Идем под землю. История и современность проходческого щита⁠⁠

19 января 2017 года на строящейся станции метро "Новокрестовская" было многолюдно. Присутствовал губернатор Санкт-Петербурга Георгий Полтавченко, все руководство ОАО «Метрострой», журналисты и фотографы. В вестибюле был сильный шум, земля под ногами дрожала. Одна из стен станции шла трещинами, земля осыпалась, за падавшими пластами грунта был виден медленно вращающийся гигантский стальной диск, усыпанный блестящими зубьями и кольцами. Момент был торжественный — впервые в истории России был построен двухпутный тоннель метро. Главным героем этого торжественного момента был 10,3-метровый проходческий щит с тривиальным названием S-782, в Метрострое получивший название «Надежда». Об этом интересном образце инженерной мысли и будет пост.

История механизма под названием «проходческий щит» не такая уж и короткая. Впервые проходческий щит использовал его изобретатель, Марк Брюнель, английский инженер французского происхождения, проложивший тоннель под Темзой. Это было в в 1825 году. Без щита большой тоннель под рекой не построить, грунт водонасыщенный и мягкий, и привычное в то время рытье тоннелей вручную с использованием деревянной крепи не подходило — укрепление свода тоннеля подпорками малонадежно, порода мокрая и расползается, грозя обвалами. Проходческий щит же работает совсем по другому принципу, подсмотренного Брюнелем у природы — корабельного червя, прогрызающего ходы в самой твердой древесине. Червь, голова которого покрыта жесткой раковиной с зазубреными краями, вбуривается в дерево как долото, оставляя за собой канал, покрытый защитным слоем гладкой извести. Брюнель сконструировал чугунную камеру, внутри которой находятся рабочие, камера передвигается под землей с помощью ручных домкратов, углубляясь в породу. Пока одни рабочие убирают землю из щита, другие укрепляют свод образовавшегося тоннеля кирпичной кладкой, не боясь обвала, так как камера жесткая.

Первый тоннель под Темзой

Естественно, конструкция проходческих щитов со временем развивалась. У рабочих, дробящих породу, вместо кирок появились отбойные молотки, колесные тачки заменялись ленточными транспортерами. При преодолении совсем слабых водонасыщенных грунтов стал использоваться щит с кессоном — герметичным отсеком. Тоннель позади щита перегораживался переборкой, и в образовавшееся пространство закачивался воздух, создавая область повышенного давления (2-5 атмосфер), повышенное давление отжимало свободную воду вглубь породы, предотвращая ее поступление в забой.

Эволюция проходческих щитов продолжалась. Появились механизированные проходческие щиты, где исключены практически все ручные операции, щиты с кессоном стали безопасными для людей (раньше люди, работавшие в кессоне, страдали от кессонной болезни), широко внедрялась автоматика и компьютеры. И сейчас количество конструкций и типоразмеров проходческих щитов очень велико, от маленьких, диаметром в метр, до гигантских, предназначенных для строительства автомобильных и железнодорожных тоннелей. На сегодня рекорд по размеру проходческого щита принадлежит фирме HERRENKNECHT AG (Germany), изготовившей щит диаметром 15,62 метра для тоннеля между Болоньей и Флоренцией.

Именно с этой фирмой стал работать Петербургский «Метрострой», когда было принято решение о строительстве двухпутного тоннеля, до этого все тоннели метро Петербурга были однопутными и шли параллельно.

В чем преимущество двухпутного пути? В этом случае отпадет необходимость в дорогостоящем и трудозатратном строительстве камер съездов, эвакуационных сбоек, переходов из тоннеля в тоннель и других сопутствующих выработок, при этом сокращаются сроки строительства. Сами станционные комплексы будут представлять собой одиночный тоннель с боковым размещением платформ по такому же принципу, как и в существующих сегодня наземных станциях. И, что немаловажно, за счет размещения путей в одном тоннеле существенно сокращается количество дорогостоящего кабеля. А за сокращением количества вспомогательных сооружений стоит рост надежности метро и увеличение срока службы.

16 апреля 2012 в Петербурге был подписан договор между ОАО «Метрострой» и HERRENKNECHT AG о постройке для Метростроя проходческого щита диаметром 10.3 метра. О серьезности и сложности постройки говорит тот факт, что на подписании присутствовал экс-канцлер Германии Герхард Шредер, представлявший деловые круги Германии. И спустя почти год, 28 февраля 2013 г., на заводе в Schwanau (Germany) состоялось тестирование работы всех систем проходческого щита и приемка оборудования.

Отвлечемся немного от конкретного механизма и посмотрим на сложности, возникающие при прокладке туннеля. Конечно, в первую очередь это грунт, его разнообразие. На пути щита может появится как монолитная скала, так и подземная река. Если в случае со скалой страдает только скорость прохождения тоннеля, то в случае слабых водонасыщенных грунтов сложность прохождения возрастает очень сильно. «Вода везде щелку найдет» - гласит старинная пословица. А маленькая струйка воды, проникшая в туннель, бывает, очень скоро превращается в поток, размывающий стенки туннеля, а там и до полного затапливания недалеко. Положение еще усложняется, если тоннель идет под городом, и здесь главное не потревожить верхние слои, чтобы уже построенная городская инфраструктура не начала проваливаться под землю. А такие случаи бывали.

Авария на перегоне между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества»

Известный разрыв на Кировско-Выборгской линии. Причиной аварии считается ускоренное строительство к XXV партийному съезду, печально знаменитые авралы. Тоннели между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества» (первый на 14 метров ниже второго) должны были пересечь водоносные пески с напором воды в несколько атмосфер. Обогнуть этот водоносный слой считали тогда невозможным, объясняя это тем, что слой песка здесь имеет большую мощность. С целью уменьшения количества скважин было предложен вариант расположения тоннелей один над другим. Несмотря на то, что это значительно сократило число требующихся скважин и труб, специалисты, анализирующие аварию, пришли к выводу, что это лишь усугубило ситуацию.

8 апреля 1974 года, около 16 часов 30 минут, при бурении передовых разведочных скважин в нижнем тоннеле была обнаружена незамёрзшая порода, из которой поступала вода. Аварийные затворы из-за быстрого поступления плывуна полностью закрыть не удалось. Тоннели были затоплены на километр. На площади Мужества и прилегающих городских магистралях образовались провалы, треснули стены домов и наземных сооружений. Проникновение воды в тоннели метро удалось остановить только путём сооружения аварийной преграды недалеко от станции метро «Лесная». Для того, чтобы остановить разрушения на поверхности, выработки были затоплены — в аварийные тоннели закачали водопроводную воду.

Сегодня для сооружения тоннеля в сложных условиях используется механизированные щиты с «грунтопригрузом» — щит, в котором разработанный грунт сначала подается в герметичную камеру грунтопригруза, в которой давление равно давлению в забое. Именно давление в камере не дает осыпаться грунту со свода тоннеля, поэтому верхние слои земли остаются неподвижными и не оседают. Затем внешняя оболочка щита надвигается на этот участок, принимая на себя давление верхних слоев земли, и избыточный грунт удаляется шнековым конвейером. Именно к таком типу и относится щит «Надежда».

Тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК) S-782, он же проходческий щит «Надежда»

А сейчас, когда мы уже вооружены некоторыми знаниями, нам становится понятно, что за узлы расположены в проходческом щите.

1. Рабочий орган - вращающийся диск с режущими коронками и дисковыми фрезами для дробления грунта

2. Герметичная камера с пластичным грунтом, в которой создается давление, равное давлению в забое

3. Миксер, изготавливает грунт нужной консистенции для герметичной камеры

4. Переборка, удерживает давление в герметичной камере

5. Шнековый конвейер, удаляет избыток грунта из герметичной камеры

6. Эректор. Вакуумный манипулятор для установки сегментов тоннеля и пост дистанционного управления

7. Внешняя оболочка проходческого щита

8. Место тампонирования. Кольцевой зазор между выемкой поверхности грунта и наружной частью туннельной футеровки непрерывно заполняется бетонным раствором

9. Готовый тоннель из бетонных сегментов

Скорость проходки такого щита довольно высокая — в среднем 500-600 метров в месяц.

Кстати, интересный факт — мировой рекорд скорости проходки тоннеля принадлежит петербургскому метрополитену, как ни странно. В 1981 году щит КТ-1-5,6 развил скорость1240 метров в месяц, на строительстве перегона от «Удельной до «Пионерской». Правда, этот щит шел под списание, и его не щадили. По завершении проходки его разобрали на металлолом.

«Надежда» у метростроевцев на многие годы — в генеральном плане развития Петербургского метрополитена до 2028 года указано открытие не менее 12 станций в разных районах города, а это многие километры двухпутных тоннелей.