В вестибюле стоял сильный шум, земля под ногами дрожала. Одна из стен станции шла трещинами и осыпалась. За падавшими пластами грунта был виден медленно вращающийся гигантский стальной диск с блестящими зубьями и кольцами. Это не эпизод из фантастического фильма – это один из моментов строительства станции «Новокрестовская». Главный герой – десятиметровый проходческий щит с тривиальным названием S-782, в «Метрострое» получивший имя «Надежда». Он создает то, чего раньше в Санкт-Петербургском метро не бывало, – двухпутные тоннели.
Однажды Марк Брюнель, английский изобретатель французского происхождения, наблюдал за тем, как корабельный червь прогрызает ходы в твердой древесине. Он заметил, что голова червя покрыта жесткой раковиной с зазубренными краями, – благодаря ей моллюск вбуравливается в дерево и оставляет за собой канал, покрытый слоем выделяемой им гладкой извести. Брюнелю пришла в голову идея, как решить давнюю проблему: проложить подземный ход под Темзой, что до него безуспешно пытались сделать несколько инженеров. Грунт под рекой водонасыщенный и мягкий, поэтому привычный в то время способ рыть тоннели – вручную, с использованием деревянной крепи – не подходил: укрепление свода подпорками было малонадежно, мокрая порода расползалась и грозила обвалами. Брюнель же сначала пробурил около сорока скважин, чтобы исследовать грунт, и решил проложить тоннель ниже, чем его предшественники, – в плотном слое глины. Затем сконструировал проходческий щит – чугунную камеру, состоящую из секций с тремя ячейками, в каждой из которых помещались землекоп и каменщик. Камера передвигалась под землей с помощью ручных домкратов, углубляясь в породу. Пока одни рабочие убирали землю из щита, другие укрепляли свод образовавшегося тоннеля кирпичной кладкой, не боясь обвала. В день щит продвигался вперед едва ли на метр. Река протекала всего на несколько метров выше, и расчеты со слоями грунта оказались неточны, поэтому вода все-таки просачивалась внутрь. Когда рабочие пробурили тоннель до середины реки, щит пришлось замуровать из-за потопа, но через семь лет Брюнель построил новый щит на другом берегу Темзы и завершил начатое. Реализация проекта заняла 17 лет – с 1825 по 1843 год. Вскоре Темзинский тоннель открыли для пеших прогулок под землей, и только в 1865 году его выкупили для строительства железнодорожной ветки. Впоследствии он стал старейшей частью Лондонского метро. Построить первый тоннель под землей Брюнель мог еще в 1814 году, в Санкт-Петербурге под Невой, но Александр I решил возвести на этом месте мост.
КОНСТРУКЦИЯ проходческих щитов со временем развивалась. У рабочих, дробящих породу, вместо кирок появились отбойные молотки, на смену колесным тачкам пришли ленточные транспортеры. Для преодоления совсем слабых водонасыщенных грунтов стали использовать щит с кессоном – герметичным отсеком. Тоннель позади щита перегораживали переборкой, и в образовавшееся пространство закачивали сжатый воздух, создавая область повышенного давления – 2–5 атм. Такое давление отжимало свободную воду в глубь породы, предотвращая ее поступление в забой.
Самый большой щит Tuen Mun – Chek Lap Kok TBM, фото: www.topwar.ru
Потом появились механизированные проходческие щиты, где исключены практически все ручные операции, – породу разрабатывает стальной ротор с вращающимися фрезами. Щиты с кессоном стали безопасными (раньше рабочие страдали от кессонной болезни), широко внедрялись автоматика и компьютеры, гироскопы и лазерные теодолиты для навигации. И сейчас количество конструкций и типоразмеров проходческих щитов велико – от маленьких, диаметром в метр, до гигантских, предназначенных для строительства автомобильных и железнодорожных тоннелей. Самый большой диаметр – 17,6 м – у проходческого щита, который построил автомобильный тоннель в Гонконге. Кессонная (декомпрессионная) болезнь – «болезнь водолазов», при которой «закипает кровь»: из-за резкой смены давления растворенные в организме газы выделяются в кровь в виде пузырьков, разрушают стенки сосудов и блокируют кровоток.
КАКИЕ СЛОЖНОСТИ возникают при прокладке тоннеля? В первую очередь, разнообразие грунта. На пути щита могут возникнуть монолитная скала, вязкая глина, песок или подземная река. Если в случае со скалой просто падает скорость прохождения щита, то в случае со слабыми водонасыщенными грунтами сложность прохождения сильно возрастает. Вода везде щелку найдет, гласит пословица. Тонкая струйка, проникшая в тоннель, очень быстро превращается в поток, размывающий стенки, а там и до полного затопления недалеко. Положение ухудшается, если тоннель идет под городом, – здесь главное – не потревожить верхние слои, чтобы городские постройки не начали проваливаться под землю. А такие случаи бывали.
Авария на перегоне между станциями «Лесная» и «Площадь Мужества»
Перегон на Кировско-Выборгской линии торопились достроить к XXV съезду партии. «Площадь Мужества» должна была стать первой в мире односводчатой станцией глубокого заложения. Разница в высоте станций «Лесная» и «Площадь Мужества» составляла 14 метров, и тоннели должны были пересечь водоносные пески с напором воды в несколько атмосфер. Обогнуть этот участок грунта считали тогда невозможным, объясняя это толстым слоем песка. Тогда грунт в тоннелях предложили заморозить с помощью криогенного оборудования. Чтобы уменьшить количество скважин и труб для замораживания, тоннели решили расположить один над другим. Но специалисты, анализирующие впоследствии аварию, пришли к выводу, что это лишь усугубило ситуацию.
Примерно в 16:30 8 апреля 1974 года, когда бурили разведочные скважины, в нижнем тоннеле обнаружили незамерзшую породу, из которой поступала вода. Через трещины вода стала быстро протекать в забой. Аварийные затворы полностью закрыть не удалось – оба тоннеля затопило на километр, земля начала оттаивать. На площади Мужества и прилегающих городских магистралях образовались провалы, треснули стены домов. Чтобы остановить проникновение воды в тоннели и разрушения на поверхности, недалеко от станции метро «Лесная» соорудили аварийную преграду, а в аварийные тоннели закачали водопроводную воду. Для повторной проходки и заморозки породы использовали жидкий азот. 31 декабря 1975 года перегон «Площадь Ленина» – «Академическая» сдали в эксплуатацию. Об этой аварии снят фильм «Прорыв».
СЕГОДНЯ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ тоннеля в сложных условиях используются механизированный щит с грунтопригрузом – в нем разработанный грунт сначала подается в герметичную камеру грунтопригруза, где давление равно давлению в забое. Оно не дает грунту осыпаться со свода тоннеля, поэтому верхние слои земли остаются неподвижными и не оседают. Затем внешняя оболочка щита надвигается на этот участок, принимая на себя давление верхних слоев, и избыточный грунт удаляется шнековым конвейером. Именно к такому типу и относится щит «Надежда».
Механизированный комплекс (ТПМК) Herrenknecht «Виктория». Фото: www.sdelanounas.ru
Ричарду Ловату, основателю знаменитой канадской фирмы LOVAT, которая производит проходческие щиты, принадлежит идея называть их женскими именами. Он хотел, чтобы все комплексы его компании носили женские имена в честь Святой Барбары, покровительницы подземных работ. Вслед за ним традицию переняли и другие производители. Теперь в Москве трудятся «Клавдия», «Катюша», «Полина» и «Ольга», в Казани – «Сююмбике» и «Алтынчяч» (Златовласка), а в зоне Размыва в Санкт-Петербурге с потопом героически сражалась «Виктория».
16 АПРЕЛЯ 2012 ГОДА в Петербурге ОАО «Метрострой» и немецкая фирма Herrenknecht AG подписали договор о постройке проходческого щита диаметром 10,6 м. (О серьезности и сложности проекта говорит тот факт, что на подписании присутствовал экс-канцлер Германии Герхард Шредер.)
«Метрострой» принял решение строить двухпутный тоннель (прежде все тоннели петербургского метро были однопутными и шли параллельно). В чем его преимущества? Отпадает необходимость в дорогостоящем и трудозатратном строительстве камер съездов, эвакуационных сбоек (выходов), переходов из тоннеля в тоннель и других сопутствующих выработок, при этом сокращаются сроки работ. Станционные комплексы при этом будут представлять собой одиночный тоннель с боковым размещением платформ по такому же принципу, как и в существующих наземных станциях. И, что немаловажно, за счет размещения путей в одном тоннеле нужно существенно меньше дорогого кабеля. Чем меньше вспомогательных сооружений, тем надежнее и долговечнее метро.
Скорость проходки «Надежды» довольно высокая – в среднем 500 м в месяц. Кстати, мировой рекорд по скорости прокладки тоннеля принадлежит петербургскому метрополитену. В 1981 году щит КТ-1-5,6 за месяц преодолел 1240 м на строительстве перегона от «Удельной» до «Пионерской». Правда, этот щит шел под списание, и его не щадили, а по завершении проходки разобрали на металлолом.
Сравните диаметры одно- и двухпутного тоннелей. Фото: www.gov.spb.ru
«Надежда» же будет сопровождать метростроевцев еще лет десять – в генеральном плане до 2028 года значится открытие не менее 12 станций в разных районах города, а это многие километры тоннелей.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
