Туннелепроходческий станок: как он работает, какие типы существуют и почему это важно

Основная идея туннелепроходческого станка

Туннелепроходческая машина, обычно называемая ТБМ, представляет собой крупное землеройное оборудование, которое прокладывает круглый туннель в земле за одну непрерывную операцию, разрезая породу или почву в забое и одновременно устанавливая за ним структурную облицовку. Концепция проста, даже если проектирование не так: вращающаяся режущая головка в передней части машины выкапывает материал, выкопанный грунт удаляется через корпус машины, а туннель поддерживается сборными железобетонными или стальными сегментами, которые возводятся внутри заднего щита машины по мере ее продвижения. На другом конце подъезда появляется готовый туннель с облицовкой, готовый к отделке.

ТБМ используются при строительстве линий метро, ​​железнодорожных тоннелей, автомобильных тоннелей, тоннелей водоснабжения, канализационных тоннелей, подводящих тоннелей гидроэлектростанций и инженерных коридоров. Они использовались в некоторых из самых сложных и знаковых туннельных проектов в мире — туннеле под Ла-Маншем, базовом туннеле Готард через Швейцарские Альпы, туннеле Темзы в Лондоне и десятках городских систем метрополитена в городах от Токио до Стамбула и Сиднея. Преимущество ТБМ по сравнению с обычными буровзрывными методами или проходческими комбайнами заключается в сочетании скорости, безопасности, точности и способности одновременно выкапывать и прокладывать туннель, не подвергая окружающий грунт неконтролируемому обрушению.

Современный туннелепроходческие машины являются одними из самых сложных и дорогих видов строительной техники из существующих. Самые большие ТБМ превышают 17 метров в диаметре и стоят более 80 миллионов долларов США. Даже скромные машины метрополитена диаметром 6–9 метров требуют инвестиций в размере 15–40 миллионов долларов и требуют команд из десятков инженеров, операторов и техников по техническому обслуживанию для непрерывной круглосуточной работы. Понимание того, как работают эти машины, почему существует так много разных типов и что влияет на производительность и стоимость проектов TBM, является важным знанием для всех, кто занимается крупной подземной инфраструктурой.

Как туннелепроходческая машина копает и продвигается вперед

Рабочий цикл ТБМ повторяется, но четко спланирован. В передней части машины большая круглая режущая головка, оснащенная режущими инструментами, подходящими для выкапываемого грунта, вращается напротив забоя туннеля. Режущая головка приводится в движение серией электродвигателей через редукторы или прямым гидравлическим приводом, создавая как вращательный момент, необходимый для резки материала, так и силу тяги, необходимую для прижатия режущих инструментов к забою. Тяга создается гидравлическими цилиндрами, которые давят на последнее завершенное кольцо сегментов обделки туннеля, установленных позади машины.

Когда режущая головка вращается и продвигается вперед, шлам падает через отверстия на лицевой стороне режущей головки, называемые отверстиями для навоза или ковшами, в камеру для сбора за режущей головкой. Оттуда отвал транспортируется через корпус машины с помощью ряда ленточных конвейеров, винтовых конвейеров или пульпопроводов, в зависимости от типа машины, и транспортируется к порталу туннеля или шахте для вывоза с площадки. Одновременно в кольцевом пространстве сразу за режущей головкой устройство для сборки сегментов — роботизированная рука, работающая внутри хвостового щита — подбирает доставленные с поверхности сегменты сборного железобетона и собирает из них целое кольцо. Как только полное кольцо установлено, упорные цилиндры продвигаются вперед, прижимаясь к новому кольцу, и цикл начинается снова.

При благоприятных грунтовых условиях хорошо эксплуатируемая ТБМ может прокладывать несколько колец за смену, причем каждое кольцо обычно представляет собой продвижение туннеля на 1,2–2,0 метра. Ежедневная скорость продвижения на приводах TBM городского масштаба варьируется от 8 до 20 метров в день при нормальных условиях, при этом исключительная производительность грунта и техники иногда достигает 30 метров и более за 24 часа. За многомесячную полную поездку эти показатели накапливаются в километрах завершенного туннеля — производительность, с которой не может сравниться ни один традиционный метод раскопок в аналогичном масштабе.

Основные типы туннелепроходческих машин

Единой универсальной конструкции ТБМ не существует. Машину необходимо выбирать и настраивать с учетом конкретных условий грунта вдоль трассы туннеля, а последствия выбора неправильного типа машины варьируются от плохой производительности и чрезмерного износа фрез до катастрофического обрушения грунта или затопления. Основная классификация типов ТБМ соответствует методу поддержки забоя — тому, как машина обеспечивает устойчивость забоя туннеля во время земляных работ.

Открытые ТБМ Hard Rock

В компетентных, самонесущих горных породах, где грунт достаточно прочный, чтобы стоять без поддержки у забоя туннеля на протяжении всего цикла земляных работ, стандартным выбором является ТБМ из твердых пород с открытым забоем. В этих машинах, также называемых TBM с захватами или TBM с главной балкой, используются большие гидравлические захваты, которые выступают вбок от корпуса машины и прижимаются к стенкам туннеля, создавая силу реакции для цилиндров тяги. Режущая головка оснащена дисковыми фрезами — колесами из закаленной стали, которые катятся по забою породы под высокими точечными нагрузками, разрушая породу по трещинам, распространяющимся между соседними гусеницами фрезы, и разбивая ее на щепки. ТБМ с открытым забоем для твердых пород могут достигать очень высоких скоростей проходки в прочных, прочных породах и являются причиной одних из самых быстрых рекордов проходки туннелей, когда-либо зарегистрированных.

Ограничением ТБМ с открытыми захватами является их неспособность справиться со слабым или сжимающим грунтом, зонами трещин в горных породах, притоками воды или любыми условиями, при которых стены туннеля не могут обеспечить надежную реакцию захвата. При работе в смешанном грунте или породе переменного качества (что часто встречается в длинных альпийских туннелях) машина должна быть способна устанавливать временные средства поддержки грунта, включая анкерные болты, сетку и торкрет-бетон, в кольцевом пространстве вокруг ствола скважины, продолжая при этом продвигаться вперед, что значительно замедляет добычу.

ТБМ для компенсации давления грунта

ТБМ с балансом давления грунта (ТБМ EPB) являются доминирующим типом машин для прокладки тоннелей в мягких грунтах в городских условиях. Отличительной особенностью ТБМ EPB является герметичная переборка, расположенная сразу за режущей головкой, которая создает герметичную камеру выемки. Выкопанная почва заполняет эту камеру, а кондиционирующие агенты — вода, пена, полимер или бентонит — впрыскиваются через отверстия в режущей головке, чтобы превратить почву в пластифицированную полужидкую массу нужной консистенции для передачи давления. Давление в камере выемки активно контролируется, чтобы соответствовать совокупному давлению грунта и грунтовых вод на забое туннеля, предотвращая приток почвы или воды и сводя к минимуму осадку поверхности.

Отвал извлекается из камеры выемки под давлением с помощью архимедова винтового конвейера — вращающейся спирали внутри герметичной трубы — который действует как затвор давления, позволяя выгружать материал при атмосферном давлении на атмосферной стороне машины, сохраняя при этом необходимое забойное давление в камере. ТБМ EPB эффективны при работе с широким спектром мягких грунтов, включая глину, ил, песок и гравий, и являются наиболее часто используемой машиной для метро и городских железнодорожных туннелей во всем мире. Их способность контролировать движение грунта делает их незаменимыми в густонаселенной городской среде, где расстояние над туннелем должно быть выдержано в пределах миллиметров для защиты зданий и инфраструктуры.

ТБМ с шламовым щитом

ТБМ с защитным слоем для шлама поддерживают забой туннеля, используя находящийся под давлением бентонитовый раствор, а не сам выкопанный грунт. Камера разработки за фрезерной головкой заполняется шламом под давлением, который одновременно стабилизирует забой и транспортирует шлам во взвешенном состоянии обратно по пульпопроводу на установку поверхностного разделения. На сепарационной установке шлам извлекается с помощью сит, гидроциклонов и центрифуг, а очищенный шлам восстанавливается и перекачивается обратно в забой тоннеля по замкнутому контуру. ТБМ с защитой от навозной жижи превосходно работают на насыщенном гранулированном грунте — сыпучих песках, гравии и смешанных грунтах ниже уровня грунтовых вод — где контроль забойного давления EPB затруднен и где риск выброса или неконтролируемого притока наиболее высок. Они также являются предпочтительным типом машин при прокладке туннелей под реками, гаванями или другими водоемами, где последствия нестабильности забоя являются серьезными.

Основным недостатком ТБМ для навоза по сравнению с машинами EPB является сложность и потребность в пространстве для контура навоза и сепарационной установки. Наземная установка занимает значительную площадь, шлам требует постоянного управления и корректировки свойств, а осадок фильтр-прессованного шлама, образующийся в качестве отходного продукта, необходимо утилизировать как управляемый материал. На стесненных городских объектах, где площадь поверхности ограничена, дополнительные логистические требования могут стать важным фактором при выборе техники.

Смешанные щитовые и трансформируемые ТБМ

Длинные туннели часто проходят через несколько разных типов грунта — скалы на глубине, переходящие в смешанный грунт, а затем в мягкие городские почвы ближе к порталу. Чтобы справиться с этими переходами без извлечения и замены машины, производители предлагают ТБМ со смешанным щитом и трансформируемые ТБМ, которые могут работать как в режиме EPB, так и в режиме навозной жижи или которые включают в себя элементы конструкции как для твердых пород, так и для мягких грунтов. Трансформируемые машины более дороги в приобретении и более сложны в эксплуатации и обслуживании, но в проектах, где изменчивость грунта высока, а стоимость подъема машины будет непомерно высокой, они являются единственным практическим вариантом.

Конструкция режущей головки TBM и режущие инструменты

Режущая головка является наиболее ответственным и наиболее подверженным износу компонентом любой туннелепроходческой машины. Ее конструкция — диаметр, конфигурация спиц, передаточное отношение, тип и расположение фрез — определяет, насколько эффективно машина выкапывает землю, как быстро изнашиваются инструменты и как часто требуется вмешательство для замены изношенных фрез. Правильная конструкция режущей головки для конкретной геологии проекта оказывает прямое и измеримое влияние на скорость реализации проекта, стоимость инструмента и общий график.

Дисковые фрезы для камня

При работе с твердыми породами основным режущим инструментом является дисковая фреза — кольцо из закаленной стали, установленное на подшипниковом узле, который катится по забою породы под действием высоких точечных нагрузок, создаваемых силой тяги ТБМ. Когда режущая головка вращается, каждая дисковая фреза прописывает круговую канавку в поверхности породы. Поле напряжений между соседними дорожками канавок заставляет породу раскалываться и раскалываться на щепки (процесс, называемый выкрашиванием или образованием кратеров), которые сбрасываются в отверстия для породы ковшами режущей головки. Диаметр дисковой фрезы увеличился за десятилетия развития; современные фрезы обычно имеют диаметр 432 мм (17 дюймов) или 483 мм (19 дюймов) и способны выдерживать отдельные нагрузки 250–320 кН. Скорость износа фрезы зависит от абразивности породы, количественно определяемой индексом абразивности Cerchar, и является одним из доминирующих факторов затрат в проектах TBM для твердых пород, при этом замена фрезы в высокоабразивной породе иногда требует вмешательства каждые 50–100 метров продвижения.

Режущие инструменты для мягкой шлифовки

На мягком грунте дисковые фрезы заменяются или дополняются фрезами, скребками и рыхлителями, которые срезают и соскабливают почву, а не разрушают ее точечной нагрузкой. Конструкция режущей головки для мягких грунтов отдает приоритет смешиванию и кондиционированию вынутого материала, а не резке: головки со спицами и большими отверстиями для мусора позволяют почве свободно течь в камеру выемки, а впрыскивающие отверстия, распределенные по забою, доставляют кондиционирующие вещества непосредственно к точке резания. На смешанном грунте, где рядом с мягкой почвой могут встречаться булыжники, валуны или полосы камней, режущая головка должна быть оснащена как фрезами для почвы, так и дисковыми фрезами для твердого материала. Эта комбинация требует тщательного размещения и расположения инструментов для эффективной работы на всем диапазоне типов грунта.

Системы облицовки туннелей, используемые с ТБМ

Облицовка туннеля, установленная за ТБМ, одновременно выполняет несколько функций: она обеспечивает немедленную структурную поддержку для предотвращения смещения грунта, образует постоянную структурную оболочку туннеля, которая должна выдерживать нагрузки на грунт, давление воды и эксплуатационные нагрузки на протяжении всего расчетного срока службы инфраструктуры, а в ТБМ с герметичным забоем она обеспечивает поверхность реакции, на которую толкают цилиндры для продвижения машины. Таким образом, конструкция и качество системы футеровки неотделимы от эффективности самой эксплуатации ТБМ.

Преобладающей системой обделки щитовых ТБМ в мягких грунтах является сегментная обделка из сборного железобетона. Каждое кольцо облицовки собирается из набора изогнутых сегментов сборного железобетона — обычно от пяти до восьми сегментов плюс меньший сегмент закрывающей шпонки — которые скреплены болтами или соединены вместе и с соседними кольцами, образуя непрерывную цилиндрическую оболочку. Размеры сегментов точно контролируются: допуски по диаметру ±1 мм и отклонения по толщине ±2 мм являются типичными требованиями к качеству, поскольку сегменты должны идеально сочетаться друг с другом в соответствии со сложной трехмерной геометрией возведенного кольца. Заливка кольцевого пространства между внешней поверхностью сегментов и выкопанным профилем грунта выполняется через отверстия для раствора в хвостовых частях сегментов сразу за хвостовым щитом ТБМ с использованием двухкомпонентного раствора, который быстро схватывается, чтобы предотвратить перемещение грунта в пустоту до затвердевания основного раствора.

Для ТБМ из твердых пород в компетентном грунте туннель без облицовки или частично облицованный иногда приемлем для водных туннелей и другой частной инфраструктуры, при этом сама скала обеспечивает основную структурную поддержку. Чаще всего монолитная бетонная обделка или упрощенная сборная сегментная обделка устанавливается в качестве операции второго прохода после прохождения ТБМ, что снижает немедленное плановое давление одновременного возведения обделки во время проходки.

Показатели производительности TBM, которые отслеживают проектные команды

Производительность проекта TBM отслеживается с помощью набора эксплуатационных показателей, которые показывают, насколько эффективно машина режет, сколько времени теряется на непроизводительные действия и находятся ли состояние машины и грунта в пределах ожидаемых параметров. Эти показатели постоянно записываются системой сбора данных машины и проверяются командой проекта каждую смену.

Коэффициент использования заслуживает особого внимания, поскольку это показатель, над которым команда проекта имеет наиболее прямой контроль. ТБМ со скоростью проникновения 6 мм/об, работающая при загрузке 40%, будет продвигаться медленнее, чем машина со скоростью проникновения 4 мм/об, работающая при загрузке 70%. Время, не требующее сверления, которое снижает загрузку, уходит на монтаж сегментов, проверку и замену резцов, техническое обслуживание хвостового уплотнения, зондовое бурение перед забоем, задержки в логистике, а также плановое и внеплановое техническое обслуживание. Систематический анализ того, где происходят простои, и целенаправленные действия по сокращению тех, кто вносит наибольший вклад, — это одно из наиболее эффективных мероприятий, доступных команде управления проектом TBM.

Наземные исследования, которые помогут выбрать и спроектировать ТБМ

Успех проекта TBM во многом определяется еще до того, как машина войдет в землю — качеством и тщательностью программы геотехнических исследований, которые характеризуют грунтовые условия вдоль трассы. ТБМ — это оборудование, изготовленное на заказ с учетом конкретных геологических параметров; однажды построенные и запущенные, их нельзя будет фундаментально перепроектировать, если условия окажутся иными, чем предполагалось. Последствия неадекватного наземного исследования проекта ТБМ — застревание машин, неожиданный приток воды, сильный износ фрез, осадка поверхности или полный отказ от привода — измеряются десятками или сотнями миллионов долларов дополнительных затрат и годами задержки графика.

• Расстояние и глубина скважин: Исследовательские скважины вдоль трассы ТБМ обычно следует располагать с интервалом 50–100 метров, с более близким расстоянием в критических местах, таких как положения пусковой и приемной шахт, переправы через реки и районы с известной геологической сложностью. Скважины должны простираться как минимум на три диаметра туннеля ниже перевернутого туннеля, чтобы охарактеризовать полную зону влияния выемки.
• Испытания на прочность и абразивность горных пород: Для проектов TBM с твердыми породами лабораторные испытания должны включать прочность на одноосное сжатие (UCS), бразильскую прочность на растяжение, индекс точечной нагрузки, индекс абразивности Cerchar (CAI) и петрографический анализ тонких шлифов репрезентативных образцов керна из каждой литологической единицы вдоль трассы. Эти параметры напрямую определяют характеристики дискового фрезы, требования к усилию режущей головки и прогноз стоимости замены фрезы.
• Характеристика подземных вод: Скважины пьезометрического мониторинга, установленные вдоль трассы, показания которых снимаются в течение всего сезонного цикла, если позволяет время, определяют режим подземных вод, в котором должна работать ТБМ. Артезианские условия, высокий уровень грунтовых вод и зоны с высокой проницаемостью, которые могут выдержать большие притоки в туннель, должны быть определены и спланированы во время проектирования машин и разработки стратегии цементации.
• Классификация почвы и гранулометрический состав: Для проектов TBM с мягким грунтом подробный анализ размера частиц проб почвы по всей трассе имеет важное значение для проектирования системы кондиционирования EPB и спецификации контура навозной жижи. Присутствие фракций гравия или булыжника, превышающее определенное процентное содержание, может затруднить работу EPB и может указывать на то, что шламовый щит является более подходящим типом машины.
• Исследования препятствий и загрязнений: При планировке городских территорий перед закупкой оборудования необходимо выполнить комплексный поиск существующих подземных препятствий — выведенных из эксплуатации свай, старых каменных конструкций, заглубленной инфраструктуры, загрязненной почвы, чтобы можно было спроектировать режущую головку с соответствующей способностью разрушать валуны или преодолевать препятствия.

Основные риски проектов TBM и способы управления ими

Прокладка тоннелей ТБМ является одним из наиболее технически сложных и рискованных видов деятельности в строительной отрасли. Сочетание крупных капитальных затрат, условий подземных работ, геологической неопределенности и физической невозможности изменить фундаментальные решения по оборудованию после начала работ создает среду риска, которая требует структурированного управления рисками на самых ранних стадиях разработки проекта.

Лицо нестабильности и урегулирования

При прокладке тоннелей в мягком грунте потеря контроля забойного давления является одним из наиболее серьезных рисков. Если давление в выемочной камере EPB или TBM для жидкого навоза падает ниже совокупного давления грунта и грунтовых вод на забое — даже на мгновение — земля может затечь в машину, образуя провал или отстойник на поверхности выше. В городских условиях, где туннель проходит под жилыми зданиями, железнодорожными путями под напряжением или перекрестками с интенсивным движением дорог, даже незначительное оседание толщиной 20–30 мм может вызвать структурные повреждения и разрушения, стоимость которых во много раз превышает стоимость контракта на строительство туннеля. Таким образом, мониторинг и контроль давления на лице являются непрерывными и критически важными, с автоматическими сигналами тревоги и протоколами вмешательства оператора в случае любого отклонения за установленные пределы. Массив мониторинга осадки поверхности — обычно это оптические обзорные призмы, точные эталоны нивелирования и автоматические измерители наклона на чувствительных конструкциях — обеспечивает независимое подтверждение того, что управление забойным давлением ТБМ обеспечивает требуемые характеристики осадки.

Застрял ТБМ

ТБМ, которая неподвижно застревает в земле из-за сжатия грунта вокруг щита, потери смазки, блокировки фрезы или столкновения с серьезным препятствием, является одним из самых дорогостоящих сценариев в подземном строительстве. Операции по восстановлению могут включать сброс давления в туннеле, строительство спасательной шахты непосредственно над машиной, земляные работы вокруг щита для снижения давления на грунт и, возможно, демонтаж и повторную сборку основных компонентов машины под землей. Такие операции заняли месяцы и стоили десятки миллионов долларов в громких проектах. Предотвращение явно предпочтительнее: непрерывный мониторинг сил трения щита, упреждающее управление смазкой, картирование лицевой поверхности перед машиной с помощью зондового сверления и наличие отработанного плана действий на случай застревания машины, согласованного с клиентом и страховой компанией до начала движения, — все это стандартные меры по управлению рисками в хорошо управляемых проектах TBM.

Неожиданный приток воды

Крупные притоки воды — из-за разломов, карстовых пустот, проницаемых гравийных линз или неожиданно высоких пьезометрических напоров — могут превысить дренажную способность ТБМ и ее резервных систем, затопить туннель и в худшем случае подвергнуть опасности рабочих. Систематическое зондовое бурение перед забоем ТВМ — обычно на расстояние 30–50 метров вперед с использованием ударных или роторных буровых установок, установленных на режущей головке или внутри машины, — обеспечивает раннее предупреждение о водоносных объектах. Заливка цементного раствора перед началом земляных работ изнутри туннеля или с поверхности над трассой может герметизировать проницаемые зоны до того, как они будут пересечены режущей головкой. Для туннелей в особо чувствительных к воде грунтах TBM может быть оснащен возможностью гипербарического вмешательства — способностью создавать давление в рабочей камере для балансировки давления грунтовых вод, что позволяет работникам со сжатым воздухом входить в камеру земляных работ для замены фрезы и осмотра поверхности.

Как развивалась технология TBM и куда она движется

Туннелепроходческая машина постоянно совершенствуется с момента создания первой успешной современной ТБМ, разработанной Джеймсом Роббинсом для проекта туннеля плотины Оахе в Южной Дакоте в начале 1950-х годов. Каждое десятилетие приносило прогресс в конструкции режущей головки, системах привода режущей головки, технологии монтажа сегментов, точности наведения и надежности машин, что постепенно расширяло диапазон грунтовых условий и масштабов проектов, где ТБМ являются предпочтительным методом земляных работ.

Текущие направления разработки технологии TBM включают определение характеристик грунта в режиме реального времени с помощью датчиков, встроенных в режущий барабан, — измерение вибрации, распределения крутящего момента и акустических характеристик для выявления изменений в типе породы или составе почвы до того, как они вызовут эксплуатационные проблемы. Алгоритмы машинного обучения применяются к большим наборам данных, генерируемым современными системами управления TBM, для прогнозирования скорости износа фрезы, оптимизации скорости проходки с учетом забойного давления и планирования технического обслуживания до того, как возникнут сбои, а не в ответ на них. Автоматизация обработки и монтажа сегментов — одного из наиболее трудоемких и физически требовательных элементов цикла прокладки туннелей — быстро развивается, благодаря полностью автоматизированным монтажным устройствам на некоторых современных машинах, способных позиционировать и закреплять сегменты болтами с минимальным участием человека.

На переднем крае разработки TBM исследователи и производители оборудования изучают многорежимные машины, способные одновременно бурить скальные породы и мягкий грунт без изменения конфигурации, а также исследуют новые технологии резки — лазерный разрыв горных пород, водоструйную резку под высоким давлением — которые могут в конечном итоге дополнить или заменить традиционные механические дисковые фрезы для определенных типов горных пород. Основная задача остается той же, что и всегда: максимально увеличить время, затрачиваемое машиной на резку, и свести к минимуму все остальное. В этом стремлении туннелепроходческая машина продолжает развиваться как одна из самых важных частей инженерной техники, когда-либо созданных.