Тоннель – одно из самых древних изобретений, придуманных человеком. Такие работы в прошлом выполнялись примитивными орудиями. А теперь используются проходческие щиты — современные машины, копающие тоннели на сотни метров вглубь и десятки километров в длину. Как работает подземная навигация?
Способы строительства тоннелей
Сооружение тоннеля подразумевает создание пустоты в земной коре. Оптимальный способ подбирается в зависимости от типа породы. Если она достаточно прочная, то можно обойтись без закрепления. В остальных случаях сперва сооружается временное укрепление (крепь), а потом постоянное (обделка). Оно обеспечивает гидроизоляцию тоннеля, а также берет на себя давление породы.
Способы возведения тоннелей делятся на 2 группы:
- открытые (для неглубоких тоннелей);
- закрытые (для тоннелей любой глубины).
Открытые способы включают котлованный, траншейный и щитовой методы. Их преимуществом является относительно невысокая стоимость. Основной недостаток – необходимость перестраивать коммуникации и дороги, которые располагаются над тоннелем.
Интересный факт: норвежский Эйксуннский автодорожный тоннель – самый глубокий в мире. Он опускается ниже уровня моря на 287 м. Длина тоннеля – 7,8 км.
Закрытые способы технологически более сложные. Подходящий метод выбирают в зависимости от мягкости и устойчивости породы. Одним из наиболее распространенных считается щитовой метод проходки. Для его реализации используются специальные машины, копающие тоннели – проходческие щиты.
Как копают подземные тоннели? Тоннелепроходческий комплекс
Под землей работает не один механизм, а целый комплекс, который называется тоннелепроходческим (ТПМК). Он включает разные машины, которые проделывают тоннели, выгружают горную породу, сооружают укрепления и т.д. Проходческий щит – одна из таких машин в комплексе.
Что примечательно – комплексы традиционно называют женскими именами. Конструкция сборная – это значит, что ее детали привозят на место работ и собирают в монтажной камере. Такая площадка отличается значительными размерами – примерно 60х70 м. Монтажная камера служит началом тоннеля, а демонтажная – завершением. В ней комплекс прекращает работу. Там же его разбирают, чтобы перевести на следующий объект.
Машина, копающая тоннели, в длину достигает около 100 м. В головной его части располагается ротор. Это режущий механизм, который разрушает породу. Работа ротора обеспечивается приводом. В конструкции укрепления предусмотрены тюбингы, которые в процессе работы щита заполняются цементным раствором.
ТПМК работает круглосуточно. За 24 часа такое устройство в среднем проходит 12 м. Рабочие трудятся в несколько смен, поскольку в обслуживании щита задействовано примерно 30 человек. В процессе прохождения необходимо отгружать изъятый грунт. Через специальные карманы щита он по конвейеру, а потом в вагонетках по рельсам переправляется на полигоны. За сутки работы ТПМК необходимо задействовать около 30 машин для перевозки грунта.
Интересный факт: впервые тоннель с помощью ТПМК сооружен под рекой Темза в Великобритании (1825 г.). Идея его создания принадлежит английскому инженеру Марку Брюнелю.
Иногда на сборку ТПМК недостаточно времени, ведь в среднем монтаж занимает 1-2 месяца. В таком случае специалистам приходится импровизировать. Например, на столичной станции «Петровский парк» головную часть комплекса весом 150 т опускали на 28 м вглубь целиком с помощью крана.
Как тоннелепроходческие комплексы ориентируются под землей?
Как только человек задумался о том, что подземное пространство можно и нужно использовать, возникла проблема ориентации на местности. Отрасль горной науки, которая специализируется на пространственно-геометрических измерениях и других смежных вопросах, называется маркшейдерным делом.
Профессия маркшейдера известна как минимум со времен царской России. В наше время такой специалист планирует и контролирует все работы, которые касаются подземного строительства или разработки горных выработок.
Принципы подземной навигации остались такими же, как и много лет назад. Но разница в том, что сейчас большинство задач выполняют машины, а все приборы стали цифровыми. Первый шаг – опускание с поверхности земли в начальную точку тоннеля трех отвесов. Они образуют треугольник. Второй шаг – измерение углов между ними, а также определение азимута каждой стороны треугольника.
Таким образом, уже зная азимуты всех сторон, специалисты спускались под землю. Там они производили измерения этого же треугольника. Оставалось лишь определить азимуты и с помощью угломерных приборов задать ориентир для прокладки тоннеля. К слову, специальный прибор, который позволяет определять горизонтальные и вертикальные углы, называется теодолитом.
Во время сооружения современных тоннелей чаще всего используются автоматические навигационные системы. Они в режиме реального времени показывают точное положение ТПМК в пространстве. За счет этого удалось повысить качество подземных сооружений, точность и скорость выполнения работ.
Существует множество систем подземной навигации, но наиболее распространенными стали:
- SLS;
- SN-PAi;
- ACS-II.
Все системы имеют свои компоненты и принцип работы. Общим для них является наличие тахеометра. Это геодезический инструмент, с помощью которого измеряют расстояния и углы.
Например, система SN-PAi является призменной и оснащена инклинометром, который автоматически измеряет крен и уклон машины. На машине, копающей тоннели, закрепляются две мотопризмы. С заданным промежутком времени выполняется замер их координат. Данные передаются на компьютер, и специалист получает информацию о местоположении в пространстве проходческого щита. При этом он видит, если машина отклоняется от заданного курса. С помощью SN-PAi сооружены многие тоннели Московского метро.
Другие системы подземной навигации используют тахеометры со встроенным лазером и специальные мишени. Определяются относительные координаты лазерных точек, которые затем пересчитываются в абсолютные координаты. Затем происходит сравнение местоположения щита с проектными данными.
Как тоннелепроходческие комплексы ориентируются под землей? – Короткий ответ mirvu.ru
Первым делом с земной поверхности в исходную точку тоннеля опускаются 3 отвеса, которые формируют треугольник. Затем измеряются образованные углы и для каждой стороны треугольника вычисляется азимут. Под землей специалистами проводятся аналогичные измерения. Далее с применением угломерных приборов задается правильный ориентир для прокладки тоннеля. Сейчас почти все действия автоматизированы за счет современных навигационных систем.
