«Дамы в стальных доспехах». Как подземные щиты-гиганты строят московское метро?
«Лилия», «Елена», «Роза», «Наталия», «Клавдия»… При строительстве метро все тоннелепроходческие щиты получают женские имена. Такая традиция связана с главной покровительницей горняков и шахтеров Святой Великомученицей Варварой (Барбарой). Эти огромные стальные машины — «железные леди» — прокладывают и укрепляют коридоры подземного города, не останавливаясь ни на минуту. О том, как «стальные сестры» облегчают работу строителей, читайте в материале MIR24.TV.
Смотрите на телеканале «МИР» фильм «Я шагаю по Москве» 16 февраля в 7:40 и 18 февраля в 7:35. В центре сюжета — лето 1963 года. Юноша Володя ненадолго приехал в столицу, чтобы встретиться с писателем Вороновым. В метро он знакомится с веселым парнем Колей, и вместе они проживают день, полный событий. Интересно, что создатели фильма вдохновились одной лишь картинкой, возникшей в голове сценариста Геннадия Шпаликова. Он представил босую девушку, идущую под дождем с туфлями в руках. За ней на велосипеде следует мужчина и держит зонтик. Этот поэтичный образ воплотила на экране Галина Польских, сыгравшая роль продавщицы Алены. Ее спутником в кадре стал Никита Михалков — именно он исполнил роль обаятельного Коли, а его друга Володю сыграл Алексей Локтев. Фильм Георгия Данелии «Я шагаю по Москве» столкнулся с непониманием при утверждении в Госкино. Чиновники считали, что только комедия может быть «ни о чем». Однако работа Данелии не укладывалась в привычные рамки. Авторам пришлось отстаивать свой подход, объясняя, что они создали не развлекательную историю, а лирическую киноповесть.
Эволюция подземных технологий
История возникновения проходческих щитов тесно связана с историей метростроения. Техническая революция в данном вопросе состоялась в 19 веке силами английских инженеров. Однако идея возникла в голове одного человека — Марка Брюнеля.
«Мысль пришла из кораблестроения, а именно поведения корабельного червя, который легко проделывал отверстия в твердой древесине своим прочным панцирем. В этой идее зародилась механика процесса, которая используется и ныне. В 1817 году был создан первый проходческий щит, а уже в 1825 году он был использован на практике при прокладке тоннеля под Темзой. Строительство было завершено в 1834-м. А уже в 1863 году была открыта лондонская подземка, известная как Тюб, то есть труба или туба».
Щит не являлся механизированным и представлял собой «юбку щита» с набором перегородок, оснащенную набором механических домкратов. Щит позволял одновременно разрабатывать породу на нескольких ярусах и монтировать обделку. Он не имел группы компрессоров, позволяющих создавать компенсирующее давление и проходить водонасыщенные грунты.
В дальнейшем конструкция совершенствовалась. В 1869 году британский инженер Джеймс Генри Грейтхед придал конструкции цилиндрическую форму и предложил использовать чугунные тюбинги для укрепления стенок тоннеля. А в 1886 году в Лондоне впервые применили проходку тоннеля под сжатым воздухом.
В 1897 году появился первый механизированный проходческий щит Джона Прейса, оборудованный резцами и ковшами для удаления грунта.
Стальная мощь
«В нашей стране проходческие щиты стали использовать с 1934 года при строительстве московского метро. И распространение технологии шло довольно быстро, ведь уже к концу 30-х одновременно работали десятки щитов», — говорит Артем Меренков.
Сегодня тоннелепроходческий щит или ТПМК (тоннелепроходческий механизированный комплекс) — это подземный конвейер по строительству тоннелей. Отличительной его особенностью является возможность одновременного осуществления целого ряда работ, таких как разработка грунта, крепление, монтаж обделки (не отделки, а именно тюбинговой обделки).
«Сам щит конструктивно состоит из ножа, по сути огромной буровой коронки, оснащенной шарошками, юбки щита и системы домкратов (приводят щит в движение, отталкиваясь от построенного участка тоннеля), шнека и погрузочного конвейера (позволяет одновременно с разработкой грузить породу), участка укладки блоков, участка нагнетания спецраствора за обделку. Щит оснащен навигационной системой, которую обслуживает целая группа маркшейдеров, благодаря которой огромная машина движется строго по проектной оси».
Устройство щита: гид по стальным гигантам
Режущий инструмент (рабочий орган):
- Ножевое кольцо;
- Горизонтальные и наклонные режущие полосы;
- Окончатые диафрагмы для захвата и транспортировки грунта.
Система пригруза забоя:
- Применяется для стабилизации давления в зоне забоя и предотвращения обвалов.
Существуют три основных типа пригруза:
- Гидропригруз: заполнение пространства специальной жидкостью (бентонитовым раствором);
- Воздушный пригруз: использование сжатого воздуха;
- Грунтопригруз: уплотнение извлеченного грунта обратно в зону забоя.
Транспортировка грунта. Удаление выработанного грунта производится несколькими способами:
- Шнековый конвейер;
- Ленточный транспортер;
- Вагонетки;
- Центробежные насосы (при использовании гидропригруза).
Укладка обделки тоннеля:
- Специальные механизмы монтируют готовые бетонные или металлические сегменты, формируя стены тоннеля.
Домкраты и приводы:
- Система мощных гидравлических домкратов обеспечивает перемещение щита вперед, создавая необходимое усилие для продвижения.
Без преград: технологии, которые способны на все!
Сегодня возможность параллельного осуществления всех процессов позволяет проходить тоннели с высокой скоростью и качеством. Например, скорость щита может достигать 14 колец в сутки, что при ширине кольца 1,4 метра соответствует 20 метрам. Никакие другие способы подземного строительства не дают такой скорости.
«Горнопроходческие комбайны или буровзрывные работы имеют в максимальном режиме скорость не более 5 метров в сутки, а по факту 2-3 метра, — продолжает разговор Игорь Горяинов. — Буровзрывная технология включает в себя: забуривание специальных шпуров, закладку взрывчатки, подрыв, вентилирование забоя, проверку неразорвавшихся зарядов, погрузку породы, ремонт поврежденных конструкций и установку новых, нагнетание за обделку».
Современные щиты способны прокладывать тоннели практически в любых грунтах, главное, чтобы тоннель имел одинаковое сечение на всем протяжении. Если диаметр тоннеля меняется, то щитом построить такое сложно. К примеру, станция метрополитена имеет колонны или пилоны в центральном зале, пересадочные узлы и блоки технических помещений. Такие конструкции щиты строить пока не могут.
«Хотя недавно в Китае появился первый в мире ТПМК переменного диаметра. Он позволяет строить и перегонные, и станционные тоннели одним комплексом. Ранее такое было невозможно, ведь станционный тоннель имеет диаметр от 8,5 метра, а перегонный тоннель — от 5,6 метра. Все это требует различных ухищрений, — уточняет Игорь Горяинов. — Если станция построена открытым способом, то щит мог проходить ее транзитом, укладывая только нижние блоки. Если же тоннель проложен раньше строительства станции на большой глубине, то это требовало демонтажа участка и переборки его на другой диаметр. Щиты, применяемые для переборки, имеют упрощенную конструкцию и называются блокоукладчики или эректоры. Таким образом построено большинство станций глубокого заложения».
А как строят под водой?
В Москве можно увидеть односводчатую станцию глубокого заложения «Тимирязевская». При ее строительстве щит перегонного сечения резко отклонялся вправо от оси, проходил участок станции, а затем заново возвращался на ось трассы. При разработке станции данный участок тоннеля бетонировался и на него опирался прямой и обратный свод станции.
В столице таким способом поострена лишь «Тимирязевская», а вот в Санкт-Петербурге существенно больше станций. Сейчас такой способ не используют, объясняет Игорь Горяинов.
В современных условиях в столице стараются станции строить открытым способом, а перегонные тоннели проходить ТПМК. Стартовый котлован и демонтажную камеру стараются располагать вблизи станций метрополитена. Но так получается не всегда.
«Иногда щит проходит раньше, чем начинаются работы по строительству станции, — поясняет Игорь Горяинов. — Это требует демонтажа участка обжатой тоннельной обделки. Повышенной внимательности требует и прокладка тоннелей под жилыми массивами и водными объектами. Вопреки расхожим представлениям, прохождение тоннеля под руслом реки не является серьезной технической проблемой. Здесь вопрос состоит в том, на какой глубине проходит тоннель относительно самой низкой точки реки. Если глубина большая, как, например, в тоннелях, проложенных под центром Москвы, то никаких специальных технологий не применяется. Ведь тоннель от дна реки отделен целым набором водоупоров и водоносных горизонтов».
Если же глубина небольшая, то могут применяться специальные тюбинги с металлоизоляцией. Тоннель представляет в этом случае две трубы — стальную и железобетонную. Так же требуются определенные меры предосторожности.
Как правило, они начинаются до подхода к урезу воды. Маркшейдер участка должен уведомлять всех ответственных лиц о том, что лоток щита пересек урез воды. Тоннелепроходческому комплексу требуются определенные ремонтные интервалы для замены режущих сегментов шарошек. Примерно за 50 метров до уреза воды проводится контроль состояния режущих кромок, ведь ремонт под руслом реки нежелателен. Так же маркшейдер постоянно информирует всех ответственных лиц о положении щита в данный момент, а также о величине целика: расстояния от верхней точки обделки (специфичное слово не отделка) и до нижней точки реки.
Под покровительством Варвары: стальные «сестры»
Традиция именовать тоннелепроходческие щиты связана с покровительницей горняков и подземных строителей — святой Варварой (Барбарой). Горняки почитают святую благодаря событию из ее жизни. Диоскор, отец Варвары, преследовал дочь-христианку, и один раз она скрылась от него в горе. Гора расступилась и спрятала Варвару.
В народе великомученицу считают защитницей тех, кто может погибнуть внезапно, без покаяния, как, например, шахтеры при обрушениях земли и горных пород.
С 2011 года в строительстве разных участков Московского метрополитена задействовали более 35 тоннелепроходческих комплексов. Среди них были «Марина», «Ольга», «Людмила» и «Светлана», которые прокладывали однопутные тоннели на центральном участке Троицкой линии, «Роза» и «Наталия» — на отрезке продления Солнцевской ветки до аэропорта Внуково.
Щит «Роза» получил свое имя в честь знаменитого снайпера времен Великой Отечественной войны Розы Шаниной. А щит «Наталия» назвали в честь Наталии Корниенко. Так метростроевцы отметили заслуги женщины-машиниста, проработавшей на Сокольнической линии больше 30 лет.
Стройка БКЛ в разное время объединила 33 проходческих щита, но главными героинями стали четыре стальные «сестры» — «Надежда», «Виктория», «Лилия» и «Победа». Эти 10-метровые машины-гиганты прокладывали уникальные двухпутные участки метро.
Для сравнения: если стандартная «Марина» (6-метровый щит) проходит в среднем 250 метров в месяц, то «Лилия» — 350-400 метров. К слову, именно «Лилия» стала первопроходцем среди щитов-гигантов в московской подземке.
Известные советские метростроители
Лауреатами Государственных премий СССР «За значительные успехи в развитии щитового метода проходки тоннелей» стали многие инженеры. Это Егор Абакумов, Николай Губанков, Илларион Гоциридзе, Вениамин Маковский и многие другие.
«Также советскими учеными был предложен метод искусственного замораживания грунтов, который позволил эффективно справляться с самыми сложными геологическими условиями, особенно когда речь идет о водянистых почвах, — продолжает Артем Меренков. — Основоположники теории — Николай Трупак и Яков Дорман. В частности, метод использовался при проектировании станции метро Чистые пруды. Отдельно стоит упомянуть инженера Александра Требелевского, автора смелой концепции «субтеррины» — подземохода, способного передвигаться сквозь почву путем нагрева внешней оболочки и прожига почвы. Хотя эта концепция не получила широкого распространения».
Рекордсмены и миллиардные комплексы: интересные факты
Самый крупный в мире проходческий щит достигает высоты пятиэтажного дома. Рекордсменом по скорости проходки считается питерский щит КТ-1-5,6, прошедший 1240 метров за месяц в 1981 году.
Мощность двигателей современных щитов может достигать 6375 лошадиных сил. Некоторые щиты оборудованы системой видеонаблюдения и датчиками контроля состояния, позволяя оператору управлять процессом дистанционно.
Стоимость крупного проходческого комплекса может превышать миллиард долларов.
«В России основными производителями тоннелепроходческого механизированного комплекса являются предприятия в Республике Татарстан, Санкт-Петербурге и Туле, — отмечет Артем Меренков. — Особенностью отечественного производства является сотрудничество с иностранными партнерами. Например, знаменитый проходческий комплекс «Надежда» диаметром 10,5 метра, использовавшийся при строительстве петербургского метрополитена, был разработан совместно с немецкой компанией».