Проходческий щит — это защитное сооружение, используемое при прокладке больших искусственных туннелей . При прокладке грунта, который является мягким, жидким или иным образом нестабильным, существует потенциальная опасность для здоровья и безопасности рабочих и самого проекта из-за падения материалов или обвала. Проходческий щит может использоваться в качестве временной опорной конструкции. Обычно он устанавливается на короткий срок с момента прокладки секции туннеля до тех пор, пока его не можно будет выложить постоянной опорной конструкцией. Постоянная конструкция может быть сделана из кирпича, бетона, чугуна или стали в зависимости от периода. Хотя современные щиты обычно имеют цилиндрическую форму, первый «щит», спроектированный Марком Изамбардом Брюнелем , на самом деле представлял собой большую прямоугольную железную конструкцию, похожую на леса, с тремя уровнями и двенадцатью секциями на уровне, с прочной несущей верхней поверхностью. Конструкция защищала людей от обвалов, пока они работали внутри нее, выкапывая туннель перед щитом.
Первый успешный прямоугольный туннельный щит был разработан Марком Изамбардом Брюнелем и запатентован им и лордом Кокрейном в январе 1818 года. Брюнель и его сын Изамбард Кингдом Брюнель использовали его для рытья туннеля под Темзой, начиная с 1825 года (хотя туннель был открыт только в 1843 году). [1] Говорят, что Брюнель был вдохновлен своей конструкцией раковиной корабельного червя , моллюска, чью эффективность при бурении затопленной древесины он наблюдал, работая на верфи. [1] Щит был построен компанией Maudslay, Sons & Field из Ламбета, Лондон, которая также построила паровые насосы для осушения туннеля.
В 1840 году Альфред Эли Бич , редактор журнала Scientific American , был первым, кто предположил, что круглая конструкция будет лучше прямоугольной конструкции Брюнеля. В 1868 году Бич построил круглый щит, фотография которого была напечатана в статье в газете New York News о его идее пневматической туннельной системы. Конструкция была основана на решетчатой конструкции щита Брюнеля и винтовом домкрате, продвигаемом вперед по мере ручного продвижения забоя.
В 1864 году Питер В. Барлоу подал заявку на патент на конструкцию, которая имела круглое поперечное сечение. Теоретически это делало щит более простым в изготовлении и более способным поддерживать окружающую почву; теоретически, потому что ни один щит не был построен с использованием этой конструкции. Патент Барлоу 1864 года был дополнительно улучшен и получил предварительный патент в 1868 году, но так и не был ратифицирован, поскольку Барлоу вскоре умер.
Оригинальный проект Брюнеля был существенно улучшен Джеймсом Генри Грейтхедом , который получил три патента на различные конструкции щитов. Кроме того, он изобрел концепцию распыляемого бетонного раствора для стабилизации земляных работ с помощью инжектированного бетона, пескоразбрасывателя, который гидравлически впрыскивал армирующий раствор в полости между построенной облицовкой и круглой стенкой туннеля.
Грейтхед был первым, кто использовал цилиндрический туннельный щит, что он сделал в ходе строительства метро Тауэр под рекой Темзой в центре Лондона в 1869 году. Щит Грейтхеда был 7 футов 3 дюйма (2,21 м) в диаметре. Аналогично, Альфред Эли Бич открыл свой туннель для публики 1 марта 1870 года
Грейтхед также использовал один из них при строительстве железной дороги City and South London Railway (сегодня часть Северной линии Лондонского метрополитена ) в 1884 году с туннелями диаметром 10 футов 2 дюйма (3,10 м). Его щит также использовался при прокладке 12-футового 1+ Ходовые туннели диаметром 3 ⁄ 4 дюйма (3,702 м) для железной дороги Ватерлоо и Сити, которая открылась в 1898 году. Станционные туннели на станции Сити (теперь известной как Банк) были самыми большими по диаметру проходческими щитами в мире на тот момент, их размер составлял 23 фута (7,0 м).
Оригинальный щит Greathead, использовавшийся при прокладке глубоких линий лондонского метрополитена, до сих пор находится в заброшенных туннелях под станцией Moorgate . [2]
Большинство туннельных щитов по-прежнему в некоторой степени основаны на конструкции Грейтхеда. [3]
В ранних щитовых туннелях щит функционировал как способ защиты рабочих, которые выполняли рытье и продвигали щит вперед, постепенно заменяя его предварительно построенными секциями туннельной стены. Ранние глубокие туннели для лондонского метро строились таким образом. Щит разделял рабочую поверхность на перекрывающиеся части, которые каждый рабочий мог выкапывать.
Тоннелепроходческий комбайн (ТПМ) состоит из щита (большого металлического цилиндра) и прицепных опорных механизмов.
Вращающееся режущее колесо расположено на переднем конце щита. За режущим колесом находится камера, где вынутый грунт либо смешивается с пульпой (так называемый шламовый TBM), либо остается как есть (баланс давления грунта или щит EPB), в зависимости от типа TBM. Выбор типа TBM зависит от состояния грунта. Также имеются системы для удаления грунта (или грунта, смешанного с пульпой).
За камерой находится набор гидравлических домкратов, поддерживаемых готовой частью туннеля, которые используются для продвижения TBM вперед. После того, как определенное расстояние будет пройдено (примерно 1,5–2 метра (5–7 футов)), с помощью монтажной машины строится новое кольцо туннеля. Монтажная машина представляет собой вращающуюся систему, которая подбирает сборные бетонные сегменты и размещает их в нужном положении.
За щитом, внутри готовой части туннеля, можно обнаружить несколько вспомогательных механизмов, которые являются частью TBM: удаление грязи, пульпопроводы, если применимо, диспетчерские, рельсы для транспортировки сборных сегментов и т. д.
Облицовка туннеля — это стена туннеля. Обычно она состоит из сборных бетонных сегментов, которые образуют кольца. В туннелях лондонского метро традиционно использовались чугунные облицовки , в то время как стальные облицовки иногда использовались в других местах. Концепция использования сборных формованных секций облицовки не нова и была впервые запатентована в 1874 году Джеймсом Генри Грейтхедом . [ требуется цитата ]
В Японии существует несколько инновационных подходов к щитовому туннелированию, например, Double-O-Tube или DOT-tunnel.
Этот туннель выглядит как два перекрывающихся круга. Существуют также щиты с компьютеризированными руками, которые можно использовать для рытья туннеля практически любой формы. [4]