Σήραγγα

Είναι απαραίτητο πριν την κατασκευή μίας σήραγγας να προηγείται από μία εμπεριστατωμένη μελέτη της κατάστασης του εδάφους. Η ανάλυση αυτής της μελέτης θα οδηγήσει σε καλύτερη επιλογή των μηχανημάτων και των μεθόδων διάνοιξης. Στα αρχικά στάδια, ο οριζόντιος και ο κάθετος προσανατολισμός της σήραγγας θα βελτιστοποιηθεί βάσει της γεωτεχνικής μελέτης ώστε να αποφευχθεί το ασταθές ή πολύ σκληρό έδαφος, όπως επίσης και θύλακες νερού.

Σε μερικές περιπτώσεις, συμβατικές μέθοδοι της γεωτεχνικής μελέτης δεν παράγουν επαρκείς πληροφορίες για την εκτίμηση, για παράδειγμα, της φύσης των όγκων πετρωμάτων ή της ακριβής περιοχής ελαττωματικών ζωνών. Αυτό μπορεί να είναι ιδιαίτερο πρόβλημα σε σήραγγες μεγάλης διαμέτρου. Για να αντιμετωπιστούν αυτά τα προβλήματα, προηγείται της κυρίως σήραγγας μία πιλοτική σήραγγα, ή φρεάτιο. Αυτή η σήραγγα μικρότερης διαμέτρου μπορεί να υποστηριχθεί ευκολότερα όταν προκύψουν απρόβλεπτες συνθήκες και τελικά να ενσωματωθεί στην τελική σήραγγα. Εναλλακτικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν βαθιές οπές όπου παίρνονται δείγματα μπροστά από το μέτωπο της σήραγγας.

Οι σήραγγες κατασκευάζονται σε διάφορους τύπους υλικών, από μαλακό πηλό μέχρι σκληρά πετρώματα και η μέθοδος εκσκαφής εξαρτάται από τις συνθήκες του εδάφους.

Η Εκσκαφή και Επανεπίχωση είναι μια απλή μέθοδος κατασκευής σηράγγων σε μικρή απόσταση από την επιφάνεια, όπου πρώτα σκάβεται ένα όρυγμα και μετά τοποθετείται από πάνω η οροφή. Η αντοχή της οροφής και του συστήματος στήριξης θα πρέπει να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να μπορεί να αντεπεξέλθει στο βάρος των υλικών επικάλυψης, των δρόμων και οτιδήποτε βρίσκεται στην επιφάνεια.

Είναι διαθέσιμες δύο βασικές μορφές της Εκσκαφής και Επικάλυψης:

• Μέθοδος από την βάση (bottom-up): Ένα όρυγμα σκάβεται, με υποστήριξη του εδάφους όπου χρειάζεται, και η σήραγγα κατασκευάζεται μέσα σε αυτό. Η σήραγγα μπορεί να αποτελείται από σκυρόδεμα που χυτεύεται επιτόπου, προκατασκευασμένα κομμάτια σκυροδέματος, προκατασκευασμένα τόξα, ατσάλινα τόξα. Παλαιότερα χρησιμοποιούνταν τούβλα για την κατασκευή. Το όρυγμα στην συνέχεια επικαλύπτεται με προσοχή στην εξισορρόπηση της συμπίεσης των υλικών επικάλυψης και η επιφάνεια αποκαθίσταται.
• Μέθοδος από την οροφή (top-down): Σε αυτή την μέθοδο, αρχικά κατασκευάζονται διαφραγματικοί, πλευρικοί τοίχοι και πάνω σε αυτούς στηρίζονται δοκοί στήριξης στο επίπεδο του εδάφους. Στην συνέχεια γίνεται μια ρηχή εκσκαφή ώστε να είναι δυνατή η κατασκευή της οροφής με προκατασκευασμένα τόξα ή με χύτευση σκυροδέματος επιτόπου. Η επιφάνεια αποκαθίσταται εκτός από ορισμένα ανοίγματα. Τα μηχανήματα που χρησιμοποιούνται για την διάνοιξη της σήραγγας κατεβαίνουν μέσω των ανοιγμάτων και ξεκινούν την εκσκαφή κάτω από την μόνιμη οροφή, μέχρι την βάση της σήραγγας. Αυτό επιτρέπει την γρήγορη επαναχρησιμοποίηση των δρόμων ή άλλων υπηρεσιών που βρίσκονται στην επιφάνεια. Με αυτή την μέθοδο κατασκευάζονται οι σταθμοί και η σήραγγα του Μετρό Θεσσαλονίκης.

Οι ρηχές σήραγγες είναι συχνά εκσκαφής και επικάλυψης, ενώ για μεγαλύτερα βάθη χρησιμοποιείται μηχάνημα διάνοιξης με ασπίδα εκσκαφής.

Τα Μηχανήματα Εκσκαφής Σηράγγων ή TBM όπως ονομάζονται από το αγγλικό αρκτικόλεξο (Tunnel boring machines) σχετίζονται με πολλά συμπληρωματικά στοιχεία που μπορούν να αυτοματοποιήσουν ολόκληρη την διαδικασία εκσκαφής της σήραγγας. Υπάρχουν πολλών ειδών TBM που λειτουργούν σε ένα εύρος συνθηκών, από σκληρά πετρώματα μέχρι έδαφος με θύλακες νερού. Ορισμένοι τύποι TBM έχουν διαμερίσματα υπό πίεση στο μπροστινό μέρος, επιτρέποντας τα να χρησιμοποιούνται σε δύσκολες συνθήκες όπως κάτω από υδάτινο πυθμένα. Αυτό συμπιέζει το έδαφος μπροστά από την κεφαλή εκσκαφής του TBM για να αντισταθμίσει στην πίεση του νερού. Ο χειριστής εργάζεται υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση πίσω από το συμπιεσμένο διαμέρισμα, αλλά μπορεί να χρειαστεί να εισέλθει στο συμπιεσμένο διαμέρισμα για να αλλάξει ή να επιδιορθώσει τους κόφτες. Αυτό απαιτεί ειδικές προφυλάξεις, όπως τοπική προεργασία του εδάφους ή την ακινητοποίηση του TBM σε περιοχή χωρίς νερό. Παρ' όλες τις δυσκολίες, σήμερα προτιμούνται τα TBM από την προηγούμενη μέθοδο της εκσκαφής σε ατμόσφαιρα υπό πίεση, με έναν θάλαμο απομόνωσης και αποσυμπίεσης σε κάποια απόσταση από το TBM, η οποία απαιτεί να εργάζονται οι χειριστές σε υψηλή πίεση και να πρέπει να περνούν από θάλαμο αποσυμπίεσης στο τέλος της βάρδιας τους, όπως οι δύτες.

Μέχρι πρόσφατα, το μεγαλύτερο TBM που κατασκευάστηκε, χρησιμοποιήθηκε για την διάνοιξη της σήραγγας Πράσινη Καρδιά (αγγλικά: Green Heart Tunnel, Ολλανδικά: Tunnel Groene Hart) στην Ολλανδία. Είχε διάμετρο 14,87 μέτρα^[1].

Σήμερα υπάρχουν ακόμα μεγαλύτερα μηχανήματα, όπως για παράδειγμα τα μηχανήματα που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του περιφερειακού δρόμου της Μαδρίτης στην Ισπανία και της σήραγγας Χονγκ Μινγκ στην Σαγκάη στην Κίνα.