Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Полусекционный режущий проходческий щит полностью гидравлический и с электронным управлением может самостоятельно продвигаться, поворачиваться и разворачиваться, что позволяет эффективно контролировать оседание поверхности земли и снизить интенсивность труда работников, скорость строительства увеличивается, а среднесуточный глубина проходки составляет 3–4 м.

4) Разработка и применение проходческого щита с грунтопригрузом

В декабре 1987 года Шанхайский судостроительный завод изготовил первый в Китае щит с грунтопригрузом диаметром 35 м (рис. 1-39), который был успешно использован Шанхайской туннельной компанией с января по сентябрь 1988 года в проекте строительства кабельного туннеля для перехода через Южный вокзал Шанхая, пересекая слой алеврита на дне реки Хуанпу с длиной скважины 583 м. Он заполнил пробел в производстве щитов с грунтопригрузом в Китае. В начале 1980-х годов технология в целом достигла передового международного уровня, а в 1990 году получила Диплом первой степени Национальной премии за научно-технический прогресс.

Рис. 1-38. Режущий проходческий щит (1986 г.)

Рис. 1-39 Проходческий щит с грунтопригрузом ø 35 м, изготовленный Шанхайским судостроительным заводом (1987 г.)

После самостоятельной разработки проходческого щита с гидропригрузом диаметром 35 м и его успешного применения в кабельном туннеле Южного вокзала Шанхая и кабельном туннеле станции Фучжоу, в 1988 году Шанхай самостоятельно разработал новое поколение проходческого щита с гидропригрузом с самым большим диаметром в Китае на тот момент, 64 м (рис. 1-40). Все оборудование для щитов полностью локализовано, а более передовые технологии обработки, сварки, сборки и другие технологии подтверждают факт выхода шанхайской технологии производства щитов на новый уровень.

Рис. 1-40. Шанхайский собственный 64-метровый проходческий щит с гидропригрузом (1988 г.)

Данная машина используется в строительстве туннелей с высокой скоростью строительства и высоким инженерным качеством, что отвечает соответствующим национальным нормам и стандартам. 27 сентября 1990 года Шанхайская научно-техническая комиссия провела совещание по технической оценке в сравнении с международными показателями. Результаты проверки показали, что технические и экономические показатели проектирования, производства и строительства щита достигли передового уровня иностранной аналогичной продукции. Основные технические параметры щита: внешний диаметр 5640 мм, внутренний диаметр хвостовой части щита 5560 мм, зазор в хвосте щита 30 мм, длина основной рамы 6921 мм (плюс винтовой конвейер 9500 мм), общая тяга 35 280 кН, скорость вращения лопастей w~0.74 об/мин, крутящий момент 3600 кН∙м (максимальный), 2870 кН∙м (номинальный).

Проходческий щит с грунтопригрузом длиной 64 м был использован для дренажного туннеля теплоэлектростанции Wujing в Шанхае. Туннель был облицован собранным железобетонным тюбингом с внешним диаметром 5 м и внутренним диаметром 84 м. Когда туннель достиг своего конца, внутреннее оборудование щита было удалено, а оболочка щита осталась в туннеле, с шестью стояками, установленными примерно в 35 м от конца. Водосброс расположен в 60 м выше по течению от Паньцзяган в Пудонге, а дренажный водосброс построен методом вертикального подъема.

Проходческий щит с грунтопригрузом диаметром 64 м, разработанный в Шанхае, является новым типом щита, разработанным на основе 20-летнего опыта проектирования, производства и строительства щитов в соответствии с международной тенденцией развития щитов, а также является самым большим проходческим щитом с подачей воды в Китае на тот момент. Общая конструкция щита практична, конструкция рабочего органа нова, обладает высокой способностью резать твердый грунт, шнековый конвейер имеет хорошую производительность разгрузки бурового глинистой воды и использует функцию саморегулирования и предварительную регулировку давления на грунт для стабильной и надежной работы.

В щите используется упрощенный процесс разбивки на несколько блоков для изготовления и сборки на месте, что снижает стоимость строительства и сокращает цикл обработки. Оболочка щита изготавливается с помощью процесса полукруглого формования на каркасе шины без необходимости металлообработки, и ее точность соответствует требованиям конструкции. Щит был использован в дренажном туннеле для 6-й фазы расширения тепловой электростанции «Вуцзин». 655 м туннеля было проложено во время строительства, включая 326 м темно-зеленого субглинистого слоя твердой почвы, который показал хорошую проходку, хороший баланс давления почвы и минимальное нарушение окружающих слоев почвы, эффективно контролируя оседание грунта и защищая прилегающий угольный терминал от ударов.

В 1990 году была начата прокладка всей 1-й линии Шанхайского метрополитена, и для туннеля с интервалом 18 км было использовано семь сбалансированных щитовых конструкций диаметром 34 м (рис. 1-41), которые были изготовлены совместно FCB, Шанхайской туннельной компанией, Шанхайским институтом проектирования туннелей и судостроительным заводом Худун. Каждый щит бурится на протяжении 200 м в месяц, а осадка грунта контролируется в пределах от + 1 до – 3 см.

В 1995 году началась проходка 24, 12-километрового промежуточного туннеля 2-й линии Шанхайского метрополитена, в котором снова использовались 7 оригинальных проходческих щитов с грунтопригрузом и 2 грунтопригрузных щита, импортированных французской компанией FMT, вместе с 34-метровым грунтопригрузным щитом, совместно изготовленным французской компанией FCB, Шанхайской туннельной компанией, Шанхайским институтом проектирования туннелей и судостроительным заводом Худун (рис. 1-42). Для строительства 2-й линии было использовано в общей сложности 10 щитов с грунтопригрузом.

Рис. 1-41. 34-метровый щит, изготовленный совместно с судостроительным заводом Худун и FCB (Франция). Проходческий щит с грунтопригрузом «Дружба» (1990 г.)

Рис. 1-42. 34-метровый щит, построенный совместно с судостроительным заводом Худун и FCB (Франция). Проходческий щит с грунтопригрузом «Введение в эксплуатацию» (1995 г.)

1.4.2. Инновационный период в китайской щитовой технологии

Период 2002–2008 гг. стал инновационным для щитовой технологии Китая, поскольку Министерство науки и техники включило разработку щитовой технологии в государственный план исследований и развития высоких технологий (государственный план «863»), в то же время независимые исследования и разработки щита официально вступили в стадию внедрения. В этот период Китай стремился «сделать лучший щит в Китае», совершив исторический прорыв в развитии китайских щитов.

1) Общие сведения о государственном плане «863»

Ключевые темы исследований государственного плана «863» в области щитовой технологии представлены в таблице 1-1.

Таблица 1-1. Национальная программа «863» об исследованиях щитовой технологии

2) Исследование и проектирование проходческих щитов с грунтопригрузом

В августе 2002 года Министерство науки и техники включило проект «Исследование и проектирование полносекционной туннелепроходческой машины диаметром 3 м» в государственный план исследований и развития высоких технологий (план «863»). В результате открытого тендера проект возглавила Китайская корпорация железнодорожных туннелей совместно с Чжэцзянским университетом, Лоянским технологическим институтом, Китайской первой корпорацией тяжелого машиностроения, Юго-западным университетом Цзяотун и другими соответствующими техническими подразделениями в Китае для формирования технологического альянса по проведению технических работ проходческого щита с грунтопригрузом диаметром 3 м.

Под руководством государственного плана «863» были завершены исследования и проектирование структуры основной части, гидравлической системы передачи, электрической системы и системы опорной части проходческого щита с грунтопригрузом диаметром 3 м.

Завершены исследования и проектирование инструментов для системы щита, разработка и производство добавок для пены щита и смазки для герметизации хвостовой части щита. В ходе исследований были подготовлены три книги проектной документации для главного двигателя, одна книга проектной документации для винтового конвейера и одна книга проектной документации для тюбинга; завершены пять книг проектных чертежей для основной машины, одна книга проектных чертежей для тюбинга, одна книга проектных чертежей для винтового конвейера, три книги проектных чертежей для последующей сборки и одна книга проектных чертежей гидравлической системы, всего 16 книг.

3) Разработка и применение рецзовой головки проходческого щита и гидравлического привода

В конце 2002 года была изучена технология совместного применения гидравлической движительной системы щита и гидравлической системы гидропривода, оптимизация проектирования движительной гидравлической системы щита была осуществлена путем контроля нагрузкой, постоянного контроля мощности гидравлического насоса, всеобщим подбором мощностей и других технологий, также были проведены показательные работы.

15 июля 2004 года разработанные резец, резцовая головка (рис. 1-43) и гидравлическая система были успешно использованы при промышленных испытаниях второй линии Шанхайского метрополитена, достигнув непрерывной проходки 2650 м, со средней месячной проходкой 331 м и максимальной месячной проходкой 470 м, что соответствовало показателям, требуемым проектом.

26 марта 2005 года был успешно завершен щитовой тоннель для западного продолжения второй линии Шанхайского метрополитена, что ознаменовало собой значительное достижение государственного плана «863» возглавляемое Китайской корпорацией железнодорожных туннелей в области разработки и применения режущего инструмента резцовой головки и гидравлических приводов.

4) Первый в Китае проходческий щит с грунтопригрузом в метро с независимыми правами интеллектуальной собственности

В октябре 2004 года первый в Китае проходческий щит с грунтопригрузом с полностью независимыми правами интеллектуальной собственности прототип «Совершенный» (рис. 1-44) начал проходку туннеля в продолжении второй шанхайской линии метро с западной стороны, нарушив господство «иностранного щита» и положив конец истории китайских щитов, долгое время полагавшихся на иностранные бренды.

Рис. 1-43. Китайская железнодорожная компания возглавляет разработку резцовой головки проходческого щита

Рис. 1-44. Проходческий щит с грунтопригрузом с полностью независимыми правами интеллектуальной собственности «Совершенный».

«Совершенный» проходческий щит с грунтопригрузом в метро – это первый полностью самостоятельно разработанный отечественный щит, разработанный Шанхайская туннельная компания на основе государственного плана«863» десятой пятилетки, который разработан независимо, имеет независимые права интеллектуальной собственности и относится к «Национальной передовой технологии роботов в области производства и автоматизации 863». Это шедевр научных и технологических инноваций в китайском подземном туннельном оборудовании. Внешний диаметр щита составляет 6.34 м, максимальная общая тяга – 35 200 кН, скорость движения – 6 см/мин.

Принцип его проектирования – стремление к высокой надежности, применимости, ремонтопригодности и долгому сроку службы. Благодаря кропотливым техническим исследованиям были внесены технические новшества в следующие шесть систем:

(1) Система привода резцовой головки: в основных компонентах используются самые передовые в мире вспомогательные компоненты для обеспечения надежности и стабильности работы щитовой проходческой машины, срок службы которой составляет более 10 000 часов.

(2) Движительная система: уникальная конструкция движительной структуры гидравлического цилиндра, улучшает силовое состояние тюбинга, которое может быть реализовано в соответствии с условиями строительства, зональное управление, бесступенчатое регулирование скорости повышает эффективность работы.

(3) Система сборки: самостоятельно разработанная машина для сборки с дистанционным управлением для повышения интенсивности работы операторов.

(4) Синхронная система управления цементированием: самостоятельно разработанный шламовый насос плунжерного типа, полученная система управления цементированием достигает технического уровня международных аналогичных продуктов.

(5) Система уплотнения хвостовой части щита: самостоятельно разработанное устройство уплотнения хвостовой части щита и распределитель смазки, выбран высококачественный насос для смазочных масел хвостовой части щита, производительность уплотнения хвостовой части щита достигла первоклассного международного уровня.

(6) Автоматическая система управления: самая передовая технология ПЛК серии Q используется для разработки автоматической системы управления, которая имеет одну ведущую станцию и три ведомые станции.

Благодаря инновациям этих ключевых технологий, основные технические показатели оборудования достигли передового уровня аналогичных щитовых конструкций за рубежом, получено более 30 прав интеллектуальной собственности. В октябре 2004 года щит «Совершенный» был использован при строительстве туннеля на участке Губэй Роуд-парк Чжуншань второй линии Шанхайского метрополитена с западной стороны.

Первая выработка была завершена 28 июня 2005 года, установив рекорд по проходке 38.4 м в день (сама быстрая выработка составляла 31.2 м в день для импортных щитов) и 566.4 м в месяц (531 м в месяц для импортных щитов) для отечественных щитов метро, безопасно пересекая многие сооружения с высокими требованиями к защите, такие как надземная внутренняя кольцевая дорога, надземная линия легкорельсового транспорта первой очереди линии Жемчужной реки, защитный канал для людей и водопропускная труба для сточных вод.

В 2006 году было заказано 22 единицы проходческого щита, и данные щиты были применены при строительстве проектов метро в Шанхае, Чжэнчжоу, Ханчжоу, Нанкине и Ухане. В том же году проходческий щит был включен в серию «Национальный новый ключевой продукт» и «Шанхайский новый ключевой продукт», а также получил Первую премию национального научно-технического прогресса.

Исследования и разработки отечественного щита метро были высоко оценены руководителями всех уровней, что значительно ускорило процесс индустриализации китайского щита и реализовало первоначальную цель государственного плана «863» – блокировать иностранные бренды национальным брендом.

5) Исследование ключевой технологии строительства щитов в песчано-гравийных пластах

Основываясь на государственном плане «863», Китайская корпорация железнодорожных туннелей еще больше расширила сферу исследований на основе исследования ключевой технологии проходческого щита с грунтопригрузом для мягкого грунта в Шанхае, взяв в качестве проекта четвертую линию пекинского метрополитена совместно с Шанхайской туннельной компанией, Шанхайским исследовательским центром по проектированию и тестированию проходческих щитов, Чжэцзянским университетом и Лоянской компанией по разработке технологий для проведения исследований технологии рабочего органа фрезы, подходящего для сложных песчано-гравийных образований.

В результате испытаний с имитацией бурения была разработана режущая система с комбинированной фрезерной головкой с независимыми правами интеллектуальной собственности и устройство обнаружения абразивного износа, а также система дистанционного измерения и управления щитом в реальном времени для удовлетворения требований безопасного и эффективного строительства щита в сложных пластах с взаимодействием песчаного грунта, гальки и гравийной породы.

В декабре 2005 года проходческий щит с грунтопригрузом (рис. 1-45), разработанный Китайской железнодорожной корпорацией, был успешно использован в проекте «Линия № 4 Пекинского метрополитена, партия 19, на интервале Летний дворец – Юаньминъюань».

6) Технология ферментированного гидролиза и абсорбирования проходческого щита с гидропригрузом большого диаметра

Для того, чтобы сократить разрыв с международным уровнем разработки и технологии производства проходческого щита с гидропригрузом в июле 2005 года Министерство науки и технологий Китайской Народной Республики включило исследование проходческого щита с гидропригрузом в государственный план «863» и инициировало специальный проект по ферментированному гидролизу, абсорбции и проектированию проходческих щитов с гидропригрузом большого диаметра. Были получены следующие результаты:

(1) На основе зарубежной технологии ферментативного гидролиза и абсорбирования проходческого щита с гидропригрузом большого диаметра, опираясь на проект «Желтый переход» Центральной линии водовода Юг-Север I фазы, были проведены исследования по проектированию и производству системы проходки проходческого щита с гидропригрузом и тюбинга, была завершена разработка чертежей общего проекта проходческого щита с гидропригрузом диаметром 9 м, электрического управления, водно-шламовой системы и др. Инновации в водно–шламовой системе были заявлены на национальный патент на изобретение (заявка на патент № 200610025637.1).

(2) В Уханьском туннеле возле реки Янцзы были применены ферментативный гидролиз и абсорбирование рабочего органа проходческого щита с гидропригрузом диаметром 38 м и в соответствии с конкретными геологическими условиями проекта «Желтого перехода» Центральной линии водовода Юг-Север I фазы, были проведены исследования ключевых технологий, таких как структурная конструкция грязе- и водозащитного отвала, система обнаружения предельного износа отвала и уплотнение главного привода, также был завершен проект 9-метрового грязе- и водозащитного отвала, и был достигнут прогресс в оптимизации проекта.

(3) Испытательная платформа для моделирования системы управления щитом диаметром 5 м (рис. 1-46) была разработана с использованием независимых прав интеллектуальной собственности. На «Испытательный стенд системы управления щитом» была подана заявка на получение патента на национальное изобретение (заявка на патент № 200610160040.8). Успешная разработка испытательного стенда системы управления щитом заложила основу для разработки щита.

Рис. 1-45. Резцовая головка для гравийносложного пласта, разработанная Китайской железнодорожной корпорацией

Рис. 1-46. Испытательная платформа для моделирования системы управления щитом гидропригруза, разработанная Китайской железнодорожной корпорацией

7) Разработка и применение комбинированного проходческого щита с грунтопригрузом

Китайские разработчики и производители щитов давно мечтали о создании комбинированного щита, способного одновременно бурить в различных геологических условиях, таких как мягкий грунт, выветрившаяся порода, твердые и мягкие пласты, песок и галечные пласты. 26 апреля 2008 года, опираясь на государственный план «863», Китайская корпорация железнодорожных туннелей (предшественник Китайской компании по железнодорожному инженерному оборудованию) возглавила разработку комбинированного щита – «Китайская железная дорога № 1» (рис. 1-47), который был разработан при участии Чжэцзянского университета, Хуачжунского университета науки и технологии и Тяньцзиньского университета (рис. 1-48), успешно реализовал мечту совершить исторический скачок от «создания китайского собственного щита» к «созданию лучшего щита в Китае», став первым в Китае композитным щитом с независимыми правами интеллектуальной собственности.

Диаметр щита составляет 6.4 м, максимальная скорость движения – 80 мм/мин, максимальная сила тяги – 32 000 кН, тяга гидроцилиндра – 989 кН, общая тяга – 31 650 кН, мощность фрезы 630 кВт, крутящий момент 4377 кН·м, момент отрыва 5225 кН·м. Данный щит совершил прорыв в разработке адаптивности инструмента, технологии управления распределенной системой ввода/ вывода, технологии системы улучшения шлака и других ключевых технологий, таких как технология проектирования и интеграции комбинированного щита, технология проектирования тюбинга с шестью степенями свободы, технология проектирования оптимизации структуры винтового конвейера, технология проектирования системы безопасности с давлением в кабине, технология проектирования композитной системы улучшения шлака и т.д. и выиграл три национальных патента на изобретение и восемь патентов на полезную модель, 3 национальных патента на изобретение, 8 патентов на полезную модель, а также авторское право на программное обеспечение.

«Китайская железная дорога № 1» была успешно использована для прокладки щитового туннеля между станциями Инкоу и Хэпин третьей линии Тяньцзиньского метрополитена (рис. 1-49), беспрепятственно пересекая сложный и оживленный городской район со множеством старых достопримечательностей, таких как старая резиденция Чжан Сюэляна, «Дом фарфора», старая резиденция Фань Жучжая, Главное телеграфное бюро Тяньцзиня, резиденция Ляонин, компания по производству мелкой соли, здание Бохай и т. д. Максимальная скорость проходки достигала 18 м/сутки во время строительства.

Рис. 1-47. Церемония доставки щита «Китайская железная дорога № 1»

Рис. 1-48. Запуск щита «Китайская железная дорога № 1»

18 июля 2009 года эксперты, организованные Департаментом науки и техники провинции Хэнань, провели оценку результатов работ и пришли к следующему выводу: «Результаты достигли международного передового уровня и международного ведущего уровня в развитии комбинированной дисковой фрезы и технологии синхронного впрыска охлаждающей жидкости и проект имеет большие экономические, социальные и экологические преимущества». Разработка «Китайская железная дорога № 1» заполнила пробел в области комбинированного щита в Китае, нарушив монополию иностранных технологий, открыв новую главу независимых исследований и разработок, проектирования, производства и применения китайского щита в строительстве, сделав первый решающий шаг к индустриализации щита в Китае и заложив основу для реализации программы «Сделано в Китае» и китайской мечты о великой державе. В 2011 году это достижение было отмечено Первой премией научно-технического прогресса в провинции Хэнань.

8) Разработка и применение проходческого щита с гидропригрузом большого диаметра

26 декабря 2008 года большой щит с гидроприрузом диаметром 11.22 м (рис. 1-50) был установлен на месте строительства туннеля Шанхайской дороги Дапу, дополнительного проекта к Всемирной выставке, что ознаменовало еще один солидный шаг в индустриализации проходческих щитов с гидропригрузом и очередной прорыв в технологии проектирования и производства в Шанхае. Это знаменует собой еще один солидный шаг в индустриализации отечественных щитов и является очередным прорывом в области дизайна и технологии производства щитов для шанхайского туннеля после массового производства щита «Совершенный» с полным независимым правом интеллектуальной собственности.

Рис. 1-49. Завершена третья линия метро Инхэ в Тяньцзине в рамках проекта «Китайская железная дорога № 1»

Рис. 1-50. Завершение изготовления проходческого щита с гидроприрузом большого диаметра

Проходческий щит с гидропригрузом – это специальная машина и оборудование, используемое при прокладке подземных туннелей, которое использует теорию водно-шламового баланса для контроля баланса между давлением грунта в забое котлована и давлением воды и глинистой воды в камере щита, объединяя механику, электричество, гидравлику и управление.