Введение
Защитная конструкция, используемая при прокладке туннелей
Туннельный щит – это защитная конструкция, применяемая при разработке крупных, искусственных туннелей. При проходке через мягкий, жидкий или иным образом неустойчивый грунт возникает потенциальная угроза для здоровья и безопасности рабочих, а также для самого проекта, связанная с обрушением материала или обвалом. Туннельный щит может использоваться в качестве временной поддерживающей конструкции. Обычно он устанавливается на короткий срок – от момента выемки грунта в туннельной выработке до момента, когда она будет укреплена постоянной поддерживающей конструкцией. Постоянная конструкция может быть выполнена из кирпича, бетона, чугуна или стали, в зависимости от эпохи. Хотя современные щиты обычно имеют цилиндрическую форму, первый "щит", разработанный Марком Исамбардом Брюнелем, представлял собой большую, прямоугольную, железобетонную конструкцию, напоминающую строительные леса, с тремя ярусами и двенадцатью секциями на каждом ярусе, а также с прочной несущей верхней поверхностью. Эта конструкция защищала рабочих от обвалов, пока они работали внутри, разрабатывая туннель перед щитом.
История
Первый успешный прямоугольный туннельный щит был разработан Марком Исамбардом Брунелем и запатентован им и лордом Кокрейном в январе 1818 года. Брунель и его сын Изамбард Кингдом Брунель использовали его для прокладки туннеля под Темзой, начав работы в 1825 году (хотя туннель был открыт только в 1843 году). По преданию, Брунель вдохновился при создании конструкции раковиной корабельного червя – моллюска, эффективность которого в бурении подводного дерева он наблюдал, работая на верфи. Большинство туннельных щитов до сих пор в значительной степени основаны на конструкции Greathead.
Ручное проходение щита
В раннем щитовом проходческом строительстве щит служил для защиты рабочих, выполнявших разработку выработки и продвигавших щит вперед, постепенно заменяя его сборными участками обделки тоннеля. Первые глубокие туннели лондонского метрополитена были построены таким образом. Щит разделял забой на перекрывающиеся участки, которые мог разрабатывать каждый рабочий.
Современные туннельные буровые машины
Туннелепроходческий комплекс (ТПК) состоит из щита (большой металлический цилиндр) и вспомогательных механизмов. На переднем конце щита располагается вращающееся режущее колесо. За режущим колесом находится камера, где выработанная грунт либо смешивается со шламмом (так называемый шламмовый ТПК), либо остается в естественном состоянии (ТПК с балансированием давления грунта или щит EPB), в зависимости от типа ТПК. Выбор типа ТПК зависит от грунтовых условий. Также предусмотрены системы для удаления грунта (или грунта, смешанного со шламмом). За камерой располагается набор гидравлических домкратов, опирающихся на законченную часть туннеля, которые используются для продвижения ТПК вперед. После выработки определенной длины (приблизительно) новое кольцо туннеля возводится с помощью эректора. Эректор – это вращающаяся система, которая захватывает сборные железобетонные сегменты и устанавливает их в нужное положение. За щитом, внутри законченной части туннеля, находятся различные вспомогательные механизмы, являющиеся частью ТПК: удаление грунта, шламмопроводы (при необходимости), помещения управления, рельсы для транспортировки сборных сегментов и т.д.
Подкладка
Подкладка тоннеля – это стена тоннеля. Обычно она состоит из сборных бетонных сегментов, образующих кольца. В туннелях лондонского метрополитена традиционно использовались чугунные облицовки, а в других местах иногда применялись стальные. Идея использования сборных формованных секций облицовки не нова и была впервые запатентована Джеймсом Генри Грейтхедом в 1874 году.
Щиты в Японии
В Японии существует несколько инновационных подходов к проходке щитовых тоннелей, например, Double O Tube или DOT tunnel. Этот тоннель выглядит как два перекрывающихся круга. Также существуют щиты с роботизированными манипуляторами, которые позволяют прокладывать тоннели практически любой формы.