Вгрызаясь в породу: как устроен тоннелепроходческий комплекс
Многие технологии человек подсмотрел у природы и адаптировал под себя то, что появилось миллионы лет назад. Так было и с тоннелепроходческими комплексами, появлением которых мы обязаны британскому инженеру Марку Брюнелю и корабельным червям, или терединидам (лат. Teredinidae). Брюнель долго наблюдал, как ловко моллюск прокладывает себе дорогу через древесину, углубляясь в нее с помощью раковины на голове, а позади оставляет слой извести, который не дает тоннелю замкнуться позади.
Городом-первопроходцем в тоннелестроении мог бы стать Санкт-Петербург: именно российский император Александр Первый обратился к Брюнелю с просьбой спроектировать тоннель под Невой. Однако в итоге в намеченном месте возвели мост — это оказалось более удачным решением для того времени.
Сегодня щит — это сложное высокотехнологичное оборудование. Но принцип работы не изменился за 200 лет (или за несколько миллионов, смотря кому отдать патент на изобретение — Брюнелю или червю). Рабочая зона щита углубляется в грунт, а по мере движения позади укрепляется тоннель, уже готовый к использованию.
В мире используют два основных типа щитов — механизированный и немеханизированный. Если механизации нет, то щит представляет собой защитное кольцо, внутри которого рабочие прокладывают дорогу отбойным молотком (а раньше и вовсе киркой). Сейчас ручной труд при проходке тоннелей применяется крайне редко. Механизированный щит вгрызается в породу при помощи ротора с резцами. Порода отводится на конвейер, а затем вывозится из тоннеля.
Современные комплексы могут работать в самых сложных геологических условиях, в том числе в неустойчивых породах. Средняя скорость движения щитов сегодня — 250-300 метров в месяц, средняя стоимость — 13-15 млн евро.
Главный враг подземной установки — грунтовые воды. Они пропитывают песок, образуя так называемые плывуны. С такой породой не может работать ни щит, ни человек. Для борьбы с плывунами чаще всего применяют довольно простой, но эффективный способ — замораживание при помощи фреона или жидкого азота. Породу охлаждают до состояния камня, который можно бурить, перевозить и не бояться, что он обвалится.
Есть и более современный способ борьбы с трудными породами — jet grouting, или струйная цементация грунтов. С огромным напором в забой подается цементная струя, которая одновременно разрушает, перемешивает и бетонирует породу. В результате получается прочный монолит, на котором можно строить практически что угодно.
В СССР при строительстве метро проходческий щит впервые использовали в 1934 году для проходки участка метро между Театральной площадью и Лубянкой. На второй очереди подземки работало уже 42 комплекса. И именно советские инженеры первыми научились прокладывать наклонные тоннели.
Самый большой в мире щит сегодня работает в Гонконге — инженерное чудо диаметром 19 метров прокладывает одновременно четырехполосную автостраду и линию метро. Рекорд скорости принадлежит Ленинграду, где в 1981 году при строительстве метро за месяц прошли 1240 метров.
Недавно в столице стал применяться так называемый «испанский» метод строительства метро. Он заключается в возведении двухпутного тоннеля с платформами по бокам, что существенно сокращает стоимость строительства на 15-30%, ведь работает один щит, а не два.