อุโมงค์จะถูกขุดผ่านประเภทของวัสดุที่แตกต่างตั้งแต่ดินเหนียวนุ่มจนถึงหินแข็ง วิธีการก่อสร้างอุโมงค์ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ เช่นสภาพของดิน สภาพของน้ำใต้ดิน ความยาวและขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของอุโมงค์ ความลึกของอุโมงค์ การจัดส่งเพื่อสนับสนุนการขุดดิน การใช้งานและรูปร่างขั้นสุดท้ายของอุโมงค์ และการจัดการความเสี่ยงที่เหมาะสม

พื้นฐานของการก่อสร้างอุโมงค์ที่มีการใช้กันอยู่ทั่วไปมีสองประเภท คือ

1. อุโมงค์แบบขุดและกลบ สร้างขึ้นในร่องตื้นแล้วกลบด้านบน
2. อุโมงค์แบบเจาะ สร้างในไซต์งานโดยไม่ต้องรื้อพื้นดินด้านบนออก พวกมันมักจะมีหน้าตัดเป็นวงกลมหรือเกือกม้า

อนึ่ง ในปัจจุบันมีการสร้างอุโมงค์แบบท่อ (อังกฤษ: Immersed tube tunnel) โดยการสร้างท่อเหมือนหลอดบนฝั่ง แล้วนำไปวางบนพื้นทะเลหรือฝังตื้น ๆ ใต้พื้นทะเล

ขุดและกลบ

การก่อสร้างแบบขุดและกลบของรถไฟฟ้าปารีสในฝรั่งเศส

ขุดและกลบ เป็นวิธีที่ง่ายของการก่อสร้างอุโมงค์ตื้น ๆ โดยการขุดเป็นร่องและปิดเป็นหลังคาด้านบนด้วยโครงสร้างรองรับที่แข็งแรง พอที่จะแบกน้ำหนักของสิ่งที่จะถูกสร้างขึ้นเหนืออุโมงค์นั้น พื้นฐานของการขุดและกลบอุโมงค์มีอยู่สองรูปแบบ ได้แก่

1. วิธีจากล่างขึ้นบน (อังกฤษ: Bottom-up method): ร่องจะถูกขุดขึ้นเป็นส่วนด้านล่าง อาจต้องตอกเข็มตามความจำเป็น แล้วสร้างเป็นอุโมงค์ขึ้นด้านบน อุโมงค์อาจเทคอนกรีตในไซต์งาน หรือใช้คอนกรีตหล่อสำเร็จ ซุ้มโค้งแบบสำเร็จ หรือโค้งเหล็กลูกฟูก ในยุคแรกจะใช้การก่ออิฐ จากนั้นร่องจะถูกกลบอย่างระมัดระวังและพื้นผิวถูกปรับให้กลับเป็นเหมือนเดิม
2. วิธีจากบนลงล่าง (อังกฤษ: Top-down method): ตอนแรกจะสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่เหมือนกล่องคว่ำหน้า คือมีผนังรองรับด้านข้างโดยรอบและคานเหล็กปิดหัวที่ระดับพื้นดิน โดยวิธีการเช่นกำแพงสารละลายทึบน้ำ (อังกฤษ: slurry wall) (เป็นวิธีการควบคุมการแพร่กระจายของสารปนเปื้อนต่อน้ำใต้ดิน วัสดุที่ใช้ก่อสร้างกำแพงทึบน้ำทำจากดินเหนียวผสมเบนโทไนต์ หรือซีเมนต์ผสมเบนโทไนต์ หรือการอัดฉีดซีเมนต์ โดยจะก่อสร้างกำแพงทึบน้ำในแนวดิ่ง เพื่อควบคุมการแพร่กระจายของสารปนเปื้อนในแนวราบ สามารถก่อสร้างได้ทั้งด้านต้นน้ำและท้ายน้ำ ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ของสิ่งแวดล้อม) หรือการปักเสาเข็มเจาะติดกัน (อังกฤษ: contiguous bored piling) จากนั้น ทำการขุดดินตื้นเพื่อสร้างหลังคาอุโมงค์ด้วยคานสำเร็จรูปหรือหล่อในแหล่ง จากนั้น พื้นผิวด้านบนจะถูกคืนสภาพยกเว้นช่องเปิดเพื่อเป็นทางเข้า การทำเช่นนี้จะช่วยให้คืนสภาพของการจราจรได้เร็วขึ้น การบริการและการใช้งานพื้นผิวอื่น ๆ การขุดอุโมงต์จะเกิดขึ้นภายใต้หลังคาอุโมงค์ถาวรและแผ่นพื้นจะถูกสร้างขึ้นเป็นฐาน

อุโมงค์ที่ตื้นมักจะเป็นแบบขุดและกลบ (ถ้าอยู่ใต้น้ำจะเป็นชนิดจุ่มน้ำ) ในขณะที่อุโมงค์ที่ลึกจะเป็นแบบขุด มักจะใช้วิธีโล่อุโมงค์ (อังกฤษ: tunnelling shield) สำหรับอุโมงค์ระดับกลางอาจใช้ได้ทั้งสองวิธี

กล่องแบบขุดและกลบขนาดใหญ่หลายกล่องมักจะใช้สำหรับสร้างสถานีรถไฟใต้ดินในเมือง เช่นสถานีรถไฟใต้ดินคานารีวาร์ฟในกรุงลอนดอน รูปแบบการก่อสร้างนี้โดยทั่วไปมีสองระดับซึ่งจะช่วยให้มีการประหยัดพื้นที่สำหรับห้องโถงขายตั๋ว ชานชาลา ทางเข้าของผู้โดยสารและทางออกฉุกเฉิน การระบายอากาศและการควบคุมควัน ห้องพักเจ้าหน้าที่และห้องอุปกรณ์ ภายในสถ​​านี Canary Wharf ถูกทำให้เหมือนโบสถ์ใต้ดินแห่งหนึ่งเนื่องจากขนาดที่แท้จริงของการขุดดิน การทำเช่นนี้ขัดกับสถานีแบบดั้งเดิมจำนวนมากในรถไฟใต้ดินลอนดอน ในที่ซึ่งอุโมงค์แบบเจาะถูกนำมาใช้สำหรับสถานีและทางเข้าของผู้โดยสาร อย่างไรก็ตามส่วนดั้งเดิมของเครือข่าย 'รถไฟใต้ดินลอนดอน' หรือ 'การรถไฟมหานครและเขต' ถูกสร้างขึ้นโดยใช้แบบขุดและกลบ เส้นทางรถไฟฟ้าระบบรางในยุคแรกและการก่อสร้างที่ใกล้กับผิวดินเหล่านี้ เป็นประโยชน์ในการระบายควันและไอน้ำที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

ข้อเสียที่สำคัญของการขุดและกลบก็คือ การทำให้เกิดการกีดขวางอย่างกว้างขวางในระดับพื้นผิวในระหว่างการก่อสร้าง สิ่งนี้และความพร้อมของไฟฟ้​​าระบบรางได้ทำให้ระบบขนส่งใต้ดินของลอนดอน เปลี่ยนไปใช้วิธีการสร้างอุโมงค์แบบเจาะในระดับที่ลึกกว่าเดิมไปจนถึงช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19

เครื่องเจาะ

เครื่องเจาะอุโมงค์ที่ใช้ในการขุดอุโมงค์ Gotthard Base (สวิตเซอร์แลนด์), อุโมงค์ที่ยาวที่สุดในโลก

เครื่องเจาะอุโมงค์ (อังกฤษ: Tunnel Boring Machine (TBM)) และระบบสำรองที่เกี่ยวข้องจะใช้ในกระบวนการอัตโนมัติอย่างสูงสำหรับการขุดอุโมงค์อย่างครบวงจร เป็นการลดค่าใช้จ่ายในการขุดอุโมงค์ ในการใช้งานในเมืองเป็นส่วนใหญ่ การเจาะอุโมงค์ถูกมองว่าเป็นทางเลือกที่รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพด้านค่าใช้จ่ายดีกว่าเมื่อเทียบกับการวางรางและถนนบนพื้นผิว ราคาของอาคารและที่ดินที่แพงและการจัดซื้อที่อาจต้องใช้เวลานานจะถูกกำจัดออกไป ข้อเสียของ TBM เกิดขึ้นจากขนาดที่มักจะใหญ่และความยากลำบากในการขนส่ง TBM ขนาดใหญ่ไปยังไซต์งานการก่อสร้างอุโมงค์ หรือ (อีกทางหนึ่ง) ค่าใช้จ่ายที่สูงในการประกอบ TBM ในสถานที่ขุดเจาะที่มักจะอยู่ในบริเวณที่จะสร้างอุโมงค์

TBM มีการออกแบบที่หลากหลายที่สามารถทำงานในหลายสภาพตั้งแต่หินแข็งจนถึงดินชุ่มน้ำ บางชนิดของ TBM เป็นเครื่องที่ใช้สารละลายเบนโทไนต์และแรงดันดินแบบสมดุล ซึ่งจะมีห้องแรงดันสูงอยู่ด้านหน้าของเครื่องที่ช่วยให้มันทำงานได้ในสภาวะที่ยากลำบากใต้พื้นน้ำ Pressurizes ห้องนี้จะอัดแรงดันไปที่ชั้นดินข้างหน้าของหัวตัดของเครื่อง TBM เพื่อทำสมดุลกับแรงดันของน้ำ ผู้ขับเครื่องจะทำงานในความดันอากาศปกติอยู่ด้านหลังห้องแรงดันนี้ แต่บางครั้งอาจจะต้องเข้าไปในห้องนี้เพื่อเปลี่ยนหรือซ่อมแซมหัวตัด กระบวนการนี้ต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเช่นการรักษาพื้นดินท้องถิ่นหรือการหยุดเครื่อง TBM ที่ตำแหน่งที่ไม่มีน้ำ แม้จะมีปัญหาเหล​​่านี้ TBM ก็ยังเป็นที่ต้องการในขณะนี้มากกว่าวิธีการขุดอุโมงค์แบบเก่าในอากาศที่ถูกบีบอัด ที่มีห้องล็อกอากาศ/ลดแรงดันอยู่ด้านหลังของเครื่อง TBM ซึ่งผู้ปฏิบัติงานจะต้องทำงานในความดันสูง และเมื่อเลิกงานจะต้องผ่านขั้นตอนการลดแรงดันเหมือนนักดำน้ำในทะเลลึก

ในเดือนกุมภาพันธ์ปี ค.ศ. 2010 บริษัท Aker Wirth ได้จัดส่งเครื่อง TBM ไปให้ในงานขยายสถานีพลังงาน ลินท์-ลิมเมิร์น ในสวิตเซอร์แลนด์ หลุมเจาะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 8.03 เมตร (26.3 ฟุต)[8] เครื่องเจาะ TBM สี่ตัวใช้สำหรับการขุดอุโมงค์ Gotthard Base ในสวิสยาว 57 กิโลเมตร (35 ไมล์) มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 9 เมตร (30 ฟุต) เครื่อง TBM ขนาดที่ใหญ่กว่าสร้างขึ้นเพื่อเจาะอุโมงค์ Green Heart (ดัตช์: อุโมงค์ Groene Hart) เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ HSL- Zuid ในเนเธอร์แลนด์มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 14.87 เมตร (48.8 ฟุต)[9] ซึ่งในทางกลับถูกแทนที่โดยถนนวงแหวน มาดริด M30 ในสเปน และอุโมงค์ลอดใต้แม่น้ำ Yangtze (อุโมงค์ Chong Ming) ในเซี่ยงไฮ้ของจีน ทั้งหมดของเครื่องเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นอย่างน้อยบางส่วนโดยบริษัท Herrenknecht. ณ เดือนสิงหาคม ค.ศ. 2013 เครื่อง TBM ที่ใหญ่ที่สุดในโลกคือ "บิ๊กเบอร์ธา" ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 57.5 ฟุต (17.5 เมตร) สร้างโดย Hitachi Zosen คอร์ปอเรชันซึ่งทำการขุดทางทดแทนสะพานอุโมงค์อะแลสกาเวย์ ในซีแอตเติล วอชิงตัน (US)[10]

เตะดิน

เตะดิน (อังกฤษ: clay-kicking) เป็นวิธีการเฉพาะที่มีการพัฒนาในสหราชอาณาจักรในการขุดอุโมงค์ขุดด้วยมือบนโครงสร้างของดินเหนียว (อังกฤษ: clay) (ชื่อของเนื้อดิน (soil texture) ซึ่งประกอบด้วยสัดส่วนโดยมวลของกลุ่มอนุภาคดินเหนียวตั้งแต่ร้อยละ 40 ขึ้นไป และกลุ่มอนุภาคทรายไม่เกินร้อยละ 45 และดินอนุภาคทรายแป้ง (silt) ไม่เกินร้อยละ 40) ที่แข็งแรง ซึ่งแตกต่างจากวิธีการขุดด้วยมือก่อนหน้านี้ที่ใช้อีเต้อ (อังกฤษ: mattocks) ซึ่งใช้กับโครงสร้างของดินทั่วไป (อังกฤษ: soil) (เทหวัตถุธรรมชาติซึ่งเกิดขึ้นบนพื้นผิวโลก เป็นวัตถุที่ค้ำจุนการเจริญเติบโตและการทรงตัวของต้นไม้ ประกอบด้วยแร่ธาตุและอินทรียวัตถุต่าง ๆ และมีลักษณะชั้นแตกต่างกัน ซึ่งแต่ละชั้นที่อยู่ต่อเนื่องกันจะมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันตามกระบวนการกำเนิดดิน ที่เป็นผลสืบเนื่องมาจากการกระทำร่วมกันของภูมิอากาศ พืชพรรณ วัตถุต้นกำเนิดดิน ตลอดทั้งระยะเวลาและความต่างระดับของพื้นที่ในบริเวณนั้น) ที่จะต้องใช้แรงมาก เตะดินค่อนข้างเงียบและด้วยเหตุนี้เองที่มันไม่ได้เป็นอันตรายต่อโครงสร้างพื้นฐานของดินอ่อน

ปล่อง

ภาพวาดในปี ค.ศ. 1886 แสดงระบบการระบายอากาศและระบบระบายน้ำของอุโมงค์รถไฟเมอร์ซี

ปล่อง (ช่องชาร์ฟ) ทางเข้าชั่วคราวบางครั้งเป็นสิ่งจำเป็นในระหว่างการขุดอุโมงค์ มันมักจะกลมและเจาะตรงลงไปจนถึงระดับอุโมงค์ ปล่องปกติจะมีผนังเป็นคอนกรีตและมักจะถูกสร้างขึ้นเป็นแบบถาวร เมื่อปล่องทางเข้าเสร็จสมบูรณ์ เครื่องTBM จะถูกหย่อนลงไปที่ด้านล่างและเริ่มต้นการขุดได้ ปล่องเป็นทางเข้าและทางออกหลักของอุโมงค์จนกว่าโครงการจะเสร็จสมบูรณ์ หากอุโมงค์มีความยาวมาก ปล่องอาจมีการสร้างหลายจุดเพื่อให้มีทางเข้าออกของอุโมงค์อยู่ใกล้กับพื้นที่ที่ไม่ถูกขุด [4]

หลังจากการก่อสร้างเสร็จสมบูรณ์ ปล่องเข้าออกมักจะใช้เป็นช่องระบายอากาศและยังอาจใช้เป็นทางออกฉุกเฉินได้อีกด้วย

เทคนิคคอนกรีตแบบพ่น

วิธีสร้างอุไมงค์แบบออสเตรียใหม่ (อังกฤษ: New Austrian Tunneling Method (NATM)) ได้รับการพัฒนาในปี 1960s และเป็นที่รู้จักกันดีที่สุดของในการแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่ใช้การวัดแบบคำนวณและเชิงประจักษ์ในเวลาจริง เพื่อหาการสนับสนุนที่มีประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยที่สูงที่สุดสำหรับการซับในของอุโมงค์ แนวคิดหลักของวิธีนี้คือการใช้ความเครียดทางธรณีวิทยาของมวลหินโดยรอบ เพื่อรักษาเสถียรภาพของตัวอุโมงค์เอง โดยการกำหนดค่าการยืดหยุ่นและค่าความเครียดที่วัดได้ให้ใหม่กับหินโดยรอบ เพื่อป้องกันไม่ให้โหลดจำนวนเต็มกดทับลงไปบนโครงสร้างที่รองรับตัวอุโมงค์. โดยขึ้นอยู่กับการวัดด้านปฐพีเทคนิค ภาคตัดขวางทางธรณีวิทยาที่ดีที่สุดจะถูกคำนวณออกมา การขุดจะได้รับการคุ้มครองทันทีหลังจากขุดโดยคอนกรีตพ่นเป็นชั้น ๆ ที่ปกติจะเรียกว่า shotcrete มาตรการในการรองรับน้ำหนักอื่น ๆ อาจรวมถึงการทำซุ้มประตูเหล็ก และเหล็กเสียบ (อังกฤษ: rockbolts) และตาข่าย การพัฒนาทางเทคโนโลยีในการฉีดพ่นคอนกรีตมีผลให้มีการเพิ่มเหล็กและเส้นใยพอลิโพรพิลีน เข้ามาผสมกับคอนกรีตเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของการซับใน ซึ่งจะสร้างวงแหวนแบกโหลดตามธรรมชาติที่ช่วยลดความผิดปกติของหิน

อุโมงค์สาธารณูปโภค Illowra Battery ที่ Port Kembla หนึ่งในหลายบังเกอร์ทางตอนใต้ของซิดนีย์

โดยการตรวจสอบพิเศษ วิธี NATM มีความยืดหยุ่นมาก แม้ในการเปลี่ยนแปลงที่ไม่คาดคิดของความแน่นอนของสภาพทางปฐพีเทคนิคของหินในระหว่างการทำงานอุโมงค์ คุณสมบัติของหินที่วัดได้ทำให้เกิดเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับการเสริมสร้างความแข็งแกร่งของอุโมงค์ ในทศวรรษที่ผ่านมา การขุดเจาะพื้นดินนุ่มที่สามารถทำได้ยาวถึง 10 กิโลเมตร (6.2 ไมล์) กลายเป็นเรื่องธรรมดา

การดันท่อ

ในการดันท่อ (อังกฤษ: Pipe jacking) เครื่องดันแบบไฮโดรลิกจะใช้ในการดันเพื่อทำเป็นท่อพิเศษผ่านพื้นดินที่อยู่เบื้องหลัง TBM หรือโล่ ใช้กันทั่วไปในการสร้างอุโมงค์ภายใต้โครงสร้างที่มีอยู่เช่นถนนหรือทางรถไฟ อุโมงค์ที่สร้างขึ้นโดยการดันท่อตามปกติมีขนาดเล็ก ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางสูงสุดประมาณ 3.2 ม.

การดันกล่อง

การดันกล่อง (อังกฤษ: Boxjacking) คล้ายกับการดันท่อ แต่แทนที่จะเป็นท่อ แต่เป็นกล่องรูปอุโมงค์ กล่องที่ถูกดันอาจมีช่วงยาวกว่าท่อดันที่มีช่วงยาวของกล่องในบางส่วนที่เกินกว่า 20 เมตร หัวตัดปกติจะถูกใช้ที่ด้านหน้าของกล่องที่ถูกดันและการขุดปกติจะทำโดยตัวขุดจากภายในกล่อง

อุโมงค์ใต้น้ำ

อุโมงค์ปลาฉลามที่พิพิธภัณฑ์สัตว์น้ำจอร์เจีย

มีหลายวิธีในการสร้างอุโมงค์ใต้น้ำ มีสองวิธีที่พบมากที่สุดคือแบบขุดเจาะและแบบจุ่มน้ำ ตัวอย่างได้แก่ อุโมงค์ Bjørvika และอุโมงค์ Marmaray อุโมงค์แบบลอยโผล่บนน้ำเป็นแนวทางใหม่ที่อยู่ระหว่างการพิจารณา แต่ยังไม่มีอุโมงค์ดังกล่าวสร้างขึ้นในปัจจุบัน

ทางชั่วคราว

ในระหว่างการก่อสร้างอุโมงค์ มักจะสะดวกในการสร้างระบบรางชั่วคราวโดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อขนดินที่ขุดออกมาด้านนอก ระบบรางชั่วคราวมักจะเป็นแบบรางแคบเพื่อที่จะสามารถสร้างเป็นรางคู่ เพื่อให้ทำเป็นรางเปล่าและรางขนโหลดได้ในเวลาเดียวกัน ทางชั่วคราวจะถูกแทนที่ด้วยทางถาวรเมื่อโครงการเสร็จสิ้น ทางถาวรจึงถูกเรียกว่า "Perway"

การขยายตัว

อุโมงค์สาธารณูปโภคในกรุงปราก

ยานพาหนะหรือการจราจรที่ใช้อุโมงค์สามารถเติบโตเร็วกว่าตัวอุโมงค์เอง จึงต้องมีการเปลี่ยนหรือขยายตัว อุโมงค์ Gib ใกล้ Mittagong แต่เดิมเป็นแบบรางเดี่ยว จึงถูกแทนที่ด้วยอุโมงค์แบบรางคู่ โดยที่อุโมงค์เดิมถูกใช้สำหรับปลูกเห็ด[11] อุโมงค์ Rhyndaston ถูกขยายโดยใช้ TBM ที่ยืมมาเพื่อที่จะสามารถรองรับตู้คอนเทนเนอร์มาตรฐานได้

อุโมงค์แบบรางคู่ในปี ค.ศ. 1836 ยาวหนึ่งไมล์จาก Edge Hill ไปยัง Lime Street ในลิเวอร์พูลได้ถูกริ้อย้ายออกทั้งหมด (ยกเว้นช่วง 50 เมตรจาก Edge Hill) เพื่อทำเป็นแบบสี่ราง อุโมงค์ถูกดัดแปลงให้เป็นแบบสี่รางด้วยวิธีขุดที่ลึกมากและมีส่วนที่เป็นอุโมงค์สี่รางเพียงระยะสั้น ๆ บริการของรถไฟไม่ได้ถูกขัดจังหวะในระหว่างการทำงาน รูปถ่ายระหว่างการทำงานสามารถดูได้จาก:[12][13] อุโมงค์ออเบิร์นเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของการแทนที่อุโมงค์ด้วยวิธีการขุดเปิด (อังกฤษ: open cut)

นอกจากนี้อุโมงค์ยังสามารถขยายขนาดโดยการลดระดับพื้นให้ต่ำลง[14]

หลุมที่สร้างแบบเปิด

หลุมที่สร้างแบบเปิด (อังกฤษ: Open building pit) ประกอบด้วยขอบเขตแนวนอนและแนวตั้งที่กันไม่ให้น้ำใต้ดินและดินเข้าไปในบ่อ มีทางเลือกและรูปแบบผสมที่มีศักยภาพหลายอย่างสำหรับขอบเขต (แนวนอนและแนวตั้ง) ของหลุมที่สร้าง ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดจากการขุดและกลบก็คือหลุมที่สร้างจะไม่มีหลังคา

วิธีการก่อสร้างอื่น ๆ

• เจาะและระเบิด (อังกฤษ: Drill and blasting)
• เครื่องเจาะไฮโดรลิค (อังกฤษ: Hydraulic splitter)
• เครื่องกั้นสารละลายข้น (อังกฤษ: Slurry-shield machine)
• วิธีก่อสร้างด้วยกำแพงและหลังคา (อังกฤษ: Wall-cover construction method)