Hvordan bygger man en undersøisk tunnel?

I modsætning til hvad super skurke eller muldvarpe mænd ville have dig til at tro, det kræver mere end en kæmpemaskine at tunnelere gennem millioner af tons snavs og vand - men at have en gør ikke ondt.

Stadig, i det meste af vores tunnelgravningshistorie, det er lykkedes os at klare os på opfindsomhed. Mennesker har tunnelleret siden de første huleboere besluttede at udgrave et ekstra soveværelse, og det væsentlige ved at grave, støtte og forskud blev godt forfinet, da de gamle grækere brugte tunneler til at vande og dræne deres landbrugsjord [kilder:Lane; Browne].

Undersøiske tunneler, også, er overraskende gamle. Engang mellem 2180 og 2160 fvt. babylonierne byggede et af de første kendte eksempler ved at aflede Eufrat -floden. De 3, 900 meter (900 meter) muret foret og bueunderstøttet tunnel, som målte 12 fod høj med 15 fod bred (4 meter ved 5 meter), gav en fodgænger- og vognpassage mellem det kongelige palads og templet [kilder:Lane; Browne].

I århundreder, tunneler blev hovedsageligt ansat af minearbejdere og middelalderlige sappere, der gravede under slotsmure for at kollapse dem (derfor udtrykket "undergrave"), men fremkomsten af ​​kanaltransport - og, senere, jernbaner - gav arbejderne noget nyt at synke deres skovle i. Den 18., Det 19. og 20. århundrede oplevede en række stadigt mere udfordrende tunnelprojekter, muliggjort af store forbedringer inden for opmåling og ventilationsteknikker. Ikke desto mindre, fare og omkostninger forsinkede forsøg på undervands tunneling indtil midten af ​​1800-tallet [kilde:Lane].

Hvilket rejser spørgsmålet:Hvis undervandstunnel risikerer at grave din egen grav, bogstaveligt eller økonomisk, hvorfor bekymre sig? Mange byplanlæggere er enige om, drejer kun til tunneler, når overbelastede broer når kvælningskapacitet. Endnu, broer er problematiske, også. De forstyrrer skibstrafikken, optage værdifuld ejendom ved floden og blokere naturskøn udsigt. Set fra et forsvarssynspunkt, broer gør lette luftangrebsmål og kan udgøre farer, hvis de falder sammen [kilde:Hewett].

Tunneler, omvendt, modstå tidevand, strømme og storme bedre end broer, kan nå længere afstande, og har praktisk talt ubegrænset vægtbærende kapacitet. Ud over, en tunnels omkostninger pr. længde falder, når den bliver længere, hvorimod for broer det modsatte er sandt. Selvom tunneler kræver en større indledende investering, broer udgør forskellen i vedligeholdelsesomkostninger [kilder:Everglades Economics; Hewett].

Men lad os ikke få tunnelsyn. Der er ingen tvivl om, at passager under land og hav står over for særlige sikkerhedsrisici og sikkerhedsproblemer. Brande og ulykker udgør alvorlige trusler i tunneler, derfor inkluderer jernbanetunneler crossover -passager, hvor tog kan skifte spor, sammen med servicetunneler, der kan tjene som nødflugtveje [kilder:Chan; JR-Hokkaido; WGBH].

De lyder skræmmende, men undervands tunneler er så almindelige, at vi sjældent tænker på de store farer - og ekstreme konstruktionsteknikker - disse moderne vidundere kræver.

1. Bro (under) problemfyldte farvande
2. Skibsorme af usædvanlig størrelse
3. Lad det synke ind

Bro (under) problemfyldte farvande

Når man graver sig ind i ethvert ekstraordinært byggeprojekt, et par spørgsmål stikker straks hovedet ud af sandet:Hvilket forslag er det største, den dybeste eller mest farlige at bygge? Med undervands tunneler, disse spørgsmål trodser simple svar. Byer og lande bestiller konstant nye projekter. Hvad angår vital statistik, djævelen er mellem detaljerne og det dybe, blå hav.

For eksempel, Seikan -tunnelen, der forbinder de japanske øer Honshu og Hokkaido, har i øjeblikket rekorden for den længste og dybeste undervandsbanetunnel. Japan begyndte at planlægge det, efter at en tyfon fra 1954 sank fem færger i det farlige Tsugaru -stræde, dræber 1, 430 mennesker [kilder:WGBH].

Færdig i 1988, Seikan Tunnel strækker sig 54,5 kilometer og når en dybde på 787 fod (240 meter), men dens 23,5 kilometer lange undersøiske del dværges af Kanaltunnelens, eller Chunnel, mellem Det Forenede Kongerige og Frankrig. Færdig i 1994, Kanalens undersøiske del tegner sig for 24 af sine 31 miles i alt (38,6 på 50 kilometer), men styrter kun 75 meter dybt [kilder:ASCE; Chan; Klog].

Hvad tyrkerne angår, begge tunneler er alle våde i forhold til deres Marmaray-tunnel på 3,3 milliarder dollar, der endelig blev åbnet for offentligheden i 2013. Dens 13,2 kilometer jernbanepassage-herunder en 4, 600 fod (1, 400 meter) strækker sig over Bosporus havbunden-forbinder Istanbuls asiatiske og europæiske halvdele, gør det til den første jernbanetunnel, der forbinder to kontinenter [kilder:Sweeney; Klog].

Hvad er så godt ved en undervandstunnel på under kilometer i forhold til Seikan- og Kanaltunnelene på flere kilometer? Det er en forskel i tilgang:Mens dens forgængere henholdsvis sprængte og kedede passager gennem fast sten, Marmaray -tunnelen blev samlet, stykke for stykke, i en skyttegrav langs Bosporus 'bund, hvilket gør den længst og dybeste nedsænkningstunnel nogensinde bygget. Ingeniører valgte denne løsning, som beskæftiger forudmonterede sektioner forbundet med tykke, fleksibel, gummiforstærkede stålplader, bedre at kæmpe med regional seismisk aktivitet [kilder:JR-Hokkaido; Sweeney; Klog].

For en tid, kulturelle og historiske artefakter fundet i hele Istanbuls gamle by bremsede fremskridtene ved udgravningen af ​​Marmaray -tunnelen, så den 3,6 kilometer lange Øresundstunnel, der forbinder Sverige og Danmark, forblev den største nedsænkede rørtunnel, der nogensinde er bygget. Entreprenører konstruerede det af 20 elementer, der målte 177 meter (177 meter) stykket, hver samlet fra otte mindre, 22 meter lange sektioner [kilder:Landler; Marmaray -projekt; PERI GmbH; Sweeney].

Mellem nedsænkede tunneler som Marmaray og Øresund, og kede tunneler som Chunnel, vi har næsten dækket havnefronten. Men lad os dykke lidt dybere ned i hver enkelt og undersøge en anden tunnelmetode, der blev brugt siden begyndelsen af ​​det 19. århundrede.

En tunnel er teknisk set en passage gravet helt under jorden. Mange af de underjordiske rør, som vi betragter som tunneler - undergrundsbaner, spildevand og vandledninger - er teknisk set ledninger fordi de indebærer midlertidig fjernelse af overliggende materialer. Tunneler er farlige, kedeligt og dyrt at bygge, så når man beskæftiger sig med løst snavs og relativt lavvandede projekter, ingeniører vælger ofte dette billigere og mere effektivt klippe og dække tilgang [kilder:Lane; Hewitt].

Skibsorme af usædvanlig størrelse

Den ældste tilgang til tunneling under vandet uden at aflede vandene ovenfor er kendt som en tunnelingskjold , og ingeniører bruger det stadig i dag.

Skjolde løser et almindeligt, men irriterende problem, nemlig, hvordan man graver en lang tunnel gennem blød jord, især under vandet, uden at dens forkant kollapser [kilder:Assignment Discovery; Encyclopaedia Britannica; Browne; Hewitt].

For at få en fornemmelse af, hvordan et skjold fungerer, forestil dig en lågfri kaffeform med en skærpet bund, der har flere store huller. Nu, griber den åbne ende, skubbe dåsen, nederst først, ind i en blød jord og se hvordan snavs presser sig gennem åbningerne. På skalaen af ​​et ægte skjold, flere mennesker (kaldet "muckers" og "sandhogs") ville stå inde i rum i "dåsen" og fjerne leret eller sandet, når skjoldet avancerede. Hydrauliske stik ville gradvist flytte skjoldet fremad, mens besætninger bagved installerede metalstøtteringe, derefter beklædt dem med beton eller murværk [kilder:Assignment Discovery]; Encyclopaedia Britannica; Browne].

For at forhindre nedsivning af vand fra tunnelvægge, forsiden af ​​tunnelen eller skjoldet er undertiden under tryk med trykluft. Arbejdere, som kun kan modstå korte perioder under sådanne forhold, skal passere gennem en eller flere luftlåse og tage forholdsregler mod trykrelaterede sygdomme [kilder:Hewitt; Havnemyndighed].

Der bruges stadig skjolde, især ved installation af forsyningsledninger eller vand- og spildevandsledninger. Selvom arbejdskrævende, de koster kun en brøkdel så meget som deres mammut fætre, det tunnelboremaskiner (TBM'er) [kilder:Opgaveopdagelse; Encyclopaedia Britannica; WGBH].

En TBM er en ødelæggelsesmotor med mange etager, der er i stand til at tygge gennem fast sten. Ved dens forreste spins a skærehoved , et kæmpe hjul, der børster med stenbrudende diske og inkorporerer et system med kugler til at løfte pummeled sten og tabe den på et udgående transportbånd. Bag skærehovedet svinger en erektor , en roterende samling, der bygger tunnelforingen i TBM's kølvandet. I nogle store projekter, som Kanalen, separate TBM'er begynder i modsatte ender og borer mod et centralt punkt, ved hjælp af sofistikerede undersøgelsesmetoder for at holde dem på kurs [kilder:Assignment Discovery; Coleman et al .; WGBH].

Boring gennem massiv sten skaber en stort set selvbærende tunnel, og TBM'er kører hurtigt og ubarmhjertigt fremad (nogle Chunnel -maskiner kunne bore 250 fod, eller 76 meter, Per dag). På den nedre side, TBM'er nedbrydes oftere end en brugt Jaguar og håndterer dårligt slidte, klippet eller stærkt sammenføjet sten - så de er ikke så hurtige, som de er revnet op for at være [kilder:WGBH; WGBH].

Heldigvis TBM'er og skjolde er ikke det eneste spil i byen.

Tunnelskjoldet blev opfundet af ingeniør Marc Isambard Brunel, der blev inspireret af at se en skibsorm (en marin toskalv) køre dens skalplader gennem træ og skubbe savsmuld ud i kølvandet. Ved hjælp af hans enhed, han gravede med succes en tunnel under Londons Thames River fra 1825 til 1843, vedvarende to gennembrudsoversvømmelser og en syvårig nedlukning, da projektets pengestrøm tørrede op. Brunel og hans søn tilbragte næsten hver vågne time i tunnelen, ofte tvunget til at arbejde fra en båd. Stammen førte angiveligt til hans død et par år senere [kilder:Assignment Discovery; Encyclopaedia Britannica; Browne; Hewitt].

Lad det synke ind

At bygge en stål-og-murstøtte, mens du samtidig graver gennem blød jord eller massiv sten, er ingen picnic, men at forsøge at holde et hav tilbage under vandet er noget, ikke engang Moses ville have forsøgt. Heldigvis, tak til den amerikanske ingeniør W.J. Wilgus og hans opfindelse, det nedsænket- eller nedsænket rør tunnel ( ITT ), vi behøver ikke [kilde:Lane].

ITT keder sig ikke gennem sten eller jord; de samles på stedet fra fodboldbanestørrelse, præfabrikerede stykker. Wilgus var banebrydende for teknikken, da han byggede Detroit River-jernbanetunnelen (1906-10), der forbinder Detroit, Mich., til Windsor, På T., og de har siden været teknikken til køretøjstunneler. Ja, mere end 100 sådanne tunneler blev bygget alene i det 20. århundrede [kilder:Lane; Ekstrem teknik; Marmaray Project].

For at lave hvert tunnelsegment, arbejdere samler 30, 000 tons stål og beton-nok til en 10-etagers lejlighedskompleks-i en massiv form, lad derefter betonen hærde i næsten en måned. Formene indeholder tunnelens gulv, vægge og loft, og er oprindeligt lukket i enderne for at holde dem vandtætte, når de transporteres ud på havet. Fordybelsespontoner , store skibe, der ligner en krydsning mellem en portalkran og en pontonbåd, foretage kørsel [kilder:Lane; Ekstrem teknik; Marmaray Project].

En gang over den på forhånd udgravede havgrav, hver tunnelsektion er oversvømmet nok til at den kan synke. En kran sænker langsomt sektionen på plads, mens dykkere leder den præcist til sine GPS -koordinater. Da hver ny sektion forbinder til sin forgænger, et massivt gummistykke på enden klemmer og strækker sig for at etablere en tætning. Besætninger fjerner derefter skottetningerne og pumper det resterende vand ud. Når hele tunnelen er bygget, den er begravet under genopfyldning og muligvis dækket med klippepanser [kilder:Lane; Ekstrem teknik; Marmaray Project].

Nedsænket rørkonstruktion kan dykke dybere end andre tilgange, fordi teknikken ikke kræver, at trykluft holder vand i skak. Besætninger kan derfor arbejde længere i dem og under mere tålelige forhold. I øvrigt, en ITT kan have enhver form, i modsætning til en kedelig tunnel, som følger formen på sit skjold eller TBM. Imidlertid, fordi ITT kun udgør havbunden eller flodbunden i et tunnelsystem, de kræver andre tunnelmetoder for at bore deres landbaserede indgange og udgange [kilder:Lane; Marmaray -projekt; WGBH]. I undervands tunneling, som i livet, det tager alle slags.

Skulle vi prøve den længe drømte transatlantiske tunnel, et flydende nedsænkningsrør, bundet i en ideel dybde på 150 fod (45,7 meter) med spændingsjusterbare kabler, ville være den sandsynlige tilgang. Selvfølgelig, en sådan virksomhed ville kræve anslået 54, 000 sektioner i fodboldbane ved hjælp af et års globale stålproduktion og 225 betonfabrikker, der fungerer med kapacitet 24 timer i døgnet i 20 år. Det er før du kommer til de billioner af dollars, tusinder af arbejdere, og mange robotter og ubåde, det ville tage at bygge under farlige åbne havforhold, for ikke at sige noget om sikkerhedsspørgsmål i forbindelse med søtrafik og seismiske begivenheder [kilder:Extreme Engineering; Ekstrem teknik; Harrison].

Masser mere information

Forfatterens note:Hvordan bygger man en undersøisk tunnel?

Ved at skrive denne artikel, Jeg kunne kun røre ved det grundlæggende ved konstruktion af undersøiske tunneler, hvilket er en uretfærdighed, der kan sammenlignes med at ligestille desinfektion af en bombe med programmering af en DVR. I virkeligheden, de involverede farer og den præcision, der kræves ved konstruktion af en undersøisk tunnel, er simpelthen svimlende. At udgrave og konstruere disse moderne vidundere kræver intet mindre end konstant årvågenhed, skarp tilpasningsevne og minutiøse tilpasninger til skiftende forhold, for ikke at sige noget om den omhu, som arbejdere og dykkere skal udvise.

Det er noget, der er værd at tænke over, næste gang du befinder dig på vej gennem en undersøisk tunnel. Måske vil det distrahere dig fra de millioner af tons jord eller vand, der presser ned eller, hvis du er i Japans Seikan Tunnel, fra lyden af ​​vand, der klirrer ind gennem væggene for at blive drænet af pumperne med 20 tons i minuttet.

relaterede artikler

• Sådan fungerer undergrundsbaner
• Sådan fungerer tunneler
• Sådan fungerer underjordisk minedrift
• Hvad ville der ske, hvis jeg borede en tunnel gennem midten af ​​jorden og hoppede ind i den?

Kilder

• American Society of Civil Engineers. "Seikan Tunnel." http://www.asce.org/Featured-Images/Seikan-Tunnel/
• Opgaveopdagelse. "Skjoldtunnel." https://videos.howstuffworks.com/discovery/29896-assignment-discovery-shield-tunneling-video.htm
• Opgaveopdagelse. "Tunnelborende maskiner." https://videos.howstuffworks.com/discovery/36684-mega-engineering-tunnel-boring-machines-video.htm
• Browne, Malcolm. "Tunnelboring, Gammel som Babylon, Nu bliver mere sikker. "The New York Times. 2. december, 1990. http://www.nytimes.com/1990/12/02/world/tunnel-drilling-old-as-babylon-now-becomes-safer.html
• Chan, Sewell. "Hvem ser de undersøiske tunneler?" New York Times. 20. juli kl. 2005. http://www.nytimes.com/2005/07/20/nyregion/20tunnels.html?pagewanted=1&_r=0&sq&st=cse%22%22Immersed%20tube&scp=4
• Encyclopaedia Britannica. "Marmarahavet." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/365921/Sea-of-Marmara
• Encyclopaedia Britannica. "Tunneling Shield." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/609360/tunneling-shield
• Everglades økonomi. "Sammenligning af omkostninger ved muligheder for rekonstruktion af broerne 12. og 27. Avenue over Miami -floden." Miami River Commission. Februar 2003. http://www.miamirivercommission.org/PDF/tunnel%20study.pdf
• Ekstrem teknik. "Bygger en nedsænket tunnel." https://videos.howstuffworks.com/discovery/29855-extreme-engineering-building-an-immersed-tunnel-video.htm
• Ekstrem teknik. "Afslutning af den nedsænkede tunnel." https://videos.howstuffworks.com/discovery/29853-extreme-engineering-finishing-the-immersed-tunnel-video.htm
• Ekstrem teknik. "Transatlantisk tunneldesign." https://videos.howstuffworks.com/discovery/29150-extreme-engineering-transatlantic-tunnel-design-video.htm
• Harrison, Harry. "En transatlantisk tunnel, Hurra! "Pinnacle Books. 1972.
• Hewett, Bertram Henry. "Skærm og tryklufttunnel." McGraw-Hill. 1922.
• JR-Hokkaido Hakodate filial. "Seikan Tunnel." http://jr.hakodate.jp/global/english/train/tunnel/default.htm
• Landler, Mærke. "En metro keder sig i de osmanniske og byzantinske epoker." New York Times. 2. august, 2005. http://www.nytimes.com/2005/08/02/international/europe/02istanbul.html?pagewanted=print&_r=0
• Lane, Kenneth S. "Tunneler og underjordiske udgravninger." Encyclopaedia Britannica. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/609297/tunnels-and-underground-excavations#toc72433
• Marmaray -projekt. "Den nedsænkede rørtunnel." 2003. http://www.marmaray.com/html/tech_immersed.html
• Havnemyndigheden i New York og New Jersey. "Lincoln Tunnel:Historie." http://www.panynj.gov/bridges-tunnels/lincoln-tunnel-history.html
• Sweeney, Chris. "Verdens 18 mærkeligste tunneler." Populær mekanik. http://www.popularmechanics.com/technology/engineering/architecture/4343590#slide-1
• WGBH Educational Foundation. "Kanaltunnel (kanal)." PBS. http://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/wonder/structure/channel.html
• WGBH Educational Foundation. "Seikan Tunnel." PBS. http://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/wonder/structure/seikan.html
• WGBH Educational Foundation. "Grundlæggende om tunnelen." PBS. http://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/tunnel/basics.html
• Klog, Jeff. "Tyrkiet bygger verdens dybeste nedsænkede rørtunnel." Populær mekanik. 1. oktober kl. 2009. http://www.popularmechanics.com/technology/engineering/4217338