Проходческие щиты: описание, назначение. Горизонтальное бурение

История проходческих щитов началась в позапрошлом веке в Англии. Первый щит был построен инженером Брюнелем для прокладки тоннеля под Темзой.

Чтобы понять устройство современных щитовых проходческих комплексов, сначала разберемся, откуда пришло само понятие "щит", ведь с рыцарским доспехом то, что мы видим на фотографиях, не имеет ничего общего:-). Щитом (от англ. "shield") это устройство стали называть потому, что основной задачей была защита проходчиков в забое от обрушения породы на коротком участке между забоем и местом, где постоянная обделка тоннеля уже готова. Постепенно, конструкции щитов усложнялись - от просто замкнутой стальной конструкции (кстати, первые щиты вовсе не были круглыми), до современных сложнейших тоннелепроходческих комплексов.

На первых щитах грунт в забое выбирался рабочими вручную с помощью лопаты, кирки, позже отбойного молотка, и удалялся через построенный тоннель на вагонетках. Для продвижения щита вперед использовались винтовые домкраты, которые упирались в готовый участок тоннельной обделки и толкали щит вперед. Впоследствии, вместо винтовых домкратов стали применяться гидравлические. Это был уже колоссальный шаг вперед, значительно повысивший скорость проходки. Мощные домкраты и сейчас остаются одним из основных узлов современных проходческих комплексов. Следующим шагом стало почти повсеместное использование сборной обделки из крупных элементов - первоначально - чугунных тюбингов. Такая конструкция обделки обладает рядом замечательных качеств - помимо способности выдерживать гигантское давление и герметичности, немаловажным является именно возможность сборки кольца из небольшого количества крупных элементов. Использование механизмов, позволяющих сразу устанавливать тюбинги в требуемое положение (тюбингоукладчиков), значительно повысило скорость возведения обделки.

В водонасыщенных грунтах работа зачастую шла с применением кессона. Тоннель позади щита перегораживался герметичной переборкой, устанавливался шлюз для прохода людей к забою. Компрессором в забой нагнетался сжатый воздух. Повышенное до нескольких атмосфер давление позволяло буквально отжимать воду в глубину породы и исключало ее поступление в забой. Однако работа проходчиков при высоком давлении накладывала серьезные ограничения - продолжительность смены была не более 2-х часов, потом проводилось длительное шлюзование. Часто у строителей возникала кессонная болезнь, требовавшая многочасового нахождения в барокамере.

Так как размеры тоннелей все время росли, в передней части щита появились горизонтальные площадки, которые позволили рабочим разрабатывать грунт одновременно с двух (а иногда и более) ярусов. Однако скорость проходки все равно была очень невысокой из-за большого количества ручного труда, стесненности пространства, нередких аварий, выбросов породы и прорывов грунтовых вод в забой. Первый в СССР проходческий щит работал при строительстве тоннеля на перегоне "Площадь Дзержинского" ("Лубянка") - "Охотный ряд". Там впервые в мире была применена сборная бетонная обделка. При строительстве второй очереди на трассах одновременно работало 42 щита - это абсолютный мировой рекорд. Щитовыми комплексами большого диаметра строились и станционные тоннели.

Для проходки в песчаных грунтах щиты стали оснащаться в головной части горизонтальными рассекающими площадками, удерживающими забой от осыпания Такой щит вдавливается в породу домкратами, грунт ссыпается вниз и собирается погрузчиком.

Следующим шагом стало практически полное исключение ручного труда, за счет механизации процесса разработки породы в забойной части. Как правило, на оси щита устанавливается мощный стальной ротор с резцами, который разрабатывает породу в забое. Дальше порода подается на конвейер, откуда пересыпается в вагонетки и вывозится по уже построенному тоннелю. Существуют щиты и с ковшовым рабочим органом - для более мягких пород.

Впервые в СССР опытный механизированный щит работал в 1949 году на строительстве Кольцевой линии в Москве и построил несколько сотен метров тоннеля на участке "Киевская" - "Парк Культуры". Широкое применение механизированных щитов началось со второй половины 50-х в на Рижском радиусе (механизированный щит т.н. московской конструкции), в Ленинграде по всей трассе (т.н. ленинградский щит) и в Киеве (соответственно, киевский щит). Разная конструкция обуславливалась разными грунтами: в Москве - "бутерброд" из известняков/юрских глин/сухих супесей и суглинков, в Петербурге - плотные сухие кембрийские глины, в Киеве - мягкие пластичные глины.

Для проходки в сложных водонасыщенных грунтах стало применяться кессонирование (работа под давлением сжатого воздуха) забойной части. Труд проходчика превратился в квалифицированную работу оператора. Современные средства навигации - гироскопы и лазерные теодолиты позволяют щиту точно выдерживать проектные значения трассы, как в плане, так и в профиле. Ручной труд сохранился только при необходимости замены изношенных резцов. Мировой рекорд скорости проходки - 1250 метров тоннеля в месяц - поставлен серийным щитом КТ-1-5,6 на участке строительства перегонного тоннеля в Ленинграде на участке от "Пионерской" до "Удельной" в 1981 году. В 70-х - 80-х годах эти щиты считались одними из самых совершенных в мире.

При сооружении тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах требовалось применение сложных специальных методов - водопонижение, замораживание грунта, что значительно снижало скорость и увеличивало стоимость строительства. Все больше ужесточались требования, случавшиеся в прошлом просадки поверхности ныне недопустимы, ведь вблизи поверхности земли пролегла огромнейшая сеть водо- и газопроводов, электрических кабелей, линий связи, обеспечивающих жизнь крупного города.

Всех этих недостатков лишены щиты с так называемым "грунтопригрузом" (EPB, Earth Pressure Balance).

При работе щита разрабатываемая порода подается сначала в герметичную камеру грунтопригруза. Из этой камеры грунт удаляется с помощью шнекового конвейера (как в мясорубке:) только тогда, когда его давление в камере сравняется с давлением в забое, за этим следят специальные датчики. Таким образом, обеспечивается постоянное поддержание давления на забой, как при движении щита вперед, так и при отводе щитовых домкратов для монтажа очередного кольца обделки.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях. В плывунных неустойчивых грунтах, при значительном давлении грунтовых вод, при недопустимости даже незначительных просадок поверхности используются проходческие комплексы с гидропригрузом ("Slurry Shield"). В таких комплексах в призабойную часть, под необходимым давлением (речь может идти о десятке атмосфер) нагнетается бентонитовый раствор, что позволяет поддерживать забой в стабильном положении даже в самых тяжелых плывунных грунтах. Разработанная порода, измельченная до состояния пульпы, отводится вместе с бентонитом по трубопроводу. В сепарационной камере происходит отделение породы и рекультивация бентонитового раствора. Отделенный от бентонита грунт вывозится по уже построенному тоннелю, а бентонитовый раствор возвращается в камеру гидропригруза. В зависимости от условий проходки и характеристик грунтов, рецептура бентонитового раствора постоянно корректируется. В составе комплекса действует химическая лаборатория, исследующая состав грунта и вносящая соответствующие изменения в рецептуру раствора.

При необходимости проведения работ в призабойной области - замены резцов ротора и т.д. (кстати, все эти работы можно выполнять из камеры грунтопригруза, то есть, находясь "внутри" щита), бентонитовый раствор в камере гидропригруза вытесняется сжатым воздухом. Остатки бентонита в виде пленки и подушка сжатого воздуха удерживают забой, в то время как специалисты получают доступ к исполнительным органам щита.

С помощью тоннелепроходческих комплексов с гидропригрузом построены тоннели в самых сложных инженерно-геологических условиях, подобный комплекс "Виктория" использовался при проходке новых тоннелей через зону "Размыва" в Санкт Петербурге. В Москве тоннелепроходческий комплекс Херренкнехт диаметром 14,2 метра успешно завершил проходку автодорожного тоннеля под рекой Яузой и Лефортовским парком по трассе третьего транспортного кольца. Сейчас этот комплекс ведет проходку совмещенного авто-метротоннеля по трассе будущего Краснопресненского проспекта под Серебряноборским лесничеством.

Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ Святой Барбары. С его легкой руки берет свое начало романтическая традиция. Теперь красивые имена есть не только у щитов с маркой "LOVAT" но и у комплексов других производителей. Поэтому в Москве трудятся "Клавдия", "Катюша", "Полина" и "Ольга", в Казани - "Сююмбике" и "Алтынчяч" (Златовласка), а тяжелейшие условия "Размыва" в Санкт Петербурге героически преодолела "Виктория".

Здесь мы охватили лишь небольшую часть из огромного количества щитовых проходческих комплексов. Существуют щиты для сооружения тоннелей с монолитной прессобетонной обделкой, щиты для обделки, разжимаемой в грунт, щиты для строительства тоннелей из труб, микрощиты и даже щитовые комплексы для открытого способа работ!

Инженерная мысль не стоит на месте и сегодня строятся комбинированные тоннелепроходческие комплексы, которые могут работать в режиме как гидро- так и грунтопригруза, для более полного соответствия геологическим условиям, встречающимся на трассе тоннеля.

Спасибо Олегу Макарову, Russos-у и Штурману за помощь в подготовке материала и предоставленные иллюстрации.

Этапы строительства метро:

Выбор места расположения

В первую очередь метро прокладывают в отдаленные районы столицы. При этом учитывается, сколько там проживает людей и сколько жилья построят в будущем, а также есть ли в районе промышленные предприятия, бизнес-кластеры и большие офисные центры, в которые ежедневно люди приезжают на работу. На выбор места для новой станции влияет и такой фактор, как заселенность соседних районов и даже Подмосковья. Зачастую станцию решают строить там, где движение автомобилей наиболее плотное.

Инженерные изыскания

На этом этапе происходит сбор сведений, необходимых для дальнейшей разработки технико-экономического обоснования проекта и рабочей документации на строительство. В состав инженерных изысканий для строительства метро должны входить геологические, геодезические, экологические и другие виды изысканий по необходимости.

Проектирование

На этом этапе определяются глубина заложения, типы конструкций и способ проходки подземных тоннелей, составляется проектно-сметная документация. Проще говоря, проектировщики определяют оптимальный «маршрут» подземной дороги и место заложения станции.

Проект готовится таким образом, чтобы строительство не повредило архитектурные памятники, здания на поверхности, парки и скверы и при этом стоило бюджету как можно меньше затрат. Если трасса тоннеля проходит вблизи уже существующих объектов, то при необходимости разрабатываются методы инженерной защиты этих сооружений от шума, вибраций и блуждающих токов, возникающих при строительстве и эксплуатации линий метрополитена.

Строительство

От того, какие объекты расположены на поверхности, главным образом зависит, как глубоко уйдет новая станция. Под уличными магистралями метро может «спрятаться » совсем на небольшой глубине - менее 20 метров. Это самый экономичный вариант, который выбран для большинства новых станций. Если сверху - жилые дома, то «спускаться» придется глубже.

Различают закрытый способ строительства, без вскрытия поверхности, и открытый способ, при котором тоннели и станции строятся, соответственно, в разрытых траншеях и котлованах и после засыпаются грунтом.

Закрытый способ применяется при строительстве линий глубокого заложения, станции мелкого заложения строятся преимущественно открытым способом.

Строительство «глубокого» метро начинается с прокладки шахтного ствола для клети (лифта), который будет доставлять метростроевцев и необходимое оборудование «на рабочее место». Площадку, которая вырывается вокруг ствола, можно сравнить с огромной лестничной клеткой. Отсюда начинается прокладка тоннеля. На той же клети после бурения ежедневно на поверхность вывозятся десятки тонн грунта.

Чем глубже станция, тем она дороже и требует больше ресурсов. В 2011 году в Москве было решено большинство новых станций прокладывать открытым способом. Достаточно выкопать котлован, установить бетонные конструкции, выполнить обратную засыпку и уже внутри полученного коридора укладывать пути. Это не только дешевле, но и гораздо быстрее, чем строить станции глубокого заложения.

Проходка и укрепление тоннелей осуществляется чугунными тюбингами или водонепроницаемыми железобетонными блоками обделки.

Монтаж эскалаторов

Параллельно с прокладкой тоннеля строится сама станция и система переходов, затем в метро прокладываются коммуникации и монтируются эскалаторы.

На станциях метро глубокого залегания эскалаторы устанавливаются в длинных наклонных тоннелях - выходах. Большая длина таких эскалаторов накладывает особые требования к прочности их конструкции и надежности тормозов.

При мелком заложении используются поэтажные эскалаторы. Что важно - все новые станции также оборудуются лифтами для людей с ограниченными физическими возможностями.

Внутреннее оформление

Столичный метрополитен по праву считается красивейшим в мире. В большинстве стран станции утилитарны и неотличимы одна от другой. Несмотря на то что теперь станции Московского метрополитена строятся по типовым проектам, для каждой из них разрабатывается свое, особенное архитектурное и дизайнерское решение.

Проекты дизайна строящихся станций московского метрополитена можно посмотреть .

ТИПОВЫЕ ПРОЕКТЫ:

Для станций мелкого заложения используются три основных типа:

Сводчатая станция, с открытой, без колонн, платформой;

Двухпролетная с колоннами посередине платформы (для станций мелкого заложения);

Трехпролетная (для станций мелкого заложения).

В центре Москвы, ввиду плотности исторической застройки, используется старый тип станций глубокого заложения двух видов - колонные и пилонные.

Технологии в помощь метростроевцам

Тоннелепроходческие комплексы

В 30-е годы первые станции московского метро строились вручную: киркой и лопатой. Сегодня же в арсенале метростроителей - передовые технологии. Для прокладки тоннелей метро используют полностью автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Наверное, ее можно сравнить со «стальным червем», который просверливает 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 пригляделся к «работе» обыкновенного корабельного червя, когда служил на флоте. 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, которая в разы упростила прокладку тоннелей, 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 так и не удалось - император в конечном итоге решил возвести в намеченном месте мост.

Тем не менее в 1818 году первый щит Брунеля был запатентован, а в 1825 году с его помощью началось строительство тоннеля под Темзой.

В первой машине грунт выбирали сразу 36 шахтеров, располагавшихся каждый в своей ячейке. После выемки грунта на несколько сантиметров щит сдвигали немного вперед. Это была непростая работа, учитывая постоянно просачивающуюся воду (дно реки располагалось всего в нескольких метрах выше сводов этого двойного тоннеля). Несколько наводнений в забое унесли жизни семи рабочих, а однажды чуть не погиб сын Брунеля. Более того, на подземной стройке не раз вспыхивал болотный газ. И всё же работа завершилась триумфом.

В первый же день после открытия удивительного сооружения через тоннель прошли 15 тысяч человек. С тех пор Великобритания заслуженно считается пионером щитовой проходки, а сам щитовой метод в специальной литературе получил название «лондонский».

В нашей стране в метростроении проходческий щит был впервые использован в 1934 году для проходки сложного участка первой очереди московского метро между Театральной площадью и Лубянкой. А при строительстве второй очереди московского метро на трассах одновременно уже работало 42 щита - рекорд по объему используемой техники. С тех пор по этой технологии сооружено более 70% метротоннелей столицы.

На первых щитах, как уже отмечалось, грунт выбирался рабочими вручную с помощью отбойного молотка и удалялся через уже построенный тоннель на вагонетках. Для движения щита вперед использовались винтовые домкраты, которые упирались в готовый участок тоннельной обделки и толкали машину вперед.

Размеры тоннелей росли, совершенствовалась и конструкция «червя»: в передней его части появились горизонтальные площадки, которые позволили рабочим разрабатывать грунт одновременно с двух (а иногда и более) ярусов. Однако из-за большого количества ручного труда и частых аварий скорость проходки оставляла желать лучшего.

Значительно ускорило процесс использование сборной обделки из крупных элементов - первоначально - чугунных тюбингов. Гигантские кольца, формирующие тоннели, стали собирать из нескольких элементов.

Следующим этапом «эволюции» тоннелепроходческих комплексов стала разработка конструкций с так называемым «грунтопригрузом». При работе такого щита порода подается сначала в герметичную камеру, из которой грунт по принципу «мясорубки» удаляется с помощью шнекового конвейера.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях, и современные щиты рассчитаны на проходку тоннелей в различных грунтах, в том числе и в неустойчивых. Комплексы работают в два цикла: сначала разрабатывают грунт, затем возводят обделку, производя монтаж блоков. Средняя скорость «проходки» щитов сегодня - 250 - 300 м в месяц, средняя стоимость - 13 - 15 млн евро.

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 тоннелепроходческий комплекс с наружным диаметром 11 м. Именно с его использованием столичные метростроевцы впервые совершили щитовую проходку тоннеля для эскалаторов. Это произошло на станции «Марьина роща» Люблинско-Дмитровской линии метро.

Кстати, будни метростроителей вовсе не лишены романтики: когда-то Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы-изготовителя тоннелепроходческих щитов LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ святой Барбары. С его легкой руки родилась традиция - присваивать щитам женские имена. Вот почему в Москве трудятся машины с именами «Клавдия», «Катюша», «Полина» и «Ольга».

Решение геологических проблем

Самый коварный враг проходчиков подземных шахт - это плывуны: массы почти пылеобразного песка с примесью 10 - 15% глины, как губка пропитанного водой.

Еще в 30-е годы прошлого века, когда в столице строилось первое метро, метростроители столкнулись с очень непростыми гидрогеологическими условиями. Тогда же была применена система против обрушения грунта и других типичных проблем, угрожающих тоннелям, которая по сей день считается одной из самых продуманных и надежных. Речь идет о заморозке грунта, основанной на простой, но эффективной системе.

Различают несколько способов замораживания, старейший из них - так называемый «рассольный» .

Он состоит в том, что место работ отгораживается от общей массы водоносного грунта стеной из мерзлоты. Замороженный грунт в метр-два толщиной при температуре -12 градусов практически выдерживает любое давление горных пород и прекрасно противостоит проникновению грунтовых вод. Как же заставить холод спуститься под землю? Это получается с помощью искусственных приспособлений из специальных холодильных машин.

Холодильная машина основана на том, что хладагент (жидкий аммиак, фреон и т.д.), который из цистерн пускают в подготовленные замораживающие колонки, при своем испарении отбирает у окружающей среды теплоту. Его пары вновь сжижаются с помощью компрессора и конденсатора, а холод, образовавшийся в испарителе, идет на охлаждение незамерзающего рабочего рассола хлористого кальция. Рассол при температуре -25 градусов поступает в охлаждающую систему. Для ее установки по контуру выработки пробуриваются скважины диаметром 150 - 200 миллиметров на расстоянии одного метра друг от друга. В скважины опускаются замораживающие колонки, состоящие из двойных труб. Замораживающий рассол поступает по средней трубе, а по наружной трубе после естественного нагрева в грунте возвращается в холодильную машину. Таким образом, циркуляция рассола происходит непрерывно.

Примерно через месяц работы холодильной машины грунт вокруг отдельных замораживающих колонок смерзается в монолитную массу, защищающую место выработки от проникновения грунтовых вод и осыпания стенок. Теперь холодильная машина должна лишь поддерживать кольцо мерзлоты до тех пор, пока не будут произведены выработка и закрепление ее стенок.

Более современный способ - низкотемпературное замораживание с использованием жидкого азота . Он представляет собой бесцветную жидкость, температура испарения которой очень низка (при атмосферном давлении она равна -195,8 о С).

Получают жидкий азот на специальных заводах путем сжижения атмосферного воздуха при низких температурах и последующего разделения его на жидкий азот и кислород, имеющие разные температуры испарения. Жидкий азот транспортируют в специальных емкостях (танках).

В отличие от других промышленных хладагентов (аммиака, фреона), которые можно использовать только в замкнутой системе холодильной установки, жидкий азот используют однократно (испаряющийся газ выпускают в окружающую среду).

Способ низкотемпературного замораживания с применением жидкого азота обладает рядом преимуществ по сравнению с обычным (рассольным) замораживанием. При замораживании жидким азотом не нужны замораживающие станции, а также сети трубопроводов. Доставленный на стройплощадку жидкий азот из цистерн пускают сразу в замораживающие колонки. Скорость замораживания увеличивается, что особенно важно при больших скоростях фильтрации грунтовых вод, а также при поступлении термальных и минерализованных вод. На замораживание 1 м 3 грунта с содержанием воды до 30% расходуется 1000 л жидкого азота. Жидкий азот взрыво- и пожаробезопасен и нетоксичен.

Однако оба этих способа в последнее время применяются достаточно редко. Жидкий азот - удовольствие неоправданно дорогое, к тому же на «схватку» грунта уходит более месяца. Поэтому заморозка сегодня используется лишь при проходке наклонных эскалаторных тоннелей.

Для прочих случаев есть более совершенная и достаточно экономичная альтернатива - технология струйной цементации грунтов, или jet grouting . Это метод закрепления грунтов, основанный на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора. В результате струйной цементации грунта в нем образуются цилиндрические колонны диаметром 600 - 2000 мм.

Технология появилась практически одновременно в трех странах - Японии, Италии, Англии. Инженерная идея оказалась настолько плодотворной, что в течение последнего десятилетия она мгновенно распространилась по всему миру.

Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором в режиме mix-in-place (перемешивание на месте). В результате в грунтовом массиве формируются сваи из нового материала - грунтобетона - с достаточно высокими несущими и противофильтрационными характеристиками.

Устройство свай из грунтобетона выполняется в два этапа: производство прямого (бурение скважины) и обратного хода буровой колонны. В процессе обратного хода производят подъем колонны с одновременным ее вращением.

С помощью jet grouting получают очень прочный котлован, строят надежные основания под любые строения. В шахматном порядке создают свайное поле, одна свая перекрывает другую, и получается монолит - скала. И на ней можно строить что угодно. Эта технология особенно эффективна, когда приходится возводить объекты в песчаном грунте, в мягкопластичной глине или в других мягких грунтах.

Благодаря этим технологиям сегодня метростроевцы могут работать в самых сложных геологических условиях, прокладывая тоннели, которые приводят метро в новые районы столицы.

«Драгоценные » инструменты

Не обошлось в метростроении и без нанотехнологий. Сегодня строители могут использовать инновационные инструменты - алмазные рабочие сверла, фрезы и жала .

Изначально это ноу-хау использовалось для сверления железобетонов и других строительных материалов и оказалось настолько удобным, что стало использоваться для сложных горнопроходческих работ в скальном грунте. Она значительно повышает уровень безопасности работ и скорость проходки - строительство ускоряется буквально в разы. Интересно, что стоимость "алмазного" оборудования не намного выше обычного - разница в цене составляет всего 10 - 15%.

Традиционные морально устаревшие инструменты не в состоянии обеспечить такое количество технологических преимуществ. Так, алмазное сверло может делать отверстия в любой плоскости и под любым углом, при помощи контурного метода можно получить правильные прямоугольные отверстия любой нужной величины, при этом получается идеальный контур. "Драгоценные" инструменты позволяют работать в самых узких и тесных пространствах, им под силу материал любой твердости. Что немаловажно - метод бесшумен и экологичен.

Проходческий щит , или Тоннелепроходческий комплекс (ТПК) - устройство, предназначенное для строительства подземных тоннелей.

История щитов

Примерно так выглядел щит Брунеля

Первый проходческий щит придумал английский инженер Марк Исамбард Брунель в начале XIX века, взяв за основу принцип морского червя-древоточца. В 1814 году Брунель предложил русскому императору Александру I построить при помощи свежепридуманного дивайса тоннель под Невой, но отсталый тиран предпочел банальный мост. Марк Исамбард расстроился, но не сильно: в 1818 году он запатентовал свой щит, а в 1825-м началось строительство тоннеля под Темзой. С тех пор Великобритания заслуженно считается пионером щитовой проходки. Более того, сам щитовой метод в специальной литературе получил название "лондонский" .

Советская копия английского щита на Театральной площади в Москве

В Советском союзе щит был впервые построен в 1934 году для проходки сложного участка первой очереди московского метро между Театральной площадью и Лубянкой. Несмотря на то, что советские пропагандисты преподносили этот факт как победу социалистической индустрии, на самом деле советский щит был копией английского щита фирмы "Маркхэм и Ко" , который был ранее куплен за валюту и уже работал на том же участке.

Что любопытно - английский щит прибыл на стройплощадку в разобранном, разумеется, виде, но без чертежей и документов. Поскольку вероятность того, что их проебали англичане, является абсурдной, современные ксенобиологи считают, что с чертежей в это самое время снимали копии пытливые советские инженеры. В результате собирать английский щит пришлось комсомольцам-ударникам при помощи кувалд, народной смекалки, такой-то матери и иностранного консультанта. Советский щит вступил в строй буквально в считанные месяцы - совершенно очевидно, что создать "с нуля" устройство такой сложности, не имея в этой области ни малейшего опыта, невозможно физически - даже если товарищ Каганович очень попросит.

Устройство щитов

Классический проходческий щит состоит из рабочего органа (это то, чем копают), трубы (чтобы сверху песок и земля не сыпались), эректора (это то, чем укладывают блоки, а не то, что вы подумали) и домкратов, которыми щит отталкивается от построенного тоннеля.

Классификация щитов

С точки зрения любителей полазить под землей, щиты делятся на четыре категории:

Ржавая труба с домкратами, некогда гнившая на пути из Строгино в Митино

Ржавая труба с домкратами

Старый советский щит серии Щ или ЩН. В качестве рабочего органа используются рабочие с отбойными молотками и лопатами. Особой ценности для эксплуатирующей организации не представляет, поэтому, как только кончаются деньги на строительство, бросается, как есть.

Под просторами нашей родины гниют десятки устройств этой категории. Еще больше их гниет на секретных складах метростроя. Как только стоимость нефти достигает 130 баксов за баррель, денег на строительство метрополитенов становится много, а заграничных щитов катастрофически не хватает, метрострой извлекает со складов десяток ржавых труб и отправляет их работать.

Тяжкий ручной труд - в далеком прошлом. Сегодня для прокладки тоннелей метро используются полностью автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Наверное, ее можно сравнить со «стальным червем», который просверливает путь в толще породы, оставляя за собой готовый тоннель. Тяжкий ручной труд - в далеком прошлом. Сегодня для прокладки тоннелей метро используются полностью автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Наверное, ее можно сравнить со «стальным червем», который просверливает путь в толще породы, оставляя за собой готовый тоннель.

Кстати, по легенде, изобретатель первого в мире «проходческого щита» англичанин Марк Брунель действительно придумал такую конструкцию после того, как пригляделся к «работе» обыкновенного корабельного червя, когда служил на флоте. Он заметил, что голова моллюска покрыта жесткой раковиной, помощью зазубренных краев которой червь буравил дерево, оставляя за собой на стенках хода гладкий защитный слой извести

Тем не менее, в 1818 году первый щит Брунеля был запатентован, а в 1825 году с его помощью началось строительство тоннеля под Темзой.

В первой машине грунт выбирали сразу 36 шахтёров, располагавшихся каждый в своей ячейке. После выемки грунта на несколько сантиметров щит сдвигали немного вперёд. Это была непростая работа, учитывая постоянно просачивающуюся воду (дно реки располагалось всего в нескольких метрах выше сводов этого двойного тоннеля). Несколько наводнений в забое унесли жизни семи рабочих, а однажды чуть не погиб сын Брунеля. Более того, на подземной стройке не раз вспыхивал болотный газ. И всё же работа завершилась триумфом. В первый же день после открытия удивительного сооружения через туннель прошли 15 тысяч человек. С тех пор Великобритания заслуженно считается пионером щитовой проходки, а сам щитовой метод в специальной литературе получил название "лондонский".

А при строительстве второй очереди московского метро на трассах одновременно уже работало 42 щита - рекорд по объему используемой техники. С тех пор по этой технологии сооружено более 70% метротоннелей столицы, то есть все станции неглубокого заложения. Московские строители первыми в мире с помощью тоннелепроходческих щитов стали прокладывать наклонные тоннели.

Следующим этапом «эволюции» тоннелепроходческих комплексов стала разработка конструкций с так называемым "грунтопригрузом". При работе такого щита порода подается сначала в герметичную камеру, из которой грунт по принципу «мясорубки» удаляется с помощью шнекового конвейера.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях, и современные щиты рассчитаны на проходку тоннелей в различных грунтах, в том числе и в неустойчивых. Комплексы работают в два цикла: сначала разрабатывают грунт, затем возводят обделку, производя монтаж блоков. Средняя скорость «проходки» щитов сегодня - 80-100 м в месяц, средняя стоимость - 20 млн евро.

В метро нужны и наклонные тоннели - для эскалаторных зон. По заказу Мосметростроя канадская фирма Lovat разработала и изготовила тоннелепроходческий комплекс с наружным диаметром 11 м для прокладки эскалаторных тоннелей. Используя агрегат, столичные метростроевцы первыми в мире совершили щитовую проходку тоннеля для эскалаторов. Это произошло на станции «Марьина Роща».

Кстати, будни метростроителей вовсе не лишены романтики: когда-то Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы-изготовителя тоннелепроходческих щитов LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ Святой Барбары. С его легкой руки родилась традиция - присваивать щитам женские имена. Вот почему в Москве трудятся «Клавдия», «Катюша», «Полина» и «Ольга».

Немного о «щитовых» рекордах: самый большой в мире тоннелепроходческий комплекс - это машина диаметром 19 метров, которая за месяц может прокладывать 250-300 метров тоннеля в два яруса, вмещающих четыре полосы автодороги и линию метро. Стоит такое гигантское чудо техники 60-100 млн. евро.

И все же лидерство в использовании тоннелепроходческих комплексов принадлежит Москве. В столице щит компании Herrenknecht диаметром 14,2 м успешно завершил проходку первого в России совмещенного автометротоннеля по трассе Звенигородского проспекта под Серебряным Бором. Из 2,5 км трассы 1,5 пройдены щитовым способом.

Сегодня подземная Москва превратилась в огромную стройку - уже к 2015 году в мегаполисе планируется построить более 70 км линий метро. Тоннели для нового московского метро роют более 20 огромных комплексов - «кротов», обеспечивая высокую скорость и качество работы - и армия этих незаменимых машин будет пополняться, чтобы к 2020 году протяженность линий метрополитена выросла в 1,5 раза - до 451,2 км.

При подготовке материала использованы фотографии блогеров livejournal: Александра "Russos" Попова, Вадима Махорова и Николая «Stomaster».

Посвящена самому большому в мире проходческому щиту немецкой компании “Херренкнехт АГ” (”Herrenknecht AG”).

Проходческий щит Херренкнехт

Проходческий щит-гигант диаметром 15,2 метра используется для прокладки автотуннеля через центр Мадрида, проходит за сутки до 22 метров. Тоннель (=туннель) длиной 3650 метров должен избавить столицу Испании от пробок.

Проходческий щит компании “Херренкнехт АГ”, Германия

Компания “Херренкнехт АГ” (Германия) производит тоннелепроходческую технику для прокладки тоннелей различного назначения в любых гидрогеологических условиях. По всему миру продано более 1000 микротоннелепроходческих установок Herrenknecht диаметром до 4,2 м, а также около 350 тоннелепроходческих комплексов диаметром более 4,2 м.

В Москве эксплуатируется около 35 микротоннелепроходческих установок компании “Херренкнехт АГ” диаметром от 400 до 2 000 мм, а также ~15 установок в других городах России. Кстати, в Москве на строительстве двухъярусного Серебряноборского тоннеля работает немецкий проходческий щит Herrenknecht S-250 диаметром 14,2 м.

Самые длинные тоннели:

Готардский базовый тоннель (Gotthard Base Tunnel , GBT, Швейцария) - железнодорожный тоннель. По проекту его длина равна 57 км (полная длина, включая служебные и пешеходные ходы, - 153,5 км). После завершения строительства в 2016-2017 гг. GBT будет длиннейшим железнодорожным тоннелем в мире. Для прорубки скальных пород используют 6 мощных проходческих щитов, способных проходить до 25-30 метров в сутки.
Самым длинным на сегодня является японский тоннель “Сейкан” (Seikan Tunnel ), соединяющий японские острова Хонсю и Хоккайдо. Протяженность тоннеля, открытого для движения 13 марта 1988 года, составляет 53,9 км.