Под московскими улицами, под петербургскими набережными, под реками и горами разных стран работают машины, которые редко видит обычный человек. Это тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК) — щитовые машины, которые медленно, но неизбежно прокладывают дороги сквозь камень и грунт. Многие операторы метро дают им женские имена — по традиции, связанной со святой Варварой, покровительницей горняков и подземных работ. Но независимо от названия, эти машины — вершина инженерной мысли, объединяющие мощь механики, гидравлики и электроники в едином устройстве, способном преодолевать кажущиеся невозможными препятствия.
Машина с женским именем: история щитовой проходки
Щитовая проходка — технология, которая появилась в XIX веке, когда инженерам впервые понадобилось строить тоннели под водой. Первые попытки были примитивны и опасны: рабочие копали вручную, рискуя жизнью при обвалах и наводнениях. Затем появился щит — защитная конструкция, которая удерживала грунт от обвала. Постепенно щит трансформировался в механизм, а затем в полностью автоматизированную машину.
Традиция давать щитам женские имена распространена во всём мире. По одной из версий, она связана со святой Варварой — покровительницей всех, кто работает под землёй. По другой — традицию популяризировал канадский производитель Lovat. В московском метро машины носят имена «Елена», «Виктория», «Наталия», «Клавдия», «Полина» и другие. В Петербурге работают щиты «Надежда» и «Вера». Может быть, это суеверие, а может, просто способ сделать работу с огромной машиной более человечной.
Режущая головка: морской червь как вдохновение для инженеров
По легенде, один из первых изобретателей щитовой машины придумал её, приглядевшись к корабельному червю — небольшому моллюску, который пробивает себе дорогу сквозь дерево кораблей, одновременно выстилая проход защитным слоем извести. Именно этот принцип и лежит в основе работы современной щитовой машины: пробиваться вперёд и одновременно укреплять проход.
На переднем конце машины находится режущая головка — главный рабочий орган. Это массивная стальная конструкция, насыщенная специальными инструментами. Дисковые фрезы и шарошки врезаются в грунт, разбивая его и создавая осыпь. Давление, с которым эти инструменты прижимаются к грунту, может регулироваться — это позволяет машине адаптироваться к разным типам пород.
Вращение головки обеспечивается электрическим двигателем мощностью в сотни киловатт. Скорость вращения может варьироваться от 0,5 до 6 оборотов в минуту, в зависимости от твёрдости грунта. Чем твёрже порода, тем медленнее вращение, но тем больше усилие прижима.
Как порода превращается в облицовку: технология в деталях
Пока режущая головка работает в передней части машины, позади неё происходит другой процесс. Извлечённая порода перемещается по конвейерной системе или шнеку в специальные вагончики. Вода и грунт, если работает гидропригруз, направляются в установку обработки на поверхности.
Но главное действие происходит сразу за режущей головкой. Там, в хвосте щита, работает сегментонакладчик — механизм, который подхватывает железобетонные блоки (тюбинги) и укладывает их в тоннеле. Каждый блок имеет вес несколько тонн и является частью кольца облицовки. Кольцо состоит обычно из 5–7 сегментов, которые соединяются между собой через специальные замки.
Процесс укладки автоматизирован: манипуляторы машины захватывают сегмент, ориентируют его правильно и вставляют в полукруглый паз, где уже уложены предыдущие кольца. После установки каждого кольца за обделку нагнетается специальный раствор, заполняющий пространство между тюбингами и грунтом. Это обеспечивает прочность конструкции и предотвращает просадку поверхности.
Как машина не сбивается с пути
Одна из главных загадок для непосвящённых — как огромная машина под землёй не теряет направление? Ведь GPS под толщей грунта не работает. Для навигации используется комплекс высокотехнологичных решений.
Лазерный луч, направленный на датчики в хвостовой части ТПМК, позволяет ориентироваться в трёхмерном пространстве. Тахеометры измеряют углы и расстояния, помогая определить точное положение машины. Инклинометры фиксируют угол наклона щита относительно гравитационного поля Земли. По мере продвижения щита создаются новые точки привязки для повышения точности навигации.
Точность современных систем поражает воображение: при строительстве знаменитого Евротоннеля под Ла-Маншем расхождение между двумя щитами, двигавшимися навстречу друг другу, составило всего 36 сантиметров по горизонтали и 6 сантиметров по вертикали. А максимальное отклонение современного ТПМК от заданных параметров составляет не более восьми миллиметров.
Скорость и рекорды
Средняя скорость проходки современных ТПМК в Москве составляет 250–350 метров в месяц. Но в благоприятных условиях машины способны на большее. В 2020 году экипаж десятиметрового ТПМК «Лилия» установил рекорд отечественного метростроения — 500 погонных метров в месяц при строительстве западного участка Большой кольцевой линии.
Мировые рекорды ещё впечатляюще: в кембрийских глинах Санкт-Петербурга была достигнута скорость 1250 метров в месяц. Это значит, что гигантская машина продвигалась вперёд более чем на 40 метров каждый день — прокладывая путь, укрепляя стены и оставляя за собой готовый тоннель.
Современные ТПМК работают круглосуточно, без остановок. Стоимость такой машины может достигать 13–15 миллионов евро, а её длина — более 100 метров. Но эти инвестиции оправданы: механизированная проходка безопаснее, быстрее и точнее ручного труда.
Каждый раз, когда вы спускаетесь в метро, помните: эти тоннели проложили не люди с кирками, а стальные гиганты с женскими именами — невидимые труженицы, работающие глубоко под вашими ногами.
Вопрос
Как думаете, какое имя дали бы щиту, который строит тоннель в вашем городе?
Делитесь вашими вариантами в комментариях — самые интересные обсудим!