Проходческие комбайны: история и современные технологии

Введение

Устройство, используемое для прокладки туннелей.

Туннелепроходческий комплекс (ТПК), также известный как "крот", – это машина, используемая для прокладки туннелей. Туннели прокладываются сквозь твердые горные породы, влажную или сухую почву, или песок, каждый из которых требует специализированных технологий. ТПК является альтернативой методам буровзрывных работ (D&B) и "ручной выработке". ТПК минимизируют воздействие на окружающую среду и создают гладкие стенки туннеля. Это снижает стоимость облицовки туннеля и делает его пригодным для использования в городских районах. ТПК дороги в изготовлении, а крупные машины сложны в транспортировке. Эти фиксированные затраты становятся менее значимыми для более протяженных туннелей. Поперечные сечения туннелей, проложенных с помощью ТПК, варьируются от… до настоящего времени. Для узких туннелей обычно используются бестраншейные методы строительства или горизонтально-направленное бурение, а не ТПК. Туннели, проложенные ТПК, обычно имеют круглое поперечное сечение, хотя они могут быть U-образными, подковообразными, квадратными или прямоугольными. Скорость проходки туннелей увеличивается со временем. Первый ТПК достиг пиковой скорости в 4 метра в неделю. Через четыре десятилетия она увеличилась до 16 метров в неделю. К концу XIX века скорость достигла более 30 метров в неделю. В XXI веке ТПК для горных пород могут прокладывать более 700 метров в неделю, а машины для проходки в грунте – более 200 метров в неделю. Как правило, скорость снижается с увеличением диаметра туннеля.

XIX век

Первый успешный туннельный щит был разработан сэром Марком Изамбардом Брунелем для прокладки Темзского туннеля в 1825 году. Однако это было лишь изобретение концепции щита и не предполагало строительства полноценной туннелепроходческой машины – выемка грунта по-прежнему осуществлялась стандартными методами разработки выработок. Первой буровой машиной, о которой сообщалось, была «Горная резалка» Генри Мауса. В 1845 году король Сардинии поручил Маусу прокладку железнодорожного тоннеля Фрежюс между Францией и Италией через Альпы, и она была построена в 1846 году на оружейном заводе недалеко от Турина. Она состояла из более чем 100 ударных буров, установленных в передней части машины размером с локомотив, с механическим приводом от входного портала туннеля. Революции 1848 года повлияли на финансирование, и туннель был завершен только через 10 лет с использованием менее инновационных и более дешевых методов, таких как пневматические отбойные молотки. В Соединенных Штатах первая буровая машина была построена в 1853 году во время строительства туннеля Гусак на северо-западе штата Массачусетс. Изготовленная из чугуна, она была известна как запатентованная камнерезная машина Уилсона, в честь изобретателя Чарльза Уилсона. Она пробурила 3 метра в скале, прежде чем вышла из строя (в конечном итоге туннель был завершен более чем через 20 лет, и, как и в случае с железнодорожным тоннелем Фрежюс, с использованием менее амбициозных методов). Машина Уилсона предвосхитила современные ТПМ в том смысле, что она использовала режущие диски, подобные дисковым боронам, которые крепились к вращающейся головке машины. В отличие от традиционной долбежки или буровзрывных работ, этот инновационный метод выемки породы полагался на простые металлические колеса, которые создавали кратковременное высокое давление, разрушающее породу. В 1853 году американский Эбенезер Талбот также запатентовал ТПМ, в которой использовались режущие диски Уилсона, хотя они были установлены на вращающихся рычагах, которые, в свою очередь, крепились к вращающейся плите. В 1870-х годах Джон Д. Брантон из Англии построил машину, использующую режущие диски, которые были установлены эксцентрично на вращающихся плитах, которые, в свою очередь, были установлены эксцентрично на вращающейся плите, так что режущие диски проходили почти по всей поверхности скалы, которую необходимо было удалить. Первая ТПМ, проложенная на значительное расстояние, была изобретена в 1863 году и усовершенствована в 1875 году офицером британской армии майором Фредериком Эдвардом Блэкетом Бомонтом (1833–1895); машина Бомонта была дополнительно усовершенствована в 1880 году офицером британской армии майором Томасом Инглишем (1843–1935). В 1875 году французская Национальная ассамблея одобрила строительство тоннеля под Ла-Маншем, а британский парламент поддержал пробный проход с использованием ТПМ Инглиша. Его режущая головка состояла из конического бура, за которым располагалась пара противоположных рычагов, на которых были установлены режущие диски. С июня 1882 года по март 1883 года машина проложила туннель через мел общей протяженностью 1840 м. Французский инженер Александр Лавалли, который также был подрядчиком Суэцкого канала, использовал аналогичную машину для бурения 1669 м от Сангатте на французской стороне. Однако, несмотря на этот успех, проект тоннеля под Ла-Маншем был заброшен в 1883 году после того, как британские военные выразили опасения, что туннель может быть использован в качестве маршрута вторжения. Тем не менее, в 1883 году эта ТПМ была использована для прокладки железнодорожного вентиляционного туннеля диаметром 2,13 м и длиной 2057,40 м между Биркенхедом и Ливерпулем, Англия, через песчаник под рекой Мерси. Туннель реки Гудзон строился с 1889 по 1904 год с использованием ТПМ с щитом Грейтхеда. В проекте использовался сжатый воздух для предотвращения обрушений. Однако многие рабочие погибли в результате обрушений или декомпрессионной болезни.

The first successful tunnelling shield was developed by Sir Marc Isambard Brunel to excavate the Thames Tunnel in 1825. However, this was only the invention of the shield concept and did not involve the construction of a complete tunnel boring machine, the digging still having to be accomplished by the then standard excavation methods. The first boring machine reported to have been built was Henri Maus's Mountain Slicer. Commissioned by the King of Sardinia in 1845 to dig the Fréjus Rail Tunnel between France and Italy through the Alps, Maus had it built in 1846 in an arms factory near Turin. It consisted of more than 100 percussion drills mounted in the front of a locomotive sized machine, mechanically power driven from the entrance of the tunnel. The Revolutions of 1848 affected the funding, and the tunnel was not completed until 10 years later, by using less innovative and less expensive methods such as pneumatic drills. In the United States, the first boring machine to have been built was used in 1853 during the construction of the Hoosac Tunnel in northwest Massachusetts. Made of cast iron, it was known as Wilson's Patented Stone Cutting Machine, after inventor Charles Wilson. It drilled 10 feet (3 m) into the rock before breaking down (the tunnel was eventually completed more than 20 years later, and as with the Fréjus Rail Tunnel, by using less ambitious methods). Wilson's machine anticipated modern TBMs in the sense that it employed cutting discs, like those of a disc harrow, which were attached to the rotating head of the machine. In contrast to traditional chiseling or drilling and blasting, this innovative method of removing rock relied on simple metal wheels to apply a transient high pressure that fractured the rock. In 1853, the American Ebenezer Talbot also patented a TBM that employed Wilson's cutting discs, although they were mounted on rotating arms, which in turn were mounted on a rotating plate. In the 1870s, John D. Brunton of England built a machine employing cutting discs that were mounted eccentrically on rotating plates, which in turn were mounted eccentrically on a rotating plate, so that the cutting discs would travel over almost all of the rock face that was to be removed. The first TBM that tunneled a substantial distance was invented in 1863 and improved in 1875 by British Army officer Major Frederick Edward Blackett Beaumont (1833–1895); Beaumont's machine was further improved in 1880 by British Army officer Major Thomas English (1843–1935). In 1875, the French National Assembly approved the construction of a tunnel under the English Channel and the British Parliament supported a trial run using English's TBM. Its cutting head consisted of a conical drill bit behind which were a pair of opposing arms on which were mounted cutting discs. From June 1882 to March 1883, the machine tunneled, through chalk, a total of 1,840 m (6,036 ft). A French engineer, Alexandre Lavalley, who was also a Suez Canal contractor, used a similar machine to drill 1,669 m (5,476 ft) from Sangatte on the French side. However, despite this success, the cross Channel tunnel project was abandoned in 1883 after the British military raised fears that the tunnel might be used as an invasion route. Nevertheless, in 1883, this TBM was used to bore a railway ventilation tunnel — 2.13 m in diameter and 2057.40 m long — between Birkenhead and Liverpool, England, through sandstone under the Mersey River. The Hudson River Tunnel was constructed from 1889 to 1904 using a Greathead shield TBM. The project used air compressed to to reduce cave ins. However, many workers died via cave in or decompression sickness.

1900-е годы

В конце XIX и начале XX века изобретатели продолжали проектировать, строить и испытывать проходческие комплексы (ТБМ) для туннелей для железных дорог, метрополитена, канализации, водоснабжения и т.д. Были запатентованы ТБМ, использующие вращающиеся ряды буров или отбойных молотков. Предлагались ТБМ, напоминающие гигантские корончатые сверла. Другие ТБМ состояли из вращающегося барабана с металлическими зубьями на внешней поверхности, или вращающейся круглой пластины, покрытой зубьями, или вращающихся лент, покрытых металлическими зубьями. Однако эти ТБМ оказались дорогостоящими, неуклюжими и неспособными разрабатывать твердые породы; в связи с этим интерес к ТБМ снизился. Тем не менее, разработка ТБМ продолжалась в калийных и угольных шахтах, где горные породы были более мягкими. ТБМ с диаметром бурения был изготовлен компанией The Robbins Company для канадского проекта "Ниагарский туннель". Машина использовалась для проходки гидроэнергетического туннеля под Ниагарским водопадом. Машина была названа "Большая Бекки" в честь гидроэлектростанций имени сэра Адама Бека, к которым она прокладывала туннель для обеспечения дополнительного гидроэнергетического туннеля.

2000-е годы

В 2013 году корпорацией Hitachi Zosen была произведена проходческая машина с земляным балансом (TBM), известная как Bertha, с диаметром бурения . Она была доставлена в Сиэтл, штат Вашингтон, для проекта тоннеля шоссе 99. Машина начала работу в июле 2013 года, но остановилась в декабре 2013 года и потребовала существенного ремонта, который приостановил ее работу до января 2016 года. Bertha завершила проходку тоннеля 4 апреля 2017 года. Два TBM, поставленные CREG, проложили два туннеля для системы скоростного транспорта Куала-Лумпура с диаметром бурения . Геологические условия включали водонасыщенный песчаный алевролит, сланцевый алевролит, сильно выветрившийся алевролит, а также аллювий. Была достигнута максимальная скорость проходки более чем в месяц. Крупнейший в мире TBM для твердых пород, известный как Martina, был построен компанией Herrenknecht AG. Его диаметр проходки составлял , общая длина ; площадь выемки , усилие на толкателях 39 485 т, общий вес 4500 т, общая установленная мощность 18 МВт. Годовое потребление энергии составляло около 62 ГВтч. Он принадлежит и эксплуатируется итальянской строительной компанией Toto S.p.A. Costruzioni Generali (Toto Group) для галереи Sparvo на итальянской автомагистрали A1 ("Variante di Valico A1") недалеко от Флоренции. Та же компания построила крупнейший в мире TBM для проходки с использованием шлама, с диаметром проходки , принадлежащий и эксплуатируемый французской строительной компанией Dragages Hong Kong (дочерняя компания Bouygues) для линии Tuen Mun – Chek Lap Kok в Гонконге.

Типы

ТБМ обычно состоят из вращающегося режущего колеса в передней части, называемого режущей головкой, за которым следуют основной подшипник, система упора, система для удаления выработанной породы (шлам) и системы поддержки. Машины различаются в зависимости от геологических условий участка, количества грунтовых вод и других факторов. Машины для проходки скальных пород отличаются от машин для проходки грунта способом прорезания туннеля, способом обеспечения тяги для поддержки процесса проходки и способом поддержания стенок вновь проложенного туннеля.

Бетонная подкладка

Обычно защищенные проходческие комплексы (ТБМ) используются для прокладки тоннелей в грунтах. Они возводят бетонные сегменты за проходческим комплексом для поддержания стенок тоннеля. Машина стабилизируется в тоннеле с помощью гидравлических цилиндров, прижимающихся к щиту, что позволяет ТБМ оказывать давление на забое.

Главный луч

Машины с главным бревом не устанавливают бетонные сегменты позади режущего щита. Вместо этого горная порода удерживается с помощью методов крепления, таких как кольцевые балки, анкеры, торкрет-бетон, стальные ленты, арматурные кольца и сетка из проволоки.

Типы щитов

В зависимости от устойчивости местной геологии, вновь образованные стенки туннеля часто требуют немедленной поддержки сразу после выемки грунта, чтобы предотвратить обрушение, до установки постоянных креплений или облицовки. Многие проходческие комплексы (ТБМ) оснащены одним или несколькими цилиндрическими щитами, расположенными за режущим головой, для поддержания стенок, пока не будет установлено постоянное крепление туннеля дальше по ходу движения машины. Устойчивость стенок также влияет на способ закрепления ТБМ, позволяющий ему прикладывать усилие к режущей голове. Это, в свою очередь, определяет, может ли машина одновременно вести выработку и продвигаться вперед, или эти процессы выполняются попеременно.

Открыть/захватить

Грипперные ТБМ используются при проходке скальных туннелей. Они не используют защитный кожух (щит), а непосредственно упираются в не укрепленные стенки туннеля. Машины, такие как ТБМ Wirth, могут перемещаться только в разжатом состоянии. Другие машины способны двигаться непрерывно. В конце цикла бурения ТБМ Wirth опоры опускаются на грунт, захваты отходят, и машина продвигается вперед. Затем захваты снова включаются, а задние опоры поднимаются для следующего цикла.

Однослойный щит

Однослойная проходческая машина имеет один цилиндрический щит за режущим комплектом. Непосредственно за щитом возводится постоянная бетонная обделка, а проходческая машина опирается на обделку для приложения усилия к режущему комплекту. Поскольку это опирание невозможно во время возведения следующего кольца обделки, однослойная проходческая машина работает в попеременных режимах проходки и обделки.

Двойной щит

Двойной щит (или телескопический щит) TBM имеет ведущий щит, который перемещается вместе с режущей головкой, и хвостовой щит, выполняющий функцию упора. Эти два щита могут перемещаться относительно друг друга по оси (то есть телескопически) на ограниченном расстоянии. Хвостовой щит якорит TBM, позволяя прикладывать давление к режущей головке во время одновременного возведения бетонной облицовки.

Методы поддержки поверхности туннеля

В твердых горных породах с минимальным содержанием грунтовых вод область вокруг режущего инструмента тоннелепроходческого комплекса (ТПК) может оставаться без наддавления, поскольку обнаженная горная выработка способна выдерживать нагрузку самостоятельно. В слабых грунтах или при значительном притоке грунтовых вод необходимо создавать давление на забое туннеля для предотвращения обрушения и/или проникновения грунтовых вод внутрь машины.

Баланс давления Земли

Машины с балансировкой давления грунта (EPB) используются в мягких грунтах с давлением менее 0,65. Они используют выработанный грунт для поддержания давления на торце тоннеля. Выработанный грунт (или шлам) подается в ТПМ через шнековый конвейер. Регулируя скорость извлечения выработанного грунта и скорость проходки ТПМ, можно контролировать давление на торце ТПМ без использования шлама. Для стабилизации грунта перед забоем можно вводить добавки, такие как бентонит, полимеры и пена. Эти добавки могут вводиться отдельно в режущую головку и шнековый конвейер для обеспечения достаточной связности выработанного грунта для поддержания давления и ограничения притока воды. Как и некоторые другие типы ТПМ, EPB используют толкающие цилиндры для проходки, опираясь на бетонные сегменты. Режущая головка использует комбинацию резцов из карбида вольфрама, дисковых резцов из карбида, драговых резцов и/или дисковых резцов для твердых пород. EPB позволила прокладывать тоннели в мягких, влажных или неустойчивых грунтах с невиданной ранее скоростью и безопасностью. Туннель под Ла-Маншем, кольцевая магистраль Thames Water, участки лондонского метро и большинство новых метрополитенов, построенных за последние 20 лет во всем мире, были прорыты с использованием этого метода. EPB исторически конкурирует с методом защиты шламом (см. ниже), где шламовый раствор используется для стабилизации забоя и транспортировки выработанного грунта на поверхность. ТПМ EPB в основном используются в более мелких грунтах (например, в глине), в то время как ТПМ для шламовой защиты в основном используются для более крупных грунтов (например, гравия).

Защитный щит от шлака

Машины с защитой от шлама могут применяться в мягких грунтах с высоким давлением воды или в условиях гранулярных грунтов (песков и гравия), где невозможно формирование пробки в шнеке. Режущая головка заполнена под давлением шламом, обычно приготовленным на основе бентонитовой глины, который создает гидростатическое давление на забое. Шлам смешивается с выработанной породой и перекачивается на шламоотделительную установку, как правило, расположенную за пределами туннеля. Шламоотделительные установки используют многоступенчатые системы фильтрации для разделения выработанной породы и шлама, что позволяет повторно использовать шлам. Степень очистки шлама зависит от соотношения размеров частиц выработанной породы. Шламовые проходческие комплексы не подходят для илов и глин, так как размеры частиц выработанной породы меньше, чем у бентонита. В этом случае из шлама удаляется вода, образуя глиняный осадок, который может быть загрязнен. Иногда на режущей головке устанавливается система кессона для обеспечения доступа рабочих к машине, однако давление воздуха в кессоне может достигать высоких значений, что требует от рабочих прохождения медицинской комиссии и признания их "годными для работы под давлением" и умения работать с воздушными шлюзами.

Открытая поверхность мягкая земля

Открытые мягкоземные TBM полагаются на выкопанную породу, чтобы временно сохранять устойчивость без дополнительной поддержки. Они подходят для использования в грунтах с прочностью до примерно [значение A] и низким притоком воды. Они могут прокладывать туннели с поперечным сечением более A. Забойный орган или режущая головка бурят до [значение] от края щита. После цикла проходки щит надвигается вперед для начала нового цикла. Поддержка выработки осуществляется с помощью сборного железобетона или, реже, сегментов сфероидального графитового чугуна (SGI), которые крепятся болтами или поддерживаются до установки поддерживающего кольца. Последний сегмент, называемый замковым, имеет клиновидную форму и расширяет кольцо до плотного прижатия к стенкам выработки.

Размер туннеля

Тоннелепроходческие комплексы (ТПК) имеют диаметр от микротоннельных щитов. Микротоннельные щиты используются для строительства небольших тоннелей и являются уменьшенной версией обычного туннельного щита, обычно прокладывая тоннели, в которых оператору негде пройти.

Резервные системы

За всеми типами проходческих комплексов, в уже выработанной части туннеля, располагаются вспомогательные платформы, известные как система поддержки, механизмы которой могут включать конвейеры или другие системы для удаления выработанной породы; шламмопроводы (при необходимости); диспетчерские пункты; электрооборудование, системы пылеудаления и вентиляции; а также механизмы для транспортировки сборных железобетонных элементов.

Городские туннели и туннели близко к поверхности

Для городского тоннелестроения особенно важно сохранить нетронутой поверхность и избежать оседаний грунта. Стандартный способ достижения этого в слабых грунтах – поддержание давления грунта в процессе и после строительства. В таких условиях применяются проходческие комплексы (ТБМ) с положительным управлением выработкой забоя, такие как машины с балансировкой давления грунта (EPB) и шламмовые щиты (SS). Оба типа (EPB и SS) позволяют снизить риск просадок поверхности и образования пустот при условии детального изучения геологических условий. При строительстве тоннелей в городской застройке необходимо учитывать наличие других тоннелей, подземных коммуникаций и глубоких фундаментов, а проект должен предусматривать меры по минимизации негативного воздействия на существующую инфраструктуру.