Крот: Подземный корабль подарит Москве новое метро

Строительство тоннелей всегда было чрезвычайно сложной инженерной задачей. Слои породы, сменяющие друг друга по мере погружения под землю, формировались в течение миллионов лет и отличаются чрезвычайным разнообразием. На пути проходчиков возникают твердые каменистые грунты, мягкие глины и сыпучие пески, неспособные удерживать форму, множество водоносных слоев, грозящих за считанные минуты затопить весь тоннель. Если тоннель осыпается, он может не только заживо похоронить находящихся в нем людей, но и вызвать осадку поверхности земли, разрушая дороги, здания, сооружения.

Для защиты от осыпания и затопления каждый тоннель должен иметь прочные стены и свод, способный выдержать давление вышележащей породы. Все способы строительства тоннелей направлены на то, чтобы возводить свод как можно скорее, в идеале одновременно с проходкой — ведь осыпающаяся порода не будет ждать. До того, как щитовой метод прокладки тоннелей получил широкое распространение, существовало несколько способов строительства подземных дорог, применявшихся в основном при строительстве метро.

Открытый «берлинский» способ прокладки наиболее прямолинеен и дешев. От поверхности земли по всей длине трассы роют котлован до глубины заложения тоннеля. При этом используют обычные экскаваторы и подъемные краны. На дне котлована строится собственно тоннель, после чего его засыпают землей. Недостатки этого способа очевидны. Во-первых, на протяжении всей трассы поверхность земли, где могли быть дороги, дома, инфраструктура, превращается в стройплощадку. Кроме того, дома, расположенные в близлежащей зоне, имеют склонность оседать вниз вместе со слоями земли, в которых заложены их фундаменты. Для укрепления грунта по бокам от котлована предварительно вбивают металлические сваи — шпунты. Наконец, сильный ливень или остановка насосов, откачивающих воду со дна котлована, может быстро превратить стройплощадку в обширное озеро.

«Парижский» метод куда более сложен и трудоемок, но предлагает совершенно другой уровень комфорта и безопасности для окружающих и строителей. Сначала по центру будущего тоннеля до глубины свода роют небольшой коридор, укрепляя его временными деревянными или металлическими конструкциями. От него в обе стороны отводят другие ходы, как ребра от позвоночника. Вдоль «ребер» выкладывают каменные арки. Постепенно ходов становится все больше, и арки сливаются в свод, лежащий прямо в земле. Под его защитой, почти не опасаясь обвалов, можно выкапывать тоннель по всей длине, строить стены и пол.

Во время строительства Арбатской линии московского метро был применен остроумный траншейный метод, получивший название «московского». Он заключается в том, что вдоль трассы роют две узкие, но глубокие траншеи. Их заливают бетоном, получаются готовые стены будущего тоннеля. Затем снимают верхний слой грунта между стенами, при этом стены служат опалубкой для отливки свода. Пространство заливают бетоном, после чего возвращают грунт на место. Остается только выкопать землю из готового тоннеля.

Первый проходческий щит, изобретенный сэром Марком Исамбардом Брунелом, использовался при строительстве тоннеля под Темзой еще в 1824 году. Щит представлял собой металлические пол, стены и свод по размерам будущего тоннеля и назывался так потому, что защищал рабочих от обвалов. С помощью домкратов (сначала винтовых, позже — гидравлических) щит вдавливали в землю. Спрятавшись внутри, рабочие разрабатывали породу. Там же строились стены и свод тоннеля. Затем щит с помощью домкратов проталкивался дальше, упираясь в уже построенные стены. В готовой части тоннеля от входа до щита прокладывались рельсы, по которым вагонетки вывозили отработанную породу и подвозили стройматериалы.

Кстати, проходческие щиты далеко не всегда были цилиндрическими. Круглое сечение оправдало себя, когда тоннели стали выполнять из крупных элементов, так называемых тюбингов. Современные тоннели собирают из крупных бетонных блоков, как из конструктора. Круглое сечение позволяет, во-первых, собирать весь тоннель из одинаковых тюбингов, а во-вторых, выдерживать максимальное давление со всех сторон. Для сборки тоннеля из тюбингов щиты оснащают специальным механическим блокоукладчиком — эректором.

По мере роста диаметра тоннелей немеханизированные щиты стали снабжать переборками. Призабойная камера становилась многоэтажной, на каждом этаже размещались рабочие, которые с помощью лопат и отбойных молотков разрабатывали породу.

Основную проблему для строителей тоннелей всегда представляли водоносные слои породы. Если такой грунт вырвется на свободу, подземное сооружение окажется затоплено, а в образовавшиеся пустоты могут обрушиться люди и строения с поверхности. С водоносными слоями боролись по-разному. Применялось замораживание грунта перед проходкой — герметичным готовым участкам вода была уже не страшна.

Основным методом борьбы с водой был кессонный метод проходки. Призабойную камеру отделяли от щита стеной с герметичным шлюзом для прохода рабочих и отбора породы. В камеру компрессором нагнетали сжатый воздух. Повышенное до нескольких атмосфер давление отталкивало воду от щита и не позволяло затопить тоннель. Работа в кессоне требовала от рабочих особой выносливости и самоотверженности. Как водолазов, работающих в подводном колоколе, их подстерегала кессонная болезнь: азот воздуха под большим давлением растворялся в крови, и при резком падении давления кровь могла закипеть, как газировка в только что открытой бутылке. Лечение таких больных требовало госпитализации и многочасового нахождения в барокамере.

Для того чтобы превратить каторжный труд забойщика в квалифицированную работу оператора, нужно было совсем немного: установить перед призабойной камерой моторизированный ротор и подвести к нему электричество. На роторе закрепляются неподвижные или свободно вращающиеся фрезы. Конструкция ротора и фрез различается для разных типов разрабатываемой породы. К примеру, ротор для скальных пород имеет минимум отверстий и оснащен грубыми вращающимися фрезами. Ротор для песчаных грунтов вместо фрез имеет что-то вроде небольших ковшей, и отверстия в нем большие: в мягкой породе щит продвигается относительно быстро, и ее нужно своевременно удалять из призабойной камеры. Существуют щиты, оснащенные вместо ротора экскаваторным ковшом.

Итак, составные компоненты современного проходческого щита — это вращающийся ротор с фрезами, транспортер для удаления породы из призабойной камеры и погрузки ее на вагонетки, приемное устройство и эректор для тюбингов, а также мощные гидравлические домкраты. Щиты разрабатываются так, чтобы сохранить доступ рабочих в призабойную камеру. Благодаря этому можно заменять изношенные фрезы, не прекращая проходку.

Механизированный проходческий щит позволяет прокладывать тоннели даже в сложных городских условиях. При этом жизнь на поверхности идет своим чередом, никто и не подозревает, что под землей проходит щит. Однако с ростом диаметра тоннелей появились основания опасаться, что грунт провалится в огромную призабойную камеру щита, а это повлечет за собой большие разрушения на поверхности. Чтобы избежать этого, были разработаны проходческие щиты с грунтопригрузом. В них разработанный грунт не удаляется от ротора сразу, а заполняет камеру грунтопригруза, создавая в ней давление, необходимое для удержания неразработанной породы. При необходимости грунт удаляется из камеры с помощью шнекового конвейера (как в мясорубке). За давлением внутри камеры постоянно следят специальные датчики.

Щиты с грунтопригрузом отлично справляются с работой в сухих грунтах, но плохо защищают от воды. Для самых сложных условий проходки (плывунные неустойчивые грунты, значительное давление грунтовых вод), которые характерны и для Москвы, применяют щиты с гидропригрузом. В герметичную призабойную камеру такого щита по трубопроводу под давлением (до десятка атмосфер) подается бентонитовый раствор. Бентонит — это пластичная коллоидная глина с ярко выраженными сорбционными свойствами. Разработанная порода смешивается с раствором и откачивается из камеры в виде грунтовой пульпы. Во избежание попадания крупных частей породы в трубопровод пульпа проходит через предохранительное измельчающее устройство. В дальнейшем породу отделяют и вывозят со стройплощадки, а бентонитовый раствор возвращают в призабойную камеру. При необходимости заменить фрезы раствор вытесняют из камеры сжатым воздухом.

Для прокладки тоннелей в скальных породах применяют щиты с фиксацией. Их передняя и задняя части могут радиально расширяться. По мере проходки сначала расширяется задняя часть, прочно вцепляясь в стены тоннеля враспор. Передняя часть отталкивается от нее и разрабатывает породу. После проходки участка передняя часть в свою очередь расширяется и подтягивает к себе заднюю.

Наша прогулка на щит Herrenknecht началась со спуска в монтажную камеру. Она представляет собой шахту глубиной 22 м с бетонными стенами, строительными лесами, лифтами и лестницами. Над шахтой возвышается огромный кран Herrenknecht, с помощью которого в нее был опущен щит. До стройплощадки щит был доставлен в разобранном виде: он настолько огромен, что ни одна автомобильная дорога не позволит перевезти его целиком. На дне шахты устанавливают стартовые домкраты, которые вдавливают щит в породу в нужном направлении. Машина начинает проходку, а в шахте строят рельсы, компрессоры, все необходимое, чтобы обслуживать его работу. Кстати, наши акробатические упражнения в шахте, описанные в начале статьи, вовсе не означают, что на стройке в Крылатском низкая производственная культура и уровень безопасности. Просто строительство тоннеля от этой шахты на момент нашего посещения было давно завершено и монтажную камеру уже разбирали за ненадобностью.

Следуя по готовой части тоннеля к щиту, мы не могли не заметить, сколь сложная система коммуникаций обслуживает его работу. Вдоль стен тоннеля бесконечной вереницей тянутся электрические кабели, закрепленные на специальных крюках. Они питают систему освещения и сам щит. На другой стороне тоннеля сосредоточились многочисленные трубопроводы, в том числе те, по которым к щиту подается бентонитовый раствор. По другой трубе из тоннеля с характерным шумом выводится грунтовая пульпа. Самые большие трубы вверху тоннеля — вентиляционные. Периодически на пути встречаются компрессорные станции, поддерживающие необходимое давление в трубопроводах. Через каждый десяток метров из труб торчат контрольные манометры и вентили. По дну тоннеля тянутся рельсы.

По мере приближения к щиту возрастает шум, многократно усиливаемый эхом круглого тоннеля. Что характерно, высокотехнологичный, чистый, светлый, сухой тоннель упирается прямо в щит. Никаких строителей, стройматериалов, никаких следов стройки, только колоссальная машина в конце готового тоннеля. Проходческий щит внешне вызывает ассоциации с многопалубным судном — те же белые этажи, лестницы, технические помещения, компрессоры и даже сотрудник, постоянно «драящий палубу» с помощью автомобильной мойки высокого давления. На нижнем этаже «грузовой трюм» — магазин для тюбингов. На средней «палубе» технические помещения, моторы, компрессоры, проход к забою, кабина пилотов (да-да, людей, управляющих проходческим щитом, называют именно так). Наверху — «кают-компания», где рабочие могут передохнуть.

Неожиданно шум усилился. К щиту подъехала вагонетка с тюбингами. Пневматический погрузчик один за другим «присосал» тюбинги и отвез их в недра машины, в магазин. Нам посчастливилось понаблюдать за работой эректора. Под управлением оператора гигантская механическая рука достает бетонные тюбинги и энергично собирает из них кольцо. В последнее кольцо упирается множество мощных домкратов.

Мы заглянули в кабину пилотов. Там сидят три специалиста, перед ними на экранах отображается схема работы домкратов, видеоизображение призабойной камеры и входа в тоннель, а также разнообразные параметры работы механизмов. Пилот может корректировать направление щита, изменяя усилие отдельных домкратов. При этом он руководствуется показаниями лазерной системы позиционирования, которая позволяет определить координаты щита под землей с беспрецедентной точностью.

На стене в кабине пилотов висит чертеж будущего тоннеля, график с характеристиками проходимых грунтов, а также... вырезка из «Комсомольской правды» от 13 апреля 1961 года с заголовком: «Человек в космосе! Капитан первого звездолета — наш, советский!».

Возможно, внимательный читатель заинтересовался, как можно пройти 6 км под землей, имея всего два полуторакилометровых тоннеля. Очень просто! Мы могли попасть под землю исключительно через первую монтажную камеру. Щит был помещен в нее в мае 2004 года, успел полностью проложить тоннель до второй камеры, после чего был развернут, чтобы прорыть тоннель встречного движения, параллельный первому. К нашему приходу второй тоннель был почти закончен. Поэтому, чтобы добраться до щита, нам пришлось целиком пройти оба тоннеля, а затем тем же путем вернуться назад. Мы видели не только начальный этап строительства, то есть проходку, но и завершающий — облицовку первого тоннеля, а между ними — все промежуточные стадии. Готовые тоннели скоро увидят все москвичи из окна автомобиля или вагона метро.

Благодарим ОАО «Метрогипротранс» за помощь в подготовке статьи.