Тоннели начали строить в глубокой древности, преимущественно для подачи воды и для военных целей. Первый горный железнодорожный тоннель длиной 1190 м был построен в 1826—1830 гг. в Англии. Крупнейший в мире однопутный железнодорожный Симплонский тоннель длиной 19,78 км, соединивший Италию со Швейцарией, был построен в 1898— 1906 гг. Железнодорожные тоннели в России начали строить с 1859 г. За три года были построены двухпутные тоннели длиной 427 и 1280 м на Петербург- Варшавской железной дороге. До конца прошлого столетия сооружено большое количество тоннелей на железных дорогах Кавказа, Сибири, Урала. Самым крупным был Сурамский тоннель в Закавказье длиной 4 км, построенный в 1886—1890 гг. До Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране было сооружено несколько десятков крупных горных однопутных и двухпутных тоннелей на железных дорогах Дальнего Востока. После Великой Октябрьской социалистической революции построены крупные тоннели на линиях Казань — Свердловск, Мерефа — Херсон, на Черноморской железной дороге и ряд тоннелей на востоке страны. Железнодорожные тоннели строили различными способами с обделками, защищающими движущиеся поезда от обвалов горных пород, из каменной кладки на известковых растворах, а позднее из бетона. Первая линия метрополитена была построена в Англии в 1863г. в Лондоне. С этого времени сеть метрополитенов быстро росла. В России строительство метрополитенов, начатое в 1930 г., ведется непрерывно. На 1 января 1988 г. протяженность Московского метрополитена составляла уже 224 км.

Тоннель (рис.1) – протяженное подземное или подводное сооружение для пропуска через высотное или контурное препятствие транспортных средств, пешеходов, воды, инженерных коммуникаций и пр.

Тоннели имеют обычно два выхода на поверхность, а в особых случаях только один (тупиковый тоннель транспортного рис. 1. или специального назначения).

Нормальная эксплуатация тоннеля обеспечивается комплексом согласованно работающих подземных и наземных сооружений и устройств, состав которых зависит от назначения, протяженности и места расположения тоннеля.

Железнодорожные и автодорожные тоннели, равно как и метрополитены, кроме железнодорожного пути или полотна проезжей части, должны иметь водоотводные, вентиляционные, оградительные и защитные сооружения и устройства, обеспечивающие безопасность движения и обслуживающего персонала.

Водоотводные устройства необходимы для удаления из тоннеля воды, проникающей через обделку или поступающей из водопровода при уборочных работах. Выполняются они в виде продольных лотков или труб, прокладываемых посередине или сбоку тоннеля.

Вентиляционные сооружения предназначены для очистки воздуха в тоннелях. Конструкция и состав этих сооружений зависят от системы вентиляции и длины тоннеля. При искусственной вентиляции могут сооружаться вентиляционные стволы, подземные камеры или наземные здания для вентиляторов.

К оградительным и защитным сооружениям относятся порталы, облицовочные и поддерживающие стены вдоль откосов предпортальных выемок, улавливающие стены и надолбы с заградительными валами и траншеями на пологих склонах, галереи в припортальных полувыемках на крутых косогорах, где имеется опасность обвалов, осыпей и лавин.

К водозащитным сооружениям относятся водосборные и водоотводные канавы на склонах гор, прорезаемых тоннелем, поверхностные и подземные дренажи.

К устройствам, обеспечивающим безопасность движения, относятся электрическое освещение тоннелей, оповестительная и заградительная сигнализации, телефонная связь, противопожарные установки и т. п.

Метрополитены из всех типов тоннелей отличаются наиболее сложным комплексом сооружений и устройств. Основными сооружениями метрополитена являются перегонные тоннели, станции, вестибюли, тяговые и понизительные электроподстанции, вагонные депо.

Для нормальной эксплуатации перегонных тоннелей необходимы вспомогательные сооружения: камеры для водоотливных установок, вентиляционные камеры и тоннели, вертикальные стволы вентиляционных шахт. В местах выхода перегонных тоннелей на поверхность устраиваются рампы — открытые выемки с подпорными стенами.

Строительство тоннелей- довольно-таки трудоемкий и дорогостоящий вид работ.

1. Классификация тоннелей.

Область применения тоннелей настолько велика, что позволяет дать лишь самую общую их классификацию по назначению, месту расположения, глубине заложения и способу строительства (рис. 2).

Они различаются также длиной (от нескольких десятков метров до нескольких десятков километров), формой и размерами поперечного сечения, конструкциями, условиями эксплуатации и пр.

По назначению выделяют транспортные тоннели, предназначенные для пропуска средств автомобильного или железнодорожного транспорта, поездов или скоростного трамвая, специальных видов транспорта (поездов на магнитной или воздушной подушке). Существуют также совмещенные транспортные тоннели для нескольких видов транспортных средств и пешеходов, судоходные тоннели и др.

  Рис. 2.

В последнее время в ряде протяженных железнодорожных тоннелей осуществляется перевозка автомобилей на специальных платформах, что значительно экономит время, снижает экологическую нагрузку и стоимость проезда.

Гидротехнические тоннели сооружают в системе ГЭС, ГАЭС или АЭС для отвода и подачи воды к силовым агрегатам (энергетические и деривационные). К гидротехническим относятся также мелиоративные тоннели для осушения или орошения земель, тоннели для водоснабжения, а также лесосплавные тоннели.

Коммуникационные тоннели чаще всего располагают в городах для прокладки различных инженерных коммуникаций: электрических кабелей высокого или низкого напряжения, кабелей связи, теплосетей, водостока, водопровода, газопровода, канализации. Во многих случаях устраивают коллекторные тоннели для пропуска нескольких видов коммуникаций.

Горнопромышленные тоннели строят на горнодобывающих предприятиях, шахтах и рудниках. Они служат для транспортирования руды и породы, проветривания и осушения подземных выработок.

К тоннелям специального назначения относят подземные автостоянки и гаражи тоннельного типа, тоннели для научных исследований (например, ускорители заряженных частиц, тоннели для аэродинамических испытаний), газо- и нефтехранилища, подземные склады, тоннели оборонного характера.

По месту расположения транспортные тоннели подразделяют на горные, подводные и городские. ^ Горные тоннели сооружают преимущественно в горной местности для преодоления высотных препятствий: горных хребтов, отрогов гор, холмов, возвышеннос­тей. Подводные тоннели располагают в месте пересечения контур­ных препятствий: рек, каналов, озер, водохранилищ, морских за­ливов и проливов. Городские автотранспортные и пешеходные тоннели служат для упорядочения движения транспорта и пешехо­дов на городских магистралях и улицах. Такое подразделение следует считать условным, поскольку горные и подводные тоннели могут располагаться и на участках городских территорий, разделен­ных высотными или водными препятствиями.

В зависимости от глубины заложения от поверхности земли H различают тоннели глубокого[H>(2—3)В] и мелкого заложения [H< (2—3)B], где B—наибольший размер (пролет или вы­сота) поперечного сечения тоннеля.

В соответствии со способом строительства выделяют тон­нели, сооружаемые закрытыми, открытыми или опускными спосо­бами, каждый из которых имеет несколько разновидностей.

Закрытые способы (горный, щитовой, продавливание) предусматривают ведение работ без нарушения поверхностных условий, а открытые способы(котлованный, траншейный) — с предваритель­ным вскрытием поверхности земли. Используя опускные способы (опускные колодцы, опускные секции подводных тоннелей), конст­рукции тоннеля изготавливают на поверхности земли, а затем по­гружают на проектную отметку.

В наиболее сложных инженерно-геологических условиях для предварительного закрепления или осушения грунтового массива ранее перечисленные способы применяют в сочетании со специаль­ными способами работ: водопонижением, искусственным заморажи­ванием, тампонажем или химическим закреплением грунтов.

Выбор того или иного способа строительства определяется главным образом инженерно-геологическими условиями, длиной тоннеля и размерами его поперечного сечения, а также технико-экономическими и экологическими соображениями.

Горные и подводные тоннели чаще всего строят горным и Щитовым способами, а городские тоннели мелкого заложения кот­лованным или траншейным способами.

Горный способ применяют преимущественно в скальных грунтах. При этом тоннельную выработку раскрывают за один прием или по частям, закрепляя ее временной крепью, а затем на неко­тором расстоянии от забоя возводят постоянную конструкцию Обделку. В мягких и слабых грунтах наиболее эффективен щитовой способ, основанный на использовании передвижной крепи замкнутого очертания -- щита, под прикрытием которого разрабатывают грунт и возводят обделку (рис. 3,б). При котлованном способе конструкции тоннеля возводят в предварительно устроенном котловане (рис. 3,в), а при траншейном способе вначале в траншеях сооружают стены, на которые опирают перекрытие, а затем разрабатывают грунт между стенами и бетонируют лоток тоннеля (рис. 3,г).   Рис. 3. Схемы строительства тоннелей.

Тоннель — сложный для осуществления и дорогой вид искусственных сооружений, достаточно широко применяемый при строительстве железных и автомобильных дорог. По своим конструктивным формам, размерам и условиям строительства тоннели в транспортном строительстве отличаются от других видов подобных сооружений — гидротехнических, коммунальных, промышленных, горно-разведочных и специального назначения

. тоннели могут быть перевальными, сооружаемыми через высокие водоразделы; косогорными, прокладываемыми вдоль склонов гор; петлевыми и спиральными (рис. 4), сооружаемыми для развития трассы дорог в горных условиях. При пересечении трассой автомобильной дороги крупных водных преград, для обеспечения постоянной транспортной связи между берегами наряду с мостовыми переходами сооружают подводные тоннели. Для преодоления глубоких, но сравнительно узких водных преград эффективны подводные тоннели на искусственных дамбах, отдельных опорах (тоннели-мосты), а также «плавающие» тоннели, заанкеренные в дно тросовыми оттяжками или удерживаемые на плаву специальными плавающими опорами.

Горные

Автотранспортные тоннели в городах сооружают для развязки движения в разных уровнях на пересечениях, примыканиях или разветвлениях магистралей для увеличения или выравнивания пропускной способности отдельных участков магистралей, улучшения планировочной структуры улично-дорожной сети, охраны окружающей среды, создания подъездных путей к подземным автостоянкам и гаражам, торговым центрам и пр. В крупных городах в нашей стране с населением более 1 млн. жителей, сооружают метрополитены. Как наиболее удобный вид городского пассажирского транспорта тоннели метрополитенов прокладывают в городах по направлениям наибольших пассажиропотоков. 

При устройстве метрополитенов в пределах застроенных участков городов они прокладываются под поверхностью земли, иногда по геологическим и топорельефным условиям на большой глубине. На окраинах городов устраиваются наземные участки на так называемых «вылетных» линиях, предназначенных для связи метрополитенов с пригородными электрифицированными железными дорогами. Городские пешеходные тоннели сооружают в местах интенсивного уличного движения для обеспечения движения потоков городского транспорта и пешеходов в разных уровнях и для повышения безопасности движения.