Методи и техника за тунелно строителство

Строителството на тунели е отговорна и предизвикателна инженерна задача. Трябва да бъдат преодолени различни препятствия, свързани с геоложките особености на терена, с наличната техника и оборудване, непредвидени ситуации, възникнали в процеса на работа, и всичко това да бъде извършено в рамките на предвидения срок, и разбира се, с гаранция за сигурна, надеждна и безопасна експлоатация.
Познати са различни методи за изграждане на тунели, чийто избор се основава на много и разнообразни фактори. Един от които е техниката. Именно за една от съвременните и еволюционни техники – използване на тунелно пробивни машини, е и настоящата статия.

Тунелната и минна дейност изискват специфично оборудване, което непрекъснато трябва да се актуализира и обновява. Техниката, предназначени за тунелно строителство, трябва да е рентабилна, да работи ефективно при екстремни условия, да е надеждна при продължителна експлоатация.

Има различни методи за прокопаване на тунели, които са се развивали през годините и чието приоритетно прилагане в даден етап зависи от редица фактори – геоложки условия, местоположение (градски или извънградски тунели), дълбочина на залагане, дължина на тунела, технологично оборудване, срокове за изпълнение и др. В най-общия случай тези методи могат да бъдат класифицирина в две групи – тунели, прокопани по взривен начин и безвзривно прокопаване.

Щитов метод за прокопаване на тунели
Името на този метод идва от машинния комплекс, който се използва за изграждане на тунелна галерия, наречен щит. Щитовият метод спада към т. нар. закрити методи за изграждане на тунели. Този метод по-често се прилага при строителство на тунели с голяма дължина. Същността му се изразява в механизирано обработване на почвите в челото на стоманен цилиндър, наречен щит и монтиране на тунелна конструкция, под защитата на този щит, в задната му част. Най-общо щитът е стоманена тръба, в предната част на която е разположен режещ механизъм (режеща глава), и която се придвижва напред посредством хидравлични преси. Всички тези конструктивни части, заедно с придвижващите механизми, формират т. нар. тунелно пробивна машина (TBM – Tunnel Boring Machine), известна в практиката и като „къртица”.

Тази тунелно пробивна машина се придвижва от система хидравлични крикове, запъвани в готовата тунелна конструкция в задната част на щита. Формата на напречното сечение на щита съответства на облицовката на тунела и може да е кръгла, правоъгълна, сводова или елипсовидна. Най-често приложение имат кръглите щитове и полущитовете (сечението на последните е равно само на една част от сечението на тунела).

Характерно за този метод е, че не се нарушава околната среда, подходящ е за прокопаване в сложни хидрогеоложки терени или градски плътно застроени терени. Както за пътни, така и за железопътни тунели.

Използването на тунелно пробивни машини е подходящо при почви с понижена носимоспособност, високо водно съдържание, както и голямо налягане на подпочвените води.

Едно от предимствата при употребата на този вид технология е, че не се нарушава структурата на околния терен, а прокопаният участък е с правилни и гладки стени, което ограничава допълнителната работа и разходите по оформяне на правилно напречно сечение на тунела. Стените на тунела са гладки, което от своя страна спестява разходи за облицовка. Също така ги прави подходящи за използване в силно урбанизирани райони.

При изпълнението на тунели чрез щитов метод няма опасност от повреждане на сградите и съоръженията, разположени над и в близост до прокопавания тунел. Това прави метода много подходящ и конкурентен в градски условия.

Като недостатък на тези машини може да се отчетат разходите по предварителна инвестиция. Също така сложния процес по конструиране на пробивното съоръжение, а често и трудностите, свързани с транспортирането му до строителната площадка, особено за машини с големи диаметри. Но съвременните тунели стават все по-дълги и по тази причина инвестициатя с тунелно пробивна машина на практика е по-икономична в сравенение със средствата, които ще се вложат за други методи и технологии.

Машинният комплекс, с който се извършва механизираното прокопаване на тунелната галерия, се нарича щит.

Основните части на всеки щит са: ножов пръстен, опорен пръстен и опашна черупка. Ножовият пръстен служи за профилиране на контура на разработката. В тази част на щита се намират приспособленията и механизмите за разработване на почвата, които при различните щитове, в зависимост от вида на почвите, са решени по различен начин. Опорният пръстен служи за закрепване и опиране на хидравличните преси. Последните са разположени по периферията му. Опашната част има защитни функции. Тя служи за защита на пространството, където се монтира поредния пръстен или се бетонира поредната секция от облицовката, посредством разположениет в тази част монтажни и бетониращи устройства.

При изграждане на тунели със сглобяеми облицовки по щитов метод първо се разработват почвите от забоя чрез режещия пръстен в предната част на машината. Разработените почви падат в долната ножова част, от където се поемат от транспортна лента и се товари в задната му част на вагонетки. Едновременно с това в задната част (опашната черупка) се монтира пръстен с облицовка. Разработената почва, от забоя до готовата облицовка след щита, се поддържа от металния цилиндър на корпуса. Хидравличните крикове са в прибрано положение към диафрагмата на опрния пръстен. След разработване на почвите и монтиране на поредния пръстен от облицовката, в хидравличната система криковете се подава налягане и те се притискат към челото на последния пръстен. С увеличаване на налягането, криковете притискат пръстена към готовата облицовка, същевременно избутват машината напред. При това движени напред ножът оформя тази част от забоя, която вече е разработена, с очертание, съответстващо на външната форма на металния цилиндър. Вътрешният диаметър на щита е по-голям от външния диаметър на облицовка с 0.8 до 1%.

След като щитът е придвижен в новото си работно положение, криковете се прибират в предната част, и така освобождават място за монтиране на следващия облицовъчен пръстен. В същото време започва разработване на нова почва в предната част и описания вече цикъл от процеса на прокопаване.

Тунелно пробивни машини – развитие и особености
Тунелно пробивните машини, които са разработени последните години, бързо се превръщат в еволюционна техника в тунелното строителство. С тях е възможно прокопаването на тунели в трудни геоложки условия. Те са начин за по-бързо, безопасно и по-икономично решение за строителство.

Първият тунелен щит, предшественик на съвременните пробивни машини, е разработен от сър Марк Исамбард Брунел при прокопаването на Rotherhithe тунел под р.Темза през 1825 г. Но тогава това е било все още неразработен метод и прокопаването впоследствие се налага да се извърши чрез други познати методи – допълнително прокопаване от миньори и зидарски работи зад щита. Подобрения на тази концепция са използвани при изграждане на голяма част от железопътните тунели под Лондон в началото на 20 век.

Първата действителна тунелно пробивна машина е проектирана от Хенри Жозеф Маус, и се нарича „Планински сегментатор”, конструирана през 1846 г. По същество се състои от повече от 100 пробивни инструмента, монтирани в предната част на машина с размерна локомотив. Но тя също не се използвала в практиката.

В щатите първата пробивна машина е построена през 1853 г. и е използвана за строителството на тунела Hoosac. Изработена е от чугун. Неин изобретател е Чарлс Уилсън. Успява да пробие 10 метра и след това машината се чупи. Тунелът е завършен няколко години по-късно, като са ползвани други познати и разработени методи.

100 години по-късно Джеймс Робинс конструира машина, която прокопава 5 метра за 24 часа. Първите модели, изработени от Робинс, са от шипове, извършващи кръгови движения, за да разравят и копаят, докато тя се движи напред.

Изобретяването на въртящата се глава на щита е много иновативен подход. Първоначално главата, на изобретената от Робинс машина, се е състояла от шипове, движейки се по окръжност и по този начин са раздробявали скалната маса/почвата. Но колкото и да са били здрави, често се налага тяхната подмяна.

На по-късен етап тези шипове са заменени с режещи колела, разположени върху въртящ се диск. По този начин изглежда и режещата глава на съвременните тунелно пробивни машини.

Видове тунелно пробивни машини
Видът на съответната тунелно пробивна машина се определя от вида и механичните характеристики на изкопаната почва. Изборът на вид машина се обуславя от геологията на проекта, размера на подпочвените води и други фактори.

Тунелно пробивни машини в слаби и меки почви, почви с различна твърдост
За прокопаване на почви с разнороден състав, слаби почви или терени с високи подпочвени води, при използването на тунелно пробивна машина, в камерата зад режещия диск трябва постоянно да се осигурява налягане, което да се противопоставя на натиска от почвите, за да се избегне срутването/свличането на скален материал. За целта се използват няколко вида машина – Slurry Machine и ЕPB (Earth presuure Balance) Machine.

EPB тунелно пробивна машина - в най-общия случай това са машини от т.нар. затворен тип (има стоманен щит/цилиндър), при които се създава натиск от изкопания материал, съхраняван под налягане в камерата зад режещия диск.

Slurry Machine - предназначени са за работа в мека и нестабилна почва, а също и за почви, които имат разнороден състав. При изкопни работи в нестабилни почви, натискът от терена, се регулира пряко от дълбочината, на която се извършва прокопаването. Начинът, по койот се балансира натискът от терена, е чрез суспензия, с която се изпълва камерата зад режещия диск. Тоест изкопаната почва се смесва с тази суспензия, за да се противопостави на налягането. Суспензията обикновено е бентонит във вода с различни добавки. При тези машини, в процеса на копаене в режещата глава се впомпва бентонитова смес (Bentonite Slurry Machine), която се смесва с изкопаната земна маса. Впоследствие тази смес се изпомпва извън тунела, където различните фази се разделят и бентонитовата може да се използва отново.

Тунелно пробивни машини в твърди скали (Rock Machine)
Машините, които се използват за прокопаване в твърди скали, може да бъдат както от отворен, така и от закрит тип (когато в камерата зад режещото колело се създава налягане). Разрушаването, раздробяването на големи скални късове се осъществява чрез дискови фрези, монтирани на режещата глава. Дисковете фрези разрушават скалата, като създават натискови напрежения в материала. Разрушеният материал отхвърча настрани от предната/режещата част на машината, наричана още “лице”. Окъртената скала, чрез отвори в режещата глава, се прехвърля на лентов транспортьор, където чрез система от други транспортьори и колички се изнася от тунела. Най-често тези машини са от един или два щита (стоманени цилиндри).

Примери от практиката
Най-големите тунелно пробивни машини са на германската фирма Херенкнехт. Фирмата държи рекорда за машина с най-голям диаметър, като последният впечатляващ размер е на машина с диаметър 19.25m. Машината е конструирана за изграждането на тунел Орловски в Санкт Петербург, който ще минава под р. Нева. Договорът е подписан през лятото на 2011 г. За компанията това е най-голямата индивидуална поръчка. Предвижда се машината да е с дължина 82m. Режещото колело ще е с мощност на рязане 8.4kW и ще разработва около 600m3 почва на час.

До скоро рекордът се държеше отново от машини на компанията с диаметър 15.20m, използвани при строителството на тунел в Мадрид. Фирмата са разработили уникална концепция на режещото колело. Централното колело е с диаметър 7m, а външното, разположено на същото ниво, е с максимален диаметър 15.20m. Двете колела може да се въртят независимо – едното почасовниковата, а другото обратно. Три шнекови транспортьора са интегрирани в щита – за контролиране на изкопните работи.

На терена работи най-голямата тунелно пробивно машина с диаметър 15m, тегло 4000 тона, дължина 160m и производителност 0.665m/min. Машината е от типа EPB и е предназначена за работа в слаби почви, конструирана така, че да задържа меката почва без опасност от срутване. Тя е една от седемте машини, използване за прокопаване на тунела - част вътрешния обходен пръстен на испанската столица – магистрала М30 Madrid Calle 30, проект за обновяване на пътя за пренасочване на трасето под земята.

Всички машини използват предпазен щит тип ЕРВ за работа в слаби почви, тъй като повечето изкопи се изпълняват в мека почва. Освен пробивните работи, тунелните машини изпълняват и първична облицовка с дебелина 70cm. За осигуряване на висока противопожарна безопасност машините разполагат с допълнителна система за впръскване на втори слой бетоново покритие (вторична облицовка). Окончателно след двете облицовки светлият диаметър на тунелите става 13.45m.

В България
Тунелно-пробивна машина беше използвана за прокопаване на тунела на втория лъч на метрото в София. В този проект беше прокопан и тунелът с най-голямо напречно сечение в Европа - височина 18m и широчина 22m, 258m2. Разкриването на археологически пласт, намиращ се на дълбочина около 7m, е наложило метростанцията да се изгради по тунелен способ, благодарение на който археологията остава над тунела. Проектът беше завършен в срок, въпреки наличието на агресивни високи подпочвени води и тежка геология, всичко в комбинация с интензивен трафик по централните софийски булеварди.