Джеймс Генри Грейтхед (6 августа 1844 г. – 21 октября 1896 г.) [1] был английским инженером-механиком и строителем, известным своей работой над лондонским метро, Винчестерским собором и надземной железной дорогой Ливерпуля, а также одним из первых сторонников туннелей под Ла-Маншем, Ирландским морем и Бристольским заливом. Его изобретение также является причиной того, что лондонское метро в разговорной речи называют «Tube».
Грейтхед родился в Грэхэмстауне , Южная Африка ; [2] английского происхождения, чей дед эмигрировал в Южную Африку в 1820 году. Он получил образование в колледже Св. Эндрю, Грэхэмстаун , [3] и частной школе Diocesan College в Кейптауне . После эмиграции в Англию в 1859 году, [2] он завершил свое образование с 1859 по 1863 год в Westbourne Collegiate School, Westbourne Grove . [4]
Он ненадолго вернулся в Южную Африку, прежде чем окончательно переехать в Лондон в 1864 году, чтобы пройти трехлетнее обучение у гражданского инженера Питера В. Барлоу , от которого он познакомился с прямоугольной щитовой системой прокладки туннелей. [2] Грейтхед провел некоторое время (около 1867 года) в качестве помощника инженера на железной дороге Мидленда между Бедфордом и Лондоном (работая с братом Барлоу, Уильямом Генри Барлоу ).
Вскоре после этого, в 1869 году, он снова присоединился к Барлоу, и они начали работу над проектами для метро Тауэра , [5] только второго тоннеля, проложенного под рекой Темзой в центре Лондона. Барлоу был инженером тоннеля, а Грейтхед отвечал за фактическую проходку.
Грейтхед стал главным подрядчиком метро Тауэра под руководством Барлоу. Уильям Коппертуэйт утверждает, что в то время как Барлоу запатентовал идею туннельного щита, Грейтхед не только разработал другой тип щита, но и запатентовал его и использовал в этом контракте. [6] Барлоу получил временный патент на свою вторую идею, но Грейтхед узнал об этом только несколько лет спустя (как обсуждалось в протоколе заседания Института инженеров-строителей (ICE), опубликованном в январе 1896 года). [ необходима цитата ]
Грейтхед был инженером-консультантом туннеля Блэкуолл и руководил его проектированием и строительством. [7]
В 1873 году Грейтхед стал постоянным инженером на железной дороге расширения Хаммерсмита и Ричмондском расширении окружной железной дороги , должность, которую он занимал в течение четырех лет. После этого он помогал в подготовке железной дороги Regents Canal (1880), Metropolitan Outer Circle Railway (1881), новой линии Лондон–Истборн (1883) и в различных легких железных дорогах в Ирландии (1884). [ необходима ссылка ]
Также в 1884 году Грейтхед возобновил свое участие в прокладке туннелей, работая инженером на London (City) & Southwark Subway, позже на City & South London Railway [2] (а теперь часть Northern line ), которая, когда она открылась в 1890 году, была первой в мире подземной электрической железной дорогой. В 1888 году он стал совместным инженером с сэром Дугласом Фоксом на Liverpool Overhead Railway [2] , а также работал с WR Galbraith на Waterloo & City Railway . Его последняя работа была на Central London Railway с сэром Джоном Фаулером и сэром Бенджамином Бейкером . [8]
Возможно, это произошло от оригинальной запатентованной идеи Марка Изамбарда Брюнеля 1818 года [9] и ошибочно было признано Робертом Фогелем, что оно было вдохновлено патентом Барлоу 1864 года, который привел к временному патенту Барлоу 1868 года. [10] Однако имелись значительные различия в конструкции, которые отличают запатентованные конструкции Грейтхеда от временной запатентованной идеи Брюнеля, что позволило подать патентную заявку на конструкцию Грейтхеда. [6]
Щит Брюнеля был прямоугольным и состоял из 12 отдельных, независимо перемещаемых рам; решение Грейтхеда было цилиндрическим, и «сокращение множества частей в щите Брюнеля до одного жесткого блока имело огромное преимущество и, возможно, было шагом вперед, равным концепции щита при прокладке туннелей» [10] , хотя забой все еще выкапывался вручную с самого начала. Запатентованный Грейтхедом щит для прокладки туннелей в мягкой земле использовал струи воды под давлением на забое туннеля, чтобы помочь в прорезании мягкой земли, как описано в патенте. Пневматическое нагнетание давления в туннеле использовалось для обеспечения большей безопасности рабочих путем выравнивания внутреннего давления туннеля с его предполагаемым внешним подземным давлением под водой.
«Второе издание» его щита использовало гидравлическое воздействие на забое вместе с режущими зубьями для создания пульпы (эта пульпа затем затвердевала при высыхании и привела к его следующему изобретению: цементационной машине Грейтхеда). Идея использования щита может быть отнесена к Брунелю, но Грейтхед был признан первым африканским инженером, который построил один из своих собственных конструкций и получил патент на цельный цилиндрический щит. Грейтхед спроектировал прототип круглого щита, который с тех пор использовался в большинстве проектов по прокладке туннелей, с достижениями других инженеров и технологическими усовершенствованиями в общей конструкции щита. В своей книге « Туннельные щиты и использование сжатого воздуха в подводных работах » Коппертуэйт (который работал под руководством Грейтхеда в качестве его ученика) [11] говорит:
Барлоу, безусловно, был первым, кто запатентовал в 1864 году щит, способный двигаться как единое целое и окруженный тонким железным цилиндром... чтобы построить, в последовательных кольцах, чугунный туннель... это было в 1864 году, а в 1868 году он предварительно запатентовал щит... ни один из этих проектов не получил практической формы, и в 1869 году Грейтхед в Англии и Бич в Нью-Йорке фактически построили и использовали щиты, имеющие много общих черт с патентами Барлоу, но отличающиеся друг от друга в деталях. [12]
Коппертуэйт также утверждает (стр. 20), что все трое мужчин, Барлоу, Грейтхед и Бич, спроектировали свои туннельные щиты независимо друг от друга. Есть доказательства того, что Грейтхед не знал до 1895 года о предварительном патенте Барлоу 1868 года, на который его щит был похож больше всего; щит Бич больше напоминал патент Барлоу 1864 года. Коппертуэйт добавляет: «Точное распределение заслуг изобретения между этими двумя будет решено каждым читателем в соответствии с тем, как он может считать изобретателя, изобретателя нового механизма или человека, который применяет его на практике, более заслуживающим похвалы». [12] В то время как Барлоу запатентовал свою идею в 1864 году, в 1869 году и Грейтхед в Англии, и Бич в Нью-Йорке практически одновременно сконструировали свои собственные щиты, которые были похожи, но независимы друг от друга. Достижения Грейтхеда пошли дальше, чем у любого другого инженера в области туннелирования, с дополнительными патентами 1738 (1874), 5665 (1884) и, в 1886 году, его патентом № 5221: заливка с помощью сжатого воздуха. [12]
Коппертуэйт разъясняет истоки перехода от прямоугольного туннельного щита к цилиндрическим режущим щитам, впервые созданным Грейтхедом. Протоколы в библиотеке ICE предполагают, что Барлоу тихо запатентовал свои идеи цилиндрического режущего щита, но так и не построил его. Грейтхед, не зная о первоначальном патенте Барлоу и последующем временном патенте, продолжил проектировать, патентовать и строить первый в истории цилиндрический туннельный щит. Одновременно Альфред Эли Бич построил цилиндрический туннельный щит в Нью-Йорке и спроектировал щит, который очень напоминал запатентованную идею Барлоу примерно в то же время, что и Грейтхед. Согласно видеолекции 2017 года, прочитанной профессором лордом Мэром для ICE, идеи щита Брунелей были хорошо известны как в США, так и в Великобритании. Поскольку Барлоу был учеником Брунеля, он, вероятно, был хорошо знаком с конструкцией прямоугольного туннельного щита.
Должно быть, было очевидно, что цилиндрическая конструкция была гораздо более подходящей и стабильной, что привело к тому, что три известных человека независимо друг от друга спроектировали свои собственные уникальные туннельные щиты с разницей в несколько лет. Поскольку портландцемент был изобретен только в 1824 году Джозефом Аспдином из Лидса, он не был полностью оценен строительной промышленностью в течение многих лет. Только из-за гидравлических свойств портландцемента и его способности застывать во влажной среде эти первые туннельные начинания под Темзой вообще увенчались успехом. [13] Бич так и не приехал в Англию, чтобы узнать о патенте Барлоу и позднее временном патенте, а Грейтхед не знал об идее временного патента Барлоу до 1895 года, когда она обсуждалась на собрании Института инженеров-строителей, на котором Грейтхед присутствовал вскоре после смерти Барлоу и незадолго до его собственной смерти. Документы можно получить по запросу в их библиотеке в формате pdf для дальнейшего разъяснения. [14]
Щит Грейтхеда состоял из железного цилиндра диаметром 7 футов 3 дюйма (2,21 м), оснащенного винтовыми домкратами, которые позволяли его поднимать вперед. При использовании щит продвигался вперед по мере выемки грунта, в то время как за ним устанавливалась постоянная туннельная обделка из чугунных сегментов, что само по себе было важным нововведением. [15] Грейтхед запатентовал многие из своих идей, включая использование сжатого воздуха и поступательного движения гидравлическими домкратами, которые теперь являются стандартными функциями строительства туннелей. Еще одним патентом Грейтхеда было добавление поддона для заливки на высоте потолка, что позволяло гидравлически наносить цементный раствор за огромные чугунные щиты для стабилизации стены туннеля за пределами секций щита. Третий туннельный щит был запатентован Грейтхедом, который ввел гидравлические насадки давления на забое туннеля для подрыва мягкой земли. Сама насадка также была еще одним патентным изобретением Грейтхеда. В какой-то момент Грейтхед обнаружил, что бетон можно напылять на земляные поверхности для их стабилизации, и стал отцом торкрет-бетона и торкрет-цемента, которые так широко используются в строительстве. [ необходима цитата ]
Гидрант был изобретен для закачки цементного раствора за полости чугунных туннельных щитов с целью укрепления облицовки стен туннеля во время строительства с постоянным положением. [16]
Это упоминается в связи с ремонтом соборов Винчестера и Линкольна. [17] «Его система заливки с помощью сжатого воздуха, которая, возможно, больше, чем любое другое изобретение, оказалась незаменимой во всех недавних туннельных работах». [12]
Медиа, связанные с Джеймсом Генри Грейтхедом на Wikimedia Commons