Tunnels werden oorspronkelijk gebouwd als onderdeel van watertoevoer- en rioleringssystemen, daterend uit de tijd van het Romeinse Rijk. Hun eerste gebruik voor transport was als onderdeel van kanaalsystemen in de 17e eeuw. Met de ontwikkeling van spoorwegen in de 19e eeuw en auto's in de 20e, werden tunnels langer en complexer. De meest gebruikelijke methoden voor het bouwen van tunnels zijn de cut-and-cover-methode, de dompelbuis-methode of het gebruik van een tunnelboormachine.
Stappen
Deel 1 van 4: Te overwegen factoren bij het bouwen van een tunnel
Stap 1. Bedenk waar de tunnel wordt gebouwd
De locatie van de voorgestelde tunnel zal bepalen welke gereedschappen en technieken nodig zijn om deze te bouwen en voor te bereiden op het beoogde gebruik. Tunnels zijn onder te verdelen in 3 soorten:
- Tunnels met zachte ondergrond. Deze tunnels hebben ondersteuning nodig bij de openingen om te voorkomen dat de tunnel instort. Deze tunnels zijn meestal ondiep en worden gebruikt voor metro's, watertoevoer en afvalwaterverwijderingssystemen.
- Rots tunnels. Omdat ze uit massief gesteente zijn opgegraven, hebben deze tunnels weinig of helemaal geen ondersteuning nodig. Trein- en autotunnels zijn meestal van deze variëteit.
- Onderwater tunnels. Zoals de naam al aangeeft, gaan deze tunnels onder rivieren, meren, kanalen door en in het geval van de "Chunnel", zeestraten zoals het Engelse Kanaal. Dit zijn de moeilijkste tunnels om te bouwen, omdat water tijdens en na de bouw uit de tunnel moet worden gehouden.
- Het bouwen van een tunnel onder een stad biedt problemen die vergelijkbaar zijn met een onderwatertunnel, in die zin dat de grond rond de tunnel de neiging heeft door te zakken onder het gewicht van de gebouwen erboven. Kennis van de geologie van het gebied helpt te voorspellen hoeveel de grond zal doorzakken en suggereert welke methoden de doorzakking kunnen minimaliseren.
Stap 2. Overweeg het pad van de tunnel
Een tunnel met een lang, enkel, recht pad is relatief eenvoudig te boren met een tunnelboormachine. Tunnels die afwijken van dit ontwerp bieden problemen die de aanleg ervan complexer maken.
- Korte tunnels worden niet geboord met tunnelboormachines omdat het niet kostenefficiënt is om dit te doen.
- Tunnels die verschillende boordiameters op verschillende delen van hun routes vereisen, maken het gebruik van een tunnelboormachine ook onpraktisch vanwege vertragingen bij het aanpassen van de boordiameter.
- Tunnels die scherpe hoeken maken of kruisende assen hebben, maken ook gebruik van een boormachine die onpraktisch is.
Stap 3. Overweeg het doel van de tunnel
Waar de tunnel voor wordt gebruikt, bepaalt welke extra werkzaamheden naast het maken van de tunnel zelf nodig zijn voordat deze in gebruik wordt genomen.
- Tunnels die passagiers vervoeren, hebben een vorm van ventilatie nodig. Voor rijbaantunnels betekent dit meestal ventilatieschachten om ophoping van koolmonoxide te voorkomen. Voor spoortunnels kan dit geforceerde ventilatie betekenen om uitlaatgassen van dieselmotoren te verwijderen. Beide hebben aanvullende methoden om de rook die ontstaat als er brand uitbreekt in de tunnel, aan te pakken.
- In veelgebruikte tunnels, zoals de Big Dig in Boston, kunnen continu bemande operatiecentra met videoapparatuur aanwezig zijn om het verkeer in de tunnel te bewaken en om te gaan met noodsituaties.
- Lange rijbaantunnels, zoals de Eisenhower-tunnel in Colorado, kunnen worden verlicht met bovenlichten voor het gemak van chauffeurs en passagiers. Andere rijbaantunnels, zoals die in het Zion National Park in Utah, kunnen schilderachtige uitsparingen hebben om op sommige plaatsen natuurlijk licht de tunnel binnen te laten en passagiers een glimp van het omringende landschap te geven.
- Sommige tunnels, zoals de Queensway Tunnel tussen Liverpool en Birkenhead, Engeland en de Lion Rock Tunnel tussen Sha Tin en New Kowloon in Hong Kong, combineren een bovenste passagiersdek met een lager servicedek voor water, leidingen of kabels. Andere tunnels, zoals de SMART-tunnel in Maleisië, kunnen worden gebruikt voor verkeers- of overstromingsbeheer.
Deel 2 van 4: De Cut-and-Cover-methode gebruiken
Stap 1. Graaf een greppel
Het gebied waar de tunnel komt, wordt volledig uitgegraven, het tunneldak wordt gemaakt en afgedekt als de tunnel klaar is. Dit type tunnel wordt op twee manieren geconstrueerd:
- Bottom-up: Eerst wordt grondondersteuning gecreëerd, daarna wordt de tunnel eromheen opgebouwd.
- Top-down: de zijkanten en het dak van de tunnel zijn op grondniveau gebouwd en de tunnelgeul wordt eronder uitgegraven.
- Beide methoden worden voornamelijk gebruikt voor ondiepere tunnels, hoewel de top-down methode het mogelijk maakt om diepere tunnels te graven dan de bottom-up methode. Diepere tunnels worden vaak uitgegraven met behulp van een tunnelschild, een doosachtige structuur met kleine luiken die worden geopend om door te graven. Zodra het vuil voor het schild is verwijderd, wordt het schild naar voren bewogen om door te gaan met graven.
Stap 2. Maak de tunnelwanden en het dak
De tunnelwanden en het dak kunnen worden gebouwd terwijl de tunnel wordt gegraven of kunnen vooraf worden gebouwd en op hun plaats worden gezet terwijl de tunnel wordt gegraven. Materialen van vandaag omvatten het volgende:
- Gegolfde stalen bogen.
- Prefab betonnen bogen.
- Prefab betonnen muren.
- Gegoten of gespoten beton. Vaak wordt dit gebruikt in combinatie met een van de gevormde-boogmethoden.
Stap 3. Voltooi de tunnel
Hoe dit gebeurt, hangt af van het feit of de bottom-up of top-down methode is gebruikt.
- Tunnels die met de bottom-up-methode zijn gemaakt, moeten worden opgevuld om het tunneldak te bedekken en elk oppervlak dat boven het tunneldak moet komen, wordt vervolgens gebouwd of herbouwd.
- Tunnels die zijn gemaakt met de top-down-methode worden uitgegraven onder de plaats waar de tunnelwanden en het dak zijn opgetrokken, en vervolgens wordt een basisplaat gemaakt die dienst doet als tunnelvloer.
Deel 3 van 4: Ondergedompelde buizen gebruiken
Stap 1. Bagger een geul wanneer de tunnel zal gaan
Deze methode is vergelijkbaar met de cut-and-cover-methode, maar wordt gebruikt voor het graven van onderwatertunnels. De greppel moet zo lang zijn als de tunnel onder water loopt.
Stap 2. Leg een reeks stalen buizen langs de lengte van de sleuf
Elke buis is aan beide uiteinden afgesloten met een schot. Als de buis voor een autotunnel is, zoals in het geval van de Ted Williams-tunnel in Boston, bevatten de buizen kant-en-klare weggedeelten.
Stap 3. Omhul de buis met voldoende opvulling om de waterdruk erboven te weerstaan
Voor de Ted Williams-tunnel was dit een 5 voet dikke (1,5 m dikke) rotslaag.
Stap 4. Verbind de buizen door de tussenliggende schotten te verwijderen
Alle weg- of spoorsegmenten die in de buizen zijn ingebouwd, zouden op dit moment ook worden aangesloten.
Deel 4 van 4: Een tunnelboormachine gebruiken
Stap 1. Kies de juiste tunnelmachine voor de klus
Tunnelboormachines, kortweg TBM's of "mollen" genoemd, hebben ronde platen aan de voorkant die schilden worden genoemd. Schijfvormige messen op het schild scheuren door rots en vuil, dat door openingen in het schild op een transportband in de TBM gaat die het achter de machine deponeert.
- De soorten TBM-schilden variëren naargelang de mol moet graven in zachte, natte grond of harde rots. De schilddiameters variëren van het schild van Aker Wirth van 8,03 m op zijn TBM dat wordt gebruikt voor de elektriciteitscentrales van Linth-Limmern in Zwitserland tot de "Big Bertha" van Hitachi Zosen met een diameter van 17,5 m van 57,5 voet.
- Mollen die zijn ontworpen om tunnels onder de grondwaterspiegel te graven, hebben ook kamers aan de voorkant om de grond onder druk te zetten.
- Voor grote klussen kunnen meerdere TBM's nodig zijn. De Kanaaltunnel vereiste 11.
Stap 2. Zet de machine op zijn plaats
Voor een bovengrondse tunnel is dit geen probleem. Als de tunnel diep onder de grond moet worden geboord, wordt een toegangsschacht, meestal cirkelvormig, geboord en bekleed met beton. De TBM wordt erin neergelaten en vanaf dat punt wordt de tunnel uitgegraven.
- Voor lange tunnels worden meerdere toegangsschachten geboord.
- Als de tunnel klaar is, kunnen de toegangsschachten ventilatieschachten en/of nooduitgangen worden. Als ze niet zo worden gebruikt, blijven ze op hun plaats voor de levensduur van de tunnel.
Stap 3. Zet de tunnelsteunen op terwijl de machine er doorheen boort
Segmenten van prefab beton worden achter de TBM opgetrokken om op vooraf bepaalde intervallen een ring te vormen.
Stap 4. Spuit beton op de uitgegraven wanden tussen de steunringen
Het spuitbeton, of spuitbeton, bedekt en stabiliseert de tunnelwanden. Het spuitbeton kan staal- of polypropyleenvezels bevatten om het te versterken, net zoals stalen wapening wordt gebruikt om gegoten beton te versterken. Het spuitbeton bevat ook een versneller zodat het aan de tunnelwanden blijft kleven en snel droogt.
Tips
- Vroege tunnels werden door rotsen geboord door gaten te boren en explosieven te gebruiken: eerst zwart poeder en later dynamiet. Tijdelijke steunen van houten kozijnen zouden worden opgetrokken, vervangen door baksteen en metselwerk. Latere tunnels gebruikten gesegmenteerde gietijzeren ringen, aan elkaar vastgeschroefd, in plaats van hout en metselwerk.
- Tunnels kunnen ook door zachte aarde worden geboord met behulp van vijzels om buizen/pijpen of doosvormige graafmachines met snijkoppen te duwen. Tunnels met pijpvijzels zijn meestal smal, niet meer dan 3,2 m (10,5 voet) in diameter, terwijl tunnels met kokers zo breed als 20 m 65,6 voet kunnen zijn.
