Машины для строительства тоннелей

От кирки до алмазного сверла: как прокладывают тоннели для метро

Мощные машины с «хрупкими» именами

Навигационная электроника и комната отдыха в железном «черве»

Щит привозят на стройплощадку по частям и собирают уже на месте в специальном котловане, который строители называют монтажной камерой. Её размер не меньше футбольного поля — 60 на 70 метров. Она будет началом нового тоннеля. Машина закончит свой путь в такой же камере, но с другим названием — демонтажная. Там её разберут и увезут на строительство нового тоннеля.

Длина щита, похожего на червя, может достигать 100 метров. Головная часть — это режущий механизм, который называется ротором. На нём — специальные резцы. Они буквально вгрызаются в породу, прокладывая путь. Сразу за ротором находится привод, который запускает режущий механизм.

В щите обязательно есть закрытая ёмкость для цементного раствора, заполняющего пустоты между тюбингами и грунтом. А ещё — кессонная камера, домкраты, кабина оператора проходческого комплекса и даже комната для отдыха строителей. Последняя тоже не лишняя, потому что работа идёт круглосуточно. Рабочие трудятся в три смены; в сутки один щит обслуживают около 30 человек.

Комплекс прокладывает путь с помощью точнейшей навигационной электроники. Машинист щита постоянно сверяет координаты маршрута, ведь проходческий комплекс может отклониться от заданных параметров не больше чем на восемь миллиметров. Для каждого механизма составляют график, чтобы знать, где он заканчивает проходку, когда перейдёт на следующий этап.

Будущее пространство тоннеля формируют тюбинги — бетонные блоки. Когда он готов, строители укладывают рельсы и подводят инженерные сети. Куда же складывают грунт? Он поступает в специальные карманы щита, оттуда по конвейеру — в вагонетки, курсирующие по временным рельсам, а потом — на поверхность. Вагонетки вывозят грунт и поставляют нужные детали, например тюбинги. На стройплощадке грунт лежит недолго, его отправляют на специальные полигоны. В сутки на один щит требуется 30 грузовиков для вывоза грунта.

Нестандартный подход: наращённый щит и тоннель для эскалатора

Иногда метростроевцам приходится импровизировать. Причина чаще всего в нехватке свободных площадок под строительство. Например, в «Москва-Сити», когда строили станцию «Деловой центр» жёлтой ветки, машину монтировали на пятачке не больше школьного спортзала. Щит пришлось наращивать под землёй, опуская кольцо за кольцом.

А на площадке «Петровского парка» на сборку механизма было очень мало времени. Обычно на монтаж щита уходит месяц-два, и чтобы собрать его быстрее, головную часть весом около 150 тонн не разбирали, а опустили целиком на глубину 28 метров. Для этого на бровке котлована установили 450–500-тонный кран. Специалисты провели много расчётов, чтобы убедиться, что он не обрушит котлован.

Есть у московских строителей и свои изобретения. Они первыми в мире проложили с помощью щитов тоннели под эскалаторы. Ноу-хау применили на станции «Марьина Роща» салатовой ветки. За рубежом эта практика не распространилась, потому что в Европе станции в основном строят на небольшой глубине и тоннели для эскалаторов роют вручную.

Секрет двухпутных тоннелей

Гигант «Лилия» нужен, чтобы строить двухпутные тоннели. Поезда в них едут навстречу друг другу. Если на обычной станции рельсы тянутся с обеих сторон одной платформы, то на новых пути в две стороны пройдут посередине зала, а две платформы разместятся по бокам. Поэтому их и называют двухпутными.

В Москве за три года построят больше 20 километров таких тоннелей. Два двухпутных участка появятся на Кожуховской линии метро и ещё два — на Третьем пересадочном контуре, на севере и востоке Москвы. Этот способ используют во всём мире. Например, в Мадриде таким образом построены 90 процентов всех тоннелей. К слову, и саму технологию называют испанской.

Как червь помог изобрести тоннелеп роходческую машину

По легенде, английский инженер Марк Брюнель создал машину для прокладки тоннелей, присмотревшись к корабельному червю. Его голова покрыта жёсткой раковиной, с помощью которой червь буравит дерево и оставляет на стенках хода слой извести.

Российский император Александр I просил изобретателя спроектировать тоннель под Невой и проложить его с помощью такой машины, но планы не сбылись. Император решил построить в намеченном месте мост, и щит впервые проложил тоннель не в Петербурге, а в Лондоне.

Московские рекорды

В арсенале московских метростроевцев поначалу было лишь восемь лошадей и один грузовик, даже лопаты приходилось брать у дворников. Впервые в Москве проходческий щит спустился под землю в 1933–1934 годах, когда строился участок между Лубянкой и Театральной площадью. Под его защитой строить тоннели на глубине стало не только легче, но и безопаснее. Американский инженер Джордж Морган, консультировавший строителей, предупреждал, что щит не может проходить больше 75 сантиметров в сутки. Но московские рабочие установили рекорд: им удалось увеличить скорость и пройти больше 4,5 метра за 24 часа.

Сегодня машины работают в десятки раз быстрее. Тоннели прокладывают ультрасовременные немецкие щиты Herrenknecht, канадские LOVAT и американские Robbins. Кстати, новенькая «Лилия», на создание которой ушёл почти год, тоже немка, как и «Анастасия» с «Альмирой». Её привезли из Германии в апреле.

Источник

Москва установила рекорд по числу одновременно работающих ТПМК в метро

Компания Guinness World Records зафиксировала мировой рекорд по самому большому количеству тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК), работающих одновременно на одном проекте – в рамках программы развития московского метрополитена, сообщил заместитель мэра столицы по вопросам градостроительной политики и строительства Андрей Бочкарев.

«В Москве судьей Guinness World Records зафиксирован мировой рекорд по числу одновременно работающих на строительстве метро тоннелепроходческих щитов. Сейчас у нас задействовано 23 ТПМК на различных площадках строительства. Ни в одном мегаполисе мира не работало одновременно столько машин», – сказал Андрей Бочкарев.

Рекорд Гиннесса: Москва стала лидером в метростроении

Мировой рекорд зафиксирован 48 свидетелями на 23 объектах строительства метрополитена в Москве, одновременно заснявших работу всех тоннелепроходческих комплексов. Решение об установлении нового рекорда вынесла судья, назначенная Guinness World Records, после рассмотрения предоставленных доказательств.

Генеральный директор АО «Мосинжпроект» (единый оператор проектирования и строительства новых линий московской подземки) Марс Газизуллин отметил, что настолько активные тоннелепроходческие работы требуют не только высокого профессионализма и подчас личного мужества метростроителей, но и достаточной материально-технической базы вкупе с применением наиболее современных технологий горнопроходческого дела.

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.

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.

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.

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.

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, где в одном тоннеле проходят пути встречных направлений, а платформы находятся по бокам.

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.

«Подобное признание наших профессиональных достижений со стороны мирового сообщества свидетельствует о высокой эффективности деятельности всего коллектива группы компании «Мосинжпроект», ставшей одним из крупнейших инжиниринговых холдингов России за последнее десятилетие», – подчеркнул Марс Газизуллин.

Генеральный директор компании выразил благодарность волонтерам, которые помогли зафиксировать мировой рекорд.

«Среди этих людей, не связанных с нашей организацией, не только представители строительной отрасли, но и научные работники, журналисты, экономисты и бухгалтеры. Все они нашли время, чтобы в будний день принять участие в этом мероприятии», – отметил Марс Газизуллин.

Напомним, начиная с 2011 года под руководством АО «Мосинжпроект» в российской столице построено 83 км линий метро, 42 станции и 10 депо.

Метро Москвы: СПЕЦПРОЕКТ

Ключевой проект московского метростроения сегодня – Большая кольцевая линия столичной подземки. Длина БКЛ составит 70 км, на ней расположится 31 станция.

Источник

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»…

Источник

Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях (книга, часть 1)

Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях

Данное издание содержит информацию о современных типах тоннелепроходческих комплексов, выпускаемых различными фирмами-производителями в мире, их технических характеристиках и объектах, на которых они применялись. В брошюре даны рекомендации по выбору типа тоннельной щитовой машины для конкретных инженерно-геологических условий строящегося тоннеля.

Издание предназначено для специалистов, занимающихся строительством и проектированием тоннелей различного назначения, конструкторов тоннелепроходческого оборудования, а также студентов-тоннельщиков.

Содержание

Вводная часть

В течение последних 30-ти лет в технике и технологии щитовой проходки тоннелей произошли весьма существенные изменения.

В первую очередь эти изменения коснулись принципа работы и конструкции такого элемента щитовой проходки, как тоннельная щитовая машина, являющаяся главнейшей и определяющей в составе тоннелепроходческого комплекса, осуществляющего сооружение тоннеля. Было, в частности, создано несколько типов герметических щитовых машин, способных со средними скоростями в 200—300 м/мес и с осадками, не превышающими 20—30 мм, вести проходку тоннелей диаметром от 2 до 14 м в сложных инженерно-геологических условиях без обязательного ранее применения дорогих и трудоёмких специальных способов стабилизации водонасыщенных грунтов.

Эта способность была обеспечена в первую очередь использованием в щитовой машине так называемого активного пригруза забоя.

Такой пригруз, осуществляемый в виде давления на забой бентонитовой суспензии, нагнетаемой в призабойную камеру щитовой машины, или давления перемешанного в призабойной камере разработанного грунта, перемещающегося на забой вместе с щитовой машиной, обеспечивает в большинстве случаев полную устойчивость забоя. Активный пригруз в виде давления сжатого воздуха, нагнетаемого в призабойную камеру, уравновешивает гидростатическое давление, за счёт чего также повышается устойчивость забоя.

Применение герметических щитовых машин с активным пригрузом забоя, в свою очередь, потребовало выполнять такие технологические операции щитовой проходки, как тампонаж заобделочного пространства и блокирующее уплотнение грунта перед и вокруг щитовой машины на более высоком техническом уровне и с применением новых технических средств.

С использованием компьютерных технологий были созданы и успешно применены современные средства оперативного контроля за работой механизмов подземной и наземной частей щитовых проходческих комплексов, а также аппаратура для дистанционного контроля за положением щитовой машины и ведения её по заданному направлению с минимальными отклонениями от трассы проходимого тоннеля.

Применительно к новым щитовым машинам с активным суспензионным пригрузом было создано специальное сепарационное оборудование, позволяющее регенерировать бентонитовую суспензию с целью её повторного использования.

Применение щитовых машин с активным пригрузом потребовало также создания новых конструкций тоннельной обделки, обеспечивающих полную водонепроницаемость тоннельного сооружения немедленно по возведении её в хвостовой части щитовой машины.

Каждый тип тоннельной щитовой машины с присущим ему видом активного пригруза забоя применительно к инженерно-геологическим условиям имеет свою область наиболее эффективного применения. С учётом этого, а также в связи с чрезвычайно высокой стоимостью современного щитового оборудования и большой сложностью перехода на другой вид пригруза в процессе проходки тоннеля, перед руководством организаций, выигравших подряд на строительство тоннеля или группы тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях, возникает задача правильного выбора тоннельной щитовой машины, которая в первую очередь была бы в наибольшей степени совместима с ожидаемыми по трассе проходки инженерно-геологическими условиями, что гарантирует надёжность крепления забоя и предотвращение осадок поверхности. Основной целью настоящей работы является показ современного уровня щитовой тоннелестроительной техники и выполнения таких технологических операций щитовой проходки, как тампонаж заобделочного пространства, блокирующая стабилизация грунтов перед и вокруг щитовой машины, ведение щитовой машины и контроль за работой щитового комплекса.

Завершающий раздел работы предназначен для возможности производства выбора наиболее эффективного типа тоннельной щитовой машины до начала торговых переговоров с фирмой-изготовителем щитового оборудования. Следует иметь в виду, что в работе рассматриваются только тоннельные щитовые машины круглого сечения, осуществляющие сооружение тоннелей со сборной обделкой в сложных инженерно-геологических условиях. При этом под сложными инженерно-геологическими условиями при проходке тоннелей щитовым способом в настоящей работе имеются в виду условия, при которых открытие забоя в щитовой машине достаточно быстро сопровождается произвольными подвижками грунта внутрь щита, а возможно и тоннеля, и, как следствие, — существенными нарушениями естественного состояния грунтового массива, ведущими к недопустимым осадкам дневной поверхности, а также наземных и подземных сооружений, располагающихся над тоннелем. Указанные подвижки и все остальные возможные последствия, вплоть до затопления тоннеля, инициирует и осуществляет грунтовая вода, создающая явления взвешивания грунта, резкого ослабления в грунте сил внутреннего трения и суффозии грунта. Эти условия имеют место, прежде всего, когда тоннель проходит постоянно или периодически в слоях водонасыщеных гравелистых и песчаных грунтов, а также пластичных илистых и глинистых грунтов при любом их положении по высоте сечения тоннеля и когда невозможно или экономически нецелесообразно производство с поверхности работ по стабилизации этих грунтов. Сложными условия являются и тогда, когда подводный тоннель проходится в слоях трещиноватых и склонных к размыву полускальных грунтов. Сложными условия обычно считаются и в случае проходки тоннелей в условиях плотной городской застройки.

Классификация тоннельных щитовых машин с активным пригрузом забоя

Известные и широко применяемые в настоящее время тоннельные щитовые машины для проходки в сложных инженерно-геологических условиях (ТЩМ) в зависимости от вида активного пригруза забоя разделяются на 4 типа:

✓ ТЩМ с суспезионным (бентонитовым) пригрузом,

✓ ТЩМ с грунтовым пригрузом,

✓ ТЩМ с воздушным пригрузом,

✓ ТЩМ с комбинированным пригрузом.

ТЩМ с суспензионным пригрузом в основном оснащены роторным рабочим органом, ведущим разработку грунта по всей площади забоя, и значительно реже — фрезерно-штанговым рабочим органом, осуществляющим местную порционную разработку забоя, в результате чего этот процесс на длину заходки является более длительным.

Во всех ТЩМ с грунтовым и комбинированным пригрузом разработка забоя ведётся исключительно с помощью роторного рабочего органа.

Большая часть известных ТЩМ с воздушным пригрузом оснащена экскаваторным рабочим органом, в то время как их оснащение фрезерно-штанговым и роторным рабочим органом происходило достаточно редко.

В ТЩМ с суспензионным пригрузом и роторным рабочим органом используются 2 различных способа регулирования величиной пригруза, а именно объёмный и воздушный.

На рис. 1 представлена классификационная схема известных тоннельных машин с активным пригрузом забоя, и на этой схеме приведены классификационные индексы этих машин.

Конструктивно-технологические особенности и область применения тоннельных щитовых машин с активным пригрузом забоя

Каждая тоннельная щитовая машина с помощью установленных в ней механизмов и под управлением машиниста или оператора выполняет следующие основные операции по проходке тоннеля:

✓ разработку забоя с креплением его, чаще всего в процессе продвижения машины,

✓ выдачу разработанного грунта от забоя в тоннель с передачей его на средства внутритоннельного транспорта,

✓ возведение в хвостовой части машины очередного кольца тоннельной обделки.

Дополнительные механизмы и обустройства ТЩМ, кроме того, должны обеспечивать возможность выполнения работ по тампонажу заобделочного пространства во время продвижения машины и работ по нагнетанию в окружающий грунт блокирующего уплотнительного раствора.

По каждому типу ТЩМ с активным пригрузом ниже приводятся краткие сведения по конструкции машины, принципу её действия и области применения. При этом каждая рассматриваемая машина обозначается соответствующим индексом, приведённым на рис. 1.

Тоннельные щитовые машины типа ТЩМ (СП) с суспензионным пригрузом забоя

В соответствии с классификационной схемой (см. рис. 1) тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП) делятся на 2 вида, а именно на машины ТЩМ (СП)-Р с роторным рабочим органом и машины ТЩМ (СП)-Ф с фрезерно-штанговым рабочим органом. Ниже приводится описание этих машин.

Тоннельные щитовые машины типа ТЩМ (СП)-Р с суспензионным пригрузом и роторным рабочим органом

Создание машин типа ТЩМ (СП)-Р почти одновременно осуществлялось в Японии и Германии. При этом японские фирмы-разработчики пошли по пути создания тоннельных машин, в которых величина пригруза, создаваемого в призабойной камере, регулировалась путём изменения производительности насосов подачи в неё бентонитовой суспензии и выдачи из неё шлама, образуемого в результате смешивания указанной суспензии с разработанным грунтом (объёмное регулирование). Германские фирмы стали осуществлять это регулирование путём изменения давления в воздушной подушке, создаваемой в специальном отсеке призабойной камеры (воздушное регулирование).

Оба типа щитовых машин ТЩМ (СП)-Р доказали свою полную и практически одинаковую работоспособность и эффективность, но в связи с тем, что они имеют некоторые конструктивные особенности, ниже приводится описание каждого подвида этих машин.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП)-Р1 с суспензионным пригрузом, роторным рабочим органом и объёмным регулированием величины пригруза

Конструкция машины. Основными элементами машины ТЩМ (СП)-Р1 являются щитовой корпус 1, щитовые гидроцилиндры 2, роторный рабочий орган 3, выполненный в виде планшайбы (диска) или лучевой конструкции и оснащённый резцами различного типа, гиродвигатели привода 4, блокоукладчик 5, питательный трубопровод 6 для подачи бентонитовой суспензии в призабойную камеру и транспортный трубопровод 7 для выдачи шлама из призабойной камеры в тоннель и далее на поверхность (рис. 2 а). Спереди в центральной части корпуса закреплена герметическая диафрагма 8, а сзади в хвостовой оболочке этого корпуса установлено кольцевое уплотнение 9. В щитовом корпусе также вмонтирована шлюзовая камера 10, обеспечивающая возможность доступа рабочего персонала в призабойную камеру для смены резцов или выполнения ремонтных работ. На концах транспортных трубопроводов установлены роторные смесители для устранения комкования глинистого грунта у всаса зтих трубопроводов. При необходимости перед нижним всасом размещается камнедробилка.

Принцип действия. Бентонитовая суспензия, заполняющая призабойную камеру и находящаяся под давлением, через прорези в планшайбе или окна рабочего органа лучевого типа проникает к забою и покрывает его по всей площади. При этом твёрдые частицы суспензии входят в поры грунта забоя и уже через 1—2 секунды образуют на его поверхности сплошную глинистую водонепроницаемую мембрану (корку). Сама суспензия оказывает активное давление на зту мембрану, уравновешивая давление грунтовой воды и давление, оказываемое взвешенным в воде грунтом (см. рис. 3).

В результате этого, как показала практика, обеспечивается необходимая устойчивость забоя, сложенного водонасыщенным грунтом. Дополнительное крепление забоя производят во время движения щитовой машины лобовые (фронтальные) листы планшайбы и в значительно меньшей мере — радиальные лучи рабочего органа.

При движении щитовой машины с вращающимся рабочим органом разработанный его резцами грунт поступает в призабойную камеру, смешиваясь с бентонитовой суспензией, в результате чего образуется шламовый раствор с более высокой плотностью, чем первоначальная суспензия. Этот шлам высасывается транспортным трубопроводом, и одновременно в призабойную камеру по питательному трубопроводу поступает регенерированная поверхностной сепарационной установкой бентонитовая суспензия.

В процессе продвижения щитовой машины производится непрерывное нагнетание тампонажного раствора в зазор между грунтом и тоннельной обделкой.

Область применения. Наиболее эффективно щитовые машины ТЩМ (СП)-Р1 применимы в водонасыщенных песчаных и гравелистых (мелких и средних) грунтах при условии, что количество частиц размером менее 0,02 мм в разрабатываемом грунте не превышает по весу более 10 % (см. рис. 4).

При соответствующем повышении плотности бентонитовой суспензии и оснащении режущей головки рабочего органа дисковыми резцами, резцами-рипперами и резцами-скреперами, оснащёнными твердосплавными вставками, машины ТЩМ (СП)-Р1 могут достаточно успешно применяться при проходке в грубых гравелистых грунтах и слоях полускальных и скальных грунтов. При оснащении головной части машины смесителями и насадками для подачи воды достаточно высокого давления щитовые машины могут сравнительно успешно вести проходку и в связных глинистых грунтах.

Следует иметь в виду, что границы основной области применения тоннельных щитовых машин с суспензионным пригрузом построены на рис. 4 с использованием интеграционных кривых гранулометрического состава грунтов.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП)-Р2 с суспензионным пригрузом, роторным рабочим органом и воздушным регулированием величины пригруза

Конструкция машины. Конструкция машины ТЩМ (СП)-Р2 практически аналогична конструкции машины ТЩМ (СП)-Р1 с тем отличием, что в головной части щитового корпуса 1, в котором размещены гидроцилиндры 2, роторный рабочий орган 3 с приводом 4 и блокоукладчик 5, и который оснащён герметической диафрагмой 8, хвостовым уплотнением 9 и шлюзовой камерой 10, установлена погружная стенка 11, разделяющая в верхней части призабойную камеру на 2 части (см. рис. 2 б) Кроме того, выход питательного трубопровода 6 размещён не в верхней, а в нижней части призабойной камеры. Всас транспортного трубопровода 7 защищен спереди стенкой, оснащённой решёткой, служащей для задержки крупных валунов. В нижней части призабойной камеры размещена камнедробилка 12.

Принцип действия — тот же, что и у машины ТЩМ (СП)-Р1, с тем отличием, что давление пригруза бентонитовой суспензии и образующегося шлама создаётся с помощью воздушной подушки, находящейся между погружной стенкой и герметической диафрагмой.

Схема нагрузок на забой при применении щитовой машины ТЩМ (СП)-Р2 показана на рис. 5.

Область применения — та же, что и у машин ТЩМ (СП)-Р1.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП)-Ф с суспензионным пригрузом и фрезерно-штанговым органом

Конструкция машины. Основными элементами машины ТЩМ (СП)-Ф являются щитовой корпус 1, щитовые гидроцилиндры 2, фрезерно-штанговый рабочий орган 3, шарнирно вмонтированный в герметическую диафрагму 4, в которой жёстко закреплена шлюзовая камера 5 (см. рис. 6).

В верхней части ножевого кольца щитового корпуса закреплены с возможностью выдвижения поворотные забойные плиты крепления забоя 6, а в нижней части устроена приёмная камера 7, оснащённая спереди защитной решёткой и лопастным затвором.

К герметической диафрагме сзади подведены питательный и транспортный трубопроводы 8 и 9, служащие соответственно для подачи в призабойную камеру бентонитовой суспензии и выдачи шлама из этой камеры. К хвостовой части телескопической штанги рабочего органа подсоединён другой транспортный трубопровод 10, служащий для отсоса шлама от головки этого органа.

Принцип действия. Призабойная камера щитовой машины заполняется под давлением бентонитовой суспензией, удерживающей забой водонасыщенного грунта в устойчивом положении благодаря возникновению на его поверхности глинистой мембраны и давлению на неё, оказываемому самой суспензией.

Грунт забоя, местно и порционно разрабатываемый фрезерной головкой рабочего органа при одновременной подаче бентонитовой суспезии в призабойную камеру, падает вниз и смешивается с ней, особенно при производстве штангой рабочего органа маятниковых движений. Образованный в результате такого смешивания шлам проходит через защитную решётку в приёмную камеру, откуда он транспортируется по транспортному трубопроводу в тоннель и далее на поверхностную сепарационную установку.

После продвижения щитовой машины на заданную длину очередной заходки в хвостовой её части производится сборка кольца обделки.

Область применения: та же, что и у тоннельных щитовых машин ТЩМ (СП)-Р1 и ТЩМ (СП)-Р2.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (ГП) с грунтовым пригрузом

В настоящее время в тоннельных щитовых машинах типа ТЩМ (ГП) используются 3 следующих разновидности грунтового пригруза:

✓ чисто грунтовый пригруз, когда разрабатываемый грунт используется без изменения его состава добавлением в забой некоторого количества воды;

✓ глинисто-грунтовый пригруз (грязевый), когда в разрабатываемый грунт с целью его кондиционирования нагнетается глинистая паста с объёмным весом 1,3—1,5 г/см³, образованная из воды и смеси порошков бентонита и глины или бентонита и каолина;

✓ пеногрунтовый пригруз, когда в разрабатываемый грунт, также с целью его кондиционирования, нагнетается пена, представляющая собой смесь пузырьков сжатого воздуха и жидкого пенообразователя, состоящего, например, из целлюлозы и поверхностно активного вещества.

Конструкция машины. Основными элементами каждой машины типа ТЩМ (ГП) вне зависимости от вида применяемого пригруза являются щитовой корпус 1 с герметической диафрагмой 2, щитовые гидроцилиндры 3, роторный рабочий орган 4 с гидроприводом 5, шнековый конвейер 6, блокоукладчик 7 и кольцевое уплотнение 8 хвостовой оболочки щитового корпуса (см. рис. 7 а).

Режущая головка рабочего органа выполняется в виде планшайбы (диска) с прорезями (см. рис. 76) или в виде лучевой конструкции (см. рис. 7в) и оснащается резцами стоечного типа двухстороннего действия (рипперами), наклонными ножевыми резцами, а при необходимости и дисковыми резцами. В некоторых щитовых машинах прорези или окна режущей головки перекрываются секторными створками, поворотными в вертикальной плоскости, что позволяет изменять в процессе проходки ширину прорезей или окон, а в случае особой необходимости — полностью перекрывать их.

Сзади режущие головки рабочего органа оснащаются жёстко прикреплёнными к ним смесительными лопатками (см. рис. 7в).

В герметической диафрагме щитового корпуса устанавливаются датчики для измерения давления грунта в призабойной камере.

Для возможности подачи на забой, а также в призабойную камеру и в шнековый конвейер воды, глинистой пасты или пены щитовая машина оснащается подводящими трубками и выводными отверстиями, снабжёнными защитными клапанами.

Принцип действия. Принцип действия герметической щитовой машины с грунтопригрузом заключается в том, что в призабойной камере её, благодаря интенсивному силовому перемешиванию, происходит изменение качества разработанного грунта, как не кондиционированного, так и кондиционированного, а именно повышение пластичности и понижение проницаемости его. В результате зтого обеспечивается эффективное крепление забоя.

Выведение разработанного грунта из призабойной камеры производится с помощью шнекового конвейера, скорость вращения винта которого регулируется для возможности управления напряжённым состоянием в образованной грунтовой пробке. При этом следует иметь в виду, что режущая головка рабочего органа создаёт дополнительное силовое воздействие на забой, повышающее его устойчивость.

Область применения. Наиболее подходящей средой для эффективного применения тоннельных щитовых машин с чисто грунтовым пригрузом являются глинистые и илистые грунты повышенной влажности и с относительно небольшим содержанием песчаных частиц и при наличии в этих грунтах не менее 30 % мелких фракций диаметром (размером) менее 0,05 мм (см. рис. 8) В действительности благодаря производству кондиционирования разрабатываемого грунта область возможного, но достаточно эффективного применения щитовых машин с такими разновидностями грунтового пригруза, как глинисто-грунтовый и пеногрунтовый, распространяется на песчаные и гравелистые грунты, а также на плотные и даже сильно налипающие глинистые грунты.

Установкой на лучах рабочего органа дисковых резцов обеспечивается возможность проходки щитовыми машинами с грунтовым пригрузом в полускальных и скальных грунтах.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (ВП) с воздушным пригрузом забоя

В соответствии с классификационной схемой (см. рис. 1) тоннельные щитовые машины типа ТЩМ (ВП) делятся на 3 следующих вида:

✓ машины ТЩМ (ВП)-Р с роторным рабочим органом;

✓ машины ТЩМ (ВП)-Э с экскаваторным рабочим органом;

✓ машины ТЩМ (ВП)-Ф с фрезерно-штанговым рабочим органом.

Ниже приводится краткое описание этих машин.

Источник