В начале 1-го века н.э. римлянами был построен тоннель длиной 900 м и шириной 8 м на дороге Неаполь — Понцуоли. Тоннель проложен под холмом Посилипо, сложенным из вулканического туфа. Высота тоннеля у входного и выходного портала составляет 25 м, а к середине она постепенно уменьшается. Предполагается, что вертикальные раструбы предназначались для улучшения освещения дневным светом.
Около 300 года н.э. на территории современной Турции был построен тоннель, выполнявший одновременно функции водопровода и подземного судоходного канала.
При императоре Адриане римлянами был сооружен тоннель для водоснабжения Афин. В период турецкого владычества численность населения города резко упала, тоннель был заброшен и вновь запущен в эксплуатацию спустя столетия — в 1840 году. В 1925 году афинский водопровод был расширен и реконструирован, вследствие чего старый римский тоннель продолжает эксплуатироваться до сих пор.
Древние славяне в середине и второй половине 1-го тысячелетия н.э. в качестве основного вида жилища использовали полуподземные сооружения — землянки (рис. 1.2).
К VIII—IX векам относятся катакомбные погребения в Хазарин. Основу этого погребального сооружения составляли ката-
комбы, вырытые в твердом грунте на склонах холмов. Каждая катакомба состояла из двух частей — коридорного входа и погребальной камеры.
В Грузии на скалистом обрыве высотой 105 м на левом берегу р. Куры в XII—XIII вв. был высечен подземный комплекс Вард-зиа. Комплекс представляет собой 8 этажей пещер, пройденных в вулканических туфах на участке шириной около 500 м (рис. 1.3). В центре пещерного комплекса находится церковь Успения Богоматери, относящаяся, по росписи стен, к 1184—1186 годам. К западу от церкви расположена колокольня. Между ними, а также западнее и восточнее, находятся сотни общественных, культовых и жилых помещений, связанных коридорами, площадками и лестницами. Для водоснабжения комплекса его строителями был пробит тоннель протяжённостью 3,5 км, по дну которого пролегали два гончарных трубопровода. Вода по ним шла самотёком. Пропускная способность этого водопровода составляла более 160 ООО л/сут*.
В соответствии со статистическими данными [Москва в цифрах, 1997], в 1900 году водопотребление в Москве на одного человека составляло 40 л/сут. Таким образом, в пещерном городе Вардзия могло проживать не менее 4000—5000 человек.
Между 400-ми и 1400-ми годами историками отмечается почти тысячелетний застой в европейском тоннелестроении. Здесь необходимо отметить, что данный временной перерыв относится, в первую очередь, к строительству объектов общественного (промышленного и гражданского) назначения. Строительство подземных сооружений оборонного и специального назначения не прерывалось практически никогда. Более подробно это вопрос будет рассмотрен в следующих разделах на примере освоения подземного пространства России, стран СНГ и Москвы.
Начиная с XIII в. на юго-востоке Нидерландов широкое распространение получила подземная добыча известняка для строительства. Всего зарегистрировано около 250 каменоломен, в основном, частного характера, площадью от нескольких десятков метров до 100 га [Бреулс, 1998]. Большинство этих выработок, расположенных на глубине 20—25 м, сосредоточено в долина Зихен и Зассен в 10 км от Маастриха. Добывая камень, рабочие прокладывали глубокие шахты к пласту известняка. При достижении пласта прорезали отдельный ход со ступенями, идущий к кухне, сараю или хозяйственной постройке на дневной поверхно-
сти. По окончании строительства выработки использовались как хранилища, колодцы (при повышении уровня грунтовых вод), убежища на время многочисленных войн. На стенах шахт находят рисунки всадников и солдат, изображённых в униформе армий практически всех стран мира, проходивших за истекшие 7 веков через территорию Нидерландов.
В 1450 году было начато строительство тоннеля на дороге между Ниццей и Генуей. Вскоре работы были приостановлены и возобновлены лишь через 300 лет. Однако в 1794 году строительство было полностью прекращено и над незаконченным тоннелем устроена дорога.
В конце XV в. на территории Московского Кремля было проложено несколько водопроводных тоннелей с обделкой из каменной кладки. В XVI в., в период правления Ивана Грозного, в Москве велось активное подземное строительство. В частности, в 1657 году В. Азначеевым была предпринята попытка строительства подводного тоннеля под р. Москвой. В XVII в. в Пскове и Великом Новгороде было проложено несколько подземных ходов протяжённостью до 200 м с деревянным и каменным креплением свода и стен.
В XVII—XIX вв. во Франции было пройдено несколько судоходных тоннелей:
в 1679—1681 годах на участке Лангедокского канала, соединявшего р. Гаронна со Средиземным морем, тоннель длиной 164 м, высотой 8,2 м и шириной 6,7 м, пересекающий возвышенность Мальпас к северу от Пиренеев (Мальпасский тоннель, впервые в истории тоннельного дела, был пройден с применением пороха);
в 1784—1838 годах в разделительном бьефе канала Нивернэ между реками Сана и Луара были построены три судоходных тоннеля общей протяжённостью около 1500 ми шириной 7 м;
в 1787—1789 годах на Центральном канале между реками Луара и Сена был сооружён тоннель Торси длиной 1276 м, шириной 2,6 м и высотой 2,9 м;
в 1802—1809 годах на Сен-Кантенском канале между реками Уаза и Шельда были пройдены два тоннеля: Рикеваль, длиной 5670 м, и Тронкуа, длиной 1098 м. Ширина этих тоннелей — 8 м.
В общей сложности, к началу XIX в. во Франции были построены около 40 судоходных тоннелей.
Не отставала от Франции и её историческая соперница — Англия: в период с 1766 по 1769 годы на канале, соединяющем каменноугольные копи с Манчестером, были пройдены 5 судоходных тоннелей, самый протяжённый из которых — Хар-кэстль, — имел длину 2632 м, ширину 2,7 м и высоту 3,7 м. В 1825—1827 годах параллельно ему был пройден ещё один тоннель длиной 2675 м, шириной 4,3 м и высотой 4,9 м. Всего за тот же период времени, что и во Франции, в Англии были построены около 60 судоходных тоннелей.
В США первый судоходный тоннель длиной 137 м, шириной 6,1 м и высотой 5,5 м был построен в 1818—1821 годах на Шюй-кильском канале. В 1828 году в Пенсильвании был сооружён судоходный тоннель Лебанон длиной 223 м, шириной 5,5 м и высотой 4,6 м.
Вторую четверть XIX в. можно считать началом эпохи промышленного тоннелестроения. Наряду с судоходными, активно возводились железнодорожные тоннели. Первый из них был проложен в 1826—1830 годах в Англии на линии Ливерпуль-Манчестер, длина его составляет 1190 м. В тоже время во Франции был построен железнодорожный тоннель на линии Роанн— Андрезье. В США первый железнодорожный тоннель был сооружён в 1831—1833 годах на линии Аллегэни—Портэдж в Пенсильвании. Длина тоннеля составила 270 м, высота 5,8 м, ширина 6,1 м.
«Отцом тоннелестроения» М. Брюннелем в 1825 году был предложен метод щитовой проходки, с помощью которого в мягких породах под р. Темзой был пройден тоннель протяженностью 450 м (рис. 1 .4). Строительство было завершено в 1832 году. Инженерами Барлоу и Трейтхедом в 1869 году был сооружён второй подводный тоннель под Темзой длиной 450 м и внутренним диаметром 2 м. Для его проходки был использован щит кругового сечения с обделкой из чугунных сегментов. Этот щит является прообразом современных тоннелепроходческих щитов.
Важным этапом становления эпохи промышленного тоннелестроения является сооружение Лондонского метрополитена, открытого для движения в 1862 году. Первый участок имел протяжённость всего 3,6 км, однако уже в 1863 году парламентская комиссия одобрила сооружение 30-ти километровой подземной ок-
ружной железной дороги. Она была введена в эксплуатацию в 1884 году и на одном из ответвлений включила в себя тоннель Брюннеля, оказавшийся самым старым участком Лондонского метро. В 1890 году на подземной части Южно-Лондонской линии была введена электрическая тяга поездов. До этого поезда ходили на паровой тяге и тоннели были заполнены паровозным дымом и копотью.
Первые методы механизации проходческих работ были разработаны в середине XIX в. во время строительства протяжённых альпийских тоннелей. Первым из них стал двухпутный Мон-Се-нисский тоннель между Францией и Италией протяжённостью 12 850 м. Работы были начаты в 1857 году, но продвигались крайне медленно. Для увеличения скорости проходки были сконструированы бурильные машины, работающие от сжатого воздуха, а в январе 1861 года здесь впервые было применено механическое
бурение. Движение в тоннеле было открыто 17 сентября 1871 года.
Второй альпийский тоннель — Сен-Готард, — начали строить в сентябре 1871 года (рис. 1.5). Двухпутный тоннель длиной около 16 300 м проходит в сильно нарушенных гранитах, гнейсах, сланцах и др. породах. При его сооружении порох впервые был заменён динамитом, применены гидравлические бурильные машины и механическая откатка породы. Строительство было завершено в 1882 году.
Дальнейшее совершенствование методов проходки позволило пройти двухпутный Альбергский железнодорожный тоннель длиной 10 270 м между долинами рек Инн и Рейн за четыре года: с 1880 по 1884 годы.
Значительно более грандиозный Симплонский тоннель между Италией и Швейцарией, протяжённостью 19 780 м, был построен в период с 1898 по 1906 годы. Значительная длина сооружения заставила его проектировщиков отказаться от принятой для всех остальных альпийских тоннелей двухпутной схемы движения и заменить её двумя параллельными однопутными тоннелями, расположенными на расстоянии 17 м один от другого.
В этот же период времени были сооружены ещё около 10 альпийских тоннелей протяженностью от 6 100м до 14 600 м. Наибольшую трудность вызвало строительство тоннеля Лечберг. Строительство было начато в 1906 году и до июля 1908 года проходило нормально. 24 июля 1908 года произошёл внезапный прорыв воды в тоннель и участок протяжённостью 150 м был заполнен жидкой массой песка, ила и щебня. При проведении обследования было выявлено, что тоннель пересёк тектонический разлом, заполненный аллювиальными отложениями. Через этот разлом прошла вода из р. Кордер, расположенной на высоте 180 м над трассой тоннеля. Строителями было принято решение обойти место прорыва, что увеличило общую длину сооружения на 870 м.
Немного раньше тоннеля Лечберг на севере Италии был пройден однопутный тоннель Гатико протяжённостью 3 310 м. При его строительстве впервые были применены вертикальные кессоны для проходки участка длиной 344 м в слабых водоносных грунтах.
Рис. 1 .5. Схема расположения железнодорожных тоннелей в Швейцарских Альпах
Первые железнодорожные тоннели в России были сооружены в 1859 — 1862 годах на железной дороге «Санкт-Петербург-Варшава».
В 1892 году в Грузии было завершено строительство четырёхкилометрового тоннеля через Сурамский перевал. Строительство в трещиноватых породах с большим горным давлением, в основном, велось способом опёртого свода. В этом тоннеле, впервые в России, была применена гидравлическая машина для бурения шпуров. Расчёт свода, как «упругой арки», был выполнен по предложению проф. Л. Ф. Николаи.
По окончании Первой мировой войны в Италии на линии Флоренция—Болонья был выстроен железнодорожный тоннель протяжённостью 18 510 м.
В 1923—1927 годах в штате Колорадо (США) был сооружён однопутный Моффатский тоннель сечением 4,8×7,2 м и длиной 9 800 м. Начатый в 1922 году, почти одновременно с ним, тоннель Шилизу в Японии, протяжённостью 9 700 м, был завершён лишь в 1931 году.
1.1. Краткий исторический обзор подземного строительства в мире
Подземелье, подземная пустота, простор, природный или копанный; вертеп, пещера, землянка, подкоп. Подземельный, почти тоже, но больше о деле рук человека, а не природы. Подземный, всё, что под корою, под верхом земли, в недрах, под верхними пластами ея. Подземное царство бога тьмы, кромешная тьма, ад. Подземный ход, вырытый.
В. И. Даль. Толковый словарь живого великорусского языка
Подземный — находящийся или производимый под поверхностью земли. Тоннель — подземное сооружение в виде коридора, по которому проложены пути.
СИ. Ожегов. Словарь русского языка
Освоение человеком подземного пространства началось в глубокой древности. Прототипом подземных сооружений можно считать естественные пещеры и пустоты в скальных породах, используемые нашими предками. Пещера стала первым жилищем человека, защищавшим его от непогоды и хищников. Примерно в то же время человек начал подземным способом разрабатывать горные породы для получения различных полезных ископаемых.
В.М. Слукиным [Слукин, 1991] предлагается периодизация подземных сооружения по эпохам:
1) поздний палеолит и неолит (до 4 тысячелетия до н.э.);
2) древний мир (4 тысячелетие до н.э. — IV вв. н.э.);
3) средневековье (V—XI вв.);
4) новое время (после XII вв.).
Российским обществом спелеостологических исследований разработан «Кадастр искусственных пещер и подземных архитектурных сооружений на территории Евразийского и Африканского континентов»*. В зависимости от культурно-цивилизаци-онных факторов, исторических предпосылок, основного рода занятий населения и проч. в «Кадастре» выделяются восемь спелеостологических стран Старого Света.
1. Восточнославянская. Целиком располагается на территории СНГ и занимает достаточно однородную, с точки зрения культуры освоения подземного пространства, территорию: большую часть России, Белоруссии, Украины, север Казахстана. На этой территории с древности сооружались подземные объекты культурного и бытового назначения, культовые сооружения, убежища, фортификационные подземные ходы, рудники и каменоломни.
2. Западноевропейская. Занимает территорию Европы, стран Балтии, Северо-Западной Белоруссии, Закарпатья. Эта территория характеризуется широким и прагматичным использованием подземного пространства: уже многие тысячелетия здесь применяются подземные выработки, оборонительные сооружения, убежища, хозяйственные сооружения, некрополи.
3. Переднеазиатская. Включает Бессарабию, Горный Крым и Кавказ. Для этой территории с глубокой древности характерно комплексное использование больших групп подземных объектов различного назначения: жилых, хозяйственных, оборонительных, транспортных, культовых — входящих в пещерные города и подземные монастыри. На этой территории находятся широко известные в мире подземные города-монастыри (Каппадокия, Турция); большие подземные комплексы оборонительного и хозяйственного назначения.
4. Среднеазиатская. Располагается на территории среднеазиатских государств СНГ, восточного Азербайджана, Ирана и Северного Афганистана. Освоение подземного пространства здесь
началось со строительства в предгорьях водоподводящих систем — кяриязов, суммарной протяженностью в десятки тысяч километров. В горных районах с 15 тысячелетия до н.э. развивалось горнорудное дело. Кроме этого в этом районе находят подземные ходы оборонительного назначения, а также мусульманские и буддийские культовые пещеры.
5. Южноазиатская. Занимает полуостров Индостан и прилегающие районы. Характеризуется развитием горного дела, наличием подземных цистерн, группами крупных подземных храмов с высеченными в скале архитектурными элементами — колоннами, скульптурами и проч.
6. Восточноазиатская. В основном, находится на территории Китая. Уникальные достижения древней и средневековой науки Китая способствовали созданию оригинальных и разнообразных подземных сооружений: пещерных храмов, некрополей, водоводов, транспортных коммуникаций. Особенно интенсивным развитием характеризовалось жилищное строительство — и в наше время в пещерных поселениях Китая проживают десятки миллионов человек
7. Североафриканская. Находится на территории Древнего Египта и стран Северной Африки. В основном характеризуется подземными сооружениями культового назначения: гробницами и храмами, а также подземной добычей полезных ископаемых. В Ливии и Алжире сохранились сетчатые водособирающие подземные системы, напоминающие кяриязы; в Эфиопии — оригинальные подземные храмы. В странах Северной Африки для защиты от жары жители периодически сооружали подземные жилища.
8. Экваториальноафриканская. На территории Чёрной Африки к югу от Сахары к настоящему времени не обнаружено никаких признаков подземного строительства. В Восточной Африке, видимо, вследствие культурного взаимообмена с Индией, Египтом и арабскими странами, подземным способом разрабатывались полезные ископаемые.
Первое свидетельство постройки тоннеля, зафиксированное в исторических документах, относится к 2 150 году до нашей эры. Это был подводный пешеходный тоннель протяжённостью 900 м и размерами в свету 4 х 3,6 м под рекой Евфрат в Вавилоне, соединявший царский дворец с храмом Юпитера. На время строи-
тельства русло реки шириной 180 м было отведено в сторону и все работы произведены насухо в открытом котловане. Стены и свод тоннеля состояли из кирпичной кладки на битумном вяжущем.
Подземные сооружения многократно упоминаются историком Геродотом. В частности, им описываются подземные фрагменты египетских пирамид (около 2500 года до н.э.), подземные покои египетской царицы Нитокрис (около 700 года до н.э.), тоннель длиной около 1600 м на острове Самос в Эгейском море, пройденный в известняке с помощью молотков и зубил. Вот что пишет сам Геродот об этом сооружении: «Сквозной тоннель в горе высотой в 150 оргий*, начинающийся у её подошвы с выходами по обеим сторонам. Длина тоннеля 7 стадий, а высота и ширина по 8 футов. Под этим тоннелем по всей его длине они прокопали канал глубиной в 20 локтей и 3 фута ширины, через который в город по трубам проведена вода… Строителем этого водопроводного сооружения был Евпалий, сын Навстрофа»**. В течение многих веков этот тоннель считался неизвестным и вновь был открыт лишь в 1882 году. При его обследовании было выяснено, что трасса тоннеля состоит из двух прямых, соединённых обратными кривыми.
К первому тысячелетию до н.э. историки относят подземные города на территории современных Грузии и Армении. В Грузии, недалеко от города Гори, сохранился древний подземный город Уплисцихе (рис. 1.1), сообщавшийся с р. Курой с помощью тоннеля. Для сбора грунтовых и атмосферных вод использовалась система шахт, соединявшихся между собой подземными ходами, проложенными на глубине около 50 м от поверхности земли. Подземные выработки возводились без обделки и лишь в отдельных случаях закреплялись каменной кладкой.
Около 50 года до н.э. римлянами был пробит тоннель длиной около 5 км для отвода воды из озера Фучино. Согласно историку Плинию, тоннель строился в течение 11 лет, работы велись встречными забоями примерно из 40 шахт.