ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС И ДРУГАЯ ТЕХНИКА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ТОННЕЛЕЙ
Англоязычный термин « тоннель » происходит от старофранцузского слова, означающего бочку. Так на многих языках называют подземные сооружения, длина которых существенно превосходит их ширину и высоту. Древнейшие из тоннелей, которые ученые могут с уверенностью отнести к известным истории культурам, относятся к Египту (где их прокладывали при сооружении гробниц и храмов, а также при добыче строительных материалов) и Междуречью (здесь около 2160 года до нашей эры был проложен первый подводный тоннель под рекой Евфрат). В Средневековье тоннелирование применялось главным образом во время войн (подкопы под укрепленные сооружения) и, в меньшей степени, — для добычи ископаемых материалов.
Настоящий бум тоннелестроения начался в XIX веке и был связан с появлением пироксилина и динамита: взрывные работы открыли перед строителями тоннелей невиданные доселе возможности; сыграло свою роль и появление в горном деле бурильных машин. Один за другим в Европе, России и США стали появляться тоннели для поездов, трамваев, метро, перемещения воды и других городских коммуникаций.
Тоннели помогали людям обходить природные препятствия и существенно сокращать путь, а также разводить пересекающиеся транспортные потоки — собственно, это их главные функции до сего дня. В ХХ веке появились даже специальные экологические тоннели, прокладываемые вдоль звериных троп и позволяющие животным безопасно перемещаться на удалении от объектов жизнедеятельности человека.
Словом, все сферы жизни, в которых сегодня применяется тоннелирование, даже просто перечислить весьма сложно. Возможно, проще будет назвать основные технологии современного тоннелестроения и несколько из множества образцов техники, которая используется для прокладки тоннелей. Именно это мы и сделаем.
Главной и наиболее трудоемкой частью строительства тоннеля является получение выработки — искусственной пустоты в земной коре. В зависимости от того, в устойчивых или неустойчивых породах строится тоннель, выработку в первом случае оставляют без закрепления, во втором — устанавливают временную крепь и затем выполняют обделку. Последняя принимает на себя давление горных пород и обеспечивает гидроизоляцию сооружения. На входе и выходе в тоннель располагают порталы, внешний вид которых вписывают в ландшафт местности.
Тоннели, залегающие неглубоко, часто строят открытым способом.
Он сравнительно недорог, однако требует перепланировки местности, включая перекладывание дорог и коммуникаций. Для подобного строительства применяют котлованный и траншейный, а также щитовой способ, с использованием прямоугольного щита, с помощью которого возводят обделку тоннеля. Если сооружение тоннеля осуществляется в сложных инженерных условиях, в процессе строительства применяются специальные методы, такие как дренаж, замораживание грунтов и кессонный способ с применением сжатого воздуха.
Для возведения тоннелей глубокого залегания (глубиной более 20 метров), а иногда и мелкого, применяют закрытый способ строительства.
К нему относится горный способ проходки, когда забой обуривается шпурами, в которые затем укладывается взрывчатое вещество; после взрыва разрушенную горную породу транспортируют наружу, а в полученной таким способом выработке сперва устанавливается временная крепь, а затем выполняется обделка.
Другой способ — комбайновый, получивший свое название от специальных машин, оснащенных рабочими органами различного типа, которые разрушают породу. Существует и ряд других способов проходки — новоавстрийский (с использованием податливого свода), с применением сжатого воздуха, замораживания, водопонижения и закрепления грунтов специальными растворами.
Однако наиболее производительным способом, используемым для строительства масштабных объектов, считается щитовой — с применением тоннелепроходческого комплекса, позволяющего выполнять разработку грунта на полное сечение.
За рабочую смену щит такого комплекса может продвинуть строительство тоннеля на расстояние от 0,5 до 40 метров в зависимости от условий работы. Непосредственно за тем, как продвигается выработка, выполняется обделка тоннеля — в одном из наиболее распространенных вариантов порода крепится при помощи анкеров, стальной сетки и стальных арочных креплений, а также нанесения торкрет-бетона.
Тоннелепроходческий комплекс часто называют кротом за его способность проникать не только сквозь почвы, но и сквозь самые твердые горные породы. Диаметр выработки, получаемой в результате работы современных ТПК, составляет от одного и почти до двадцати метров. (Для того, чтобы просверливать породы диаметром менее метра используют оборудование для горизонтально-направленного бурения.)
Тоннелепроходческие комплексы рассматривают как современную альтернативу буровзывным и комбайновым методам, при которых приходится транспортировать наружу огромные объемы разрушенной породы, что весьма трудозатратно. Кроме того, ТПК работают намного филиграннее, минимизируя нарушения окружающего грунта и оставляя после себя гладкие стены, что значительно снижает затраты на строительство тоннеля и позволяет применять ТПК даже в районах с плотной застройкой.
Однако транспортировка этих комплексов к месту работ из-за их внушительных габаритов и массы представляет собой дело непростое — да и стоимость этого оборудования, изготавливаемого штучно, для работы в тех или иных конкретных условиях, весьма высока сравнительно с ценой другой техники, применяемой при тоннелировании.
Интересно, что самый первый тоннелепроходческий щит был сконструирован еще в 1825 году для строительства тоннеля под Темзой сэром Марком Брунелом. Однако он был лишь прообразом современных машин: после его работы требовалась последующая разработка породы стандартными способами.
Сегодня ведущим мировым производителем тоннелепроходческих комплексов является группа компаний Herrenknecht AG из Германии.
Впрочем, само предприятие позиционирует себя как поставщика комплексных технических решений в области механизированного тоннелестроения, придерживаясь в своей работе подхода «все услуги под одной крышей». Комплексы с одним или двумя щитами, миксщиты для работы в неоднородных грунтах, проходческие щиты с грунтопригрузом забоя, способные измельчать грунт в однородную массу, избегая, таким образом, неконтролируемого притока грунта в машину, комплексы с рабочим органом избирательного действия, легко адаптирущиеся к изменяющимся геологическим условиям как в несвязном грунте, так и в скальной породе, грипперные установки для скальных пород — вот далеко не полный список видов тоннелестроительной техники, изготавливаемой Herrenknecht.
Разумеется, в современном мире Herrenknecht — не единственное предприятие, выпускающее тоннелепроходческие комплексы. Компания The Robbins изготовила ТПК диаметром 14,4 метра для твердых пород, который использовался для строительства гидроэлектрического тоннеля под Ниагарским водопадом и получил собственное имя — Большая Бекки.
При строительстве тоннелей используется большое число самых разных видов спецтехники и оборудования — от хорошо знакомых всем нам мини-погрузчика и мини- экскаватора со специфичными навесными агрегатами до узкоспециализированной робототехники. Такой, как, к примеру, демонтажный робот «Атлант 4000» производства российской компании ССТ («Специальная Строительная Техника»).
Кроме применения в атомной промышленности, в цветной металлургии, при сносе и демонтаже зданий «Атлант» также широко используется и в тоннелестроении. Здесь он выполняет демонтаж упорных стенок и пробивку отверстий тоннелепроходческих комплексов, осуществляет проходку стволов шахт и разработку горных пород. При необходимости управляемый дистанционно «Атлант», оснащенный гидромолотом, может участвовать в аварийно-спасательных работах, действуя даже в самых опасных зонах без угрозы для жизни и здоровья людей.
Машина полным весом 4,4 тонны на двух гусеничных движителях оборудована четырьмя надежными стабилизаторами и шестиметровой стрелой с гидромолотом на конце. Энергия удара последнего составляет более 610 джоулей, частота — 600—1400 ударов в минуту. Мощность электрического силового агрегата «Атлант» — 30 киловатт. Полноповоротная база машины способна совершать полный круг за 20 секунд и рассчитана на максимальный угол наклона в 23 градуса. Цифровая дистанционная система позволяет оператору управлять работой «Атланта» по кабелю или посредством радиосигнала с расстояния до 200 метров.
Еще одна разработка компании ССТ — миксерные станции «Вихрь», предназначеные для приготовления цементных или цементно- бетонитовых растворов, содержащих до шести компонентов, с заданным весовым соотношением в автоматическом режиме.
Для его дальнейшего использования при специальных строительных работах. Такие растворы в больших объемах используются тоннелепроходческими комплексами, применяются для струйной цементации грунтов, устройства анкеров и других работ, выполняемых при обделке тоннелей.
Принцип действия у миксерной станции следующий. Миксер приготавливает рабочий раствор и перекачивает его в накопитель. Смешивание компонентов происходит в турбулентном потоке, создаваемом центробежным насосом. Для того, чтобы предотвратить осаждение частиц цемента, раствор поддерживают в подвижном состоянии. Лопасти, подмешивающие раствор, приводятся во вращение электродвигателем через понижающий редуктор, установленный на баке накопителя. Каждая из станций снабжена внутренним фильтром, позволяющим приготавливать цементные растворы с содержанием примесей в сухом цементе до 1%.
Максимальную производительность из установок этого типа имеет модель «Вихрь 30». Доступная в контейнерном исполнении, она приготавливает до 30 кубометров раствора в час. Работая полностью в автоматическом режиме, станция не требует постоянного присутствия оператора — ему необходимо лишь задать программу работы станции на всю смену. Центробежный насос, установленный на миксерную станцию, обеспечивает качественное промешивание раствора. В баке накопителя емкостью 2000 литров установлены лопасти, непрерывно подмешивающие раствор, что препятствует его расслоению и осаждению частиц. Минимальное водоцементное отношение раствора, приготавливаемого «Вихрем», составляет В/Ц=0,4.
Объем бака миксера станции — 800 литров. Потребляемая ей мощность составляет 18,5 киловатт. Габариты «Вихря 30» (длина/ширина/высота) — 6056х2438х2591 миллиметров, масса миксерной станции — 5400 килограммов. Миксерные станции «Вихрь», работающие в автоматическом и полуавтоматическом режимах, оснащаются электронными весовыми терминалами итальянского производства, позволяющими вести весовую дозировку компонентов. Для этого на опорах миксерного бака установлены тензодатчики.
Оборудование 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 .