Free Press

Háttér

Az alagút olyan föld alatti vagy víz alatti járat, amely elsősorban vízszintes. Viszonylag kis átmérőjűek közművezetékeket hordoznak vagy csővezetékként funkcionálnak. A vasúton vagy személygépkocsival közlekedő alagutak gyakran két vagy három nagy, párhuzamos folyosóból állnak az ellenkező irányú forgalom, a kiszolgáló járművek és a vészkijáratok számára.

A világ leghosszabb alagútja a Delaware folyóból 105 mérföld (170 km) vizet szállít New York Citybe. A leghosszabb személyszállító alagút a Seikan vasúti alagút. Ez egy 33 m (53 km) hosszú, 9,7 m (32 láb) átmérőjű vasúti összeköttetés Japán két legnagyobb szigete, Honshu és Hokkaido között.

Az egyik legjobban várt alagút a Csatorna-alagút volt. Az 1994-ben elkészült alagút három, 50 km (31 m) hosszú alagúton (két egyirányú és egy szervizalagút) keresztül köti össze Nagy-Britanniát Európával. Az alagútból 23 mérföld (37 km) víz alatt van.

Történelem

Alagutakat számos ősi civilizáció ásott kézzel az indiai és mediterrán térségben. Az ásószerszámok és réz sziklafűrészek mellett néha tüzet is használtak a sziklaakadály felmelegítésére, mielőtt vízzel leöntötték volna, hogy széttörjék. A vágás és fedés módszerét – mély árkot ásni, az árkon belül megfelelő magasságban tetőt építeni, majd a tető fölött az árkot befedni (ez a ma is alkalmazott alagútépítési technika) – Babilonban már 4000 évvel ezelőtt is alkalmazták.

A kézi ásáson túli első előrelépés a puskapor használata volt egy 160 méter hosszú csatornaalagút felrobbantásához Franciaországban 1681-ben. A következő két jelentős előrelépés 1850 körül következett be. A nitroglicerin (dinamit formájában stabilizálva) felváltotta a kevésbé erős feketeport az alagútrobbantásban. Gőzt és sűrített levegőt használtak a fúrók meghajtására, hogy lyukakat készítsenek a robbanótöltetek számára. Ez a gépesítés végül felváltotta azt a kézi eljárást, amelyet John Henry, az “acélverő ember” tett híressé, aki napi 12 órán keresztül mindkét kezével egy 10 font (4,4 kg) súlyú kalapácsot lóbált, és akár 4,2 méter mélyen is acélvésőket ütött a szilárd sziklába.

1820 és 1865 között Marc Brunel és James Greathead brit mérnökök több alagútépítő pajzsmodellt is kifejlesztettek, amelyek segítségével két alagutat tudtak építeni a Temze folyó alatt. Egy téglalap vagy kör alakú burkolatot (a pajzsot) vízszintesen és függőlegesen több rekeszre osztották. Az egyes rekeszekben dolgozó ember egyszerre egy-egy deszkát távolíthatott el a pajzs homlokzatáról, áshatott néhány centimétert előre, majd visszahelyezhette a deszkát. Amikor a teljes homlokfelületről leásták a helyet, a pajzsot előre tolták, és az ásási folyamatot megismételték. A pajzs hátsó részén dolgozó munkások téglákkal vagy öntöttvas gyűrűkkel bélelték ki az alagutat.

1873-ban Clinton Haskins amerikai alagútépítő úgy akadályozta meg, hogy a Hudson folyó alatt épülő vasúti alagútba víz szivárogjon, hogy sűrített levegővel töltötte meg azt. A technikát ma is használják, bár számos veszélyt rejt magában. A munkásoknak a műszak végén dekompressziós kamrában kell tölteniük az időt – ez a követelmény korlátozza az alagútból való vészkijáratot. Az alagútban lévő nyomást gondosan egyensúlyban kell tartani a környező föld- és víznyomással; az egyensúlyhiány az alagút összeomlásához vagy felrobbanásához vezet (ami később áradást tesz lehetővé).

A puha talaj hajlamos az omlásra, és eltömítheti az ásóeszközöket. A talaj stabilizálásának egyik módja a talaj megfagyasztása úgy, hogy hűtőfolyadékot keringetnek a területre időközönként beágyazott csöveken keresztül. Ezt a technikát az Egyesült Államokban az 1900-as évek eleje óta alkalmazzák. Egy másik stabilizációs és vízszigetelési technika – amelyet az 1970-es évek óta széles körben alkalmaznak – az alagút útvonalát körülvevő talajba vagy törött kőzetbe injektált habarcs (folyékony kötőanyag).

A lövedékbeton egy folyékony beton, amelyet a felületekre permeteznek. Ezt 1907-ben találták fel, és az 1920-as évek óta használják alagutak előzetes és végleges burkolataként is.

1931-ben találták ki az első fúró dzsumbujokat a Colorado folyót a Hoover-gát építkezésénél elterelő alagutak ásására. Ezek a fúrógépek 24-30 pneumatikus fúrógépből álltak, amelyeket egy teherautó platójára hegesztett keretre szereltek. A modern jumbók lehetővé teszik, hogy egyetlen kezelő több, hidraulikusan vezérelt karra szerelt fúrógépet irányítson. 1954-ben egy dél-dakotai gátépítéshez szükséges elterelő alagutak építése közben James Robbins feltalálta az alagútfúró gépet (TBM), egy henger alakú eszközt, amelynek forgó homlokfelületére ásó vagy vágófejeket szereltek, amelyek a gép előre kúszása közben a sziklát és a talajt darálják le. A modern TBM-eket minden egyes projekthez testre szabják a vágófejek típusának és elrendezésének a helyszín geológiájához való igazításával; továbbá a TBM átmérőjének meg kell egyeznie a tervezett alagút átmérőjével (beleértve a bélést is).

Nyersanyagok

Az alagutakban használt anyagok az egyes projektekhez választott tervezési és építési módszerektől függően változnak. A talaj stabilizálására vagy az alagútbélés mögötti üregek kitöltésére használt habarcs különböző anyagokat tartalmazhat, többek között nátrium-szilikátot, meszet, kovafüstöt, cementet és bentonitot (erősen nedvszívó vulkáni agyag). A bentonit-víz iszapot a trágya (az alagútból kitermelt törmelék) felfüggesztésére és szállítására, valamint az alagútban tolt tárgyak (pl. TBM-ek, pajzsok) kenőanyagaként is használják. A vizet a por megfékezésére használják a fúrás során és a robbantás után, amelyet gyakran alacsony fagyasztású zselatinos robbanóanyaggal végeznek. A víz és sóoldatos sóoldat vagy a folyékony nitrogén gyakori hűtőközeg a puha talaj fagyasztással történő stabilizálására. A legelterjedtebb modern bélésanyag, az acéllal vagy szálerősítésű beton, amelyet fel lehet permetezni, helyben önteni vagy előre gyártott panelekben gyártani.

A módszer megválasztása

Egy alagút építési módját több tényező határozza meg, többek között a geológia, a költségek és az egyéb tevékenységek lehetséges zavarása. Az ugyanazon nagyobb projekt részét képező egyes alagutaknál különböző módszereket alkalmazhatnak; például a bostoni Central Artery/Tunnel projekt egyes részeinél négy különböző módszert alkalmaznak.

A gyártási folyamat

Előkészítés

• 1 A helyszín geológiáját a felszíni jellemzők és a felszín alatti magminták vizsgálatával értékelik. A geológia további értékelésére és a kiválasztott építési módszer tesztelésére a tervezett főalagút átmérőjének körülbelül egyharmadát kitevő kísérleti alagút építhető a teljes útvonal mentén. A kísérleti alagút a főalagút útvonala mentén haladhat, és végül időközönként csatlakozhat hozzá, hogy szellőzést, karbantartási hozzáférést és menekülési útvonalat biztosítson. Vagy a kísérleti alagút kibővíthető a főalagút létrehozásához.
• 2 Ha talajstabilizálásra van szükség, azt a talajba időközönként elhelyezett kis csöveken keresztül injektált habarccsal lehet elvégezni. Alternatív megoldásként a talajba ágyazott csöveken keresztül hűtőközeget lehet keringetni, hogy megfagyasszák a talajt.

Bányászat

• 3 Az alagútpálya anyagának eltávolítására hét különböző módszer létezik. Az első a merülőcsöves módszer. A munkások a víz alatti alagút helyét úgy készítik elő, hogy a vízfolyás alján árkot ásnak. Az alagút burkolatának acél vagy vasbeton szakaszait a szárazföldön építik meg. Az egyes szakaszok több száz láb (100 m vagy több) hosszúak lehetnek. A szakasz végeit lezárják, és a szakaszt az alagút helyszínére úsztatják. A szelvényt az árok melletti horgonyokhoz kötik, és a szelvénybe épített ballaszttartályokat elárasztják. Ahogy a szakasz süllyed, a helyére irányítják az árokban. A szelvényt összekötik a szomszédos, korábban elhelyezett szelvénnyel, és az egyes szelvények végét lezáró lemezeket eltávolítják. A két szakasz közötti gumitömítés biztosítja a vízmentes csatlakozást.

  A cut-and-cover módszernél a munkások elég nagy árkot ásnak ahhoz, hogy az alagutat és annak burkolatát befogadják. Egy doboz alakú csövet építenek, gyakran helyben öntött vasbetonból. Bizonyos talajtípusoknál vagy más építmények közvetlen közelében az ásás megkezdése előtt alagútfalakat lehet építeni, hogy az árok ne omoljon össze az ásás során. Ez történhet acéllemezek földbe fúrásával vagy iszapfal építésével (egy mély árok, amelyet a föld eltávolítása során vizes agyaggal töltenek fel). Amikor egy falszakasz elérte a kívánt méretet, egy acélbetonrudakból álló ketrecet engednek le a falba, és betont pumpálnak bele, hogy kiszorítsák a nedves agyagiszapot. Amint az ásás eléggé előrehalad ahhoz, hogy a földmunkagépek a szint alá kerüljenek, az árokban ideiglenes felszíni paneleket lehet elhelyezni, hogy a forgalom áthaladhasson rajta. Amikor az alagút burkolata elkészült, azt a kitermelt föld pótlásával fedik le.

  A harmadik módszer a felülről lefelé irányuló módszer. Az alagút útvonala mentén egy párhuzamos falpárt ágyaznak be a talajba acéllemez cölöpök fúrásával vagy iszapfalak építésével. A falak között árkot ásnak a felszíntől az alagút tetejének belsejéig tervezett távolságnak megfelelő mélységig. Az alagút tetejét a falak között alakítják ki úgy, hogy a sekély árok aljára vasbetonból készült keretet készítenek és öntenek. Miután az alagút teteje megszilárdult, vízszigetelő membránnal fedik be, és a kiásott földet visszahelyezik fölé. A membránfalak közötti és az alagúttető alatti talaj kiásására hagyományos földmunkagépeket, például homlokrakodót használnak. Amikor elegendő mélységet értek el, vasbeton födémet öntenek az alagút burkolatának befejezéséhez.

  A fúró-robbantásos módszerrel egy fúrógépet használnak arra, hogy az alagút útvonala mentén előre meghatározott mintázatú lyukakat fúrjanak a kőzetbe. A fúrt lyukakba gondosan megtervezett dinamit tölteteket helyeznek. A tölteteket olyan sorrendben robbantják fel, hogy a környező kőzet indokolatlan károsítása nélkül szakítsák le az anyagot az alagút útvonaláról. A robbanási gázok és a por eltávolítása érdekében a levegő keringetése a robbantási területen keresztül történik. A robbanás által elmozdított törmeléket elszállítják. A robbantott szakasz felszínének simítására és a laza kőzetdarabok eltávolítására pneumatikus fúrókat és kéziszerszámokat használnak.

  

  Az Eurotunnel.

  1987-ben kezdték meg az Anglia és Franciaország közötti La Manche-csatorna alagút építését, amely évszázadok óta Napóleon által megálmodott és szorgalmazott álom volt. Az eredetileg Chunnel, ma Eurotunnel néven ismert alagutat 1994-ben fejezték be 13 milliárd dolláros költséggel. A két vasúti alagút (egy az északi és egy a déli irányú forgalom számára) és egy szervizalagút egyenként 50 km hosszú, és átlagosan 46 m (150 láb) mélyen van a tengerfenék alatt. Ez az első fizikai kapcsolat Nagy-Britannia és az európai kontinens között. Személyszállító vasúti szolgáltatást, valamint személygépkocsik és teherautók kompozását biztosítja. A London és Párizs közötti utazási idő több mint öt óráról (tengeren keresztül) három órára csökkent az Eurotunnelen keresztül.

  A japán Seikan alagutat 1988-ban helyezték üzembe. A 33 mérföld (53 km) hosszú alagút Japán fő szigetének, Honshu szigetének északi csücskét köti össze Hokkaido szigetével, a Tsugaru-szoros alatt áthaladva. A Seikan-alagút a világ leghosszabb tenger alatti alagútja, amely a tengerfenék alatt 330 láb (100 m) mélyen ásott át egy olyan szoroson, ahol a tenger akár 460 láb (140 m) mélységben van.

  Az újonnan felrobbantott szakasz felszínét általában előzetes béléssel kell stabilizálni és megerősíteni. Az egyik technika egy sor, fából vagy acélból készült merevítőkkel összekötött acélbordák beillesztését jelenti. Egy másik technika, az úgynevezett új osztrák alagútépítési módszer (NATM) során a felületet néhány hüvelyk (néhány centiméter) betonnal permetezik be. Megfelelő geológiai körülmények között

  

  Pajzsos alagútépítés.

  Ezt a “lőtt beton” bélést ki lehet egészíteni hosszú acélrudak (sziklacsavarok) sziklába való behelyezésével és anyák meghúzásával az egyes csavarok fejét körülvevő acéllemezekhez.

  Az alagút anyagának eltávolítására szolgáló ötödik módszer a pajzsfúrás vagy alagútfeltörés. Néhány alagutat még mindig a Greathead-féle pajzsfúrással ásnak. A pajzs teteje túlnyúlik az oldalakon és az alján, védőtetőt biztosítva a pajzs előtt ásó munkásoknak. A pajzs tetejének elülső éle éles, így képes átvágni a talajt. Az ásás történhet kézzel vagy motoros szerszámokkal. A felesleges anyagot szállítószalagon vagy szalagon vezetik vissza a pajzson keresztül, kocsikba rakják, és elszállítják az alagútból. Amikor a munkások a pajzs előtt a felső részig kiásták az anyagot, a pajzs hátsó részén lévő emelőket az alagútburkolat legutóbb beépített szakaszához támasztják. Az emelők aktiválásával a pajzs előre tolódik, hogy a munkások megkezdhessék a következő szakasz kiásását. Miután a pajzs előrehaladt, az emelőket visszahúzzák, és az acél- vagy vasbetongyűrű szegmenseket a helyükre csavarozzák, hogy kialakítsák az alagút állandó burkolatának egy szakaszát.

  Az alagútfeltörés hasonló technika, de a földbe vájt pajzs valójában egy előre gyártott alagútburkolati szakasz.

  A párhuzamos fúrás módszerében párhuzamos, vízszintes lyukak (fúrások) sorozatát fúrják mikroalagútépítő gépekkel (a mikroalagutak túl kicsik ahhoz, hogy emberi bányászok dolgozzanak bennük), például csigákkal vagy a TMB-k kisméretű változataival. Ezeket a járatokat feltöltik; például acélcsöveket fúrnak bele, majd a csöveket betömik habarccsal. A feltöltött járatok védőboltozatot alkotnak az alagútpálya körül. Az ív belsejében lévő talaj eltávolítására földmunkagépeket használnak.

  Az utolsó módszer az alagútfúrógépes módszer. A TBM homlokzatán lévő vágóeszközök típusát és elrendezését az alagút helyszínének geológiája határozza meg. A homlokzat lassan forog és elmarja az előtte lévő kőzetet és talajt (pl. a Csatorna-alagút építéséhez használt TBM-ek optimális talajban akár percenként 12 fordulatot is képesek voltak forogni). A TBM-et folyamatosan előre tolják, hogy a homlokzat érintkezésben maradjon a célpontjával. Az előre irányuló nyomást a TBM hátsó részén lévő emelők gyakorolhatják, amelyek az alagútburkolat legutóbb beépített szakaszához nyomódnak. Alternatív megoldásként a markolókarok a TBM oldalaiból kifelé nyúlnak, és a sziklás alagútfalakhoz nyomódnak, hogy a gépet a helyén tartsák, miközben a homlokzatot előre tolják. A homokot a homlokzaton lévő lyukakon keresztül vezetik át, és szállítószalag szállítja a TBM hátsó részébe, ahol a homokot az alagútból kiszállító kocsikba dobják. A talajfelszín megmunkálhatóbbá tétele és a trágya elszállítása érdekében bentonitot szivattyúzhatnak a TBM homlokzatán keresztül. Egyes TBM-ek hátul robotkarokkal vannak felszerelve, amelyek az alagútburkolat szegmenseit pozícionálják és rögzítik, amint a gép előrehaladt

  

  Az alagút tetejének alátámasztása érdekében acélból készült tetőcsavarokat rögzítenek a sziklához.

  megfelelő távolságra. Más esetekben a NATM-et arra használják, hogy a TBM haladása során előzetes bélést hozzanak létre.

  Különösen azokban az esetekben, amikor két TBM az alagút ellentétes végeiről ás egymás felé, túl nehéz vagy költséges lehet eltávolítani őket, amikor az ásás befejeződött. Küldetése végéhez közeledve a TBM-et el lehet irányítani az alagút útvonalától, hogy egy rövid mellékágat ásson, amelyben véglegesen lezárják.

Végső bélés

• 4 Egyes esetekben a végső bélést a feltárás során helyezik el. Két példa erre a bélésszegmenseket beépítő TBM-ek és az előregyártott alagutak, amelyeket a helyükre emelnek. Más esetekben a végleges bélést a teljes alagút kiásása után kell megépíteni. Az egyik lehetőség a helyben kiöntött vasbeton bélés kiöntése. A csúszóformázás egy hatékony technika, amelynek során egy zsalurész lassan mozog előre, miközben a betont kiöntik közte és az alagútfal között; a beton elég gyorsan megszilárdul ahhoz, hogy megtartsa magát, mire a zsalu továbbhalad.

  A második lehetőség az előregyártott beton- vagy acélbélés szakaszainak beépítése, hasonlóan egyes TBM-ekhez. A bélésszegmensek úgy készülnek, hogy több közülük összeilleszthető, hogy egy teljes, néhány láb (egy-két méter) széles gyűrűt alkossanak. Miután a gyűrűt a helyére csavarozták, habarcsot fecskendeznek a gyűrű és az alagútfal közé.

  Egy harmadik lehetőség, hogy az alagút falára több hüvelyk (70 mm vagy több) vastagságú fröccsöntött betonréteget permeteznek. Előbb egy vagy két réteg dróthálót helyezhetnek el a lőtt beton megerősítésére, vagy erősítő szálakat adhatnak a betonkeverékhez, hogy növeljék annak szilárdságát.

Melléktermékek/hulladék

Néha az alagútból eltávolított földet egyszerűen egy hulladéklerakóba dobják. Más esetekben azonban más projektek nyersanyaga lesz belőle. Például felhasználható egy megközelítő útpálya alaprétegének kialakítására, vagy szélesebb leállósávok vagy erózióvédelem céljából útpadkák kialakítására.

Minőségellenőrzés

Az alagút körüli talajstabilitás fenntartása és az alagútburkolat szerkezeti integritásának biztosítása mellett a feltárási útvonal megfelelő igazítását is el kell érni. Két értékes eszköz a globális helymeghatározó rendszer (GPS) érzékelői, amelyek műholdas jeleken keresztül pontos helymeghatározási adatokat kapnak, valamint az irányító rendszerek, amelyek lézersugarat vetítenek és érzékelnek az alagútban.

A jövő

A feltárási módszerek, anyagok és gépek a lehetséges fejlesztési területek. A földön átvitt hanghullámok ma már képesek virtuális CAT-vizsgálatot készíteni az alagút útvonaláról, csökkentve ezzel a magminták és kísérleti alagutak fúrásának szükségességét. Az anyagkutatás néhány példája a hatékonyabb és tartósabb vágószerszámok, a pontosabban szabályozott keményedési sebességű beton, valamint a talaj módosítására szolgáló jobb eljárások, amelyek megkönnyítik a vágást, ásást vagy eltávolítást. A géptechnológia legújabb fejlesztései közé tartoznak a többfejű TBM-ek, amelyek egyszerre két vagy három párhuzamos alagutat tudnak fúrni, valamint egy olyan TBM, amely vágás közben akár 90°-os kanyarodásra is képes. Az ásógépek jobb távvezérlési lehetőségei javítanák a biztonságot azáltal, hogy csökkentenék azt az időt, amíg az embereknek a föld alatt kell tartózkodniuk az ásás során.