Strax
På sitt mest grundläggande, a tunnel är ett rör ihåligt genom jord eller sten. Att bygga en tunnel, dock, är en av de mest komplexa utmaningarna inom anläggningsteknik. Många tunnlar anses vara tekniska mästerverk och regeringar har hedrat tunnelingenjörer som hjältar. Det är inte att säga, självklart, att vissa tunnelprojekt inte har stött på stora motgångar. Central Artery/Tunnel Project ("Big Dig") i Boston, Massachusetts plågades av massiva kostnadsöverskridanden, anklagelser om korruption, och en partiell takkollaps som resulterade i ett dödsfall. Men dessa utmaningar har inte hindrat ingenjörer från att drömma om ännu större och djärvare idéer, som att bygga en transatlantisk tunnel för att ansluta New York till London.
I den här artikeln, vi ska utforska vad som gör tunnlar till en så attraktiv lösning för järnvägar, vägar, allmännyttiga företag och telekommunikation. Vi ska titta på tunnels definierande egenskaper och undersöka hur tunnlar byggs. Vi kommer också att titta på "Big Dig" i detalj för att förstå de möjligheter och utmaningar som ligger i att bygga en tunnel. Till sist, vi ska titta på tunnlarnas framtid.
Tunnel Image Gallery
Grunderna i tunneln
En tunnel är en horisontell gång som ligger under jorden. Medan erosion och andra naturkrafter kan bilda tunnlar, i den här artikeln kommer vi att prata om konstgjorda tunnlar - tunnlar som skapats genom utgrävningsprocessen. Det finns många olika sätt att gräva en tunnel, inklusive manuellt arbete, explosiva varor, snabb uppvärmning och kylning, tunnelmaskiner eller en kombination av dessa metoder.
Vissa strukturer kan kräva utgrävning som liknar tunnelgrävning, men är egentligen inte tunnlar. Axlar , till exempel, är ofta handgrävda eller grävda med tråkig utrustning. Men till skillnad från tunnlar, axlarna är vertikala och kortare. Ofta, axlar byggs antingen som en del av ett tunnelprojekt för att analysera berget eller jorden, eller i tunnelkonstruktion för att tillhandahålla rubriker, eller platser, från vilken en tunnel kan grävas.
Diagrammet nedan visar förhållandet mellan dessa underjordiska strukturer i en typisk bergstunnel. Tunnelns öppning är en portal . "Taket" av tunneln, eller den övre halvan av röret, är krona . Den nedre halvan är invertera . Den grundläggande geometrin i tunneln är a kontinuerlig båge . Eftersom tunnlar måste klara enormt tryck från alla håll, bågen är en idealisk form. I fallet med en tunnel, bågen går helt enkelt runt.
Tunnelingenjörer, som broingenjörer, måste oroa sig för ett fysikområde som kallas statik . Statik beskriver hur följande krafter samverkar för att producera jämvikt på strukturer som tunnlar och broar:
För att förbli statisk, tunnlar måste kunna motstå belastningen på dem. Dödlast avser vikten av själva strukturen, medan levande last avser vikten av fordonen och personer som rör sig genom tunneln.
Vi kommer att titta på de grundläggande typerna av tunnlar nästa.
Innehåll
Det finns tre stora kategorier av tunnlar:gruvdrift, offentliga arbeten och transporter. Låt oss titta kort på varje typ.
Gruvtunnlar används vid utvinning av malm, gör det möjligt för arbetare eller utrustning att komma åt mineral- och metallavlagringar djupt inne i jorden. Dessa tunnlar tillverkas med liknande tekniker som andra typer av tunnlar, men de kostar mindre att bygga. Gruvtunnlar är inte lika säkra som tunnlar avsedda för permanent ockupation, dock.
Tunnlar för offentliga arbeten bära vatten, avlopps- eller gasledningar över stora avstånd. De tidigaste tunnlarna användes för att transportera vatten till, och avloppsvatten bort från, tungt befolkade regioner. Romerska ingenjörer använde ett omfattande nätverk av tunnlar för att hjälpa till att transportera vatten från fjällkällor till städer och byar. Dessa tunnlar var en del av akveduktsystem, som också omfattade underjordiska kammare och sluttande broliknande strukturer som stöds av en serie valv. Av A.D. 97, nio akvedukter bar cirka 85 miljoner liter vatten om dagen från fjällkällor till staden Rom.
Innan det fanns tåg och bilar, det var transporttunnlar Till exempel kanaler - konstgjorda vattenvägar som används för resor, transport eller bevattning. Precis som järnvägar och vägar idag, kanaler brukade springa över marken, men många krävde tunnlar för att passera effektivt genom ett hinder, som ett berg. Kanalkonstruktion inspirerade några av världens tidigaste tunnlar.
Underjordiska kanalen, ligger i Lancashire County och Manchester, England, byggdes från mitten till slutet av 1700-talet och inkluderar miles av tunnlar för att hysa de underjordiska kanalerna. En av Amerikas första tunnlar var Paw Paw Tunnel, byggdes i West Virginia mellan 1836 och 1850 som en del av Chesapeake och Ohio Canal. Även om kanalen inte längre går genom Tasspotten, vid 3, 118 fot lång är det fortfarande en av de längsta kanaltunnlarna i USA.
Vid 1900 -talet, tåg och bilar hade ersatt kanaler som den primära transportformen, som leder till byggandet av större, längre tunnlar. Hollandstunneln, färdig 1927, var en av de första vägtunnlarna och är fortfarande ett av världens största ingenjörsprojekt. Uppkallad efter ingenjören som övervakade konstruktionen, tunneln inleder nästan 100, 000 fordon dagligen mellan New York City och New Jersey.
Tunnelbyggnad kräver mycket planering. Vi kommer att utforska varför i nästa avsnitt.
Nästan varje tunnel är en lösning på en specifik utmaning eller problem. I många fall, den utmaningen är ett hinder som en väg eller järnväg måste kringgå. De kan vara vattendrag, berg eller andra transportvägar. Även städer, med lite öppet utrymme tillgängligt för nybyggnation, kan vara ett hinder som ingenjörer måste tunnla under för att undvika.
När det gäller Holland Tunnel, utmaningen var ett föråldrat färjesystem som ansträngde att transportera mer än 20, 000 fordon om dagen över Hudsonfloden. För tjänstemän i New York, lösningen var klar:Bygg en biltunnel under floden och låt pendlare köra sig själva från New Jersey in till staden. Tunneln påverkade omedelbart. Bara på öppningsdagen, 51, 694 fordon gjorde överfarten, med en genomsnittlig restid på bara 8 minuter.
Ibland, tunnlar erbjuder en säkrare lösning än andra strukturer. Seikan -tunneln i Japan byggdes eftersom färjor som passerade Tsugarusundet ofta stötte på farliga vatten och väderförhållanden. Efter att en tyfon sjönk fem färjor 1954, den japanska regeringen övervägde en mängd olika lösningar. De bestämde att en bro som är tillräckligt säker för att klara de svåra förhållandena skulle vara för svår att bygga. Till sist, de föreslog en järnvägstunnel som gick nästan 800 fot under havsytan. Tio år senare, bygget började, och 1988, Seikan -tunneln öppnade officiellt.
Hur en tunnel byggs beror starkt på materialet genom vilken den måste passera. Tunnel genom mjuk mark, till exempel, kräver mycket olika tekniker än tunnlar genom hård sten eller mjukt berg, som skiffer, krita eller sandsten. Tunnel under vattnet, den mest utmanande av alla miljöer, kräver ett unikt tillvägagångssätt som skulle vara omöjligt eller opraktiskt att genomföra ovan mark.
Därför är planering så viktigt för ett framgångsrikt tunnelprojekt. Ingenjörer utför en grundlig geologisk analys för att bestämma vilken typ av material de kommer att tunnla igenom och bedöma de relativa riskerna för olika platser. De tar hänsyn till många faktorer, men några av de viktigaste inkluderar:
Ofta, en enda tunnel kommer att passera genom mer än en typ av material eller stöta på flera faror. God planering gör att ingenjörer kan planera för dessa variationer redan från början, minskar sannolikheten för en oväntad försening i mitten av projektet.
När ingenjörer har analyserat materialet som tunneln kommer att passera genom och har tagit fram en övergripande grävplan, byggandet kan börja. Tunnelingenjörernas term för att bygga en tunnel är körning , och det kan vara långt att gå framåt tråkig process som kräver sprängning, tråkigt och gräver för hand.
I nästa avsnitt, vi ska titta på hur arbetare kör tunnlar genom mjuk mark och hårt sten.
Arbetare använder vanligtvis två grundläggande tekniker för att avancera en tunnel. I full face-metod , de gräver hela tunneldiametern samtidigt. Detta är mest lämpligt för tunnlar som passerar genom stark mark eller för att bygga mindre tunnlar. Den andra tekniken, visas i diagrammet nedan, är topp-rubrik-och-bänk metod . I denna teknik, arbetare gräver en mindre tunnel som kallas a rubrik . När den översta rubriken har kommit en bit in i berget, arbetare börjar gräva omedelbart under golvet i den översta rubriken; det här är en bänk . En fördel med metoden med topp-riktning och bänk är att ingenjörer kan använda riktningstunneln för att mäta bergets stabilitet innan de går vidare med projektet.
Lägg märke till att diagrammet visar tunneldragning som äger rum från båda sidor. Tunnlar genom berg eller under vattnet bearbetas vanligtvis från de två motsatta ändarna, eller ansikten , av passagen. I långa tunnlar, vertikala schakt kan grävas med mellanrum för att gräva från mer än två punkter.
Låt oss nu titta mer specifikt på hur tunnlar grävs ut i var och en av de fyra primära miljöerna:mjuk mark, hårdrock, mjuk sten och under vattnet.
Mjuk mark (jorden)
Arbetare gräver mjuka tunnlar genom lera, slam, sand, grus eller lera. I denna typ av tunnel, stand-up tid - hur länge marken säkert kommer att stå för sig själv vid utgrävningen- är av yttersta vikt. Eftersom stand-up-tiden i allmänhet är kort när man tunnlar genom mjuk mark, grottor är ett konstant hot. För att förhindra att detta händer, ingenjörer använder en speciell utrustning som kallas a skydda . En sköld är en järn- eller stålcylinder som bokstavligen skjuts in i den mjuka jorden. Den skär ett perfekt runt hål och stöder den omgivande jorden medan arbetare tar bort skräp och installerar ett permanent foder av gjutjärn eller prefabricerad betong. När arbetarna slutför ett avsnitt, uttag skjuter skölden framåt och de upprepar processen.
Marc Isambard Brunel, en fransk ingenjör, uppfann den första tunnelskölden 1825 för att gräva Thames Tunnel i London, England. Brunels sköld omfattade 12 anslutna ramar, skyddad på ovansidan och sidorna av tunga plattor som kallas stavar . Han delade in varje ram i tre arbetsytor, eller celler , där grävare kunde arbeta säkert. En mur av kort timmer, eller bröstbrädor , separerade varje cell från tunnelns yta. En grävare skulle ta bort en bröstbräda, rista ut tre eller fyra tum lera och byt ut brädet. När alla grävare i alla celler hade slutfört denna process på en sektion, kraftfulla skruvuttag skjutit fram skölden.
År 1874, Peter M. Barlow och James Henry Greathead förbättrade Brunels design genom att konstruera en cirkulär sköld kantad med gjutjärnssegment. De använde först den nydesignade skölden för att gräva en andra tunnel under Themsen för gångtrafik. Sedan, 1874, skölden användes för att hjälpa till att gräva London Underground, världens första tunnelbana. Greathead förfinade skärmdesignen ytterligare genom att lägga till tryckluftstryck inuti tunneln. När lufttrycket inuti tunneln översteg vattentrycket utanför, vattnet höll sig ute. Snart, ingenjörer i New York, Boston, Budapest och Paris hade antagit Greathead -skölden för att bygga sina egna tunnelbanor.
Hårdrock
Tunnel genom hårdrock innebär nästan alltid sprängning. Arbetare använder en ställning, kallade a jumbo , att snabbt och säkert placera sprängämnen. Jumbo rör sig till tunneln, och borrar monterade på jumbo gör flera hål i berget. Hålens djup kan variera beroende på bergart, men ett typiskt hål är cirka 10 fot djupt och bara några centimeter i diameter. Nästa, arbetare packar sprängämnen i hålen, evakuera tunneln och detonera laddningarna. Efter att ha dammsugit bort de skadliga ångorna som skapades under explosionen, arbetare kan komma in och börja utföra skräpet, känd som mocka , med hjälp av vagnar. Sedan upprepar de processen, som går framåt i tunneln långsamt genom berget.
Brand-inställning är ett alternativ till sprängning. I denna teknik, tunnelväggen värms upp med eld, och kyls sedan med vatten. Den snabba expansion och sammandragning som orsakas av den plötsliga temperaturförändringen gör att stora bitar av sten bryts av. Cloaca Maxima, en av Roms äldsta avloppstunnlar, byggdes med denna teknik.
Stand-up-tiden för fast, mycket hård sten kan mäta i århundraden. I denna miljö, extra stöd för tunneltaket och väggarna kanske inte krävs. Dock, de flesta tunnlar passerar genom berget som innehåller avbrott eller fickor av bergbrott, så ingenjörer måste lägga till ytterligare stöd i form av bultar, sprutad betong eller ringar av stålbalkar. I de flesta fallen, de lägger till ett permanent betongfoder.
Vi kommer att titta på tunnelkörning genom mjuk sten och körning under vattnet nästa.
Tunnel genom mjukt berg och tunneling under jorden kräver olika tillvägagångssätt. Blästring i mjuk, fast sten som skiffer eller kalksten är svårt att kontrollera. Istället, ingenjörer använder tunnelborrande maskiner (TBM) , eller mol , för att skapa tunneln. TBM är enorma, multimiljon dollar utrustning med en cirkulär platta i ena änden. Den cirkulära plattan är täckt med diskskärare -mejselformade skärande tänder, stålskivor eller en kombination av de två. När den cirkulära plattan långsamt roterar, skivskärarna skär i berget, som faller genom utrymmen i skärhuvudet på ett transportsystem. Transportörsystemet bär muckan till maskinens baksida. Hydraulcylindrar som är fästa vid TBM -ryggraden driver den framåt några meter åt gången.
TBM bor inte bara tunnlarna - de ger också stöd. När maskinen gräver, två övningar strax bakom skärarna borrade in i berget. Därefter pumpar arbetare in injekteringsbruk i hålen och fäster bultar för att hålla allt på plats tills det permanenta fodret kan installeras. TBM åstadkommer detta med en massiv erektorarm som höjer delar av tunnelfodret på plats.
Under vattnet
Tunnlar byggda över flodernas botten, vikar och andra vattendrag använder skär-och-täck-metod , vilket innebär att sänka ned ett rör i en dike och täcka det med material för att hålla röret på plats.
Byggandet börjar med att muddra en dike i flodbotten eller havsbotten. Lång, prefabricerade rördelar, tillverkad av stål eller betong och förseglad för att hålla ut vatten, flyter till platsen och sjunkit i den förberedda skyttegraven. Därefter kopplar dykare samman sektionerna och tar bort tätningarna. Eventuellt överflödigt vatten pumpas ut, och hela tunneln är täckt med återfyllning.
Tunneln som förbinder England och Frankrike - känd som kanaltunneln, Eurotunneln eller kanalen - går under Engelska kanalen genom 32 miles av mjuk, kritig jord. Även om det är en av de längsta tunnlarna i världen, det tog bara tre år att gräva, tack vare toppmoderna TBM. Elva av dessa massiva maskiner tuggade genom havsbotten som låg under kanalen. Varför så många? Eftersom kanalen faktiskt består av tre parallella rör, två som transporterar tåg och en som fungerar som servicetunnel. Två TBM placerade i motsatta ändar av tunneln grävde vart och ett av dessa rör. I huvudsak, de tre brittiska TBM:erna tävlade mot de tre franska TBM:erna för att se vem som skulle ta sig till mitten först. De återstående fem TBM arbetade inåt landet, skapa den del av tunneln som låg mellan portalerna och deras respektive kuster.
Om inte tunneln är kort, kontroll av miljön är avgörande för att skapa säkra arbetsförhållanden och för att säkerställa passagerarnas säkerhet efter att tunneln är i drift. En av de viktigaste problemen är ventilation - ett problem som förstoras av avgaser som produceras av tåg och bilar. Clifford Holland tog upp problemet med ventilation när han konstruerade tunneln som bär hans namn. Hans lösning var att lägga till ytterligare två lager ovanför och under huvudtunneln. Det övre lagret rensar avgaser, medan det nedre lagret pumpar in frisk luft. Fyra stora ventilationstorn, två på vardera sidan av Hudsonfloden, hus fläktarna som flyttar luften in och ut. Åttiofyra fans, var 80 fot i diameter, kan ändra luften helt var 90:e sekund.
Vi kommer att titta på "Big Dig" nästa.
Nu när vi har tittat på några av de allmänna principerna för tunnelbyggnad, låt oss överväga ett pågående tunnelprojekt som fortsätter att göra rubriker, både för dess potential och för sina problem. Central Artery är ett stort motorvägssystem som går genom hjärtat av centrala Boston, och projektet som bär sitt namn anses av många vara en av de mest komplexa - och dyra - tekniska bedrifterna i amerikansk historia. "Big Dig" är faktiskt flera olika projekt i ett, inklusive en helt ny bro och flera tunnlar. En nyckeltunnel, färdig 1995, är Ted Williams Tunnel. Den dyker under Boston Harbor för att ta Interstate 90 -trafik från South Boston till Logan Airport. En annan nyckeltunnel ligger under Fort Point Channel, en smal vattenmassa som använts för länge sedan av britterna som en vägtullinsamlingsplats för fartyg.
Innan vi tittar på några av de tekniker som används vid konstruktionen av dessa Big Dig -tunnlar, låt oss granska varför Boston-tjänstemän bestämde sig för att genomföra ett sådant massivt anläggningsprojekt i första hand. Den största frågan var stadens mardrömmiga trafik. Vissa studier visade att år 2010, Bostons rusningstid kan pågå nästan 16 timmar om dagen, med allvarliga konsekvenser både för handel och livskvalitet för invånarna. Klart, något måste göras för att lindra trafikstockningar och göra det lättare för pendlare att navigera i staden. År 1990, Kongressen avsatte 755 miljoner dollar till det massiva motorvägsförbättringsprojektet, och ett år senare, Federal Highway Administration gav sitt godkännande att gå vidare.
The Big Dig startade 1991 med byggandet av Ted Williams Tunnel. Denna undervattentunnel utnyttjade beprövade tunneltekniker som används på många olika tunnlar över hela världen. Eftersom Boston Harbor är ganska djup, ingenjörer använde cut-and-cover-metoden. Stålrör, 40 fot i diameter och 300 fot lång, bogserades till Boston efter att arbetare gjort dem i Baltimore. Där, arbetare avslutade varje rör med stöd för vägen, kapslingar för luftbehandlingspassager och verktyg och ett komplett foder. Andra arbetare muddrade en skyttegrav på hamnbotten. Sedan, de flöt rören till platsen, fyllde dem med vatten och sänkte ner dem i skyttegraven. En gång förankrad, en pump tog bort vattnet och arbetare kopplade rören till de angränsande sektionerna.
Ted Williams Tunnel öppnade officiellt 1995 - en av få aspekter av Big Dig som slutfördes i tid och inom den föreslagna budgeten. År 2010, det förväntas bära cirka 98, 000 fordon om dagen.
Några mil västerut, Interstate 90 går in i en annan tunnel som bär motorvägen nedanför South Boston. Strax före I-90/I-93-växeln tunneln möter Fort Point Channel, en 400 fot bred vattenmassa som gav några av de största utmaningarna i Big Dig. Ingenjörer kunde inte använda samma stålrörsmetod som de använde på Ted Williams Tunnel eftersom det inte fanns tillräckligt med utrymme för att flyta de långa stålsektionerna under broar på Summer Street, Congress Street och Northern Avenue. Så småningom, de bestämde sig för att överge stålrörskonceptet helt och hållet och gå med betongtunnelsektioner, den första användningen av denna teknik i USA.
Problemet var att tillverka betongpartierna på ett sätt som gjorde det möjligt för arbetare att flytta till position i kanalen. För att lösa problemet, arbetare byggde först en enorm torrdocka på södra Boston -sidan av kanalen. Känd som gjutbassäng , torrdockan mätte 1, 000 fot lång, 300 fot bred och 60 fot djup - tillräckligt stor för att konstruera de sex betongpartierna som skulle utgöra tunneln. Den längsta av de sex tunnelsektionerna var 414 fot lång, den bredaste 174 fot breda. Alla var cirka 27 fot höga. De tyngsta vägde mer än 50, 000 ton.
De färdiga sektionerna tätades vattentätt i vardera änden. Sedan översvämmade arbetarna bassängen så att de kunde flyta ut sektionerna och placera dem över en gräv muddrad på botten av kanalen. Tyvärr, en annan utmaning hindrade ingenjörer från att helt enkelt sänka betongpartierna i diket. Den utmaningen var Massachusetts Bay Transportation Authoritys tunnelbana Tunnel Red Line, som går precis under skyttegraven. Vikten av de massiva betongpartierna skulle skada den äldre tunnelbanetunneln om inget skulle göras för att skydda den. Så ingenjörer bestämde sig för att stötta upp tunnelsektionerna med 110 kolonner som sjunkit i berggrunden. Kolumnerna fördelar tunnels vikt och skyddar tunnelbanan Red Line, som fortsätter att bära 1, 000 passagerare om dagen.
The Big Dig har andra tunnelinginnovationer, också. För en del av tunneln som går under en järnvägsgård och en bro, ingenjörer bestämde sig för tunnel-jacking , en teknik som normalt används för att installera underjordiska rör. Tunnel-jacking innebär att man tvingar en enorm betonglåda genom smutsen. Lådans topp och botten stöder jorden medan jorden inuti lådan avlägsnades. När det var tomt, hydrauliska uttag pressade lådan mot en betongvägg tills det hela gled fram fem fot. Arbetare installerade sedan distansrör i det nyskapade gapet. Genom att upprepa denna process om och om igen, ingenjörer kunde avancera tunneln utan att störa strukturerna vid ytan.
I dag, 98 procent av konstruktionen i samband med Big Dig är klar, och kostnaden är väl över 14 miljarder dollar. Men utbetalningen för Bostonpendlare borde vara värd investeringen. Den gamla förhöjda Central Artery hade bara sex banor och var utformad för att bära 75, 000 fordon om dagen. Den nya underjordiska motorvägen har åtta till tio körfält och kommer att bära cirka 245, 000 fordon om dagen före 2010. Resultatet är en normal urbana rusningstid som varar ett par timmar på morgonen och kvällen.
För att se hur Big Dig jämför sig med andra tunnelprojekt, se tabellen nedan.
Tunnelns framtid
När deras verktyg förbättras, ingenjörer fortsätter att bygga längre och större tunnlar. Nyligen, avancerad bildteknik har varit tillgänglig för att skanna jordens insida genom att beräkna hur ljudvågor rör sig genom marken. Detta nya verktyg ger en exakt ögonblicksbild av en tunnels potentiella miljö, visar berg- och jordtyper, liksom geologiska avvikelser som fel och sprickor.
Medan sådan teknik lovar att förbättra tunnelplaneringen, andra framsteg kommer att påskynda grävning och markstöd. Nästa generation av tunnelborrande maskiner kommer att kunna klippa 1, 600 ton muck per timme. Ingenjörer experimenterar också med andra stenhuggningsmetoder som drar nytta av högtrycksvattenstrålar, lasrar eller ultraljud. Och kemiska ingenjörer arbetar med nya typer av betong som hårdnar snabbare eftersom de använder hartser och andra polymerer istället för cement.
Med ny teknik och teknik, tunnlar som verkade omöjliga även för 10 år sedan verkar plötsligt genomförbara. En sådan tunnel är en föreslagen transatlantisk tunnel som förbinder New York med London. De 3, 100 mil lång tunnel skulle rymma ett magnetiskt svävande tåg som reser 5, 000 miles i timmen. Den uppskattade restiden är 54 minuter - nästan sju timmar kortare än en genomsnittlig transatlantisk flygning.
För mycket mer information om tunnlar och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
Relaterade artiklar om HowStuffWorks
Fler fantastiska länkar
Källor
