Они похожи на гигантских песчаных червей Шаи-Хулудов с вымышленной планеты Арракис из фильма «Дюна». Даже принцип функционирования чем-то схож: фантастические твари питались песчаным планктоном, заглатывая почву, а реальные подземные тоннелепроходческие машины «поедают» грунт, чтобы создавать подземные коммуникации. Правда, разница между фантастикой и реальностью принципиальная: Шаи-Хулуды были хищниками и разрушителями, земные ТПМ — строители и созидатели.
Эти монстры весом в тысячи тонн способны за месяц пройти там, где раньше требовались годы. Они не боятся ни рыхлых плывунов, готовых захлестнуть тоннель, ни скальных пород, которые не берет даже динамит. Вместо хаоса и обвалов они оставляют за собой идеально ровные поверхности, готовые к укладке рельсов или прокладке коммуникаций.
Хотите узнать, как эти титаны «поедают» камень, избегают встреч с подземными водами, и почему их называют женскими именами? Тогда добро пожаловать в мир, где тоннели — это не просто отверстия в земле, а настоящие артерии цивилизации.
Зачем нужны подземные тоннелепроходческие машины
Люди издавна прокладывали тоннели. Когда-то это требовало целую армию рабочих, а стройки могли длиться годами. Лопаты, кирки, потом отбойные молотки и динамит: трудно, долго, опасно. Первым, кто решил кардинально изменить метод строительства подземных коммуникаций, был английский инженер французского происхождения Марк Изамбард Брюнель. В 1818 году он запатентовал устройство, напоминающее гигантского кольчатого червя: его механизм позволял не просто рыть тоннели, но и сразу укреплять стены. Эта идея стала основой современных тоннелепроходческих щитов — машин, которые сегодня «поедают» грунты, оставляя за собой идеальные трубы-тоннели.
Брюнель не знал слова «ТПМ», но его изобретение уже тогда содержало ключевой принцип: безопасность через укрепление. Вместо того, чтобы рисковать обвалами, его щит превращал рыхлую землю в четкий коридор, словно морской моллюск, строящий раковину по мере движения. С помощью этого устройства был построен 365-метровый тоннель под Темзой, связавший лево- и правобережный районы Лондона. Сегодня, спустя два века, каждый метротоннель под мегаполисом — это оммаж гению, который заставил недра земли подчиниться инженерной логике.
Сегодня подземные тоннелепроходческие машины, ставшие на несколько порядков сложнее и мощнее, делают то же самое, но без риска обвалов, задымления и бесконечного шума. Они нужны, чтобы превратить «варварскую» стройку в точный, почти бесшумный процесс, словно гигантский 3D-принтер, печатающий тоннели под землей. ТПМ аккуратно «выедает» грунт, одновременно укрепляя стены бетонными сегментами.
Современные ТПМ — это массивные сооружения, которые могут весить тысячи тонн и достигать длины десятков метров. Они оснащены режущими инструментами и опорными системами, которые позволяют работать с различными породами и грунтами, от мягкой глины до твердого гранита. Неслучайно эти агрегаты часто называют тоннелепроходческими комплексами (ТПМК): они сложно устроены и часто достигают огромных размеров. Например, тоннелепроходческая машина EPB Shield, оснащенная огромной режущей головкой диаметром 15,87 м, имеет длину 150 м и весит 4 700 тонн, что сравнимо с весом нескольких десятков самых больших грузовых автомобилей. Двигатели, которые приводят ее в движение, имеют суммарную мощность 5600 л.с.
Секрет популярности ТПМ — скорость и безопасность. Крепкий корпус надежно защищает операторов и рабочих от внешних опасностей, а скорость продвижения в самых сложных грунтах может достигать десятка метров в сутки.
ТПМ используются в широком спектре строительных проектов по всему миру. Один из наиболее впечатляющих примеров — строительство тоннеля под Ла-Маншем. Тоннель длиной 51 километр был прорыт с помощью ТПМ за семь лет. Если быть точным, магистраль, соединившая Великобританию и Францию, состоит из трех тоннелей: двух основных с рельсовым путем для поездов, следующих на север и юг, и одного небольшого служебного тоннеля, который через каждые 375 метров имеет проходы, объединяющие его с основными. Можно себе представить, какое время ушло бы на сооружение этой магистрали, если бы у строителей не было современных тоннелепроходческих машин!
ТПМ используются не только для строительства транспортных магистралей. Они также применяются при строительстве водопроводных и канализационных систем, при горнодобывающих работах и даже в военном деле. Так, в 60-е годы прошлого века в СССР пытались создать подземную машину «Боевой крот». Это был аппарат с ядерной силовой установкой, который мог разрушать подземные коммуникации противника и подрывать арсеналы, скрытые в толщах скальных пород. Длина корпуса «Боевого крота» составляла 35 метров, диаметр — 3 метра, экипаж — 5 человек, скорость — 7 км/ч. Машина могла нести десант до 15 полностью экипированных бойцов. По некоторым данным, во время очередных испытаний в 1964 году машина, проникшая в Уральские горы под Нижним Тагилом на расстояние в 10 км, по неизвестным причинам взорвалась. Проект закрыли, все документы о нем засекретили. За достоверность этой информации поручиться нельзя, но факт использования тоннелепроходческих машин для строительства военных объектов сомнению не подлежит.
Принцип работы ТПМ простыми словами
Большинство видов червей, двигаясь сквозь землю, используют метод, при котором они пропускают почву через себя, расталкивая ее. Именно этому принципу следуют ученые и инженеры, создавая современные тоннелепроходческие машины. Представьте, как гигантский механический червь медленно «проползает» под землей, оставляя за собой идеально ровный тоннель. У тоннелепроходческих машин тоже есть «рот», который ест породу, «желудок», перерабатывающий грунт, и «хвост», укрепляющий стены.
Принцип работы ТПМ следующий. Все начинается с вращающейся режущей головки — это «рот» машины. Режущая головка, благодаря тяге и вращению, плотно прижимается к стенке тоннеля. Вращающиеся дисковые фрезы врезаются в породу, когда сила прижима превышает ее прочность. Это приводит к разрушению породы и образованию круглых борозд на поверхности тоннеля.
Измельченная порода не остается под ногами. Режущая головка вращается и перемещает образовавшийся шлак в шлаковый лоток с помощью скребковой пластины. Шлак попадает в бункер и далее на основной ленточный конвейер. Основной и дополнительный конвейеры транспортируют шлак к хвостовой части оборудования ТПМК, откуда он вывозится за пределы тоннеля с помощью либо сортировочного поезда, либо непрерывного ленточного конвейера. Без этого тоннель мгновенно забился бы, как засорившаяся раковина.
Пока «рот» работает, «хвост» ТПМ уже занят другим. Сразу за режущей головкой машина устанавливает бетонные сегменты, формируя облицовку тоннеля. Это как строить дом, который сам себя возводит изнутри: каждый новый кусок стены появляется сразу после того, как машина продвинется вперед.
А как она двигается? На помощь приходят мощные гидравлические домкраты. Они упираются в уже установленные сегменты и толкают всю машину вперед. Скорость — несколько метров в день, но зато без остановок, 24/7.
Интересно, что ТПМ умеет «чувствовать» грунт. Если на пути рыхлый плывун, она нагнетает в зону выработки пену или замораживает воду, создавая ледяной щит. Если скалы — замедляет вращение, чтобы алмазы не перегрелись.
Для ориентации под землей ТПМ используют комплекс высокотехнологичных решений. К ним относятся электронная навигация, тахеометры, инклинометры и лазерная навигация. По мере продвижения тоннелепроходческого комплекса происходит постоянная корректировка и создаются новые точки привязки. Как утверждают специалисты, проходческий комплекс может отклониться от заданных параметров максимум на восемь миллиметров.
Из чего состоит ТПМ: ключевые компоненты и их функции
Подземные тоннелепроходческие машины состоят из следующих основных элементов:
- Режущий щит с фрезой или дисками. Находится в головной части машины.
- Поддерживающий корпус (тубус). Защищает оборудование и людей, которые работают внутри щита.
- Гидравлические домкраты для продвижения машины. Благодаря им машина отталкивается от последнего смонтированного железобетонного кольца и продвигается вперед.
- Конвейер или шнек для удаления породы.
- Система транспортировки тюбингов (обделки тоннеля). Это кран-перегружатель, который осуществляет транспортировку фрагментов железобетонного кольца.
- Станция управления. Из нее оператор управляет проходкой.
- Модули жизнеобеспечения: вентиляция, освещение, системы пожаротушения.
- Тяговая и силовая установка — электро- или дизельная.
- Сегментонакладчик — механизм установки тюбингов.
Типы подземных тоннелепроходческих машин: какие бывают и чем отличаются
Каждая ТПМ создается под «характер» грунта — как ключ к замку. Вот основные типы этих механических кротов:
1. ТПМ для мягкого грунта (EPB)
Работают в песке, глине или иле, словом, в мягком грунте. Головка с лопастями срезает породу, а давление в камере балансируется так, чтобы грунт не обрушился. Принцип работы основан на том, что разработанный пластичный грунт используется как средство поддержания забоя. Часто используются для прокладки тоннелей метро под городами.
2. ТПМ для твердых пород
Эти «скалорезы» вооружены алмазными дисками и зубьями из карбида вольфрама. Есть два основных типа этих машин: ТПМ с дисковым резцом и ТПМ с открытым забоем. Часто применяются в горных тоннелях — например, при прокладке дорог через Альпы.
3. Гидрощитовые ТПМ
Их еще называют щитами с гидропригрузом. Используются для водонасыщенных грунтов, где каждый метр грозит потопом. Головка закачивает в камеру буровую суспензию (смесь воды и глины), которая, как пробка, держит давление воды и грунта. Породу вымывают, словно грязь из шланга. Идеальны для тоннелей под реками или в прибрежных зонах.
4. ТПМ с одинарным щитом
Подходят для проходки через скальные и другие устойчивые, неводоносные породы. Продвигаются вперед, опираясь на уже установленные сегменты облицовки. Похожи на улитку, которая строит раковину по мере движения. Подходят для скальных массивов, где не нужно спешить с укреплением.
5. ТПМ с двойным щитом
Здесь два щита работают в тандеме: передний режет породу, задний — сразу укрепляет стены сегментами. ТПМ с двойным щитом подходят для проходки туннелей в проектах большого диаметра в устойчивых грунтах, скальных породах или отложениях.
6. Микропроходческие машины
Карлики среди гигантов — диаметр всего 1−2 метра. Ныряют под города, чтобы проложить кабели, трубы или коллекторы, не потревожив асфальт.
7. Комбинированные ТПМ
Универсалы, способные менять «насадки» на ходу. Сначала режут мягкий грунт лопастями, а при встрече со скалой переключаются на алмазные диски. Как трансформеры подземного мира — адаптируются к любым сюрпризам геологии.
Как выбрать подземную тоннелепроходческую машину под свои задачи
При выборе подземной тоннелепроходческой машины под свои задачи стоит обратить внимание на следующие параметры:
- Тип грунта. Механизированные щиты оснащены роторной головкой с режущими инструментами и способны работать в различных типах грунта.
- Способ навигации. Для ориентации под землей используют электронную навигацию, тахеометры, инклинометры и лазерную навигацию.
- Преодоление препятствий. При встрече с грунтовыми водами используют их замораживание жидким азотом или фреоном. Твердые породы преодолевают с помощью цементации — нагнетания цемента под давлением для создания прочного монолита вокруг тоннеля.
- Габариты и масса. Из-за внушительных габаритов и массы транспортировку тоннелепроходческих комплексов к месту работ может быть сложно организовать.
- Производительность. Современные тоннелепроходческие комплексы способны продвигаться со скоростью до 300 метров в месяц.
Интересные факты о подземных тоннелепроходческих машинах
Как «механические кроты» не застревают под землей?
Тоннелепроходческие машины избегают застревания благодаря «умной» комбинации силы и хитрости. Они непрерывно укрепляют стенки бетонными сегментами, создавая опору для движения вперед, а буровой раствор или пена стабилизируют рыхлый грунт как клей. Если на пути плывун — давление в камере балансируют, словно надувают шарик под землей, чтобы почва не обрушилась. Системы удаления породы работают как непрерывный конвейер, вывозя грунт быстрее, чем он успевает накапливаться. А еще ТПМ «чувствуют» сопротивление и корректируют скорость, как водитель, объезжающий ямы.
Почему резаки не тупятся о гранит?
Резаки не тупятся о гранит благодаря алмазным сегментам и карбиду вольфрама — материалам, которые тверже любой горной породы. Алмазы режут камень, как стекла резчик, а не тупятся потому, что их структура выдерживает абразивное воздействие. Буровой раствор охлаждает резцы, предотвращая перегрев, а вращение распределяет нагрузку равномерно, словно точильный камень. Кроме того, инженеры проектируют резаки с «самозатачивающимся» эффектом.
Как гидравлические домкраты толкают 500-тонную машину вперед?
Гидравлические домкраты действуют как «невидимые великаны». Они упираются в уже установленные бетонные сегменты тоннеля — это их точка опоры. Масло под огромным давлением (до 350 бар) толкает поршни, которые передают силу всей машине. Представьте, как десятки автомобильных домкратов, объединенных в систему, синхронно поднимают мост — только здесь они не поднимают, а продвигают вперед 500-тонную махину.
Каждый толчок добавляет несколько сантиметров. После этого домкраты втягиваются, сегменты смыкаются, и цикл повторяется. Чтобы машина не откатывалась, ее фиксируют клиньями или захватами. А равномерное распределение нагрузки между домкратами не дает конструкции перекоситься, даже если грунт под ногами «играет». Это точно рассчитанная механика, превращающая давление жидкости в плавное движение сквозь землю.
Что будет, если ТПМ встретит подземную реку?
Если ТПМ наткнется на подземную реку, это не катастрофа, а лишь сложная, но решаемая задача. Машина либо заморозит воду, превратив ее в ледяную пробку с помощью охлаждающих трубок, либо будет нагнетать специальные растворы (например, бентонит или смолы), которые затвердевают, как цемент, блокируя поток.
Гидрощитовые ТПМ, работающие в водонасыщенных грунтах, заранее герметизируют зону выработки буровой суспензией. Она создает давление, равное напору воды, — это не дает подземной реке хлынуть в тоннель.
После стабилизации грунта машина продолжает движение, а инженеры укрепляют стены дополнительными слоями облицовки. Так было, например, при прокладке тоннеля под Темзой: ТПМ прошла сквозь водоносные слои, оставив за собой герметичный «коридор».
Главное — предвидеть угрозу. Современные ТПМ сканируют грунт на десятки метров вперед, как подземные УЗИ-аппараты, давая время на подготовку. Вода — это препятствие, но не приговор для механического крота.
Почему подземные тоннелепроходческие машины называют женскими именами?
Эту традицию заложил Ричард Ловат, основатель канадской фирмы LOVAT. Он решил, что все агрегаты его бренда будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары. Эту традицию подхватили другие компании-производители тоннелепроходческих комплексов. В Москве тоже прижилась традиция давать ТМПК женские имена. Сегодня в столице трудятся «Лилия», «Катюша», «Полина», «Клавдия», «Ольга», «Валерия» и другие: без перерывов и выходных. Например, щит «Клавдия», названный по имени жены бывшего начальника Мосметростроя Юрия Кошелева, прорыл в Москве больше десятка тоннелей. А еще есть группа китайских проходческих щитов малого диаметра с именами героинь сериала «Папины дочки».