Тоннель: что это такое, виды, строительство и самые длинные тоннели мира

Что такое тоннель: определение и основные признаки

Тоннель (или туннель — оба варианта равноправны) — это горизонтальное или наклонное подземное сооружение, длина которого значительно превышает ширину и высоту. Согласно определению, принятому на конференции ОЭСР в 1970 году, тоннелем считается помещение для определённых целей, возведённое под землёй любым способом, с площадью поперечного сечения более 2 квадратных метров.

В разных странах существуют свои уточнения. Например, в Великобритании автомобильным тоннелем считают подземную магистраль длиной от 150 метров, а по стандартам NFPA (США) — подземную конструкцию длиной более 23 метров и диаметром свыше 1800 мм. В российском своде правил тоннель определяется как протяжённое подземное или подводное инженерное сооружение для транспорта, пропуска воды или прокладки коммуникаций.

Важно отличать тоннель от других подземных выработок: штольни, штрека или шахты. Тоннель имеет два выхода на поверхность (портала) и предназначен для сквозного движения, тогда как шахта — это вертикальная или наклонная выработка с одним выходом.

История тоннелестроения: от древности до наших дней

Тоннели — одно из древнейших изобретений человечества. Ещё в Вавилоне, Египте, Греции и Риме подземные работы велись задолго до нашей эры: сначала для добычи полезных ископаемых, строительства гробниц и храмов, а затем для водоснабжения и транспорта. Первые тоннели сооружали в скальных породах без закрепления, используя примитивные орудия.

В раннем Средневековье тоннели строили редко, в основном в военных целях. Позднее началось активное возведение судоходных тоннелей, соединяющих водные пути. Первый в мире железнодорожный тоннель был построен в 1826–1830 годах в Великобритании на линии Ливерпуль — Манчестер. Изобретение динамита и бурильных машин позволило проложить знаменитые альпийские тоннели, в том числе Симплонский длиной около 20 км.

Первый автомобильный тоннель появился в 1927 году в США под рекой Гудзон. В России первый железнодорожный тоннель построили в 1862 году в Ковно (ныне Каунас), а первый автомобильный — в Москве на Кутузовском проспекте в 1959 году. Первый пешеходный тоннель в Москве был открыт под Тверской улицей на Пушкинской площади в 1938 году.

С 1990 года масштабы тоннелестроения в Китае выросли в 24 раза, и сегодня на эту страну приходится более половины мирового объёма построенных тоннелей. По состоянию на конец 2023 года в Китае эксплуатировалось 18 573 железнодорожных тоннеля общей протяжённостью 23 508 км и 24 850 автомобильных тоннелей.

Классификация тоннелей: по назначению, длине, глубине и сечению

Тоннели классифицируют по множеству признаков. По назначению выделяют:

• Транспортные тоннели — для движения поездов, автомобилей, трамваев, пешеходов и велосипедистов. Сюда же относятся тоннели метрополитена.
• Гидротехнические тоннели — деривационные (для подачи воды к ГЭС), дренажные, канализационные коллекторы.
• Муниципальные тоннели — для прокладки инженерных сетей (кабели, трубопроводы).
• Горные выработки — шахтные стволы и штольни.
• Военные тоннели — укрытия, командные пункты.
• Экологические тоннели — подземные переходы для диких животных под автотрассами и железными дорогами.

По длине для железнодорожных тоннелей приняты категории: короткие (до 500 м), средней длины (500–3000 м), длинные (3000–10 000 м) и сверхдлинные (более 10 000 м). Для автомобильных тоннелей границы смещены: сверхдлинными считаются тоннели длиной более 3000 м.

По глубине заложения различают тоннели мелкого (до 20 м) и глубокого заложения. По геологическим условиям — грунтовые и скальные. По местоположению — горные, подводные и городские.

Международная ассоциация тоннелей (ITA) классифицирует тоннели по площади поперечного сечения: сверхмалое (2–3 м²), малое (3–10 м²), среднее (10–50 м²), большое (50–100 м²) и сверхбольшое (более 100 м²).

Основные элементы конструкции тоннеля

Любой тоннель состоит из двух основных частей: основного сооружения и вспомогательного оборудования.

Основное сооружение включает:

• Ствол (ходовая часть) — собственно подземная выработка, в которой происходит движение. Ствол обычно имеет постоянную крепь — обделку, которая воспринимает давление горных пород и обеспечивает гидроизоляцию.
• Порталы — входные и выходные участки тоннеля, которые придают архитектурный вид и защищают от осыпей.

Вспомогательное оборудование включает:

• Системы вентиляции (особенно важны в длинных тоннелях для удаления выхлопных газов и дыма).
• Освещение (составляет 60–80% эксплуатационных энергозатрат).
• Водоотводные и дренажные сооружения.
• Ниши для укрытия, противопожарные средства, аварийная связь.
• Системы мониторинга: видеонаблюдение, детекторы CO/VI, пожарная сигнализация.

В длинных тоннелях обязательно устройство механической вентиляции. Проектирование освещения должно учитывать плавное изменение яркости от входа к выходу, чтобы избежать ослепления водителей.

Способы строительства тоннелей: закрытые и открытые методы

Выбор метода строительства зависит от геологических условий, глубины заложения, длины тоннеля и экономических факторов.

Закрытые способы применяются для тоннелей глубокого (более 20 м) и мелкого залегания:

• Горный способ с буровзрывными работами — обуривание забоя шпурами, закладка взрывчатки, взрыв, удаление породы, возведение крепи. Используется в устойчивых скальных породах.
• Комбайновый способ — разработка грунта тоннелепроходческими комбайнами без взрывов.
• Новоавстрийский способ (NATM) — временная крепь из набрызг-бетона и анкеров работает совместно с массивом породы, что позволяет возводить постоянную обделку на значительном удалении от забоя.
• Щитовой метод — проходческий щит разрабатывает грунт на полное сечение, затем сооружается обделка. Для неустойчивых обводнённых грунтов используют щиты с активным пригрузом забоя (грунтовым, бентонитовым или сжатым воздухом).
• Специальные способы — с применением сжатого воздуха, замораживания, водопонижения или закрепления грунтов растворами.

Открытые способы применяются для тоннелей мелкого залегания:

• Котлованный способ — роется котлован на полную ширину, в нём возводится обделка, затем засыпка. Часто называется «берлинским».
• Траншейный способ — котлован роется по частям, стены возводят методом «стена в грунте».
• Щитовой способ — используется прямоугольный щит.

Открытые методы дешевле, но требуют перекладки дорог и коммуникаций над тоннелем.

Технологии и инновации в современном тоннелестроении

Современное тоннелестроение активно использует интеллектуальные системы и автоматизацию. Проходческие щиты полного сечения (TBM) оснащаются системами автономного позиционирования, автоматического наведения и адаптивной регулировки к породному массиву. Это позволяет реализовать режим «мало персонала, без оператора» и сократить время на перестановку колец обделки более чем на 30%.

Китайская отрасль производства щитов за 20 лет догнала 200-летнее развитие Запада. Сегодня Китай самостоятельно разрабатывает щиты диаметром от 2 до 16 метров и занимает 60% мирового рынка. Примеры — щит «Янцзы» для железнодорожного тоннеля под рекой Янцзы и щит «Чжунте 1459» диаметром 15,7 м, экспортированный в Австралию.

Для сложных геологических условий применяются:

• Технология щита с земляным давлением с динамической корректировкой параметров проходки в реальном времени.
• Микровибрационный взрыв для контроля осадок.
• 24-часовая система мониторинга и раннего предупреждения.
• Комбинированная поддержка стальным каркасом и скальной стеной.
• Гидравлический взрыв и вентиляция штрекового типа.

В области энергосбережения внедряются высокоэффективные осветительные приборы с начальной световой отдачей не ниже 150 лм/Вт и интеллектуальные системы управления освещением. В сентябре 2024 года в Китае вышли новые нормы проектирования вентиляции для железнодорожных тоннелей, а в январе 2025 года — методология энергосбережения систем освещения автомобильных тоннелей.

Самые длинные и глубокие тоннели мира

Самый длинный тоннель в мире — Готардский базовый тоннель в Швейцарии протяжённостью 57 км (включая служебные ходы — 157 км). Он был открыт для движения поездов в 2017 году, на его строительство ушло 9,8 млрд швейцарских франков и более 2,5 тысяч рабочих.

До Готарда самым длинным был японский тоннель «Сэйкан» (53,9 км), соединяющий острова Хонсю и Хоккайдо. Он открыт в 1988 году.

Самый длинный автомобильный тоннель — Лердальский в Норвегии (24,5 км), открыт в 2000 году.

Евротоннель под Ла-Маншем (50,5 км, из которых 39 км под водой) соединяет Великобританию и Францию. Его подводный участок на 14,7 км длиннее, чем у «Сэйкана». Открыт в 1994 году.

Самый длинный сухопутный тоннель — Лёчберг в Швейцарии (34 км) на линии Берн — Милан.

Самый глубокий тоннель — Эйксуннский в Норвегии, достигающий глубины 287 м ниже уровня моря. Максимальный уклон дорожного полотна — 9,6%, минимальная толщина скалы над тоннелем — 50 м. Открыт в 2008 году.

В России самый длинный железнодорожный тоннель — Северо-Муйский (15 343 м) на Байкало-Амурской магистрали, открыт в 2003 году. Самый длинный подводный — тоннель под Амуром в Хабаровске (7198 м). Самый длинный автомобильный — Гимринский в Дагестане.

Тоннели в культуре и искусстве

Тоннели как символ перехода, тайны или преодоления часто встречаются в литературе и кинематографе.

В литературе:

• Гарри Гаррисон «Да здравствует трансатлантический тунель. Ура!» — фантастика о строительстве тоннеля под Атлантикой.
• Бернгард Келлерман «Туннель» (1913) — роман-катастрофа о строительстве трансатлантического железнодорожного тоннеля.
• Дмитрий Глуховский «Метро 2033» — постапокалиптический роман о жизни людей в московском метро после ядерной войны.

В кинематографе:

• Фильм «Туннель» (разные версии) — драмы и триллеры, связанные с подземными сооружениями.
• «Дневной свет» (1996) — фильм-катастрофа о спасении людей в тоннеле под Гудзоном.

Тоннели также стали элементом субкультуры: например, «тоннели» в мочках ушей — вид пирсинга, при котором отверстие растягивают до 1–5 см в диаметре.

Безопасность и эксплуатация тоннелей

Безопасная эксплуатация тоннеля зависит от ряда систем и регулярного обслуживания.

Вентиляция — ключевой элемент. В длинных тоннелях применяют продольную, поперечную или полупоперечную вентиляцию для удаления вредных газов и дыма. Проектирование вентиляции должно соответствовать нормам, учитывающим длину тоннеля и интенсивность движения.

Освещение — основной потребитель энергии (60–80% эксплуатационных затрат). Для снижения углеродного следа используются светодиодные светильники с высокой светоотдачей и интеллектуальные системы управления, регулирующие яркость в зависимости от времени суток и трафика.

Системы мониторинга включают видеонаблюдение, детекторы CO/VI (оксид углерода и видимость), пожарную сигнализацию. Данные передаются по промышленной Ethernet-оптической кольцевой сети. Внутри тоннеля может быть развёрнута Wi-Fi-сеть для мобильного осмотра оборудования.

Гидроизоляция — важнейшая задача. По новоавстрийскому методу (NATM) применяется геомембрана с сигнальным слоем, позволяющим обнаружить повреждения.

Регулярные проверки и ремонтные работы включают осмотр обделки, вентиляции, освещения, водоотвода. В длинных тоннелях также предусмотрены ниши для укрытия, аварийная связь и противопожарные средства.

Интеллектуализация управления эксплуатацией позволяет прогнозировать риски и оптимизировать обслуживание, что особенно важно для сверхдлинных тоннелей.

Вопросы и ответы