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.