АБСТРАКТНЫЕ
Смешанные грунтовые туннели бывают всех видов. В каменных туннелях с возможными разломами и водой под высоким давлением возникает множество проблем. С появлением кроссоверных ТБМ подрядчики могут свести к минимуму риск в таких условиях, максимально увеличив эффективность. Примером новейшего поколения кроссовера являются два проекта в Албании и Турции.
Переходная ТБМ длиной 5,56 м, предназначенная для гидропередачи Гереде в Турции, будет собираться с использованием технологии первичной сборки на месте (OFTA) из существующего туннеля. Уникальная машина пробурит 30 зон разломов, требующих герметичности ТБМ до давления до 20 бар, чтобы можно было выполнить предварительное уплотнение цементным раствором. Режим EPB будет использоваться только на плохом грунте — в этом режиме TBM будет бурить последовательно, используя носовые и кормовые затворы винтового конвейера.
С уклоном в сторону крепких пород для туннеля Moglice Headrace в Албании была разработана уникальная ТБМ Double Shield диаметром 6,2 м с функциями кроссовера. Машина оснащена закрывающимися дверцами и системой герметизации, препятствующей попаданию воды до тех пор, пока их не удастся залить раствором.
В этом документе будут обсуждаться уникальные аспекты конструкции кроссовера и их использование в двух проектах.

ВСТУПЛЕНИЕ
Специализированные туннелепроходческие машины производились в течение многих лет для решения конкретных типов грунта. Традиционные типы ТБМ бурят в определенных грунтовых условиях. Если проект расположен в грамотной гранитной закладке, то станок Main Beam — хорошее решение. На мягком грунте лучше всего использовать машины для балансировки давления грунта (EPB). Многолетний опыт и инженерные достижения сделали оба типа машин быстрыми и экономичными решениями для проходки туннелей. К сожалению, не все грунтовые условия представляют собой идеальное сочетание одного материала, и потребность в более разнообразной машине очевидна.
В прошлые годы в отрасли были разработаны различные типы двухрежимных станков, которые могут работать со смешанными материалами. Результат обычно приводил к скомпрометированной конструкции, ориентированной на проходку туннелей из твердых пород или EPB. Этот тип конструкции приводит к тому, что машина может адекватно бурить в одном типе грунта, но скорость продвижения снижается, когда грунтовые условия становятся менее оптимальными. С этой целью была разработана новая версия двухрежимных машин, получивших название Crossover TBM, для оптимальных земляных работ в более широком диапазоне грунтовых условий. Наиболее распространенная форма кроссовера TBM, называемая XRE, для кроссовера (X) между Rock (R) и EPB (E), подробно описана в этой статье. Эти машины могут бурить туннели с участками как из твердой породы, так и из мягкого грунта.

ВОДОСНАБЖАЮЩИЙ ТУННЕЛЬ GEREDE — ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
Водопроводный туннель Гереде, расположенный недалеко от Анкары, Турция, имеет различные сложные грунтовые условия, которые необходимо учитывать (см. Рисунок 1). Проект протяженностью 31,6 км был запущен в 2010 году с использованием нескольких туннелепроходческих машин. Несмотря на то, что в основном это была твердая порода, примерно на семи километрах вглубь дороги две ТБМ с двойным экраном столкнулись со сложными грунтовыми условиями. Одна машина попала в зону разлома, из-за чего в ТБМ неожиданно попало около 800 галлонов воды и сыпучих материалов в минуту. Этот приток привел к достаточному давлению, чтобы разрушить щиты ТБМ и отправить цилиндры катапультироваться в резервную копию. При катастрофическом выходе из строя одной машины было принято решение отказаться от ТБМ и посмотреть на конструкцию ТБМ нового типа.
Ожидаемая геология этого туннеля состоит из песчаника, известняка и туфа с максимальным UCS в диапазоне 100 МПа. По всей трассе туннеля имеются многочисленные зоны разломов с потенциальными глыбовыми породами и неустойчивыми притоками грунтовых вод. Чтобы успешно спроектировать машину для этих условий, был использован следующий список спецификаций в таблице 1.

Режущая головка
Из-за геологических особенностей для машины Gerede потребовалась уникальная режущая головка Crossover. Режущая головка имеет внешний вид и внутреннюю конструкцию машины для твердых пород с открытой задней конструкцией EPB. На стандартной машине для твердых пород порода зачерпывается ковшами, и при вращении головки порода соскальзывает из ковша на ленточный конвейер в центре машины. Вместо этого эта машина имеет винтовой конвейер в нижней части камеры. Таким образом, камни, попадающие в ножевой блок, теперь могут падать на всю высоту машины. Чтобы уменьшить ущерб от больших падающих камней, пьедестал был специально разработан с несколькими отражающими пластинами для замедления падения (см. рис. 2). Ковши режущей головки также были спроектированы таким образом, чтобы отводить породу от забоя, проталкивая ее назад в режущую камеру. Из-за конструкции с открытой спиной этот режущий орган также может быть преобразован в головку EPB, если того требуют условия.
Кроме того, режущая головка предназначена для работы в одном направлении. Установка, которую планируется использовать на всех машинах Crossover, обеспечивает большую эффективность при выемке грунта, меньшую потребляемую мощность и меньшую вероятность переточки. Проблема повторного измельчения возникает в двунаправленных головках, когда уже извлеченная порода проходит через режущую головку и обратно через следующее отверстие, изнашивая заднюю часть режущей головки. Это явление может быть очень серьезным для двунаправленных ножевых головок в зависимости от состояния грунта.

Главные приводы
Новой особенностью машины Gerede, которая также будет поставляться на все последующие машины Crossover, является двухступенчатая коробка передач. Благодаря возможности переключения на две скорости машина может легко бурить различные типы грунта. При работе с твердыми породами машина может работать на высоких оборотах/низком крутящем моменте, а в режиме EPB она может переключаться на низкие обороты/высокий крутящий момент. Низкие обороты/высокий крутящий момент позволяют машине бурить зоны разломов и мягкий грунт, не застревая, как ТБМ EPB (см. рис. 3).

Уплотнения
Благодаря предыдущему опыту в Гереде, новая ТБМ спроектирована таким образом, чтобы выдерживать статическое давление до 20 бар в случае сильного притока воды. Чтобы защитить машину от такого высокого давления воды, была установлена ??обширная система уплотнений. Вокруг основного подшипника имеется внешний ряд из шести (6) уплотнений и внутренний ряд из трех (3) уплотнений. Между каждым уплотнением полость заполнена смазкой под давлением для обеспечения постоянного давления в каждой из полостей (см. рис. 4). В случае, если машина остановлена ??и поток воды обрушивается на машину, датчик давления обнаружит наличие воды и наполнит каждую полость смазкой, чтобы постоянно защищать уплотнения от давления темпа. Таким же образом герметизируются шарнир сочленения, башмаки захвата и стабилизатора. Все эти места имеют два (2) ряда уплотнений с заполненной смазкой полостью с регулируемым давлением между ними для поддержания постоянного давления. Таким же образом закрываются хвостовые уплотнения, но в этом месте имеется четыре (4) ряда уплотнений.

Рис. 4. Расширенные уплотнения коренных подшипников (темно-синие)

Винтовой конвейер
Пожалуй, одной из важнейших частей конструкции ТБМ Gerede является винтовой конвейер. На стандартной машине для добычи твердых пород порода будет транспортироваться из режущей головки с помощью ленточного конвейера. Из-за потенциального большого количества воды машина должна иметь герметичный винтовой конвейер. К сожалению, перемещение породы через винтовой конвейер может быть очень абразивным, и ожидается высокий износ. Для учета износа шнек был разработан со сменными изнашиваемыми пластинами по всей длине корпуса и шнека. Сам винт также состоит из коротких секций, которые при необходимости можно снять и заменить. Многочисленные люки доступа были предусмотрены для обслуживания изнашиваемых пластин, а два больших съемных внешних кожуха позволяют заменять целые секции шнека (см. рис. 5).
Особенностью конвейера является способность самозапираться, чтобы ТБМ могла продолжать бурение. При обнаружении зоны разлома с большим количеством воды машина все равно сможет продолжить земляные работы. В этом случае винт можно использовать в последовательной операции. Во-первых, задняя выпускная заслонка закрывается, изолируя внутреннюю часть машины от поступающей воды. Цилиндры выдвижения шнека будут толкать заднюю часть шнека назад, тем самым вытягивая шнек из режущей камеры внутрь корпуса шнека. Далее затвор переборки закрывается и винтовой конвейер обезвоживается. Задняя разгрузочная заслонка может быть снова открыта, и винтовой конвейер может работать, опорожняя кожухи от навоза. Водосборник под бункером мостового конвейера может быть заполнен остатками воды, поступающими от шнека. Затем вода откачивается из резервной системы. После опорожнения шнека заднюю разгрузочную заслонку можно закрыть. Затворы переборки можно снова открыть, а винт выдвинуть в режущую камеру. Затем можно начинать бурение до тех пор, пока винтовой конвейер снова не заполнится. После повторного заполнения винта его можно снова втянуть и запечатать, начиная процесс заново. Этот процесс может быть медленным, но он может вывести машину из зоны неисправности на лучшее место.

Рис. 5. Винтовой конвейер, состоящий из съемных и сменных секций, с износостойким покрытием для работы в абразивном грунте

Зондовое бурение
Из-за непредсказуемых грунтовых условий зондовое бурение будет очень важно для этого туннеля. Необходимо выявить и залить раствором проблемные зоны, где это возможно, чтобы защитить машину от протекания грунта и давления воды. Машина Gerede достигает этого, используя стандартную группу из двенадцати (12) портов O100 мм, расположенных под углом 7°, которые равномерно расположены вокруг заднего экрана. Каждый порт закрывается шаровым краном до тех пор, пока он не понадобится для зондирования. Также имеется десять (10) портов того же размера прямо через передний экран для зондирования и заливки цементным раствором. Шесть (6) дополнительных люков встроены в тумбу в передней части машины. Люки оборудованы для установки дополнительной пневматической ударной дрели, которую можно использовать в центральной части режущей головки (см. рис. 6).

Рис. 6. Зонд просверливает отверстие в машинном щитке

Зондовое сверло на станке Gerede также имеет дополнительную функцию. Бур предназначен для отвода назад за хвостовой щит и под углом 16°, поэтому он может сверлить за щитами и в облицовку сегмента. Эта процедура предназначена для экстренных случаев. Если вода заполнила режущую камеру и давление велико,
просверливание отверстия в крыше туннеля позволит воде вылиться, тем самым снизив избыточное давление на машину и сегментное кольцо (см. рис. 7).

Рис. 7. Зондовое бурение за хвостовым щитом для контроля сильного притока воды

Поскольку эта машина может столкнуться с неустойчивым грунтом и большим количеством воды, есть несколько особенностей, которые отличают TBM от стандартного двойного щита.

Уплотнения
Чтобы изолировать машину от прорыва воды, были приняты меры, аналогичные тем, что были для машины Гереде. Уплотнения коренных подшипников состоят из ряда из четырех (4) наружных уплотнений и ряда из четырех (4) внутренних уплотнений (см. рис. 8). Между всеми полостями уплотнения закачивается смазка для обеспечения постоянного давления в полости смазки. Башмаки стабилизатора и захвата также уплотнены двойным рядом уплотнений и с постоянным давлением смазки в полости между ними. Башмаки захвата и внутренний телескопический щит
уплотнены надувными уплотнениями. Они надуты, чтобы изолировать башмаки захвата и области внутреннего телескопического щита от набегания воды.

Рисунок 8. Уплотнения коренных подшипников (темно-синие)

Грязный желоб
Возможно, самой важной особенностью ТБМ Devoll является желоб для навоза. Поскольку конвейер представляет собой ленточный конвейер и не имеет закрытого кожуха, как винтовой конвейер, он должен быть герметизирован в случае проникновения воды. Переборка имеет большой уплотнительный затвор прямо над ленточным конвейером. Это разгрузочные ворота. Эти затворы также можно использовать в полурежиме EPB: по мере того, как давление в камере резки увеличивается, затвор открывается под давлением, и материал высыпается на ленту. По мере сброса давления ворота автоматически закрываются, снова перекрывая камеру
(см. рис. 9-10).
В экстремальных случаях ворота можно загерметизировать, а буровые установки для зонда/затирки можно использовать для продвижения вперед бурения и затирки для укрепления грунта и перекрытия воды.

Рисунки 9-10. Виды желоба для навоза и системы затворов для сброса давления.

Главные приводы
В машине Devoll также будут использоваться новые двухскоростные коробки передач, аналогичные ТБМ Gerede. Коробки передач позволяют легко переключаться между двумя скоростями в различных условиях грунта. Высокие обороты/низкий крутящий момент можно использовать для твердых пород, а низкие обороты/высокий крутящий момент можно использовать для мягкого и/или каменистого грунта (см. рис. 11).

ВЫВОД
Кроссоверы — это новый путь в будущее. По мере того, как все больше и больше туннелей прокладываются в смешанных грунтах, прогнозируется, что их использование будет продолжать расти. Многофункциональная машина, подходящая для самых разных условий, значительно повышает эффективность проходки тоннелей. Эти две машины представляют собой решения для более безопасного и эффективного перемещения в опасной и сложной среде. Их конструкции предлагают интригующие возможности для проходки ТБМ в условиях, которые можно охарактеризовать только как чрезвычайно сложные. В то время как в этом документе основное внимание уделяется конструкции машин, производительность этих ТБМ будет представлена на конференции.