Туннельный экскаватор

Туннелепроходческий экскаватор — это специализированная машина, предназначенная для механизированной проходки тоннелей, шахтных выработок и подземных коммуникаций. В мировой практике чаще используется термин туннелепроходческий комбайн (ТПК) или туннелепроходческая машина (ТПМ), однако в обиходе также встречаются названия "экскаватор для тоннелей" или "тоннелепроходческий экскаватор". Эти машины играют ключевую роль в строительстве метро, транспортных тоннелей, гидротехнических и горнодобывающих объектов.

Описание

Туннелепроходческий экскаватор — это самоходная машина, оснащённая режущей головкой, системой транспортировки породы, гидравликой и системой крепления тоннельного свода. Машина одновременно выполняет проходку породы и укрепление тоннеля, обеспечивая непрерывный цикл работ в ограниченном пространстве подземных выработок.

Виды

Существуют следующие основные виды туннелепроходческих экскаваторов:

• щитовые туннелепроходческие машины (щитовые ТПК),

• безщитовые (свободностоящие),

• полнофронтальные (с круглой фрезой, охватывающей весь профиль тоннеля),

• частичного сечения (фреза охватывает только часть тоннельного контура),

• с твердотельной резкой (дисковый резак) или фрезеровкой (фрезы),

• механизированные и полуавтоматические.

История создания

Первые попытки механизировать тоннельную проходку относятся к XIX веку. В 1825 году в Англии был предложен первый туннелепроходческий щит Марка Брюнеля для прокладки тоннеля под Темзой. Однако машины, близкие по конструкции к современным ТПК, начали активно использоваться с середины XX века.

В 1950–1960-х годах в США и Европе появились первые серийные проходческие машины с вращающейся головкой. В СССР широкое развитие таких машин началось в 1970-х годах, особенно в связи со строительством метрополитенов. С начала XXI века появились полностью автоматизированные ТПК с высокой точностью навигации и минимальным участием человека.

Типы

По типу конструкции и применению туннелепроходческие экскаваторы делятся на:

• Щитовые машины с мягким щитом — используются в нестабильных грунтах, оснащаются гидроприводом и системой активного давления на лоб.

• Грунтоприготавливающие машины (EPB) — оснащены шнековым транспортером, формируют устойчивый лоб за счёт переработки породы.

• Гидрошитовые машины (Slurry Shield) — применяются при водонасыщенных и нестабильных грунтах, где используется суспензия для поддержки лба.

• Твердоскальные машины (Hard Rock TBM) — режущий инструмент выполнен в виде дисковых резцов, предназначены для работы в прочных породах.

• Двухщитовые и многощитовые машины — применяются на длинных тоннелях и в сложных условиях.

Общее устройство

Основные компоненты туннелепроходческого экскаватора:

• Режущая головка — вращающийся инструмент с резцами или фрезами.

• Щитовая оболочка — металлический кожух, защищающий машину и формирующий тоннель.

• Главный привод — электромотор или гидропривод, вращающий головку.

• Система отвода породы — транспортеры, шнеки или насосные установки.

• Секция тыловой поддержки — размещает оборудование, коммуникации, системы вентиляции и крепления.

• Система крепления тоннеля — установка тюбингов, анкеров или распора.

• Система навигации — лазерная или инерциальная, обеспечивает точную трассу движения.

Классификация

Классификация ТПК может быть выполнена по следующим признакам:

• По типу породы:

  • для мягких и неустойчивых грунтов,

  • для твёрдых скальных пород.

• По способу крепления тоннеля:

  • с одновременной укладкой тюбингов,

  • без крепления (например, в твердых породах при малых сечениях).

• По типу сечения:

  • круглое сечение,

  • подкова,

  • прямоугольное (редко, для спецназначений).

• По автоматизации:

  • ручного управления,

  • полуавтоматические,

  • автоматические с ИИ и дистанционным управлением.

Основные характеристики

• Диаметр проходки: от 2 до 19 метров

• Производительность: от 5 до 30 метров в сутки

• Длина машины: 50–150 м

• Масса машины: от 100 до 4000 тонн

• Мощность двигателя: до 7000 кВт

• Скорость проходки: 1–6 м/ч

• Уровень автоматизации: от ручного до полного автопилота

• Способ крепления тоннеля: тюбинги, анкера, набрызг-бетон

• Режущий элемент: дисковые резцы, фрезы, долота

Основные производители

Мировые производители

• Herrenknecht AG (Германия) — один из крупнейших производителей ТПК в мире.

• Robbins (США) — ведущий производитель туннелепроходческих машин для твёрдых пород.

• Terratec (Австралия) — специализируется на компактных машинах.

• NFM Technologies (Франция).

Китайские производители

• China Railway Engineering Equipment Group (CREG) — крупный производитель для метро и ж/д тоннелей.

• China Railway Construction Heavy Industry (CRCHI) — выпускает широкий модельный ряд для разных условий.

Российские производители

• ККЗ "Красный Пролетарий" (Москва) — в советское время выпускал щитовые машины.

• ЗАО "Рудгормаш" — поставляет оборудование для горной промышленности, включая проходческие комплексы.

• Московский завод проходческих машин (в рамках холдингов) — занимается ремонтом и модернизацией импортных ТПК.

Интересные факты

• Самая большая в мире ТПК — Big Bertha (США), диаметр 17,5 метра, длина более 100 метров, вес свыше 6000 тонн.

• В Японии применялись компактные ТПК диаметром менее 2 метров для подземной прокладки коммуникаций.

• В Швейцарии при строительстве Готтардского базисного тоннеля использовались сразу несколько ТПК длиной до 150 метров.

• В Китае был создан ТПК с возможностью бурения подводных участков на глубине более 50 метров.

• Некоторые современные ТПК могут быть оснащены системой 3D-сканирования и анализа породы в режиме реального времени.

Область применения

Туннелепроходческие экскаваторы применяются в следующих сферах:

• строительство метрополитенов,

• строительство автомобильных и железнодорожных тоннелей,

• создание коммунальных коллекторов,

• горнодобывающая промышленность,

• строительство гидротоннелей и каналов,

• военные и оборонные объекты (укрытия, подземные хранилища).