Приглашаю вас продолжить путешествие в историю метро. Не удивляйтесь, что для этого понадобится вернуться на четыре тысячи лет назад — ведь разговор пойдёт про подводные тоннели и изобретение проходческого щита, без которого строительство современного метрополитена было невозможно.
Материал был опубликован в журнале «Все о мире строительства» № 2 от 2022 года. По многочисленным просьбам публикую не только сами страницы или пдф этого фрагмента, а текстовый вариант статьи. Наслаждайтесь!
Журнал, к сожалению, уже не издаётся, но те мои материалы, которые вышли — я вам покажу на страницах моего блога.
Так что заваривайте вкусный чай или кофе, включайте фоном приятную музыку и давайте погружаться в историю!
Дорогие читатели, сегодня мы с вами окунёмся в историю, как говорится, с головой. Нырнём поглубже, так как начнём с прошлой эры. Ведь разговор пойдёт про подводные тоннели. Мы много раз говорили про метрополитен и методы его строительства, неоднократно упоминали проходческие щиты. Как мне однажды сказал ребёнок: «Так это механический дрессированный червяк!». Вот мы и поговорим с вами про изобретение проходческого щита, без которого строительство современного метрополитена было бы невозможно.
А ребёнок, кстати, в чем-то оказался прав — изобретение проходческого щита в начале XIX века было связано с червяками. И, конечно, с одним гением…
Давным-давно, в далёкой-далёкой Месопотамии…
А перенесёмся мы с вами на 4000 лет назад в древний Вавилон. Археологи считают, что в промежутке между 2180и 2160 годами до нашей эры был построен подводный тоннель под рекой Ефрат, чтобы соединить две части города. Его длина была 929 метров, а размер (ширина 4,6 метра и высота 3,7 метра) позволял использовать его для проезда колесниц, запряжённых лошадьми, и пешеходов. Он соединял храм с королевским дворцом и, очевидно, мог использоваться ограниченным кругом лиц. Строился он с помощью дамбы в реке: перегораживали её часть, отводили воду, осушали и строили. В принципе, нет никаких оснований думать, что так НЕ могли построить — вполне себе могли. Этот способ, который применяется до сих пор, не требует сложных средств механизации. А вот источниковая база, увы, очень скудная.
Дело в том, что про этот тоннель написано в двух работах. Одна датируется 50-ми годами до нашей эры, а вторая двухтысячными годами нашей эры. То есть с момента строительства тоннеля (если он был вообще) прошло более 2000 лет. Тут порой вызывают жестокие споры события, которые закончились 50 лет назад. А тут целых 2000 лет… Ну и до сих пор существование тоннеля под рекой Ефрат так и не подтверждено археологически.
А вот следующий подводный тоннель нам очень хорошо известен и сам тоннель сохранился до нашего времени и активно используется. Скоро он отметит свой двухсотлетний юбилей. Вполне может быть, что были ещё какие-то подводные тоннели, но пока человечеству о них неизвестно. Так что мы с вами переносимся в туманную Британию на рубеже XVIII – XIX веков.
Вечно голодный корабельный червь.
Мореплавание нашей цивилизации известно с незапамятных времён. В принципе, древний человек, использующий бревно, чтобы удержаться на воде, уже мог называться моряком. Со временем плавающие бревна трансформировались в парусные суда. Какие же они красивые, особенно клипера! И какие это сложные инженерные сооружения, вобравшие в себя опыт тысячелетий! Но, несмотря на такой большой срок эволюции, в подавляющем большинстве случаев парусные суда делали из дерева. Только с 1870-х годов стали появляться цельнометаллические парусные суда, хотя первые робкие попытки началась ещё раньше: в 1787 году в Англии была спущена металлическая баржа длиной 21 метр. Но до победного шествия металла в море было ещё далеко.
А там, где есть деревянные корпуса, существуют и корабельные черви, которые весьма активно едят древесину, еще и путешествуя по миру за чужой счёт. Во все времена, начиная с самого первого плавающего бревна, корабельные черви были бичом деревянных судов. Они съели не один флот, невзирая на звания, флаги и авторитет адмирала.
С червём, естественно, боролись, но он всегда находил себе пищу. Можно было лишь уменьшить последствия и вред. В тёплой и солёной воде эти красавцы превращали в труху любую деревяшку за 4–5 лет. Что только и не делали с корпусами судов, чтобы победить этого из отряда Myoida.
Такой червяк мог достигать длины два метра и пять сантиметров в диаметре! На переднем конце нашего героя располагается сравнительно небольшая (до 1 сантиметра) двустворчатая раковина, используемая им для вгрызания в древесину.
Корпуса кораблей смолили, травили и пропитывали. Корпус судна делали двойным, где наружный слой из менее ценных пород дерева отдавали на съедение червяку, а внутренний защищали просмолённым материалом. В конце XVIII века стали покрывать деревянные корпуса медными листами, препятствуя прониканию червяка на борт без разрешения капитана. Но это оказалось очень дорого и тоже возникало много технических сложностей. В итоге червяка смогли победить на флоте только кардинальным образом — перейдя на цельнометаллические корпуса. Коварный план человеков…
Роялист, беглец, главный инженер и изобретатель.
Сэр Марк Изамбард Брюнель родился 25 апреля 1769 года во Франции в небольшой коммуне провинции Нормандия в семье преуспевающего фермера. Будучи вторым ребёнком в семье, ему была уготована карьера священника, тогда как первый ребёнок получал в наследство всё имущество фермы. Его отец дал Марку классическое образование, отправив учиться в семинарию в Руане. Он проявил интерес к дереву, и настоятель семинарии разрешил ему обучиться столярному делу, и вскоре он достиг уровня столяра-краснодеревщика. А в свободное время он рисовал корабли в местной гавани.
Получив первоначальное духовное образование в семинарии, он так и не проявил желание стать священником. Поэтому отец отправил его к родственникам в Руан, где друг семьи стал обучать его военно-морскому делу. В 1786 году Брюнель стал кадетом на французском фрегате и за время службы несколько раз посетил Вест-Индию. В 1792 году Марк возвращается во Францию, которая к этому моменту сильно изменилась — в 1789 году началась Французская революция.
В январе 1793 года, в Париже во время суда над Людовиком XVI, Брюнель, будучи роялистом (как и большинство жителей Нормандии) публично предсказал кончину Робеспьеру, одному из вождей Революции. Это могло иметь для него очень плохие последствия. Наш герой отправляется в Нью-Йорк, где продолжил свою техническую карьеру. Он участвовал в схеме соединения реки Гудзон каналом с озером Шамплейн, а также представил проект нового здания Капитолия, который, хоть и произвёл впечатление, но не был выбран для постройки.
В 1796 году, приняв американское гражданство, Брюнель был назначен главным инженером Нью-Йорка. Он спроектировал различные дома, доки, коммерческие здания, арсенал и пушечный завод. Однажды он услышал в разговоре об одной сложности Королевского флота Великобритании: для бегучего и стоячего такелажа нужны сотни тысяч блоков.
Каждый из них делался вручную высококвалифицированными специалистами, которых, естественно, не хватало. А без такелажа любой корабль тогда превращался в плавающее корыто. Брюнель быстро разработал эскизный проект станка, который автоматизирует их производство. В феврале 1799 года он отплывает в Англию с рекомендательным письмом военно-морскому министру. Своё изобретение он решил представить Адмиралтейству.
Без бюрократии не обошлось: только в 1802 году оборудование Брюнеля было установлено на Портсмутских блочных заводах. Можно сказать, что его станки произвели революцию — на них могли работать неквалифицированные рабочие, что в десять раз увеличивало производительность. Всего в Портсмуте было установлено 45 машин, и к 1808 году завод производил 130 000 блоков в год.
За это изобретение Марк Брюнель получил денежное вознаграждение от Адмиралтейства, которое сначала колебалось — платить изобретателю или нет. Всего на этот проект он потратил 2000 фунтов стерлингов из своих средств. Адмиралтейство выплатило ему в 1808 году 1000 фунтов, а через два года ещё чуть более 17 000.
Экономический оскал капитализма.
А почему так нужен был тоннель? Неужели нельзя было обойтись мостом? И вообще, для чего все это нужно было? На эти вопросы лучше всего ответить с конца. В Англии на тот момент во всю шла промышленная революция, которая началась примерно с 1780-х годов. Экономика страны, согласно исторической модели Карла Маркса, переходила от феодальной к капиталистической. Изобретались новые механизмы и машины, повышалась производительность и производство. Соответственно росло число рабочих мест. Строились новые фабрики и заводы.
Возьмём простой пример — на одной стороне реки находятся, скажем, доки. А большинство рабочих живут на другой, или доки находятся на разных берегах. Если они будут переправляться на лодках или пароме, то это займёт много времени, что приведёт к потере дохода, низкой выработке. Естественно, капитал об удобстве рабочих тогда не думал, просто надо было сделать так, чтобы рабочая сила могла быстро попасть к своим местам. Что касается моста: из-за наличия парусного флота, высота матч которого могла достигать сорока и более метров, строительство моста с таким пролётным строением тогда было утопией. Чисто теоретически поднять мост на такую высоту можно, но для этого надо было делать длинные береговые эстакады или насыпи, чтобы забраться на такую высоту. В городе с плотной застройкой это почти нереально. Да и очень дорого.
В данном случае сам по себе тоннель получался идеальным решением. Нам не надо забираться на огромную высоту, загромождать ценную землю постройками моста, а русло реки его опорами. Тоннель работает круглогодично, в отличие от лодочной переправы, которая подвержена капризам погоды. Осталось только его построить.
Тоннель под Темзой. Версия два точка ноль.
История строительства тоннеля под Темзой в Лондоне началась в 1799 году, которая закончилась безуспешно. Следующая попытка состоялась в 1805 году, когда была создана компания Thames Archway Company для его строительства. К 1807 году успели пройти примерно 300 из 365 метров тоннеля, после чего он попал в плывун, и условия стали очень трудными и опасными. Это был пилот-тоннель размером примерно от 60 до 90 сантиметров по ширине и высотой до 1,5 метра. В итоге тоннель был заброшен. Одной из причин неудачи было то, что на строительстве работали горняки из Корнуолла, которые привыкли к твёрдым породам и не посчитали нужным менять свои привычки при встрече с глиной и плывунами.
К 1823 году Брюнель разработал проект тоннеля, который можно будет соорудить с использованием его нового щита. Работы начались в феврале 1825 года с сооружения шахтного ствола. В 46 метрах от берега реки была подготовлена площадка, где смонтировали ножевое кольцо диаметром 15 метров. Сверху над ним сделали кирпичный ствол высотой 12 метров с почти метровой толщиной стен. Сверху поставили мощную паровую машину для привода насосов, откачивающих воду. Общий вес сооружения оценивался в 1000 тонн. То есть применили метод опускного колодца, когда рабочие выбирают породу под ножом и ствол опускается под собственным весом.
Опускание происходило не без проблем — в один момент из-за силы трения колодец застрял. Пришлось догрузить дополнительно 50 000 кирпичей для увеличения веса. Второй колодец, на противоположном берегу, в будущем сделали сужающимся кверху, чтобы избежать сдавливания породой. Работы по сооружению ствола были закончены к ноябрю 1825 года, можно было приступать к проходке. Предстояло соорудить тоннель длиной 396 метров. Сечение тоннеля по наружной стороне обделки было весьма внушительным даже по современным меркам — ширина 11,28 метра, а высота 6,17 метра. Толщина кирпичной кладки в своде была 0,75 метра, а максимальная толщина стен достигала 1,07 метра. Всего на тоннель ушло более 7 500 000 кирпичей.
Такие размеры дадут площадь выработки 69,6 квадратных метра. Для сравнения площадь сечения перегонного тоннеля наружным диаметров шесть метров составляет 28,3 квадрата (здесь и далее я округляю до десятых). А площадь станционного тоннеля диаметров 9,5 метра — 70,9 квадратных метра. Как мы видим, размеры тоннеля под Темзой были сопоставимы со станционным тоннелем диаметром 9,5 метра, то есть весьма большими.
Тоннель предназначался для гужевого транспорта и состоял из двух проезжих частей, шириной 4,72 метра каждая. На самом деле это весьма сложный проект и по современным меркам. А уж тогда… думаю, тогда не очень понимали во что ввязываются и не полностью оценивали технические риски и сложности.
Адская работа.
Самый первый щит представлял собой весьма странную конструкцию. Он состоял из 12 отдельных сегментов высотой 6,17метра и шириной в 91 сантиметр, которые ставились рядом друг с другом. На каждом сегменте было по три этажа, что давало 36 камер, каждая была рассчитана на одного рабочего.
Забой щита защищали деревянные доски (шандорное крепление), которые прижимались к породе винтовыми домкратами. Процесс проходки состоял из снятия доски, вычерпывания на глубину заходки (так как там был плывун, то породу буквально вычерпывали) и снова установки шандоры на место. Благодаря такому креплению удалось вести проходку в очень неблагоприятных условиях, без использования сжатого воздуха — только водоотлив. Разработка грунта, несмотря на его слабость, производилась сразу на всех трех этажах секции.
Спереди щит был оснащён небольшим козырьком, который защищал проходчиков от обрушения грунта при разработке породы. Сзади каменщики укладывали обделку тоннеля из кирпича. Продвигался вперёд и управлялся щит с помощью ручных винтовых домкратов.
Работа шла медленно, со скоростью 3–4 метра в неделю. Чтобы уже получить некоторый доход от тоннеля, правление компании разрешило посетителям увидеть щит в действии. Они брали шиллинг за экскурсию, и примерно 600–800 посетителей ежедневно пользовались этой возможностью.
Многие рабочие, в том числе и сам Брюнель, вскоре заболели из-за плохих условий труда, вызванных грязной, насыщенной сточными водами водой, просачивающейся из реки наверху. Эти сточные воды выделяли метан, который воспламенялся шахтёрскими масляными лампами. Когда местный инженер Джон Армстронг заболел в апреле 1826 года, сын Марка — Изамбард Кингдом Брюнель занял его должность. Ему было 20 лет. Порой случалось так, что он, по сути, отвечал за все строительство, так как и отец, и инженер болели.
Несмотря на все меры предосторожности, регулярно происходило заполнение тоннеля грунтом. Особенно часто это стало происходить при подходе забоя к противоположному берегу Темзы, где встретились особо слабые и коварные грунты. За время производства работ произошло несколько аварий и катастроф.
18 мая 1827 года проникающий через щели шандор и отдельных секций щита слабый грунт заполнил тоннель на большом протяжении. На тот момент прошли уже 167 метров. Сам щит оказался сильно повреждённым горным давлением. Обследование дна реки с помощью водолазного колокола показало наличие воронки объёмом примерно 700 кубических метров. С помощью водолазного колокола под руководством сына Брюнеля, который неоднократно лично спускался на дно, воронка была засыпана мешками с глиной.
После ремонта и осушения внутри тоннеля был устроен банкет. Вы не ослышались! Говоря современным языком, рекламу тоннелю делали хорошую. Экскурсии, как упоминалось выше, были чуть ли не каждый день. Приглашались высокие гости. Так что устроить банкет не кажется чем-то таким необычным. Даже как-топ ригласили канатоходца!
К слову, эта авария была вызвана остановкой работ из-за забастовки рабочих, которые протестовали против их эксплуатации предпринимателями. Следующая авария, вызванная остановкой из-за рождественских праздников, случилась в январе 1828 года. Обе эти аварии обошлись без человеческих жертв.
Смерть, которая всегда рядом.
Увы, так долго везти не могло, и 12 августа 1828 года, когда забой продвинулся на 183 метра, произошла катастрофа, в которой погибли шесть человек, а молодой инженер Изамбард чудом остался жив. К этому моменту финансовые возможности компании были исчерпаны, и привлечь новые инвестиции не удавалось. Так же Уильям Смит, председатель компании, считал тоннельный щит ненужной роскошью и постоянно пытался подорвать его положение. Первоначально, когда щит ещё себя оправдывал, у Смита не было особой возможности воздействовать на Брюнеля, но после этой катастрофы все изменилось. В итоге строительство остановилось полностью — в августе за щитом была сооружена герметичная перегородка, отсекающая неустойчивый забой от готового тоннеля. Сам тоннель был заброшен на 7 лет. Что с ним было все это время, неизвестно. К сожалению, найти информацию не удалось.
Брюнель ушел со своей должности. Позже он предпринял различные проекты гражданского строительства, в том числе помог своему сыну Изамбарду с его проектом Клифтонского подвесного моста.
За время работ с ноября 1825 года по август 1828 года было пройдено 183 метра. Но это были очень важные метры, которые доказали, что с помощью щита можно строить тоннели в таких гидрогеологических условиях. А быть первым всегда трудно.
Проект длиной в 18 лет.
В марте 1832 года Уильям Смит был уволен с поста председателя Thames Tunnel Company, правительство согласилось предоставить ссуду в размере 246 000 фунтов стерлингов компании, а Брюнель нашёл средства частных инвесторов. Новая жизнь началась с разборки старого щита весом 80 тонн. К марту 1836 года новый, 140-тонный щит, состоящий из более чем девяти тысяч деталей, был смонтирован под землёй. Проходка началась. Конечно, продолжались случаи затопления, но в основном это случалось, когда насосы выходили из строя. Рабочие так же продолжали болеть из-за постоянного притока загрязненной воды. В итоге из-за длительных задержек и неоднократных затоплений тоннель стал предметом столичного юмора и фольклора.
Когда тоннель приблизился к противоположному берегу реки, в 1840 году начались работы по проходке вертикальной шахты, которые заняли тринадцать месяцев. Тоннель был открыт через три года: за это время королева Виктория посвятила Брюнеля в рыцари. Несмотря на его состояние после инсульта, он принял участие в церемонии открытия.
За 15 недель после открытия тоннель посетили более 1 000 000 человек. Хотя тоннель предназначался для гужевого транспорта, он оставался только пешеходным. Дело в том, что отказались от идеи делать наклонные тоннели от низа шахты до дневной поверхности. Сейчас это назвали бы переходным участком. Шахтные стволы оборудовали винтовыми лестницами, что дало возможность использовать его только пешеходами.
Хотя завершение строительства было инженерным триумфом того времени, тоннель под Темзой не имел финансового успеха. На проходку ушло 454 000 фунтов стерлингов, а на отделку — ещё 180 000фунтов стерлингов, что намного превышало первоначальную смету расходов.
Он стал главной туристической достопримечательностью, привлекая около двух миллионов человек в год, каждый из которых платил пенни за проезд, и стал предметом популярных песен.
Тоннель превращается…
10 января 1863 года в Лондоне открылся первый в мире метрополитен. Это событие очень сильно повлияло на судьбу тоннеля: его купила одна из железнодорожных компаний Лондона для обеспечения железнодорожного сообщения товаров и пассажиров. Большая высота туннеля, возникшая в результате первоначального намерения разместить конные экипажи, также обеспечила достаточную габаритную ширину для поездов. Как тут не вспомнить историю про размер ракеты и ширину двух лошадиных… скажем, крупов.
Реконструкция тоннеля и строительство переходных участков заняло 4 года, и 7 декабря 1869 года по тоннелю прошёл первый поезд. В 1884 году заброшенная строительная шахта тоннеля к северу от реки была перестроена под станцию «Уоппинг». Позже Ист-Лондонская железная дорога была поглощена лондонским метрополитеном, где она стала Ист-Лондонской линией. Таким образом лондонская подземка обрела самый старый свой участок, который был построен до её пуска. В составе Лондонского метрополитена этот участок работает до сих пор!
Строительство тоннеля под Темзой показало, что подводные тоннели действительно можно строить, несмотря на скептицизм многих инженеров. В последующие десятилетия в Великобритании и по всему миру было построено много подводных тоннелей.
В России есть один подводный тоннель—это Амурский железнодорожный тоннель, построенный в 1937 — 1941 годах для дублирования моста через Амур. Начатое строительство подводных железнодорожных тоннелей под Днепром в Киеве было остановлено из-за оккупации города немцами в годы Великой Отечественной войны, после освобождения к этому проекту не возвращались. В строительстве этих двух тоннелей принял участие Московский метрострой.
Позже начали строить тоннель на остров Сахалин, но после смерти Сталина этот проект, как и многие другие великие стройки СССР, был закрыт.
Сэр Марк Изамбард Брюнель после завершения строительства тоннеля под Темзой уже плохо себя чувствовал. Он больше никогда не принимал крупные заказы, хотя и помогал своему сыну Изамбарду в различных проектах. Он перенёс ещё один, более тяжёлый инсульт, и его правая сторона была почти полностью парализована. 12 декабря 1849 года Брюнель умер в возрасте 80 лет, его останки были захоронены на кладбище Кенсал-Грин в Лондоне. Его жена София была похоронена на том же участке в 1855 году, а всего через 4 года там же нашёл вечный покой их сын. Две тоннелепроходческие машины, работавшие на проекте Crossrail в Лондоне в 2013 году, были названы в честь жён Марка и его сына: София и Мэри.