По приблизительным оценкам специалистов, в России в перспективе может быть реализовано не менее 25 проектов, предусматривающих строительство тоннелей.

 В их числе второй Кодарский, второй Северомуйский и второй Кузнецовский тоннели, которые будут построены в рамках третьего этапа развития Восточного полигона. Импульс для развития тоннелестроение получило на Восточном экономическом форуме во Владивостоке в сентябре 2023 года. Тогда ОАО «РЖД», АО «Газпромбанк» и АО «Бамтоннельстрой-­Мост» заключили договор о совместной реализации крупных проектов на Байкало-­Амурской магистрали. Поводом для этого стало принятие Правительством РФ решения о реализации третьего этапа строительства объектов железнодорожной инфраструктуры Восточного полигона. Создание новых инженерных сооружений позволит к 2032 году увеличить провозную способность БАМа и Транссиба до 270 млн тонн.

Опыт прошлых лет

Строительство тоннелей в России имеет давнюю историю. Первенец отечественного тоннелестроения — Ковенский двухпутный железнодорожный тоннель протяженностью 1278 м — был построен за три года русскими инженерами в 1862 году. Потом было сооружено множество тоннелей на железных дорогах Урала, Кавказа, Крыма.

Потребность в прокладке транспортных тоннелей стала возрастать в начале прошлого века, когда быстрое развитие получил автомобильный и железнодорожный транспорт. Социально-­экономическое развитие регионов в СССР потребовало строительства новых дорог. Прокладка отдельных участков трасс под землей позволяла преодолевать самые сложные горные и водные преграды. С началом в 1974 году активного строительства Байкало-­Амурской магистрали тоннелестроение получило широкое развитие. Было построено несколько тоннелей длиной более километра. И в наше время, когда способы строительства подземных сооружений вобрали в себя самые современные технические и научные разработки, по-прежнему актуальным и поучительным остается опыт создания тоннелей на БАМе — в труднодоступной местности со сложным рельефом и резко континентальным климатом. В их числе Северомуйский (15,3 км), Байкальский (6,7 км) и наиболее высокогорный Кодарский (2 км) тоннели.

Трудностей полвека назад специалистам добавила высокая сейсмоактивность местности (8–9 баллов), а также отсутствие устойчивых круглогодичных транспортных связей и источников электроэнергии. Байкальский хребет по трассе одноименного тоннеля имеет многочисленные тектонические зоны разломов и надвигов из раздробленных пород. Та же неустойчивая структура пород характерна и для маршрута Северомуйского тоннеля. Оба подземных сооружения относятся к разряду перевальных. С учетом такого сложного комплекса условий во времена прокладки БАМа специалисты остановились на варианте однопутных тоннелей.

С 2013 года началась реализация проектов модернизации БАМа и Транссиба. За это время было построено более 3 тыс. и модернизировано более 5 тыс. километров железнодорожного пути, возведено и реконструировано более 100 мостов и тоннелей. Построен новый Кузнецовский (3,9 км), а также реконструированы Кипарисовский, Облученский и Владивостокский тоннели. В июле 2021 года состоялся запуск железнодорожного движения по второму Байкальскому тоннелю (6,7 км), который пересекает Байкальский хребет и соединяет два субъекта РФ: западный портал расположен в Иркутской области, восточный — в Республике Бурятия.

Кстати, в июне 2024 года в Бурятии были возобновлены подготовительные работы по проекту строительства второго Северомуйского тоннеля. Строительные городки развернули в районе Северомуйска и Окусикана, туда стали завозить необходимую технику. Завершить прокладку тоннеля планируют до конца 2032 года. Новый тоннель, необходимый для увеличения объема грузоперевозок по магистрали, будет проходить параллельно действующему, его проходку начнут вести с двух сторон.

Совокупность факторов

Автомобилизация городов также диктовала свои условия, сделав злободневным вопрос о разведении транспортных потоков в разные уровни. Все эти факторы и подстегнули техническую мысль к созданию подземных искусственных сооружений в крупных городах. Так, в 2005 году был открыт Бутовский тоннель в столице России. С тех пор построено еще несколько тоннелей в Москве, в том числе Лефортовский и Северо-­Западный.

Шире стал и спектр инновационных решений, используемых специалистами при сооружении тоннелей. Их прокладка во многих случаях позволяет сократить маршрут движения автомобильного и железнодорожного транспорта, что снижает себестоимость перевозок. Однако сами тоннели (наряду с мостами) входят в число наиболее сложных и дорогостоящих искусственных сооружений на транспорте. Выбор способа прокладки тоннеля, а также глубины его заложения и протяженности зависит от климатических, топографических и геологических условий местности. Совокупность этих факторов и определяет стоимость таких проектов. Подземная дорога может пересекать любые труднопроходимые отрезки пути. Тоннели строят сквозь непреодолимые препятствия рельефной местности, под водой, где мосты мешали бы судоходству, под городскими постройками (метрополитен), в скальных грунтах.

Безусловно, и полвека назад, и в наше время решение о начале строительства подобного рода подземных сооружений предваряют глубокие инженерные изыскания, тщательное изучение специалистами всех характерных для данного объекта факторов риска. Сложные условия диктуют необходимость использования при строительстве тоннеля современных технологий, применения специальных методов работ, внедрения высокоэффективных горнопроходческих механизмов. Прогноз рисков на этапе проектно-­изыскательских работ учитывается в дальнейшем при проведении геотехнического мониторинга во время строительства и эксплуатации тоннелей, когда в зонах высокого риска контроль увеличивают, а где риск небольшой — снижают. Это дает возможность оптимально использовать трудовые, материальные и финансовые ресурсы, сокращать издержки и повышать результативность контроля.

Способы строительства

Как известно, строительство транспортных тоннелей производится открытым и закрытым способами, иногда они комбинируются. Для тоннелей неглубокого залегания (10–15 м) применяется открытый способ, он более дешевый и менее трудоемкий. Технология предусматривает рытье котлована, в котором возводится конструкция тоннеля. Затем производится обратная засыпка с восстановлением нарушенной земной поверхности.

Более трудоемкий — закрытый (горный) способ. В этом случае выработка на глубине от 20 м раскрывается на полный профиль или по частям с установкой временного крепления (в слабых и трещиноватых породах) без нарушения земной поверхности. Строительство может вестись с помощью проходческого щита (передвижной металлической крепи). Способ предусматривает создание искусственной пустоты в земле, укрепление стенок рошпанами (поперечными элементами, соединяющими рамы), гидроизоляционные работы.

Когда сооружение тоннелей ведется в сложных инженерно-­геологических условиях, строители прибегают к специальным способам. В этих случаях работы производятся с помощью замораживания грунта, водопонижения, укрепления нарушенного массива путем нагнетания различных химических растворов, проходки под сжатым воздухом (кессона) и других методов.

Обделку автотранспортных тоннелей выполняют из металла (чугун, сталь), железобетона или бетона. Сводчатые очертания — чаще всего из набрызг-­бетона или способом бетонирования в опалубках. Круговую обделку стыкуют из отдельных металлических или железобетонных элементов ребристого или сплошного сечения. Прямоугольную обделку обустраивают в виде рамных конструкций из сборного или монолитного железобетона. Подводные автодорожные тоннели в большинстве случаев проектируют в виде рампоконструкций переменной высоты.

Каждый тоннель для бесперебойной и безопасной работы проектируется с инженерными системами, включающими приточную и вытяжную вентиляцию, электроосвещение, пожарную защиту, дренажную насосную станцию, систему безопасности и управления дорожным движением. Современные системы проектируются автоматизированными, они могут управляться дистанционно.

Понятное дело, что тот или иной проект прокладки тоннеля и его ремонта реализуется с применением таких инженерных решений, которые учитывают конкретные гидрогеологические условия местности.

Оптимизация процессов

Ученые и инженеры стремятся найти инновационные подходы и технологии, которые позволят снизить энергетические затраты и уменьшить негативное влияние строительства этих объектов на окружающую среду. Одной из основных задач в области энергоэффективного строительства тоннелей является оптимизация процессов. Это включает использование передовых технологий и материалов, разработку новых методов бурения, а также внедрение систем управления энергопотреблением. Для обеспечения безопасного и комфортного пребывания внутри тоннелей требуется эффективная система освещения. Ультраэффективные светодиодные лампы и интеллектуальные системы управления освещением позволяют достичь низкого энергопотребления при сохранении высокой яркости и надежности освещения. Такие системы обеспечивают равномерное распределение света по всей площади тоннеля и автоматически регулируют его яркость в зависимости от времени суток и условий на дороге.

Помимо освещения, энергоэффективность тоннельного строительства определяется также эффективностью системы вентиляции. Оптимальная циркуляция воздуха внутри тоннеля не только обеспечивает комфортные условия для работников и пользователей, но и повышает безопасность дорожного движения. Современные технологии вентиляции используют интеллектуальные системы управления, которые анализируют параметры воздуха и автоматически регулируют скорость и направление потока. Таким образом, достигается оптимальный баланс между энергопотреблением и необходимой вентиляцией.

Исследования и инженерное развитие привели к созданию энергоэффективных материалов, которые могут быть использованы в строительстве тоннелей. Экологически чистые материалы обладают повышенной термоизоляцией и способны сохранять комфортную температуру внутри тоннеля без необходимости частого использования систем отопления и кондиционирования. Такие материалы устойчивы к воздействию влаги и не требуют частого технического обслуживания. В тоннельном строительстве также широко применяются автоматизированные системы управления энергопотреблением.

В строительстве тоннелей все большую популярность приобретают материалы, которые не содержат вредных веществ и токсичных элементов. Это позволяет уменьшить риск загрязнения грунта и воды, что является особенно важным при строительстве тоннелей под реками и озерами. Экологически чистые материалы также способствуют созданию внутри тоннеля безопасного и здорового микроклимата, благоприятно влияющего на здоровье людей, работающих и пребывающих в тоннеле.

Одним из примеров использования экологически чистых материалов при строительстве тоннелей является замена традиционных бетонных смесей на экологически безопасные альтернативы. Например, использование специальных композитных материалов на основе натуральных волокон, таких как конопля или лен, позволяет снизить уровень выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшить экологическую ситуацию на строительной площадке.

Технологии нашего времени

Сооружение тоннелей в практике отечественного метростроения — отдельная тема. Необходимо отметить, что с периода строительства первых станций Московского метрополитена, когда для проходки шахтных стволов и перегонных тоннелей активно использовался кессонный способ, технологии строительства подземных искусственных сооружений ушли далеко вперед. В настоящее время проходка тоннелей ведется с использованием современной техники, строятся двухпутные тоннели мелкого заложения, на сооружении станций московского метро чаще применяется открытый способ работ, что позволяет существенно снизить трудозатраты и повысить темпы строительства примерно в полтора раза. По оценке специалистов, участок двухпутного тоннеля в составе четырех станций может быть построен за 3–3,5 года, в то время как на сооружение однопутных тоннелей такой же протяженности требуется не менее пяти лет. Кроме того, при строительстве двухпутных тоннелей не требуется организация строительных площадок на перегонах между станциями, что особенно важно при работе в охранных зонах.

Высокие темпы проходки тоннелей стали возможны только при условии использования современной проходческой техники, которой вооружены метростроители. С ее применением (в частности, щитовых машин с активным пригрузом забоя) идет активное строительство метро в Москве, Санкт-­Петербурге, Нижнем Новгороде и других мегаполисах. Так, в столице с 2011 года построили и реконструировали более 240 км линий метро, 115 станций, четыре дополнительных вестибюля, 12 электродепо столичной подземки и МЦК. В настоящее время строительство новых участков линий метрополитена наращивается.

Если раньше проектировщики и градостроители, опасаясь больших деформаций земной поверхности, были обеспокоены сохранностью зданий, сооружений городской инфраструктуры и строительство метро велось в основном на глубоком заложении, то щитовые машины с активным пригрузом забоя позволили изменить концепцию строительства. И сейчас перегонные тоннели метро проходят в основном на мелком заложении, но закрытым способом, а станции строятся методом открытого котлована.

Это в перспективе обеспечивает комфортность перевозок пассажиров, которые меньше времени затрачивают на спуск на станцию метро и подъем на поверхность, а также дает возможность экономить на электроэнергии, водоотводе, вентиляции и т. п. Щиты с активным пригрузом забоя имеют в передней части специальную камеру, где создается противодавление, препятствующее обрушению грунта и попаданию воды в тоннель. Благодаря этому обеспечивается практически безосадочная проходка. Темпы строительства в этом случае существенно выше (250–350 м в месяц), чем до внедрения новой техники.

Взамен импортной техники

Многообразие разработанных специальных материалов позволяет в метростроении решать задачи разных уровней сложности. Одна из них — предотвращение и остановка притока воды в котлован строящейся станции мелкого заложения. При аварийных ситуациях применяются специальные составы, которые моментально формируют жесткую пену при контакте с водой, обеспечивая структурную прочность и жесткость конструкции. Состав закачивается в бетонные части котлована в процессе бурения.

Большое внимание уделяется качеству гидроизоляции и при строительстве перегонов между станционными комплексами, поскольку протечки в дальнейшем представляют опасность для электросистемы и движения поездов. Чтобы этого избежать, при прокладке тоннелей могут использоваться специальные инъекционные составы, которые при контакте с водой образуют структурную эластичную пену.

Сооружение вентиляционных и рабочих стволов метрополитена также всегда представляло сложную проблему. Часто приходилось использовать специальные методы замораживания, искусственного закрепления грунта и т. д. Применение вертикальной стволопроходческой техники в московском и петербургском метро избавило строителей от этого и дало возможность сооружать такие стволы в очень короткое время. Более того, взамен импортного оборудования такого типа петербургская компания «Метрострой» совместно со специалистами Скуратовского опытно-­экспериментального завода под Тулой разработала свою машину. С ее помощью ствол глубиной 60–70 м можно пройти за 2,5 месяца, а не за полгода, как раньше, тем самым сократив сроки строительства и финансовые издержки по сооружению вертикального ствола. Сейчас на том же предприятии создается образец щита для горизонтальной проходки.

Если в тоннель просочилась вода

Являясь неотъемлемой частью современной транспортной инфраструктуры, тоннели, как и другие сооружения, нуждаются в своевременном техническом обслуживании и ремонте. Ведь их эксплуатация идет в сложных условиях регулярного движения поездов и автомобилей в стесненном пространстве. Под воздействием неблагоприятных факторов в обделке тоннелей могут возникать различные дефекты, приводящие к локальным повреждениям, а в некоторых случаях к ее разрушениям. Большинство деформаций обделок происходит не внезапно, а развивается в течение некоторого времени. Чтобы избежать аварийных ситуаций, специалистам предписано регулярно проводить осмотры и исследования подземных сооружений.

Пожалуй, самой большой проблемой, ведущей к повреждению гидроизоляции и, как следствие, к необходимости ее восстановления, являются грунтовые воды. Они становятся причиной обводненности обделки, из-за чего происходит вымывание грунта и цементных растворов в кладке. Как следствие, это приводит к коррозии арматуры, вспучиванию грунтов, обледенениям в зимнее время.

Основными материалами обделки тоннелей являются бетон и металл. Они постоянно контактируют с влажными грунтами, содержащими соли, щелочи и кислоты. С течением времени вода проникает в поры бетона и постепенно разрушает его структуру. Некачественно проведенные ранее гидроизоляционные работы, чрезмерная эксплуатация (сверх нормы) тоннеля и стихийные бедствия также могут привести к нарушениям гидроизоляции.

Среди множества решений по обустройству гидроизоляции тоннелей одно из самых надежных — применение специальных полимерных мембран. Материал обеспечивает герметичность за счет высокого качества полотна и прочности швов, которые соединяют части покрытия с помощью сварки нагретым воздухом на автоматическом оборудовании. Мембрана способна защитить строительные конструкции тоннелей не только от воды, но и от растворенных в грунтовых водах кислот и солей, а также обитающих в водной среде бактерий, плесени и грибка.

В твердых скальных породах с незначительным содержанием влаги могут прокладываться безобделочные тоннели. Однако со временем и такие подземные сооружения подвергаются воздействию внешних факторов. Основными проблемами в этом случае становятся выветривание горных пород и образование трещин, что приводит к просачиванию влаги в тело конструкции. Для ремонта таких тоннелей специалисты ряда компаний предлагают разного рода обмазочные и проникающие составы. Для заделки глубоких трещин используется специальный полимерцементный раствор.

Рассмотренные технологии сооружения и ремонта тоннелей показывают, что с годами спектр инновационных решений, используемых специалистами при их прокладке, стал гораздо шире. Новые методы основываются в первую очередь на необходимости обеспечения безопасности для строителей этих искусственных сооружений и пользователей автомобильного и железнодорожного транспорта. Определяющими факторами использования прогрессивных технологий также, безусловно, являются скорость, надежность и стоимость сооружения тоннелей.