Проходческий щит

Прохо́дческий щит - подвижная сборная металлическая конструкция, обеспечивающая безопасное проведение горной выработки и сооружение в ней постоянной крепи (обделки). Проходческий щит применяется при сооружении тоннелей различного назначения, при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом. Проходческий щит является элементом конструкции некоторых видов тоннелепроходческих комплексов (ТПК).

Впервые проходческий щит был применён в Великобритании Марком Брюнелем при сооружении тоннеля под рекой Темзой (). С их помощью сооружено большинство тоннелей метрополитенов в Москве , Петербурге , Екатеринбурге , Киеве , Харькове и других городах.

Диаметр получаемых тоннелей может варьироваться от 1 до 19 метров. Самый большой диаметр, 19 м , у четырёх проходческих щитов, используемых на строительстве железнодорожного Готардского тоннеля в Швейцарии .

Для создания тоннелей малого диаметра применяется горизонтальное бурение - длина до 2 км, диаметр до 1,2 м.

Применение проходческих щитов

• при сооружении тоннелей различного назначения
• при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом

Рабочие инструменты проходческих щитов

• ножевое кольцо
• опорное кольцо
• щитовые домкраты
• забойные домкраты
• платформенные домкраты
• трубы
• пускорегулирующая аппаратура
• горизонтальные и вертикальные перегородки

Виды щитов

Немеханизированные щиты

• Немеханизированный щит - щит, используемый лишь для защиты забоя от обрушения, пока рабочий вручную или с помощью отбойного молотка производит из него выемку грунта.
• Немеханизированный щит с кессоном - щит, применяемый для проходки в водонасыщенных грунтах, когда забой сзади щита перегораживается переборкой, а в образовавшееся пространство с помощью компрессора накачивается воздух (до давления в 2-5 атм), что «отжимает» грунтовые воды вглубь пород и защищает забой от их поступления. Способ весьма эффективен с инженерной точки зрения, но чрезвычайно вреден для здоровья рабочих, поскольку вызывает кессонную болезнь .

Механизированные щиты

Резец механизированного щита

• Механизированный щит - щит (вернее, уже комплекс), на котором почти исключён ручной труд, и практически все операции выполняются оператором с пульта управления. Разработка грунта производится за счёт вращающегося на оси щита стального ротора с резцами, после чего грунт подаётся на конвейер, а с него - на вагонетки. В СССР этот тип щитов был впервые применён в 1949 году .
• Механизированный щит с кессоном - механизированный щит с применением кессонирования забоя.
• Механизированный щит с грунтопригрузом - механизированный щит, в котором разработанный грунт сначала подается в герметичную камеру грунтопригруза (в которой давление равно давлению в забое), а из неё удаляется шнековым конвейером. Этот вид щитов применяется в ситуациях, когда нельзя допустить малейшей просадки вышележащих слоев грунта, а специальные методы проходки туннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах (замораживание, водопонижение) не оправдывают себя.
• Механизированный щит с гидропригрузом - механизированный щит, в котором разработанный грунт сначала подаётся в камеру гидропригруза, в которую, в свою очередь, под давлением (до нескольких десятков атм) подаётся бентонитовый раствор. Смешиваясь с ним, измельчённый разработанный грунт отводится по трубопроводу на поверхность, где в сепараторе отделяется от бентонита, который возвращается обратно в камеру гидропригруза. Это весьма дорогой, но наиболее современный вид щитов, который в отношении отсутствия просадок вышележащих слоев грунта ещё более совершенен, чем щит с грунтопригрузом.

Производители

К крупнейшим мировым производителям механизированных щитов относятся следующие компании:

• Herrenknecht
• LOVAT
• Robbins
• Wirth
• Palmieri

Существует легенда, что изобретателю проходческого щита Марку Брюнелю пришла в голову идея этого устройства, когда он наблюдал, как корабельный червь прокладывает дорогу в твердой дубовой щепке. Брюнель заметил, что только лишь голова маленького моллюска покрыта жесткой раковиной. С помощью ее зазубренных краев червь буравил дерево. Углубляясь, он оставлял на стенках хода гладкий защитный слой извести.

Примечания

См. также

Ссылки

• Сергей Апресов Крот: Подземный корабль подарит Москве новое метро // Популярная механика . - Декабрь 2006.

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Осень в Нью-Йорке
• Гран-при (Каннский кинофестиваль)

Смотреть что такое "Проходческий щит" в других словарях:

Проходческий щит - (a. tunnelling shield; н. Vortriebsschield; ф. bouclier d avancement; и. escudo) временная передвижная металлич. призабойная крепь, под защитой к рой проводятся осн. процессы проходческого цикла. Bпервые П. щ. применён в 1825 при стр ве… … Геологическая энциклопедия

проходческий щит - Горная машина для проходки шахт и туннелей … Словарь многих выражений

щит проходческий - передвижная механизированная крепь, обеспечивающая защиту от горного давления и вывалов породы при сооружении тоннелей, выработок шахт и др. * * * ЩИТ ПРОХОДЧЕСКИЙ ЩИТ ПРОХОДЧЕСКИЙ, передвижная механизированная крепь, обеспечивающая защиту от… … Энциклопедический словарь

Щит (значения) - Щит: Щит вид военного защитного снаряжения, предназначенный для отражения атак холодного или стрелкового оружия. Щит (геральдический) основа любого герба. Щит созвездие южного полушария. Щит (силовой щит) в научной… … Википедия

Щит проходческий

Щит горнопроходческий - У термина «Щит» существуют и другие значения. Проходческий щит Проходческий щит подвижная сборная металлическая конструкция, обеспечивающая безопасное проведение горной выработки и сооружение в ней постоянной крепи (обделки). Проходческий щит… … Википедия

Щит - Для термина «Щит» см. другие значения. Щит вид военного защитного снаряжения, предназначенный для отражения атак холодного или стрелкового оружия. Содержание 1 Виды 1.1 Лёгкие (древнейшие) 1.2 … Википедия

Щит (оруж.) - У термина «Щит» существуют и другие значения. Щит эмали или металлы Щитодержатель Щитодержатель слоган … Википедия

щит - а/; м. см. тж. щиток, щитовой 1) а) Защитное вооружение древнего воина в виде округлой или прямоугольной плоскости (из дерева, металла или жёсткой кожи для предохранения от стрел, от ударов холодным оружием) Держать щит в левой руке. Старинный… … Словарь многих выражений

щит - а, м. 1. Защитное вооружение древнего воина в виде округлой или прямоугольной плоскости из дерева или металла, для предохранения от ударов холодным оружием. Над диваном, на ковре, было в порядке развешано всевозможное оружие кольчуги, щиты, копья … Малый академический словарь

Книги

• Метро. Подземный город , Волков Василий , Волкова Наталия Геннадьевна , Эта книга расскажет не только об истории строительства Московского метрополитена, который считается самым красивым, но и о том, как устроен этот подземный мир - огромный, сложный и очень… Категория:

Человечество уже не первое столетие с успехом осваивает подземное пространство. Речь идет не только о метрополитенах, которые присутствуют во всех крупных городах мира, но и о горных выработках, создаваемых для добычи полезных ископаемых. В обоих случаях применяется специальное оборудование - проходческие щиты, гарантирующие безопасность оборудованию и обслуживающему персоналу во время проведение земляных работ.

Впервые проходческий щит был применен в 1825 году при сооружении тоннеля под рекой Темзой. С тех пор этот тип оборудования неоднократно применялся при строительстве метрополитенов в таких крупных городах, как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и в других мегаполисах.

Проходческий щит

Проходческий щит представляет собой подвижную сборную в виде полого цилиндра. Он сооружается на месте горной выработки или при строительстве метрополитена для защиты прокладываемых в горизонтальном направлении шахт от обрушения. Иногда его также называют временной или передвижной крепью - специальной конструкцией, которая сооружается для защиты стенок тоннеля от обрушения.

Конструктивно проходческие щиты представляют собой сложный комплекс оборудования, в состав которого входят три основные части:

1. Ножевая. В ней происходит сам процесс бурения, разработки горной породы.
2. Опорная. Служит для размещения а также гидравлических домкратов, заставляющих двигаться щит вперед.
3. Хвостовая. Обеспечивают защиты персонала при воздвижении постоянной крепи.

В состав проходческого щита может входить разнообразное оборудование, которое необходимо для упрощения работ по разработке забоя, транспортировке земляных масс, укреплению и защите стенок от обрушения.

Конструкция проходческого щита

Главными элементами щита являются оболочка и ножевое кольцо, на котором расположены режущие элементы проходческого щита. В некоторых моделях «резцы» выполнены в виде твердосплавных вставок, расположенных под определенным углом друг к другу на рабочей поверхности ротора, а также опорное кольцо.

Вперед, в пространство перед ножами, щит продвигается при помощи которые опираются на последнее кольцо обделки. После этого в процесс вовлекаются забойные гидроцилиндры, которые прижимают сборные деревянные панели к горной породе, дабы та не обрушилась.

Свободное пространство между опорным и ножевым кольцом разбито на ячейки вертикальными перегородками и на ярусы горизонтальными переборками. Внутри этих «отсеков» располагается необходимое оборудование. Горизонтальные переборки могут выдвигаться гидравлическими домкратами.

Классификация проходческих щитов по форме поперечного сечения

Как правило, проходческие щиты собираются непосредственно на месте проведения работ. Из стальных сегментов конструируются опорное и ножевое кольцо, а из стальных листов, изогнутых по цилиндрической поверхности, формируют оболочку.

Оборудование для горизонтального бурения отличается формой поперечного сечения, габаритами, способом разработки и по области применения. Наиболее распространенной формой поперечного сечения является круг. Реже встречаются машины прямоугольного, арочного и иного очертания.

Виды щитов согласно длине диаметра

Опираясь на диаметры проходческих щитов, выделяют следующие виды конструкций:

1. Малые (до 3200 мм) - используются в городских службах для прокладки коллекторных тоннелей.
2. Средние (до 5200 мм) - применяются для прокладки гидротехнических коммуникаций и разработки горных ископаемых.
3. Большие (свыше 5200 мм) - практикуются при создании железнодорожных тоннелей, линий метрополитенов, крупных горных выработок.

Площадь поперечного сечения рабочей поверхности варьируется от 10 до 16 и более квадратных метров, в зависимости от диаметра рабочей поверхности.

Типы оборудования по способу разработки забоя

При разработке полезных ископаемых или создании подземных путей сообщения горизонтальное бурение проводят различными видами проходческих щитов.

Они отличаются между собой степенью механизации исполнительных органов:

1. Полностью механизированные. Для разрушения породы в таких конструкциях используется специальное оборудование - экскаваторные, планетарные, штанговые рабочие органы, а также установки гидромеханического воздействия.
2. Частично механизированные. Отсутствие специального устройства для разработки слоев грунта является их исключительной особенностью. Для разрушения пород здесь применяют проводят взрывные работы или вдавливают переднюю заостренную часть щита в грунт.
3. Специальные проходческие щиты. У таких конструкций головная часть закрыта. Они используются для создания тоннелей в особо сложных геологических условиях.

При этом конструкции делят на типы, предназначенные для работы в различных условиях - увлажнённых грунтах, для разработки забоев в сыпучих и малоустойчивых породах и для проходки в земли с крепостью от 0,5 до 5 и выше.

Назначение оборудования

Проходческие щиты применяются для создания шахт в горизонтальном направлении. Такой вид работ именуется как «горизонтальное бурение» и применяется в различных отраслях человеческой деятельности. Чаще всего он используется для создания и расширения существующих метрополитенов, разработки полезных ископаемых.

В последнее время широкое распространение получили работы по прокладке различных коммуникационных линий под автомобильными дорогами, трассами и прочими путями сообщения, именуемые как горизонтально направленное бурение, или ГНБ.

Горизонтально направленное бурение

Повсеместное применение данной технологии обусловлено высокой экономической эффективностью. В частности:

• исчезает необходимость ремонта дорог по завершении мероприятий;
• отпадает потребность в перекрытии автомобильного потока и создании объездных путей;
• возможна прокладка новых линий без нарушения целостности уже существующих.

При применении метода оператор проходческого щита создает пилотную скважину, которая затем расширяется риммером - расширителем обратного действия. Через готовый тоннель протягивается плеть трубопровода.

В качестве последнего нередко используется полимерный рукав, который затем наполняется бетоном. После затвердевания цементной смеси (около 21 дня) новая коммуникационная линия готова.

Проходческие щиты сегодня

Живым примером применения проходческого щита может стать строительство участка тоннеля по «Фрунзенскому радиусу» длиной 3760 метров между станциями «Проспект Славы» и «Южная» в Санкт-Петербургском метрополитене.

В проекте участвует компания из Германии Herrenknecht AG, которая обязуется изготовить проходческий щит. «Метрострой» - компания-участник с российской стороны, сотрудники которого разработали проект по созданию первого на постсоветском пространстве двухпутного тоннеля.

Ранее отечественная фирма уже сотрудничала с немецким производителем. Предоставленный им щит «Аврора» активно используется для сооружения наклонных ходов на станции «Спасская».

ВВЕДЕНИЕ

Горнопроходческий щит (рисунок 1) - это подвижная конструкция, находящаяся в голове строящегося туннеля и обеспечивающая безопасную разработку породы в забое, погрузку ее на внутритуннельный транспорт и возведение крепи (обделки). Проходческие щиты бывают немеханизированные (разработка породы ведется вручную) и механизированные. Проходческие щиты все в большей степени превращаются в проходческие комплексы. Они обычно имеют круглое поперечное сечение, но бывают прямоугольными, эллиптическими, подковообразными, в т. ч. незамкнутыми. По размеру щиты условно разделяют на щиты большого (более 7 м), среднего (от 7 до 5 ж) и малого сечения (менее 5м). Выполняются проходческие щиты, как правило, металлическими и могут использоваться в любых горногеологических условиях, однако наиболее эффективны они в мягких грунтах. Проходческие щиты для лучшей управляемости должны обладать необходимой маневренностью, характеризуемой, в частности, отношением длины к поперечному размеру.

Рисунок 1 - Горнопроходческий комплекс Herrenknecht-10690

Впервые проходческий щит был применен в Великобритании М.И. Брюнелем при сооружении тоннеля под рекой Темзой (1825). С их помощью сооружено большинство тоннелей метрополитенов в Москве, Петербурге, Киеве и других городах.

Диаметр получаемых тоннелей может варьироваться от 1 до 19 м. Самый большой диаметр, 19 м, у четырёх проходческих щитов, используемых в настоящее время на строительстве железнодорожного Готардского тоннеля в Швейцарии.

Для создания тоннелей малого диаметра применяется горизонтальное бурение - длина до 2 км, диаметр до 1,2 м

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ

Рабочие органы существующих проходческих щитов воздействуют на забой в основном способами вдавливания, резания или комбинированным способом. Способ вдавливания эффективен в сыпучих (песчаных) и мягокопластичных связных (глинистых и илистых) грунтах.

Вдавливание выполняется головной частью, состоящей из ножевого кольца и режущих полос или диафрагмы с окнами, через которые грунт в виде осыпей или брикетов поступает внутрь проходческого щита. При проходке в сыпучих грунтах режущие полосы делаются в виде горизонтальных и наклонных полок, объединенных между собой вертикальными ребрами. Применение проходческих щитов среднего сечения с горизонтальными полками снижает стоимость 1 пог. м туннеля и позволяет проходить в месяц до 400 пог.м. Способ резания в забое эффективен в устойчивых связных грунтах, особенно в плотных глинах и сланцах. Для резания применяются в основном роторные, планетарные и фрезерные рабочие органы. Наиболее часто используются роторные органы, режущие породу по круговым траекториям с помощью резцов, закрепленных на радиальных лучах. Пространство между лучами используется для направления срезаемой породы внутрь проходческого щита среднего сечения с горизонтальными полками и доступа политена в Москве и Киеве. Основной вал рабочего органа самостоятельно перемещается на забой со скоростью 5-7 мм/мин.

Для улучшения доступа к забою и получения высокого крутящего момента в некоторых проходческих роторный орган выполняется в виде цилиндрического корпуса с шестерней большого диаметра и радиальными лучами. В Англии успешно применяются при проходке в кембрийских глинах Лондонского метрополитена щиты диаметром 4,27 и 3,9 м с роторным рабочим органом в виде цилиндрического корпуса (барабана), оснащенного шестью внешними радиальными и внутренними диаметральными лучами, снабженными резцами.

Роторный орган был успешно применен в машинах США при проходке туннеля диаметром 7,5-7,9 м в мягких трещиноватых глинистых сланцах. При проходке Ленинградского метрополитена в кембрийских глинах успешно использован проходческий щит с планетарным рабочим органом из 6 дисков, размещенных на крестообразном водиле, к кольцу которого прикреплены 12 ковшей, захватывающих грунт. Другой щит с планетарным органом мощностью 110 кет в виде 2 дисков, закрепленных на водиле, применен при проходке туннеля Московского метрополитена в перемежающихся карбонных глинах и известняках с пределом прочности при сжатии до 300 кг /см2. С таким же щитом строится Тбилисский метрополитен в песчаниках и аргиллитах с пределом прочности при сжатии 450-630 кг/см2.

Для выборочной разработки забоя Проходческие щиты снабжаются фрезерным рабочим органом, основным элементом которого является головка, смонтированная на штанге и снабженная резцами. В Проходческом щите ПЩМ-4 диаметром 4,09 м головка включает 2 резцовые коронки диаметром 350 и 600 мм, вращающиеся в разные стороны. Штанга с рабочей головкой, закрепленная шарнирно в диафрагме, установленной перед опорным кольцом проходческого щита, с помощью гидравлических домкратов перемещается и по вертикали, и по горизонтали, а головка, кроме того, выдвигается относительно корпуса штанги. Разработанный грунт падает вниз и с помощью загребающих лап грузится на пластинчатый питатель, проходящий через центральное отверстие вала блокоукладчика.

При фрезерном органе иногда может быть применен комбинированный способ воздействия на забой, с разработкой центральной части забоя рабочим органом, а периферийной - ножевым кольцом проходческого щита. В чистом виде комбинированный способ заложен в проходческий щит диаметром 2,56 м, снабженном фрезерной головкой, вращающейся от двигателя в 20 кет со скоростью 10 об/мин и обладающей, одной степенью свободы в направлении продольной оси щита.

В водонасыщенных песках при условии водопонижения или применения сжатого воздуха используются проходческие щиты с горизонтальными полками.

При гидростатическом давлении, превышающем 3 aтм., могут применяться герметические проходческие щиты с диафрагмой, пространство перед которой заполнено водой, выполняющей роль гидропригрузки.

Отбор грунта в виде пульпы из забоя осуществляется гидроэлеваторами или землесосными установками.

Разработка забоя может производиться гидроструей, которая подается из насадки, или с помощью рабочего органа, напр. в виде однолучевого бара, снабженного цепью с режущими зубьями. Особенностью щита является создание крепи из монолитного прессованного бетона. Помимо поступательно перемещающихся проходческих щитов, известны так называемые вращающиеся щиты.

Проходческие щиты в последнее время начали применять и для открытого способа проходки. В частности, открытый щит шириной 9,02 м, высотой 8,2 м и длиной 13,8 ж был использован при проходке в глинистых грунтах двухпутного перегонного туннеля Фрунзенского радиуса Московского метрополитена. Головная часть щита образована двумя боковыми вертикальными стенками и лобовой стенкой ломаного очертания.

Отбор грунта из пределов головной части на глубину до 7,3 м осуществлялся с помощью экскаватора, оборудованного обратной лопатой и ковшом емкостью 1,4 м3, а установка замкнутых секций обделки в хвостовой части велась козловым краном.

Все механизированные проходческие щиты являются специализированными и каждый из них имеет достаточно узкую область наиболее эффективного использования в определенных горногеологических условиях.

В то же время необходимо создать универсальные механизированные проходческие щиты для проходки в широком диапазоне мягких грунтов (от рыхлых песчаных до плотных глинистых) с быстро изменяющимся способом воздействия на забой, обеспечивающим устойчивость забоя при изменении угла естественного откоса грунта от 90 до 40°, минимальное усилие для внедрения щита в грунт и свободный доступ к забою.

Строительство первой очереди Московского метрополитена характеризовалось широким применением классического горного способа проходки с разработкой сечения тоннеля по частям. Этому способу присущи высокая степень использования ручного труда во всех производственных процессах, теснота рабочего пространства, лишающая возможности механизировать работы.

Устройство монолитной бетонной обделки, сооружаемой по частям, чрезвычайно трудоемко, требует большого количества деревянной опалубки и крепежного леса для сложного временного крепления. Бетонная конструкция обделки тоннелей обусловливала сложный комплекс гидроизоляционных работ - устройство оклеенной гидроизоляции и сооружение поддерживающей железобетонной рубашки. Технологическая необходимость последовательного выполнения операций по сооружению тоннеля затрудняла возможность совмещения трудоемких процессов во времени, ограничивая темпы проходки и возможности механизации.

Затраты труда на основные процессы по сооружению перегонного тоннеля первой очереди строительства равнялись 646 чел.-ч на 1 пог.м, а приведенная скорость проходки - 0,2 пог. м в сутки. В период наибольшего развертывания работ общая численность занятого персонала составляла около 75 тыс. человек.

Первая очередь Московского метрополитена стала своеобразной лабораторией. На опытных участках испытывались почти все известные в то время способы проходки, в том числе и щитовой способ сооружения тоннелей. Этим способом сооружали участок перегонного тоннеля от Театральной площади (ныне площадь Свердлова) до станции «Дзержинская». В работе находилось два щита. Один был поставлен из Англии, другой - изготовлен отечественной промышленностью.

Сооружение тоннелей с помощью проходческого щита показало полную техническую и экономическую целесообразность такого способа работ. Разработка забоя на полное сечение, исключение тяжелого ручного труда по устройству временного деревянного крепления, применение для устройства обделки бетонных блоков, а позднее чугунных тюбингов вместо монолитного бетона, т. е., по существу, замена сооружения обделки ее монтажом, резко снизившая трудоемкость работ и позволившая полностью механизировать их с помощью специальных укладчиков блоков и тюбингов, значительное уменьшение трудоемкости гидроизоляционных работ - таковы важнейшие преимущества щитового способа проходки.

Результаты опытных работ с использованием щитовой проходки на строительстве первой очереди Московского метрополитена позволили принять решение - начиная со второй очереди строительства проходческие работы вести в перегонных и станционных тоннелях метрополитена в основном щитовым способом. Для практической реализации этого решения требовалось 42 проходческих щита, а в распоряжении строителей было только два. 40 щитов (28 перегонных диаметром 6 м и 12 станционных диаметром 9,5 м) - такой огромный заказ должен был быть выполнен менее чем за два года.

Созданная за годы первых пятилеток отечественная промышленность сумела успешно справиться с этой задачей. Партия и правительство уделяли большое внимание Метрострою. За выполнением заказа лично следил нарком тяжелой промышленности Серго Орджоникидзе. Станционные щиты изготовляли в Ленинграде и Новокраматорске, перегонные - в Горловке и Коломне. Производство станционных тюбингов было поручено Уральскому заводу тяжелого машиностроения, перегонных тюбингов - Днепропетровскому машиностроительному заводу.

Пока на заводах велось изготовление щитов, метростроевцы проводили подготовительные работы, готовили квалифицированные бригады монтажников. Инженеры, техники и рабочие-тоннельщики знакомились с конструкцией проходческих щитов и технологией щитовой проходки. Были созданы две бригады по 20 человек с учетом четырехсменной круглосуточной работы. Начальником монтажных работ назначили Е. П. Солдатова, опытного мастера-монтажника. Его высокая квалификация, отличные организаторские способности способствовали успешной работе монтажных бригад. Скорость монтажа щитов была доведена с месяца до двух недель.

Радикальные изменения, которые щитовой способ проходки внес в технологию сооружения тоннелей, позволили резко повысить производительность труда тоннелестроителей. Затраты труда на основные процессы по сооружению 1 пог.м перегонного тоннеля снизились с 646 чел.-ч на первой очереди до 249 чел.-ч на второй очереди, т.е. более чем в 2,5 раза. По мере освоения щитового способа на второй очереди строительства скорости проходки перегонных тоннелей возросли с 2 пог.м в месяц в начале работ до 45-50 пог. м в конце работ. Изменив коренным образом основные процессы проходки, щитовой способ потребовал механизации остальных процессов.

При новом соотношении трудоемкости основных процессов возрос удельный вес таких операций, как разработка забоя, погрузка породы, ее транспортировка, остававшихся ручными. Эти операции стали узким местом в общей технологической цепи, ограничивая развитие и темпы строительства. Главной задачей дальнейшего совершенствования производства работ на строительстве третьей и особенно четвертой очередей Московского метрополитена стала механизация разработки породы, ее погрузки и транспортировки.

Массовое внедрение породопогрузочных машин, электровозной откатки, механических сбалчивателей тюбингов, механизация поверхностного шахтного комплекса: опрокидывателей вагонеток, выталкивателей груженых вагонеток из шахтной клети и другого оборудования - обеспечили дальнейшее снижение трудоемкости сооружения тоннелей и повышение производительности труда на четвертой очереди строительства в 4 раза по сравнению с первой очередью. При возведении перегонного тоннеля между станциями «Арбатская» и «Смоленская» в начале 50-х гг. в тяжелых гидрогеологических условиях, под сжатым воздухом с помощью проходческого щита сооружали более 6 пог.м тоннеля в сутки, т.е. выполняли 167% нормы.

В 60-х гг. при проходке перегонного тоннеля на Ждановском радиусе Московского метрополитена, а позже на Замоскворецком радиусе в песках естественной влажности московские метростроевцы, разрабатывая забой проходческим щитом, временное крепление забоя поручили песку, превратив его из врага в помощника, по образному замечанию начальника СМУ. Угол естественного откоса песка обеспечивал временную устойчивость лба забоя, а гидравлический напор щитовых домкратов помогал выполнять разработку забоя. Когда появились небольшие глинистые прослойки, затруднявшие проходку, конструкторы совместно со строителями создали специальные лопастные рыхлители, которые были установлены на площадках щита и включались в работу, способствуя разработке породы.

Так был создан механизированный щит ЩМ-17, который использовали при строительстве Краснопресненского радиуса Московского метрополитена на проходке участка перегонного тоннеля длиной 1800 м в песках естественной влажности со средней скоростью 117 пог.м в месяц. Другой такой щит используется на строительстве Горьковского метрополитена.

На линиях второй и третьей очередей строительства Московского метрополитена щитовой способ проходки тоннелей с применением сборной чугунной обделки оставался единственным для всех забоев, независимо от гидрогеологических условий. Позже, на линиях четвертой очереди, щитовую проходку использовали только в забоях со сложными гидрогеологическими условиями и при слабоустойчивых породах. Одновременно продолжалась дальнейшая механизация и рационализация отдельных процессов проходки. Создание и внедрение механических сбалчивателей позволило во всех забоях перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей полностью исключить тяжелый ручной труд по монтажу обделки и повысить производительность труда на этом процессе почти в 3 раза по сравнению с третьей очередью строительства. Тяжелый и малопроизводительный труд по ручной очистке лотка тоннеля перед его бетонированием был исключен благодаря внедрению плоского лотка. Все это позволило превысить установленные проектом четвертой очереди скорости проходки перегонных и станционных тоннелей.

Как показывает практика строительства, наиболее эффективное совершенствование методов разработки породы в забое и комплексная механизация процессов сооружения тоннелей могут быть достигнуты только путем создания и внедрения специальных механизированных щитов - тоннельных комбайнов, позволяющих полностью устранить ручной труд в трудоемких процессах тоннельных работ и значительно повысить скорости сооружения тоннелей.

Много лет проектировщиками и метростроителями проводится большая работа по разработке конструкций, созданию и внедрению в практику строительства механизированных проходческих щитов. Специалистами Главтоннельметростроя созданы механизированные щиты для разнообразных условий работы в породах различной крепости. Первым вариантом такой конструкции был щит, использованный в Ленинграде. Результаты испытаний оказались настолько успешными, что была изготовлена партия из шести щитов, используемых на проходке перегонных тоннелей с 1949 г. С помощью этих щитов сооружено около 70 км перегонных тоннелей. Ленинградский механизированный щит имеет планетарный привод мощностью 80 кВт, режущий рабочий орган из четырех дисков-фрез, каждая из которых оснащена 12 стержневыми резцами, армированными твердым сплавом; подача на забой гидравлическая.

Создание механизированных щитов для разнообразных и сложных гидрогеологических условий сооружения тоннелей в Москве представляет собой более трудную задачу. Первый механизированный щит для строительства Московского метрополитена был создан в 1953 г. Он предназначался для механического разрушения горных пород крепостью до 175-200 кгс/см 2 и был выполнен по типу ленинградского механизированного щита, с планетарным режущим органом - двумя рабочими дисками по 24 резца на каждом. Щит прошел заводские и производственные испытания. С его помощью были построены 623 м перегонного тоннеля на Рижском радиусе.

К концу 50-х гг. было принято решение сооружать тоннели Московского метрополитена в основном мелкого заложения. Большую часть перегонных тоннелей должны были проходить в моренных глинах, суглинках, супесях, песках естественной влажности. Созданный для этих условий механизированный щит имел плоскую планшайбу, оснащенную ножами. Каменистые включения размером более 250 мм вынимались вручную, для чего в планшайбе были предусмотрены специальные отверстия. Этим щитом были сооружены два участка перегонного тоннеля длиной 900 м вблизи станции «Профсоюзная». Проходка велась со средней скоростью 118 пог. м и максимальной скоростью 187 пог. м в месяц. Участок тоннеля длиной 450 м вблизи станции «Первомайская» был пройден со средней скоростью 80 пог. м и максимальной скоростью 132 пог. м в месяц.

Более удачным по конструкции и эксплуатационным качествам был созданный в 1961 г. механизированный щит ЩМ-8 диаметром 3,6 м с гидроприводом и рабочим органом в виде конической планшайбы, оснащенной пластинчатыми ножами и стержневыми резцами, для проходки гидротехнических и коллекторных тоннелей в породах крепостью от 20 до 250 кгс/см 2 (мягкие вязкие глины, карбонные глины, мергели, суглинки, лессы, слабые известняки).

На основе опыта использования механизированных щитов М-105, 105Т, ЩМ-4, ЩН-1 для широкого диапазона устойчивых пород крепостью от 20 до 400 кгс/см 2 был создан механизированный щит ЩМР-1. При разработке конструкции были значительно улучшены основные параметры щита. Привод выполнен на постоянном токе, что позволяет в широких пределах регулировать работу щита, изменяя обороты рабочего органа в зависимости от крепости пород. Значительно увеличена мощность привода, она составляет 320 кВт (2X160). Двухмоторный привод позволяет регулировать мощность отключением одного из двигателей при проходке слабых мягких пород. Благодаря упрочненным стержневым резцам улучшено резание крепких пород.

При испытаниях щита в Киеве на проходке участка в спондиловых глинах было сооружено более 3 тыс. м перегонного тоннеля, в том числе 2190 м с обделкой, обжатой в породу. При этом достигнута скорость 262 м в месяц, 14 м в сутки и 6,03 м в смену. Второй щит ЩМР-1 был использован в Москве на проходке участка перегонного тоннеля в породах средней крепости (карбонные глины и известняки. Было пройдено 1370 м, максимальная скорость составила 147 пог. м в месяц.

Ленинградские механизированные щиты, проработавшие более 25 лет, в настоящее время заменяются новыми механизированными щитами КТ-1-5,6, созданными и изготовленными на Ясиноватском машиностроительном заводе. Щиты КТ-1-5,6 оснащены рабочим органом щелевого типа. Он состоит из четырех лучевых баров со стержневыми резцами, разрабатывающими кольцевые концентрические щели, и устройством, ломающим остающиеся кольцевые выступы породы. Мощность привода щитов 200 кВт, т. е. в 2,5 раза больше, чем щитов предыдущей модели, а наибольшее усилие подачи 50 тс, т. е. в 6 раз больше прежнего. Средняя скорость проходки при использовании этих щитов 330 - 350 пог. м в месяц. Рекордная скорость проходки 1250 пог. м в месяц превышает мировой рекорд для тоннелей этого диаметра.

С внедрением механизированных щитов ЩМ-17, КТ-1-5,6 и ЩМР-1 может быть осуществлена комплексная механизация проходки перегонных тоннелей метрополитена, залегающих в породах диапазоном от песков естественной влажности до слабых известняков и песчаников.

Для комплексной механизации проходческих работ при строительстве перегонных тоннелей метрополитена открытым способом создан специальный щит. Он представляет собой комплекс проходческого оборудования, включающий щит прямоугольной формы - металлическое передвижное крепление котлована под двухпутный тоннель. В передней изолированной части комплекса ведется разработка породы экскаватором с погрузкой ее в автотранспорт, позади производится монтаж цельносекционной обделки при помощи 20-тонного козлового крана ККТС-20. Комплекс позволяет- обеспечить полный проходческий цикл при значительном сокращении вскрышных работ.

Двукратные испытания комплекса в обычных и тяжелых условиях строительства показали его высокую производительность. Достигнутая скорость проходки составила 6 пог. м двухпутного тоннеля в сутки. Проходка тоннеля с применением щита открытого способа работ была начата в конце 1979 г. в Киеве.

Работы по совершенствованию конструкций механизированных щитов и созданию новых щитов продолжаются. Ведутся разработки щита со сменными рабочими органами, экскаваторным рабочим органом, а также работы по ряду других направлений.

Огромная доля участия в ведущихся более чем четверть века поисках наиболее совершенных конструкций механизированных щитов принадлежит Московскому механическому заводу (ранее завод № 5 Метростроя), который изготовил восемь моделей таких щитов в количестве 24 экземпляров, со всем оборудованием проходческого комплекса. С помощью щитовых комплексов, включая ленинградские механизированные щиты, сооружено более 120 км тоннелей метрополитенов во многих городах нашей страны.

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

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 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".

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, то есть все станции неглубокого заложения. Московские строители первыми в мире с помощью тоннелепроходческих щитов стали прокладывать наклонные тоннели.

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 - 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».