Чем строят метро. Эволюция проходческих щитов

Современный Петербург уже невозможно представить без метро. Этот скоростной общественный транспорт объединил почти все районы города целой сетью подземных тоннелей. И он продолжает развиваться: в 2018 году открылись две новые станции Невско-Василеостровской линии метрополитена, а в 2019-м введут в эксплуатацию еще три — на Фрунзенском радиусе. На Васильевский остров тянется продолжение Лахтинско-Правобережной линии, а на юго-западе города строится новая ветка, Красносельско-Калининская. Идет подготовка к проектировке кольцевой линии метро.

В планах Петербурга построить за ближайшие 13 лет 29 станций метрополитена. Но до того как они примут первых пассажиров, метростроителям предстоит выполнить гигантский объем работ, причем в очень сложных условиях.

Сегодня мы поговорим о том, какие механизмы помогают метростроевцам прокладывать тоннели и создавать великолепные подземные дворцы. Мы проследим за эволюцией инженерной мысли с момента сооружения первого тоннеля метрополитена до сегодняшнего дня.

Строительство тоннелей было освоено человеком много тысячелетий тому назад. Первый из известных подводных тоннелей был проложен под Евфратом в Вавилоне около 2160 года до н. э. Однако настоящее развитие тоннелестроение получило с изобретением проходческих механизмов, значительно облегчивших и ускоривших труд подземных строителей.

Стадион на Крестовском, подготовка к
Чем строят метро
00:00
Громкость
Чемпионату мира
00:00
Громкость
Первый проходческий щит был сконструирован английским инженером французского происхождения Марком Изамбардом Брюнелем. История этого изобретения такова: в 1814 году, после победы над армией Наполеона, Александр I отправился с визитом в Великобританию, где и произошло его знакомство с уже успевшим прославиться инженером. Во время беседы император обмолвился о необходимости строительства в Санкт-Петербурге сухопутной дороги через Неву. Брюнель вызвался соорудить такую переправу.

После детального изучения Брюнель решил отказаться от первоначальной идеи строительства деревянного многопролетного моста. Вместо этого инженер предложил прорыть под Невой кирпичный транспортный тоннель, для прокладки которого он разработал и запатентовал первый в мире проходческий щит.

Идея механизма возникла у Брюнеля при наблюдении за корабельными червями, прогрызающими себе ходы в твердых породах древесины. Голова червя покрыта жесткой раковиной с зазубреными краями, с помощью которой он вбуривается в дерево и продвигается вперед, оставляя за собой канал, покрытый защитным слоем гладкой извести.

2019-04-26_16-40-22.png
Прокладка тоннеля под Темзой. Иллюстрация предположительно из the Illustrated London News

Конструкция Брюнеля представляла собой чугунную камеру с рабочими внутри. Движение вглубь породы камере обеспечивали ручные винтовые домкраты, а задачей рабочих было убирать землю из щита и укреплять свод образовавшегося тоннеля кирпичной кладкой. Обвалы при таком способе строительства были не страшны — жесткая камера надежно защищала проходчиков. По подсчетам инженера, для петербургского тоннеля понадобилось бы всего 18 рабочих.

Но этому проекту так и не суждено было сбыться: в 1825 году умер Александр I, и строительство отложили на неопределенный срок. Тем не менее Марк Брюнель нашел применение для своего щита. В 1843 году в Лондоне с его помощью соорудили тоннель под Темзой, а в 1869-м по нему было запущено движение поездов. Этот тоннель стал первым, проложенным в мягкой почве. Щит, сделавший возможным его строительство, имел прямоугольное сечение размером 11,3 × 6,7 м.

Однако настоящее признание проходческие щиты получили позже, когда им придали цилиндрическую форму, а в качестве обделки стали использовать чугунные тюбинги. Так, в 1869 году британский инженер Джеймс Генри Грейтхед разработал механизм, получивший название «Щит Барлоу-Грейтхеда». Он состоял из железного цилиндра 2,21 м в диаметре, оснащенного винтовыми домкратами. Позднее Грейтхед запатентовал целый ряд улучшений, в том числе использование сжатого воздуха и силовое продвижение гидравлическими домкратами.

tild3832-3830-4235-b.jpg
Щит КТ1-5.6, Ясиноватский завод
В 1886 году в Лондоне по проекту Грейтхеда была впервые осуществлена проходка тоннеля щитом под сжатым воздухом. А в 1897 году в Англии был применен первый механизированный проходческий щит Прейса, рабочий орган которого имел вид шестилучевой крестовины с резцами для разработки грунтового массива забоя и ковшами для уборки грунта, и подавался на забой вместе с корпусом самого щита.

В нашей стране проходческие щиты впервые были использованы в 1934 году при строительстве первой очереди Московского метрополитена, а к 1936-му, когда прокладывалась вторая, работало уже 30 перегонных и 12 станционных щитов.

Когда в Северной столице началось заложение шахт будущего метрополитена, в распоряжении подземщиков было немногое: отбойные молотки, лопаты да сила собственных рук. Но уже в конце сороковых годов на помощь метростроителям пришли механизмы — проходческие щиты. Их начали применять для строительства перегонных тоннелей в плотных кембрийских глинах. Первый такой механизм — так называемый «Ленинградский щит», выпущенный на Кировском заводе, — поступил на вооружение в 1949 году. Он позволял увеличить скорость проходки тоннелей до 300 м в месяц благодаря вращающемуся режущему элементу, который снимал породу целыми пластами — крошить ее отбойными молотками было намного тяжелее и дольше.

После открытия первой ветки метро и ее продления у подземщиков появились новые задачи — проложить вторую линию. Чтобы выдержать заявленные темпы строительства, необходимо было продолжать развивать механизацию. Так, в 1970-х годах у ленинградских метростроителей появились более совершенные Ясиноватские проходческие щиты. И результат налицо — в 1981-м в Ленинграде был установлен мировой рекорд по проходке перегонных тоннелей — 1250 метров в месяц. Работы велись с помощью щитового комплекса с обжатой обделкой диаметром 5,63 м производства Ясиноватского машиностроительного завода.

Щитовая проходка облегчала строительство перегонных тоннелей. Но были и такие задачи, справиться с которыми существующее оборудование не могло. К примеру, движение между станциями «Площадь Мужества» и «Лесная» прервалось на 9 лет. Виной тому — подземная река — размыв, победить который можно было только с помощью принципиально нового решения. И оно нашлось. Специально и исключительно для этого проекта за рубежом был куплен щит «Виктория», способный идти сквозь плывун благодаря так называемому гидропригрузу и высокоточной водонепроницаемой обделке.

Принцип работы этого механизма таков: в призабойную часть, где вращается режущая коронка, нагнетается под давлением бентонитовый раствор, который, смешиваясь с разработанной породой, образует суспензию с примесью грунта. Эта суспензия откачивается при помощи центробежных насосов и транспортируется по трубам на поверхность, где сепарируется от глинистого раствора. Данный раствор возвращается в забойную камеру, а сепарированный грунт вывозится. Гидропригруз применяется в условиях, когда возникает необходимость уравновешивать давление грунтовых вод. К таковым, безусловно, относится и прохождение плывуна.

«Виктория» со своей задачей в Петербурге справилась — размыв удалось победить. Движение по аварийному участку метрополитена «Лесная» — «Площадь Мужества» было восстановлено.

Еще одной задачей, потребовавшей технологического перевооружения, стало строительство наклонного хода станции метро «Адмиралтейская». Возводить сам станционный комплекс начали в 1994 году, и к 1997 в общих конструкциях все три станционных тоннеля были готовы. Но открыть «Адмиралтейскую» не удалось — у нее не было выхода на поверхность. Вопрос о том, где должен располагаться вестибюль новой станции, решался 10 лет, но не только это не давало метростроителям пробить эскалаторный тоннель — существовала более серьезная проблема, технологическая. Построить станцию на глубине 86 метров — это одно, а вот проложить наклонный ход с выходом в центре города, где кругом одни исторические здания — совсем другое дело.

Традиционно при сооружении наклонного хода метростроители использовали технологию заморозки грунта. Она позволяла преобразовать обводненные петербургские грунты в пригодный для строительства массив. Однако у этого метода есть очень существенный минус: по завершении работ наступает этап разморозки, в процессе которого происходит оседание грунта, что может привести к разрушению близлежащих зданий. Рисковать исторической застройкой было недопустимо, поэтому требовалось найти другой способ строительства 120-метрового эскалаторного тоннеля. И он был найден: безосадочная механизированная проходка. Сложность состояла в том, что прежде никто не делал наклонные выработки под углом в 30 градусов с помощью тоннелепроходческого комплекса, максимум 12–18 градусов.

По техническому заданию «Метростроя» немецкая компания Herrenknecht AG соорудила уникальный тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК) «Аврора». Кстати, эту технологию первой хотела заполучить столица, что ей почти удалось: аналогичный механизм Москва заказала у канадской компании Lovat, щит построили, но что-то не учли, и попытка механизированной проходки наклонного хода оказалась неудачной.

А в Петербурге, напротив, все сложилось благополучно: «Аврора» прошла наклонный ход для «Обводного канала», а затем для «Адмиралтейской» и «Спасской». Проходка последнего, кстати, заняла всего лишь 2 месяца и одну неделю.

Над созданием условий для более быстрого строительства метро петербургские подземщики трудились непрерывно. Чем глубже приходилось им спускаться под землю, добираясь до кембрийских глин, тем больше времени уходило на каждую новую станцию. А метро в Петербурге считается одним из самых глубоких в мире. Если бы метростроители нашли способ прокладки подземных трасс ближе к поверхности, сроки строительства, а вместе с тем и его стоимость, удалось бы сократить. И, похоже, что такая технология у Северной столицы сегодня есть. Решение появилось в 2013 году, когда «Метрострой» совместно с немецкой компанией Herrenknecht AG разработал беспрецедентный для российского метростроения проходческий механизированный комплекс с грунтопригрузом диаметром 10,6 м для сооружения двухпутных тоннелей. По традиции машине дали символичное женское имя «Надежда». И, по словам метростроителей, этот щит оправдал все ожидания.

Два новых участка тоннеля «Надежда» уже проложила: первый расположен на Фрунзенском радиусе, он соединяет строящиеся станции «Южная», «Дунайская» и «Проспект Славы»; второй — на участке Невско-Василеостровской линии от «Беговой» до «Приморской». Движение поездов по этому тоннелю началось в мае 2018 года.

Принцип работы щита с грунтопригрузом таков: в призабойной части находится не раствор, как в случае с гидропригрузом, а сама разработанная порода с примесью кондиционера. Именно она оказывает давление на забой, компенсируя таким образом горное давление. Грунт выводится из забойной камеры шнековым транспортером в строго определенном количестве, чтобы не допустить снижения давления. Выработанная порода доставляется по тоннелю при помощи вагонеток или ленточного транспортера на поверхность, где без дополнительной обработки вывозится в отвал.

__medium_Щит Надежда.jpg.jpg
ТПМК «Надежда»
Благодаря тоннелепроходческому комплексу у метростроителей наконец появилась возможность применять технологию щадящей безосадочной проходки как в водоносных грунтах, так и в кембрийских отложениях.

Но на этом инженерная мысль метростроителей не остановится, ведь есть еще много задач, которые предстоит решить, — например, построить кольцевую линию. Поэтому петербургские специалисты изучают технологию сооружения двухъярусных двухпутных тоннелей. Так что, возможно, у «Метростроя» скоро появится очередной проходческий щит с нежным женским именем.