Как червяк помог совершить революцию в транспортной логистике?

Осваивать подземное пространство люди начали еще в каменном веке. Сначала наши далекие предки пользовались пещерами и тоннелями, которые создавала природа. Появление металлических орудий труда в четвертом тысячелетии до нашей эры позволило перейти к строительству рукотворных подземных сооружений. Вавилонские, египетские, греческие и римские инженеры настолько преуспели в этом, что некоторые их постройки, созданные более трех тысяч лет назад, сохранились до наших дней.

Впрочем, было две задачи, которые очень долго не удавалось решить: прокладка тоннелей в мягком грунте и сооружение тоннелей в зонах, насыщенных подвижными водными пластами. В детстве, играя на песчаном пляже, вы наверняка пробовали рыть руками подземные ходы. Делать это было очень трудно из-за того, что песок постоянно осыпался внутрь только что прорытого тоннеля. А если рядом была вода, то его, к тому же, довольно быстро затапливало. То же самое веками происходило с теми, кто пытался строить большие тоннели рядом с водоёмами или в мягкой почве.

Ни выдающимся ученым древних цивилизаций, ни гениями эпохи Возрождения во главе с Леонардо да Винчи так и не удалось найти действенных методов борьбы с обвалами и затоплениями. Первую задачу в начале девятнадцатого века решил французский инженер Марк Изамбард Брюнель. Запатентованный им в 1818 году проходческий щит совершил настоящую революцию в области подземного строительства и транспортной логистики, сделав возможным прокладку тоннелей в нестабильном грунте.

Несостоявшийся кюре

Брюнель родился в Нормандии 25 апреля 1769 года. По настоянию отца он окончил духовную семинарию в Никезе, но принимать сан священника отказался. В возрасте семнадцати лет Марк завербовался во французский флот. Прослужив там более шести лет и приобретя начальные знания в области математики и физики, он переехал в Нью-Йорк, где получил диплом инженера. В 1799 году Брюнель перебрался в Лондон. Его карьера в Англии началась с постройки нескольких лесопилок. Потом, по заказу морского министерства, он занимался проектированием автоматизированной линии по изготовлению корабельных шкивов. За эту работу он получил награду в двадцать тысяч фунтов – очень большие деньги по тем временам.

Предприимчивый француз вложил их в несколько заманчивых, но рискованных инженерных проектов, которые прогорели. В итоге Брюнель не только потерял весь свой капитал, но и остался должен кредиторам немалую сумму. Не имея возможности заплатить по счетам, в 1814 году он угодил в долговую тюрьму. Находясь там, инженер узнал из газеты, что российский император Александр I хочет построить первую постоянную переправу через Неву (тогда два берега главной столичной реки соединял единственный наплавной Исаакиевский мост, расположенный в створе Сенатской площади).

Брюнель написал письмо императору, предложив на выбор построить или большой деревянный мост, или подземный тоннель под Невой. Идея рыть тоннель в болотистой петербургской почве Александру сразу не понравилась, а вот по поводу моста российский самодержец был готов разговаривать. О переписке Брюнеля с Александром I стало известно в британском правительстве. Утечка мозгов из западных стран в Россию была тогда весомой проблемой, и в дело вмешался герцог Артур Веллингтон (тот самый, который победил Наполеона при Ватерлоо, а впоследствии стал премьер-министром Великобритании).

Он убедил министерство финансов погасить все долги инженера. Единственным условием было обязательство продолжить работу в Лондоне. Брюнель согласился и был отпущен на свободу.

Червяк в рукаве

Проект тоннеля под рекой, отвергнутый Александром I, заинтересовал Веллингтона. Дело в том, что в быстро развивающейся британской столице было необходимо увеличить количество переправ через Темзу. В частности требовалось соединить между собой районы Ротерхит и Уоппинг. Строить мост в достаточно узком месте извилистого русла реки было проблематично, и Брюнель подготовил проект подводного тоннеля, состоящего из двух расположенных параллельно арочных галерей, стены которых предполагалось выложить камнем.

Строго говоря, сама идея прорыть в этом месте тоннель под Темзой не принадлежала французу. Первым это пробовал сделать Ральф Додд в 1799 году. Его попытка окончилась неудачей из-за прорыва воды. В 1805 – 1809 годах Роберт Вэзи и Ричард Тревитик предприняли вторую попытку, которая едва не увенчалась успехом, но упрямая река вновь не покорилась. Когда до завершения прокладки четырехсотметрового тоннеля оставалось всего пятьдесят четыре метра, нестабильный грунт двинулся и тоннель оказался затопленным. Откачать из него воду не получилось, и строительство было прекращено.

Однако у Брюнеля был туз в рукаве. Хотя точнее будет сказать – червяк. Во время службы во флоте Марк не раз видел, как плотники на французских верфях латали корпуса судов, изъеденные корабельными червями. Эти удивительные создания умудрялись с легкостью проделывать отверстия в морёном дубе – прочнейшем материале, которым обшивали корпуса военных кораблей для защиты их от артиллерийских ядер. К слову, даже сегодня у человечества нет эффективных средств защиты деревянных конструкций от прожорливых моллюсков, ежегодно наносящих ущерб судам и прибрежным постройкам на несколько миллиардов долларов.

Как-то раз в снятом с обшивки дубовом щите Брюнель обнаружил живого червя. Всё его тело было мягким, но в передней части располагалась прочная двустворчатая раковина с зазубренными краями, которыми он вбуравливался в древесину. По мере продвижения тело червя оставляло на стенках проделанного хода известь, вырабатываемую его организмом, тем самым фиксируя поверхность и делая ее гладкой.

Помимо того, что раковина выполняла функцию бура, она также защищала червя от давления разбухающей в воде древесины. Брюнель решил, что со смекалистого моллюска стоит взять пример. Сейчас это назвали бы изобретением природоподобной технологии. Главной проблемой при прокладке тоннелей в нестабильном грунте являлась постоянная опасность обрушения грунта во фронтальной части выработки, которая еще на зафиксирована обделкой. Значит, подумал Марк, надо соорудить нечто вроде раковины, которая будет предотвращать такое развитие событий. Спроектированный им проходческий щит внешне ничем не напоминал червя. Даже сечение у щита было прямоугольными, а не круглым, как у моллюска. Но принцип был сохранен.

Фронтальная часть выработки была надежно защищена массивной чугунной конструкцией. Она состояла из двенадцати секций по три вертикально расположенных ячейки в каждой, где могли трудиться один землекоп и один каменщик (всего семьдесят два человека). Высота секций составляла шесть с половиной метров, ширина – один метр, а глубина – два метра. Суммарная площадь фронтальной части щита, таким образом, была равна семидесяти восьми квадратным метрам.

Снизу секции опирались на широкие опоры, распределявшие давление по поверхности. Они не давали щиту проваливаться в грунт. Верхняя и боковые части щита были защищены массивными металлическими плитами. Каждая из двенадцати секций могла перемещаться вперед независимо от других. Во фронтальной части располагался так называемый лобовой щит, состоящий из небольших дубовых досок. Каждую из них удерживали два домкрата.

Во время проведения работ землекоп снимал одну из досок, выбирал около десяти сантиметров породы, после чего возвращал доску на место, снова фиксируя ее домкратами. Затем последовательно снималась другие доски вплоть до самой нижней. Когда процесс завершался на всей площади забоя, щит медленно двигали вперед с помощью больших винтовых домкратов, упиравшихся в каменную обделку позади щита. При этом сперва перемещались шесть нечетных секций, а затем, после корректировки наклона потолочных плит, начинали движение четные секции.

Лондонский долгострой

Общая длина спроектированного Брюнелем тоннеля составляла триста шестьдесят пять метров. Первым этапом строительства стало сооружение девятнадцатиметрового Ротерхитского колодца. В него был погружен проходческий щит, начавший движение под землей 25 июля 1825 года. Согласно расчетам, за сутки щит должен был проходить около одного метра. В итоге, с учетом времени на подготовку подъездных путей, строительство должно было завершиться за двадцать четыре месяца, то есть летом 1827 года.

К сожалению, темпы работ были далеки от намеченных. Во-первых, несмотря на то, что герцог Велингтон активно лоббировал проект в правительстве и даже сам вложил значительную сумму в создание тоннеля, денег постоянно не хватало. Во-вторых, первоначальные представления о составе грунта оказались не совсем точны. Вместо голубого ила, имевшего низкую подвижность и хорошую водонепроницаемость, землекопам то и дело попадались слои галечника, который осыпался и, к тому же, прекрасно пропускал воду.

В-третьих, стройка постоянно останавливалась из-за пожаров, вызванных взрывами метана, воспламенявшегося от огня в настенных и переносных светильниках. В-четвертых, вода в Темзе той поры была невероятно грязной, так как канализационные стоки двухмиллионного мегаполиса никто и не думал очищать. Рабочие, вдыхавшие ядовитые испарения, часто болели. Лично руководивший работами Брюнель был среди тех, кто получил тяжелое отравление. Выбывшего из строя инженера сменил его сын, Изамбард Кингдом Брюнель.

Главной своей задачей он считал защиту от проникновения в тоннель воды. Брюнель-младший усовершенствовал систему откачки просачивающейся сквозь грунт жидкости и распорядился усилить конструкцию обделки. Но всё было тщетно. В мае 1827 года, когда длина тоннеля приближалась к отметке в сто семьдесят метров, случилось первое большое затопление. Ценой невероятных усилий пробоину удалось заделать, воду откачали, и работы продолжились. Второй потоп, еще более сильный, произошел в январе 1828-го. На этот раз погибло шесть человек. Седьмым мог стать Изамбард Брюнель, который чудом спасся, но был серьезно ранен. Щит также был основательно поврежден, и строительство пришлось прекратить на неопределенный срок.

Необходимую для продолжения работ сумму удалось собрать лишь спустя семь лет. Весной 1835 года строительство возобновилось. Старый щит был разобран и заменен на более прочный, но темпы продвижения вперед были очень скромными в основном из-за недостаточного финансирования и продолжавшихся затоплений. Окончательно тоннель был достроен в марте 1843 года. Казалось, что восемнадцать лет потрачены зря. На строительство подъездных путей правительство выделять деньги отказалось. Поэтому движение транспорта по тоннелю открыть не удалось. По нему могли передвигаться только пешеходы. Тем не менее часть вложенных в строительство денег вернуть все-таки удалось. Проход по тоннелю стоил пенни. В день открытия билеты купили пятьдесят тысяч человек, а за первые три месяца подземным переходом Брюнеля воспользовалось более миллиона жителей Лондона.

В следующие несколько лет тоннель был своего рода туристической достопримечательностью. Люди со всего мира специально приезжали, чтобы по нему прогуляться. Когда интерес туристов стал угасать, сооружение постепенно превратилось в место обитания женщин с пониженной социальной ответственностью, уличных грабителей и бездомных.

Через двадцать два года после открытия, в сентябре 1865 года тоннель был выкуплен Ист-Лондонской железнодорожной компанией за двести тысяч фунтов. В нем были проложены рельсы, а спустя еще четыре года по тоннелю прошел первый паровоз. Чуть позже сооружение стало частью лондонского метрополитена. Качество каменной кладки в тоннеле оказалось очень высоким, капитальный ремонт ему понадобился только в 1995 году.

Марк Брюнель не смог в полной мере реализовать на практике способ передвижения корабельного червя. В его проходческом щите выборка грунта проводилась вручную. Идея механического «отгрызания» породы была реализована позднее в больших автоматизированных тоннелепроходческих машинах.

Проблему гидроизоляции тоже решил не Брюнель, а создатели второго пешеходного перехода под Темзой – Питер Барлоу и Джеймс Грейтхед. Однако Брюнель и его сын сделали главное – они придумали принцип борьбы с осыпанием мягкого грунта, благодаря применению которого в мире появилось метро и огромное количество разнообразных тоннелей. На сегодняшний день самым длинным из них является Делавэрский акведук – главная водопроводная артерия Нью-Йорка. Длина этого уникального сооружения составляет сто тридцать семь километров. А рекордсменом по протяженности подводного участка остается Евротоннель, соединяющий туманный Альбион с европейским континентом. Тридцать девять из пятидесяти одного километра этой магистрали проходит под проливом Ла-Манш.