Арльбергского Т. на западной стороне пользовались вращательными бурильными машинами, приводившимися в действие водой под напором от 100 до 120 атмосфер, а на вост. стороне применены были ударные бурильные машины, работавшие помощью воздуха, сжатого до 6 атмосфер. Это состязание двух различных систем бурильных снарядов не привело к окончательному торжеству какой-либо из них. Вращательные бурильные снаряды потребляют меньше воды, чем ударные, поэтому приходится предпочитать их в тех случаях, когда имеющиеся запасы воды необходимы для вентиляции и других целей. В последнее время устроены бурильные снаряды, действующие электричеством, и такие машины испытываются теперь при постройке трех больших Т. в Южной Австрии (Тауернский, длиной 8470 м, Караванкенский — 7943 м и Вохейнерский — длиной 6365 м) на жел. дор., долженствующих образовать второе соединение Вены с Триестом. Отвозка выламываемой породы производится большей частью по рельсовым путям на вагонетках, животной или механической силой. Главнейшей характеристикой различных систем работ при пробивке Т. служит расположение направляющего хода, который предшествует выломке полного профиля, внизу, в виде подошвенной штольни, или вверху, в виде ключевой. 1) Бельгийская система возникла в 1828 г. при постройке Т. для канала от Шарльруа к Брюсселю. Затем французские инженеры разработали эту систему и стали ее применять в широких размерах. Сначала пробивается ключевой ход (фиг. 14), который крепится деревом, с расположением стоек по бокам, чтобы оставить между ними место для прохода вагонеток с грунтом. Затем ход этот углубляют с перестановкой крепей (фиг. 15) и уширяют его с боков для образования профиля, соответствующего будущему своду, и, располагая добавочные стойки веером, упирают их в общую подкладку (фиг. 16). В промежутках между крепями ставят кружала, которые распираются помощью подкосов с брусьями крепей. Затем каменщики выводят свод, упирая пяты его в деревянные клинья, поддерживаемые подушками (фиг. 17). Когда свод выведен на некоторую длину и раствор окончательно отвердел, приступают к боковым проработкам небольшими участками и кладке стенок, которые подводятся под пяты сводов. Сняв затем кружала, удаляют оставшуюся в середине массу грунта, соединяют, если нужно, основания стенок обратным сводом, и Т. готов. В Т. Росбек жел. дор. Мехельн — Тирлемон разработку вели уступами. По бельгийской системе построены Т. жел. дор. Париж-Суассонской, гессенских жел. дор., испанской Северной жел. дор. и большинство Т. в Италии. Приверженцы этой системы выставляют в качестве главных ее преимуществ: хорошую вентиляцию рабочего пространства вследствие быстрой пробивки верхнего хода, экономию лесного материала на крепи и быстрый успех работ. Недостатками являются: затруднительный отвод воды, теснота, вследствие чего происходят неудобства к удалению вынутого грунта, дороговизна выемки при малом фронте работ, недостаточная устойчивость крепей при отсутствии продольной связи между отдельными окладами, главным же образом — недостаточная солидность каменной кладки вследствие возможных перемещений при осадке свода, поддерживаемого временными подпорками. Поэтому в породе, подверженной переменным давлениям, эта система не вполне безопасна. Водоотвод и удаление грунта облегчаются присоединением к этой системе подошвенного хода, и в тех случаях, когда по свойствам грунта и прочим местным условиям пробивка подошвенного хода может идти впереди работ по выломке профиля, бельгийская система дает возможность подвигаться работе весьма быстро, вследствие чего эта система имеет много приверженцев и также была принята при постройке С.-Готтардского Т. 2) Немецкий способ заключается в том, что сначала пробиваются две нижние продольные галереи по направлению стен. В них выводится кладка стен от основания и одновременно с этим делаются проломы вверх с постепенным возвышением стен до смыкания свода в ключе. По мере подвигания этой работы отвозится оставшаяся в середине порода. Система эта первоначально применена была во Франции при сооружении каналов, напр. для. Т. Тронкуа, С.-Эньян и Пульи. Затем, в эпоху постройки железных дорог, французы обратились к бельгийской и английской системам. Немцы же, применившие для первого построенного в Германии Т. (Оберауского в 1837 г.) австрийскую систему, переняли затем от французов описанную систему, разработали ее и с упорством применяли вследствие удачного опыта с ней при постройке Кенигсдорфского Т. (также в 1837 г.), где вследствие подвижности грунта очень опасались за успех работ. Сначала были пробиты параллельные подошвенные штольни и в них выводились фундаменты и стены. Через определенные промежутки обе штольни соединялись поперечными галереями, в которых выводились гурты нижних обратных сводов. Затем помощью проломов сделан был ключевой ход, в котором выводился свод до пятовых швов, причем кружала опирались на оставшуюся в середине массу грунта. Эта часть грунта удалена была после окончания кладки стен и верхних сводов, а затем вывели недостающие части нижнего свода. На схеме фиг. 18 буквами а, b, с и d обозначен последовательный порядок работ. Система эта впоследствии сопровождалась целым рядом неудач, а катастрофа с Черницким Т. открыла глаза наиболее горячим сторонникам немецкой системы, и после критического разбора ее профессором Ржигой система эта была совершенно оставлена. Главнейшими недостатками ее являются трудность вентиляции и отвода воды из тесных боковых ходов, занятых кладкой; дороговизна земляной работы при шахтном способе выемки; трудность удаления грунта вследствие тесноты места и необходимости пользоваться малыми вагонетками; недостаточная прочность кружал, опирающихся на земляную массу; возможные расстройства кладки обратного свода при разрытии оставленного земляного ядра; необходимость оставить работу по обделке подошвы на последний период. 3) Английский способ, которому положил начало знаменитый инженер Брюнель, построивший в 1823 г. Т. под Темзой (Т. этот строился 7 лет), заключается в том, что весь профиль Т. отрывается сразу, при чем крепление производится помощью продольных лежней, упирающихся в готовую часть каменной обделки. Прочные крепи с продольными ребрами характеризуют собой английскую систему, которая этим отличается от австрийской системы — с легкими стропильными крепями. Система эта дает возможность открывать сразу выемку по всему профилю Т., но имеет тот недостаток, что требует на крепи тяжелых дерев, перемещение которых в ограниченном пространстве Т. весьма неудобно. Притом эти лежни должны упираться частью в готовую, не совсем еще окрепшую часть каменной обделки, частью имеют своим упором нетронутую часть грунта, что не вполне надежно при склонной к перемещениям породе. Поэтому английский способ преимущественно удобен в более плотных, компактных грунтах (Сельтвудский, Блечинглейский Т.). Выдающийся пример рационального применения этой системы представляет Гауэнштейнский Т. в Швейцарии. При исполнении земляных работ в определенном участке Т., строящегося этим способом, каменная кладка не может производиться, а равно при работе каменщиков землекопы не должны мешать им. Поэтому для надлежащего успеха работ необходимо производить их одновременно в нескольких пунктах. Для этого рабочие участки соединяются общей подошвенной штольней, а для удобнейшего к ним доступа располагаются, где только возможно, шахты от поверхности земли. Кладка стен начинается снизу, и прежде всего выводится, если нужно, нижний свод, что в конструктивном отношении наиболее правильно. При применении этой системы в Германии (жел. дорога Рейн-Наге, многие Т. в Пруссии) она была улучшена подведением средних стоек под потолочными лежнями крепей. Английская система представляет значительные преимущества в отношении удобства выемки и удаления породы, хорошей вентиляции и легкости водоотвода, правильности производства каменных работ на просторе. 4) Австрийский способ (фиг. 19 и 20) отличается от английского главным образом устройством крепей, каменная же обделка ведется, как и в английском способе, от фундамента и производится после удаления всего грунта из рабочего участка. Система крепей стропильная, т. е. потолок поддерживается многоугольником, составленным из подхватного бруса, или капы (к), стропильных ног (с) и вандрутов (в). Распорка, или расколоть (р), делит крепь на верхнюю и нижнюю части. Стойки последней помощью расколотов (р1) упираются в вандруты. Выемка производится уступами, что дает возможность увеличить фронт работ. Система эта представляет одинаковые удобства с английской, но обходится несколько дороже. В ней легче манипулировать крепями, состоящими из менее громоздких дерев, и самое крепление, элементы которого направлены по линиям напора породы, представляется более надежным. Разнообразие условий, в которых приходится строить Т. в зависимости от свойства встречаемых грунтов, ценности необходимых материалов и пр., вызвали предложения об разного рода улучшениях, представляющих выгоду в частных случаях, как напр. система жел. крепей австрийского инженера проф. Ржиги, кружальных крепей венгерского инженера Конивес-Тота, служащих одновременно для поддержании породы и кладки свода, и друг. В породе, подверженной значительному давлению, обделывается весь профиль Т. (верхний свод, стены и обратный свод). При этом форма обделки должна представлять гарантию наибольшего сопротивления напору породы. В более крепких грунтах ограничиваются одним сводом, присоединяя иногда легкую обделку нижней части профиля. Лишь в редких случаях можно оставить Т. без всякой обделки. В стенах длинных Т. делаются через известные расстояния ниши для укрытия рабочих при проходе поезда. Для поддержания откосов входных выемок, для защиты поездов от падающих с горы камней, а также с декоративною целью у входов в Т. воздвигаются порталы (фиг. 21). Весьма важен при постройке Т. отвод грунтовых вод и влаги, просачивающейся сверху и с боков и могущей расстроить кладку стен и сводов. При недостаточности естественной вентиляции нередко применяется искусственная. В последнее время для этой цели применяются преимущественно вентиляторы итал. инж. Саккардо (Т. Пракчия на линии от Болоньи к Лукке 1897 г., Т. Джови, три Т. на линии Поретта в Италии, С.-Готардский Т. 1899 г., Т. Селла и Лаваньола на участке Бра-Савона Средиземноморской жел. дор. в Италии 1900 г.). Вход в Т. образует камеру в виде воронки, обращенной к Т. узким отверстием, достаточным для прохода поезда. Камера сообщается с воздухопроводным каналом сильного вентилятора (фиг. 22). Все это устройство образует, таким образом, род инжектора, и при вращении вентилятора высасываемый им воздух образует в Т. течение, способствующее вентиляции. В Т. Пракчия вентилятор при 70 оборотах в минуту расходует 64,6 силы и вгоняет в Т. до 100 куб. м воздуха под давлением 25,6 мм водяного столба. При сооружении подводных Т. применяются также различные способы в зависимости от качества пересекаемых грунтов и глубины расположения Т. под дном реки. При расположении свода Т. на небольшой глубине от дна можно строить его участками между перемычками при помощи водоотлива. При большой глубине заложения Т. способ работы ничем не отличается от обыкновенных приемов пробивки Т. В мягкой породе, при слабом притоке вод применяют часто передвижную металлическую штольню со щитом. Щит в виде стального диска, выполняющего весь профиль Т., передвигается в цилиндрической стальной штольне помощью гидравлических прессов и поддерживает грунт у забоя. Через имеющиеся в щите отверстия вынимают грунт разными инструментами, соответствующими его качествам, и по образовании свободного промежутка подвигают вперед щит или, когда нужно, самую штольну. Позади штольни профиль готового Т. обделывается чугунными плитами, каменной кладкой или бетоном. Иногда применяют для образования непроницаемой оболочки заливку цементным раствором, нагнетаемым под давлением через отверстия встенках штольни. Система эта применяется в различных видах. Брюнель впервые ввел щит при постройке первого Т. под Темзой (1825). Круговая форма щита применена была в первый раз инженером Гретхедом при сооружении второго Т. под Темзой (близ Тоуэрской башни), затем при постройке водопроводного Т. в Кливеленде (1869—70) и с блестящим успехом при сооружении железной дороги Сити-южной в Лондоне (фиг. 23). На фиг. 24 сопоставлены сечения чугунных кольцевых обделок некоторых Т., а на фиг. 25 показан способ соединения отдельных сегментов. В 1890 г. по этой системе был построен Т. под р. С.-Клер (фиг. 26) и в последние годы Блекуэльский Т. под Темзой и между Штралау и Трептовом под Шпрее, в Берлине. В последних конструкциях этой системы стараются комбинировать применение щита с работой пневматическим способом, как в кессонах при устройстве оснований. Такой прием работ оказался весьма удобным для прохождения водоносных участков Т. под Темзой Сити-южной жел. дор., С.-Клерского Т., Т. под реками Кляйд в Англии и Гудзон в Америке. Ввиду успехов при постройке целого ряда подводных Т. возникли предположения об устройстве Т. и под морскими проливами. Так, напр., давно уже англо-французская компания добивается концессии на сооружение железно-дорожного Т. под проливом Ламанш для соединения Англии с Францией, но англ. правительство противится этому по военным соображениям. Существуют также проекты устройства Т. под Гибралтаром — для соединения жел. дорог Европы и Африки, под Босфором — для соединения Европ. Турции с Малой Азией, под проливом Симоносеки в Японии — для соединения о-вов Нипон и Киусиу и друг. По примеру лондонских Т. под Темзой сделано было предложение также заменить постройку моста через Неву в Петербурге устройством сообщения помощью Т. Строящиеся в больших городах Т. под улицами для облегчении движения обыкновенно сооружаются посредством открытых выемок, которые затем перекрываются и засыпаются (Бостон, некоторые Т. в Лондоне и Париже). Отверстия в железнодорожных насыпях, служащих для пропуска воды и носящие название труб, в последнее время в России весьма часто строятся на существующих железных дорогах туннельным способом. — для избежания перерыва в движении (фиг. 27). К числу первых построенных в России Т. принадлежит Ковенский, на С.-Петербурго-Варшавской железной дороге длиной 600 саж., построенный инженером Г. Ф. Перротом в 1850 г. Следующие по времени сооружения Т. исполнены на Лозово-Севастопольской, Уральской, Закавказской, Новороссийской, Ивангородо-Домбровской, а также и других железных дорогах. Длиннейший в России Т. — Сурамский — на обходной линии Сурамского перевала Закавказской жел. дороги. В нижеприведенной таблице даны сведения о размерах поперечного сечения Т. главнейших подземных железных дорог:
| Конструкция | Железные дороги | Площадь профиля, в кв. м |
Число путей |
|---|---|---|---|
| Трубчатая система Гретхеда |
Железной дороги Сити-южной в Лондоне | 7,80 | один. |
| Железной дороги подземной канатной в Глазго | 8,40 | ||
| Железной дороги подземной центральной в Лондоне | 4,57 | ||
| Железной дороги Ватерлоо-Сити | 10,50 | ||
| Пробный Т. под р. Шпрее в Берлине | 10,87 | ||
| Т. под рекой Гудзон | 22,85 | два. | |
| Т. под рекой С.-Клер | 26,94 | ||
| Под улицами, с плоским потолком |
Т. Блэкуэльский под Темзой в Лондоне | 32,70 | экип. |
| Подземная железная дорога Франца-Иосифа в Будапеште | 17,94 | два. | |
| Подземная железная дорога в Берлине | 23,40 | ||
| Подземная железная дорога в Бостоне (участок от Тремонта до С.-Малля) | 65,68 | четыре. | |
| Подземная железная дорога в Бостоне (участок от Болистона до С.-Малля) | 32,51 | два. | |
| Обыкновенная | Железная дорога центральная в Глазго | 33,00 | |
| Железная дорога столичная и пригородная в Лондоне | 30,00 | ||
| Железная дорога подземная в Бостоне (Тремонт-стрит) | 30,84 | ||
| Железная дорога окружная в Париже | 22,50 | ||
| Железная дорога Венская подземная | 24,00 | ||
| Железная дорога поясная в Балтиморе | 25,00 |
Литература. I. С. Каннегисер, «Туннельные работы» («Сборн. Инст. инжен. путей сообщения», СПб., 1899, LII вып.); статьи в «Журнале Мин. путей сообщ.» и «Известиях Собрания инж. путей сообщения»; Debauve, «Construction des souterrains» (П., V. Dunod); Thomé de Gamond, «Tunnel sous-marin entre la France et l’Angleterre» (там же); Conte, «Rapport sur le percement du grand tunnel des Alpes» (там же); Revaux, «Percement des Alpes» и «Tunnel de ’l’Arlberg» (там же); Ottavi, «Ventilation des Tunnels» (П.); Baudry et C.-Mackensen und Richard — отдел Tunnelbau в «Handbuch der Bauwissenschaften»; Dolezaiek, «Tunnelbau»; Lorenz, «Tunnelbau mit Bohrmaschinenhetrieh» (Вена, 1877); Kömves-Toth, «Ueber Tunnelbau im allgemeinen und über die Ursache der Deformationen hei Tunnelma uerungen» (Вена, 1875); Schön, «Der Tunnelbau» (Вена, 1874); Rziha, «Lehrbuch der gesammten Tunnelbaukanst»; его же, «Die Entwässerung des Tunnelmauerwerkes» (Б., 1869); Forchheimer, «Englische Tunnelbauten bei Untergrundbahnen, sowie unter Flüssen und Meeresarmen» (Аахен, 1884); Zwick, «Neuere Tunnelbauten» (Лпц., 1873); Drinker, «Tunneling, explosive compounds and rock drills"» (Нью-Йорк, 1877); Simms, «Practical Tunneling» (Л., 1895); Haupt, «Tunneling by machinery» (Л., 1867). Многочисленные монографии об отдельных Т. и статьи в периодических изданиях.