Разговор о ТБМ — это не просто описание машины. Это погружение в сложную и
увлекательную техническую вселенную, где каждый компонент играет решающую роль, и каждое проектное решение или выбор системы может означать успех или провал проекта, охватывающего километры неизведанной местности. Речь идёт не только о раскопках: речь идёт о
понимании, прогнозировании и адаптации технологии к поведению недр — среды, которая, как хорошо известно геологам и инженерам, никогда не ведёт себя полностью предсказуемо.
Эта заметка не является простым перечислением данных. Она – приглашение к глубокому изучению строительной системы, которая изменила наше представление о подземных проектах. В ней будут рассмотрены типы существующих тоннелепроходческих комбайнов, их рабочие механизмы, технические критерии выбора, их применение в различных типах проектов и, прежде всего, их взаимодействие с геологическими условиями.
Потому что в основе каждого тоннеля лежит история адаптации машины к местности, между инженерными решениями и геологией.
На этих страницах студенты и специалисты смогут углубиться не только в технические аспекты использования тоннелепроходческих комбайнов, но и в решения, которые делают этот метод жизнеспособным, эффективным и, во многих случаях, незаменимым. Как и любой хороший инструмент, его использование требует глубокого понимания, критического анализа и тщательного планирования, которое начинается задолго до первого прохода в скале. Давайте будем подобны буровой машине для прокладки тоннелей: спустимся под поверхность, решительно двинемся вперед и откроем секреты строительной системы, которая сделала немыслимое возможным, буря землю с хирургической точностью, чтобы проложить путь прогрессу.
1. История и эволюция использования ТБМ
Необходимость безопасной и эффективной проходки туннелей – не новое изобретение. От древних цивилизаций до индустриальной эпохи развитие подземных работ было неотъемлемой частью истории инженерного дела. Однако разработка тоннелепроходческих машин, известных сегодня как тоннелепроходческие комбайны (ТБМ), представляет собой технический поворотный момент, навсегда изменивший способы работы под землей.
1.1. Ранние истоки: поиск механических методов
Концепция машины, способной прокладывать туннели без применения взрывных методов или интенсивной ручной выемки грунта, начала формироваться в XIX веке. Одно из первых упоминаний о «тоннелепроходческой машине» относится к 1845 году, когда английский инженер спроектировал примитивное устройство для проходки под рекой Темзой в Лондоне. Их «тоннельный щит» не был современным ТБМ, но он заложил основу для того, что должно было произойти: защитной металлической конструкции, позволявшей разрабатывать забой без обрушения.
В конце XIX — начале XX веков несколько инженеров в Европе и Америке пытались механизировать процесс выемки грунта. Эти первые машины были громоздкими, примитивными и неэффективными. Они часто выходили из строя из-за неровностей грунта или меняющихся условий, поэтому применение взрывчатых веществ и ручное бурение оставались нормой.
1.2. Революция XX века: на пути к эффективной механизации
Именно во второй половине XX века ТБМ начал приобретать более узнаваемый облик. Необходимость строительства длинных туннелей для гидроэлектростанций, железнодорожного транспорта и городских систем водоснабжения привела к значительным инвестициям в разработку прочной и надежной техники. В 1950-х и 1960-х годах первые ТБМ с вращающимися головками и дисковыми режущими системами появились на таких проектах, как плотина Оахе в США. Эти машины были способны разрабатывать твердые породы с беспрецедентной скоростью и безопасностью.
В 1970-х и 1980-х годах начали внедряться ключевые технологические достижения: гидравлические системы тяги щитов, дистанционное управление режущей головкой, датчики давления и первые напорные тоннелепроходческие машины. Внедрение систем EPB (Earth Pressure Balance) и Slurry Shield впервые позволило вести выемку грунта в мягких грунтах с наличием воды, не вызывая обрушений или проседания поверхности.
Это значительно расширило область применения ТБМ.
1.3. Цифровая эпоха: интеллектуальные, высокоточные ТБМ
За последние три десятилетия ТБМ превратились в высокотехнологичные мехатронные системы.
Современная конструкция этих машин включает в себя программное обеспечение для мониторинга в режиме реального времени, автоматизированное управление параметрами выемки грунта и интегрированные платформы геотехнического анализа. Речь уже не только о выемке грунта; речь идёт о постоянной интерпретации поведения грунта и адаптации операций на основе данных, получаемых машиной. В таких знаковых проектах, как Готардский базисный тоннель в Швейцарии (самый длинный в мире, более 57 км), Crossrail в Лондоне и Шанхайский метрополитен, использовались самые современные ТБМ диаметром более 15 метров, способные с высокой точностью прокладывать тоннели в условиях плотной городской застройки.
1.4. Перспективы будущего: адаптивность, устойчивость и автономность
Сегодня наблюдается тенденция к созданию более универсальных, модульных и устойчивых ТБМ.
Ведутся исследования новых материалов для режущих дисков, гибридных механизмов выемки грунта и более автономных систем управления на основе искусственного интеллекта. Цель: адаптировать каждую ТБМ к конкретным геологическим условиям без необходимости значительных физических преобразований, оптимизировать энергопотребление и снизить воздействие подземных горных работ на окружающую среду.
Развитие тоннелепроходческих комплексов не было линейным, а представляло собой постоянный ответ на вызовы недр и растущие требования современной техники. От примитивного деревянного щита до металлических гигантов длиной более 100 метров – история тоннелепроходческих комплексов во многом является историей технического прогресса под землей.
2. Типы тоннелепроходческих комбайнов (ТБМ)
Выбор правильного типа ТБМ является одним из важнейших факторов при проектировании и строительстве тоннеля. Не все ТБМ одинаковы и не предназначены для одних и тех же условий. Выбор зависит, прежде всего, от типа местности, поведения скального массива или грунта, подлежащего выемке, наличия грунтовых вод и конструктивных требований проекта.
2.1. ТБМ давления заземления или Баланс давления
Наземный (Баланс Давления EPB-Земля)
Этот тип ТБМ был разработан для проведения земляных работ на мягких, сплоченных почвах с низким содержанием воды. Основной принцип работы заключается в использовании того же вырытого материала, еще не полностью удаленного с фасада, для создания сбалансированного давления, поддерживающего поверхность туннеля. Почва смешивается со стабилизирующими веществами (такими как пены или полимеры) в камере выемки грунта, образуя пасту, которая поддерживает постоянное давление.
В мягких, связных грунтах предпочтительны тоннелепроходческие комбайны с опорой на давление грунта. В так называемых щитах для компенсации давления грунта (EPB) пластичной опорной средой служит гидросмесь извлекаемого грунта. Это выравнивает давление в забое, предотвращает неконтролируемое проникновение грунта в комбайн и создает предпосылки для быстрой выемки грунта без осадки.
Винтовой конвейер для выгрузки извлеченного материала является характерным технологическим процессом для всех грунтовых щитов.
Особенностью щитов для защиты грунта от давления является непосредственное использование извлеченного грунта в качестве опорной среды. Этот метод применяется преимущественно в связных грунтах с высоким содержанием глины или ила и низкой водопроницаемостью. Вращающийся режущий диск, оснащенный инструментом, прижимается к рабочей поверхности и разрыхляет грунт. Грунт поступает в камеру через отверстия, где смешивается с имеющимся земляным шламом. Смесительные лопасти режущего диска и прижимная стенка перемешивают смесь до нужной консистенции. Давление подающих цилиндров передается на земляной шлам через прижимную стенку. Когда внешнее давление грунта и воды становится равным давлению земляного шлама, достигается необходимое равновесие. Шнек транспортирует извлеченный материал со дна камеры на конвейерную ленту. Давление земляного шлама можно точно регулировать, регулируя скорость подачи шнека и скорость движения. Состояние равновесия постоянно контролируется датчиками давления грунта в камере выемки. Это позволяет оператору машины оптимально координировать все параметры выемки даже в изменяющихся геологических условиях. Это позволяет достигать высоких скоростей движения грунта и минимизировать риск проседания поверхности.
Идеальные геотехнические условия:
Связные глины и илы.
Грунты с низкой проницаемостью.
Городские условия, где требуется минимальная осадка поверхности.
Преимущества:
Эффективный контроль забоя котлована.
Снижает риск обрушения и проседания.
Идеально подходит для густозастроенных городских территорий.
Ограничения:
Неэффективен в высокопроницаемых или несвязных грунтах.
Требуется точное и постоянное перемешивание грунта с добавками для поддержания давления.
ТБМ под давлением грунта (EPB) представляют собой узкоспециализированное решение для прокладки туннелей в неконсолидированной, насыщенной или со значительным присутствием мелководья местности, типичного для городских сред или осадочных бассейнов, подобных тем, которые встречаются во многих городах Латинской Америки. Его конструкция основана на ключевом принципе: сбалансировать (уравновешивании) давление фронта выемки грунта с давлением окружающей местности , чтобы предотвратить проседание, обрушение или проникновение воды в сложных геотехнических условиях.
ИСПОЛЬЗОВАТЬ: Сердцем системы EPB является герметичная камера выемки, которая поддерживает баланс давления, регулируя подачу фрезы и скорость шнека. Извлекаемый материал, оставаясь в пластичном состоянии внутри камеры, служит активной опорой для забоя, обеспечивая устойчивость тоннеля во время проходки. Для достижения этого условия грунт должен содержать достаточное количество мелких фракций и влаги. В противном случае для изменения свойств грунта используются добавки (например, бентониты, полимеры или пенообразователи), которые превращают его в пластичную и однородную смесь.
2.1.1 С технической точки зрения, ТБМ с EPB обладают множеством преимуществ:
Они обеспечивают непрерывную и безопасную выемку грунта в городских условиях с минимальным воздействием на поверхность, снижая риск осадки или повреждения существующих сооружений.
Их система немедленной установки обсадных труб с использованием готовых сегментов обеспечивает быструю и эффективную поддержку туннеля.
Они подходят для проходки значительных протяжённостей при условии обеспечения бесперебойной подачи и извлечения материала.
Они оснащены системами мониторинга в режиме реального времени, которые позволяют регулировать рабочие параметры в соответствии с состоянием массива и поведением туннеля.
Однако они не лишены существенных технических ограничений:
Их оптимальная производительность в значительной степени зависит от однородности рельефа, и они менее эффективны при наличии скальных блоков, валунов или сильно неоднородных слоёв.
Они требуют значительной вспомогательной инфраструктуры, включая заводы по производству сегментов, обработку вынутого материала и логистику входящих потоков.
Первоначальные инвестиции высоки, поэтому их использование оправдано только в проектах с высокими техническими требованиями или большой протяженностью.
ТБМ с электроприводом (EPB) представляют собой высокоточный и безопасный инструмент для земляных работ, идеально подходящий для плотной городской застройки и мягких и связных грунтов, где приоритетными задачами являются защита поверхности и обеспечение непрерывности работы. Их применение должно быть тщательно оценено с учетом геотехнических, экономических и логистических критериев, поскольку их технологическая сложность требует тщательного планирования, междисциплинарной интеграции и высокой квалификации операторов. В городских условиях, таких как Сантьяго (Чили), их использование может быть целесообразным при будущем расширении метрополитена, но всегда должно учитывать баланс геологических рисков, технических преимуществ и сопутствующих затрат.
2.2. ТБМ давления шлама (TBM для защиты от шлама)
ТБМ с напором осадка, также известная как ТБМ с шламовым покрытием, представляет собой туннельную машину, предназначенную для земляных работ на неконсолидированных, высоконасыщенных или плохо сцепляемых грунтах, таких как рыхлые пески, гравий или аллювиальные почвы, для поддержания устойчивости фронта земляных работ путем впрыскивания и контроля суспензии шлама на водной основе бентонит или полимеры. Этот шлам, помимо того, что действует как средство транспортировки выкопанного материала, выполняет важную структурную функцию: уравновешивает давление грунта и грунта. грунтовые воды, которые воздействуют на переднюю часть, тем самым предотвращая обрушение туннеля во время прорыва. Система Slurry Shield работает по принципу гидравлического повышения давления. В его передней камере бентонитовый шлам поддерживается при регулируемом давлении, контролируемом датчиками и напорными насосами, которое противодействует внешним воздействиям окружающего массива . Выкопанный материал, смешанный с осадком, транспортируется по сети трубопроводов на установку для разделения, расположенную на поверхности, где они разделяются твердые вещества в жидкости. Очищенный шлам рециркулируется в туннельную машину для повторного использования, тем самым замыкая непрерывный гидравлический контур. Режущая головка этого типа TBM оснащена режущими дисками, скребковыми инструментами и уплотнительными элементами, которые позволяют работать в очень сложных условиях, особенно при высоком уровне грунтовых вод или на грунтах, склонных к неконтролируемому потоку. В отличие от ТБМ давления грунта (EPB), шламовые щиты способны более эффективно обрабатывать выемку грунтов в несвязанных почвах, поскольку они не они зависят не от пластичности вырытого грунта, а от гидравлического регулирования несущей жидкости
Одной из наиболее отличительных особенностей этих машин является их способность выдерживать высокие напоры, что особенно важно при строительстве пересечений рек, каналов, озер, прибрежных зон или высокопроницаемых грунтов. Однако это также требует гораздо более сложной системы обеспечения, как с точки зрения техники, так и логистики: требуются насосы высокого давления, резервуары для хранения, шламомешалки, центрифуги и системы фильтрации, а также тщательное планирование обработки извлеченных отходов.
ТБМ Slurry Shield — это высокоспециализированная комплексная система подземной проходки, сочетающая в себе гидравлические технологии, передовые геотехнические решения и автоматизированное управление для обеспечения безопасной проходки тоннелей в крайне сложных условиях. Успех её работы зависит от тщательной интеграции машины, свойств грунта и опорной инфраструктуры.
2.2.1. Основные компоненты системы подачи пульпы
ТПМ для подачи пульпы состоит из нескольких узкоспециализированных систем, которые
совместно работают для разработки грунта, создания давления в забое, транспортировки материала и поддержания структурной устойчивости тоннеля. Наиболее важными компонентами являются:
Режущая головка: установлена ??спереди, с режущими инструментами
(дисками, скребками, расширителями), адаптированными к типу грунта. Она вращается с помощью гидравлических двигателей, разрушая грунт.
Камера: герметичное пространство за головкой, где баланс давления поддерживается бентонитовым раствором. Здесь извлеченный материал смешивается с жидкостью.
Гидравлическая транспортная система: сеть всасывающих и возвратных трубопроводов, соединяющая камеру с поверхностной сепарационной установкой. Она работает с помощью пульповых насосов высокого давления.
Передняя система уплотнения: критически важный элемент, который изолирует камеру давления от остальной части машины, предотвращая утечки раствора и поддерживая постоянное внутреннее давление.
Установка для сепарации шлама: вспомогательная установка, расположенная на поверхности, которая отделяет извлеченный шлам от шлама с помощью гидроциклонов, вибрационных грохотов, центрифуг и резервуаров для хранения.
Система сегментного кольца: как и в других тоннелепроходческих комплексах, за щитом устанавливается сегментная крепь, обычно из сборных железобетонных сегментов.
2.2.2. Рабочий цикл выемки грунта
Процесс выемки грунта шламовой ТПМК следует четко определенной последовательности:
Выемка грунта в забое: головка вращается и проникает в грунт, дробя материал.
Одновременно шлам подается в камеру через управляемые клапаны, заполняя
созданное пространство.
Поддержание давления в забое: смесь шлама и извлеченного материала образует «шлам», который действует как опора. Давление шлама динамически регулируется для уравновешивания давления грунта и грунтовых вод.
Извлечение материала: загруженный шлам откачивается насосами в разделительную установку. Твердые частицы удаляются, а чистый шлам рециркулируется.
Установка крепи: после прохождения определенного расстояния выемка грунта прекращается и устанавливается сегментное кольцо. Это обеспечивает устойчивость тоннеля перед продолжением работ.
Возобновление движения: процесс возобновляется с новыми параметрами, если рельеф изменился. ТПМ движется за счёт гидравлического упора установленных колец.
2.2.3. Контроль давления в забое
Ключевым элементом, отличающим шламовую ТБМ от других технологий, является система контроля давления в забое, которая должна быть чрезвычайно точной. Она включает в себя:
Датчики давления и уровня: Расположенные в камере и на трубопроводах для бурового раствора, они позволяют контролировать гидравлическое давление и выявлять возможные потери или превышения.
Автоматические регулирующие клапаны: Они регулируют приток и отток бурового раствора в зависимости от давления в горных породах. Недостаточное давление может привести к обрушению забоя, а избыточное — к гидроразрыву пласта.
Тройной баланс: Система стремится поддерживать баланс между:
поровым давлением в грунте;
эффективным давлением в массиве;
поддерживающим давлением бурового раствора.
Этот контроль должен осуществляться в режиме реального времени и адаптироваться к каждому метру проходки, особенно в зонах с высокой проницаемостью или вблизи источников воды.
2.2.4. Управление и повторное использование шлама
Шлам готовится из смеси бентонита, воды и, в некоторых случаях, полимеров, образуя тиксотропную суспензию со специфическими свойствами:
Высокая вязкость для поддержки стенок.
Контролируемая плотность для компенсации давления на грунт.
Способность транспортировать твердые частицы без преждевременного осаждения.
После обработки извлеченный шлам возвращается в тоннелепроходческую машину, замыкая цикл. Эта система требует большой площади поверхности и тщательного управления окружающей средой для предотвращения загрязнения.
2.2.5. Взаимодействие с грунтом
ТПМ не «реагирует» на грунт, как ЭГП (использующий в качестве опоры сам вынутый грунт), а создает активное гидравлическое давление, действующее непосредственно на забой.
Эта способность создавать контролируемый гидравлический барьер позволяет ему успешно работать в:
Рыхлых несвязных грунтах.
Насыщенных песках или в грунтах с высоким давлением воды.
Мелкозернистых гравиях и высокопроницаемых аллювиальных породах.
На подводных переходах, в тоннелях ниже уровня грунтовых вод или под водоемами.
Однако необходим постоянный мониторинг поведения массива и системы подачи пульпы. Дисбаланс может привести к таким явлениям, как:
Потеря давления и обрушение забоя.
Неконтролируемые выбросы (прорывы) на поверхность.
Переливы или утечки из-за плохой герметизации.
Система Slurry Shield представляет собой один из самых передовых механизированных методов разработки грунта, идеально подходящий для условий со сложными гидрогеологическими условиями. Её внедрение требует высокопрофессионального подхода, продуманной логистики и глубокого понимания взаимодействия грунта, жидкости и оборудования. Несмотря на высокую стоимость эксплуатации, её эффективность в плане безопасности, точности и управляемости на сложных рельефах делает её незаменимой во многих городских проектах и ??проектах строительства критически важной инфраструктуры.
2.3. ТБМ Абьерта (Открытая ТБМ или каменная ТБМ)
Открытая TBM, также называемая Rock TBM (по названию на английском языке “Rock Tunnel Boring Машина”), представляет собой тип туннельной машины, специально разработанной для механизированных проходок туннелей в компетентных или частично трещиноватых горных массивах, где грунт обладает достаточной структурной устойчивостью , чтобы не требовать активного опорного давления на фронте земляных работ. В отличие от закрытых систем (таких как EPB или Slurry), этот тип TBM не использует жидкость или смесь под давлением для поддержания передней части, поскольку его работа основана на способность скального массива сохранять устойчивость в процессе раскопок.
Эта система в основном используется в туннелях большой протяженности при благоприятных геомеханических условиях, таких как транспортные туннели, гидроэнергетическая инфраструктура, глубоководная разработка полезных ископаемых или горные перевалы. Установка Rock TBM работает в режиме непрерывной подачи с прямым удалением выкопанного материала с использованием высокопрочных режущих инструментов и механических транспортных систем.
2.3.1. Конструкция и основные компоненты
Типичная конфигурация открытого ТБМ состоит из следующих ключевых элементов:
Режущая головка: Это вращающаяся передняя часть машины. В скальных ТБМ она оснащена закаленными стальными дисковыми резцами, расположенными радиально, которые дробят и разрушают породу путем сжатия и сдвига. Расположение дисков зависит от прочности, абразивности породы и размера выработки.
Передний щит: Обеспечивает жесткость и направление системы. Хотя он не несет давления, он помогает стабилизировать машину во время выемки.
Система движения: Гидравлические цилиндры толкают машину вперед, используя ранее установленное сегментное кольцо или башмаки, прижимая их к вырытому тоннелю, передавая усилие на режущую головку.
Система транспортировки отвалов: Горная порода (так называемая порода), полученная в результате резания, собирается вращающимися ковшами или системами сбора в передней части и транспортируется на ленточный конвейер или самосвальные вагонетки, расположенные сзади.
Система вентиляции: Как и при любых подземных работах, принудительная вентиляция необходима для обеспечения безопасных условий, особенно из-за образования пыли во время резки горных пород.
Система крепи: В зависимости от поведения массива может быть установлена ??временная крепь (металлические арки, анкерные болты, проволочная сетка), а на более поздних этапах – окончательная крепь из торкрет-бетона или сегментного бетона. Однако во многих случаях проложенный тоннель можно эксплуатировать без непосредственной крепи на протяжении нескольких метров, в зависимости от геотехнического проекта.
2.3.2. Механизм выемки грунта
Процесс выемки грунта с использованием ТБМ основан на приложении тангенциальных и нормальных сил через режущие диски к поверхности породы. Резка происходит за счёт концентрации давления в определённых точках, что приводит к образованию микротрещин, которые распространяются и фрагментируют породу, позволяя ей отколоться.
Этот процесс инденторного резания особенно эффективен при работе с породами средней и высокой твёрдости, такими как граниты, базальты, сланцы или плотные песчаники. Энергия, необходимая для выемки грунта, зависит от прочности горного массива на простое сжатие (UCS) и абразивности материала. Поэтому для прогнозирования производительности ТБМ и планирования технического обслуживания дисков необходимо провести предварительные геомеханические испытания.
2.3.3. Геологические условия применения
Открытые ТБМ предназначены для работы в грунтах со связной структурой, где отсутствует непосредственный риск обрушения забоя или неконтролируемого проникновения воды или рыхлого материала. Типичные сценарии включают:
Неповрежденные или массивные породы с низкой трещиноватостью.
Частично трещиноватые, но устойчивые скальные массивы со значительной структурной прочностью.
Сухие подземные среды или среды с контролируемой фильтрацией.
Отсутствие рыхлого материала, активных зон разломов или высокого уровня грунтовых вод без значительного давления.
Хотя открытые ТБМ могут включать дренажные системы или профилактические инъекции, их эффективность снижается при наличии мягких вкрапленных зон, открытых разломов, зон сдвига или каверн, которые могут поставить под угрозу целостность забоя.
2.3.4. Типы ТБМ по конфигурации
ТБМ открытого типа также можно классифицировать по степени структурной поддержки:
ТБМ открытого типа: не имеет окружающего щита или активного опорного давления. Требует хорошего качества горной массы. Идеально подходит для туннелей в сплошных крепких породах.
ТБМ с двумя щитами: сочетает в себе два щита: один позволяет одновременно устанавливать обделку при движении машины, а другой направляет основной корпус. Это полезно, когда ожидается устойчивая порода, но требуется непрерывная установка обделки без остановки движения.
ТБМ с одним щитом: имеет полный щит, но может устанавливать обделку только при остановке движения. Используется в промежуточных условиях.
2.3.5. Технические преимущества системы открытого тоннелепроходческого комплекса
Высокая скорость проходки в прочных скальных массивах.
Низкий расход добавок и обработки грунта, поскольку не требуется буровой раствор, пена или химическая обработка.
Меньшая осадка поверхности, поскольку порода не склонна к быстрому разрушению.
Надежная система резания, особенно при надлежащем профилактическом обслуживании.
Применение на больших расстояниях, что позволяет прокладывать обширные тоннели с высокой производительностью.
2.3.6. Эксплуатационные ограничения
Чувствительность к неожиданным геологическим изменениям, таким как зоны разломов, просадочные грунты или высокие уровни воды.
Сложность работы в сложных гидрогеологических условиях без фронтальной крепи.
Повышенное пыле- и шумообразование, требующее надежных систем вентиляции.
Зависимость от исчерпывающей геотехнической характеристики, поскольку система не обладает гибкостью в условиях изменчивости рельефа.
Открытая тоннелепроходческая машина (ТПМК) – чрезвычайно эффективная технология выемки грунта при использовании в соответствующих геомеханических условиях. Относительная простота, высокая производительность в скальных породах и низкая потребность в системах активной поддержки делают её предпочтительным вариантом для проектов большой протяженности и прокладки тоннелей в устойчивых скальных массивах. Однако её применение требует точного знания местной геологии, структурированного планирования и гибкости для внедрения дополнительных решений при возникновении проблемных участков. Её производительность и безопасность напрямую зависят от однородности скального массива, производительности режущей системы и управления геологическими опасностями во время выемки грунта.
3. Выбор системы ТБМ на основе геомеханических условий
Выбор наиболее подходящего типа тоннелепроходческого комплекса (ТБМ) для проекта не является произвольным или исключительно экономическим решением. Это результат тщательного технического анализа, который должен учитывать геологические, геотехнические и гидрогеологические характеристики местности, через которую будет проходить тоннель. Состояние массива определяет не только возможность механизированного продвижения, но и устойчивость забоя, способ крепления, требуемое опорное давление и риск обрушения или подтопления.
3.1. Критические геомеханические факторы при выборе ТБМ
Выбор подходящего типа тоннелепроходческого комплекса (ТБМ) для подземного проекта не может быть сделан в отрыве от геологических и геотехнических условий маршрута. Характер разрабатываемого массива, его механические свойства, наличие грунтовых вод, литологические и структурные изменения, а также геодинамические риски существенно определяют производительность, безопасность и техническую целесообразность конкретного ТБМ. Поэтому крайне важно разработать комплексную, многомасштабную геомеханическую характеристику, позволяющую принимать обоснованные решения и прогнозировать непредвиденные обстоятельства.
3.1.1. Прочность горных пород или грунтов на одноосное сжатие (UCS)
Прочность горных пород или грунтов на одноосное сжатие (UCS) является одним из наиболее широко используемых параметров для оценки способности ТБМ проникать в массив. В крепких породах (UCS > 100 МПа) производительность резания снижается, что требует использования головки с высокопроизводительными режущими дисками, высокой установленной мощностью и прочностью конструкции режущей головки. В этих случаях предпочтительны открытые ТБМ (скальные ТБМ) с мощными режущими системами. Напротив, в материалах с низкой прочностью (UCS < 5 МПа), таких как мягкие глины или аллювиальные грунты, образование обломков контролируемого размера и формы затруднено, а риск обрушения забоя увеличивается. В этих случаях необходимо использовать ТБМ с давлением грунта (EPB) или щиты для гидроразрыва, которые поддерживают устойчивость за счет давления и кондиционирования грунта.
3.1.2. Индекс абразивности горных пород (CAI)
Абразивность грунта напрямую влияет на срок службы режущего диска, эксплуатационные расходы и частоту технического обслуживания. Высокий уровень абразивности приводит к повышенному износу инструмента, простоям из-за его замены и необходимости частого доступа к режущей головке. На высокоабразивных грунтах следует выбирать машины с безопасными системами фронтального вмешательства (напорными для закрытых тоннелепроходческих комплексов) и головками, изготовленными из закаленных материалов или со специальными покрытиями.
3.1.3. Степень трещиноватости и геомеханическая классификация (RQD, Q, RMR)
Такие системы классификации, как обозначение качества горных пород (RQD), Q Бартона или RMR Бенявского, позволяют оценить устойчивость тоннеля на основе степени трещиноватости, прочности на разрыв и гидрогеологических условий. В грунтах с высоким геомеханическим качеством (RQD > 75%, Q > 10) проходка открытыми ТБМ может осуществляться без немедленного крепления. В трещиноватых или слабых массивах предпочтительно использовать однощитовые или двухщитовые ТБМ, которые позволяют устанавливать крепь по мере продвижения, обеспечивая безопасность конструкции. Если ожидаются неоднородные зоны или литологические переходы, крайне важно выбирать ТБМ с эксплуатационной гибкостью, например, комбинированные ИБМ или гибридные ТБМ, адаптируемые к различным типам материалов.
3.1.4. Наличие грунтовых вод и поровое давление
Уровень грунтовых вод и поровое давление в забое котлована существенно влияют на поведение массива. В водонасыщенных, рыхлых грунтах или грунтах с активным водопритоком возрастает риск разжижения, обрушения забоя или выноса грунта на поверхность (выбросы).
В этих случаях обязательно использование закрытых напорных тоннелепроходческих комплексов (EPB или шламовых), способных уравновешивать внешнее давление за счет текучего или кондиционированного грунта.
В сухих грунтах или с незначительной фильтрацией может быть достаточно открытого тоннелепроходческого комплекса.
При пересечении ограниченных водоносных горизонтов, подземных рек или карстовых зон следует рассмотреть специальные меры, такие как инъекции для укрепления, предварительное замораживание или перепроектирование трассы.
3.1.5. Пластичность и поведение извлекаемого грунта
В мелкосвязных грунтах (глинах, илах) поведение извлекаемого материала влияет на способность системы EPB поддерживать забойное давление при использовании кондиционированной пасты.
Необходимо охарактеризовать такие параметры, как индекс пластичности (PI), содержание мелкодисперсных частиц (<63 мкм), естественная влажность и реология грунта.
В несвязных грунтах (песках, гравии) системы EPB имеют ограничения, поскольку извлекаемый материал не образует достаточно устойчивую массу. В этих случаях предпочтительно использовать шламовые тоннелепроходческие комплексы с гидравлическим подпором.
3.1.6. Тектоника и геологическое строение: разломы, складки, зоны сдвига
Пересечение геологических структур, таких как активные разломы, литологические контактные зоны или зоны сдвига, может привести к локальным обрушениям, водопритоку или неравномерным деформациям тоннеля. Выбранный ТБМ должен учитывать:
• Способность быстрого реагирования на непредсказуемые условия.
• Системы профилактического инъектирования или немедленной герметизации.
• Гибкое рабочее давление (в закрытых ТБМ).
• Возможность безопасного обслуживания призабойной зоны.
В целом, рекомендуется по возможности избегать расположения трассы в критических структурных зонах или разработки специального плана управления геологическими рисками.
3.1.7. Давление на грунт и защитное покрытие тоннеля
Глубина тоннеля относительно естественного грунта определяет эффективное давление на забой, устойчивость тоннеля и тип необходимой крепи. В неглубоких тоннелях с небольшим количеством защитного покрытия и сыпучих материалов увеличивается риск проседания или осадки поверхности. Предпочтительны закрытые ТБМ с точным контролем забоя.
В глубоких тоннелях, если массив устойчив, можно использовать скальные ТБМ без немедленного крепления. Однако высокое геостатическое давление может привести к сближению тоннелей, что потребует использования упругой сегментной крепи или ТБМ с двойным щитом.
3.1.8. Геотехническая изменчивость трассы тоннеля
Если трасса тоннеля включает участки с контрастной литологией (от скальных пород до грунтов, от песка до глины и т. д.), требуется тип ТБМ, способный работать в смешанном режиме или обладающий адаптивными механизмами. В этих случаях обычно используются:
Гибридные ТБМ с двумя режимами работы (например, EPB, способный частично работать в скальных породах).
Модульная конструкция головки со сменными сегментами в зависимости от литологии.
Исследования литологических переходов для предварительного планирования изменений в эксплуатации.
Выбор ТБМ не может основываться исключительно на экономических или логистических критериях, а должен быть подкреплен комплексной геомеханической оценкой всей трассы тоннеля. Эта оценка должна включать исследования механики горных пород и грунтов, гидрогеологию, структурную характеристику и геотехническое моделирование. Подходящая ТБМ должна быть такой, которая может работать безопасно, непрерывно и эффективно в ожидаемых геологических условиях, а также способна адаптироваться к непредвиденным событиям.
Короче говоря, глубокое понимание горного массива, его динамических и структурных свойств — истинная движущая сила успешного выбора ТБМ. Неправильная характеристика или выбор, не учитывающий эти факторы, может привести к многомиллиардным убыткам, длительным простоям и даже необратимым разрушениям конструкции тоннеля.
4. Выбор ТБМ в зависимости от типа местности
Выбор наиболее подходящего типа ТБМ для проходки тоннеля во многом зависит от типа местности, проходимой по маршруту: твердые породы, сыпучие грунты, пластичные глины, смешанные породы, зоны просадочности или водонасыщенные грунты. Это решение не только технически влияет на эффективность проходки, но и определяет такие ключевые аспекты, как несущие конструкции тоннеля, система эвакуации извлеченного материала, риски обрушения или проседания, а также необходимые меры по локализации.
Ниже описан оптимальный выбор типа ТБМ в зависимости от преобладающего типа местности с учетом геомеханических характеристик, сопутствующих рисков и технических обоснований выбора для каждого конкретного случая.
4.1. Крепкие и прочные породы (крепкие породы)
Характеристики рельефа
• Высокая прочность на сжатие (UCS > 100 МПа)
• Низкая или умеренная трещиноватость
• Низкая или нулевая деформируемость
• Как правило, без значительного давления воды
Рекомендуемый тип ТБМ
• Открытая ТБМ (открытая ТБМ или скальная ТБМ)
• В отдельных случаях: ТБМ с двумя щитами
Обоснование
В скальных массивах с хорошими геотехническими свойствами (RQD > 75%, Q > 10) механизированная выемка грунта может осуществляться без приложения давления к забою. ТБМ открытого типа предназначены для эффективной работы в таких условиях, дробя породу режущими дисками с минимальным риском обрушения.
Когда требуется высокая скорость продвижения и одновременная установка сегментированной облицовки без остановки машины, можно выбрать ТБМ с двумя щитами, что позволяет выполнять обе операции параллельно. Это эффективная стратегия в длинных тоннелях, где целью является оптимизация времени.
4.2. Трещиноватые, деформируемые или находящиеся в зоне разломов породы
Характеристики рельефа
• Низкая допустимая глубина залегания (<50%)
• Высокая плотность разрывов
• Наличие сдвигов, выемок или зон смятия
• Риск локальной неустойчивости и схождения тоннеля
Рекомендуемый тип ТБМ
• ТБМ с одним щитом
• ТБМ с двумя щитами (при чередовании устойчивых и трещиноватых зон)
Обоснование
На местности, где скальные породы трещиноваты или деформированы, существует большая вероятность обрушения породы или схождения вырытого тоннеля. В этих случаях ТБМ должен действовать как структурный щит для защиты бригады и обеспечения немедленной установки крепи.
ТБМ с одним щитом может продвигаться, не оказывая лобового давления, но обеспечивает защиту по периметру во время установки сегментов. Благодаря чередованию устойчивых и неустойчивых секторов, двухщитовой ТБМ обеспечивает гибкость, необходимую для адаптации к обеим средам.
4.3. Мягкие связные грунты: глины, пластичные илы
Характеристики грунтов
• Высокая пластичность (PI > 15%)
• Низкая проницаемость
• Высокая естественная связность
• Риск пластической деформации или засорения
Рекомендуемый тип ТБМ
• ТБМ с балансировкой давления грунта (ЭБП)
Обоснование
В связных грунтах, таких как мягкие глины или высокопластичные илы, поверхность выемки имеет тенденцию к текучести, что создает риск обрушения при отсутствии должного баланса давления. Система ЭБП поддерживает баланс между давлением грунта и давлением, оказываемым вынутым материалом в камере выемки, образуя стабильную пастообразную массу, предотвращающую утечки и проседание.
Кроме того, ТБМ с ЭБП эффективна для грунтов с низким содержанием песка, поскольку не требует использования жидкостей для поддержания давления, а использует кондиционирование самого вынутого материала (при необходимости с использованием пен или полимеров).
4.4. Несвязные зернистые грунты: пески, сухие гравийные отложения
Характеристики грунта
• Низкое сцепление
• Высокая проницаемость
• Высокий риск обрушения забоя
• Сложность поддержания стабильного давления с помощью EPB
Рекомендуемый тип ТБМ
• ТБМ с гидроизоляционным щитом (Mud Pressure)
Обоснование
В песчаных или гравийных, сухих или водонасыщенных грунтах материал не обладает естественным сцеплением, что затрудняет контроль давления забоя с помощью EPB. В этих случаях ТБМ с гидроизоляционным щитом (Slurry TBM) идеально подходит, поскольку он использует замкнутую гидравлическую систему с бентонитовой суспензией для стабилизации забоя, контроля утечек и откачки извлеченного материала из извлеченного шлама.
Система гидроизоляционного щита высокоэффективна при высоком уровне грунтовых вод, в просадочных грунтах или при риске проседания поверхности. 4.5. Неоднородные или переходные рельефы (смешанные условия забоя)
Характеристики рельефа
• Чередование горных пород и грунтов
• Границы раздела горных пород и грунтов в одном разрезе
• Высокая литологическая изменчивость
• Резкие изменения механических свойств
Рекомендуемый тип ТБМ
• Гибридный ТБМ (Mixshield)
• Система EPB, адаптированная для смешанного режима
• В некоторых случаях пульпопровод со смешанным напором
Обоснование
Трассы, проходящие по смешанному забою, представляют огромные эксплуатационные сложности, поскольку сочетают в себе свойства скальных пород и мягкого грунта. В таких ситуациях требуются гибкие ТБМ, способные менять режимы выемки в зависимости от рельефа местности.
Системы ТБМ Mixshield или EPB со смешанным напором позволяют регулировать давление на забой, изменять стратегию резания и кондиционировать грунт в соответствии с поперечным сечением. Конструкция напора должна учитывать оба типа материала (режущие диски + инструменты для мягких грунтов).
4.6. Водонасыщенные или высоконапорные грунты
Характеристики рельефа
• Высокий уровень грунтовых вод
• Возможная связь с напорными водоносными горизонтами
• Риск выброса или сифонирования
• Высокое давление воды в забое
Рекомендуемый тип ТБМ
• ТБМ с гидроизоляционным щитом
• Альтернатива: ТБМ с гидроизоляционным щитом под давлением + закачка или предварительное замораживание
Обоснование
Когда тоннель пересекает водонасыщенные участки или участки со значительным гидравлическим давлением, риск обрушения забоя и потери давления очень высок. В таких случаях ТБМ с гидроизоляционным щитом незаменимы, поскольку они работают с активными системами гидравлической компенсации, позволяющими точно контролировать давление в камере.
В некоторых случаях, если грунт допускает образование устойчивой массы гидросмеси, ТБМ с гидроизоляционным щитом может быть осуществим, хотя для этого потребуются дополнительные методы, такие как закачка герметика, обработка грунта или даже искусственное замораживание в критических точках.
Правильный выбор типа ТБМ с учётом особенностей рельефа местности — один из важнейших залогов успеха любого проекта подземных горных работ. Не существует универсального тоннеля, и любые геологические условия требуют тщательной технической оценки, основанной на надёжных геомеханических параметрах и детальных гидрогеологических исследованиях. Выбор неправильной системы может привести к длительным простоям, эксплуатационным отказам, увеличению затрат и даже к обрушению конструкции.
Раннее взаимодействие геологов, геотехников, проектировщиков и операторов ТБМ имеет решающее значение для обеспечения решения, которое не только работает в идеальных условиях, но и готово безопасно реагировать на неизбежную неопределенность недр.
Ниже представлена ??сравнительная таблица технических характеристик ТБМ с EPB и шламовыми ТБМ, в которой основное внимание уделяется принципам их работы, геотехническим условиям использования, преимуществам, ограничениям и типичным областям применения. Это сравнение может служить вспомогательным материалом для технических исследований, принятия решений при проектировании подземных сооружений или обучения студентов, изучающих гражданское или геотехническое строительство. Выбор между ТБМ с EPB и шламовыми ТБМ напрямую зависит от геотехнических условий, уровня грунтовых вод, однородности грунта, а также городских и экологических ограничений проекта. В таких условиях, как Сантьяго, где преобладают неоднородные аллювиальные грунты с валунами и изменчивыми слоями, применение ТБМ с EPB может быть ограничено без интенсивного кондиционирования грунта. Однако на более водонасыщенных или рыхлых участках ТБМ с шламовыми ТБМ обеспечит лучшую защиту от протечек и обрушений.
5. Гидрологические соображения при использовании системы ТБМ
Гидрогеология разрабатываемого массива является одним из наиболее влиятельных факторов при планировании и строительстве тоннеля с использованием ТБМ. Наличие грунтовых вод, их давление, скорость потока, проницаемость материалов и взаимодействие воды с пустотами, образующимися при выемке грунта, представляют собой значительные трудности как с технической точки зрения, так и с точки зрения безопасности. В этом контексте гидрогеологический анализ должен быть комплексным, междисциплинарным и применяться в локальном масштабе проекта тоннеля.
Конструкция типа ТБМ, технология защиты забоя, гидроизоляция тоннеля и строительные решения в значительной степени зависят от гидрологических условий грунта, которые описаны ниже с учетом их влияния на выемку грунта.
5.1. Уровень грунтовых вод и глубина тоннеля
Уровень грунтовых вод (или пьезометрический уровень в стесненных условиях) определяет верхнюю границу водонасыщенной зоны грунта. При расположении тоннеля ниже уровня грунтовых вод, выемка проходит через водонасыщенные или полностью гидростатически сжатые породы, что приводит к нескольким последствиям:
Давление воды на забое выемки, которое может дестабилизировать грунт или вызвать явления сифонирования.
Риск неконтролируемого попадания воды в тоннель, что затрудняет ход работ и может вызвать эрозию или мелкодисперсный размыв (трубопровод).
Необходимость баланса давления между внутренней и внешней частями выемочной камеры.
При расположении тоннеля выше уровня грунтовых вод эти риски значительно снижаются, но не исчезают полностью, поскольку могут присутствовать локальные висячие водоносные горизонты, инфильтрация из-за разломов или зоны подпитки, которые вызывают непредвиденные потоки.
5.2. Проницаемость грунта
Проницаемость — ключевой параметр, определяющий лёгкость фильтрации воды через пористую или трещиноватую среду. Она выражается коэффициентом проницаемости (k), обычно в м/с. В зависимости от проницаемости грунта можно выделить следующие сценарии:
Высокая проницаемость (k > 10?? м/с)
Грунтовые породы (пески, гравий), карстовые породы, сильнотрещиноватые материалы.
Требуется значительный поток воды к забою.
Требуются закрытые напорные ТБМ, такие как Slurry Shield или EPB с эффективным давлением.
Высокий риск неустойчивости забоя, сифонирования или обрушения грунта.
Средняя проницаемость (10?? м/с < k < 10?? м/с)
Илы, мелкозернистые пески, глины с определённой степенью трещиноватости. Возможно постепенное просачивание, приводящее к повышению давления в камере.
Могут быть использованы ТБМ с электроприводом или пульпой при тщательном контроле баланса давления.
Требуется постоянный мониторинг гидравлического градиента.
Низкая проницаемость (k < 10?? м/с)
Пластичные глины, мергели, массивные породы без трещин.
Минимальный расход воды, низкое гидравлическое взаимодействие.
Во многих случаях нет необходимости поддерживать давление в забое, и можно использовать ТБМ открытого типа при условии подходящего грунта.
5.3. Гидростатическое давление на забой
Давление воды, оказываемое на забой выработки, зависит от глубины залегания грунтовых вод и плотности воды и рассчитывается по формуле:
Это давление должно быть выровнено или компенсировано
ТБМ для предотвращения попадания воды, потери давления или деформации грунта. Закрытые ТБМ работают, постоянно поддерживая это давление:
В ТБМ с погружным погружателем давление поддерживается самим извлекаемым материалом, уплотненным внутри камеры горной массы.
В шламовых ТБМ оно поддерживается гидравлически нагнетаемой смесью воды, бентонита и добавок.
5. 4. Поток грунтовых вод и направление градиента
Гидрогеологический анализ также должен учитывать направление потока грунтовых вод, его скорость и потенциальные эффекты подпитки и разгрузки, вызванные проходкой туннеля.
Если поток перпендикулярен оси туннеля, создается прямое давление на поверхность и облицовку туннеля.
Если поток параллелен, это может вызвать прогрессирующую эрозию периметра туннеля и образование путей инфильтрации.
В районах с быстрым подпиткой (например, на склонах холмов или в городских районах с плохой водонепроницаемостью) скорость потока может непредсказуемо увеличиваться.
Поэтому на этапе проектирования рекомендуется использовать численные модели потока грунтовых вод (например, MODFLOW, SEEP/W) для моделирования различных гидравлических сценариев, особенно в условиях дождливого сезона, городской местности или чувствительной инфраструктуры.
5.5. Вода в зонах разломов или карстификация
Одним из наиболее опасных сценариев является наличие активных зон разломов, полостей,
карстовых каналов или каналов с преимущественным стоком. Эти структуры могут:
Направлять большие объемы воды в котлован.
Вызывать внезапные и неконтролируемые притоки воды и рыхлого материала (мгновенные обрушения).
Вызывать выбросы, если давление не компенсируется должным образом.
В этих случаях крайне важно предусмотреть такие меры, как:
Предварительное уплотнение с помощью инъекций непроницаемых растворов.
Системы раннего обнаружения полостей с использованием георадара (GPR) или сейсморазведки.
Перепроектирование трассы или искусственное предварительное замораживание, если угроза критическая.
5.6. Управление откачиваемой водой
Каждая ТБМ, работающая в водонасыщенных грунтах, должна включать эффективную систему управления водными ресурсами, которая включает:
• Внутренний дренаж для устранения утечек, возникающих во время строительства.
• Разделение твердой и жидкой фаз в пульпе, загружаемой ТБМ, с помощью циклонов или декантеров.
• Высокопроизводительные насосные системы для откачки воды на поверхность.
• Очистку загрязненной воды, особенно при использовании таких добавок, как бентонит, полимеры или пены, или если проект реализуется в городской местности.
Это управление нетривиально и может представлять собой значительную часть стоимости и сложности проекта.
5.7. Обратное давление на обделку
Давление грунтовых вод также действует на обделку тоннеля после её установки. Поэтому крайне важно:
• Проектировать сегментную обделку с водонепроницаемыми соединениями (резиновыми или гидрофильными).
• Выполнять водонепроницаемую обделку в зонах постоянного давления.
• Выполнять контактные инъекции между сегментами и окружающим грунтом для предотвращения перетока через выработку.
• Проводить испытания на герметичность в критических сегментах, таких как станции, переходы через реки или участки под зданиями.
Техническое заключение
Гидравлические условия нельзя рассматривать как второстепенную переменную при проходке тоннеля с использованием ТПМК. Они являются критически важной частью проекта, как с точки зрения выбора типа машины, так и стратегии строительства, системы крепи, управления рисками и эксплуатационных расходов. Недостаточная или неполная гидрогеологическая характеристика может привести к:
• Катастрофическому проникновению воды в тоннель,
• Размыву забоя и проседанию поверхности,
• Остановке горных работ из-за гидравлического обрушения,
• Разрушению крепи из-за некомпенсированного давления.
Таким образом, взаимодействие воды, грунта и оборудования необходимо оценивать на этапе концептуального проектирования, используя комбинированный геотехнический и гидрогеологический подход, а также применяя инструменты моделирования, имитирующие давление, потоки и возможные экстремальные сценарии.
6. Структурный контроль и геологическая адаптация макета
Структурный контроль и геологическая адаптация маршрута — два основополагающих аспекта, которые необходимо учитывать при планировании и строительстве тоннелей с использованием ТБМ. Оба направлены на обеспечение безопасного, эффективного и экономичного продвижения тоннеля, минимизацию геотехнических рисков, деформаций и возможных обрушений, при соблюдении графиков строительства и прогнозируемых затрат. Процесс основан на непрерывном мониторинге и динамических корректировках, которые вносятся в режиме реального времени по мере продвижения машины через различные литологические горизонты, зоны разломов или уровни давления.
6.1. Контроль конструкции тоннеля
Контроль конструкции означает способность гарантировать, что конструкция тоннеля
и ее элементы (режущая головка, щит, крепь и т. д.) смогут выдерживать нагрузки,
которые они будут испытывать во время выемки грунта, продвижения и последующих этапов.
6.1.1. Цели контроля конструкции
Предотвратить повреждение конструкции тоннелепроходческой машины и тоннеля из-за непредсказуемых геологических условий (зоны низкой прочности, наличие воды и т. д.).
Обеспечить устойчивость забоя и скального массива на протяжении всего процесса продвижения.
Предотвратить нежелательные движения грунта, такие как просадка или боковые деформации, которые могут повлиять как на машину, так и на близлежащие сооружения (в городских условиях).
Адаптировать тоннелепроходческую машину к изменениям рельефа местности без ущерба для безопасности эксплуатации.
6.1.2. Основные стратегии контроля состояния конструкции
Непрерывный мониторинг состояния забоя: С помощью геотехнических приборов (таких как датчики давления, акселерометры и лазерные измерительные приборы) устойчивость забоя контролируется в режиме реального времени. Это позволяет регулировать давление на опору, скорость продвижения или даже менять тип ТБМ при необходимости.
Контроль давления в забое: В ТБМ, работающих под давлением (с использованием погружного и пульпопроводного оборудования), давление в забое поддерживается в равновесии с внешним давлением для предотвращения обрушения грунта. Этот баланс достигается за счет постоянной регулировки объема извлекаемого материала и объема закачки бурового раствора или стабилизаторов. Датчики давления обеспечивают поддержание этого состояния на протяжении всего процесса выемки.
Непрерывная крепь: Установка колец крепи (бетонных сегментов) является одной из наиболее ответственных операций. Крепление устанавливается сразу после выемки, чтобы гарантировать сохранение формы тоннеля, предотвратить его деформацию и обрушение. Правильное выравнивание и регулировка сегментов — ключ к поддержанию устойчивости. Регулировка осевых усилий: Гидроцилиндры осевых усилий должны быть отрегулированы таким образом, чтобы ТБМ мог эффективно продвигаться, не создавая чрезмерной нагрузки на конструкции тоннеля. Синхронизация движения и крепи имеет решающее значение для успеха проекта.
6.1.3. Реагирование на непредвиденные условия
В процессе проходки тоннелепроходческая машина может столкнуться с непредвиденными геологическими условиями (например, неожиданно мягким слоем грунта или значительным разломом в скальной породе). В этих случаях управление структурой требует быстрой адаптации систем машины:
Регулировка давления на забой: если грунт становится более связным, давление в камере выемки увеличивается, чтобы предотвратить попадание материала в тоннель.
Изменение режима выемки: в более твердых или каменистых условиях можно переключиться на более агрессивный режим резания или даже активировать дополнительную систему бурения.
6.2. Геологическая адаптация плана
Геологическая адаптация плана подразумевает корректировку конструкции и выполнения тоннеля в соответствии с геологическими характеристиками проходимой местности. Каждое изменение геотехнических условий должно быть оценено для принятия решения.
6.2.1. Причины геологической изменчивости вдоль трассы
Геологические условия в тоннеле могут существенно меняться, что может повлиять на устойчивость и эффективность выемки. К некоторым причинам изменчивости относятся:
Неоднородность пластов: чередование прочных и мягких пород, вынуждающее комбайн адаптироваться к различным режимам резания.
Зоны разломов: наличие геологических разломов (активных разломов или сдвиговых зон) может повлиять на несущую способность грунта и устойчивость забоя выемки.
Влажность или грунтовые воды: колебания уровня воды могут изменить проницаемость грунта и создать сложные условия.
Изменение литологии: переход от связного грунта к зернистому материалу или твердой породе требует корректировки системы выемки и давления.
6.2.2. Стратегии геологической адаптации
Предварительное геологическое исследование: Перед началом строительства проводятся комплексные геотехнические исследования (скважины, бурение и лабораторные испытания) для получения детального профиля рельефа местности. Однако эти исследования необходимо обновлять по мере строительства тоннеля, поскольку условия могут отличаться от ожидаемых.
Выравнивание тоннеля: При необходимости геологических условий выравнивание тоннеля может быть изменено для исключения участков с неблагоприятными условиями, таких как зоны с высокой степенью трещиноватости или высокого гидрогеологического риска. Эта корректировка должна осуществляться совместно с группами проектирования конструкций и геотехнических служб.
Укрепление или восстановление конструкции с помощью машин: В некоторых случаях может потребоваться усиление конструкции тоннелепроходческой машины, если она сталкивается с более твердым материалом или нестабильным забоем. Это достигается путем замены режущего инструмента или даже путем добавления временных систем армирования к щиту. Применение методов инъекции и улучшения грунта: на сложных участках для повышения устойчивости горного массива перед продвижением техники можно использовать методы инъекции раствора (цемента, полимеров или химических растворов).
Эта стратегия широко распространена в зернистых, высокопроницаемых грунтах или в зонах разломов.
6.2.3. Геотехнический мониторинг во время выемки грунта
Геотехнический мониторинг является ключевым инструментом адаптации компоновки и эксплуатации ТБМ к фактическим грунтовым условиям. Некоторые из используемых инструментов мониторинга включают в себя:
Системы измерения перемещений (экстензометры) для обнаружения перемещений в конструкции туннеля. Измерители давления и влажности для оценки изменений давления воды или проницаемости грунта. Сейсмический или геофизический анализ для выявления нестабильных или сильно трещиноватых участков.
Мониторинг вибрации и смещений поверхности, особенно в городских условиях, для минимизации воздействия на близлежащую инфраструктуру.
Заключение: Адаптация и контроль для безопасного и эффективного туннеля
Контроль конструкции и геологическая адаптация жизненно важны для обеспечения безопасности, устойчивости и экономической эффективности туннеля во время строительства. Эти процессы не статичны, а должны развиваться по мере изменения грунтовых условий. Способность
предвидеть проблемы и вносить динамические корректировки помогает минимизировать риски,
оптимизировать ресурсы и поддерживать эксплуатационную безопасность.
Сочетание постоянного мониторинга, адаптивности и принятия решений в режиме реального времени делает возможным постоянное и успешное развитие ТБМ даже в самых сложных условиях.
7. Виды работ и области применения ТБМ
Тоннелепроходческие комбайны (ТБМ) используются в широком спектре проектов по прокладке тоннелей благодаря своей способности эффективно и безопасно проходить различные типы рельефа. Эти машины играют ключевую роль не только в горнодобывающей промышленности и инфраструктурном секторе, но также применяются в транспортной, энергетической, водной и других отраслях. Универсальность ТБМ позволяет использовать их как в городских условиях, так и в более удаленных районах, решая сложные геотехнические и экологические задачи.
7.1. Транспортная инфраструктура
Одним из наиболее распространенных применений ТБМ является прокладка транспортных тоннелей. Эти машины обеспечивают эффективное строительство подземных тоннелей для линий метро, ??высокоскоростных железных дорог, подземных автомагистралей и транспортных туннельных систем в городской и сельской местности. Точность проходки и способность работать в сложных условиях делают ТБМ идеальным выбором для подобных проектов.
7.1.1. Тоннели метро и подземных железных дорог
Геотехнические характеристики: Для тоннелей метро требуются машины, способные бурить как мягкие, так и скальные породы, и часто сталкиваются с высоким давлением воды в подземных зонах.
Соображения: Поддержание устойчивости грунта крайне важно в густонаселенных городских условиях для предотвращения воздействия на близлежащие здания. Наиболее часто используются тоннелепроходческие комплексы с системами давления в забое (EPB и Slurry) благодаря их способности справляться с большими объемами воды и поддерживать устойчивый забой.
7.1.2. Высокоскоростные тоннели
Геотехнические характеристики: Эти тоннели должны быть точными и иметь прямолинейную планировку, чтобы выдерживать высокую скорость поездов. Материалы более требовательны к прочности и часто требуют разработки грунта в твердых породах.
Соображения: Используемые тоннелепроходческие комплексы должны быть оснащены передовыми системами навигации и управления выравниванием, обладающими высокой точностью для соответствия требуемым геометрическим характеристикам.
7.2. Энергетическая инфраструктура
ТПМК также необходимы для строительства туннелей, связанных с энергетическими проектами, такими как прокладка подземных линий электропередачи, гидроэлектростанций и газо- и нефтепроводов.
7.2.1. Гидроэлектростанции
Геотехнические характеристики: Эти туннели должны выдерживать высокое давление воды, поскольку они строятся для транспортировки водных ресурсов или выработки гидроэлектроэнергии. Рельеф местности часто сложный, со слоями твёрдых пород и наличием грунтовых вод.
Особенности: Используемые ТПМК должны быть оснащены системами защиты от давления, чтобы предотвратить затопление туннеля во время строительства. Оборудование должно быть оснащено гидравлическими уплотнителями для предотвращения просачивания воды и обеспечения водонепроницаемости туннеля.
7.2.2. Туннели для газо- и нефтепроводов
Геотехнические характеристики: Устойчивость грунта имеет решающее значение, поскольку эти туннели должны быть способны вмещать трубопроводы без риска деформации или повреждения.
Иногда грунт может состоять из мягких материалов или быть сильно водонасыщенным. Факторы, которые следует учитывать: ТБМ для подобных проектов обычно имеют двухкорпусную конструкцию, с прочной системой крепи и арматурными механизмами, позволяющими работать в сложных геологических условиях.
7.3. Городская инфраструктура
В городских районах, где пространство ограничено, а условия строительства сложны, ТБМ играют важнейшую роль в прокладке тоннелей для объектов городской инфраструктуры, таких как дренажные системы, метрополитены, заправочные станции и другие подземные объекты.
7.3.1. Дренаж и санитария
Геотехнические особенности: Эти тоннели, как правило, проходят через мягкие или высокопроницаемые грунты, что требует систем, способных перекачивать большие объемы воды.
Рекомендации: Требуются ТБМ с погружным или шламовым приводом, способные выдерживать давление воды и сохранять устойчивость во время выемки грунта. Кроме того, близость к существующим сооружениям может привести к вибрации и осадкам.
7.3.2. Подземные станции и сервисные центры
Геотехнические особенности: Для создания больших объемов часто требуется проходка через скальные породы или сложные грунты. Рекомендации: ТБМ должны быть особенно универсальными, способными адаптироваться к различным грунтовым условиям, с точным контролем выравнивания и профиля тоннеля.
7.4. Подземная добыча
В горнодобывающей отрасли ТБМ используются для строительства горных выработок,
в основном, в проектах по добыче полезных ископаемых, требующих глубокой подземной выемки.
7.4.1. Доступ к выемочным и добычным тоннелям
Геотехнические характеристики: Эти тоннели должны проходить через геологические образования, варьирующиеся от мягких до крепких пород. Во многих случаях грунт трещиноватый и подвержен высокому давлению.
Важные моменты: ТБМ в горнодобывающей промышленности часто адаптируются к геологическим условиям месторождения. Для управления условиями выемки и добываемыми материалами могут использоваться передовые системы геотехнического контроля.
7.5. Проекты водоснабжения и канализации
В проектах, связанных с транспортировкой питьевой воды, отводом сточных вод или дренажными системами, ТБМ используются для обеспечения эффективного строительства тоннелей без ущерба для качества воды или окружающей среды.
7.5.1. Тоннели акведуков
Геотехнические характеристики: Для тоннелей акведуков требуется техника, способная преодолевать скальные образования или нестабильные грунты, с контролем проницаемости тоннеля.
Важные моменты: Крайне важно, чтобы тоннелепроходческие комплексы, используемые в этом типе проектов, были оснащены оборудованием для работы с большими объемами воды, использовали системы напорного давления и обеспечивали водонепроницаемость тоннеля для предотвращения утечек.
ТБМ являются важнейшим инструментом современного строительства тоннелей, предлагая решения для широкого спектра применений: от транспортной и энергетической инфраструктуры до горнодобывающей промышленности и городского строительства. Их способность адаптироваться к изменяющимся геологическим условиям и высокая эксплуатационная эффективность делают их предпочтительным выбором для сложных и трудоёмких подземных проектов.
8. Воздействие на окружающую среду и устойчивое развитие в проектах с ТБМ
Строительство тоннелей с использованием ТБМ сталкивается не только с техническими и геологическими проблемами, но и должно учитывать важнейшие экологические аспекты. Поскольку эти проекты часто реализуются в густонаселенных городских районах или в уязвимых природных условиях, воздействие на окружающую среду и устойчивость процесса выемки грунта являются аспектами, которыми необходимо управлять эффективно и ответственно. По мере того, как общество все больше осознает важность защиты окружающей среды, строительные компании внедряют все более устойчивые и экологически безопасные методы.
8.1. Воздействие на окружающую среду при использовании ТБМ
Воздействие на окружающую среду проектов по строительству тоннелей с использованием ТБМ может принимать различные формы. Некоторые из основных воздействий включают:
8.1.1. Изменение местной экосистемы
При строительстве тоннелей в природных зонах подземные работы могут повлиять на местное биоразнообразие. Это включает воздействие на среду обитания диких животных, особенно в охраняемых или уязвимых зонах. Кроме того, изменение русла грунтовых вод или изменение местной геологии могут иметь долгосрочные последствия.
Решения:
Предварительные исследования воздействия на окружающую среду: Проведение оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС) крайне важно перед началом любого проекта строительства тоннеля для выявления потенциальных рисков для местных экосистем.
Экологическое проектирование: В некоторых проектах разрабатываются специальные методы смягчения воздействия, такие как создание проходов для диких животных или восстановление пострадавших территорий после выемки грунта.
8.1.2. Выбросы загрязняющих газов и твердых частиц в воздух
Хотя тоннелепроходческие машины (ТБМ) являются более экологичными по сравнению с традиционными методами бурения, процесс выемки грунта и транспортировки материалов может приводить к выбросам газов и мелких частиц, влияющих на качество воздуха. Эти загрязняющие вещества в основном поступают от дизельных двигателей, используемых для работы машин, проведения выемки грунта и погрузки-разгрузки материалов.
Решения:
Использование чистых технологий: Электрические ТБМ или ТБМ, работающие на возобновляемых источниках энергии, набирают популярность, поскольку они помогают снизить выбросы загрязняющих газов.
Пылеподавление: Для минимизации выбросов частиц в воздухе можно использовать системы распыления или увлажнения вынутого материала, особенно в городских районах, для предотвращения рассеивания пыли.
8.1.3. Управление отходами, образующимися при выемке грунта
Во время выемки грунта ТБМ генерирует большое количество отходов, которые могут включать камни, грунт, глину и другие материалы. Управление этими отходами является одной из
серьезнейших экологических проблем, особенно когда материал трудно перерабатывать или
повторно использовать.
Решения:
Переработка и повторное использование материалов: Отходы, образующиеся при выемке грунта, могут быть переработаны для переработки и повторного использования в других проектах или даже для создания насыпей для стабилизации грунта. Использование систем сортировки отходов на месте позволяет отделить перерабатываемые материалы от неперерабатываемых.
Использование извлеченных материалов на месте: В некоторых проектах извлеченный материал
используется непосредственно для создания новой инфраструктуры или укрепления других участков проекта.
8.1.4. Шум и вибрации
Шум, создаваемый ТБМ, а также вибрации, создаваемые техникой и процессом выемки грунта, могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду и близлежащие населенные пункты. Это особенно важно в густонаселенных городских районах, где шум и вибрации могут влиять на качество жизни жителей и повреждать близлежащие строения.
Решения:
Снижение шума: Современные ТБМ проектируются с системами шумоподавления, такими как звукоизоляционные кожухи или использование поглощающих материалов.
Мониторинг и контроль вибрации: Датчики используются для мониторинга вибрации в режиме реального времени, что позволяет принимать корректирующие меры, если вибрации превышают допустимые нормативами уровни.
8.2. Устойчивое развитие при строительстве тоннелей с использованием ТБМ
Устойчивое развитие является ключевым принципом современного строительства, и ТБМ играют важную роль в обеспечении большей устойчивости проектов строительства тоннелей по сравнению с традиционными методами выемки грунта.
8.2.1. Сокращение визуального воздействия и площади поверхности
Одним из основных преимуществ использования ТБМ является возможность строительства подземных объектов инфраструктуры без существенного изменения надземного ландшафта.
В отличие от методов открытой разработки, подземная разработка не требует расчистки больших площадей и не приводит к уничтожению растительности или поверхностной среды обитания.
Преимущества:
Сохранение ландшафта: Подземная разработка позволяет сохранить поверхность нетронутой, что особенно ценно в городских районах, районах с высоким биоразнообразием или природных парках.
Сокращение воздействия на окружающую среду: минимизируется потребность в больших объемах строительных материалов, таких как бетон или сталь, для стабилизации поверхности.
8.2.2. Энергоэффективность при использовании ТБМ
Современные ТБМ оптимизированы для более эффективного энергопотребления. Использование передовых технологий позволяет снизить энергопотребление при выемке грунта без ущерба для производительности.
Решения:
Использование возобновляемых источников энергии: использование солнечной или ветровой энергии для питания тоннелепроходческих комплексов вместо использования исключительно ископаемого топлива.
Энергоэффективные технологии: усовершенствования электродвигателей и систем управления энергопотреблением позволяют более эффективно использовать энергию.
8.2.3. Внедрение технологий с низким уровнем выбросов
В рамках международных правил по сокращению выбросов, многие проекты по строительству тоннелей с использованием ТБМ внедряют технологии и методы, обеспечивающие соблюдение самых строгих экологических критериев.
Решения:
Электродвигатели и гибридные системы: Замена дизельных двигателей электродвигателями с низким уровнем выбросов, использующими возобновляемые источники энергии или энергию с низким воздействием на окружающую среду.
Сокращение углеродного следа: Мониторинг углеродного следа на протяжении всего жизненного цикла проекта позволяет внедрять стратегии по компенсации выбросов CO2 посредством экологических инициатив, таких как посадка деревьев.
Воздействие на окружающую среду и устойчивое развитие — факторы, которые необходимо ответственно контролировать на каждом этапе проекта по строительству тоннелей с использованием ТБМ. Хотя ТБМ представляют собой более чистый и эффективный вариант по сравнению с традиционными методами, ключевым моментом является продолжение инноваций и внедрение новых технологий и методов, которые еще больше минимизируют воздействие на окружающую среду и способствуют более устойчивому развитию городов и инфраструктуры.
Переход на экологически чистые энергетические технологии, сокращение отходов и
оптимизация энергопотребления — это основополагающие шаги, которые позволят сделать подземное строительство не только эффективным решением
инфраструктурных проблем, но и вариантом, бережно относящимся к окружающей среде и способствующим долгосрочной устойчивости.
9. Преимущества и недостатки системы TBM
Проходческая система с использованием тоннелепроходческого комбайна (ТБМ) представляет собой одну из самых передовых технологий в современном строительстве тоннелей. Автоматизированная конструкция, возможность непрерывной работы, контроль рабочих параметров и возможность минимизации непосредственного вмешательства в забой делают её высокопроизводительной альтернативой для подземных работ в городской и горной местности, а также в сложных геомеханических условиях. Однако использование ТБМ также сопряжено со значительными сложностями как при проектировании, так и при реализации проекта. Ниже представлен подробный технический анализ её преимуществ и недостатков, охватывающий строительные, экономические, логистические, эксплуатационные, экологические аспекты и аспекты безопасности.
9.1. Преимущества системы ТБМ
9.1.1. Непрерывность и скорость продвижения
Одной из наиболее примечательных особенностей ТБМ является их способность непрерывной выемки грунта, что сокращает время простоя и поддерживает постоянную скорость продвижения, особенно в тоннелях длиной более 2–3 км. В отличие от традиционных методов (таких как метод NATM или буровзрывной метод), ТБМ устраняют необходимость в прерываниях между выемкой и креплением, объединяя оба процесса в единую последовательную операцию.
Постоянная ежедневная скорость продвижения может превышать 15–25 м/день при благоприятных условиях. Значительное сокращение общей продолжительности проекта по сравнению с последовательными методами.
9.1.2. Безопасность рабочих
Использование ТБМ значительно снижает непосредственное воздействие оператора на забой, поскольку большая часть операций выполняется из кабин управления и защищенных зон. Это приводит к:
• Снижению риска несчастных случаев из-за падения блоков, взрывов или внезапного обрушения.
• Снижению воздействия пыли, токсичных газов, вибрации и шума.
• Улучшается контроль условий окружающей среды (вентиляция, освещение, влажность).
Это делает систему ТБМ предпочтительным вариантом для использования в городских условиях или в условиях строгих правил безопасности.
9.1.3. Геотехнический контроль забоя и защита грунта
Современные ТПМК оснащены технологиями поддержания давления в забое, мониторинга геотехнических параметров в режиме реального времени и автоматизированными системами управления.
Это позволяет поддерживать устойчивость забоя даже в рыхлых или водонасыщенных грунтах,
снижая такие риски, как:
• Дыхание или закачка в водонасыщенные зернистые грунты.
• Обрушения из-за потери герметичности.
• Неустойчивость стенок тоннеля во время продвижения.
Давление в камере выемки можно регулировать в зависимости от эффективного давления грунта, что обеспечивает безопасную выемку грунта в условиях, где традиционные методы были бы
невозможны.
9.1.4. Качество отделки тоннеля
Благодаря лазерной системе наведения, автоматизированному контролю выравнивания и использованию сборных сегментов ТПМК позволяют прокладывать тоннели со следующими характеристиками:
• Чрезвычайно высокой геометрической точностью (выравниванием и уклоном).
• Железобетонной крепью, размещаемой непосредственно за щитом,
обеспечивающей непрерывную защиту.
• Сокращение перерасхода грунта и более эффективное использование вырытого объёма.
Эти особенности особенно ценны при строительстве туннелей городской инфраструктуры,
таких как метрополитены, коллекторы или инженерные туннели, где вероятность ошибки минимальна.
9.1.5. Снижение воздействия на окружающую среду и городскую среду
Система TBM минимизирует воздействие на поверхность, что особенно актуально в густонаселенных районах:
• Не требует взрывных работ и не создает значительной вибрации.
• Не создает больших выбросов пыли и газа во время выемки грунта.
• Значительно сокращает количество временных подходов и промежуточных шахтных стволов.
Кроме того, благодаря уменьшению нарушений поверхности уменьшаются конфликты с жителями, предприятиями и существующей критической инфраструктурой.
9.1.6. Адаптация к различным типам рельефа
Существуют различные типы ТБМ, предназначенные для разработки грунтов различной сложности: от твёрдых пород до слабых водонасыщенных грунтов. Эта универсальность позволяет выбрать тип машины, соответствующий характеристикам скального массива или грунта, оптимизируя эффективность выемки в каждом конкретном случае:
• ТБМ для твёрдых пород: для прочных скальных массивов, даже с трещинами.
• ТБМ с системой компенсации давления грунта (EPB): для мягких связных или плохо проницаемых грунтов.
• ТБМ с гидроразрывным щитом: для водонасыщенных или высокопроницаемых зернистых грунтов.
9.2. Недостатки системы TBM
9.2.1. Высокие первоначальные инвестиции
Одним из основных препятствий для внедрения системы TBM являются затраты на ее приобретение и внедрение, которые включают в себя:
• Покупка или аренда машины (высокая стоимость в зависимости от диаметра и типа).
• Расходы на транспортировку, сборку, установку и запуск.
• Необходимая вспомогательная инфраструктура (сегментная установка, очистные сооружения шлама, системы вентиляции и удаления обломков).
Это делает систему TBM экономически выгодной только при работе с большими тоннелями или несколькими тоннелями со схожими характеристиками.
9.2.2. Требует тщательного геотехнического планирования
Поскольку TBM — это машина, специально разработанная для различных геомеханических условий, для предотвращения простоев во время выемки грунта необходимо очень подробное изучение характеристик грунта:
• Непредвиденные изменения типа грунта могут потребовать дорогостоящих корректировок. • Наличие геологических разломов, карстовых зон или неоднородного рельефа может представлять значительный риск для целостности и производительности оборудования.
• Ошибки в гидрогеологическом прогнозировании могут привести к внезапным притокам воды или грязи, обвалам или блокировке щита.
9.2.3. Сложность вмешательства или модификации на месте
После начала экскавации физическое вмешательство в работу ТБМ внутри тоннеля крайне затруднено из-за:
• Ограниченного доступа к забою.
• Высокого давления и влажности, препятствующих проведению традиционных ремонтных работ.
• Необходимости остановки работ и строительства специальных камер при необходимости капитального ремонта.
Это означает, что любая значительная авария может привести к длительным задержкам и дополнительным затратам.
9.2.4. Сложность проходки тоннелей со сложной геометрией
ТБМ в первую очередь предназначены для проходки непрерывных кольцевых тоннелей. Добавление:
• Ответвлений,
• Кривых с уменьшенным радиусом,
• Боковых вентиляционных штолен,
• или технических камер,
требует специальных решений, которые не всегда технически или экономически осуществимы. Во многих случаях эти вспомогательные работы приходится выполнять традиционными методами, что приводит к разрывам и дополнительным этапам.
9.2.5. Логистика образования и утилизации отходов
Система TBM производит большие объёмы извлекаемого материала (отходов), которые необходимо эффективно утилизировать. В туннелях большой длины или большого диаметра это представляет собой логистическую проблему:
• Необходимость использования конвейерных лент, тележек или гидравлических систем утилизации.
• Требуются пространство и разрешения на складирование или окончательную утилизацию.
• В случае шламовых TBM материал должен проходить процессы разделения на твёрдую и жидкую фазы,
что требует большей инфраструктуры и энергопотребления.
9.2.6. Меньшая гибкость при изменении конструкции или компоновки
После того, как TBM был изготовлен для конкретного проекта, его способность адаптироваться к изменениям в компоновке, уклоне или диаметре туннеля ограничена. Любое существенное изменение может сделать его использование невозможным, в отличие от более гибких методов, таких как NATM или буровзрывные работы, где изменения могут быть реализованы более динамично.
Техническое заключение по главе 9:
Использование ТБМ представляет собой технологический скачок вперед в строительстве тоннелей, особенно в городской среде, на проектах большой протяженности или в сложных геотехнических условиях.
Его преимущества с точки зрения безопасности, точности, скорости продвижения и контроля окружающей среды очевидны и оправдывают его применение в проектах, требующих высоких стандартов строительства.
Однако его внедрение влечет за собой высокие первоначальные затраты, высокоточное геотехническое планирование и необходимость сложной логистики для обеспечения бесперебойной работы.
Следовательно, решение об использовании ТБМ должно основываться на многокритериальном анализе, включающем не только технические, но и экономические, экологические, социальные факторы, а также факторы управления рисками.
10. Сравнительная таблица: ТБМ и традиционные методы проходки туннелей
TBM — наиболее эффективный и безопасный вариант для длинных тоннелей большого диаметра, под городами или в сложных гидрогеологических условиях. Инвестиции в него оправданы только при условии, что объём работ достаточен для амортизации первоначальных затрат.
Буровзрывной метод остаётся надёжным методом для работ в крепких породах, где применение взрывчатых веществ целесообразно и экономично, особенно в коротких тоннелях или пещерах.
NATM обеспечивает отличную адаптивность и очень эффективен на неоднородной местности, в тоннелях среднего размера или в условиях неопределённой геологии. Он основан на взаимодействии грунта с опорой.
11. Общее заключение по заметке: Системы проходки тоннелей с использованием ТБМ
Развитие и эволюция тоннелепроходческих комбайнов (ТБМ) представляет собой глубокую трансформацию в методологиях подземной проходки, позиционируя их как незаменимый инструмент в крупномасштабных проектах, особенно в городских условиях, на обширных линейных выработках и в сложных геологических условиях. В данной заметке с технической и академической точки зрения рассматривается каждый аспект, который должен понимать и осваивать инженер-профессионал, занимающийся проектированием, планированием и строительством тоннелей с использованием этой технологии.
В документе подробно классифицированы и описаны основные типы ТБМ, включая щиты под давлением, такие как EPB (Earth Pressure Balance) и Slurry Shield, а также ТБМ для открытых горных работ, с подробным описанием их рабочих механизмов, основных технических компонентов и конкретных областей применения. Подчеркивается важность понимания того, что каждый тип машины соответствует определенной философии выемки грунта и что его производительность во многом зависит от правильного соответствия геомеханическим условиям грунта. В связи с этим одним из основных направлений работы стала разработка критически важных геотехнических и геомеханических критериев выбора подходящей ТБМ, с акцентом на роль таких параметров, как прочность горных пород или грунтов, абразивность, наличие грунтовых вод, деформационное поведение массива и распределение структурных нарушений. Подтверждается идея о том, что успех проекта ТБМ зависит не только от выбора типа машины, но и от наличия предварительной, исчерпывающей и точной геолого-геотехнической модели, способной предсказать условия забоя вдоль трассы.
Аналогичным образом, особое внимание было уделено структурному контролю компоновки тоннеля как основополагающему этапу проектирования, поскольку ориентация, уклон, глубина и геометрия тоннеля напрямую влияют на устойчивость выработки и поведение ТБМ. Компоновка должна соответствовать как функциональным критериям проектирования (связность, максимальные уклоны, доступность), так и геомеханическим критериям, а также учитывать взаимодействие с городской или природной средой. Ключевым разделом отчета было подробное описание преимуществ и недостатков системы ТБМ, представленное с технической глубиной и без редукционизма, с целью предоставить будущим инженерам инструменты для принятия критически важных решений. Подчеркнуто, что, хотя ТБМ обеспечивают существенные преимущества с точки зрения безопасности, точности, непрерывности выемки и снижения воздействия на городскую среду, они также имеют существенные ограничения: от первоначальных и логистических затрат до ограниченной гибкости в случае изменений компоновки или непредвиденных изменений грунтовых условий.
Аналогичным образом, гидравлические свойства грунта были тщательно описаны как критически важный фактор, который может влиять как на выбор типа ТБМ, так и на планирование вспомогательных мер. Давление воды, проницаемость материалов, наличие водоносных горизонтов или подземных потоков – факторы, которые при ненадлежащем управлении могут привести к обрушению забоя, проникновению шлама или повреждению конструкции машины. Наконец, в заметке представлен исторический и эволюционный анализ системы тоннелепроходческих работ (ТБМ), обзор проекта метрополитена Сантьяго (с акцентом на его преимущественно немеханизированный характер) и систематическое сравнение методов ТБМ с традиционными методами (буровзрывными, NATM), представленное в таблице, где поясняются отличительные факторы, которые необходимо учитывать в профессиональной практике.
С профессиональной точки зрения, эта статья призвана не только служить
источником технических знаний о системе TBM, но и важным руководством для формирования надежных критериев выбора и применения. Современный инженер должен уметь интегрировать знания в области механики грунтов и горных пород, проектирования конструкций, гидравлики, строительной логистики и управления рисками, чтобы принимать решения, не ограничиваясь технологическими рамками, но и понимать подземные работы как сложную и взаимосвязанную систему.
Система TBM не является универсальным решением, но при использовании в сочетании с планированием, анализом, предвидением и адаптивностью она становится мощным инструментом. В руках опытной технической команды она способна преобразить наше представление и строительство подземной инфраструктуры будущего.
12. Технические рекомендации для проектов с использованием ТБМ
12.1. Проведите детальную геотехническую и геологическую характеристику всей схемы тоннеля: выбор типа ТБМ, его производительность и срок службы напрямую зависят от точного знания горного массива или рельефа местности, подлежащей выемке. Следует учитывать лабораторные испытания, бурение, структурное картирование, трехмерное геологическое моделирование и гидрогеологические исследования.
12.2. Выберите тип ТБМ на основе механических и гидравлических свойств рельефа:
универсальной ТБМ не существует. ТПБ идеально подходят для связных грунтов с умеренным содержанием воды; шламовые щиты – для рыхлых или водонасыщенных грунтов с высокой проницаемостью; а ТБМ открытого типа – для устойчивых пород с низким давлением воды.
12.3. Оптимизируйте схему тоннеля с учетом геологических структур и критических зон:
проектирование схемы должно по возможности избегать разломов, зон сдвига, резких литологических изменений или глубоких водоносных горизонтов. Также следует учитывать ориентацию конструкции и основные напряжения грунта. 12.4. Внедрение инструментов мониторинга и систем управления в режиме реального времени:
Безопасная эксплуатация ТБМ требует наличия встроенных датчиков давления в камере, крутящего момента, осевой нагрузки, расхода присадок, износа инструмента и осадки поверхности. Также необходимы внешние геотехнические приборы.
12.5. Учитывайте логистические и вспомогательные аспекты на ранней стадии:
системы удаления обломков, электроснабжения, вентиляции, обработки шлама, расположения сегментов и механического обслуживания следует планировать на этапе концептуального проектирования, поскольку они напрямую влияют на жизнеспособность метода.
12.6. Планируйте комплексное управление рисками:
крайне важно иметь планы действий на случай непредвиденных обстоятельств, засоров режущей головки, отказов гидравлики, обрушений или отклонений от вертикали. Успех проекта с использованием ТБМ зависит как от применяемых технологий, так и от проактивного управления неопределенностями.
12.7. Оцените соотношение затрат и выгод с учетом общего объема работ по проекту:
ТБМ имеют высокие первоначальные затраты, но обеспечивают эффективность, безопасность и качество в длинных, повторяющихся туннелях или в городских условиях. Их рентабельность повышается.
|
.
