Масштабы подземных тоннелей впечатляют. Для их прокладки чаще всего используются специальные машины – колоссальная по своим размерам техника, которая называется тоннелепроходческим комплексом (ТПМК). Но как же эти исполины ориентируются под землей, прокапывая тоннели в точно заданном направлении?
Устройство тоннелепроходческого комплекса
Некоторые из используемых технологий люди «подсмотрели» у природы. В данном случае это касается комплексов, которые проделывают громадные тоннели в почве. Изобретатель и инженер Марк Брюнель долгое время наблюдал за терединидами, известными еще как «корабельные черви». Они прокладывают тоннели в древесине, используя раковину в головной части туловища. Позади себя моллюск оставляет известь, что не дает «обрушиться» проходу.
Брюнель запатентовал первое тоннелепроходческое устройство в 1818 году. Оно получило название «щит Брюнеля» или «проходческий щит» и впервые было использовано в 1825 году, во время прокладывания тоннеля под Темзой. Городом с первым в мире тоннелем, выкопанным таким образом, мог стать Санкт-Петербург. Но в итоге было принято решение построить над Невой мост.
Тоннелепроходческая машина сегодня – это сложнейший технологичный комплекс, состоящий из разного оборудования. Его принцип за все время использования остался прежним: рабочая часть постепенно погружается вглубь земли, а проход сзади укрепляется.
Схема тоннелепроходческого комплекса
На сегодняшний день используются два типа тоннелепроходческих щитов: немеханизированный и механизированный. Первый тип является обычным кольцом, которое защищает от обвалов грунта. Внутри шахтеры прокладывают дорогу вперед отбойными молотками. Но такой способ используется очень редко, инженеры отдают предпочтение второму типу. Прокладка пути при этом осуществляется ротором с бурильными резцами. Конвейер отводит породу, которую потом вывозят грузовики.
Механизированный щит способен работать в разных почвах, даже неустойчивых. В среднем он продвигается на 300 м вперед в течение месяца работ, а стоимость такого прохода составляет около 15 000 000 евро. Наибольшая сложность возникает, когда попадаются грунтовые воды, образующие «плывуны». Чаще всего их замораживают жидким азотом либо фреоном и дальше продолжают бурение.
С трудной породой борются и при помощи цементации. В забой подают под сильным давлением цемент, который смешивается с грунтом и при застывании образует крепкий монолит.
Интересный факт: самый большой механизм для прокладывания тоннелей действует в Гонконге. Диаметр щита составляет 19 метров.
В Советском Союзе тоннелепроходческий комплекс впервые был задействован в 1934 г. для прокладывания прохода между Лубянкой и Театральной площадью. Интересно, что именно инженеры из СССР первыми применили технологию прокладки наклонных тоннелей.
Как ориентируются машины, копающие тоннели под землей?
На строительной площадке щит появляется в разобранном состоянии. Сборка его происходит непосредственно на месте в монтажной камере (котловане). Размеры камеры – около 60х70 м. Котлован служит началом тоннеля, а на противоположном его конце затем появится демонтажная камера, где машину разберут и перевезут на новую точку.
Ориентиров под слоем грунта, конечно же, никаких нет, а тоннель должен быть проложен в четко установленной области. Также очень часто их начинают копать с двух сторон, чтобы ускорить строительство. Место встречи щитов должно быть максимально близким друг к другу.
ТПМК в железнодорожном тоннеле (Швейцария)
Машины ориентируются под землей преимущественно благодаря точной электронной навигации. Машинист регулярно сверяется с координатами маршрута, чтобы щит не отклонялся от заданного курса. Автоматические навигационные системы позволяют установить местоположение щита под землей в режиме реального времени. Таким образом, повышается качество сооружения, а также точность и скорость выполнения работ.
В настоящее время наибольшее распространение получили 3 навигационные системы:
- SLS;
- SN-Pai;
- ACS-II.
У каждой из них есть свои особенности и принцип работы, но все три системы оснащены тахеометром – устройством, которое измеряет горизонтальные и вертикальные углы, расстояние. Также используется инклинометр – прибор для измерения угла наклона объекта по отношению к гравитационному полю Земли.
Машинам помогает ориентироваться лазер. Перед бурением его располагают в точке, к которой, в свою очередь, «привязаны» определенные координаты. Датчики расположены на корме тоннелепроходческого комплекса. Они дают возможность технике ориентироваться в трех измерениях при помощи направления лазерного луча.
Чем дальше продвигается техника, тем больше точек привязки ей требуется. Вместе с этим происходит накопление небольших ошибок во время расчетов, но с учетом современных технологий они минимальны.
Интересный факт: известный Евротоннель, который связывает Великобританию и континентальную Европу, проходит под проливом Ла-Манш. Его прокладывали одновременно с двух сторон. Когда обе машины встретились, расхождения были по горизонтали – 36 см, а по вертикали – 6 см.
