I tunnel sono stati originariamente costruiti come parte dei sistemi di approvvigionamento idrico e fognario, risalenti ai tempi dell'Impero Romano. Il loro primo utilizzo per il trasporto fu come parte dei sistemi di canali nel XVII secolo. Con lo sviluppo delle ferrovie nel XIX secolo e delle automobili nel XX, i tunnel sono diventati più lunghi e complessi. I metodi più comuni per la costruzione di gallerie sono il metodo cut-and-cover, il metodo del tubo immerso o l'uso di una perforatrice.
Passi
Parte 1 di 4: fattori da considerare nella costruzione di un tunnel
Passaggio 1. Considera dove verrà costruito il tunnel
La posizione del tunnel proposto determinerà quali strumenti e tecniche sono necessari per costruirlo e prepararlo per l'uso previsto. I tunnel possono essere suddivisi in 3 tipologie:
- Gallerie di terreno soffice. Questi tunnel richiedono supporto alle aperture per evitare che il tunnel crolli. Questi tunnel sono generalmente poco profondi e utilizzati per metropolitane, distribuzione dell'acqua e sistemi di rimozione delle acque reflue.
- Tunnel di roccia. Poiché sono scavati nella roccia solida, questi tunnel richiedono poco o nessuno supporto aggiuntivo. I tunnel ferroviari e automobilistici sono solitamente di questa varietà.
- Tunnel sottomarini. Come indica il nome, questi tunnel passano sotto fiumi, laghi, canali e, nel caso del "Chunnel", stretti come il Canale della Manica. Questi sono i tunnel più difficili da costruire, poiché l'acqua deve essere tenuta lontana dal tunnel durante e dopo la costruzione.
- Costruire un tunnel sotto una città offre problemi simili a un tunnel sottomarino, in quanto il terreno attorno al tunnel tende a cedere sotto il peso degli edifici sopra di esso. Una conoscenza della geologia dell'area aiuta a prevedere quanto il terreno cederà e suggerisce quali metodi possono ridurre al minimo il cedimento.
Passaggio 2. Considera il percorso del tunnel
Un tunnel con un lungo percorso rettilineo è relativamente facile da scavare con una fresa per tunnel. I tunnel che differiscono da questo progetto offrono problemi che ne rendono più complessa la costruzione.
- I tunnel corti non vengono annoiati con le perforatrici perché non è conveniente farlo.
- Anche le gallerie che richiedono diametri di perforazione diversi in diverse parti del loro percorso rendono impraticabile l'uso di una perforatrice per gallerie a causa dei ritardi nella regolazione del diametro della perforazione.
- Anche le gallerie con angoli acuti o con pozzi intersecanti rendono poco pratico l'uso di una macchina di perforazione.
Passaggio 3. Considera lo scopo del tunnel
L'uso del tunnel determina quali lavori aggiuntivi, oltre alla realizzazione del tunnel stesso, saranno necessari prima di metterlo in servizio.
- I tunnel che trasportano passeggeri richiedono una qualche forma di ventilazione. Per le gallerie stradali, questo di solito significa pozzi di ventilazione per prevenire l'accumulo di monossido di carbonio. Per le gallerie ferroviarie, ciò può significare ventilazione ad aria forzata per rimuovere lo scarico del motore diesel. Entrambi dispongono di metodi supplementari per far fronte al fumo creato in caso di incendio nel tunnel.
- I tunnel molto utilizzati, come il Big Dig di Boston, possono essere dotati di centri operativi continuamente presidiati con apparecchiature video per monitorare il traffico all'interno del tunnel e affrontare le emergenze.
- I lunghi tunnel stradali, come l'Eisenhower Tunnel in Colorado, possono essere illuminati con luci a soffitto per la comodità di conducenti e passeggeri. Altri tunnel stradali, come quelli nello Zion National Park nello Utah, possono presentare ritagli panoramici per consentire alla luce naturale di entrare nel tunnel in alcuni punti e fornire ai passeggeri scorci del paesaggio circostante.
- Alcuni tunnel, come il Queensway Tunnel tra Liverpool e Birkenhead, in Inghilterra, e il Lion Rock Tunnel tra Sha Tin e New Kowloon a Hong Kong, combinano un ponte superiore per il traffico passeggeri con un ponte di servizio inferiore per acqua, tubi o cavi. Altri tunnel, come lo SMART Tunnel della Malesia, possono essere utilizzati per il controllo del traffico o delle inondazioni.
Parte 2 di 4: utilizzo del metodo Taglia e copri
Passaggio 1. Scava una trincea
L'area in cui sorgerà il tunnel è completamente scavata, con il tetto del tunnel da realizzare e coprire quando il tunnel sarà completato. Questo tipo di tunnel è costruito in due modi:
- Dal basso verso l'alto: prima viene creato il supporto a terra, quindi il tunnel viene costruito attorno ad esso.
- Dall'alto verso il basso: i lati e il tetto del tunnel sono costruiti a livello del suolo e la trincea del tunnel è scavata sotto di esso.
- Entrambi i metodi sono utilizzati principalmente per gallerie meno profonde, sebbene il metodo dall'alto verso il basso consenta di scavare gallerie più profonde rispetto al metodo dal basso verso l'alto. I tunnel più profondi vengono spesso scavati con l'aiuto di uno scudo tunnel, una struttura a forma di scatola con piccole persiane aperte per scavare. Una volta rimossa la sporcizia davanti allo scudo, lo scudo viene spostato in avanti per continuare a scavare.
Passaggio 2. Creare le pareti e il tetto del tunnel
Le pareti e il tetto del tunnel possono essere costruiti durante lo scavo del tunnel o possono essere pre-costruiti e messi in opera durante lo scavo del tunnel. I materiali oggi includono quanto segue:
- Archi ondulati in acciaio.
- Archi prefabbricati in cemento.
- Pareti prefabbricate in calcestruzzo.
- Calcestruzzo colato o spruzzato. Spesso, questo viene utilizzato in combinazione con uno dei metodi dell'arco formato.
Passaggio 3. Completa il tunnel
Il modo in cui ciò avviene dipende dal fatto che sia stato utilizzato il metodo bottom-up o top-down.
- I tunnel creati con il metodo dal basso verso l'alto devono essere interrati per coprire il tetto del tunnel e qualsiasi superficie che deve esistere al di sopra del tetto del tunnel viene quindi costruita o ricostruita.
- I tunnel creati con il metodo dall'alto verso il basso vengono scavati al di sotto del punto in cui sono stati eretti le pareti del tunnel e il tetto, quindi viene creata una soletta di base, che funge da pavimento del tunnel.
Parte 3 di 4: utilizzo di tubi immersi
Passaggio 1. Draga una trincea quando il tunnel andrà
Questo metodo è simile al metodo cut-and-cover, ma viene utilizzato per scavare tunnel sottomarini. La trincea deve percorrere la lunghezza del tunnel sott'acqua.
Passaggio 2. Posare una serie di tubi d'acciaio lungo la lunghezza della trincea
Ogni tubo è sigillato alle due estremità con una paratia. Se il tubo è per un tunnel automobilistico, come nel caso del Ted Williams Tunnel a Boston, i tubi includono sezioni stradali prefabbricate.
Passaggio 3. Rivestire il tubo con un riempimento sufficiente per resistere alla pressione dell'acqua al di sopra di esso
Per il Ted Williams Tunnel, si trattava di uno strato di roccia di 1,5 metri di spessore.
Passaggio 4. Collegare i tubi rimuovendo le paratie intermedie
Anche qualsiasi tratto stradale o ferroviario integrato nei tubi sarebbe collegato in questo momento.
Parte 4 di 4: utilizzo di una perforatrice per tunnel
Passaggio 1. Scegli la macchina per tunneling giusta per il lavoro
Le perforatrici per gallerie, chiamate TBM per brevi o "talpe", sono dotate di piastre circolari sulla parte anteriore chiamate scudi. Frese a forma di disco sullo scudo strappano roccia e sporcizia, che passano attraverso le aperture nello scudo su un nastro trasportatore all'interno della TBM che lo depositano dietro la macchina.
- I tipi di scudi TBM variano a seconda che la talpa debba scavare in terreno soffice, umido o roccia dura. I diametri dello scudo vanno dallo scudo di Aker Wirth da 26,3 piedi (8,03 m) sulla sua TBM utilizzata per le centrali elettriche svizzere di Linth-Limmern al "Big Bertha" di Hitachi Zosen, con il suo diametro di 57,5 piedi (17,5 m).
- Le talpe progettate per scavare tunnel sotto la falda freatica dispongono anche di camere nella parte anteriore per pressurizzare il terreno da scavare.
- Per lavori di grandi dimensioni possono essere necessarie più TBM. Il tunnel sotto la Manica ne richiedeva 11.
Passaggio 2. Portare la macchina in posizione
Per un tunnel a livello di superficie, questo non è un problema. Se il tunnel deve essere scavato in profondità nel sottosuolo, viene perforato un pozzo di accesso, generalmente circolare, e rivestito di calcestruzzo. La TBM viene calata al suo interno e da quel punto viene scavato il tunnel.
- Per i tunnel lunghi, vengono perforati più pozzi di accesso.
- Al termine della galleria, i pozzi di accesso possono diventare pozzi di ventilazione e/o uscite di emergenza. Se non sono così impiegati, vengono lasciati sul posto per tutta la vita del tunnel.
Passaggio 3. Erigere i supporti del tunnel mentre la macchina perfora
I segmenti di calcestruzzo prefabbricato vengono eretti dietro la TBM per formare un anello a intervalli predeterminati.
Passaggio 4. Spruzzare il calcestruzzo sulle pareti scavate tra gli anelli di supporto
Il calcestruzzo proiettato, o calcestruzzo proiettato, riveste e stabilizza le pareti del tunnel. Il calcestruzzo proiettato può includere fibre di acciaio o polipropilene per rafforzarlo, in modo molto simile al modo in cui viene utilizzato il tondo per cemento armato in acciaio per rafforzare il calcestruzzo gettato. Il calcestruzzo proiettato contiene anche un accelerante che lo aiuta ad aderire alle pareti del tunnel e ad asciugare rapidamente.
Suggerimenti
- I primi tunnel venivano scavati nella roccia praticando fori e usando esplosivi: prima polvere nera e poi dinamite. Verrebbero eretti supporti temporanei di telai in legno, sostituiti da mattoni e muratura. Le gallerie successive utilizzavano anelli di ghisa segmentati, imbullonati insieme, al posto del legno e della muratura.
- I tunnel possono anche essere perforati attraverso terra soffice utilizzando martinetti per spingere tubi/tubi o escavatori a forma di scatola ribaltati con teste di taglio. I tunnel con tubo jack tendono ad essere stretti, non più di 10,5 piedi (3,2 m) di diametro, mentre i tunnel con martinetto a scatola possono essere larghi fino a 65,6 piedi (20 m).
