Назад
Специальные способы строительства
11 августа 2022
3512

Специальные способы строительства

Много-много лет назад, когда я был маленьким, то часто играл в песочнице.Из сухого песка что-либо построить было сложно, поэтому ценился влажный песок. Вполне достаточно было слегка смочить его водой и строительные функции песка кратно возрастали. Но вот если переборщить с водой…   Недавно, стоя на берегу Оки смотрел, как младший сын копает «ствол» до центра Земли. В какой-то момент он уперся в горизонт воды и скорость её поступления с песком в «забой» явно стала больше, чем он успевал вычерпывать. Грандиозное строительство претерпело фиаско, и проект был остановлен. Но сын был упрям, и рядом возникла новая шахта. Так и появилась идея для темы этого номера — специальные способы строительства.

Естественно, это не учебник: охватить все аспекты в отведенном мне месте явно не получится, да и такой задачи нет. Строительный азарт младшего сына натолкнул на идею рассказать, что такое эти «специальные способы строительства» и как метростроевцы (да и вообще проходчики) преодолевают своего врага — воду. А чаще всего это еще и злейший враг — плывун, смесь воды с песком. Да-да, та самая жижа, что мы с вами в детстве делали в песочнице.

Конечно, в силу своего метростроевского опыта, я не могу говорить за все сложности, которые могут встретиться при подземной проходке. Например, у нас не бывает загазованности, которая приводит к печальным взрывам на угольных шахтах. Нет выхода радона, который наблюдали при строительстве Северо-Муйского тоннеля. Кстати, о нем я вам расскажу в одном из ближайших номеров — мне довелось побывать там и пробраться в такие места, куда журналистов не пускают.

ПРО ГЕОЛОГИЮ

Кстати, локальные загазованности бывают даже в Москве, но такие места быстро выявляются специализированной лабораторией и проводится комплекс мер по ликвидации. Естественно, геология каждой местности очень сильно влияет на особенности проходки. Например, та же Москва — это в основном обводненные известняки, мергель (смесь известняков с глиной), просто глина, культурные и мощные слои плывунов. На западе явно выражены карстовые явления. А в городе на Неве в основном все строительство ведется в сухой глине — там мелкая пыль хрустит на зубах и в объективе. Естественно, везде есть сложные участки, как тут не вспомнить тот же пресловутый «размыв» в Санкт-Петербурге. А в Екатеринбурге, в тех забоях, где мне приходилось бывать, была в основном скальная порода, но обильно обводненная.

RRS_4189.jpg

В общем, в каждой местности будут «водиться» свои подземные тараканы. Но самый главный враг — это была и остается вода. Причем она может быть как без напора, так и с напором. А может и с очень высоким гидростатическим давлением, с песком, может быть химически активной, да и просто очень вредной — такой, что невозможно «заткнуть последнюю дырку» с течью. Или представьте, что из забоя хлещет вода с температурой градусов за 50! Такое редко, но бывает при строительстве горных тоннелей. В общем, хлопот с водой хватает. И основная задача при строительстве метрополитена (мы все же говорим про метро, а не вообще про строительство, хотя это будет применимо к любой стройке) в обводненных грунтах что-то сделать с этой водой. Или применить такую технологию, которая обеспечивала бы герметичный забой и/или безопасную проходку.

В позапрошлом номере (№ 2, 2022 год) я рассказывал про строительство первого тоннеля под Темзой с помощью проходческого щита. Несчастные 396 метров с перерывами проходили с 1825 по 1841 год. Проходка в донных отложениях реки и в иле шла без каких-либо специальных средств в современном понимании этого слова. Только забой закрывали досками, так называемое шандорное крепление, что предохраняло тоннель от прорыва плывуна. Работа была адская, но плывун несколько раз прорывался. Иногда с затоплением большей частью готового тоннеля и гибелью рабочих.

ПРО МУЗЕЙ

Это строительство было уже третьей попыткой построить тоннель под Темзой: первая в 1799 году закончилась вообще ничем. Следующая была предпринята в 1805 году и к 1807 году успели пройти примерно 300 из 365 метров тоннеля, после чего он попал в плывун, и условия стали очень трудными и опасными. Это был пилот-тоннель размером примерно от 60 до 90 сантиметров по ширине и высотой до 1,5 метра. На его основе в дальнейшем предполагали раскрыть большее сечение. Но проект был заброшен… Конечно, использование пилот-тоннеля тоже является специальным методом строительства (чем больше площадь забоя, тем сложнее и опаснее его раскрывать), который позволяет вести работу в сложных грунтах. В Москве с его помощью была сооружена, например, станция «Университет» на продолжении Сокольнической линии в водонасыщенных песках. Но основным средством для борьбы с плывуном на протяжении многих десятков лет оставался сжатый воздух и заморозка.

Да, воду еще можно откачать. Изобретение парового насоса, научно-техническая революция и возросший объем добычи угля очень способствовали развитию именно угольной промышленности в Европе и средств его добычи. Несколько лет назад я оказался в политехническом музее Мюнхена, который расположен на острове. Вся подвальная часть этого музея отдана горному делу — от самых первобытных средств добычи угля до современной техники. Я ходил по экспозиции и, честно говоря, чертовски завидовал такому музею. Изобретение парового насоса позволило механизировать откачку воды и осуществлять её буквально в промышленных масштабах из шахт. Но у насосов есть свой предел и вариант просто поставить больше — не всегда работает. Ну попробуйте откачать море, например. Пока это удалось только в случае с Аральским морем, да и то очень долго старались.

RRS_8631.jpg

 

ПРО НЕМЦЕВ, ЩИТЫ И ПРОХОДКУ

Впрочем, водопонижение является вполне себе специальным способом строительства. Вот в Берлине немецкие строители открытым способом преодолевали реку Шпре. Они отгораживали половину русла, далее забивали шпунт Ларсена в два кольца и внутрь засыпали грунт. Потом включали водопонижение и откачивали воду (а два слоя шпунта обеспечивали герметичность), выкапывали котлован, строили тоннели метро и все восстанавливали. Потом повторяли на другой части реки. И это было более ста лет назад!

Сжатый воздух является самым специальным методом строительства. К сожалению, не знаю, когда его применили не на щите. Зато профессор А.Н. Пассек в своей книге «Подводные тоннели» (Пассек А. Н. Подводные тоннели. Москва : Изд-во Трансжелдориздат, 1933. 20 с.) пишет, что инженер Грейдхед впервые применил сжатый воздух при щитовых работах под рекой Гудзон между Нью-Йорком и Нью-Джерси (1879–1906 гг.). С помощью усовершенствованного щита (так называемый щит со средним отверстием) был пройден тоннель длиной 1695 метров.

Щит, несмотря на свои недостатки (отсутствие приспособлений для крепления грунта в забое), получил распространение и с его помощью было сооружено много тоннелей, как без сжатого воздуха, так с ним. Шлюзовая камера при использовании такого щита обычно располагалась в готовом тоннеле.

Для тоннелей большого диаметра были разработаны многоярусные щиты, где каждая ячейка представляла собой небольшую кессонную камеру. Там использовались всевозможные методы выпуска грунта в тоннель. Но подобная камера на одного-двух проходчиков в случае затопления скорее всего служила им и могилой…

Способ проходки под сжатым воздухом, несмотря на все сложности и опасности, получил широчайшее распространение. Он активно использовался при строительстве метрополитена и железных дорог по всему миру.

 

ПРО СЖАТЫЙ ВОЗДУХ

Сжатый воздух отжимает из забоя воду, осушая породу. В целом все просто, но дьявол, как говорится, кроется в деталях. При проходке необходимо выдерживать такое давление, чтобы не прорвать воздухом высокого давления породу в шелыге тоннеля. Это приведет к падению давления в тоннеле и его затоплению. А низкое давление приведет к постоянному водопритоку в лотке. При диаметре тоннеля шесть метров подобрать давление, которое подошло бы на всех горизонтах, практически нельзя, поэтому предпочитали идти на чуть пониженном давлении. Подтопленный лоток — сущая мелочь по сравнению с катастрофическим затоплением.

1657603782700.jpg

Сжатый воздух также норовит уйти из тоннеля, и для обеспечения работы при нем необходимы надежные и высокопроизводительные компрессорные станции. А сжатый воздух еще и нагревается, так что при подаче в тоннель надо его охладить, что влечет сооружение градирни или иного способа охлаждения. В общем, одна техническая задача тянет по цепочке целый комплекс других.

В Москве сжатый воздух на щитовой проходке впервые применили в 1933–34 годах при сооружении перегонных тоннелей между станциями «Лубянка» и «Охотный Ряд». Там использовался щит с открытой грудью, разделенный на 3 яруса и с аванбеком — козырьком, который первый вгрызался в породу и защищал проходчиков от падения породы. Шлюзовая камера расположилась в готовом тоннеле и время от времени её надо было переносить.

21 сентября 1933 года при проходке одного их этих тоннелей в кессоне случился пожар. Вообще, пожар на подземном строительстве — страшное дело. А пожар в кессоне — еще страшнее. При этом пожаре погибло двое рабочих. Пожар в кессоне сложен тем, что сжатый воздух дает повышенное содержание кислорода и подпитывает пожар. А если снять давление, то в тоннель ворвется плывун. А наверху — Москва. Улицы, многоэтажные здания. Это приведет к катастрофе. Было принято сложное решение сбросить давление, что привело к частичному затоплению участка плывуном. В результате наверху образовалась воронка и обрушился небольшой дом, к счастью, без особых последствий.

 

ПРО КЕССОНЫ

С этой проходкой связан и курьезный случай. На Манежной площади вдруг стали «кипеть» лужи — воздух через породу выходил на улицу. Чтобы москвичи не пугались, наверху поставили комсомольца, который объяснял, что это не черти лезут, а мы строим самое лучшее в мире метро.

С первой очереди кессонный способ прочно утвердился в арсенале Московского метростроя. Да и не только у них. С помощью него сооружали железнодорожные тоннели в Киеве (стройка брошена из-за начала войны), железнодорожный тоннель под Амуром (сейчас действует), строили метро в разных городах… Но этот способ требует богатырского здоровья и забирает его у проходчиков. И долгое время искали способ, как избавиться от этого сложнейшего и, пожалуй, самого опасного способа строительства.

Эта история связана с выдающимся метростроевцем Юрием Анатольевичем Кошелевым, который пришел в компанию после прекращения работ по сооружению тоннеля на Сахалин, где Юрий Анатольевич был начальником участка. После смерти товарища Сталина в 1953 году многие великие стройки были свернуты.

На метрострое Юрий Анатольевич после года работы в производственном отделе Управления на должности старшего инженера стал заместителем начальника этого отдела. В 1957 году тридцатилетнего Кошелева назначили главным инженером СМУ-1 (теперь это Тоннельный отряд № 6). Одним из серьезных испытаний для строителей тогда стала проходка перегонных тоннелей от берега Москвы-реки к станции «Университет». Для преодоления плывуна использовали до боли знакомый кессонный вариант. Эта проходка запомнилась тем, что в какой-то момент щит начал тонуть в плывуне — внизу щита грунт стал настолько жидким, что стал засасывать щит.

Для ликвидации последствий «нырка» щита в Москве пришлось сооружать вокруг него камеру и поднимать его на проектные отметки. И все это под сжатым воздухом!

 

ПРО СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ

Именно тогда молодой руководитель задумался, как избавить тоннельщиков от вредной для здоровья работы под повышенным давлением воздуха.

Решение пришло позже: во второй половине 70-х годов был успешно реализован новаторский метод проходки тоннелей в обводненных неустойчивых грунтах, предусматривавший принудительное водопонижение.

IMG_0921.jpg

В содружестве с учеными Метрогипротранса он разработал и внедрил специальный способ строительства на перегоне между станциями «ВДНХ» и «Ботанический сад». Первоначально предполагали пройти этот переходный участок с помощью кессона, но Юрий Анатольевич отстоял новую идею. Даже несмотря на удлинение трассы, она дала колоссальный эффект: в первую очередь его способ сохранил здоровье метростроевцев.

Суть его заключалась в следующем — трасса делилась на отсеки. По их контуру бурили вертикальные скважины и делали ледяную стену. Потом из получившихся отсеков откачивали воду, снимали гидростатическое давление, осушали плывун и вели проходку в уже нормальных условиях.

Это была грандиозная победа над плывуном: такой способ регулярно использовался до середины 90-х годов, когда впервые в Москве применили на переходном участке ТПМК — тоннелепроходческий механизированный комплекс.

Не раз Юрий Анатольевич внедрял специальные методы и брал ответственность на себя. Так, чтобы не останавливать судоходство по каналу имени Москвы, он предложил заморозить дно канала и обеспечить сохранность важного сооружения. В другой раз при аварии щита на строительстве переходного участка между станциями «Кожуховская» и «Дубровская» он принял решение вести встречную проходку блокоукладчиком. Очень сложная и аварийная проходка была, но она открыла путь механизированным щитам, и сейчас подавляющая проходка в Москве осуществляется с помощью этих подземных лайнеров. Думаю, этот случай достоин отдельной статьи, так как он был и остается беспрецедентным в истории Московского метростроя.

У Кошелева 60 авторских свидетельств и звание Героя Социалистического труда, которое он получил за внедрение новой техники. А эту часть, которая посвящена ему, я закончу его словами: «Хочу, чтобы Метрострой был самой лучшей организацией в Москве. Чтобы нашим строителям жилось лучше всех, чтобы они всегда получали самую высокую зарплату и с удовольствием работали».

 

ПРО «СТАКАН»

Уже позже, при проходке переходного участка между станциями «Серпуховская» и «Тульская» с помощью метода контурной заморозки и принудительного водопонижения произошел пожар. Грунт настолько пропитался парами бензина от находившейся наверху автозаправочной станции, что проникал в тоннель. Пожар был оперативно потушен. А представьте, если это случилось в кессоне, под сжатым воздухом?

parij-2.jpg

И огромное количество раз с помощью сжатого воздуха вели проходку через плывуны или под дном Москвы-реки. Геология нашей столицы весьма коварна и требует порой специфического подхода. Помимо горизонтального кессона, в метрострое (и не только) активно использовался вертикальный кессон, который пришел в нашу область из мостового строительства. С его помощью мостовики сооружали опоры в русле рек или на топких берегах. А сам способ ведет свои корни от водолазного колокола, который известен с 4-го века до нашей эры. Хотя первое исторически достоверное упоминание о применении водолазного колокола относится к 1531 году, когда Гульельмо ди Лорена на озере вблизи города Рим на глубине 22 метров пытался найти сокровища с затонувших галер.

Метод опускного кессона представляет собой перевернутый «стакан». Выбирая породу из-под кромки (ножа), мы позволяем опускаться сооружению вниз. Сверху нашего стакана мы можем сооружать вертикальный ствол. Но тут начинаются сложности. Вертикальные стволы пересекают мощные плывуны, поэтому внизу делали камеру под высоким давлением, откуда отжимали воду, производили выемку породы и опускали кессон. В Париже таким образом 100 лет назад форсировали Сену, когда тоннель сооружался на берегу реки, транспортировался вплавь на свое место. Потом его нагружали, он опускался на дно реки. А вот дальше включали воздух и начиналась выемка породы из кессонной камеры, после чего тоннель опускался на проектную отметку. Такой способ преодоления рек использовали не только в Париже, естественно.

В Москве с помощью опускного кессона на первых очередях массово сооружали вертикальные стволы. А на участке между станциями «Комсомольская» и «Красные Ворота» с помощью опускных кессонов сооружен участок тоннеля длиной чуть более 90 метров. Из-за большого сечения тоннеля, а он там двухпутный, пришлось думать, как пройти переходный участок. В итоге самый сложный отрезок разбили на три тоннеля длиной по 30 метров. Расстояние между торцами было около метра, а сами торцы были закрыты. Далее, выбирая грунт из-под ножа, опустили последовательно каждый участок тоннеля. Ну а соединить их под землей уже проблем не было.

На второй очереди на шахте № 86-бис пришлось сооружать кессонные участки на поверхности. В каждый такой тоннель поместили по два щита и опустили их на проектные отметки. В итоге таким образом прошли сложный переходный участок между станциями «Динамо» — «Аэропорт». Таким же образом опускали щиты в кессонах в Киеве, где Мосметрострой перед войной вел сооружение железнодорожных тоннелей. Один из кессонов так и не успели опустить, и он до сих пор стоит на берегу в районе Оболони.

А на третьей очереди технологию немного упростили. На перегоне между станциями «Павелецкая» — «Автозаводская» опустили вертикальные тоннели-кессоны, и из них начали проходку. Сжатый воздух в очень маленьком объеме используется до сих пор. Дело в том, что иногда требуется выходить в кессон на механизированных щитах, например, для замены режущих элементов ротора или ремонта. Конечно, это стараются делать в очень крайних случаях.

 

ПРО ЗАМОРОЗКУ

Еще одним массовым способом специального строительства является заморозка. Теория проста как дважды-два. Вода превращается в лед, тем самым создавая естественную защиту для воды по контуру. Традиционно в Москве таким способом проходят почти все наклонные ходы: бурят скважины под углом, потом монтируют замораживающую арматуру и включают холодильные установки. Через несколько недель (сроки бывают разные) по контуру будущего наклонного хода получается естественная защита. Забой сух, но в тоннеле холодно. В Москве такой способ начали использовали при сооружении наклонных ходов на станциях первой очереди. Причем в отличие от английской практики, когда сначала проходят первый пилот-тоннель очень малого диметра, потом раскрывают на второй пилот-тоннель и только потом вторично раскрывают на полное сечение, мы сразу шли на полное сечение, которое было весьма больше, чем у наклонных ходов в Англии. У нас в 1934 году просто не было времени на это всё. Это был, конечно, технический риск, но он себя оправдал. С тех пор такой способ используется регулярно и до сих пор.

Естественно, заморозку используют для проходки вертикальных стволов — это самый простой вариант.

В истории Московского метростроя было несколько случаев, когда морозили горизонтально. Например, слой водоупорной глины от шелыги свода станций «Динамо», «Площадь Революции», «Маяковская» до плывуна был мал. И было весьма обоснованное опасение, что при проходке его могут «порвать», что чревато затоплением выработок. Поэтому было принято решение заморозить все пространство над станцией, создав ледяной зонт.

 

ПРО ГОРОД НА НЕВЕ

Мне неизвестны случаи такой глобальной заморозки в горизонтальной плоскости над станциями в последующие годы. Хотя такой способ вполне себе использовали локально. Как я написал выше, при преодолении участка под каналом имени Москвы. Или совсем недавно, при строительстве пересадки со станции «Петровский Парк» на станцию «Динамо». В последнее время нашел свое применение сухой лед для борьбы с локальным проявление злого водопритока.

Отдельно, конечно, надо упомянуть пресловутый «Размыв» в Ленинграде. После прорыва плывуна, который отказался морозиться стандартным методом в месте пересечения русла древней реки, пришлось морозить это место жидким азотом. Случай уникальный для тоннельного строительства в СССР и в мире. Грунтовый массив оттаивал чуть ли не 20 лет, а в 90-е годы плывун вновь о себе напомнил, что привело к затоплению тоннелей на участке между «Лесной» и «Площадью Мужества». И уже в современной истории с помощью механизированного комплекса были построены новые обходные тоннели. А по мотивам аварии Ленинградской студией был снят в 1986 году фильм-катастрофа «Прорыв».

_MG_0875.jpg

Первая очередь Московского метро послужила прекрасной школой для множества специальных методов. Помимо заморозки и сжатого воздуха использовали всевозможные методы химического закрепления грунтов. И сейчас, в современном строительстве, это, пожалуй, самый распространенный способ — так как современная химия творит чудеса.

Рекорд московского метростроя по водопритоку — 2500 кубометров воды в час на строительстве Кольцевой линии. Мне сложно судить, сколько это воды. Я лично мок под притоком в 300–400 кубов. Это было впечатляющее. Но несмотря на всевозможные способы и методы, все это было придумано людьми. В забой, рискуя жизнями, шли проходчики, мастера, начальники, разбираясь на месте, как покорить тот или иной злой и мокрый метр.

И покоряли!

Копировать ссылку
Автор материала: Александр “Russos” Попов