новости   интересные ссылки
схема метро      
библиотека      
 
линии     факты     будущее     вагоны     история     строительство     эксплуатация
проектирование линийперегонные тоннелитоннелепроходческие щитыпилонные станцииколонные станцииодносводчатые станциимелкое заложениеэстакадные линииреконструкция станций
строительство метро

Тоннелепроходческие комплексы



История проходческих щитов началась в позапрошлом веке в Англии. Первый щит был построен инженером Брюнелем для прокладки тоннеля под Темзой.

Чтобы понять устройство современных щитовых проходческих комплексов, сначала разберемся, откуда пришло само понятие "щит", ведь с рыцарским доспехом то, что мы видим на фотографиях, не имеет ничего общего :-). Щитом (от англ. "shield") это устройство стали называть потому, что основной задачей была защита проходчиков в забое от обрушения породы на коротком участке между забоем и местом, где постоянная обделка тоннеля уже готова. Постепенно, конструкции щитов усложнялись - от просто замкнутой стальной конструкции (кстати, первые щиты вовсе не были круглыми), до современных сложнейших тоннелепроходческих комплексов.

На первых щитах грунт в забое выбирался рабочими вручную с помощью лопаты, кирки, позже отбойного молотка, и удалялся через построенный тоннель на вагонетках. Для продвижения щита вперед использовались винтовые домкраты, которые упирались в готовый участок тоннельной обделки и толкали щит вперед. Впоследствии, вместо винтовых домкратов стали применяться гидравлические. Это был уже колоссальный шаг вперед, значительно повысивший скорость проходки. Мощные домкраты и сейчас остаются одним из основных узлов современных проходческих комплексов. Следующим шагом стало почти повсеместное использование сборной обделки из крупных элементов - первоначально - чугунных тюбингов. Такая конструкция обделки обладает рядом замечательных качеств - помимо способности выдерживать гигантское давление и герметичности, немаловажным является именно возможность сборки кольца из небольшого количества крупных элементов. Использование механизмов, позволяющих сразу устанавливать тюбинги в требуемое положение (тюбингоукладчиков), значительно повысило скорость возведения обделки.

В водонасыщенных грунтах работа зачастую шла с применением кессона. Тоннель позади щита перегораживался герметичной переборкой, устанавливался шлюз для прохода людей к забою. Компрессором в забой нагнетался сжатый воздух. Повышенное до нескольких атмосфер давление позволяло буквально отжимать воду в глубину породы и исключало ее поступление в забой. Однако работа проходчиков при высоком давлении накладывала серьезные ограничения - продолжительность смены была не более 2-х часов, потом проводилось длительное шлюзование. Часто у строителей возникала кессонная болезнь, требовавшая многочасового нахождения в барокамере.

Так как размеры тоннелей все время росли, в передней части щита появились горизонтальные площадки, которые позволили рабочим разрабатывать грунт одновременно с двух (а иногда и более) ярусов. Однако скорость проходки все равно была очень невысокой из-за большого количества ручного труда, стесненности пространства, нередких аварий, выбросов породы и прорывов грунтовых вод в забой. Первый в СССР проходческий щит работал при строительстве тоннеля на перегоне "Площадь Дзержинского" ("Лубянка") - "Охотный ряд". Там впервые в мире была применена сборная бетонная обделка. При строительстве второй очереди на трассах одновременно работало 42 щита - это абсолютный мировой рекорд. Щитовыми комплексами большого диаметра строились и станционные тоннели.

 
Комплекс тоннелепроходческий немеханизированный

Немеханизированный проходческий щит ШН-1С завершил проходку тоннеля Бутовской линии. Установка тюбинга в проектное положение при помощи тюбингоукладчика. Породопогрузочная машина.
Фото Russos ©Фото Олег Макаров ©

Для проходки в песчаных грунтах щиты стали оснащаться в головной части горизонтальными рассекающими площадками, удерживающими забой от осыпания Такой щит вдавливается в породу домкратами, грунт ссыпается вниз и собирается погрузчиком.

Следующим шагом стало практически полное исключение ручного труда, за счет механизации процесса разработки породы в забойной части. Как правило, на оси щита устанавливается мощный стальной ротор с резцами, который разрабатывает породу в забое. Дальше порода подается на конвейер, откуда пересыпается в вагонетки и вывозится по уже построенному тоннелю. Существуют щиты и с ковшовым рабочим органом - для более мягких пород.

Впервые в СССР опытный механизированный щит работал в 1949 году на строительстве Кольцевой линии в Москве и построил несколько сотен метров тоннеля на участке "Киевская" - "Парк Культуры". Широкое применение механизированных щитов началось со второй половины 50-х в на Рижском радиусе (механизированный щит т.н. московской конструкции), в Ленинграде по всей трассе (т.н. ленинградский щит) и в Киеве (соответственно, киевский щит). Разная конструкция обуславливалась разными грунтами: в Москве - "бутерброд" из известняков/юрских глин/сухих супесей и суглинков, в Петербурге - плотные сухие кембрийские глины, в Киеве - мягкие пластичные глины.

Для проходки в сложных водонасыщенных грунтах стало применяться кессонирование (работа под давлением сжатого воздуха) забойной части. Труд проходчика превратился в квалифицированную работу оператора. Современные средства навигации - гироскопы и лазерные теодолиты позволяют щиту точно выдерживать проектные значения трассы, как в плане, так и в профиле. Ручной труд сохранился только при необходимости замены изношенных резцов. Мировой рекорд скорости проходки - 1250 метров тоннеля в месяц - поставлен серийным щитом КТ-1-5,6 на участке строительства перегонного тоннеля в Ленинграде на участке от "Пионерской" до "Удельной" в 1981 году. В 70-х - 80-х годах эти щиты считались одними из самых совершенных в мире.

 
Комплекс тоннелепроходческий механизированный

Механизированный проходческий щит LOVAT завершил проходку тоннеля Бутовской линии. Домкраты щита упираются в последнее собранное кольцо. Пульт управления механизированным проходческим комплексом LOVAT.
Фото Russos ©Фото Владимир Свириденков ©

При сооружении тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах требовалось применение сложных специальных методов - водопонижение, замораживание грунта, что значительно снижало скорость и увеличивало стоимость строительства. Все больше ужесточались требования, случавшиеся в прошлом просадки поверхности ныне недопустимы, ведь вблизи поверхности земли пролегла огромнейшая сеть водо- и газопроводов, электрических кабелей, линий связи, обеспечивающих жизнь крупного города.

 
Вывал грунта в призабойную камеру с просадкой дневной поверхности при строительстве тоннеля механизированным проходческим комплексом

Всех этих недостатков лишены щиты с так называемым "грунтопригрузом" (EPB, Earth Pressure Balance).

При работе щита разрабатываемая порода подается сначала в герметичную камеру грунтопригруза. Из этой камеры грунт удаляется с помощью шнекового конвейера (как в мясорубке :) только тогда, когда его давление в камере сравняется с давлением в забое, за этим следят специальные датчики. Таким образом, обеспечивается постоянное поддержание давления на забой, как при движении щита вперед, так и при отводе щитовых домкратов для монтажа очередного кольца обделки.

 
Комплекс тоннелепроходческий механизированный с грунтопригрузом

Камера грунтопригруза механизированного проходческого комплекса LOVAT. Технологические тележки механизированного проходческого комплекса LOVAT. Разборка щита LOVAT в демонтажной камере.
Фото Олег Макаров © Фото Russos © Фото Олег Макаров ©

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях. В плывунных неустойчивых грунтах, при значительном давлении грунтовых вод, при недопустимости даже незначительных просадок поверхности используются проходческие комплексы с гидропригрузом ("Slurry Shield"). В таких комплексах в призабойную часть, под необходимым давлением (речь может идти о десятке атмосфер) нагнетается бентонитовый раствор, что позволяет поддерживать забой в стабильном положении даже в самых тяжелых плывунных грунтах. Разработанная порода, измельченная до состояния пульпы, отводится вместе с бентонитом по трубопроводу. В сепарационной камере происходит отделение породы и рекультивация бентонитового раствора. Отделенный от бентонита грунт вывозится по уже построенному тоннелю, а бентонитовый раствор возвращается в камеру гидропригруза. В зависимости от условий проходки и характеристик грунтов, рецептура бентонитового раствора постоянно корректируется. В составе комплекса действует химическая лаборатория, исследующая состав грунта и вносящая соответствующие изменения в рецептуру раствора.

При необходимости проведения работ в призабойной области - замены резцов ротора и т.д. (кстати, все эти работы можно выполнять из камеры грунтопригруза, то есть, находясь "внутри" щита), бентонитовый раствор в камере гидропригруза вытесняется сжатым воздухом. Остатки бентонита в виде пленки и подушка сжатого воздуха удерживают забой, в то время как специалисты получают доступ к исполнительным органам щита.

 
Комплекс тоннелепроходческий механизированный с гидропригрузом

С помощью тоннелепроходческих комплексов с гидропригрузом построены тоннели в самых сложных инженерно-геологических условиях, подобный комплекс "Виктория" использовался при проходке новых тоннелей через зону "Размыва" в Санкт Петербурге. В Москве тоннелепроходческий комплекс Херренкнехт диаметром 14,2 метра успешно завершил проходку автодорожного тоннеля под рекой Яузой и Лефортовским парком по трассе третьего транспортного кольца. Сейчас этот комплекс ведет проходку совмещенного авто-метротоннеля по трассе будущего Краснопресненского проспекта под Серебряноборским лесничеством.

Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ Святой Барбары. С его легкой руки берет свое начало романтическая традиция. Теперь красивые имена есть не только у щитов с маркой "LOVAT" но и у комплексов других производителей. Поэтому в Москве трудятся "Клавдия", "Катюша", "Полина" и "Ольга", в Казани - "Сююмбике" и "Алтынчяч" (Златовласка), а тяжелейшие условия "Размыва" в Санкт Петербурге героически преодолела "Виктория".

Здесь мы охватили лишь небольшую часть из огромного количества щитовых проходческих комплексов. Существуют щиты для сооружения тоннелей с монолитной прессобетонной обделкой, щиты для обделки, разжимаемой в грунт, щиты для строительства тоннелей из труб, микрощиты и даже щитовые комплексы для открытого способа работ!

Инженерная мысль не стоит на месте и сегодня строятся комбинированные тоннелепроходческие комплексы, которые могут работать в режиме как гидро- так и грунтопригруза, для более полного соответствия геологическим условиям, встречающимся на трассе тоннеля.

 


Спасибо Олегу Макарову, Russos-у и Штурману за помощь в подготовке материала и предоставленные иллюстрации.

 



Последнее обновление 23.03.2016 Copyrigt©1997-2016 nashemetro.ru (metro.molot.ru)
Идея, текст и дизайн (если не оговорено другое) nashemetro.ru
Буду рад ответить на ваши вопросы: mailto:vlad.svd@gmail.com
Информация о сайте. Хостинг и техподержка — проект «Наш транспорт».