Туннелепроходческая машина: как эти гигантские машины на самом деле роют подземные туннели

Что такое туннелепроходческая машина и почему мы ее используем?

Туннелепроходческая машина — обычно сокращенно TBM, а иногда и туннелепроходческая машина или подземная буровая машина — представляет собой массивное инженерное оборудование, предназначенное для прокладки туннелей в почве, скалах или смешанных грунтах с круглым поперечным сечением. В отличие от старого буровзрывного метода, при котором порода разрушается с помощью взрывчатки, а затем вручную расчищается от мусора, ТБМ разрезает, выкапывает и часто одновременно выравнивает туннель за одну непрерывную операцию. В результате получается более гладкий и структурно целостный туннель, построенный с гораздо меньшим нарушением окружающей наземной и наземной инфраструктуры.

Привлекательность туннелирования TBM выходит далеко за рамки скорости. В городских условиях, где туннель может проходить под плотно застроенными кварталами, линиями метро или важными инженерными коммуникациями, контролируемая проходка тоннелепроходческой машиной с низкой вибрацией часто является единственным жизнеспособным вариантом. Обычные взрывные работы могут привести к неприемлемому оседанию поверхности и повреждению конструкций близлежащих зданий. ТБМ также могут работать на гораздо большей глубине, чем методы строительства открытым способом, что позволяет инженерам прокладывать туннели по прямым, оптимальным маршрутам, не разрушая городской пейзаж наверху. Эти преимущества сделали туннелепроходческий комбайн доминирующей технологией для железнодорожных систем метрополитена, автодорожных туннелей, тоннелей водоснабжения и канализации, а также, во все большей степени, кабельных и инженерных коридоров в городах по всему миру.

Современные ТБМ сами по себе представляют собой выдающиеся достижения инженерной мысли. Крупнейшие в мире туннелепроходческие машины имеют режущие головки диаметром более 17 метров (шириной, чем высота четырехэтажного здания) и весят более 7000 метрических тонн. Даже ТБМ среднего размера, используемая для стандартного туннеля метро (обычно диаметром 6–9 метров), собирается из сотен прецизионных компонентов, доставленных на рабочую площадку и собранных под землей в пусковой шахте. Машины объединяют земляные работы, удаление грунта, укрепление грунта и установку бетонной облицовки в единую движущуюся производственную линию, которая продвигается на 10–30 метров в день в зависимости от состояния грунта и типа машины.

Как на самом деле работает туннелепроходческий станок: основная механика

Понимание того, как функционирует TBM, требует рассмотрения его основных рабочих систем, каждая из которых играет решающую и взаимозависимую роль в процессе туннелирования. Хотя разные типы ТБМ по-разному справляются с опорой на землю и удалением грунта (описано в следующем разделе), основные механизмы резки и продвижения являются общими для большинства семейств машин.

Режущая головка

Режущая головка – это деловая часть любого туннелепроходческая машина — массивный вращающийся диск или конструкция со спицами, усеянная режущими инструментами, которые непосредственно контактируют с выкапываемой землей. При прокладке туннелей в горных породах режущая головка оснащена дисковыми фрезами: колесами из закаленной стали, обычно диаметром 432–483 мм (17–19 дюймов), которые катятся по забою скалы под огромной силой тяги. Дисковые фрезы не царапают породу; вместо этого они разрушают его сжимающей нагрузкой, создавая сеть микротрещин между соседними гусеницами фрезы, из-за которых осколки породы вырываются на свободу. Этот процесс образования стружки, получивший название «механизм сколов и трещин», гораздо более энергоэффективен, чем прямое истирание, и именно он делает возможным прокладку туннелей TBM в твердых породах. На мягком грунте и в смешанных условиях режущая головка вместо этого оснащена фрезами, скребками и зубьями, режущими почву, которые срезают и вытесняют материал, а не дробят его.

Режущая головка вращается с помощью кольца электродвигателей (обычно от 4 до 20 двигателей в зависимости от размера машины), расположенных по ее окружности и соединенных через редукторы. Скорость вращения обычно низкая: 1–6 об/мин для больших машин, поскольку внешний обод большой режущей головки уже движется с высокой линейной скоростью даже при очень низких оборотах. Общая установленная мощность привода режущего аппарата на большом ТБМ для твердых пород может превышать 5000 кВт — примерно столько же, сколько у шести двигателей Формулы 1, работающих одновременно, но применяется скорее как медленный крутящий момент, а не скорость.

Системы упора и захвата

Вращение режущей головки само по себе не приводит к выкапыванию туннеля — машина также должна с огромной силой вдавливать режущую головку в скалу, чтобы дисковые фрезы работали эффективно. Это достигается за счет системы гидравлических цилиндров, расположенных вокруг основного корпуса машины. Суммарные силы тяги на большой каменной ТБМ обычно составляют от 20 000 до 60 000 кН, что эквивалентно весу от 2 000 до 6 000 метрических тонн, прижимающемуся к забою туннеля. Чтобы оттолкнуться, машине нужно что-то, от чего можно оттолкнуться. В ТБМ для твердых пород это обеспечивается захватными площадками: большими гидравлическими цилиндрами, которые выступают вбок от корпуса машины и прижимаются к стенам туннеля с достаточной силой, чтобы надежно зафиксировать машину на месте, в то время как упорные цилиндры продвигают режущую головку. Как только машина продвинется на одну длину хода (обычно 1,5–2 метра), захваты освобождаются, задняя часть машины вытягивается вперед, захваты снова входят в зацепление в новом положении, и начинается следующий ход толчка. Эта последовательность повторяется непрерывно на протяжении всей операции туннелирования.

Удаление мусора (обработка навоза)

Материал, вырезанный из забоя туннеля, называемый «навозом» в туннельной терминологии, должен непрерывно удаляться из режущей головки и транспортироваться на поверхность. В большинстве ТБМ навоз попадает в отверстия режущей головки и подхватывается ленточным конвейером, проходящим через центр машины. Этот главный конвейер передает навоз на ряд прицепных конвейеров или на рельсовые вагонетки, которые транспортируют его обратно через туннель к пусковой шахте, где он поднимается на поверхность и увозится. В среднем, ТБМ среднего размера, работающая в смешанном грунте, производит 300–600 кубических метров навоза в день — серьезная логистическая проблема, требующая хорошо спланированной операции по удалению грунта с поверхности, проводимой параллельно с прокладкой туннелей.

Монтаж облицовки туннеля

Большинство современных ТБМ устанавливают постоянную облицовку туннеля сразу за режущей головкой по мере продвижения машины. В стандартном подходе используются сегменты сборного железобетона — обычно от шести до восьми изогнутых сегментов на кольцо плюс меньший «ключевой» сегмент — которые поднимаются на место с помощью автоматизированного рычага для сборки сегментов и скрепляются болтами или прокладками, образуя полное кольцо. Каждое кольцо устанавливается в пространство, созданное последним ходом машины, и по мере продвижения машины к следующему ходу готовое кольцо становится структурной оболочкой постоянного туннеля. Эта интегрированная установка обделки является одним из самых больших преимуществ эффективности TBM: туннель практически полностью готов позади машины по мере ее продвижения, что требует минимальной последующей работы.

Основные типы туннелепроходческих машин и когда каждый из них используется

Выбор типа ТБМ является одним из наиболее важных инженерных решений в любом проекте строительства туннелей. Неправильный тип машины для конкретных условий грунта может привести к замедлению хода, повреждению машины, осадке грунта или, в тяжелых случаях, к обрушению туннеля. Основные семейства TBM отличаются прежде всего тем, как они обрабатывают грунт перед режущей головкой и контролируют давление грунтовых вод:

TBM с открытым лицом (с захватом) — лучший вариант для хард-рока

ТБМ с открытым забоем или с захватом представляет собой оригинальную конструкцию ТБМ и остается предпочтительной машиной для стабильных условий твердых пород, где забой туннеля является самонесущим и давление грунтовых вод является управляемым. Как следует из названия, забой туннеля открыт — между режущей головкой и выкопанным грунтом нет системы поддержки под давлением. Эта простота делает ТБМ с захватами более быстрыми и экономичными в соответствующих условиях: без управления системами герметизации доступ к режущей головке для обслуживания облегчается, скорость подачи выше, а машины проще механически. Они являются стандартным выбором для туннелей водоснабжения, железнодорожных туннелей и гидроэнергетических проектов в гористой местности — там, где машина проводит большую часть своего движения по твердым породам. Ограничение столь же очевидно: в мягких грунтах, насыщенных почвах или смешанных условиях ТБМ с открытым фасадом не может безопасно поддерживать забой туннеля, что делает его непригодным для городских проектов, где осадка грунта может повредить наземные конструкции.

Баланс давления грунта (EPB) TBM — лучший вариант для мягкого грунта и городских условий

TBM с балансировкой давления на землю является наиболее широко используемым типом машин для прокладки городских тоннелей метро и инфраструктуры во всем мире. Он решает проблему поддержки мягкого грунта путем заполнения камеры режущей головки — пространства между режущей головкой и перегородкой за ней — вынутым грунтом, доведенным до нужной консистенции с помощью пены, полимеров или воды. В этом кондиционированном грунте поддерживается давление, которое уравновешивает давление земли и грунтовых вод в забое туннеля, предотвращая обрушение забоя и сводя к минимуму движение грунта. Находящийся под давлением раствор извлекается из камеры с помощью шнекового конвейера, который контролирует скорость удаления материала для поддержания заданного забойного давления. ТБМ EPB особенно эффективны на богатых глиной почвах, песчаных почвах и смешанных грунтах с умеренным давлением грунтовых вод. Они являются доминирующим типом машин для строительства метро в таких городах, как Лондон, Нью-Йорк, Токио, Пекин, а также практически во всех крупных городских туннельных проектах за последние 30 лет.

Навозный щит (Mixshield) TBM — лучший вариант для водонасыщенного и грубого грунта

В устройстве ТБМ для защиты от шлама используется находящаяся под давлением бентонитовая суспензия — жидкая смесь воды и глины — для поддержки забоя туннеля, а не кондиционированная грязь. Шлам заполняет камеру фрезерной головки под давлением и образует на забое туннеля фильтрационный осадок, который передает опорное давление на грунт. Вынутый материал смешивается со шламом и выкачивается из туннеля в виде жидкой суспензии по пульпопроводу, транспортируется на установку поверхностного разделения, где твердые частицы удаляются, а очищенный шлам возвращается в машину для повторного использования. Этот подход с навозной схемой более сложен и дорог, чем EPB, но превосходен в условиях, где EPB с трудом справляется: высокопроницаемый гравий и песок с высоким давлением грунтовых вод, смешанный грунт с валунами и подводные туннельные переходы. В проекте Crossrail в Лондоне, туннеле Эресунн между Данией и Швецией и туннеле моста Гонконг-Чжухай-Макао использовались машины для защиты от шлама на самых сложных подводных участках или участках с высоким давлением воды.

Многорежимные ТБМ — гибкость для различных условий грунта

Растущей категорией туннелепроходческих машин являются трансформируемые или многорежимные ТБМ, предназначенные для переключения между режимами работы — обычно между EPB и открытым забоем или между EPB и шламовой защитой — по мере изменения грунтовых условий вдоль трассы туннеля. Эти машины более сложны и дороже, чем одномодовые машины, но могут быть необходимы для проектов, в которых туннель должен проходить через совершенно другую геологию по своей длине. Распространенным сценарием является туннель, который начинается в мягких городских почвах, проходит через водоносный слой песка и затем входит в надежную скальную породу — последовательность, которая бросила бы вызов любой одномодовой машине. Многорежимность позволяет одной машине выполнить всю работу без непрактичной возможности извлечения и замены машины в середине туннеля.

Краткий обзор типов ТБМ: параллельное сравнение

Ключевые факторы, определяющие, насколько быстро может развиваться ТБМ

Скорость продвижения, измеряемая в метрах в день или за смену, является основным производственным показателем для любого проекта строительства туннелей TBM и оказывает огромное влияние на стоимость и график проекта. Однако скорость продвижения — это не просто функция мощности или размера машины. Это результат взаимодействия множества переменных, многие из которых находятся вне контроля команды проекта:

• Прочность и абразивность породы: При проходке туннелей в твердых породах прочность горных пород на сжатие и абразивность содержащихся в них минералов (особенно содержания кварца) являются основными факторами, определяющими скорость проходки и срок службы дисковой фрезы. Чрезвычайно твердый и абразивный гранит может сократить срок службы фрезы до менее чем 20 метров подачи на фрезу, что требует частого обслуживания режущей головки, что значительно снижает чистую скорость подачи. Более мягкие породы, такие как известняк или мел, обеспечивают гораздо более высокую скорость проникновения и более длительный срок службы резца.
• Поведение на земле и устойчивость лица: Нестабильные грунтовые условия — сыпучий песок, сдавливание глины или зоны разломов в горных породах — могут потребовать вмешательства, обработки грунта или снижения скорости продвижения для безопасного управления. В крайних случаях TBM может оказаться в ловушке или «застрять» в выдавливании грунта - сценарий, на разрешение которого могут уйти недели или месяцы, и который представляет собой один из самых дорогостоящих рисков при прокладке туннелей TBM.
• Производительность по перевалке навоза: Система удаления навоза с поверхности должна соответствовать производительности машины по выемке грунта. Узкое место в транспортировке навоза – будь то из-за ограничений пропускной способности конвейера, нехватки железнодорожных вагонов или логистики поверхностной утилизации – напрямую снижает достижимую скорость продвижения машины независимо от того, насколько хорошо она режет.
• Срок поставки и монтажа сегмента: Каждое кольцо футеровки туннеля должно быть доставлено на машину и установлено до начала следующего хода тяги. Задержки в доставке сегментов, циклы работы крана в пусковой шахте или проблемы с качеством самих сегментов — все это снижает чистую скорость продвижения. Высокоэффективные проекты TBM вкладывают значительные средства в оптимизацию логистической цепочки сегмента.
• Техническое обслуживание и время простоя: ТБМ работают круглосуточно в несколько смен, но требуют планового технического обслуживания — проверок режущих головок, замены резаков, смазки, проверок систем — которые необходимо учитывать в производственном графике. Незапланированные простои из-за механических неисправностей являются основной переменной, которая отличает хорошо работающие приводы TBM от неисправных.

Основные области применения туннелепроходческих машин по всему миру

Туннелепроходческие машины работают на всех континентах (за исключением Антарктиды) и выполняют самые разнообразные задачи. Масштаб и разнообразие проектов ТБМ в последние десятилетия отражают как растущий спрос на подземную инфраструктуру, так и растущую зрелость технологии ТБМ для соответствия сложным условиям.

Городское метро и туннели скоростного транспорта

Самой крупной категорией использования ТБМ в мире является прокладка туннелей городского метрополитена. Каждое крупное расширение метрополитена в мире — от лондонской линии Элизабет (Crossrail) до постоянно расширяющейся сети метро в Пекине, от туннеля метро в Сиднее до новой системы метро в Эр-Рияде — опирается в первую очередь на туннелепроходческие машины EPB для строительства сдвоенных туннелей, по которым поезда курсируют между станциями. Только в проекте «Линия Элизабет» использовалось восемь ТБМ, пробуривших более 42 километров нового туннеля под одним из самых плотно застроенных городов мира, при этом толщина населенных пунктов во многих районах составляла менее 5 миллиметров. Такой уровень контроля просто недостижим ни при каком другом методе раскопок.

Шоссе и автодорожные туннели

При прокладке автомобильных туннелей все чаще используются ТБМ большого диаметра, способные прокладывать туннели, достаточно большие, чтобы пропускать от двух до четырех полос движения в одной скважине. В запасном туннеле виадука SR 99 Alaskan Way в Сиэтле, завершенном в 2019 году, использовалась Bertha — на тот момент самая большая в мире ТБМ диаметром 17,5 метров — для прокладки двухуровневого автодорожного туннеля под центром города. Дорожные ТБМ должны выкапывать гораздо большие поперечные сечения, чем туннели метро, ​​что требует значительно более высоких сил тяги, более крупных режущих головок и более мощных систем привода. Сегменты сборного железобетона для больших автодорожных туннелей могут весить 10–15 тонн каждый и требуют специального подъемно-монтажного оборудования внутри машины.

Водопроводные, канализационные и инженерные туннели

Туннели водной инфраструктуры являются одной из старейших и наиболее распространенных областей применения ТБМ. Глубокие туннели водоснабжения, пробуренные на глубине 50–200 метров в прочной коренной породе, позволяют городам переносить воду на большие расстояния, не нарушая работу надземных траншей. Лондонский туннель Tideway, 25-километровый комбинированный канализационный туннель, который в настоящее время находится под рекой Темзой, использует три ТБМ для бурения мела и глины на глубине до 65 метров. В рамках проекта «Глубокий туннель» в Чикаго, одной из крупнейших когда-либо построенных туннельных систем, с помощью ТБМ было проложено более 175 километров туннелей для комбинированного хранения канализационных стоков и борьбы с наводнениями. При меньших диаметрах микротоннельные машины — по сути, миниатюрные ТБМ, работающие удаленно, без рабочих внутри — прокладывают инженерные трубы и трубопроводы в городских районах без прокладки открытых траншей.

Железнодорожные и высокоскоростные железнодорожные туннели

Железнодорожные туннели дальнего следования через горные хребты представляют собой одни из самых сложных и знаменитых проектов ТБМ в истории. Готардский базовый туннель в Швейцарии — самый длинный в мире железнодорожный туннель длиной 57 километров — был завершен в 2016 году после 17 лет строительства с использованием нескольких ТБМ, которым пришлось пробивать всю геологическую сложность Швейцарских Альп, включая твердый гранит, сланцы и многочисленные зоны разломов. В туннеле под Ла-Маншем, соединяющем Англию и Францию, было использовано 11 ТБМ для прокладки трех туннелей (два действующих и служебный) под Ла-Маншем. Текущие проекты, такие как японская линия магнитной подвески Тюо Синкансэн, включают туннели протяженностью более 25 километров через сложную горную геологию, выдвигая технологию TBM на новые рубежи.

Реальная стоимость проектов туннелепроходческих машин: что влияет на цифры

Прокладка туннелей TBM обходится дорого (часто чрезвычайно дорого), и понимание того, что влияет на стоимость, помогает владельцам проектов и инженерам принимать обоснованные решения о том, когда прокладка туннелей TBM является правильным выбором, а не альтернативами, такими как открытое строительство или буровзрывное строительство.

Типичные затраты на туннели TBM в развитых странах варьируются от 50 до 300 миллионов долларов США за километр для туннелей метрополитена, при этом значительные различия зависят от диаметра, геологии, сложности города, а также затрат на рабочую силу и материалы в конкретной стране. Эти цифры высоки, но их необходимо сравнивать с полной стоимостью альтернатив, включая стоимость разрушения поверхности, воздействие на недвижимость и надбавку к созданию глубокой инфраструктуры, которая не занимает ограниченное пространство современного города.

Геотехнические исследования: почему знание грунта – это все при прокладке туннелей TBM

Ни один фактор не оказывает большего влияния на успех или неудачу проекта TBM, чем качество геотехнических исследований, проводимых еще до выбора машины. Земля является средой для TBM, и неожиданности в земле - неожиданные разломы, внезапные изменения давления воды, валуны в мягкой почве или обрушивающиеся смешанные условия - являются основной причиной задержек большинства крупных проектов TBM, перерасхода средств и инцидентов, связанных с безопасностью.

Комплексное геотехническое исследование туннеля ТБМ обычно включает в себя бурение скважин через регулярные промежутки времени вдоль трассы (часто каждые 50–100 метров для городских проектов), лабораторные испытания образцов горных пород и грунта на прочность, абразивность, проницаемость и другие свойства, мониторинг давления грунтовых вод и геофизические исследования для выявления заглубленных препятствий, полостей или аномалий между скважинами. Несмотря на стоимость (программа тщательных геотехнических исследований может составлять 1–3% от общей стоимости проекта), опытные инженеры-проходчики туннелей повсеместно считают ее лучшим вложением денег в проект ТБМ. Каждый доллар, вложенный в наземные изыскания перед началом строительства, обычно стоит десять или более долларов, сэкономленных на предотвращении претензий и задержек во время строительства.

Базовый геотехнический отчет (GBR) — документ, устанавливающий контрактные исходные условия поведения грунта, на которых основан выбор подрядчика и ценообразование на ТБМ, — является одним из наиболее важных контрактных документов в любом проекте ТБМ. Условия, превышающие базовый уровень, запускают договорные механизмы разделения рисков между владельцем и подрядчиком. Правильное определение исходных данных на основе тщательного расследования имеет основополагающее значение для справедливого и успешного проекта.

Инновации, формирующие будущее туннелепроходческих машин

Технология TBM значительно продвинулась со времени появления первых успешных машин в 1950-х и 1960-х годах, и темпы инноваций скорее ускоряются, чем замедляются. Несколько развивающихся областей, вероятно, определят следующее поколение туннелепроходческих машин:

• Мониторинг режущей головки в режиме реального времени и профилактическое обслуживание: Современные ТБМ уже оснащены сотнями датчиков, контролирующих вибрацию, крутящий момент, тягу, температуру и давление на грунт в режиме реального времени. Следующим шагом является интеграция искусственного интеллекта и машинного обучения для прогнозирования износа и отказа фрезы до того, как они произойдут, что позволяет планировать мероприятия по техническому обслуживанию, а не реагировать на них. Это может значительно улучшить эксплуатационную готовность оборудования и скорость продвижения за счет сокращения времени незапланированных простоев.
• Автономные и дистанционно управляемые ТБМ: Хотя полная автоматизация туннелирования TBM остается долгосрочной целью, значительные шаги в направлении большей автоматизации уже предпринимаются. Автоматические устройства для сборки сегментов, системы наведения на основе GPS и полуавтономное управление тягой теперь входят в стандартную комплектацию современных машин. Несколько производителей разрабатывают машины, способные работать в течение длительного времени с минимальным вмешательством оператора, что сокращает количество рабочей силы, необходимой внутри туннеля, и повышает безопасность.
• Альтернативные технологии резки: Обычные дисковые фрезы ограничены в своей способности эффективно проникать в самые твердые породы. Продолжаются исследования в области предварительной обработки породы перед режущей головкой лазером, микроволновой, плазменной и водоструйной обработкой высокого давления с целью снижения энергии, необходимой для земляных работ, и расширения диапазона грунтовых условий, в которых ТБМ могут работать экономично.
• Некруглые поперечные сечения ТБМ: Стандартные ТБМ создают круглые туннели, но многие инфраструктурные применения — особенно автодорожные туннели и комбинированные галереи инженерных коммуникаций — выиграют от прямоугольных или подковообразных поперечных сечений, которые более эффективно используют доступное пространство. Несколько экспериментальных некруглых ТБМ были разработаны и испытаны в Японии и Китае, и хотя эта технология еще не получила широкого распространения, она представляет собой важный рубеж для отрасли.
• Непрерывное туннелирование без прерывания «кольцо за кольцом»: Текущий цикл остановки-старта продвижения ТБМ (ход хода, затем остановка для установки сегментного кольца, затем возобновление) ограничивает чистую скорость продвижения машины обычно до 50–70% от ее теоретического максимума. Исследования систем непрерывной проходки туннелей, в которых сегменты устанавливаются одновременно с продвижением машины, а не поочередно, могут значительно повысить производительность, хотя инженерные проблемы являются значительными.