Туннель под Темзой

Но даже такая конструкция заняла бы слишком много места по берегам и сузила бы и без того перегруженную реку. Тогда известный инженер Марк Брюнель предложил построить вместо моста туннель. По его замыслу, подводная конструкция должна была состоять из двух параллельных арочных «галерей», объединенных общей каменной кладкой.

Можно предположить, что план Брюнеля не вызвал сначала особого энтузиазма. Ведь за 20 лет до этого двум не слишком удачливым инженерам-горнякам из Корнуэлла почти удалось проложить под Темзой небольшой обшитый деревом туннель, но все их усилия неожиданно пошли прахом из-за непредсказуемости речного дна. Одно внезапное движение плывуна — водонасыщенной породы, — и рабочим пришлось спасаться бегством с места строительства, а инвесторам — подыскивать другие направления для развития бизнеса.

И все же Брюнель был уверен, что при должной подготовке его усилия будут вознаграждены. Для начала ему предстояло точно определить, какой грунт залегает под дном реки. Исходя из этого, он собирался выбрать оптимальный маршрут для туннеля и наиболее эффективный способ его строительства. Чтобы получить образцы грунта, на дне реки пробурили несколько скважин на одинаковом расстоянии друг от друга. Брюнель также изучил сведения, собранные строителями предыдущего туннеля, и после этого составил геологический профиль речного дна.

Исследования показали, что на глубине от 12 до 23 метров под ложем реки залегает слой голубого ила — идеальной для пробивки туннеля породы. У нее хорошие показатели естественной устойчивости, она достаточно податлива в разработке и имеет низкую водопроницаемость. Проходку в такой породе можно провести довольно быстро. Брюнель наметил предполагаемую глубину, на которой будет пробиваться туннель (19 метров), и его максимальную высоту (около 6 метров). Длина туннеля должна была составить около 365 метров.

Туннель под Темзой (Лондон, Англия, 1825 г.)

Конструкция туннеля была, бесспорно, сложной, но уникальным он стал потому, что именно для его строительства Брюнель сконструировал первый в истории проходческий щит. Это изобретение навсегда прославило его имя среди инженеров и горняков. Брюнель создал щит, чтобы защитить рабочих от водной стихии — как- никак, работать предстояло под речным дном! И, конечно, с помощью этого устройства работы пошли в разы быстрее.

Удивительно, но идея проходческого щита возникла у Брюнеля во время наблюдения за тем, как прокладывают ходы в дереве корабельные черви — истинное бедствие британского флота. Эти моллюски используют свои похожие на щиты раковины, чтобы буравить корабельную древесину, да еще и имеют наглость покрывать сделанные ими микротуннели изнутри прочной «обделкой» из вещества, которое при этом выделяют.

Проходческий щит Брюнеля совсем не походил на свой прообраз — это была сложная «машина» из чугуна и дерева, которую мог создать лишь человеческий разум. Щит состоял из 12 независимых секций, каждая размером 6,5 метра в высоту, 1 метр в ширину и 2 метра глубиной. Собранные вместе, они позволяли работать на площади около 74 квадратных метров. В каждой секции были три рабочие площадки — ячейки, где могли трудиться один землекоп и один каменщик.

Секции примыкали друг к другу, но не были жестко зафиксированы, что позволяло передвигать их относительно независимо друг от друга. Сверху и по бокам щит защищали опорные металлические плиты. От забоя туннеля щит отделяла стенка из коротких деревянных досок, так называемый лобовой щит. Каждая доска удерживалась на месте при помощи пары винтовых домкратов. За исключением лобового щита вся остальная конструкция была сделана из литейного чугуна. Секции опирались на две опоры-башмака, которые равномерно распределяли огромный вес щита на большую площадь под ним и тем самым не давали ему погрузиться в грунт.

Чтобы приступить к пробивке туннеля, необходимо было опустить тяжелые секции щита на 19 метров под землю! Спуск предстояло осуществить через две шахты по обоим берегам Темзы. Первым Брюнель построил Ротерхитский колодец, из которого начались проходческие работы.

И снова инженеру удалось реализовать гениальную идею. Вместо того чтобы возводить стены в выкопанном колодце, он построил на поверхности гигантскую трубу 13 метров в высоту и 15 метров в диаметре. Она состояла из двух кирпичных стен-«оболочек», опирающихся на чугунное кольцо.

Пустое пространство в 90 сантиметров между внешней и внутренней стенами было заполнено стальной арматурой и забетонировано. Второе чугунное кольцо стягивало стены наверху. Конструкция перекрывалась деревянным настилом, на котором установили паровую машину.

По мере того как рабочие выбирали грунт внутри колодца, тысячетонная махина под собственным весом медленно погружалась в землю. С помощью паровой машины наверх непрерывно поднимались ковши с отработанной породой и откачивалась вода. Через три месяца верхнее чугунное кольцо исчезло под землей. Под нижним кольцом землекопы выбрали грунт на глубину 6 метров. В образовавшемся пространстве каменщики возвели прочный фундамент, ограждающий рабочую камеру шириной в 11 метров. Здесь был окончательно собран и начал свое движение проходческий щит.

Пробивали туннель следующим способом. Землекоп, находившийся в ячейке щита, ослаблял пару домкратов, убирал доску лобового щита, после чего выбирал около 10 сантиметров породы и возвращал доску на место. Эта операция многократно повторялась на всей поверхности забоя. Разработав все 74 квадратных метра, щит с помощью домкратов медленно продвигали вперед.

Этот сложный процесс секции осуществляли поочередно: сначала передвигались все нечетные, а за ними — все четные части щита. В начале движения чугунные опорные плиты потолка нечетных секций упирались в забой. Наклон каждой потолочной плиты подгоняли так, чтобы щит продвигался в нужном направлении. Далее упоры домкратов, поддерживавшие лобовой щит перед секцией, перебрасывали на лобовой щит соседней. Таким образом, секция больше не упиралась в стену забоя и можно было продвинуть ее вперед на 10 сантиметров.

Опоры-башмаки передвигаемых секций слегка приподнимали, при этом вес секций переносился на соседние. И наконец, мощные домкраты, упирающиеся сверху и снизу в кирпичную обделку позади секции, продавливали ее вперед. Затем та же операция повторялась для четных секций. Это было чрезвычайно трудоемкое дело: даже в удачные дни, по расчетам Брюнеля, щит можно было продвинуть вперед только на один метр.

К сожалению, этих удачных дней на долю проходчиков выпало немного. Даже при поддержке команды способных инженеров, в числе которых был и сын Брюнеля Изамбард, работы заняли девять лет. Как оказалось, пробуренные в начале проектирования скважины дали неверное представление о глубине залегания и плотности породы. Рабочие то и дело натыкались на участки с легко осыпающимся галечником. Часто туннель затапливало.

Один из таких потопов случился, когда рабочие были уже на середине реки. Он оказался таким сильным, что первый щит пришлось замуровать, а строительство было остановлено на целых семь лет. Взрывы метана, воспламенявшегося от огня светильников, приводили к ужасным пожарам. Рабочие, постоянно вдыхавшие воздух, отравленный ядовитыми испарениями, много болели.

И все же Марку Брюнелю удалось невероятное. Соорудив на другом берегу реки второй колодец (речь идет о 1840 годе, когда правительство Великобритании решило помочь Брюнелю довести строительство туннеля до конца) и торжественно встретив в нем вновь собранный и усовершенствованный щит, продолживший свой путь со стороны Ротерхита, инженер доказал, что реки отныне не являются непреодолимыми препятствиями для строителей.

Конечно, по сравнению с современной техникой щит Брюнеля напоминает отряд скрипучих роботов из «Звездных войн», которые, опираясь друг на друга, медленно продираются сквозь землю. Тем не менее щит сделал свое дело. Марк Брюнель не просто мыслил, опережая свое время: он построил настолько хороший туннель, что сегодня тот входит в систему лондонского метро.

Примерно через 30 лет после завершения строительства туннеля Марка Брюнеля под Темзой был построен второй пешеходный туннель. Для его строительства инженеры Питер Барлоу и Джеймс Грейтхед сконструировали более компактную версию проходческого щита. Их щит имел форму, напоминающую скорее консервную банку, и оставлял за собой необычный «шлейф» — обделку из чугунных секций, скрепленных болтами в кольца диаметром 2,4 метра. Как и у Брюнеля, щит Барлоу и Грейтхеда продвигался вперед при помощи домкратов, упиравшихся в обшивку туннеля. Но он оказался куда более эффективным: строительство туннеля в результате заняло меньше года.

По мере того как Лондон расширялся, а его улицы становились все более многолюдными, транспортную систему города, особенно поезда, опустили под землю. Естественно, работы у изобретателей только прибавилось. Грейтхед продолжал совершенствовать конструкцию своего щита, а вместе с ней, по сути, и технологию туннелестроения. Новые щиты, носящие имя своего создателя, имели до 20 метров в диаметре и были намного мощнее.

Тяжелый ручной труд внутри них постепенно механизировали. Устаревшие и сложные в использовании винтовые домкраты ушли в прошлое: щиты перемещались теперь при помощи гидравлических толкателей. За рабочей установкой щита часто возводилась водонепроницаемая перегородка. Эта стена позволяла герметизировать рабочую зону, которую со временем стали оснащать шлюзовыми камерами, предназначенными для отдыха рабочих и для хранения стройматериалов. Грейтхед также придумал способ закачки бетона в узкое пространство между обшивкой туннеля и грунтом.

В последующие сто лет идеи Брюнеля и инженерные решения Грейтхеда позволили выпустить в свет целую армию рукотворных «корабельных червей», которые «прогрызали» туннели во всех возможных направлениях. Они работали на немыслимой глубине, пробивались сквозь все разновидности грунтов, с легкостью преодолевали водоносные слои. Именно они создали, среди прочего, первую в мире и одну из наиболее загруженных по сей день систем метро — лондонскую подземку.

Дэвид Маколи
Как это построено: от мостов до небоскребов. Иллюстрированная энциклопедия.