Tunnels de canaux et de chemins de fer
Parce que les tunnels limités au Moyen Âge étaient principalement destinés au génie minier et militaire, la prochaine avancée majeure consistait à répondre aux besoins croissants de transport de l’Europe au 17ème siècle. Le premier des nombreux grands tunnels du canal était le tunnel du Canal du Midi (également connu sous le nom de Languedoc) en France, construit en 1666-81 par Pierre Riquet dans le cadre du premier canal reliant l’Atlantique et la Méditerranée. D’une longueur de 515 pieds et d’une section transversale de 22 pieds sur 27 pieds, il s’agissait probablement de la première utilisation majeure d’explosifs dans les tunnels des travaux publics, de la poudre à canon placée dans des trous percés par des foreuses à fer à main. Un tunnel de canal remarquable en Angleterre était le tunnel du canal de Bridgewater, construit en 1761 par James Brindley pour transporter du charbon à Manchester depuis la mine de Worsley. De nombreux autres tunnels ont été creusés en Europe et en Amérique du Nord au 18e et au début du 19e siècle. Bien que les canaux soient tombés en désuétude avec l’introduction des chemins de fer vers 1830, la nouvelle forme de transport a produit une énorme augmentation du tunnelage, qui s’est poursuivie pendant près de 100 ans à mesure que les chemins de fer se développaient dans le monde entier. Beaucoup de tunnels ferroviaires pionniers se sont développés en Angleterre. Un tunnel de 3,5 milles (la tête de bois) du chemin de fer Manchester-Sheffield (1839-45) a été conduit à partir de cinq puits jusqu’à 600 pieds de profondeur. Aux États-Unis, le premier tunnel ferroviaire était une construction de 701 pieds sur le chemin de fer Allegheny Portage. Construit en 1831-33, il était une combinaison de canaux et de chemins de fer, transportant des barges de canal sur un sommet. Bien que les plans pour une liaison de transport de Boston à la rivière Hudson aient d’abord demandé un tunnel sous le canal pour passer sous les montagnes du Berkshire, en 1855, lorsque le tunnel de Hoosac a été commencé, les chemins de fer avaient déjà établi leur valeur, et les plans ont été modifiés pour un chemin de fer à double voie de 24 par 22 pieds et 4,5 miles de long. Les estimations initiales prévoyaient un achèvement dans 3 ans; 21 étaient en fait nécessaires, en partie parce que la roche s’est avérée trop dure pour le forage à la main ou une scie électrique primitive. Lorsque l’État du Massachusetts a finalement repris le projet, il l’a achevé en 1876 à cinq fois le coût initialement estimé. Malgré les frustrations, le tunnel de Hoosac a contribué à des progrès notables dans le percement de tunnels, notamment l’une des premières utilisations de la dynamite, la première utilisation du tir électrique d’explosifs et l’introduction de perceuses électriques, initialement à vapeur et plus tard à air, à partir desquelles s’est finalement développée une industrie de l’air comprimé.
Simultanément, des tunnels ferroviaires plus spectaculaires traversaient les Alpes. Le premier d’entre eux, le tunnel du Mont Cenis (également connu sous le nom de Fréjus), a nécessité 14 ans (1857-71) pour achever sa longueur de 8,5 milles. Son ingénieur, Germain Sommeiller, a introduit de nombreuses techniques pionnières, notamment des chariots de forage montés sur rail, des compresseurs d’air à vérin hydraulique et des camps de construction pour les travailleurs avec dortoirs, logements familiaux, écoles, hôpitaux, bâtiment de loisirs et ateliers de réparation. Sommeiller a également conçu une perceuse pneumatique qui a finalement permis de faire avancer le tunnel à raison de 15 pieds par jour et a été utilisée dans plusieurs tunnels européens ultérieurs jusqu’à ce qu’elle soit remplacée par des foreuses plus durables développées aux États-Unis par Simon Ingersoll et d’autres sur le tunnel de Hoosac. Comme ce long tunnel était conduit à partir de deux caps séparés par 7,5 miles de terrain montagneux, les techniques d’arpentage ont dû être affinées. La ventilation est devenue un problème majeur, qui a été résolu par l’utilisation d’air forcé provenant de ventilateurs alimentés en eau et d’un diaphragme horizontal à mi-hauteur, formant un conduit d’échappement au sommet du tunnel. Le Mont Cenis fut bientôt suivi par d’autres tunnels ferroviaires alpins remarquables: le Saint-Gothard de 9 milles (1872-1882), qui introduisait des locomotives à air comprimé et souffrait de problèmes majeurs d’afflux d’eau, de roches faibles et de faillites d’entrepreneurs; le Simplon de 12 milles (1898-1906); et le Lötschberg de 9 milles (1906-11), sur une continuation nord de la ligne de chemin de fer du Simplon.
À près de 7 000 pieds sous la crête de la montagne, le Simplon a rencontré des problèmes majeurs dus à des roches fortement sollicitées s’échappant des murs par éclats de roche; à une pression élevée dans les schistes faibles et le gypse, nécessitant un revêtement de maçonnerie de 10 pieds d’épaisseur pour résister aux tendances de gonflement dans les zones locales; et à de l’eau à haute température (130 ° F), qui a été en partie traitée par pulvérisation de sources froides. Conduire Simplon comme deux tunnels parallèles avec des connexions croisées fréquentes a considérablement facilité la ventilation et le drainage.
Le Lötschberg fut le théâtre d’une catastrophe majeure en 1908. Lorsqu’un cap passait sous la vallée de la rivière Kander, un afflux soudain d’eau, de gravier et de roches brisées remplit le tunnel sur une longueur de 4 300 pieds, ensevelissant tout l’équipage de 25 hommes. Bien qu’un panneau géologique ait prédit que le tunnel se trouverait ici dans un substrat rocheux solide bien en dessous du fond du remblai de la vallée, une enquête ultérieure a montré que le substrat rocheux se trouvait à une profondeur de 940 pieds, de sorte qu’à 590 pieds, le tunnel exploitait la rivière Kander, ce qui lui permettait, ainsi que le sol du remblai de la vallée, de se déverser dans le tunnel, créant une énorme dépression, ou un évier, à la surface. Après cette leçon sur la nécessité d’améliorer les recherches géologiques, le tunnel a été détourné à environ un mile (1,6 km) en amont, où il a traversé avec succès la vallée de Kander dans Sound rock.
La plupart des tunnels rocheux à longue distance ont rencontré des problèmes d’afflux d’eau. L’un des plus célèbres fut le premier tunnel japonais de Tanna, conduit à travers le pic Takiji dans les années 1920.Les ingénieurs et les équipages ont dû faire face à une longue succession d’entrées extrêmement importantes, dont la première a tué 16 hommes et enterré 17 autres, qui ont été secourus après sept jours de tunnel à travers les débris. Trois ans plus tard, un autre afflux important a noyé plusieurs travailleurs. En fin de compte, les ingénieurs japonais ont décidé de creuser un tunnel de drainage parallèle sur toute la longueur du tunnel principal. De plus, ils ont eu recours à des tunnels à air comprimé avec bouclier et sas, une technique presque inédite dans les tunnels de montagne.