Tunnel

Achtergrond

Een tunnel is een ondergrondse of onderwaterdoorgang die voornamelijk horizontaal is. Die met een relatief kleine diameter dragen nutsleidingen of fungeren als pijpleidingen. Tunnels die mensen per spoor of per auto vervoeren, omvatten vaak twee of drie grote, parallelle doorgangen voor verkeer in tegengestelde richting, dienstvoertuigen en nooduitgangen.

De langste tunnel ter wereld voert 170 km water vanaf de Delaware River naar New York City. De langste tunnel voor personenvervoer is de Seikan-spoorwegtunnel. Het is een 33 mijl (53 km) lange, 32-ft (9,7 m) diameter spoorverbinding tussen de twee grootste eilanden van Japan, Honshu en Hokkaido.

Een van de meest verwachte tunnels was de Kanaaltunnel. Deze tunnel, die in 1994 werd voltooid, verbindt Groot-Brittannië met Europa via drie tunnels van 50 km lang (twee eenrichtings- en één diensttunnel). Drieëntwintig mijl (37 km) van deze tunnel zijn onder water.

Geschiedenis

Tunnels zijn met de hand gegraven door verschillende oude beschavingen in de Indiase en mediterrane regio's. Naast graafgereedschap en koperen steenzagen, werd vuur soms gebruikt om een ​​rotsblok te verwarmen voordat het met water werd overgoten om het uit elkaar te halen. De cut-and-cover-methode - een diepe greppel graven, een dak op een geschikte hoogte in de greppel bouwen en de greppel boven het dak afdekken (een tunneltechniek die vandaag nog steeds wordt gebruikt) - werd 4000 jaar geleden in Babylon gebruikt.

De eerste vooruitgang die verder ging dan handmatig graven, was het gebruik van buskruit om een ​​160 m lange kanaaltunnel in Frankrijk in 1681 op te blazen. De volgende twee grote vorderingen kwamen rond 1850. Nitroglycerine (gestabiliseerd in de vorm van dynamiet) vervangen het minder krachtige zwarte poeder bij tunnelstralen. Stoom en perslucht werden gebruikt om boormachines aan te drijven om gaten te maken voor de explosieve ladingen. Deze mechanisatie verving uiteindelijk het handmatige proces dat beroemd werd gemaakt door John Henry, de 'staalrijdende man', die 12 uur per dag met elke hand een voorhamer van 4,4 kg zwaaide en stalen beitels zo diep als 14 beukte. ft (4,2 m) in vast gesteente.

Tussen 1820 en 1865 ontwikkelden de Britse ingenieurs Marc Brunel en James Greathead verschillende modellen van een tunnelschild waarmee ze twee tunnels onder de rivier de Theems konden bouwen. Een rechthoekige of cirkelvormige omhulling (het schild) was horizontaal en verticaal verdeeld in verschillende compartimenten. Een man die in elk compartiment werkte, kon één plank tegelijk van de voorkant van het schild verwijderen, een paar centimeter vooruit graven en de plank terugplaatsen. Toen de ruimte van het hele vooroppervlak was weggegraven, werd het schild naar voren geduwd en werd het graafproces herhaald. Werknemers aan de achterkant van het schild omzoomden de tunnel met stenen of gietijzeren ringen.

In 1873 zorgde de Amerikaanse tunnelbouwer Clinton Haskins ervoor dat er geen water in een spoorwegtunnel in aanbouw onder de Hudson River kon sijpelen door deze met perslucht te vullen. De techniek wordt nog steeds gebruikt, hoewel het verschillende gevaren met zich meebrengt. Werknemers moeten aan het einde van hun dienst tijd doorbrengen in decompressiekamers - een vereiste die nooduitgangen uit de tunnel beperkt. De druk in de tunnel moet zorgvuldig worden afgewogen tegen de omringende grond- en waterdruk; een onbalans zorgt ervoor dat de tunnel instort of barst (waardoor overstromingen mogelijk worden).

Zachte grond is vatbaar voor instorting en kan graafwerktuigen verstoppen. Een manier om de grond te stabiliseren is door deze te bevriezen door koelvloeistof te laten circuleren door leidingen die met tussenpozen door het hele gebied zijn ingebed. Deze techniek wordt sinds het begin van de twintigste eeuw in de Verenigde Staten gebruikt. Een andere stabilisatie- en waterdichtingstechniek, die sinds de jaren zeventig veel wordt gebruikt, is het injecteren van grout (vloeibaar bindmiddel) in de grond of gebroken rots rond de tunnelroute.

Shotcrete is een vloeibaar beton dat op oppervlakken wordt gespoten. Het werd uitgevonden in 1907 en wordt sinds de jaren 1920 zowel als voorlopige als definitieve bekleding voor tunnels gebruikt.

In 1931 werden de eerste boorjumbo's bedacht om tunnels te graven die de Colorado-rivier zouden omleiden rond de bouwplaats voor de Hoover Dam. Deze jumbo's bestonden uit 24-30 pneumatische boren gemonteerd op een frame dat aan het bed van een vrachtwagen was gelast. Met moderne jumbo's kan een enkele operator meerdere boren bedienen die op hydraulisch gestuurde armen zijn gemonteerd. In 1954, tijdens het bouwen van omleidingstunnels voor de bouw van een dam in South Dakota, vond James Robbins de tunnelboormachine (TBM) uit, een cilindrisch apparaat met graaf- of snijkoppen gemonteerd op een roterende voorkant die steen en grond wegslijpt terwijl de machine kruipt naar voren. Moderne TBM's worden voor elk project aangepast door de typen en opstelling van de snijkoppen af ​​te stemmen op de geologie van de locatie; ook moet de diameter van TBM gelijk zijn aan de diameter van de ontworpen tunnel (inclusief de bekleding).

Grondstoffen

De materialen die in tunnels worden gebruikt, variëren afhankelijk van het ontwerp en de constructiemethoden die voor elk project zijn gekozen. Grout die wordt gebruikt om grond te stabiliseren of holtes achter de tunnelbekleding te vullen, kan verschillende materialen bevatten, waaronder natriumsilicaat, kalk, silicadamp, cement en bentoniet (een sterk absorberende vulkanische klei). Bentoniet-en-waterslurry wordt ook gebruikt als suspensie- en transportmedium voor mest (puin opgegraven uit de tunnel) en als smeermiddel voor objecten die door de tunnel worden geduwd (bijv. TBM's, schilden). Water wordt gebruikt om stof te beheersen tijdens het boren en na het stralen, wat vaak gebeurt met een laagvriezende gelatine-explosief. Water-en-zoutpekel of vloeibare stikstof zijn gebruikelijke koelmiddelen voor het stabiliseren van zachte grond door bevriezing. Het meest voorkomende moderne bekledingsmateriaal, beton versterkt met staal of vezels, kan worden gespoten, ter plaatse gegoten of geprefabriceerd in panelen.

Keuze van methode

De bouwmethode van een tunnel wordt bepaald door verschillende factoren, waaronder geologie, kosten en mogelijke verstoring van andere activiteiten. Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt voor afzonderlijke tunnels die deel uitmaken van hetzelfde grotere project; er worden bijvoorbeeld vier afzonderlijke methoden gebruikt voor delen van het Central Artery/Tunnel-project in Boston.

Het fabricageproces

Voorbereiden

• 1 Locatiegeologie wordt geëvalueerd door oppervlaktekenmerken en ondergrondse kernmonsters te onderzoeken. Om de geologie verder te evalueren en de gekozen bouwmethode te testen, kan langs het hele tracé een proeftunnel worden aangelegd met een diameter van ongeveer een derde van de diameter van de geplande hoofdtunnel. De pilottunnel kan langs het pad van de hoofdtunnel lopen en er uiteindelijk met tussenpozen op worden aangesloten om ventilatie, servicetoegang en een ontsnappingsroute te bieden. Of de proeftunnel kan worden vergroot om de hoofdtunnel te produceren.
• 2 Indien bodemstabilisatie gewenst is, kan dit door het injecteren van grout via kleine buisjes die met tussenpozen in de grond zijn geplaatst. Als alternatief kan een koelmiddel worden gecirculeerd door leidingen die in de grond zijn ingebed om de grond te bevriezen.

Mijnbouw

• 3 Er zijn zeven verschillende methoden om materiaal uit het tunnelpad te verwijderen. De eerste is de ondergedompelde buismethode. Werknemers bereiden een onderwatertunnelplaats voor door een greppel op de bodem van de waterweg te graven. Stalen of gewapend betonnen delen van tunnelschil worden op het droge gebouwd. Elke sectie kan enkele honderden voet (100 m of meer) lang zijn. De uiteinden van de sectie zijn afgedicht en de sectie wordt naar de tunnellocatie gedreven. De sectie is vastgemaakt aan ankers naast de geul en ballasttanks die in de sectie zijn ingebouwd, worden overstroomd. Als de sectie zinkt, wordt deze op zijn plaats in de greppel geleid. De sectie is verbonden met de aangrenzende, eerder geplaatste sectie en de platen die dat uiteinde van elke sectie afdichten, worden verwijderd. Een rubberen afdichting tussen de twee secties zorgt voor een waterdichte verbinding.

  Bij de cut-and-cover-methode graven arbeiders een greppel die groot genoeg is om de tunnel en de schaal te bevatten. Een doosvormige buis wordt geconstrueerd, vaak door ter plaatse gieten van gewapend beton. In bepaalde grondsoorten of in de nabijheid van andere constructies kunnen tunnelwanden worden gebouwd voordat het graven begint om te voorkomen dat de sleuf tijdens het graven instort. Dit kan door staalplaten in de grond te drijven of door een slurrymuur te bouwen (een diepe greppel die wordt gevuld met waterige klei als vuil wordt verwijderd). Wanneer de gewenste maat is bereikt voor een deel van de muur, wordt er een kooi van stalen wapeningsstaven in neergelaten en wordt er beton ingepompt om de natte kleislurry te verplaatsen. Naarmate het graven voldoende vordert om de graafmachines onder het niveau te houden, kunnen tijdelijke oppervlaktepanelen over de greppel worden gelegd om het verkeer erover te laten rijden. Wanneer de tunnelschil gereed is, wordt deze afgedekt door het vervangen van uitgegraven grond.

  De derde methode is de top-down methode. Een parallel paar wanden wordt langs de route van de tunnel in de grond ingebed door stalen damwanden te heien of slibwanden te bouwen. Tussen de muren wordt een sleuf gegraven tot een diepte gelijk aan de geplande afstand van het oppervlak tot de binnenkant van het tunneldak. Het tunneldak wordt gevormd tussen de muren door het inlijsten en storten van gewapend beton op de bodem van de ondiepe sleuf. Nadat het tunneldak is uitgehard, wordt het afgedekt met een waterdichtingsmembraan en wordt de uitgegraven grond erboven teruggeplaatst. Conventionele graafmachines, zoals een voorlader, worden gebruikt om de grond tussen de diepwanden en onder het tunneldak uit te graven. Wanneer voldoende diepte is bereikt, wordt een gewapend betonnen vloer gestort om de tunnelschil te voltooien.

  Bij de boor-en-straalmethode wordt een boorjumbo gebruikt om een ​​vooraf bepaald patroon van gaten in de rots langs het pad van de tunnel te boren. Zorgvuldig geplande ladingen dynamiet worden in de geboorde gaten gestoken. De ladingen worden tot ontploffing gebracht in een volgorde die is ontworpen om materiaal van het pad van de tunnel af te breken zonder de omringende rots onnodig te beschadigen. Lucht wordt door het ontploffingsgebied gecirculeerd om explosiegassen en stof te verwijderen. Door de ontploffing losgekomen puin wordt afgevoerd. Pneumatische boren en handgereedschappen worden gebruikt om het oppervlak van het gestraalde gedeelte glad te maken en losse stukken steen te verwijderen.

  De Eurotunnel.

  De bouw van de Kanaaltunnel tussen Engeland en Frankrijk, een eeuwenlange droom die Napoleon voor ogen had en aangemoedigd werd, begon in 1987. Oorspronkelijk aangeduid als de Kanaaltunnel en nu bekend als de Eurotunnel, werd het in 1994 voltooid voor een bedrag van $ 13 miljard . De twee spoortunnels (een voor het noorden en een voor het verkeer in zuidelijke richting) en een diensttunnel zijn elk 50 km lang en hebben een gemiddelde diepte van 46 m onder de zeebodem. Het is de eerste fysieke verbinding tussen Groot-Brittannië en het Europese continent. Er wordt passagiersvervoer per spoor verzorgd, evenals het vervoer van auto's en vrachtwagens. De reistijd van Londen naar Parijs is teruggebracht van ruim vijf uur (over zee) naar drie uur via de Eurotunnel.

  De Seikan-tunnel in Japan werd in 1988 in gebruik genomen. De 53 km lange tunnel verbindt de noordpunt van het belangrijkste eiland Honshu van Japan met het eiland Hokkaido en gaat onder de Tsugaru-straat door. De Seikan-tunnel is 's werelds langste onderzeeërtunnel, waarbij 100 m onder de zeebodem wordt gegraven door een zeestraat waar de zee tot 140 m diep is.

  Het is meestal nodig om het oppervlak van het nieuw gestraalde gedeelte te stabiliseren en te versterken met een voorlopige voering. Eén techniek omvat het inbrengen van een reeks stalen ribben die zijn verbonden door houten of stalen beugels. Een andere techniek, de nieuwe Oostenrijkse tunnelmethode (NATM), houdt in dat het oppervlak wordt besproeid met enkele centimeters (enkele centimeters) beton. In geschikte geologische omstandigheden, Schildtunneling. deze "spuitbeton"-bekleding kan worden aangevuld door lange stalen staven (rotsbouten) in de rots te steken en moeren vast te draaien tegen stalen platen rond de kop van elke bout.

  Een vijfde methode om materiaal uit de tunnel te verwijderen is de shield drive of tunnel jacking methode. Sommige tunnels worden nog steeds gegraven met een schild in Greathead-stijl. De bovenkant van het schild strekt zich uit voorbij de zijkanten en onderkant en biedt een beschermend dak voor arbeiders die vóór het schild graven. De voorrand van de schildtop is scherp, zodat deze door de grond kan snijden. Het graven kan met de hand of met elektrisch gereedschap gebeuren. Overtollig materiaal wordt teruggevoerd door het schild op een transportband of band, in karren geladen en uit de tunnel gehaald. Wanneer arbeiders materiaal voor het schild hebben uitgegraven tot aan de bovenkant, worden vijzels aan de achterkant van het schild geschoord tegen het meest recent geïnstalleerde gedeelte van de tunnelbekleding. Door de vijzels te activeren, wordt het schild naar voren geduwd, zodat arbeiders een ander gedeelte kunnen gaan graven. Nadat het schild naar voren is bewogen, worden de vijzels ingetrokken en worden ringsegmenten van staal of gewapend beton op hun plaats geschroefd om een ​​deel van de permanente bekleding voor de tunnel te vormen.

  Tunneljacking is een vergelijkbare techniek, maar het schild dat door de grond wordt gedreven, is eigenlijk een geprefabriceerd deel van tunnelbekleding.

  Bij de parallelle driftmethode wordt een reeks parallelle, horizontale gaten (drifts) geboord met behulp van microtunneling-machines (microtunnels zijn te klein voor menselijke mijnwerkers om erin te werken), zoals grondboren of kleine versies van TMB's. Deze driften zijn gevuld; er kunnen bijvoorbeeld stalen buizen in worden gedreven en vervolgens worden de buizen gevuld met grout. De gevulde driften vormen een beschermende boog rond het tunnelpad. Graafmachines worden gebruikt om de grond uit de boog te verwijderen.

  De laatste methode is de tunnelboormachinemethode. De soorten en opstelling van snij-inrichtingen op het oppervlak van de TBM worden bepaald door de geologie op de tunnellocatie. Het oppervlak draait langzaam rond en maalt het gesteente en de grond ervoor weg (de TBM's die werden gebruikt om de Kanaaltunnel te bouwen, konden bijvoorbeeld tot 12 omwentelingen per minuut draaien in optimale grond). De TBM wordt constant naar voren geduwd om het gezicht in contact te houden met het doelwit. Voorwaartse druk kan worden uitgeoefend door vijzels aan de achterkant van de TBM die tegen het meest recent geïnstalleerde gedeelte van de tunnelbekleding drukken. Als alternatief kunnen grijparmen zich vanaf de zijkanten van de TBM naar buiten uitstrekken en tegen rotsachtige tunnelwanden duwen om de machine op zijn plaats te houden terwijl het gezicht naar voren wordt geduwd. Mest wordt door gaten in het gezicht gevoerd en door een transportband naar de achterkant van de TBM gedragen, waar het in karren valt die het uit de tunnel transporteren. Bentoniet kan door het TBM-vlak worden gepompt om het grondoppervlak beter bewerkbaar te maken en de mest weg te voeren. Sommige TBM's zijn aan de achterkant uitgerust met robotarmen die segmenten van tunnelbekleding positioneren en bevestigen zodra de machine naar voren is bewogen Dakbouten van staal zijn aan de rots bevestigd om de bovenkant van de tunnel te ondersteunen. voldoende afstand. In andere gevallen wordt de NATM gebruikt om een ​​voorlopige voering te creëren naarmate de TBM vordert.

  Vooral in gevallen waar twee TBM's naar elkaar toe graven vanaf tegenovergestelde uiteinden van een tunnel, kan het te moeilijk of duur zijn om ze te verwijderen wanneer het graven voltooid is. Als het einde van zijn missie nadert, kan de TBM worden weggestuurd van het pad van de tunnel om een ​​korte uitloper te graven waarin hij permanent wordt afgedicht.

Definitieve voering

• 4 In sommige gevallen wordt de definitieve bekleding tijdens het graafproces geplaatst. Twee voorbeelden zijn TBM's die voeringsegmenten installeren en geprefabriceerde tunnels die op hun plaats worden gevijzeld. In andere gevallen moet een definitieve bekleding worden aangebracht nadat de hele tunnel is uitgegraven. Een optie is om een ​​gewapend betonnen voering op zijn plaats te gieten. Slipforming is een efficiënte techniek waarbij een deel van de vorm langzaam naar voren wordt bewogen terwijl het beton tussen het en de tunnelwand wordt gestort; het beton hardt snel genoeg uit om zichzelf te ondersteunen tegen de tijd dat de vorm verder gaat.

  Een tweede optie is om, zoals sommige TBM's doen, segmenten van voorgevormde betonnen of stalen bekleding te installeren. De voeringsegmenten zijn zo geconstrueerd dat meerdere ervan kunnen worden samengevoegd tot een complete ring van enkele voet (een meter of twee) breed. Nadat een ring is vastgeschroefd, wordt er grout tussen de ring en de tunnelwand ingespoten.

  Een derde mogelijkheid is om een ​​laag spuitbeton van enkele centimeters (70 mm of meer) dik op de tunnelwanden te spuiten. Een of twee lagen gaas kunnen eerst worden geplaatst om het spuitbeton te versterken, of er kunnen versterkende vezels aan het betonmengsel worden toegevoegd om de sterkte te vergroten.

Bijproducten/afval

Soms wordt de aarde die uit een tunnel wordt gehaald, gewoon op een stortplaats gestort. In andere gevallen wordt het echter grondstof voor andere projecten. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de basislaag te vormen voor een toegangsweg of om rijbaandijken te creëren voor bredere schouders of erosiebestrijding.

Kwaliteitscontrole

Naast het handhaven van de grondstabiliteit rond de tunnel en het waarborgen van de structurele integriteit van de tunnelbekleding, moet een goede uitlijning van het uitgravingspad worden bereikt. Twee waardevolle hulpmiddelen zijn GPS-sensoren (Global Positioning System) die nauwkeurige locatiegegevens ontvangen via satellietsignalen en geleidingssystemen die een laserstraal in de tunnel projecteren en detecteren.

De Toekomst

Onderzoeksmethoden, materialen en machines zijn mogelijke verbeterpunten. Geluidsgolven die door de aarde worden uitgezonden, kunnen nu een virtuele CAT-scan van het tunnelpad genereren, waardoor het niet meer nodig is om kernmonsters en proeftunnels te boren. Enkele voorbeelden van materiaalonderzoek zijn snijgereedschappen die effectiever en duurzamer zijn, beton met nauwkeuriger gecontroleerde verhardingssnelheden en betere processen voor het aanpassen van grond om het gemakkelijker te maken om te snijden, graven of verwijderen. Recente ontwikkelingen in machinetechnologie zijn onder meer meerkoppige TBM's die twee of drie parallelle tunnels tegelijk kunnen boren en een TBM die een hoek tot 90° kan draaien tijdens het zagen. Betere afstandsbedieningsmogelijkheden voor graafmachines zouden de veiligheid verbeteren doordat mensen minder tijd nodig hebben om ondergronds te zijn tijdens het graafproces.