การตรวจสอบและการออกแบบทางธรณีเทคนิค ของ อุโมงค์

ดูบทความหลักที่: การตรวจสอบทางธรณีเทคนิค

โครงการอุโมงค์จะต้องเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบที่ครอบคลุมสภาพพื้นดินโดยการจัดเก็บตัวอย่างจากการเจาะรู (อังกฤษ: borehole) และโดยใช้เทคนิคทางธรณีฟิสิกส์อื่น ๆ จากนั้นจะทำการเลือกเครื่องจักรและวิธีการเปิดหน้าดินและการรองรับพื้นดิน ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงกับสภาพพื้นดินที่ไม่คาดฝัน ในการวางแผนเส้นทางการจัดแถวแนวนอนและแนวตั้งจะใช้ประโยชน์จากสภาพพื้นดินและน้ำที่ดีที่สุด

การศึกษาบนโต๊ะและที่ไซต์งานแบบทั่วไปอาจให้ข้อมูลไม่เพียงพอที่จะประเมินปัจจัยต่าง ๆ เช่นลักษณะการบล็อกของหิน สถานที่ตั้งที่แน่นอนของโซนรอยเลื่อน หรือเวลาตั้งตัว (อังกฤษ: Stand-up time) ของพื้นดินที่อ่อนนุ่ม สิ่งเหล่านี้อาจสร้างความกังวลโดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานสร้างอุโมงค์เส้นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่ เพื่อให้ได้ข้อมูลเพิ่มเติม อุโมงค์นำร่องหรือ drift อาจใช้ดันไปข้างหน้าตัวขุดหลัก อุโมงค์นี้จะง่ายกว่าในการสนับสนุนข้อมูลถ้าสภาพที่ไม่คาดคิดถูกตรวจพบ และจะสามารถควบรวมเข้ากับอุโมงค์จริง อีกทางเลือกหนึ่งคือการเจาะรูทดสอบในแนวนอนบางครั้งอาจจะเจาะนำไปข้างหน้าของเครื่องเจาะอุโมงค์

ปัจจัยธรณีเทคนิคอื่น ๆ ที่สำคัญ ได้แก่ :

เวลาตั้งตัว เป็นระยะเวลาที่อุโมงค์จะสามารถรับน้ำหนักตัวเองได้โดยไม่ต้องมีโครงสร้างใด ๆ มารองรับเพิ่มเติม การรู้ว่าเวลานี้นานเท่าไรจะช่วยให้วิศวกรสามารถกำหนดได้ว่าจะต้องมีการขุดมากน้อยแค่ไหน ก่อนที่การรองรับจะเป็นสิ่งจำเป็น เวลาตั้งตัวยิ่งนานการขุดก็ยิ่งไปได้เร็ว โดยทั่วไปลักษณะบางอย่างของหินและดินเหนียวจะมีเวลาตั้งตัวที่นานมาก ๆ และดินทั่วไปที่เป็นทรายและมีเนื้อละเอียดจะมีเวลาตั้งตัวที่ต่ำกว่ามาก[2]
การควบคุมน้ำบาดาลเป็นสิ่งสำคัญมากในการก่อสร้างอุโมงค์ หากมีน้ำรั่วซึมเข้าไปในอุโมงค์ เวลาตั้งตัวจะลดลงอย่างมาก หากมีน้ำรั่วซึมเข้ามาในเพลาเจาะ มันจะกลายเป็นความไม่แน่นอนและจะไม่มีความปลอดภัยในการทำงาน เพื่อหยุดการรั่วซึมนี้มีวิธีการทั่วไปไม่กี่อย่าง อย่างหนึ่งที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือการแช่แข็งพื้นดิน ในวิธีนี้ท่อจำนวนมากจะถูกดันลงไปในพื้นดินรอบ ๆ เพลาเจาะและมีการหล่อเย็นจนกว่าท่อเหล่านั้นจะเป็นน้ำแข็ง พื้นดินรอบ ๆ ท่อเหล่านั้นก็จะเป็นน้ำแข็งไปด้วย จนเพลาเจาะทั้งหมดถูกล้อมรอบไปด้วยดินแช่แข็ง เป็นการป้องกันไม่ให้น้ำซึมเข้าไปข้างใน วิธีการที่พบมากที่สุดคือการติดตั้งหลายท่อลงไปในดินและเพียงแค่สูบน้ำออก วิธีนี้จะได้ผลสำหรับอุโมงค์และเพลาเจาะ[3]
รูปร่างของอุโมงค์ก็เป็นสิ่งที่สำคัญมากในการกำหนดเวลาตั้งตัว แรงโน้มถ่วงจะกดลงไปตรง ๆ บนอุโมงค์ ดังนั้นหากอุโมงค์มีความกว้างมากกว่าความสูง มันก็จะลำบากยิ่งขึ้นที่จะต้องรับน้ำหนักตัวเอง นี่เป็นการลดเวลาตั้งตัว หากอุโมงค์มีความสูงมากกว่าความกว้าง เวลาตั้งตัวก็จะเพิ่ม ทำให้โครงการง่ายขึ้น รูปร่างที่ยากที่สุดในการรองรับน้ำหนักตัวเองคืออุโมงค์รูปสี่เหลี่ยมจตุรัสหรือรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า แรงก็ยากที่จะกระจายเปลี่ยนเส้นทางไปรอบอุโมงค์ทำให้มันยากมากที่จะรองรับน้ำหนักตัวเอง สิ่งเหล่านี้แน่นอนว่าขึ้นอยู่กับพื้นดินว่าเป็นวัสดุอะไร[4]

ทางเลือกของอุโมงค์เมื่อเทียบกับสะพาน

อุโมงค์ฮาร์เบอร์ในบัลติมอร์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทางหลวงระหว่างรัฐ I-95 เป็นตัวอย่างหนึ่งของอุโมงค์ข้ามน้ำสร้างขึ้นแทนที่จะเป็นสะพาน

สำหรับการข้ามน้ำ อุโมงค์โดยทั่วไปจะแพงมากกว่าการสร้างสะพาน การพิจารณาเพื่อการเดินเรืออาจจำกัดการใช้สะพานสูง หรือช่วงความยาวสะพานที่ตัดกับสถานีขนส่งทางเรือจึงจำเป็นต้องทำเป็นอุโมงค์

สะพานมักจะต้องใช้พื้นที่บริเวณตีนสะพานบนแต่ละฝั่งที่มีขนาดใหญ่กว่าอุโมงค์ ในหลายพื้นที่ที่อสังหาริมทรัพย์มีราคาแพงเช่นแมนฮัตตันและในเมืองฮ่องกง สิ่งนี้เป็นปัจจัยที่แข็งแกร่งที่จะเลือกอุโมงค์มากกว่า โครงการบอสตันบิ๊กดิกได้แทนที่ถนนยกระดับด้วยระบบอุโมงค์เพื่อเพิ่มความจุการจราจร แอบการจราจร การเวนคืนที่ดิน การตบแต่งใหม่ และรวมตัวของเมืองกับสภาพริมน้ำ ในแฮมป์ตันโรดส์ รัฐเวอร์จิเนีย หลายอุโมงค์ได้รับการคัดเลือกแทนที่สะพานเมื่อพิจารณาในเชิงกลยุทธ์ ในกรณีที่มีความเสียหายสะพานจะกีดขวางไม่ให้เรือของกองทัพเรือสหรัฐออกจากสถานีทหารเรือนอร์ฟอล์ก

ถนนอุโมงค์ Queensway 1934 ลอดใต้แม่น้ำเมอร์ซีที่ลิเวอร์พูลได้รับการคัดเลือกเหนือสะพานสูงขนาดใหญ่ด้วยเหตุผลด้านการป้องกัน: มีความกลัวว่าเครื่องบินอาจทำลายสะพานในช่วงสงคราม ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาสะพานขนาดใหญ่เพื่อให้เรือใหญ่ที่สุดในโลกสามารถที่จะเดินทางลอดไปได้ ได้รับการพิจารณาว่าสูงกว่าอุโมงค์เสียอีก ข้อสรุปที่คล้ายกันก็นำมาใช้กับอุโมงค์ Kingsway 1971 ลอดใต้แม่น้ำเมอร์ซี

อุโมงค์ข้ามน้ำที่ถูกสร้างขึ้นแทนสะพานได้แก่อุโมงค์ฮอลแลนด์และอุโมงค์ลินคอล์น ระหว่างรัฐนิวเจอร์ซีย์กับเมืองแมนฮัตตันในนิวยอร์กซิตี อุโมงค์ควีนมิดทาวน์ระหว่างแมนฮัตตันกับเมืองบอโรของเมืองควีนส์ที่ลองไอแลนด์ และอุโมงค์แม่น้ำเอลิซาเบธระหว่างนอร์ฟอล์กกับพอร์ตสมัท เวอร์จิเนีย อุโมงค์ Queensway 1934 ลอดใต้ถนนแม่น้ำเมอร์ซี อุโมงค์เวสเทิร์น Scheldt ในเซลันด์ เนเธอร์แลนด์ และอุโมงค์ North Shore Connector ในพิตส์เบิร์ก เพนซิลเวเนีย

เหตุผลอื่น ๆ สำหรับการเลือกอุโมงค์แทนที่จะเป็นสะพานจะรวมถึงการหลีกเลี่ยงปัญหากับคลื่นลม สภาพอากาศและการขนส่งในระหว่างการก่อสร้าง (อย่างเช่นอุโมงค์ลอดช่องแคบอังกฤษยาว 51.5 กิโลเมตร หรือ 32.0 ไมล์) เหตุผลด้านความงาม (รักษามุมมองเหนือพื้นดิน, ภูมิทัศน์และ ทิวทัศน์) และด้วยเหตุผลความจุน้ำหนัก (มันอาจจะเป็นไปได้มากกว่าที่จะสร้างอุโมงค์แทนสะพานที่แข็งแกร่งเพียงพอ)

การข้ามน้ำบางแห่งเป็นส่วนผสมของสะพานและอุโมงค์เช่น สะพานเออเรซุนด์ที่เชื่อมระหว่างเดนมาร์กกับสวีเดน และสะพานอุโมงค์อ่าวเชซาพีกในรัฐเวอร์จิเนีย

มีตัวอย่างของอันตรายกับอุโมงค์โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากการเกิดเพลิงไหม้รถ เมื่อก๊าซเผาไหม้สามารถทำให้ผู้ใช้สำลักควัน อย่างเช่นที่เกิดขึ้นที่อุโมงค์ถนน Gotthard ในสวิตเซอร์แลนด์ในปี ค.ศ. 2001 หนึ่งในภัยพิบัติทางรถไฟที่เลวร้ายที่สุดเท่าที่เคยมีคืออุบัติเหตุรถไฟ Balvano เกิดจากรถไฟติดค้างอยู่ในอุโมงค์ Armi ในอิตาลีในปี ค.ศ. 1944 มีผู้โดยสารผู้เสียชีวิต 426 ราย

การวางแผนโครงการและประมาณการค่าใช้จ่าย

เงินของรัฐบาลเป็นปัจจัยสำคัญในการสร้างอุโมงค์[5] เมื่ออุโมงค์อยู่ในระหว่างการก่อสร้าง เศรษฐกิจและการเมืองจะเป็นปัจจัยขนาดใหญ่ในกระบวนการตัดสินใจ หน่วยบริหารโครงการเป็นส่วนหนึ่งของการบริหารจัดการการก่อสร้าง/การบริหารโครงการด้านงานวิศวกรรมโยธา ระยะเวลาโครงการจะต้องมีการระบุในโครงสร้างงานแยกย่อย (อังกฤษ: work breakdown structure (WBS)) และวิธีการเส้นทางวิกฤต (อังกฤษ: critical path method (CPM)) เพื่อเข้าใจเกี่ยวกับปริมาณเวลาโครงการต้องมีปริมาณของแรงงานและวัสดุที่ต้องใช้เป็นส่วนสำคัญของโครงการ นอกจากนี้ปริมาณของที่ดินที่จะต้องมีการขุดและเครื่องจักรที่เหมาะสมที่จำเป็น ก็ยังเป็นสิ่งสำคัญมากอีกด้วย เนื่องจากโครงสร้างพื้นฐานจำเป็นต้องใช้เงินจำนวนมาก การแสวงหาเงินทุนเหล่านี้เป็นสิ่งที่ท้าทาย

ความจำเป็นสำหรับโครงสร้างพื้นฐานเช่นอุโมงค์จะต้องมีการระบุ ข้อขัดแย้งทางการเมืองมีโอกาสที่จะก่อให้เกิดปัญหาอย่างที่เคยเกิดในปี ค.ศ. 2005 เมื่อสภาผู้แทนราษฎรสหรัฐได้ผ่านร่างกฎหมายอนุมัติงบประมาณของรัฐบาลกลาง 100 ล้านเหรียญสหรัฐในการสร้างอุโมงค์ในท่าเรือนิวยอร์ก อย่างไรก็ตามการท่าเรือแห่งนิวยอร์กและนิวเจอร์ซีย์ได้เพิกเฉยต่อกฎหมายดังกล่าว และไม่เคยขอเงินช่วยเหลือหรือขอให้มีโครงการ[6] สถานะปัจจุบันของเศรษฐกิจได้สะท้อนให้เห็นถึงจำนวนเงินที่รัฐบาลสามารถให้แก่โครงการสาธารณะ เนื่องจากเงินของผู้เสียภาษีถูกส่งไปที่โครงการต่าง ๆ เช่นการสร้างอุโมงค์หรือโครงสร้างพื้นฐานอื่น ๆ ภาษีที่เพิ่มขึ้นอาจทำให้เกิดปัญหา[7]