Проходческая машина ( TBM ), также известная как «крот» или «червь», — это машина, используемая для рытья туннелей . Тоннели прокладываются через твердую породу, влажную или сухую почву или песок , каждый из которых требует специализированной технологии.
Проходческие комбайны являются альтернативой методам буровзрывных работ (БВР) и «ручной добычи».
TBM ограничивают нарушение окружающего грунта и создают гладкую стенку туннеля. Это снижает стоимость облицовки туннеля и подходит для использования в городских районах. TBM дороги в строительстве, а более крупные сложны в транспортировке. Эти фиксированные затраты становятся менее значительными для более длинных туннелей.
Поперечное сечение туннелей, пробуренных TBM, на сегодняшний день составляет от 1 до 17,6 метров (от 3,3 до 57,7 футов). Более узкие туннели обычно пробурены с использованием бестраншейных методов строительства или горизонтально-направленного бурения, а не TBM. Туннели TBM обычно имеют круглое поперечное сечение, хотя они могут быть U-образными, подковообразными, квадратными или прямоугольными. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
Скорость проходки туннелей увеличивается со временем. Первая TBM достигла пика в 4 метра в неделю. Спустя четыре десятилетия она увеличилась до 16 метров в неделю. К концу 19 века скорость достигла более 30 метров в неделю. Скальные TBM 21 века могут выкапывать более 700 метров в неделю, в то время как грунтовые туннельные машины могут превышать 200 метров в неделю. Скорость обычно снижается по мере увеличения размера туннеля. [7]
Первый успешный проходческий щит был разработан сэром Марком Изамбардом Брюнелем для прокладки туннеля под Темзой в 1825 году. Однако это было лишь изобретение концепции щита, и оно не включало строительство полноценной проходческой машины, поскольку прокладку грунта по-прежнему приходилось выполнять с использованием стандартных методов выемки грунта. [8]
Первая бурильная машина, о которой сообщалось, была Mountain Slicer Анри Мауса . [ 9] [10] [11] [12] [13] По заказу короля Сардинии в 1845 году, чтобы прорыть железнодорожный туннель Фрежюс между Францией и Италией через Альпы , Маус построил его в 1846 году на оружейном заводе недалеко от Турина . Он состоял из более чем 100 ударных буров, установленных в передней части машины размером с локомотив, механически приводимой в действие от входа в туннель. Революции 1848 года повлияли на финансирование, и туннель был завершен только 10 лет спустя, с использованием менее инновационных и менее дорогих методов, таких как пневматические буры . [14]
В Соединенных Штатах первая построенная буровая машина была использована в 1853 году при строительстве туннеля Хусак на северо-западе Массачусетса. [15] Изготовленная из чугуна, она была известна как запатентованная камнерезная машина Уилсона , в честь изобретателя Чарльза Уилсона. [16] Она пробурила 3 метра (10 футов) в скале, прежде чем сломалась (туннель был в конечном итоге завершен более чем 20 лет спустя, и, как и в случае с железнодорожным туннелем Фрежюс, с использованием менее амбициозных методов). [17] Машина Уилсона предвосхитила современные TBM в том смысле, что она использовала режущие диски, такие как диски дисковой бороны , которые были прикреплены к вращающейся головке машины. [18] [19] [20] В отличие от традиционного долбления или бурения и взрывных работ, этот инновационный метод удаления породы основывался на простых металлических колесах для приложения кратковременного высокого давления, которое разрушало породу.
В 1853 году американец Эбенезер Тальбот также запатентовал TBM, в котором использовались режущие диски Уилсона, хотя они были установлены на вращающихся рычагах, которые, в свою очередь, были установлены на вращающейся пластине. [21] В 1870-х годах Джон Д. Брантон из Англии построил машину, в которой использовались режущие диски, которые были установлены эксцентрично на вращающихся пластинах, которые, в свою очередь, были установлены эксцентрично на вращающейся пластине, так что режущие диски проходили почти по всей поверхности скалы, которую нужно было удалить. [22] [23]
Первая TBM, которая проложила туннель на значительное расстояние, была изобретена в 1863 году и усовершенствована в 1875 году офицером британской армии майором Фредериком Эдвардом Блэкеттом Бомонтом (1833–1895); машина Бомонта была дополнительно усовершенствована в 1880 году офицером британской армии майором Томасом Инглишем (1843–1935). [24] [25] [26] [27] [28] В 1875 году Национальное собрание Франции одобрило строительство туннеля под Ла-Маншем , а британский парламент поддержал пробный запуск с использованием TBM Инглиша. Его режущая головка состояла из конического бурового долота, за которым находилась пара противостоящих рычагов, на которых были установлены режущие диски. С июня 1882 года по март 1883 года машина проложила туннель через мел в общей сложности на 1840 м (6036 футов). [13] Французский инженер Александр Лаваллей , который также был подрядчиком Суэцкого канала , использовал похожую машину для бурения 1669 м (5476 футов) от Сангатта на французской стороне. [29] Однако, несмотря на этот успех, проект туннеля через Ла-Манш был заброшен в 1883 году после того, как британские военные выразили опасения, что туннель может быть использован в качестве маршрута вторжения. [13] [30] Тем не менее, в 1883 году эта TBM использовалась для бурения железнодорожного вентиляционного туннеля — диаметром 2 м (7 футов) и длиной 2,06 км (6750 футов) — между Биркенхедом и Ливерпулем , Англия, через песчаник под рекой Мерси . [31]
Туннель реки Гудзон строился с 1889 по 1904 год с использованием щитовой проходческой машины Greathead. В проекте использовался воздух, сжатый до 2,4 бар (35 фунтов на квадратный дюйм), для уменьшения обвалов. Однако многие рабочие погибли из-за обвалов или декомпрессионной болезни. [32] [33] [7]
В конце 19-го и начале 20-го века изобретатели продолжали проектировать, строить и испытывать TBM для туннелей для железных дорог, метро, канализации, водоснабжения и т. д. TBM, использующие вращающиеся массивы сверл или молотков, были запатентованы. [34] Были предложены TBM, которые напоминали гигантские кольцевые пилы . [35] Другие TBM состояли из вращающегося барабана с металлическими зубцами на его внешней поверхности, [36] или вращающейся круглой пластины, покрытой зубьями, [37] или вращающихся ремней, покрытых металлическими зубьями. [38] Однако эти TBM оказались дорогими, громоздкими и неспособными выкапывать твердую породу; поэтому интерес к TBM снизился. Тем не менее, разработка TBM продолжалась в калийных и угольных шахтах, где порода была более мягкой. [39]
TBM с диаметром ствола 14,4 м (47 футов 3 дюйма) была изготовлена компанией Robbins Company для проекта строительства Ниагарского туннеля в Канаде . Машина использовалась для бурения гидроэлектростанции под Ниагарским водопадом . Машина была названа «Big Becky» в честь гидроэлектростанций сэра Адама Бека , к которым она прокладывала туннели, чтобы обеспечить дополнительный гидроэлектростанцию.
TBM с балансировкой давления грунта , известная как Bertha, с диаметром ствола 17,45 метра (57,3 фута) была произведена корпорацией Hitachi Zosen в 2013 году. [40] Она была доставлена в Сиэтл , штат Вашингтон , для проекта туннеля на шоссе 99. [41] Машина начала работать в июле 2013 года, но остановилась в декабре 2013 года и потребовала существенного ремонта, который остановил машину до января 2016 года. [42] Bertha завершила бурение туннеля 4 апреля 2017 года. [43]
Два TBM, предоставленные CREG, вырыли два туннеля для скоростного транзита Куала-Лумпура с диаметром бурения 6,67 м (21,9 фута). Средой был водонасыщенный песчаный аргиллит, сланцеватый аргиллит, сильно выветренный аргиллит, а также аллювий. Он достиг максимальной скорости продвижения более 345 м (1132 фута) в месяц. [44]
Самая большая в мире ТБМ для твёрдых пород , известная как Martina , была построена компанией Herrenknecht AG . Диаметр её выемки составлял 15,62 м (51,2 фута), общая длина 130 м (430 футов); площадь выемки 192 м 2 (2070 кв. футов), величина осевого напора 39 485 т, общий вес 4500 тонн, общая установленная мощность 18 МВт. Годовое потребление энергии составляло около 62 ГВт-ч. Она принадлежит и эксплуатируется итальянской строительной компанией Toto SpA Costruzioni Generali (Toto Group) для галереи Sparvo итальянского автомагистрального перевала A1 («Variante di Valico A1») недалеко от Флоренции. Эта же компания построила самую большую в мире тоннелепроходческую машину для проходки пульпы с диаметром выемки 17,6 метра (58 футов), принадлежащую и эксплуатируемую французской строительной компанией Dragages Hong Kong (дочернее предприятие Bouygues) для участка Туен Мун Чек Лап Кок в Гонконге.
.jpg/1280px-Tunnel_Boring_Machine_(Yucca_Mt).jpg)
TBM обычно состоят из вращающегося режущего колеса спереди, называемого режущей головкой, за которым следует главный подшипник, система тяги, система удаления вынутого материала (отходов) и опорные механизмы. Машины различаются в зависимости от геологии участка, количества грунтовых вод и других факторов.
Машины для бурения скальных пород отличаются от машин для бурения грунта тем, как они прокладывают туннель, тем, как они обеспечивают тягу для поддержки буровых работ, и тем, как они поддерживают вновь сформированные стенки туннеля.
Щитовые TBM обычно используются для рытья туннелей в грунте. Они возводят бетонные сегменты позади TBM для поддержки стен туннеля. [45]
Машина стабилизируется в туннеле с помощью гидравлических цилиндров, которые давят на щит, позволяя TBM оказывать давление на забой туннеля.
Машины Main Beam не устанавливают бетонные сегменты позади режущей головки. Вместо этого скала удерживается с помощью методов наземной поддержки, таких как кольцевые балки, анкерные болты, торкрет-бетон , стальные ленты, кольцевая сталь и проволочная сетка. [45]
В зависимости от стабильности местной геологии, вновь сформированные стенки туннеля часто требуют поддержки сразу после рытья, чтобы избежать обрушения, до того, как будет построена постоянная поддержка или облицовка. Многие TBM оснащены одним или несколькими цилиндрическими щитами, следующими за режущей головкой, чтобы поддерживать стены, пока постоянная поддержка туннеля не будет построена дальше вдоль машины. Устойчивость стен также влияет на метод, с помощью которого TBM закрепляется на месте, чтобы она могла прикладывать усилие к режущей головке. Это, в свою очередь, определяет, может ли машина бурить и продвигаться одновременно, или это будет происходить в чередующихся режимах.
В скальных туннелях используются TBM с захватом. Они отказываются от использования щита и вместо этого толкают непосредственно неармированные стенки туннеля. [7]
Такие машины, как машина Wirth, можно перемещать только в незахваченном состоянии. Другие машины могут двигаться непрерывно. В конце цикла бурения Wirth ноги опускаются на землю, захваты убираются, и машина продвигается вперед. Затем захваты снова включаются, а задние ноги поднимаются для следующего цикла.
TBM с одним щитом имеет один цилиндрический щит после режущей головки. Постоянная бетонная крепь возводится сразу после щита, и TBM отталкивает крепь, чтобы приложить усилие к режущей головке. Поскольку это отталкивание не может быть выполнено во время возведения следующего кольца крепи, TBM с одним щитом работает в чередующихся режимах резания и крепи.
Двойной щит (или телескопический щит) TBM имеет ведущий щит, который продвигается вместе с режущей головкой, и замыкающий щит, который действует как захват. Два щита могут перемещаться в осевом направлении относительно друг друга (т. е. телескопически) на ограниченное расстояние. Захватный щит закрепляет TBM так, что давление может быть приложено к режущей головке, пока одновременно сооружается бетонная облицовка.
В твердой породе с минимальным количеством грунтовых вод область вокруг режущей головки TBM может быть негерметичной, поскольку открытая скальная поверхность может поддерживать себя. В более слабой почве или при наличии значительного количества грунтовых вод необходимо приложить давление к поверхности туннеля, чтобы предотвратить обрушение и/или инфильтрацию грунтовых вод в машину.
Машины для балансировки давления грунта (EPB) используются в мягких грунтах с давлением менее 7 бар (100 фунтов на кв. дюйм). Они используют грязь для поддержания давления на забое туннеля. Грязь (или отвал ) поступает в TBM через винтовой конвейер . Регулируя скорость извлечения грязи и скорость продвижения TBM, можно контролировать давление на забое TBM без использования пульпы . Добавки, такие как бентонит , полимеры и пена, можно вводить перед забоем для стабилизации грунта. Такие добавки можно вводить отдельно в режущую головку и извлекающий шнек, чтобы гарантировать, что грязь достаточно связная для поддержания давления и ограничения потока воды.
Как и некоторые другие типы TBM, EPB используют тяговые цилиндры для продвижения вперед путем толкания бетонных сегментов. Режущая головка использует комбинацию режущих коронок из карбида вольфрама , карбидных дисковых резцов, тяговых резцов и/или дисковых резцов для твердых пород.
EPB позволил прокладывать туннели по мягкому, влажному или нестабильному грунту с ранее недоступной скоростью и безопасностью. Тоннель под Ла-Маншем , кольцевая магистраль Темзы , участки лондонского метрополитена и большинство новых тоннелей метро, построенных за последние 20 лет по всему миру, были проложены с использованием этого метода. EPB исторически конкурировал с методом щитовой гидросмеси (см. ниже), где гидросмесь используется для стабилизации поверхности туннеля и транспортировки отвалов на поверхность. TBM с EPB в основном используются в более мелкозернистых грунтах (например, в глине), в то время как TBM с гидросмесью в основном используются для более крупнозернистых грунтов (например, в гравии). [46]
Машины Slurry Shield могут использоваться в мягких грунтах с высоким давлением воды или там, где зернистые грунтовые условия (песок и гравий) не позволяют образовать пробку в шнеке. Режущая головка заполняется находящейся под давлением пульпой, обычно изготавливаемой из бентонитовой глины, которая оказывает гидростатическое давление на забой. Жидкость смешивается с грязью, прежде чем ее перекачивают на установку разделения пульпы, обычно за пределами туннеля.
Установки разделения шлама используют многоступенчатые системы фильтрации, которые отделяют отвал от шлама для повторного использования. Степень, в которой шлам может быть «очищен», зависит от относительного размера частиц ила. ТБМ для шлама не подходят для ила и глины, поскольку размер частиц отвала меньше, чем у бентонита. В этом случае вода удаляется из шлама, оставляя глинистую корку, которая может быть загрязнена.
Иногда в режущей головке размещается кессонная система , позволяющая рабочим управлять машиной, [47] [48] хотя давление воздуха в кессоне может достигать повышенных уровней, требуя от рабочих медицинского освидетельствования на пригодность к погружению и умение управлять шлюзами давления. [47] [48]
TBM с открытым забоем для мягкого грунта полагаются на вырытый грунт, чтобы кратковременно стоять без поддержки. Они подходят для использования в грунте с прочностью до 10 МПа (1500 фунтов на кв. дюйм) с низким притоком воды. Они могут бурить туннели с поперечным сечением более 10 м (30 футов). Задний рычаг или режущая головка бурят в пределах 150 мм (6 дюймов) от края щита. После цикла бурения щит поднимается вперед, чтобы начать новый цикл. Поддержка грунта обеспечивается сборным бетоном или иногда сегментами из чугуна с шаровидным графитом (SGI), которые крепятся болтами или поддерживаются до тех пор, пока не будет добавлено опорное кольцо. Последний сегмент, называемый ключом, имеет клиновидную форму и расширяет кольцо до тех пор, пока оно не будет плотно прилегать к земле.
Диаметр TBM составляет от 1 до 17 метров (от 3 до 56 футов). Микротоннельные щитовые TBM используются для строительства небольших туннелей и являются меньшим эквивалентом обычного туннельного щита и обычно прокладывают туннели диаметром от 1 до 1,5 метров (от 3,3 до 4,9 футов), что слишком мало для прохода операторов.
За всеми типами тоннелепроходческих машин, в готовой части тоннеля, находятся задние опорные палубы, известные как резервная система, механизмы которой могут включать конвейеры или другие системы для удаления породы; пульпопроводы (если применимо); диспетчерские; электрические, пылеудаляющие и вентиляционные системы; а также механизмы для транспортировки сборных сегментов.
Городское туннелирование имеет особое требование, чтобы поверхность оставалась нетронутой, и чтобы не происходило проседания грунта . Обычный метод сделать это в мягких грунтах — поддерживать давление грунта во время и после строительства.
В таких ситуациях используются TBM с положительным контролем забоя, такие как баланс давления грунта (EPB) и щит для шлама (SS). Оба типа (EPB и SS) способны снизить риск проседания поверхности и пустот, если состояние грунта хорошо документировано. При прокладке туннелей в городских условиях необходимо учитывать другие туннели, существующие коммуникации и глубокие фундаменты, а проект должен предусматривать меры по смягчению любых пагубных последствий для другой инфраструктуры. [ необходима цитата ]
{{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link)