Проектирование и строительство транспортных тоннелей

Е. К. Сурнина, И. Г. Овчинников 
 
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
И СТРОИТЕЛЬСТВО  
ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда  
«Инфра-Инженерия»  
2020 
 
ϭ 

УДК 624.195(075)  
ББК 39.112я73    
 
 С90 
 
 
 
 
Рецензенты:  
заведующий кафедрой мостов и тоннелей Российского университета  
транспорта (МИИТ) доктор технических наук, профессор А. А. Пискунов; 
 
кафедра мостов и транспортных тоннелей Уральского государственного 
 университета путей сообщения 
 
 
 
 
Сурнина, Е. К. 
С90  
Проектирование и строительство транспортных тоннелей: учебное 
пособие / Е. К. Сурнина, И. Г. Овчинников. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 220 с. : ил., табл.  
 
ISBN 978-5-9729-0430-3 
Рассмотрены вопросы инженерных изысканий, проектирования и строительства транспортных тоннелей. Представлены сведения о материалах, конструкциях обделок и гидроизоляции подземных сооружений; приведены нагрузки и расчетные схемы тоннельных обделок. Дано описание систем вентиляции, 
освещения и других эксплуатационных систем и устройств тоннелей.Рассмотрены способы производства работ при строительстве транспортных тоннелей  
в различных инженерно-геологических условиях.
Для студентов строительных направлений подготовки и специалистов  
в области строительства. 
 
УДК 624.195(075)  
 
ББК 39.112я73    
 
 
  
 
ISBN 978-5-9729-0430-3 
‹ Сурнина Е. К., Овчинников И. Г., 2020 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
Ϯ 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Развитие экономики России тесно связано со строительством и реконструкцией транспортной сети. Для обеспечения перевозок грузов и пассажиров 
необходимо развитие и перевооружение всех видов транспорта и дальнейшее 
совершенствование единой транспортной сети. Для осуществления этой задачи 
необходимо строительство новых автомобильных и железных дорог в равнинных и горных условиях. Для преодоления высотных, контурных и водных препятствий, возникающих на трассе новых дорог, необходимо в ряде случаев сооружать горные и подводные тоннели.  
Серьезные транспортные проблемы возникают в крупных городах в связи с ростом уровня автомобилизации. Перенасыщение городов автомобилями 
создает транспортный кризис, парализует уличное движение и неблагоприятно отражается на жизни населения. В настоящее время в крупных городах 
разработаны и реализуются комплексные программы, направленные на развитие и совершенствование всех транспортных сетей в городе, рациональное 
сочетание и использование всех видов транспорта.  
В общем комплексе городских транспортных сооружений важное место 
занимают подземные сооружения. Автодорожные и пешеходные тоннели, линии метрополитена, подземные автостоянки и гаражи - вот далеко не полный 
перечень подземных сооружений, без которых невозможна жизнь современного 
крупного города.  
Наряду с отдельными, не связанными между собой подземными сооружениями, возводят крупные подземные транспортные и многофункциональные 
комплексы, соединенные между собой сетью протяженных тоннелей. Во многих городах предусматривается строительство внеуличных подземных автомагистралей значительной протяженности. Большое количество тоннелей и подземных сооружений предстоит построить и для новых скоростных видов транспорта.  
Учебное пособие охватывает круг вопросов, связанных со строительством 
тоннелей. В нем нашли отражение современные достижения теории и практики 
строительства подземных сооружений - как российские, так и зарубежные, 
знание которых необходимо студентам специальности «Мосты и транспортные 
тоннели» - будущим инженерам-строителям транспортных сооружений.  
В пособии рассматриваются основные способы строительства горных и подводных автодорожных, городских автотранспортных и пешеходных тоннелей  
в различных инженерно-геологических условиях. Структура и содержание настоящего пособия определены тематикой и объемом лекционных курсов для студентов-специалистов направления подготовки «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» и бакалавров направления «Строительство» профиль «Мосты и транспортные тоннели». 
ϯ 

 
РАЗДЕЛ 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОННЕЛЕЙ 
Глава 1. Основные понятия о тоннелях 
К тоннелям в широком смысле слова могут быть отнесены любые подземные сооружения. В узком - протяженные подземные сооружения, длина которых значительно превышает их поперечное сечение. 
Транспортные тоннели - это горизонтальные или наклонные подземные 
искусственные сооружения, проводящие дорогу под препятствием, в отличие 
от мостов, обеспечивающих непрерывность движения над препятствием. 
1.1. Классификация тоннелей 
 
 Таблица 1.1 
Признаки 
классификации 
Разновидности и характеристика тоннелей 
1 
2 
1.  Тоннели на путях сообщения (транспортные): 
- железнодорожные,  
- метрополитены – городские подземные железные дороги; 
- автодорожные, в том числе городские, для развязки уличного  
движения; 
- судоходные, исторически раньше других появившиеся на путях  
сообщения; 
- совмещенные транспортные для одновременного пропуска  
различных видов транспорта; 
- пешеходные переходы под городскими улицами. 
2. Гидротехнические, среди которых различаются: 
По  
назначению 
- гидростанционные, подводящие и отводящие воду от турбин ГЭС; 
- ирригационные (оросительные); 
- водоснабженческие для подачи воды в населенные пункты; 
- дренажные (осушительные), в частности на оползневых 
участках. 
3. Тоннели городского хозяйства: 
- канализационные; 
- водосточные; 
- энергоснабженческие; 
- совмещенные для прокладки различных коммуникаций, очень 
экономичные в эксплуатации, но дорогие в постройке. 
4. Горнопромышленные: транспортные, дренажные, вентиляционные 
5. Подземные сооружения специального назначения: склады, ангары, 
хранилища газа или горючего, убежища глубокого заложения,  
подземные заводы, стартовые сооружения ракет, подземные гаражи  
и т. п. 
ϰ 

Окончание таблицы 1.1 
1 
2 
По месту 
расположения 
1. Горные: сооружаемые в гористой местности для преодоления  
высотных препятствий. 
2. Городские: сооружаемые в городах под улицами, площадями,  
застроенными кварталами. 
3. Подводные: сооружаемые для преодоления водных препятствий. 
По глубине 
заложения 
1. Мелкого заложения: расположенные на глубине до 15 м  
(сооружаются чаще всего в открытых котлованах). 
2. Глубокого заложения: расположенные на глубине более 15 м  
(сооружаемые без нарушения земной поверхности). 
В зависимости  
от арх.-простр.  
1. Одноуровневые.  
2. Многоуровневые 
формы 
1. Сооружаемые открытым способом (котлованный, траншейный): 
тоннельные конструкции целиком или по частям возводятся  
в предварительно вскрытых котлованах или траншеях с последующей 
засыпкой грунтом готового сооружения. 
2. Сооружаемые полузакрытым способом: часть конструкции тоннеля 
сооружается без вскрытия земной поверхности, часть - со вскрытием. 
3. Сооружаемые закрытым способом (горный, щитовой,  
По 
способам 
сооружения 
продавливание): проходка тоннеля производится без вскрытия  
земной поверхности. Характерны для глубокого заложения  
тоннелей. При производстве работ горным способом (применяется 
в скальных грунтах) тоннельное сечение раскрывается по частям 
или на полное сечение с постановкой временной крепи.  
При щитовом способе (применяется в мягких и слабых грунтах)  
в качестве временного крепления используется подвижная  
металлическая крепь - щит, под защитой которой производятся как 
разработка грунта, так и монтаж тоннельной конструкции  
(обделки); 
4. Сооружаемые специальными способами: с помощью  
предварительного укрепления грунтов, опускания готовых  
тоннельных секций, с использованием в забое сжатого воздуха и т. д. 
 
1.2. Основная тоннельная терминология 
Горная выработка - искусственно образованная в земной коре полость, 
предназначенная для размещения тоннеля или для вспомогательных строительных целей. По положению в пространстве выработки делятся на горизонтальные (рис. 1.1), наклонные и вертикальные (рис. 1.2). 
Глубина заходки W - объем грунта, разрабатываемый за один прием. 
Штольня - небольшая выработка, используемая для раскрытия выработки 
тоннеля на полное сечение или для вспомогательных целей. 
Ствол - вертикальная выработка, имеющая выход на дневную поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ и для вентиляции. 
 
ϱ 

 
Рис. 1.1. Горизонтальна выработка: 
1 – штросса (нижняя часть); 2 – калотта (верхняя сводчатая часть); 
3 – кровля выработки; 4 – забой (торец выработки, в котором  
разрабатывается грунт);5 – подошва выработки; 6 – штольня 
 
 
Рис. 1.2. Вертикальная выработка: 
1 – подходная штольня; 2 – устье ствола; 3 – ствол;  
4 – околоствольная выработка;5 – водосборник (зумпф) 
 
Тоннельная обделка – постоянная несущая конструкция, воспринимающая 
внешние нагрузки, ограждающая подземную выработку и образующая внутреннюю поверхность подземного сооружения. 
На рис. 1.3 приведена обделка горного тоннеля, которая состоит из свода 1, 
стен 2 и обратного свода 3. Обратный свод сооружается только при большом 
боковом давлении грунтов или наличии пучения глинистых грунтов с давлением снизу вверх. 
ϲ 

Портал тоннеля - архитектурно оформленный вход и выход из тоннеля. 
В горном тоннеле портал является поперечной подпорной стеной, удерживающей от сползания грунт лобового откоса предпортальной выемки. В глубоких 
выемках он сочетается с продольными подпорными стенами. 
Рампа - сооружение, служащее для перехода транспортных средств  
с проезжей части на поверхности земли в тоннель и наоборот. 
 
 
Рис. 1.3. Элементы поперечного сечения тоннеля: 
1 – верхний свод тоннельной обделки; 2 – ее стены; 3 – обратный свод обделки;  
4 – вентиляционные каналы (вытяжной (–) и нагнетательный (+)); 
 5 – проезжая часть; 6 – контур тоннельной выработки 
 
1.3.Технико-экономическая целесообразность строительства  
транспортных тоннелей 
 Строительство транспортных тоннелей представляет большие трудности, 
чем строительство наземных сооружений. Поэтому необходимость в их строительстве должна быть тщательно обоснована. Выбор вариантов трассы тоннелей и комплекса сооружений тоннельных переходов осуществляется на основе 
сравнения с вариантами трасс и комплексов сооружений мостовых переходов 
(для подводных тоннелей) и вариантов трасс обходов барьерных мест (препятствий) в плане и в профиле препятствия (для горных и городских тоннелей). 
В процессе проведения трассы автомобильных и железных дорог встречаются природные препятствия, которые необходимо преодолеть. Они делятся на 
высотные и контурные. 
К высотным препятствиям относят холмы, горные хребты и водоразделы. 
При трассировании железной или автомобильной дороги возможны три решения преодоления этого препятствия:  
1. Обход высотного препятствия. 
ϳ 

В этом случае значительно удлиняется трасса и увеличиваются уклоны, 
что приводит к ухудшению эксплуатационных показателей. 
2. Развитие трассы с подъемом на перевал и устройством глубокой выемки.  
Длина дороги получается меньшей, чем в первом случае, но возрастает потребность в применении больших уклонов; возникает необходимость в защите 
высоко расположенных участков линии от снежных заносов, лавин и обвалов 
путем устройства галерей и других инженерных сооружений. 
3. Сооружение тоннеля, соединяющего склоны высотного препятствия 
(рис. 1.4). 
При выборе этого варианта значительно сокращается длина дороги  
и уменьшаются уклоны, ликвидируются излишние повороты, улучшается комфортность движения и эксплуатационные показатели. Однако сооружение тоннеля, особенно расположенного в подошве высотного препятствия и имеющего 
в связи с этим большую длину, вызывает значительное увеличение сроков 
строительства и капитальных затрат. 
 
Рис. 1.4. Преодоление высотного препятствия 
 
Поэтому выбор трассы пути сообщения производят на основании техникоэкономического сравнения вариантов.  
К контурным препятствиям относят участки оползней, карстов, осыпей, 
лавин и снежных заносов, реки, озера, болота, а также населенные пункты. 
Оползни и осыпи угрожают стабильности земляного полотна и безопасности 
движения.  
Для преодоления этих препятствий можно рассмотреть следующие варианты: 
1. Обход контурных препятствий. 
Это удлиняет трассу и увеличивает эксплуатационные расходы.  
Поэтому в некоторых случаях может быть экономически целесообразно не 
обходить препятствие, а преодолеть его при помощи специальных сооружений - 
эстакад или тоннелей. 
2. На эстакаде возможно расположить пути при оползнях малой мощности. 
ϴ 

3. Однако при мощных (более 5 м) оползнях и наличии глубоких потоков 
подземных вод наиболее правильным решением задачи часто является перенос 
трассы вглубь горного массива - за пределы оползневой зоны (рис. 1.5). Это же 
решение может оказаться целесообразным при наличии в районе трассы мощных осыпей, возникающих на скальных косогорах (круче 30-35ƒ), сложенных 
из трещиноватых выветрелых грунтов.  
Защита пути от снежных лавин и заносов потребует больших эксплуатационных расходов и серьезных инженерных мероприятий вплоть до устройства  
на опасных участках галерей из бетона или железобетона. 
4. Тоннель, расположенный вне зоны, опасной в отношении лавин и заносов, в этом случае обеспечит бесперебойность и безопасность движения, а также уменьшит эксплуатационные расходы.  
 
Рис. 1.5. Преодоление участков оползней, осыпей  
и снегозаносимости 
 
При преодолении водных препятствий необходимо сделать выбор между 
мостом и тоннелем (рис. 1.6). 
В сравнении с мостовым переходом тоннельное пересечение имеет следующие преимущества:  
- отсутствие помех судоходству;  
- защищенность от ветра, атмосферных осадков, льда, волн при пересечении крупных рек и проливов; 
- меньшая длина пересечения при высоком габарите судов и широкой 
пойме;  
- удобство подходов к пересечению в городских условиях; 
- нет нарушения бытового режима водоемов. 
 
ϵ 

 
Рис. 1.6. Преодоление водного препятствия 
 
Однако тоннельное решение имеет ряд недостатков: 
- необходима постоянная вентиляция, без которой часто невозможна 
эксплуатация подводного тоннеля; 
- срок сооружения тоннеля, как правило, больше, чем срок сооружения моста; 
- стоимость тоннельного пересечения может быть выше стоимости 
мостового перехода, так как для сооружения тоннеля необходимо 
выполнить больший объем земляных работ, чем при сооружении 
моста.  
Однако следует иметь в виду, что с увеличением ширины водного препятствия стоимость 1 пог. м моста увеличивается, а стоимость 1 пог. м тоннеля уменьшается; с увеличением высоты моста возрастают объемы земляных работ на подходах. 
В отношении безопасности производства работ мостовой переход не 
имеет преимуществ по сравнению с тоннельным пересечением. Проходка 
подводных тоннелей герметическими щитами обеспечивает полную безопасность работ и гарантирует их своевременное выполнение, так как работы могут производиться в течение всего года независимо от сезона и климатических условий. 
Особенно возрастают преимущества тоннельного пересечения при сооружении тоннеля из крупных секций, изготовляемых на берегу и опускаемых в котлован, устраиваемый по оси пересечения подводным землечерпанием. 
При преодолении морских проливов тоннельные переходы вообще не 
сравнимы с мостовыми. Построить мост протяженностью в 54 км (длина 
подводного тоннеля Сейкан, построенного в 1993 г.) или в 52 км (длина тоннеля под проливом Ла-Манш, построенного в 1994 г.) чрезвычайно трудно. 
Большие трудности возникнут при эксплуатации такого моста. 
Выбор между мостовым переходом и тоннельным пересечением делают 
на основании технико-экономического сравнения с учетом современных технологий строительства тоннелей. 
В некоторых случаях при пересечении крупных водных препятствий целесообразно сооружение комбинированных тоннельно-мостовых переходов, 
состоящих из мостов низкого уровня и подводного тоннеля на судоходном 
участке. 
ϭϬ