Микротоннелирование
Технология прокладки коммуникаций в условиях плотной застройки

Традиционная технология прокладки неглубоких подземных коммуникаций до сегодняшнего дня подразумевает проходку траншей необходимого сечения, куда укладывают кабели, трубы или в которых сооружают коллектор. Землеройные работы на поверхности не вызывают проблем только на не застроенных площадках, но в условиях плотной городской застройки проводить их зачастую невозможно. В этом случае безальтернативным является способ прокладки коммуникаций с использованием технологии микротоннелирования.

В этой технологии используется автоматизированный щитовой проходческий комплекс с микрощитом небольшого диаметра, до 2450 мм. Прокладку протяженных коммуникаций с диаметром проходки менее 200 мм ведут с помощью систем горизонтально-направленного бурения.

Щитовая проходка как способ сооружения тоннелей известна давно. Первые немеханизированные щиты, представлявшие собой защитные футляры из металла и дерева, использовались еще в XIX веке. В футляре проходчики вручную вынимали грунт из забойного пространства и по мере его освобождения задавливали щит вперед. Со временем конструкция щитов усложнилась, для продавливания ножевого (передового кольца) начали использовать гидродомкраты, а щиты оборудовать забойными створами (ячейками).

С внедрением механизированных щитовых комплексов появилась возможность вести выработки в неустойчивых грунтах, в том числе по водонасыщенным горизонтам, где раньше требовалось провести мероприятия по водопонижению, заморозке и т. д. Автоматизация позволила убрать человека из рабочей зоны и создавать щиты минимального диаметра, которые нашли широкое применение при микротоннелировании. В России знакомы с микротоннельными комплексами производства Lovat, Herrenknecht, Soltau, Robbins. Известная в мире японская фирма Iseki Рoly-Tech пока не поставляет свою технику в Россию. Наибольшее число комплексов, работающих в России, – от компании Herrenknecht.

Рассмотрим технологию проходки микротоннеля на примере комплекса AVN фирмы Herrenknecht. В стартовой шахте установлена рама продавливания, обычно состоящая из самой рамы, упорного кольца и гидродомкратов, которые продавливают трубный став коллектора, толкая микрощит и подавая роторный рабочий орган на забой. Проходку ведут до момента выхода щита в приемном котловане. Длина железобетонной трубы (футляра) продавливания обычно равна тройной длине хода гидродомкратов, что наиболее удобно при ведении проходческих работ. По мере полного выхода штоков упорное кольцо входит в зацепление с дополнительными упорами на кожухе домкратов, и цикл повторяется. Такая конструкция позволяет экономить пространство, что особенно важно при сооружении шахты. После задавливания очередного футляра (трубы) с поверхности подают следующий футляр. Упорное кольцо перемещается в крайнее заднее положение, освобождая место под новый футляр, который затем входит в хвостовик уже задавленного (так называемый принцип «мама–папа»). В местах соединения труб установлены уплотнительные резиновые кольца, обеспечивающие герметичность соединения. Посадочные места соединения выполнены с расчетом на прохождение криволинейных участков, для чего между торцами труб дополнительно устанавливают прокладку из ДСП. После установки футляра подсоединяют все гидромагистрали и наращивают трубопровод гидротранспорта.

Для микротоннелирования широко используют полимербетонные, керамические, стеклопластиковые и асбестоцементные трубы любого требуемого диаметра. Для стыковки труб применяют специальные манжеты. В России (в Москве) изготавливают некоторые типоразмеры полимербетонных и железобетонных труб диаметром 300, 400 и 500 мм.

Щит состоит из основного корпуса, головы, рабочего органа с приводом и подшипником. Скомпонованные механизмы образуют рабочую камеру, включающую призабойное пространство и камеру управления. В камере управления расположены гидрораспределители, питающие магистрали, трубопровод с задвижкой-байпасом, лазерная мишень, панель удаленного управления. Рабочий орган располагается в голове щита, соединение которой с основным корпусом имеет несколько степеней свободы, как шарнир. Для отклонения и фиксации головы щита служат три гидроцилиндра. В процессе работы за счет ее отклонения происходит корректировка направления проходки. Информация о направлении проходки берется из показаний лазерной мишени. Сам лазер устанавливают в стартовой шахте и настраивают по меткам маркшейдера. Сигнал с мишени передается в компьютер управления, находящийся в контейнере управления на поверхности земли.

Привод рабочего органа гидравлический. Конструкцию коронки выбирают в зависимости от вида горной породы, в которой планируется использовать комплекс. Она может быть оснащена резцами или шарошками. Скорость и направление вращения ротора изменяется системой управления. Изменение направления вращения иногда требуется для раскрутки зажатого ротора, в этом случае все три гидроцилиндра управления полностью выдвигаются, как бы отталкивая щит от забоя, а затем втягиваются, отдаляя голову щита от забоя и освобождая вращающийся ротор. Внутренняя поверхность исполнительного органа имеет выступы, которые участвуют в дроблении кусков породы в камере дробления. Камера дробления образована внешней поверхностью перегородки корпуса головы щита и внутренней поверхностью рабочего органа.

В комплексах AVN используется гидротранспортирующий контур для забора продуктов бурения из рабочей камеры щита. На поверхности располагается резервуар с водой, откуда вода поступает в центробежный насос. Насос нагнетает воду в напорный трубопровод, по которому вода подается в рабочую камеру щита. Отбитая порода поступает в камеру дробления ротора, где смешивается с водой и в виде пульпы подается в трубопровод гидротранспорта. Под остаточным давлением пульпа доходит до шламового насоса, который расположен на уровне рамы продавливания и выдает пульпу на поверхность в отстойники или на сепарацию. Привод насосов регулируемый, позволяет управлять подачей насосов в широком диапазоне. Байпас служит для вывода рабочей камеры из контура при продолжении циркуляции воды. Прекратить подачу воды в рабочую камеру необходимо при вынужденных остановках щита, чтобы избежать вымывания забоя. Если просто останавливать насосы, может произойти забивка трубопровода шламом, поэтому необходимо некоторое время после остановки щита промывать трубопровод.

Основная задача при сооружении тоннеля в городе – не допустить просадки грунта: это может привести к повреждению наземных объектов. С этой целью в рабочей зоне поддерживают избыточное давление, исключающее возможность выхода грунтовых вод и создания разрежения в массиве. Отслеживает давление в рабочей камере датчик, сигнал с которого передается в компьютер управления.

Маслостанция и система управления комплексом находятся в отдельном контейнере на поверхности. Оператор через компьютер контролирует следующие основные параметры: • направление движения щита (информация в виде условных меток головы и хвостовика щита на координатной сетке монитора с указанием уклона и азимута); • скорость проходки (показания курвиметра); • давление в системе привода ротора; • давление в рабочей камере; • подачу насосов гидротранспорта (показания датчиков расхода в трубопроводе). Дополнительно выводится информация о давлении в системе продавливания, в системе управляющих гидроцилиндров, показания по выдвиганию штоков цилиндров, температура рабочей жидкости, состояние фильтров и др. Оператор, ориентируясь на показания датчиков, постоянно корректирует подачу домкратов продавливания, вращение ротора и работу насосов гидротранспорта. Периодически корректируется направление продвижения щита путем выдвигания-задвигания гидроцилиндров управления, т. е. поворота головы щита. Когда этого требуют условия, производится закачивание бентонита за пределы труб и в забойное пространство. Бентонит, заполняя пространство вокруг труб, снижает силу трения, и став продавливается легче.

Herrenknecht AG предлагает три серии микротоннельных комплексов. Для обычных условий используется оборудование AVN. Щиты AVN-T созданы с возможностью доступа в рабочую камеру, что бывает необходимо для вытаскивания из камеры недробимых объектов (кусков металла, например) и замены инструмента. Для особо сложных горногеологических условий применяют оборудование AVND (от 1600 мм) с возможностью выхода в призабойное пространство и с барокамерой.

Максимальная протяженность проходки зависит от конкретных горногеологических условий и может достигать 200 м без применения промежуточных станций продавливания, но в основном не превышает 70…100 м. Этого вполне достаточно, чтобы провести коммуникационный коллектор под дорогой или зданием без нарушения поверхности грунта. Микротоннелирование незаменимо при проведении тоннелей в плывунах, под водоемами с неустойчивой основой.

В России работает и несколько щитов Wirth-Soltau – фирмы, которая изготавливает проходческие комплексы со шнековой (RVS-A) и шламовой (RVS-AS) откаткой грунта для прокладки трубопроводов диаметром от 110 до 3000 мм. Переход от шнекового способа прокладки трубопровода к шламовому способу и наоборот осуществляется легко, что обеспечивает наиболее эффективное использование каждого из них. Проходка ведется по тому же принципу, что и у комплексов Herrenknecht. Комплексы успешно работают в различных грунтах, от влажных до сухих глин и песков с галькой до скальных пород, обеспечивая беспросадочную проходку.

Производство оборудования для микротоннелирования пытаются наладить и отечественные производители. Фирма «Горизонталь» из Подмосковья предлагает свою продукцию – микротоннельные агрегаты МТА. Представляет собой управляемый микротоннельный автономный проходческий агрегат. Схема комплекса аналогична схеме AVN.

В Группе компаний «Альянс» создали микротоннелепроходческий комплекс МТПК 1550 «Бирюза» для сооружения тоннелей методом продавливания железобетонных, полимербетонных и стальных труб в смешанных, в том числе водонасыщенных грунтах. Щит диаметром 1550 мм включает режущую головку с управляемой поворотной головной частью, оснащенной ротором в герметичной камере с конической дробилкой, корпус для размещения силового и технологического оборудования, и хвостовую часть с адаптером для размещения технологического оборудования. Конструкция в целом аналогична AVN Herrenknecht.

В настоящее время в Москве эксплуатируются порядка 30 микрощитовых комплексов диаметром от 300 до 2000 мм. Самые распространенные для микротоннелирования железобетонные трубы имеют диаметр от 600 до 2000 мм и применяются при прокладке самотечной и ливневой канализации, коммуникационных коллекторов. Для напорной канализации, газовых и водопроводных трубопроводов приходится использовать стальные трубы.

*Сталь, железобетон, полимербетон или керамика.
**Возможно применять трубы длиной 6 м.
***С промежуточной станцией продавливания.

Еще одно направление использование микрощитов – возведение защитных П-образных экранов из стальных труб, заполняемых бетоном, под которыми ведется проходка тоннеля открытым забоем. По такой схеме строят тоннели большого сечения, например, при сооружении переходов под шоссе или железнодорожными путями без нарушения режима движения транспорта. Подобные проекты успешно реализованы в Москве и других городах России.

Технология микротоннелирования еще не успела получить массового распространения в России, во-первых, потому что это относительно новое направление в строительстве подземных коммуникаций, а во-вторых, из-за дороговизны оборудования и комплектующих. Однако перспективность технологии не вызывает сомнений. На ближайшие годы только в Москве запланирована проходка десятков километров коллекторов по методу микротоннелирования. Идет подготовка специалистов, на отечественных заводах осваивается производство труб продавливания.