Как строят тоннели метро и что такое ТПМК
вопрос 1 Что такое ТПМК?
Тоннелепроходческий механизированный комплекс (также тоннелепроходческий щит, ТПМК) – машина для строительства тоннелей метро.
В 1930-е годы первые станции столичной подземки строились вручную: киркой и лопатой. Сегодня в арсенале метростроителей – передовые технологии. Для прокладки тоннелей используют автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Ее можно сравнить со «стальным червем», который сверлит путь в толще породы, оставляя за собой готовый тоннель.
Чтобы представить, насколько титаническая задача стоит перед строителями, сооружающими метротоннели, нужно знать, что расстояние между двумя станциями обычно не превышает 2 — 2,5 км, средняя скорость движения поезда метро — 41 км/час, а значит — это расстояние поезд преодолевает примерно за три с половиной минуты.
Тоннели метро строит огромная машина, чем-то напоминающая червя, — называется она тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК). При прокладке тоннеля он вгрызается в породу, забирает землю и выдает ее на поверхность, понемногу продвигаясь вперед. Машина обделывает поверхность тюбингами, из которых формируется кольцо будущего тоннеля.
Скорость проходки составляет 10 метров в сутки, проходка 300 метров в месяц считается нормальной для строительства тоннеля.
Из ЧЕГО СОСТОИТ МАШИНА, КОТОРАЯ СТРОИТ ТОННЕЛИ В МЕТРО?
Для строительства тоннелей метрополитена применяются специальные тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК). Диаметр такой машины составляет 6 метров, а длина может достигать 100 метров!
1. ГОЛОВНАЯ ЧАСТЬ ЩИТА
В передней части машины находится режущий орган — ротор, на котором устанавливаются режущие инструменты: шарошки используются для проходки в твердых породах, резцы — в мягких породах. Привод ротора, который заставляет вращаться режущий орган, находится также 8 головной части щита.
2. ОБОЛОЧКА ТПМК
Оболочка ТПМК защищает все оборудование и людей, которые работают на щите.
3. ЭРЕКТОР
Кольцо тоннеля собирается механизированным способом с помощью блокоукладчикз — эректора.
4. ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЙ ТЮБИНГ
Тоннель метро обделывается (укрепляется) железобетонными кольцами, которые состоят из отдельных элементов — тюбингов.
5. ТЕЛЬФЕР ДЛЯ ПОДАЧИ ТЮБИНГОВ
Тельфер для подачи тюбингов — это кран-перегружатель, который осуществляет транспортировку фрагментов железобетонного кольца.
6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕЛЕЖКА
На технологической тележке установлено оборудование, обеспечивающее функционирование ТПМК: двигатели, насосы, баки с маслом, водоотливная система, операторская кабинка, трансформаторы и др.
7. КЕССОННАЯ КАМЕРА
Замена режущих инструментов на ТПМК при проходке через плывун (насыщенный водой грунт) связана с определенными трудностями. Данный вид работ проводится на роторе в буферной зоне, где создается повышенное (давление. Для того чтобы проходчики смогли работать в таких условиях, они проходят адаптацию 8 кессонной камере, которая выполняет функцию шлюза.
9. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ КАНАЛ
По вентиляционному каналу с поверхности земли подается воздух.
10. ПРОХОДЧЕСКИЕ ДОМКРАТЫ
Благодаря проходческим домкратам машина отталкивается от последнего смонтированного ж/б кольца и продвигается вперед.
вопрос 2 Кто изобрел ТПМК?
По легенде, изобретатель первого в мире проходческого щита англичанин Марк Брунель действительно придумал такую конструкцию после того, как во время службы во флоте пригляделся к «работе» корабельного червя. Он заметил, что голова моллюска покрыта жесткой раковиной, с помощью зазубренных краев которой червь буравил дерево, оставляя за собой на стенках хода гладкий защитный слой извести.
Идея машины оформилась в конструкцию в 1817 году, когда русский император Александр I обратился к Брунелю с просьбой спроектировать тоннель под Невой в Санкт-Петербурге. Правда, в России инженеру поработать не удалось – император решил возвести в намеченном месте мост. Однако в 1818 году первый щит Брунеля был запатентован, а в 1825-м с его помощью началось строительство тоннеля под Темзой.
вопрос 3 Внедрение ТПМК в России
В нашей стране проходческий щит впервые использовали в 1934 году для проходки сложного участка первой очереди московского метро между Театральной площадью и Лубянкой. А при строительстве второй очереди столичной подземки на трассах одновременно работало уже 42 щита – рекорд по объему используемой техники.
Московские строители первыми в мире с помощью тоннелепроходческих щитов стали прокладывать наклонные тоннели для эскалаторных зон. По заказу Мосметростроя канадская фирма Lovat разработала и изготовила ТПМК с наружным диаметром 11 метров. Именно с его использованием столичные метростроевцы впервые совершили щитовую проходку тоннеля для эскалаторов. Это произошло на станции «Марьина роща» Люблинско-Дмитровской линии метро.
вопрос 4 Как работает ТПМК
Тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях, и современные щиты рассчитаны на проходку в различных грунтах, в том числе в неустойчивых. Комплексы работают в два цикла: сначала разрабатывают грунт, затем возводят обделку, производя монтаж блоков. Средняя скорость проходки щитов сегодня составляет 250-300 метров в месяц.
вопрос 5 ТПМК: «шестерки» и «десятки»
вопрос 6 Почему ТПМК называют женскими именами?
Тоннелепроходческий комплекс – это целый завод по переработке грунта. В Москве всегда строили метро щитами диаметром 6 метров, теперь проходка ведется и 10-метровыми машинами-гигантами.
Щиты – «десятки» используют при строительстве двухпутных тоннелей. Для обслуживания и эксплуатации одного большого щита требуется меньше оборудования для вывоза грунта, сокращается и количество сопутствующей инфраструктуры – это освещение, вентиляция, подвоз тюбингов.
Метростроители называют проходческие щиты женскими именами. Этот обычай появился благодаря Ричарду Ловату, основателю и владельцу известной канадской фирмы LOVAT, выпускающей ТПМК. Он решил, что все щиты компании должны носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары. Традиция распространилась и на машины других производителей. Сегодня московское метро строят «Татьяна», «Лилия», «Ольга», «Любовь», «Полина», «Софья», «Наталья»…
Машина для строительства тоннелей
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ , ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ МЕТРО
Проходческие щиты и комбайны
Основным средством механизации горных работ и защиты забоя от обрушения пород на весь проходческий цикл — от разработки породы до возведения обделки — являются щиты . Проходческий щит — это подвижная стальная крепь в виде полого стального цилиндра , лежащего горизонтально вплотную к забою . Форма щита повторяет форму сооружаемой обделки .
Основные части щита ( рис . 45)- ножевое 2 и опорное 1 кольца ( в некоторых конструкциях установлено единое ножеопорное кольцо ) и оболочка 9, в пределах которой монтируют сборную обделку . После разработки породы , находящейся перед ножевым кольцом , щит при пбмощи щитовых гидроцилиндров 10, опирающихся на последнее кольцо обделки тоннеля , продвигают вперед , в пространство , освободившееся от породы . После этого штоки гидроцилиндров убирают и в оболочке щита монтируют очередное кольцо обделки . Породу забоя крепят щитами из досок , которые прижимают забойными гидроцилиндрами 7.
В пределах опорного и ножевого колец внутреннее пространство щита разделено : горизонтальными перегородками 5 на ярусы и вертикальными перегородками 3 на ячейки . Горизонтальные перегородки имеют выдвижные платформы 4, перемещение которых обеспечивают специальные платформенные гидроцилиндры . ( В технической литературе прошлых лет издания щитовые , забойные и платформенные гидроцилиндры названы гидравлическими домкратами , или гидродомкратами .)
Опорное и ножевое кольца щита собирают из стальных элементов — сегментов , соединяя их болтами подобно тюбингам при сборке кольца обделки . Оболочку щита собирают из стальных листов , изогнутых по цилиндрической поверхности . Листы соединяют между собой , а также с опорным кольцом с помощью болтов с потайной головкой .
Проходческие щиты разделяют по следующим основным признакам :
по площади поперечного сечения проходимой выработки — на щиты малого диаметра ( до 3200 мм ), среднего диаметра ( до 5200 мм ) и большого диаметра ( свыше 5200 мм );
по степени механизации основных производственных процессов— на щиты частично механизированные и механизированные . В щитах первого типа разработку забоя ведут вручную или взрывным способом , а погрузка и транспортировка породы , возведение обделки и передвижка щита механизированы , в щитах второго типа все основные процессы механизированы ;
по области применения щиты разделяют на предназначенные для проходки в обводненных грунтах , для проходки в сыпучих и малоустойчивых грунтах естественной влажности , для проходки в грунтах с коэффициентом крепости от 0,5 до 5 и для проходки в грунтах с коэффициентом крепости более 5.
Рис . 45. Частично механизированный проходческий щит :
1 — опорное кольцо ; 2 — ножевое кольцо ; 3 — вертикальная перегородка ; 4 — выдвижная платформа ; 5 — горизонтальная перегородка ; 6 — гидравлическая система ; 7 — забойный гидроцилиндр ; 8 — накладка ; 9 — оболочка щита ; 10 — щитовой гидроцилиндр ; 11 — опорная пята
Рис . 46. Механизированный проходческий комплекс
Проходческие щиты оснащают механизмами для погрузки разработанного грунта на конвейер ( транспортер ) или непосредственно в вагонетки . В частично механизированных щитах погрузку грунта в вагонетки ведут с помощью погрузочной машины , в щитах малого диаметра — вручную . В механизированных щитах погрузочные органы имеют различное исполнение .
Современные щитовые комплексы обеспечивают выполнение процессов по разработке и креплению лба забоя , погрузке и удалению грунта за пределы комплекса , возведению тоннельных обделок , нагнетанию раствора в заобделочное пространство и т . д .
Комплексы , в которых достигнута полная механизация проходческих работ , называют механизированными комплексами ( рис . 46), В таких комплексах щит 2 имеет рабочий орган / для разработки и погрузки породы , конвейер 3 для выдачи породы за пределы щита . Вслед за щитом в сцепе с ним установлен укладчик обделки 4, тоннельный конвейер 5 и другое технологическое оборудование . При проходке в неустойчивых породах рабочий орган ( исполнительный ) щита наряду с разработкой породы обеспечивает поддержание лба забоя от обрушения .
По принципу действия различают три группы рабочих органов :
непрерывного действия , если разработка грунта происходит одновременно по всей площади забоя ( например , рабочий орган роторного типа );
цикличного действия , если разработка грунта происходит в отдельные отрезки времени в отдельных участках забоя ( например , рабочий орган экскаваторного типа );
комбинированно действия , когда сочетаются хотя бы по одному из двух типов рабочих органов ( например , экскаваторного типа с горизонтальными рассекающими площадками ).
Роторные рабочие органы могут быть с плоской или винтовой планшайбой ( рис . 47, а ) со щелями для выхода грунта или лучевого типа ( рис . 47,6). Эти органы в зависимости от крепости пород оснащают пластинчатыми или стержневыми резцами , шарошками и другим инструментом . При вращении режущий инструмент врезается в грунт и разрушает его .
Щит может быть оснащен сменными в зависимости от крепости пород рабочими органами : экскаваторным рабочим органом ( рис . 47, в ) для работы в супесях , суглинках , глинах ; стреловым исполнительным органом с резцовой коронкой ( рис . 47, г ) для работы в твердых глинах , известняках , песчаниках .
Горизонтальные рассекающие перегородки ( площадки ) рабочего органа позволяют работать в песках , насыпных грунтах . На горизонтальных перегородках при внедрении их в забой образуются осыпи грунта под углом естественного откоса , обеспечивающие устойчивость забоя ( т . е . выполняющие функции временной крепи ).
С помощью механизированных комплексов , кроме обычных сборных обделок , сооружают также монолитно — прессованные и сборные обжимаемые в породу обделки . Монолитно — прессованные обделки образуются при уплотнении бетонной смеси усилиями щитовых гидроцилиндров при внедрении щита в забой . После монтажа в хвостовой части щита очередной секции опалубки и нагнетания за нее бетонной смеси щит продвигают вперед , при этом под давлением гидроцилиндров смесь в опалубке уплотняется и непосредственно за щитом остается готовая бетонная обделка . Особенность сборных железобетонных обделок кругового очертания , обжимаемых в окружающий породный массив , состоит в том , что сразу же после их монтажа кольца обделки прижимают к контуру выработки и обделка немедленно вступает в работу , предотвращая развитие горного давления и просадки земной поверхности .
Рис . 47. Схемы рабочих органов механизированных проходческих щитов :
а — роторный с винтовой планшайбой ; б — роторный лучевого типа ; в — экскаваторного типа ; г — фрезерного типа
Рис . 48. Проходческий комбайн 4 ПП -2
Щиты в процессе проходки приобретают крен ( поворачиваются вокруг оси ). Для предотвращения крена в щитах служат элероны ( металлические пластины ), которые устанавливают в специальные щели в сегментах опорного ( ножеопорного ) кольца и выдвигают с помощью гидроцилиндров за пределы корпуса щита . Для возможности ведения щита на кривых участках трассы тоннеля необходимо делать одностороннее уширение сечения выработки . С этой целью на рабочем органе щита устанавливают выдвижной копир — резец ( копир — шарошку ). Управляет копир — резцом при помощи гидравлического механизма машинист щита со своего рабочего места .
Для определения и контроля положения щита в плане и профиле применяют лазерные приборы . Прибор крепят к обделке так , чтобы лазерный луч был направлен параллельно оси тоннеля и находился ниже свода на 1-1,2 м . Для придания лучу нужного направления в плане и для контроля устойчивости луча применяют не менее двух отвесов , а в профиле — не менее двух горизонтальных нитей ( используют капроновую леску ). По мере удаления щита от лазерного прибора через каждые 100-150 м закрепляют новые отвесы и нити .
Для герметизации строительного зазора и придания кольцам правильного геометрического очертания в щитах устанавливают пневматическое торовое устройство .
Проходческий комбайн ( рис . 48) представляет собой самоходную машину на гусеничном ходу 3. Рабочими органами комбайнов служат телескопические стрелы 2 с резцовыми коническими коронками 1. Погрузка разработанной породы с помощью спаренных лап 4 нагребающего типа совмещена с работой рабочего органа . Комбайн является мобильной машиной , в случае необходимости . его можно без демонтажа вывести из забоя своим ходом ( что невозможно для проходческих щитов ). В отличие от проходческих щитов комбайны можно применять в горных выработках , различных по форме и размерам поперечного сечения . Однако отсутствие на проходческих комбайнах передвижной крепи позволяет использовать их лишь в устойчивых забоях .
Оборудование для монтажа сборных обделок (строительство метрополитена)
Для механизации процесса сборки колец тоннельной обделки применяют укладчики обделки . Многие типы укладчиков представляют собой металлическую рамную конструкцию портального типа , оснащенную средствами передвижения вдоль сооружаемого тоннеля и сборки кольца обделки . Такие укладчики работают как самостоятельно , так и в составе щитовых проходческих комплексов Укладчики для сборки железобетонной обделки оборудуют выдвижными балками для поддержания блоков в процессе монтажа до замыкания кольца обделки .
Для проходки тоннелей с тюбинговой и блочной обделкой в грунтах , разрабатываемых взрывным способом , применяют укладчик ТУ -1 Гп с гидравлическим приводом рычага ( рис . 49), оборудование которого состоит из смонтированного на раме 2 механизма шагающего хода У , выдвижной арки 5, рычага 3 с захватом 9 для элементов обделки и приводом 4 вращения рычага , гидро— и электрооборудования , лестниц , ограждения . Со стороны забоя на укладчике смонтированы решетки 8 для защиты оборудования и предотвращения разлета кусков породы при взрыве . Рычаг укладчика телескопического типа может совершать качательные движения в обе стороны и выдвигаться вперед . Укладчик обеспечивает доступ к верхней части забоя . Система выдвижных платформ , перекрывающая нижнюю часть забоя , позволяет одновременно вести бурение в верхней части забоя и производить погрузку породы в нижней части машиной 1 ППН -5 в вагонетки с глухим кузовом . Проходчики , работающие на верхнем ярусе укладчика , находятся под защитой выдвижных козырьков . Нижнюю часть забоя после уборки из нее породы обуривают с подошвы .
Укладчик ТУ -1 Гп является головной машиной проходческого комплекса КМ -14. С тыльной стороны к укладчику примыкает технологическая тележка ТН -16 Гп , на которой установлены два нагнетателя раствора . Тележка имеет устройство для подъема вагонеток с песком и цементом на верхний ярус , где находятся поддоны для приготовления раствора . За технологической тележкой расположена подвижная платформа ПП -8 со стрелочным переводом . Рельсовый путь с колеей 600 мм проходит через весь комплекс , в конце его на подвижной платформе уложены стрелочный перевод и подвижные звенья пути , соединяющие два пути на комплексе с путями в тоннеле .
Укладчик обделки УКВ ( рис . 50) служит для сборки обделки прорезных колец и коротких ( до 50 м ) участков тоннелей . Укладчик УКВ рычажного типа , на рельсовом ходу , оборудован рычагом 1 с механизмом вращения 2, стрелой 4, рабочими площадками . Элементы укладчика подают к месту монтажа на тележках , монтаж ведут с помощью двух лебедок — подъемной и оттяжной . Вначале монтируют раму , портал , стрелу и рычаг с механизмом привода , аутригеры ( гидравлические механизмы подъема ) и рельсовые захваты 7.
Рис . 49. Тоннельный укладчик ТУ -1 Гп :
1 — механизм шагания ; 2 — рамная металлоконструкция ; 3 — рычаг укладчика ; 4 — гидропривод рычага ; 5 — выдвижная арка ; 6 — электрооборудование ; 7 — гидронасос ; 8 — защитные решетки ; 9 — захват рычага
Рис . 50. Укладчик обделки УКВ для коротких выработок :
1 — рычаг ; 2 — механизм вращения рычага ; 3 — тяги ; 4 — стрела ; 5 — портал ; 6 — рама ; 7 — захваты ; 8 — пульт управления
Монтаж рычага с механизмом вращения и рабочих площадок иногда ведут в забое . Во время работы укладчик — прикрепляют захватами к рельсовым путям . С площадок укладчика производят обуривание и заряжание забоя . На время взрыва укладчик отгоняют от забоя для защиты от разлетающихся кусков породы . Укладчик перекатывается на четырех катках по инвентарным рельсовым опорам с помощью двух гидроцилиндров .
Для монтажа обделки станций метрополитена глубокого заложения применяют укладчик ТУ -2 Гп ( комплекс КМ -15), для монтажа обделки и металлоконструкций на станциях колонного типа глубокого заложения — укладчик ТУ -4 Гп ( комплекс КМ -36).
Основные части укладчика ТУ -4 Гп ( рис . 51): рычаг укладчика 3 с захватом 1 для элементов обделки , привод вращения рычага , выдвижные рабочие платформы 2 в среднем и верхнем ярусах , гидро— и электрооборудование , нагнетатели 6 раствора , электроталь ( тельфер ) 5, пульт управления . Опорой укладчика служат лыжи , совмещенные с механизмом передвижения шагающего типа с гидроприводом . На верхнем ярусе укладчика имеется система выдвижных козырьков , перекрывающих кровлю . Укладчик работает в комплексе с погрузочной машиной 1 ППН -5 и вагонетками .
Для монтажа обделки эскалаторных тоннелей ( наклонных ходов ) применяют специальный укладчик ТНУ , в состав которого входит погрузочная машина .