CC BY
241
© Б.И. Федунец, Ф.А. Бойко, 2008
УДК 69.035.4
Б.И. Федунец, Ф.А. Бойко
СТРОИТЕЛЬСТВО ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ СОВРЕМЕННЫМИ ТПМК ПРИ ПРОХОДКЕ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ УЧАСТКОВ МИТИНСКО-СТРОГИНСКОЙ ЛИНИИ МОСКОВСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА
щ Ш о Программе Минтранса России
.Но развития метрополитенов до 2015 года, принятой Правительством Российской Федерации, к концу 2015 года должен быть осуществлён поэтапный ввод в эксплуатацию 259,81 км новых линий метро и скоростного транспорта. Строительство будет осуществляться в 12 городах Российской Федерации: в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Самаре, Екатеринбурге, Омске, Челябинске, Красноярске, Казани, Уфе и в Волгограде (скоростной трамвай).
В результате реализации Программы длина эксплуатационных линий метрополитенов должна увеличиться в 1,6 раза, а объём перевозок - в 1,4 раза.
Для дальнейшего улучшения транспортного обслуживания населения столичные власти планируют реализацию одного из самых дорогих и грандиозных проектов дорожного строительства в истории Москвы - Большого метрокольца, которое может быть завершено к 2035 году.
В соответствии с тенденцией роста объёмов строительства метрополитенов в Российской Федерации, основной объём работ и затрат будут направлены на строительство перегонных тоннелей
(более 65 км в год), которые сооружаются щитовым способом, с помощью тоннелепроходческих механизиров ан-ных комплексов (ТПМК).
Существующая технология строительства перегонных тоннелей с использованием отечественных проходческих щитов не позволяет достигать современных удовлетворительных ско-ростей строительства этих тоннелей. В настоящее время скорость проходки перегонных тоннелей в России отечественными проходческими щитами составляет в среднем 60-80 метров в месяц, что обуславливает необходимость их быстрейшей модернизации с учётом прогрессивных достижений зарубежных фирм в области тоннелестроения. Для проходки в сложных гидрогеологических условиях строительства, требующих ускоренного ввода в эксплуатацию тоннелей, в настоящее время используются зарубежные высокопроизводительные
ТПМК.
Одним из существенных факторов, влияющих на скорость сооружения перегонных тоннелей, является организация технологического процесса транспорта разработанного грунта внутри тоннеля и за пределами рампы.
Схема оборудования ТПМК с бентонитовьш пригрузом забоя: 1 - смешивающая установка; 2 -сепарационная установка; 3 - мелкий песок; 4 - крупный песок; 5 - бентонит; 6- питающий насос; 7 - резервуар; 8 - компрессор; 9 - роторный рабочий орган; 10 - шлюзовая камера; 11 - воздушный шлюз; 12 - шахта; 13 - регулирование воздуха; 14 - резервуар давления; 15 - воздухопровод; 16 -линия подачи; 17 - суспензионный насос; 18 - шламопровод; 19 - герметическая диафрагма
Используемая повсеместно в России электровозная откатка разработанной породы в вагонетках ёмкостью 1,5 м3 занимает по времени около половины операций всего проходческого цикла работ, что наглядно показывает актуальность совершенствования технологии данной операции.
Решение этой задачи позволит за счёт увеличения скоростей проходки тоннелей значительно снизить сметную стоимость строительства, сократит сроки ввода в эксплуатацию сооружений, снизит срок окупаемости сооружений, улучшит транспортное обслуживание населения.
В мировой практике строительства перегонных тоннелей метрополитенов в сложных гидрогеологических условиях успешно применяют ТПМК с использованием бентонитового пригруза неустойчивого забоя. Водо-бен-тонитовая суспензия, которая входит в грунт под давлением, уплотняет забой тоннеля своими твёрдыми частицами, образуя при этом в течение 1-2 секунды тонкую, но
непроницаемую плёнку, обеспечивающую давление для крепления неустойчивого забоя (рис. 1).
Как видно из схемы работы, транспортировка разработанного грунта из забоя осуществляется центробежными насосами по трубам в виде шламовой суспензии (пульпы), а на поверхности, после отделения суспензии от твёрдых включений в сепарационной установке, суспензия закачивается обратно в забой ТПМК. При применении этого технологического процесса полностью исклю-чатся трудоёмкие и длительные по времени операции проходческого цикла работ по погрузке породы, её транспортировке по тоннелю и разгрузке за пределами рампы тоннеля.
В Москве в 2002-2003 гг. ТПМК «Херренкнехт» с применением этого процесса построен в сложных гидрогеологических условиях автодорожный Лефортовский тоннель длиной 2222 м, диаметром 13,75 м. со средней скоростью строительства 220 м/мес.
В ещё больших объёмах этот процесс нашёл применение при прокладке тоннелей в сложных гидрогеологических строительства Митинско-Стро-гинской линии Московского мет-рополитена. На этой линии в 2005-2006 гг. с использованием ТПМК «Херренкнехт», построены два Серебряноборских метроавтодорожных тоннеля диаметром 14,2 м. и сервисный тоннель между нами, равный по размерам перегонному тоннелю (диаметр 6,28 м. вчерне). Учитывая очень сложные гидрогеологические условия строительство, сервисный тоннель был построен со средней скоростью проходки 165 м/мес. Длина каждого тоннеля составила 1500 м. Работы выполняли СМУ-5 ОАО «Мосметрострой», ООО «Организатор» и ООО «Тоннель-2001»
ТПМК «Херренкнехт», Работавший на строительстве сервисного тоннеля с технологическим процессом бентонитового пригруза забоя, в настоящее время ведёт проходку перегонных тоннелей на очередных участках Митинско-Строгинской линии Московского метрополитена.
Полученный опыт применения в Москве и в других городах России ТПМК немецкой фирмы «Херренкнехт» и канадской фирмы «Ловат» с бентонитовым пригрузом забоя при строительстве тоннелей в сложных гидрогеологических условиях строительства тоннелей показал эффективность этого технологического процесса.
Но этот технологический процесс имеет ряд существенных недостатков, которые ограничат его применение в больших масштабах в условиях строительства перегонных тоннелей метрополитенов в городских условиях, по следующим причинам:
• невозможность расположения в условиях плотной городской застройки
оборудования для приготовления бентонитового раствора и его регенерации от разработанной породы;
• необходимость вывоза разработанной породы, пропитанной бентонитом, на специальную свалку за пределы города;
• большая энергоёмкость оборудования;
• необходимость теплоизоляции оборудования в ряде регионов стра-ны в условиях отрицательных температур;
• необходимость проведения длительных по срокам подготовительных работ по монтажу и наладке оборудования;
• высокая стоимость строительства.
Особенно строгие экологические требования и законы в Японии, касающиеся загрязнения воздуха, грунтовых вод и отвалов разработанного грунта ограничивали в этой стране щитовой способ проведения тоннелей с технологическим процессом активного пригруза забоя в виде бентонитовой суспензии, что послужило побудительной причиной поисков альтернативной технологии.
В результате исследований был разработан технологический процесс замены бентонитового пригруза забоя -грунтовый пригруз забоя, в настоящее время всемирно известный как ЕРВS и признан как основной процесс для проходки тоннелей в неустойчивых обводнённых породах. Впервые новый технологический процесс был применён в Токио в 1974 году на проходке ТПМК коллектора внешним диаметром 3,72 м, длиной 1900 м.
Принцип работ ТПМК с грунтопри-грузом заключается в том, что в призабойной камере, благодаря интенсивному силовому перемешиванию, происходит изменение качества разработанного грунта, как обычного (не кондициони-
Рис. 2. Схема оборудования ТПМК с грунтовым пригрузом забоя: 1 - роторный рабочий орган; 2 - призабойная камера; 3 - герметичная диафрагма; 4 - шлюз сжатого воздуха; 5 - щитовой домкрат; 6 - уплотнение хвостовой оболочки щита; 7 - обделка тоннеля; 8 - винтовой конвейер; 9 - привод роторного рабочего органа; 10 - укладчик; 11 - лента конвейера.
рованного), так и изменённого введением в него соответствующих компонентов (кондиционированного) - повышение пластичности и понижение проницаемости его. В результате обеспечивается эффективное крепление забоя,
В настоящее время используются 3 следующие разновидности грунтового пригруза:
• чисто грунтовый пригруз, когда разрабатываемый грунт используется без изменения его состава, с добавлением в забой некоторого количества воды;
• глинисто-грунтовый пригруз, когда в разрабатываемый грунт с целью его кондиционирования нагнетается глинистая паста с объёмным весом 1,31,5 г/см3, образованная из смеси порошков бентонита и глины или бентонита и каолина;
• пеногрунтовый пригруз, когда в разрабатываемый грунт, также с целью его кондиционирования, нагнетается пена, представляющая собой смесь пузырьков сжатого воздуха и жидкого пенообразователя, состоящего, например,
из целлюлозы и поверхностно активного вещества.
Схема оборудования ТПМК с грунтовым пригрузом забоя приведена на рис. 2.
Наиболее эффективно применении ТПМК с чисто грунтовым пригрузом в глинистых и илистых грунтах повышенной влажности. При кондиционировании разрабатываемого грунта достаточно эффективно применение ТПМК с такими разновидностями грунтового пригруза как глинисто-грунтовый, а пеногрунтовый - в песчаных и гравелистых грунтах, а также в плотных и налипающих глинах.
Выведение разработанного грунта из призабойной камеры производиться с помощью шнекового конвейера, скорость вращения винта которого регулируется для возможности управления напряжённым состоянием в образованной грунтовой пробке. Режущая головка рабочего органа создаёт дополнительное силовое воздействие на забой, повышая его устойчивость.
После выведения шнековым конвейером из призабойной камеры, разработанный грунт попадает на обычный конвейер и может дальше транспортироваться по тоннелю конвейерным транспортом или колёсным транспортом.
Впервые в практике российского тоннелестроения технологический про-цесс с использованием грунтового пригруза забоя с его пеногенерацией был применен с ТПМК «Ловат» в 2002-2003 гг. на строительстве перегонного тоннеля длиной 2000 м Бутовской линии метро. Средняя скорость строительства тоннеля составила 180-200 м/мес. или 6-8 м в сутки, при работе в 2 смены без выходных и с обязательным 4-х часовым ежедневным профилактическим ремонтом. Разработанная порода перемещалась по тоннелю рельсовым транспортом в вагонетках ёмкостью 5 м .
Выдающиеся результаты были получены при строительстве перегонных тоннелей ТПМК «Хереннкнехт» с технологическим процессом пригрузки забоя грунтом на линии «Кунцевская»-«Парк Победы» Митинско-Строгинс-кой линии метрополитена. Протяжённость участка перегонного правого тоннеля составляла около 3 км. От ст. «Кунцевская» до ст. «Славянский бульвар» участок мелкого заложения длиной 1600 м, а затем переходный - от мелкого заложения к глубокому -1400 м с уклоном 4,3 % (от ст. «Славянский бульвар» до ст. «Парк Победы»).
Строительство выполняло СМУ-161 ОАО «Трансинжстрой».
Продольный профиль трассы строительства перегонных тоннелей приведен ниже.
По профилю тоннеля наглядно видно, что на переходном участке строительства геологическое строение породного массива было разнообразно. Перегонные тоннели пересекали отложения
четвертичного, юрского и каменноугольного возрастов, представленных водонасыщенными супесями, тугопластичными суглинками, твёрдыми карбонатными глинами и трещиноватыми известняками средней прочности.
При проходке правого перегонного тоннеля от ст. «Кунцевская» до ст. «Парк Победы» и левого перегонного тоннеля от ст. «Кунцевская» до ст. «Славянский бульвар» Митинско-Строгинской линии, впервые в практике отечественного метростроения вместо традиционной схемы колёсного транспорта разработанной породы, был применён ТПМК «Херренкнехт» с конвейерным транспортом. Эта система разделила потоки грузов: блоки обделки,
тампонажный раствор и звенья наращиваемых по мере продвижение ТПМК технологических трубопроводов, рельсового пути и людского ходка перемещаются к забою рельсовым транспортом, а выдача разработанной породы к порталу и на поверхность осуществлялась конвейерным транспортом непрерывного действия.
ТПМК был оснащён механизмами и устройствами, обеспечивающими: устойчивость забоя, разработку и выдачу грунта, монтаж сборных элементов обделки, перемещение комплекса, нагнетание тампонажного раствора за обделку тоннеля, производство кессонных работ в забое щита, производства и подачи в забой пены, охлаждение, откачку грунтовых вод, управление и ведение комплекса, противопожарную безопасность и связь.
ТПМК был также оснащён установкой для опережающего разведочного бурения.
В состав периферийного оборудования входили: формы для изготовления блоков тоннельной обделки, растворный узел, рельсовая и конвейерная транс-
портные системы, вентиляционная установка, аварийный дизельный компрессор, оборудование и приборы для монтажа и обслуживания механизмов и систем.
Рельсовый транспорт состоял из двух дизельных локомотивов фирмы «ЗСНОМА » со сцепным весом 35 т, четырёх вагонеток для доставки блоков обделки, двух вагонеток для раствора и одной вагонетки для перевозки людей, двух вагонеток-платформ, предназначенных для труб и других конструкций.
В состав конвейерного транспорта входили:
• перегружатель - поперечный ленточный конвейер - для переброски породы с прицепного ленточного конвейера ТПМК на тоннельный;
• тоннельный конвейер производительностью 300 т/ч, с шириной ленты - 650 мм, с вертикальной натяжной станцией, накопителем ленты на 400 м, устройством для очистки ленты и выдачи породы от ТПМК до перегрузочного узла в монтажной камере;
• наклонный конвейер для выдачи породы из монтажной камеры на специальную погрузочную площадку на поверхности, который имел механизм поворота для увеличения объёма временного отвала.
Ниже приведено фото поверхностного комплекса для сооружения перегонных тоннелей над монтажной камерой у ст. «Кунцевская» с накопительной башней и наклонным конвейером для выдачи породы из монтажной камеры на специальную погрузочную площадку на поверхности, с механизмом поворота для увеличения объёма времен-
^ Рис. 3
ного отвала.
Высокоточная железобетонная обделка тоннелей с надёжной гидроизоляцией торцов каждого блока собирались на болтах. Кольцо обделки шириной 1400 мм и толщиной 300 мм (наружный диаметр 6000 мм и внутренний- 5400 мм) состояло из 6 блоков и одного ключевого, который заводился с торца, после передвижки ТПМК, и так же крепился на болтах.
Прямая и обратная ленты конвейера в тоннеле располагаются на роликах, установленных на специальных металлических кронштейнах, прикрепляемых к обделке тоннеля в местах болтовых связей обделки.
Поперечное сечение перегонных тоннелей в период строительства с креплением ленточного конвейера приведено на рис. 3.
По мере продвижения ТПМК транспортёрная лента постоянно удлинялась и при этом обеспечивалось её постоянноё натяжение. Периодическое удлинение несущих конструкций конвейера на длину секции-2800 мм осуществлялось на технологической тележке ТПМК.
Удлинение лены конвейера производилось со специального накопителя ленты ёмкостью на 400 п.м. ленты, оборудованного системой натяжения ленты. Башня накопителя высотой 25 м была смонтирована в монтажной камере за разгрузочным устройством тоннельного конвейера.
На рис. 4 приведен чертеж накопительной башни с наклонным конвейером для выдачи породы из монтажной камеры на специальную погрузочную площадку на поверхности, с механизмом поворота для увеличения объёма временного отвала.
Как видно на чертеже, вертикальный накопитель состоит из двух блоков горизонтальных барабанов: верхнего неподвижного и нижнего подвижного, которому подвешена натяжная каретка с ящиком противовеса с находящимся в нём балластным грузом, верхней подъёмной и нижней натяжной лебёдок, устройств контроля и управления. Вес балласта периодически увеличивается по мере удлинения конвейера.
Предварительное натяжение ленты контролируется динамометрическим устройством, расположенным в ветви каната нижней натяжной лебёдки накопительной башни. Это устройство служит для контроля ослабления каната, его перегрузки, а также для контроля веса балластного груза. Данные с динамометрического устройства обрабатываются в системе управления.
Нижняя натяжная лебёдка компенсирует разность путей поступательного движения противовеса, висящего на натяжной каретке, и удлинения ленты так, что ящик противовеса с балластным грузом всегда висит над землёй на определённой высоте, контролируемой дат-
чиком перемещения каната и зависимый от длины работающего конвейера. Величина балластного груза увеличивается по мере продвижения ТПМК. В соответствии с режимом работы и загрузкой конвейера автоматически меняется усилие на канатах натяжных лебёдок и этим сохраняется необходимое натяжение ленты.
Кинематическая схема работы тоннельного конвейера приведена на рис. 5.
В накопителе смонтированы датчики контроля схода ленты с барабанов и концевые выключатели верхнего положения подвижных барабанов натяжной каретки, которые выдают предупреждающее сообщение при запасе ленты в накопителе равном 30 м и отключают все конвейеры при его отсутствии.
После использования запаса транспортёрной ленты в накопителе производится его заполнение очередным четырехсотметровым отрезком, концы которого стыкуются с наращиваемой лентой вулканизацией на специальном монтажном столе. На приведенном фото показан момент загрузки накопителя очередным 400 м отрезком конвейерной лентой перед вулканизацией.
Все конвейеры - шнековый, щитовой прицепной, щитовой поперечный, тоннельный и отвальный - сблокированы между собой. Контроль и управление конвейерами осуществлялся с пульта машиниста.
Для безопасной эксплуатации тоннельного и щитовых конвейеров вдоль технологических тележек ТПМК имеется трос аварийного выключателя. А через 250 м вдоль тоннельного транспортёра установлены аварийные выключатели.
Рис. 4. Накопительная башня с наклонным конвейером: 1 - перегрузочный пункт; 2 - накопительная башня; 3 - Ведущий барабан конвейера; 4 - лоток отвального конвейера
Для грунтопригруза состав кондиционеров для разрабатываемых грунтов
определялся лабораторией по ходу строительства тоннелей. При проходке в зоне суглинков четвертичного периода происходило прессование разработанного грунта в шнековом конвейере в крупные глыбы, что, в конечном счёте, приводило к аварийной остановке конвейера. Полученный опыт показал необходимость более тщательного изучения горно-
геологических условий по трассе тоннеля для своевременного определения составов кондиционирования.
Максимальная месячная проходка на правом перегонном тоннеле составила 635 м и максимальная суточная скорость составила 30,8 м.
Левый перегонный тоннель 1114 м был пройден за 2,5 месяца. Максимальная месячная скорость, которая установлена на этом тоннеле составила 704 м, что является рекордом отечественного тоннелестрое-ния для проходки перегонных тоннелей в сложных гидрогеологических условиях.
Первый опыт применения ТПМК в сочетании с непрерывной отгрузкой разработанной породы конвейерным транспортом при строительстве перегонных тоннелей наглядно показал преимущество конвейерного транспорта перед традиционным рельсовым транспортом с отгрузкой породы в вагонетках, что можно показать расчётом.
ТПМК «Херренкнехт» при диаметре щита вчерне 6,28 м разрабатывает на 1 пог. м перегонного тоннеля 30,10 м3 породы в целике или в разрыхленном состоянии 30,10 х 1,2 = =36,12 м3.
Применяя для рельсового транспорта разработанной породы типовую ваго-
нетку с глухим неопрокидным кузовом УВГ-2,5, с вместимостью кузова 2,5 м3, считаем, что наполняемость породой вагонетки составит 90 % или 2,25 м3.
Для загрузки вагонеток породой с 1 пог м тоннеля необходимо поставлять 36,12: 2,25 = 16 вагонеток, или 2 состава по 8 вагонеток.
При строительстве правого перегонного тоннеля длиной 3000 м потребовалось бы 48000 вагонеток или 6000 составов, а для левого длиной 1600 м -25600 вагонеток или 32 00 составов.
В итоге, применение конвейерного транспорта на строительстве этой линии метрополитена позволило исключить применение под погрузку и разгрузку 73600 вагонеток, формирование и транспортировку 9200 составов с вагонетками.
Работы, выполненные Метростроем на строительстве Митинско-Стро-гинской линии метро в сложных гидрогеологических условиях, с использованием новых технологических процессов укрепления забоев, получили заслуженное признание специалистов во всём мире. Как результат, следует считать заключённый контракт с турецкой стороной на строительство 3000 м тоннеля под Босфорским проливом, где на протяжении 1500 м тоннель будет проходить под водой. На строительстве этого тоннеля будет использован ТПМК с технологическим процессом грунтопри-груза забоя и оборудование для конвейерного транспорта разработанной породы, применявшееся на строительстве перегонных тоннелей Митинско-Стро-гинской линии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Картозия Б.А., Федунец Б.И., Щуплик М.Н. и др. Шахтное и подземное строительство. - М.: МГГУ, 2003. Том 1, 2.
2. Строительство подземных сооружений. Справочное пособие (Под редакцией М.Н. Щу-плика). - М.: Недра, 1990.
3. Справочник инженера тоннельщика. - М.: Транспорт, 1993.
4. Елгаев С.Г. ОАО «Трансинжстрой». Российский и мировой опыт подземного строительства. Спецвыпуск журнала «Федеральная инфраструктура и экономика». № 4/1 (09) 2007.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Федунец Б.И. - доктор технических наук, профессор. Московский государственный горный университет.
Бойко Ф.А. - аспирант. Московский государственный горный университет.
-------------------------------------------- ИНФОРМАЦИЯ
В Горном информационно-аналитическом бюллетене № 1, 2008 г. в статье авторов В.Н. Анисимова, О.Л. Дудченко «К теоретической оценке возможности создания мощных импульсов тока при коммутации идеального магнитного диполя с ферромагнитным сердечником» авторами допущены следующие ошибки
Страница Колонка/строка Напечатано Следует читать
50 2/10 снизу 10 =105 = 2 • 106 А 0 0.5 1 06 |0— 055 — 2 •107 —
50 2/7, 8 строки снизу х — 05 •10 3 — 0.5 • 10 -1 х— 1 — 05 •10—3 — 0.5 • 10 —з Р 1
51 1/8 снизу * 2 • 105 А * 2 • 107 А
51 1/2-4 снизу н = 1 = 2 • п • R 2 • 1 06 6 .28 • 20 _ = 1 06 — м н — 1 — 2 • п • Р _ 2 •107 ^ 6 .28 • 20 _ = 1 06 — м
51 2/1 сверху В — ц • ^0 • Н = 0.5 — 0.7 Гн В — ц ц0 • Н = 0.5 — 0.7 Тл.
52 2/9-10 сверху - 10-5 Гн, t=10-4 - 10-5 Гн, 1=10'4 с
