Tunnlar byggdes ursprungligen som en del av vattenleverans- och avloppssystem, som går tillbaka till romarrikets dagar. Deras första användning för transport var en del av kanalsystem på 1600 -talet. Med utvecklingen av järnvägar på 1800 -talet och bilar på 1900 -talet blev tunnlarna längre och mer komplexa. De vanligaste metoderna för att bygga tunnlar är cut-and-cover-metoden, nedsänkt rörmetod eller användningen av en tunnborrmaskin.
Steg
Del 1 av 4: Faktorer att tänka på när man bygger en tunnel
Steg 1. Fundera över var tunneln ska byggas
Den föreslagna tunnelns plats kommer att avgöra vilka verktyg och tekniker som är nödvändiga för att konstruera den och förbereda den för dess avsedda användning. Tunnlar kan delas in i tre typer:
- Mjuka tunnlar. Dessa tunnlar kräver stöd vid öppningarna för att hindra tunneln från att kollapsa. Dessa tunnlar är vanligtvis grunda och används för tunnelbanor, vattenleverans och avloppsreningssystem.
- Bergstunnlar. Eftersom de är utgrävda från fast berg, kräver dessa tunnlar lite extra stöd eller inget alls. Tåg- och biltunnlar är vanligtvis av denna sort.
- Undervattentunnlar. Som namnet indikerar går dessa tunnlar under floder, sjöar, kanaler och när det gäller "Chunnel", sund som Engelska kanalen. Dessa är de svåraste tunnlarna att bygga, eftersom vatten måste hållas borta från tunneln under och efter byggnationen.
- Att bygga en tunnel under en stad erbjuder problem som liknar en undervattentunnel, genom att marken runt tunneln tenderar att sjunka under tyngden av byggnaderna ovanför den. En kunskap om områdets geologi hjälper till att förutsäga hur mycket marken kommer att sjunka och föreslår vilka metoder som kan minimera sagging.
Steg 2. Tänk på tunnelns väg
En tunnel med en lång, enkel, rak väg är relativt lätt att borras med en tunnelborrmaskin. Tunnlar som skiljer sig från denna design erbjuder problem som gör konstruktionen mer komplex.
- Korta tunnlar uttråkas inte av tunnborrmaskiner eftersom det inte är kostnadseffektivt att göra det.
- Tunnlar som kräver olika borrdiametrar vid olika delar av deras rutter gör också att användningen av en tunnborrmaskin opraktisk på grund av förseningar i justeringen av borrdiametern.
- Tunnlar som vänder skarpa hörn eller har skärande axlar använder också en tråkig maskin opraktisk.
Steg 3. Tänk på tunnelns syfte
Vad tunneln ska användas till avgör vilka ytterligare arbeten förutom att göra själva tunneln som kommer att behövas innan den tas i bruk.
- Tunnlar som transporterar passagerare kräver någon form av ventilation. För vägtunnlar innebär detta vanligtvis ventilationsaxlar för att förhindra uppbyggnad av kolmonoxid. För järnvägstunnlar kan detta innebära tvångsventilation för att ta bort dieselmotorns avgaser. Båda har kompletterande metoder för att hantera röken som skapas om en brand skulle bryta ut i tunneln.
- Kraftigt använda tunnlar, som Big Dig i Boston, kan ha kontinuerligt bemannade operationscentra med videoutrustning för att övervaka trafik i tunneln och hantera nödsituationer.
- Långa vägbanatunnlar, till exempel Eisenhower -tunneln i Colorado, kan tändas med takljus för förarnas och passagerarnas bekvämlighet. Andra tunnelbanor, t.ex. i Zion National Park i Utah, kan innehålla natursköna avstängningar så att naturligt ljus kan komma in i tunneln på platser och ge passagerarna en glimt av det omgivande landskapet.
- Vissa tunnlar, som Queensway Tunnel mellan Liverpool och Birkenhead, England och Lion Rock Tunnel mellan Sha Tin och New Kowloon i Hong Kong, kombinerar ett övre passagerartrafikdäck med ett lägre servicedäck för vatten, rör eller kablar. Andra tunnlar, till exempel Malaysias SMART Tunnel kan användas för antingen trafik eller översvämningskontroll.
Del 2 av 4: Använda skär-och-täck-metoden
Steg 1. Gräv en gräv
Området där tunneln kommer att grävas ut helt, med tunneltaket som ska skapas och täckas över när tunneln är klar. Denna typ av tunnel är konstruerad på ett av två sätt:
- Nedifrån och upp: Markstöd skapas först, sedan byggs tunneln upp runt den.
- Uppifrån och ner: Tunnelns sidor och tak är konstruerade på marknivå och tunneldiken grävs ut under den.
- Båda metoderna används främst för grundare tunnlar, även om top-down-metoden gör det möjligt att gräva djupare tunnlar än bottom-up-metoden. Djupare tunnlar grävs ofta med hjälp av en tunnelsköld, en lådliknande struktur med små fönsterluckor öppna för att gräva igenom. När smutsen framför skölden har tagits bort flyttas skölden framåt för att fortsätta gräva.
Steg 2. Skapa tunnelväggar och tak
Tunnelväggarna och taket kan byggas när tunneln grävs eller kan förkonstrueras och sättas på plats när tunneln grävs. Material idag inkluderar följande:
- Korrugerade stålbågar.
- Förgjutna betongbågar.
- Förgjutna betongväggar.
- Hällt eller sprutad betong. Ofta används detta tillsammans med en av de formade bågmetoderna.
Steg 3. Slutför tunneln
Hur detta görs beror på om bottom-up eller top-down-metoden användes.
- Tunnlar som skapats med bottom-up-metoden måste fyllas tillbaka för att täcka över tunneltaket och eventuell yta som ska finnas ovanför tunneltaket byggs eller byggs sedan om.
- Tunnlar som skapats med top-down-metoden grävs ut nedanför där tunnelväggarna och taket uppfördes, och sedan skapas en basplatta, som fungerar som tunnelgolv.
Del 3 av 4: Använda nedsänkta rör
Steg 1. Dra ut en gräv när tunneln går
Denna metod liknar cut-and-cover-metoden, men används för att gräva tunnlar under vattnet. Diken behöver gå längden tunneln kommer att gå under vattnet.
Steg 2. Lägg en serie stålrör längs dikets längd
Varje rör förseglas i endera änden med ett skott. Om röret är för en biltunnel, som i fallet med Ted Williams Tunnel i Boston, innehåller rören förbyggda vägavsnitt.
Steg 3. Omslut röret med tillräckligt med fyllning för att klara vattentrycket ovanför det
För Ted Williams Tunnel var detta ett 5 fot tjockt (1,5 m tjockt) lager av sten.
Steg 4. Anslut rören genom att ta bort de mellanliggande skotten
Alla väg- eller järnvägssegment inbyggda i rören skulle också anslutas vid denna tidpunkt.
Del 4 av 4: Använda en tunnelborrmaskin
Steg 1. Välj rätt tunnelmaskin för jobbet
Tunnelborrmaskiner, kallade TBM för korta eller "mol", har cirkulära plattor på framsidan som kallas sköldar. Skivformade skär på skärmen riv genom sten och smuts, som passerar genom öppningar i skölden på ett transportband inuti TBM som sätter det bakom maskinen.
- Typerna av TBM -sköldar varierar beroende på om mullvaden ska gräva ner i mjuk, våt mark eller hård sten. Skölddiametrar sträcker sig från Aker Wirths 8,03 m (26,3 fot) skärm på dess TBM som används för Schweiz Linth-Limmern kraftstationer till Hitachi Zosens "Big Bertha", med en diameter på 17,5 fot (17,5 m).
- Mullvadar som är utformade för att gräva tunnlar under vattennivån har också kamrar på framsidan för att trycksätta marken som grävs igenom.
- För stora jobb kan flera TBM krävas. Kanaltunneln krävs 11.
Steg 2. Sätt maskinen på plats
För en tunnel på ytnivå är detta inga problem. Om tunneln ska uttråkas djupt under jorden borras en betongaxel, vanligtvis cirkulär. TBM sänks ner i den och tunneln grävs från den punkten.
- För långa tunnlar borras flera åtkomstaxlar.
- När tunneln är klar kan åtkomstaxlarna bli ventilationsaxlar och/eller nödutgångar. Om de inte är så anställda lämnas de kvar på plats under tunnelns livslängd.
Steg 3. Uppför tunnelstöd när maskinen går igenom
Segment av förgjuten betong uppförs bakom TBM för att bilda en ring med förutbestämda intervall.
Steg 4. Spraya betong på de utgrävda väggarna mellan stödringarna
Den sprutade betongen, eller sprutbetong, täcker och stabiliserar tunnelväggarna. Sprutbetongen kan innehålla stål- eller polypropenfibrer för att förstärka den, ungefär som stålstång används för att förstärka gjuten betong. Sprutbetongen innehåller också en accelerator som hjälper den att hålla sig vid tunnelväggarna och torka snabbt.
Tips
- Tidiga tunnlar uttråkades genom berget genom att borra hål och använda sprängämnen: först svart pulver och senare dynamit. Tillfälliga stöd för träramar skulle uppföras, ersättas med tegel och murverk. Senare använde tunnlar segmenterade gjutjärnsringar, bultade ihop, istället för trä och murverk.
- Tunnlar kan också borras genom mjuk jord genom att använda uttag för att skjuta antingen rör/rör eller lådformade grävmaskiner med tipphuvuden. Rörjackade tunnlar tenderar att vara smala, inte mer än 10,5 fot (3,2 m) i diameter, medan box-jackade tunnlar kan vara så breda som 65,6 fot (20 m).
