Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Швейцарец Роберт Мэлларт (1872–1940) первым использовал железобетонные плиты как активные несущие конструкционные элементы. Мэлларт отказался от поддерживающих балок и в 1900 году развил новый строительный принцип. Активные несущие полы из бетонных плит – хорошее решение для зданий с ненесущими стенами. Плиты могут выноситься, как консоли, чтобы поддерживать ненесущие стены – один этаж за другим. Хотя Клод Аллен Портер Тернер использовал подобную конструкцию в 1906 году в Миннеаполисе и есть много примеров ее использования в строительстве крыш, американские инженеры не спешили использовать новый принцип в мостостроении в основном потому, что в Соединенных Штатах стоимость труда выше, а материалов – больше, чем в Европе.

Современные тоннели можно подразделить на группы по цели, которой они служат, и по методам прокладки. В этом разделе будут подробно описаны только две группы: тоннели через твердый скальный массив и тоннели через давящие субаквальные породы. В XVII веке Франция завладела инициативой в прокладке каналов и тоннелей, пробурив 500-футовый тоннель сквозь твердый скальный массив на линии Лангедокского канала. Однако большинство тоннелей, проложенных для каналов, датируются второй половиной XVIII века и началом века XIX. Много тоннелей было построено в это время в Англии, где общая длина 45 тоннелей превышает 40 миль. Использование ручных буров и взрывчатых веществ, а также совершенствование инструментов и методов топографической съемки дали строителям этого периода бесспорное преимущество перед древними римлянами, также имевшими немалый опыт строительства тоннелей для воды. Для французского тоннеля, построенного около 1800 года, впервые была разработана систематическая схема поддержки лесами осыпающихся камней и земли для тоннелей шириной более нескольких футов. Один из двух американских канальных тоннелей, построенных в 1828 году по линии Юнион-канала возле Ливана в Пенсильвании, сохраняется как памятник местного значения.

Первый железнодорожный тоннель в США, как и Ливанский канальный тоннель, тоже был построен в Пенсильвании, в 4 милях от Джонстауна. Он был проложен в 1831–1833 годах и заброшен после 1857 года, когда Пенсильванская железнодорожная компания приобрела линию и спрямила ее, сделав тоннель ненужным. Два ранних эпохальных тоннеля – это тоннель Хусак на железной дороге Бостон – Мэн на северо-западе Массачусетса и тоннель через Альпы Мон-Сени между Францией и Италией. Строительство тоннеля Хусак было предложено в 1825 году для канала, чтобы соединить Бостон и долину Гудзона. Оно было начато в 1854 году и продолжалось 22 года (до 1876 года). Тоннель Мон-Сени, вдвое длиннее, был начат тремя годами позже, в 1857 году, а завершен пятью годами ранее, в 1871 году. Оба тоннеля стали своеобразными лабораториями, в которых опробовали различные методы земляных работ. Прокладка тоннеля Хусак началась с использованием ручных буров (рис. 14.7), но их вскоре сменили паровые буры, а еще несколькими годами позже буры, приводимые в действие сжатым воздухом. Вначале для взрывных работ использовался черный порох, позже – нитроглицерин. При прокладке тоннеля Хусак, по-видимому, впервые заряды подрывались электричеством.

Рис. 14.7. Строительство тоннеля Хусак

Шестнадцать – или около того – перевалов и проходов через Альпы, такие как Бреннер, могли использоваться транспортными средствами с прочными колесами еще со времен римлян. Инженеры Августа Цезаря, возможно, построили недолговечную дорогу через перевал Малый СенБернар. Наполеоновские инженеры построили несколько трансальпийских дорог, из которых самой известной является Симплонская. Дорога через Мон-Сени, в 40 милях к востоку от Гренобля и на таком же расстоянии к югу от Монблана, была завершена в 1810 году. Перевал расположен на высоте 6772 фута над уровнем моря на прямой линии, соединяющей Лион и Турин. Таким образом, дорога через Мон-Сени соединила Савойю во Франции и Пьемонт в Италии, которые веком раньше являлись частями королевства Сардиния. Железные дороги через Альпы обязаны своим развитием Бенджамину Генри Латробу, который в 1842–1853 годах проложил железную дорогу Балтимор – Огайо через Аллегейни, из Кумберленда, Мериленд, в Уилинг, Вирджиния. Карл фон Гега (1802–1860), изучивший и описавший железную дорогу Балтимор – Огайо, создал проект первой трансальпийской железной дороги – Земмерингской дороги, прошедшей через живописные Штирийские Альпы и ставшей важным звеном цепи, соединившей Вену и Триест. Тоннель был построен в 1848–1864 годах. На Земмерингском перевале эта 34-мильная дорога проходит на высоте 2892 фута над уровнем моря. Тоннель на вершине имеет длину меньше мили. Есть еще много коротких тоннелей и виадуков. Максимальный уклон – 2½ процента, самый крутой поворот – радиусом 600 футов. Вторая железная дорога через Альпы прошла через Бреннер (4497 футов), обеспечив связь Инсбрука в австрийском Тироле и Вероны и Венеции в Италии. Ее построил Карл фон Эцель (1812–1863). Строительство было завершено в 1867 году. Там нет горных тоннелей, максимальные уклоны такие же, как на Земмерингской дороге, но повороты не столь крутые.

Третья трансальпийская железная дорога называлась Мон-Сени, поскольку она по большей части шла вдоль линии наполеоновской дороги по перевалу Мон-Сени. К 1840 году уже люди понимали, что должна существовать связь между железнодорожными системами Савойи и Пьемонта, чтобы ускорить путешествие из Парижа, Лиона и Лондона на юг через Центральную Италию. К 1863 году итальянцы уступили Савойю французам, и железнодорожная система на французской стороне достигла Сен-Мишеля в долине реки Арк. На итальянской стороне железная дорога дошла до города Суза в долине реки Дора. Между двумя конечными пунктами железных дорог был разрыв длиной 48 миль вдоль старой дороги Мон-Сени. Кроме того, с некоторого времени отмечалось, что река Арк в районе Модана, Савойя, находится всего в 8 милях по прямой через горы от Бардонеккьи, что в долине реки Дора, Пьемонт. Тоннель, проложенный через гору в 14–15 милях к западу от Мон-Сени, ниже Коль-дю-Фрежюс, стал бы идеальной связью между двумя железнодорожными системами.

Смелая, можно сказать, революционная идея прокладки 8-мильного тоннеля без промежуточных шахт через Альпийские горы в 1850-х годах казалась глупой и пугающей для многих разумных людей. Горный тоннель Земмерингской железной дороги в Австрии длиной всего 7/ 8мили был построен несколькими годами ранее. При его строительстве было пробурено девять шахт, пять из которых остались открытыми для вентиляции. Никто не знал, достаточно ли воздуха попадет в тоннель Мон-Сени горизонтально, чтобы рабочие не погибли от удушья. Что станет с тоннелем, когда по нему пройдет паровоз, – другой вопрос. Также никто не знал, какова будет температура камня в миле от поверхности. Геологи лишь предполагали, что она будет выше, чем на земле. Они даже не могли гарантировать, что после месяцев взрывных работ залегающий сверху пласт не ослабнет в отдельных местах, в результате чего может произойти обрушение тоннеля, которое повлечет за собой гибель рабочих. Кроме того, существовало опасение, что маленькое озеро на перевале Мон-Сени, имевшее репутацию бездонного, хлынет в тоннель, затопив его вместе с рабочими.