ПОДВОДНЫЙ ТОННЕЛЬ (а. underwater tunnel; н. Unterwasserstollen, Unterwassertunnel; ф. tunnel sous-marin; и. tunel submarino) — предназначен для преодоления водного препятствия с целью пропуска транспортных средств и пешеходов, прокладки инженерных коммуникаций и др. Подводные тоннели в отличие от мостов не нарушают режим водотока, не препятствуют судоходству, защищают транспортные средства или коммуникации от неблагоприятных атмосферных воздействий, а при расположении в городе в минимальной степени нарушают архитектурный ансамбль. Преимущества подводных тоннелей по сравнению с мостами в значительной степени возрастают при пологих берегах водотока и при интенсивном судоходстве.

В зависимости от расположения относительно дна водотока (водоёма) различают подводные тоннели, заглубленные в грунтовый массив (рис., а), тоннели на дамбах (рис., б) или отдельных опорах (тоннели-мосты) (рис., в) и "плавающие" тоннели (рис., г).

Тоннели на дамбах, тоннели-мосты и "плавающие" тоннели эффективны при пересечении глубоких водных преград, т.к. при этом сокращается длина тоннельного перехода и улучшаются эксплуатационные показатели трассы.

Первый в мире подводный тоннель (длиной 900 м, шириной 4,9 м и высотой 3,9 м) построен в Вавилоне под рекой Евфрат за 2180 лет до н. э. В мире эксплуатируется большое количество подводных тоннелей различного назначения, среди которых преобладают транспортные тоннели: , метрополитена (табл.).

В подводные тоннели построены под рекой Москвой, Невой, Курой на линиях Московского, Ленинградского и Тбилисского метрополитенов, автодорожные тоннели — под каналом им. Москвы в Москве, под Морским каналом в Ленинграде и др. Предполагается строительство крупнейших подводных тоннелей под проливом Ла-Манш (52 км), Гибралтарским проливом (32 км), Ботническим заливом (22 км), проливом Босфор (12 км), Мессинским проливом и др.

Подводные тоннели располагают на прямой или криволинейной трассе в плане, что связано с необходимостью обхода зон сильных размывов, островов, искусственных подводных сооружений и пр. Глубину заложения подводных тоннелей относительно линии возможных размывов принимают не менее 4-5 м в плотных глинистых грунтах и не менее 8-10 м в несвязных грунтах. При способе опускных секций минимальная глубина заложения в плотных глинистых грунтах 1,5-2 м, а в несвязных грунтах 2,5-3 метров. Радиусы кривых в плане и профиле, продольные уклоны и габариты подводных тоннелей принимаются в зависимости от назначения тоннеля и места его расположения по соответствующим нормам. Ширина подводных тоннелей достигает 40 м и более, высота — 10м (например, в Антверпене).

Способ строительства подводных тоннелей определяется его длиной, размерами поперечного сечения, топографическими, инженерно-геологическими и гидрологического условиями. Подводные тоннели сооружают чаще всего щитовым способом или способом опускных секций. В отдельных случаях применяют горный или открытый способы, а в сложных инженерно-геологических условиях — проходку под сжатым воздухом, опускные кессоны, водопонижение , тампонаж, искусственное замораживание или химическое закрепление грунтов . Конструкции подводных тоннелей, сооружаемых щитовым способом, выполняют в виде круговых тоннельных обделок из чугунных или стальных тюбингов либо из железобетонных элементов с внутренней гидроизоляцией. При горном способе работ устраивают обделки сводчатого очертания из монолитного бетона или железобетона. Опускные секции подводные тоннели могут быть кругового, бинокулярного или прямоугольного поперечного сечения из железобетона с наружной гидроизоляцией. Подводные тоннели оборудуют системами искусственной вентиляции, освещения, водоотвода , а также специальными устройствами, обеспечивающими безопасную эксплуатацию сооружения.

Подводные тоннели могут использоваться при создании постоянно действующей транспортной связи через водное препятствие (реку, канал, озеро, водохранилище). Они наилучшим образом соответствуют условию обеспечения бесперебойного движения транспорта на обеих пересекающихся магистралях (наземной и водной) и обладают следующими преимуществами перед мостами:

не нарушают бытового режима водотока;

не препятствуют судоходству, полностью сохраняя существующий характер акватории;

защищают транспортные средства от неблагоприятных атмосферных воздействий;

обеспечивают бесперебойное и круглогодичное движение транспорта на участке пересечения водотока;

сохраняют местоположение береговых сооружений и устройств, сводят к минимуму число зданий и сооружений, подлежащих сносу на подходах к пересечению;

практически не нарушают архитектурный ансамбль города.

Технико-экономическое сравнение мостового и тоннельного перехода показывает, что подводный тоннель имеет более высокую стоимость строительства, однако эксплуатационные расходы на содержание мостов, особенно низководных, значительно выше, чем тоннелей.

В целом, подводные тоннели наиболее часто используются в следующих топографических и инженерно-геологических условиях:

широкий водоток с плоскими, низкими, нередко застроенными берегами;

ложе водотока образовано толщей слабых грунтов, распространяющихся на достаточно большую глубину, в их основании лежат более прочные грунты;

движение наземного или водного транспорта на участке пересечения характеризуется высокой интенсивностью и постоянством в течение суток.

Кроме того, предпочтение тоннельному варианту отдают при наличии паводков и мощных ледоходов, проходящих при высоких уровнях воды, неустойчивости русла, а также по требованиям градостроительного характера.

В зависимости от расположения относительно дна водотока различают (рис.2.72):

подводные тоннели, целиком заглублённые в грунтовый массив;

тоннели на дамбах или отдельных опорах;

плавающие тоннели, заанкеренные тросовыми оттяжками в русловое ложе.

Подводные тоннели на дамбах, тоннели-мосты и плавающие тоннели эффективны при пересечении глубоких водных преград. При их использовании сокращается длина перехода, улучшаются эксплуатационные показатели трассы.

Выбор в городской черте месторасположения подводного тоннеля определяется характером планировки и застройки городских участков, топографическими условиями местности и способом строительства. Обычно тоннельное пересечение стараются располагать перпендикулярно оси водотока, что позволяет уменьшить длину сооружения и упростить его возведение и эксплуатацию. В условиях плотной застройки берегов возможно устройство косого пересечения водной преграды.

Подводный тоннель может располагаться как на прямой, так и на криволинейной в плане трассе. Искривление в плане трассы тоннеля вызвано необходимостью огибания препятствий: зон размыва, островов, искусственных подводных сооружений; либо, наоборот, стремлением подхода к острову для устройства вентиляционных шахт или раскрытия дополнительных забоев.

Наиболее характерны, кроме прямолинейных, следующие варианты расположения подводного тоннеля в плане:

Для размещения руслового участка на прямой, в пределах береговых участков, трассу тоннеля располагают на кривых (рис. 2.73, а);

Подходные береговые участки подводного тоннеля попадают на разные стороны поворота, поэтому ось тоннеля в плане располагают на кривой (рис. 2.73, б);

Из-за несовпадения осей подводных участков на обоих берегах водотока, криволинейные участки пути располагают вблизи урезов воды, а весь тоннель имеет в плане вытянутую S-образную форму (рис. 2.73, в);

Для организации промежуточной стройплощадки, связанной с изменением способа строительства или, при необходимости, устройства вентиляционной шахты, используются естественные или искусственные острова в русле водотока, что допускает искривление трассы тоннеля в плане (рис. 2.73, г).

В любом случае необходимо соблюдать нормативные требования к элементам криволинейных участков дороги и их взаимному сопряжению.

Продольный профиль тоннеля может проектироваться двускатным вогнутого очертания, с плоским нижним разделительным участком, либо, при значительной протяжённости сооружения, разделительный участок заменяют двумя элементами продольного профиля с уклонами, направленными от середины тоннеля к берегам водотока. В местах намечаемого сопряжения уклонов, при их большой алгебраической разности, назначают элементы переходной крутизны, обеспечивающие выполнение нормативных требований к продольному профилю. В особо длинных подводных тоннелях может проектироваться многоскатная форма продольного профиля, диктуемая отметками дна по трассе тоннеля и условиями обеспечения минимальных глубин заложения.

При проектировании продольного профиля подводного тоннеля большое внимание уделяется правильному назначению глубины заложения верха тоннеля относительно дна водотока или водоёма, которая назначается в зависимости от способа строительства и свойств грунтов.

Если подводная часть сооружается щитовым способом под сжатым воздухом, то, во избежание его прорыва, минимальную глубину заложения относительно линии возможных размывов назначают в зависимости от свойств грунтов, слагающих русловое ложе: 4-6 м в плотных глинистых грунтах, 8-10 м в слабых несвязных грунтах. Уменьшение толщины защитной кровли может достигаться устройством по дну водоёма, непосредственно над сооружением, защитного глиняного тюфяка толщиной 2-3 м и шириной 3-4 диаметра тоннеля.

При строительстве подрусловой части методом опускных секций глубина заложения тоннеля назначается не менее: 2,5- 3 м в слабых несвязных грунтах и 1,5-2 м в плотных глинистых грунтах.

Места переломов продольного профиля стараются совмещать со стыками секций. Это облегчает конструкцию самих секций и устройство под неё основания.

Характерным примером является железнодорожный тоннель протяжённостью 5,8 км под заливом Сан-Франциско (рис. 2.75). Необходимость обхода сейсмоопасных участков в заливе и полигональная форма продольного профиля привели к искривлению продольной оси сооружения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В результате этого из 57 секций тоннеля 15 имеют криволинейное очертание в плане и 4 - в профиле. Две секции представляют собой отрезки спирали, криволинейные в обеих плоскостях.

Форма поперечного сечения подрусловой части определяется способом проходки и, в большинстве случаев, при применении щитового способа или способа опускных секций имеет круговое или прямоугольное очертание.

Глубина воды над тоннелем должна быть достаточной для судоходства.

Для борьбы с водой, появляющейся в эксплуатируемом сооружении, в самом низком месте тоннеля устраивают водоприёмник и размещают в нём насосную станцию небольшой мощности. Она используется для удаления сравнительной небольших объёмов воды, собирающейся в закрытой части тоннеля. В нижней части открытых рамп устраивают высокопроизводительные дренажные откачки для перехвата и удаления дождевых вод. Кроме этого, для предотвращения затопления подводного тоннеля предусматривают различные конструктивные решения (рис. 2.76).

Подводный коммуникационный тоннель в Свеаборге (Финляндия), построенный в 1980 году, имеет общую протяжённость

1265 м, площадь поперечного сечения около 13 м 2 . В тоннеле проложены тепло- и водопровод и электрические кабели. В самой низкой точке установлен насос для откачки дренажных вод.

В Норвегии запроектирован первый в мире автомобильный плавающий тоннель диаметром 20 м и протяжённостью 1440 м, заанкеренный в грунт. В тоннеле предполагается разместить двухполосную проезжую часть, пешеходную и велосипедную дорожки.

В 2001 году в Москве, в составе транспортной развязки на пересечении Волоколамского шоссе с ул. Свободы, введён в эксплуатацию уникальный тоннель под каналом им. Москвы. Трасса тоннеля состоит из двух участков: первый длиной около 160 м, возведённый как единая монолитная железобетонная конструкция без промежуточных деформационных швов. Второй участок, протяжённостью около 240 м, состоит из девяти секций, разделённых промежуточными деформационными швами. В поперечном сечении тоннель представляет собой двухсекционную коробку с размерами 7,9x28,7 м, предназначенную для пропуска пяти полос движения (рис. 2.80).

Представители правительства Норвегии объявили о начале реализации амбициозного плана по строительству первых в мире подводных плавающих туннелей, которые должны облегчить жизнь людям, вынужденным часто передвигаться по этой стране, пересеченной множеством фьордов, заливов со скалистыми крутыми берегами. В настоящее время единственным способом осуществить такое путешествие является движение при помощи череды паромных переправ, но это крайне неудобный и отнимающий массу времени способ. "Подводные плавающие мосты", способные решить проблему быстрого перемещения, представляют собой огромные бетонные трубы, плавающие на глубине 30 метров ниже уровня моря, толщины которых хватает для организации двух полноценных полос движения.

Подводный туннель будет удерживаться в плавающем состоянии при помощи понтонов, плавающих на поверхности. Также инженеры рассматривают и варианты крепления туннеля в некоторых местах к морскому дну, что должно увеличить стабильность этого сооружения. Каждый такой подводный мост будет состоять из двух параллельных труб, в каждой из которых будут организованы две полосы движения в одном направлении. Несмотря на столь нетрадиционное решение, езда внутри подводного туннеля не будет ничем отличаться от езды по обычному туннелю. Всего в Норвегии сейчас построено 1150 транспортных туннелей, 35 из которых проходят под водой, так что жителям этой страны будет не в диковинку перемещаться и по плавающим подводным туннелям.

Почему же норвежское правительство не прибегло к строительству нормальных мостов? К сожалению, крутые скалистые склоны, достаточно большая ширина и глубина фьордов, делают их совсем неподходящими местами для возведения сооружений традиционного плана. Подходящей альтернативой подводному плавающему мосту в данном случае являются висячие мосты или понтонные мосты, проходящие по поверхности воды, однако, такие конструкции слишком уж восприимчивы к неблагоприятным погодным условиям. Кроме этого, они в какой-то мере будут мешать судоходному движению.

В настоящее время правительство Норвегии уже собрало около 25 миллиардов долларов в фонд реализации данного проекта, завершения которого можно будет ожидать году этак в 2035-м. И этот долгий промежуток времени станет тяжелым этапом для инженеров проекта, ведь такая транспортная система еще никогда не строилась ни в одном уголке земного шара и никто не знает, как на конструкцию подводного туннеля будут влиять волны, ветер, подводные течения и т.п. И если строительство подводных плавающих туннелей окажется делом неподъемным, то правительство Норвегии оставляет за собой право свернуть работы по данному проекту и перенаправить финансирование на поиски и разработку альтернативных вариантов.

При наличии на трассе автомагистралей крупных рек, морских проливов или заливов может возникнуть необходимость в сооружении подводных тоннелей, которые в ряде случаев имеют технико-экономические преимущества перед мостовыми переходами. Подводные тоннели не нарушают условий судоходства и бытового режима водной преграды. Низкие берега водотока, повышающие стоимость мостового перехода за счет необходимости обеспечения подмостовых габаритов, благоприятны для строительства подводного тоннеля.

Подходы к мостам, особенно в условиях городской застройки, нарушают архитектурный ансамбль и могут потребовать в отдельных случаях сноса здании и сооружений.

Выбор между мостовым и тоннельным пересечением водной преграды производят на основе технико-экономического сопоставления вариантов с учетом как строительных, так и эксплуатационных затрат.

В некоторых случаях при пересечении крупных водных препятствий целесообразно сооружение комбинированных тоннельно-мостовых переходов, состоящих из моста низкого уровня и подводного, тоннеля на судоходном участке.

Обычно подводные тоннели сооружают под дном водотока, оставляя защитную грунтовую кровлю не менее 3-6 м (рис. 3.4, а).

Рис. 3.4.

1 - подводный участок; 2 - рамповый участок; 3 - дамба;

4 - заводные секции; 5 - опоры

При сооружении подводных тоннелей в условиях значительной глубины воды (более 30 м) могут найти применение тоннели, располагаемые на искусственных дамбах, устраиваемых по дну водотока (водоема), тоннели-мосты и плавучие тоннели. Конструкция тоннеля на дамбах состоит из отдельных готовых элементов - тоннельных секций, которые опускают с поверхности воды или перемещают с берегов вдоль оси тоннеля по рельсам, уложенным по искусственным дамбам, а затем стыкуют между собой (рис. 3.4, б). Устройством таких тоннелей значительно сокращается длина подводного перехода, однако при этом требуется значительный объем земляных работ по возведению дамб.

Подводный тоннель-мост представляет собой комбинированное сооружение в виде тоннеля из отдельных секций, опирающегося на опоры по типу мостовых (рис. 3.4, в). Такие сооружения могут быть устроены при пересечении весьма глубоких водотоков, причем глубина заложения тоннеля определяется условиями" судоходства.

В отличие от тоннелей-мостов плавучие тоннели удерживают на требуемой глубине от поверхности воды заанкеренными в дно тросовыми оттяжками.

Подходы к тоннелю - рамповые участки - сооружают в открытой выемке с обделкой в виде незамкнутой конструкции из монолитного или сборного железобетона, состоящей из лотка и боковых стен переменной высоты, укрепляющих откосы выемки. Длина рампы зависит от топографических, инженерно-геологических условий и экономических факторов. В некоторых случаях устраивают рампы закрытого типа цельнозамкнутой конструкции.

13 марта 1988 года в Японии был открыт тоннель Сэйкан – самый длинный в мире подводный железнодорожный тоннель. Сегодня мы решили рассказать о нем и других самых примечательных подводных тоннелях, которые могут посетить туристы.

Самый длинный

Пока китайские ученые корпят над проектом очередного рекордсмена – подводного тоннеля протяженностью 123 км, – самым длинным действующим железнодорожным коридором на планете остается японский Сэйкан. На реализацию задумки соединить кратчайшим путем два самых крупных острова Страны восходящего Солнца потребовалось 42 года и более 3,6 миллиарда долларов. Первоначальные сроки и стоимость возведения Сэйкана увеличивали то слабые грунты, то слишком сильное давление воды, то бесконечные финансовые трудности. И вот 13 марта 1988 года японская пресса наконец взорвалась восторженными очерками: состав, скрывшийся в глубинах тоннеля на Хонсю, промчался под водами Сангарского пролива и вынырнул, будто поплавок, на Хоккайдо. «Величественное зрелище» (так переводится с японского «Сэйкан») достигает в длину 53,85 км, чуть меньше половины из которых скрываются в подводных глубинах. Тоннель оборудован защитой от природных катаклизмов и силы водной стихии: внутри установлены сверхчувствительные датчики, реагирующие на малейшие колебания земли, мощные насосы, за минуту откачивающие до 16 тонн воды, и внушительные убежища, имеющие достаточные запасы на случай бедствия. Сейчас Сэйкан уже не так знаменит, как 20 лет назад, но все еще является достопримечательностью Японии.

Самый старый

Любопытный факт: самый первый на планете “подводный мост” должен был соединить два берега Невы в Петербурге. Но судьба распорядилась иначе. Царственный заказчик Александр I скончался раньше, чем талантливый архитектор Марк Брюнель закончил проект, а его наследник Николай I технической новинкой не заинтересовался. Разработчик решил: не пропадать же добру, и обратился к другому «продвинутому» монарху – английской королеве Виктории. Тут ему повезло больше: придуманный им метод, до сих пор использующийся при строительстве тоннелей, был реализован для соединения двух берегов Темзы. Поглазеть на открытие подводной коммуникации длиной 459 метров собралось 50 тысяч лондонцев. По меркам 1843 года это была почти половина населения столицы! Хотя из-за нехватки финансирования тоннель так и не стал грузовым, он пользовался огромной популярностью: пройтись под рекой казалось столь же невероятным, как оказаться на Луне. Коридор превратился в город развлечений: здесь появились торговая галерея и подводный бордель, прошла первая в мире ярмарка под водой. Через некоторое время проход под Темзой был заброшен: в течение 145 лет сюда заглядывали лишь путевые проходчики. Совсем недавно в самом старом подводном тоннеле мира вновь зазвучали голоса: власти Лондона проводят пешие прогулки по историческим подземельям.

Фото: usolt.livejournal.com

Самый глубокий

Строительство тоннеля под проливом Босфор, сумевшего связать Европу с Азией, было давней турецкой мечтой, казавшейся фантастикой. Более 150 лет потребовалось для того, чтобы реализовать задумку, возникшую у османского султана Абдула-Гамида еще в 1860 году. Открытие тоннеля Мармарай, состоявшееся 29 октября 2013 года и приуроченное ко Национальному дню Турции, не обошлось без эксцессов: в Мармарае было отключено электричество и пассажиры были вынуждены сами выбираться из застрявшего в тоннеле поезда. Длина коммуникации, объединяющей три подземные и 37 наземных станций, 8 пригородных и 4 пересадочных вокзала, достигает 13,6 километра, причем 1400 метров проходит непосредственно под Босфором. Пропускная способность двойной трубы, проложенной на 60 метров ниже дна пролива, составляет полтора миллиона пассажиров за день, а ее система безопасности способна выдержать землетрясения в 9 баллов по шкале Рихтера. Помимо неоспоримой экономической выгоды, решившей проблему перегрузки транспортной системы Стамбула, строительство Мармарая принесло еще одну неожиданную пользу. Во время мега-стройки было обнаружено 40 тысяч важных археологических находок, включая флотилию из 30 византийских судов, достойную занять место среди объектов Всемирного наследия.

Фото: andrewgrantham.co.uk

Самый развлекательный

До 1997 года смешное по нынешним меркам расстояние в 15 километров жителям японских городов Кисарадзу и Кавасаки не казалось просто досадной мелочью. Из-за того, что кратчайшее расстояние между этими точками пролегало через Токийский залив, Кисарадзу, лежащий совсем рядом с ультрасовременным Токио, напоминал деревенскую глубинку. Ведь чтобы добраться на авто из столицы, приходилось преодолевать путь в сотню километров. Японским инженерам предстояла архитрудная задача: возведение моста между разными сторонами Токийского залива затруднило бы передвижение морских судов, а прокладка тоннеля была слишком проблемной из-за неустойчивости морского дна. Техническое решение было гениальным: «Аквалайн» стал весьма удачной и безопасной комбинацией из подводного тоннеля длиной 9,6 км и моста протяженностью 4,4 км. Но не чувствительные датчики дыма, установленные через каждые 25 метров, и не новейшие антисейсмические технологии поместили токийский тоннель в этот рейтинг. На одном из двух искусственных островов, через которые проходит «Аквалайн», расположен целый развлекательный комплекс, похожий на пассажирский лайнер. Помимо парковки, рассчитанной на 480 автомобилей, тут находятся рестораны, сувенирные магазины, зоны отдыха и обзорные площадки.

Самый известный

О современном чуде света, соединившем Туманный Альбион с Пятой республикой, знает каждый: Евротоннель, открытый под Ла-Маншем в 1994 году, стал символом объединения Европы. Идея проложить прямой путь из Англии на материк приходила в голову выдающимся деятелям всех времен: от ученых 13 века до амбициозного Наполеона, мечтавшего пустить под проливом конницу, осуществляя вентиляцию через выходящие на поверхность трубы. И лишь в конце 20 века «Европа наконец присоединилась к Британии»: три тоннеля (два для движения поездов и один резервный) соединяются в единую систему воздухоотводами и запасными тоннелями. Для того чтобы уменьшить эффект поршня, возникающий при движении скоростных поездов, способных развивать скорость до 350 км/ч, над тоннелями проложена вентиляционная система, а на обоих концах установлены рефрижераторные станции, охлаждающие рельсы. Интересный факт: англичане подошли к строительству 51-километрового Евротоннеля с особым энтузиазмом. Они копали быстрее, чем французы, и вырыли на 15 км больше. Да и с землей, образовавшейся при строительстве, они обошлись романтичнее, образовав рукотворный мыс Шекспира. Недостатки Евротоннеля (например, высокая плата за проезд) компенсируются неоспоримым достоинством: это самый быстрый и интересный способ добраться из континентальной Европы в Британию.