Спорудження тунелів метро прохідницькими щитами (Історія Метробудування)
Будівництво першої черги Московського метрополітену характеризувалося широким застосуванням класичного гірського способу проходки з розробкою перетину тунелю частинами. Цьому способу притаманні високий рівень використання ручної праці в усіх виробничих процесах, тіснота робочого простору, що позбавляє можливості механізувати роботи.
Пристрій монолітного бетонного оброблення, що споруджується частинами, надзвичайно трудомісткий, вимагає великої кількості дерев'яної опалубки і кріпильного лісу для складного тимчасового кріплення. Бетонна конструкція обробки тунелів обумовлювала складний комплекс гідроізоляційних робіт - пристрій обклеєної гідроізоляції та спорудження підтримуючої залізобетонної сорочки. Технологічна необхідність послідовного виконання операцій із спорудження тунелю ускладнювала можливість поєднання трудомістких процесів у часі, обмежуючи темпи проходки та можливості механізації.
Витрати праці основні процеси зі спорудження перегінного тунелю першої черги будівництва дорівнювали 646 чол.-ч на 1 пог.м, а наведена швидкість проходки — 0,2 пог. м на добу. У період найбільшого розгортання робіт загальна чисельність зайнятого персоналу становила близько 75 тисяч осіб.
Перша черга Московського метрополітену стала своєрідною лабораторією. На дослідних ділянках випробовувалися майже всі відомі на той час способи проходки, у тому числі щитовий спосіб спорудження тунелів. Цим способом споруджували ділянку перегінного тунелю від Театральної площі (нині площу Свердлова) до станції «Дзержинська». У роботі було два щити. Один був поставлений з Англії, інший виготовлений вітчизняною промисловістю.
Спорудження тунелів за допомогоюпрохідницький щит показав повну технічну та економічну доцільність такого способу робіт. Розробка вибою на повний перетин, виключення важкої ручної праці з влаштування тимчасового дерев'яного кріплення, застосування для влаштування обробки бетонних блоків, а пізніше чавунних тюбінгів замість монолітного бетону, тобто, по суті, заміна спорудження обробки її монтажем, різко знизила трудомісткість робіт що дозволило повністю механізувати їх за допомогою спеціальних укладачів блоків і тюбінгів, значне зменшення трудомісткості гідроізоляційних робіт - такі найважливіші переваги щитового способу проходки.
Результати дослідних робіт з використанням щитової проходки на будівництві першої черги Московського метрополітену дозволили ухвалити рішення — починаючи з другої черги будівництва прохідницькі роботи вести в перегінних та станційних тунелях метрополітену переважно щитовим способом. Для практичної реалізації цього рішення було потрібно 42 прохідницькі щити, а в розпорядженні будівельників було лише два. 40 щитів (28 перегінних діаметром 6 м і 12 станційних діаметром 9,5 м) — таке величезне замовлення мало бути виконане менш ніж за два роки.
Створена за роки перших п'ятирічок вітчизняна промисловість зуміла успішно впоратися із цим завданням. Партія та уряд приділяли велику увагу Метробуду. За виконанням замовлення особисто стежив нарком важкої промисловості Серго Орджонікідзе. Станційні щити виготовляли в Ленінграді та Новокраматорську, перегінні – у Горлівці та Коломні. Виробництво станційних тюбінгів доручили Уральському заводу важкого машинобудування, перегінних тюбінгів — Дніпропетровському машинобудівному заводу.
Поки на заводах велося виготовлення щитів, метробудівці проводилипідготовчі роботи готували кваліфіковані бригади монтажників. Інженери, техніки та робітники-тунельники знайомилися з конструкцією прохідницьких щитів та технологією щитової проходки. Було створено дві бригади по 20 осіб з урахуванням чотиризмінної цілодобової роботи. Начальником монтажних робіт призначили Є. П. Солдатова, досвідченого майстра-монтажника. Його висока кваліфікація, чудові організаторські здібності сприяли успішній роботі монтажних бригад. Швидкість монтажу щитів було доведено з місяця до двох тижнів.
Радикальні зміни, які щитовий спосіб проходження вніс у технологію спорудження тунелів, дозволили різко підвищити продуктивність праці тунелебудівників. Витрати праці основні процеси зі спорудження 1 пог.м перегінного тунелю знизилися з 646 чол.-ч першої черги до 249 чол.-ч другого черги, тобто. більш ніж 2,5 разу. Принаймні освоєння щитового методу другої черги будівництва швидкості проходки перегінних тунелів зросли з 2 пог.м на місяць початку робіт до 45—50 пог. м наприкінці робіт. Змінивши докорінно основні процеси проходки, щитовий метод зажадав механізації інших процесів.
При новому співвідношенні трудомісткості основних процесів зросла питома вага таких операцій, як розробка вибою, навантаження породи, її транспортування, що залишалися ручними. Ці операції стали вузьким місцем у загальному технологічному ланцюзі, обмежуючи розвиток та темпи будівництва. Головним завданням подальшого вдосконалення виконання робіт на будівництві третьої та особливо четвертої черг Московського метрополітену стала механізація розробки породи, її навантаження та транспортування.
Масове впровадження породонавантажувальних машин, електровозної відкатки, механічних збалчувачів тюбінгів, механізація.поверхневого шахтного комплексу: перекидачів вагонеток, виштовхувачів завантажених вагонеток із шахтної кліті та іншого обладнання — забезпечили подальше зниження трудомісткості спорудження тунелів та підвищення продуктивності праці на четвертій черзі будівництва у 4 рази порівняно з першою чергою. При зведенні перегінного тунелю між станціями «Арбатська» та «Смоленська» на початку 50-х років. у важких гідрогеологічних умовах, під стислим повітрям з допомогою прохідницького щита споруджували понад 6 пог.м тунелю на добу, тобто. виконували 167% норми.
У 60-х роках. при проходці перегінного тунелю на Жданівському радіусі Московського метрополітену, а пізніше на Замоскворецькому радіусі в пісках природної вологості московські метробудівці, розробляючи забій прохідницьким щитом, тимчасове кріплення вибою доручили піску, перетворивши його з ворога на помічника, за образним. Кут природного укосу піску забезпечував тимчасову стійкість лоба вибою, а гідравлічний напір щитових домкратів допомагав виконувати розробку вибою. Коли з'явилися невеликі глинисті прошарки, що утрудняли проходку, конструктори спільно з будівельниками створили спеціальні лопатеві розпушувачі, які були встановлені на майданчиках щита і включалися в роботу, сприяючи розробці породи.
Так було створено механізований щит ЩМ-17, який використовували під час будівництва Краснопресненського радіусу Московського метрополітену на проходці ділянки перегінного тунелю завдовжки 1800 м у пісках природної вологості із середньою швидкістю 117 пог.м на місяць. Інший такий щит використовується на будівництві метрополітену Горького.
На лініях другої та третьої черг будівництва Московського метрополітену щитовий спосіб проходки тунелів із застосуванням збірноїЧавунна обробка залишалася єдиною для всіх вибоїв, незалежно від гідрогеологічних умов. Пізніше, на лініях четвертої черги, щитову проходку використовували лише у вибоях зі складними гідрогеологічними умовами та при слабостійких породах. Одночасно тривала подальша механізація та раціоналізація окремих процесів проходки. Створення та впровадження механічних балачів дозволило у всіх вибоях перегінних, станційних та ескалаторних тунелів повністю виключити важку ручну працю з монтажу обробки та підвищити продуктивність праці на цьому процесі майже в 3 рази порівняно з третьою чергою будівництва. Важка і малопродуктивна праця з ручного очищення лотка тунелю перед його бетонуванням була виключена завдяки впровадженню плоского лотка. Все це дозволило перевищити встановлені проектом четвертої черги швидкості проходження перегінних та станційних тунелів.
Як показує практика будівництва, найбільш ефективне вдосконалення методів розробки породи у вибої та комплексна механізація процесів спорудження тунелів можуть бути досягнуті тільки шляхом створення та впровадження спеціальних механізованих щитів — тунельних комбайнів, що дозволяють повністю усунути ручну працю у трудомістких процесах тунельних робіт та значно підвищити швидкості .
Багато років проектувальниками та метробудівниками проводиться велика робота з розробки конструкцій, створення та впровадження у практику будівництва механізованих прохідницьких щитів. Фахівцями Головтоннельметробуду створено механізовані щити для різноманітних умов роботи у породах різної фортеці. Першим варіантом такої конструкції був щит, використаний у Ленінграді. Результати випробувань виявилися настільки успішними, що булавиготовлено партію із шести щитів, що використовуються на проходці перегінних тунелів з 1949 р. За допомогою цих щитів споруджено близько 70 км перегінних тунелів. Ленінградський механізований щит має планетарний привід потужністю 80 кВт, ріжучий робочий орган із чотирьох дисків-фрез, кожна з яких оснащена 12 стрижневими різцями, армованими твердим сплавом; подача на забій гідравлічна.
Створення механізованих щитів для різноманітних і складних гідрогеологічних умов спорудження тунелів у Москві є складнішим завданням. Перший механізований щит для будівництва Московського метрополітену був створений в 1953 р. Він призначався для механічного руйнування гірських порід міцністю до 175—200 кгс/см 2 і був виконаний на кшталт ленінградського механізованого щита, з планетарним різальним органом — двома робочими дисками кожному. Щит пройшов заводські та виробничі випробування. З його допомогою було збудовано 623 м перегінного тунелю на Ризькому радіусі.
Більш вдалим за конструкцією та експлуатаційними якостями був створений у 1961 р. механізований щит ЩМ-8 діаметром 3,6 м з гідроприводом та робочим органом у вигляді конічної планшайби, оснащеної пластинчастими ножами та стрижневими різцями, для проходження гідротехнічних та колекторних тунелів у порід 20 до 250 кгс/см 2 (м'які в'язкі глини, карбонні глини, мергелі, суглинки, ліси, слабкі вапняки).
На основі досвіду використання механізованих щитів М-105, 105Т, ЩМ-4, ЩН-1 для широкого діапазону стійких порід міцністю від 20 до 400 кгс/см 2 було створено механізований щит ЩМР-1. Під час розробки конструкції було значно покращено основні параметри щита. Привід виконаний на постійному струмі, що дозволяє в широких межах регулювати роботущита, змінюючи обороти робочого органу залежно від міцності порід. Значно збільшено потужність приводу, вона становить 320 кВт (2X160). Двомоторний привід дозволяє регулювати потужність відключенням одного з двигунів під час проходження слабких м'яких порід. Завдяки зміцненим стрижневим різцям покращено різання міцних порід.
При випробуваннях щита у Києві на проходці ділянки у спондилових глинах було споруджено понад 3 тис. м перегінного тунелю, у тому числі 2190 м із обробкою, обтиснутою у породу. При цьому досягнуто швидкості 262 м на місяць, 14 м на добу та 6,03 м на зміну. Другий щит ЩМР-1 був використаний у Москві на проходці ділянки перегінного тунелю в породах середньої фортеці (карбонні глини та вапняки. Було пройдено 1370 м, максимальна швидкість склала 147 пог. м на місяць).
Ленінградські механізовані щити, які пропрацювали понад 25 років, нині замінюються новими механізованими щитами КТ-1-5,6, створеними та виготовленими на Ясинуватському машинобудівному заводі. Щити КТ-1-5,6 оснащені робочим органом щілинного типу. Він складається з чотирьох променевих барів зі стрижневими різцями, що розробляють кільцеві концентричні щілини, і пристроєм, що ламає кільцеві виступи породи, що залишаються. Потужність приводу щитів 200 кВт, тобто в 2,5 рази більше, ніж щитів попередньої моделі, а найбільше зусилля подачі 50 тс, тобто в 6 разів більше, ніж раніше. Середня швидкість проходження при використанні цих щитів 330 - 350 пог. м на місяць. Рекордна швидкість проходження 1250 пог. м на місяць перевищує світовий рекорд для тунелів цього діаметру.
З впровадженням механізованих щитів ЩМ-17, КТ-1-5,6 та ЩМР-1 може бути здійснена комплексна механізація проходки перегінних тунелів метрополітену, що залягають у породах діапазоном від пісків природної вологості дослабких вапняків та пісковиків.
Для комплексної механізації прохідницьких робіт під час будівництва перегінних тунелів метрополітену відкритим способом створено спеціальний щит. Він є комплексом прохідницького обладнання, що включає щит прямокутної форми - металеве пересувне кріплення котловану під двоколійний тунель. У передній ізольованій частині комплексу ведеться розробка породи екскаватором із завантаженням її в автотранспорт, позаду проводиться монтаж цільносекційної обробки за допомогою 20-тонного козлового крана ККТС-20. Комплекс дозволяє забезпечити повний прохідницький цикл при значному скороченні розкривних робіт.
Дворазові випробування комплексу у звичайних та важких умовах будівництва показали його високу продуктивність. Досягнута швидкість проходки становила 6 пог. м двоколійного тунелю на добу. Проходження тунелю із застосуванням щита відкритого способу робіт було розпочато наприкінці 1979 р. у Києві.
Роботи щодо вдосконалення конструкцій механізованих щитів та створення нових щитів продовжуються. Ведуться розробки щита зі змінними робочими органами, екскаваторним робочим органом, а також роботи з інших напрямків.
Величезна частка участі у пошуках найбільш досконалих конструкцій механізованих щитів, що ведуться більш ніж чверть століття, належить Московському механічному заводу (раніше завод № 5 Метробуду), який виготовив вісім моделей таких щитів у кількості 24 екземплярів, з усім обладнанням прохідницького комплексу. За допомогою щитових комплексів, включаючи ленінградські механізовані щити, споруджено понад 120 км тунелів метрополітенів у багатьох містах нашої країни.