Как строят метро и куда потом девается земля
Самые первые попытки построить метро как вид подземного транспорта, предпринимались в Европе еще во второй половине 19 века. В первую очередь нужно пояснить, почему строили именно под землей, а не пускали по поверхности подобно трамваям. Самое главное предназначение подземного транспорта — это доставка пассажиров таким образом, чтобы не мешать людям наверху. Над тоннелями метро, скрытыми под толщей земли, можно, например, построить дорогу, или что-то еще. Главное, чтоб не очень тяжелое, учитывая, что первые тоннели по ряду причин не могли строить глубоко.
Удивительно, но впервые подземное метро появилось в далеком 1863 году и было это в Лондоне. Конечно у метростроителей прошлого, не было современной техники, и потому копать тоннели им приходилось вручную, открытым способом. Что значит открытым? Это значит, что люди не лазили как кроты под землей. С поверхности, была выкопана траншея глубиной всего 10 метров, на дне которой проложили рельсы, а верх будущего тоннеля укрепили кирпичной кладкой, присыпав сверху землей.
Эта линия была просто революционной для своего времени. На открытие ветки длинной всего то 3600 метром, но за то состоящей из целых семи станций, прибыл даже сам принц Эдуард. Хотя, открой новое метро в каком-то городе и сейчас, если этого самого метро там раньше никогда не было, тоже, наверное, будет присутствовать сам президент.
В общем, чтобы строить больше и глубже, ручного физического труда было явно недостаточно. Кстати поездка на таком метро была делом малоприятным. Вагоны, которые по сути представляли из себя открытые платформы похожие на увеличенные шахтерские вагонетки с сиденьями, тянул. паровоз. Вентиляции в тоннеле практически не было, а даже если бы она и была, то мало спасла бы. В общем по прибытии на станцию назначения, пассажир из «вагонетки» сам был похож на чумазого шахтера. Однако несмотря на это, новый транспорт пользовался бешеной популярностью. Еще бы, невидаль такая.
Но прогресс не стоял на месте, и паровозы со временем заменили электрические поезда, а вагонетки сменились на вполне себе комфортные вагоны. Изменилась и работа метростроевцев.
Как строят тоннели сегодня.
Хотя иногда тоннели копают, как и раньше, в виде траншеи (только уже не лопатами, а экскаваторами), чаще всего их прокладывают при помощи проходческого щита. Хотя по большому счету, не щит это вовсе, а целый подземный завод.
Гигантский земляной червь, весом свыше 150 тонн, буквально вгрызается в грунт, проделывая себе дорогу, согласно техническому заданию. Кстати технология в основе которой лежит и современное устройство щита, была запатентована в 1818 году. Почему его не использовали при строительстве первой линии лондонского метро — загадка. Наверное, не хотели лишних трудностей, связанных с углублением системы. Да и как строить на большей глубине станции, скорее всего не представляли.
В отличии от щита 1818 года, где рабочие вручную выбирали грунт, современный щит подобно гибриду дрели и мясорубки, «высверливает» себе дорогу. Гигантский металлически ротор с резцами, «высверливает» грунт, подавая его на конвейер, расположенный позади щита. После грунт вывозится вагонетками на поверхность. За «головой» этого стального червя, вгрызающегося в пласты земли, помимо конвейера, идет целый цех, сразу возводящий своды и отделку тоннеля, дабы не допустить обрушения. Таким образом, за щитом остается не просто выкопанная нора, а полноценный, практически готовый микротоннель.
Скорость такого щита мала. Самые продвинутые и современные машины, проходят всего 10 метров в день. Потому на строительство линий метро, уходили бы десятилетия. Но к счастью, щит на возведении целых линий работает не один. Пока кто-то копает перегон к одной станции, другая бригада метростроителей, вместе с другим щитом, будет строить другой перегон. Например, на строительстве второй очереди метро в Москве, работало одновременно 42 щита.
Современные щиты могут работать в условиях водонасыщенного грунта и имея защищенный передний отсек, не допустят поступления в забой воды, если случайно проходчики наткнутся на водоносный слой. При этом управляется с пульта из кабины. Да, у этого щита тоже есть свой машинист. Или капитан, как кому больше нравится.
Куда увозят землю.
А тут уже куда закажут. При строительстве метро, вынутый из-под земли грунт не пропадает зря. Он оказывается тоже может быть востребован. например грунт из метро направляется на различные строительные площадки, или на полигоны где проводится рекультивация. В общем применить её можно всюду, где необходимы искусственные насыпи. Легенда гласит, что одна из подмосковных трас, например, была построена при помощи грунта из метро. В любом случае, судьба грунта, место куда он будет вывозиться и для каких нужд использоваться, определяется еще до начала строительства новой линии.
Оборудование для строительства метро
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 .