Опыт применения современного насосного оборудования при проходке тоннелей
Cегодня строительство транспортной инфраструктуры, без которой невозможна интенсификация развития экономики страны, неразрывно связано с созданием таких технологически сложных объектов, как тоннели.
Быстрое и качественное сооружение безопасного и надежного тоннеля напрямую зависит от общего уровня техники, используемой при его прокладке, в том числе и насосного оборудования. В этой связи стоит обратить внимание на успешный опыт применения различных видов современных насосов в реализованных крупных проектах.
Подача воды для ТПК
Распространенный сегодня гидромеханический способ проходки, как известно, основан на совместном воздействии на породу собственно режущего или скалывающего исполнительного инструмента горных машин и непрерывных струй воды. Эти струи призваны обеспечить снижение механической нагрузки на исполнительные органы техники. Известно, что по опыту использования1 применение гидромеханического метода ведет к уменьшению усилий резания на резцах в 1,5-1,8 раза (в отдельных случаях до 2-2,5 раза) и усилий перекатывания на дисковых шарошках в 1,5-2 раза. Это приводит к заметному увеличению скорости подачи.
Испытания, проведенные несколько лет назад немецкой компанией «Вирт» (сегодня щит этой фирмы работает на строительстве метро в Екатеринбурге), это доказали. В ходе работ тоннелепроходческий комбайн (ТПК) бурового действия TBI-260 с диаметром исполнительного органа 2,6 м, оснащенный дисковыми шарошками и струями воды высокого давления, прошел 84,5 м в песчаниках. В данном случае использовалось четыре гидромультипликатора, развивающих давление в 300-400 МПа с расходом воды 120 л/мин и установочной мощностью 250 кВт.
Выяснилось, что применение воды высокого давления позволило снизить усилия резания и подачи (в сравнении с обычным механическим разрушением) более чем на 50%, при этом скорость проходки возросла в 2 раза. Кроме того, отмечалось полное отсутствие пыли в забойном пространстве, улучшение эксплуатационных характеристик проходческого оборудования, уменьшение степени измельчения горной массы и устранение опасности искрообразования при трении шарошек о породу. В результате стоимость проходки упала на 30-50%2.
Очевидно, что достигаемый при гидромеханическом способе проходки результат зависит во многом от стабильности подачи и напора жидкости. Это подтверждается и недавним опытом прокладки тоннелей для линии железной дороги в ЮАР - Gautrain (она строилась к чемпионату мира по футболу 2010 г.). Эта линия стала первой на континенте высокоскоростной железнодорожной трассой, связывающей экономический центр Южной Африки, Йоханнесбург, со столицей страны Преторией и международным аэропортом OR Tambo. Частично линия идет в тоннеле длиной 12 км с промежуточной станцией
Для проходки применялся ТПК, спроектированный и построенный компанией Herrenknecht (Германия) специально для использования в сложных геологических условиях ЮАР, в том числе для бурения твердых пород, прохождения песка и любой промежуточной субстанции. Это первая машина такого рода на континенте. Комплекс получил название Imbokodo, что в переводе с одного из южноафриканских диалектов означает «твердый точильный камень», и позволил создать водонепроницаемый и ровный тоннель диаметром 6,8 м3 всего за год4.
В данном случае задачу обеспечения подачи воды выполняла система повышения давления GRUNDFOS серии Hydro МРС. Она состоит из энергоэффективных многоступенчатых центробежных насосов серии CR, смонтированных на общей раме из стального профиля, с выполненной разводкой труб, электромонтажом и заводской регулировкой. Установка снабжена также шкафом управления.
При проходке тоннеля для Gautrain повысительная станция была установлена на прилегающей к ТПК строительной площадке. Гидромультипликатор непрерывно подавал воду на головки сверла и запасные резервуары комплекса через протянутый в тоннеле трубопровод.
Установка была выбрана для обслуживания нужд проходческого комплекса благодаря тому, что она способна поддерживать заданные рабочие параметры в соответствии с переменной характеристикой водозабора. С помощью автоматического подключения и отключения насосов или с помощью регулирования их частоты вращения модуль работает в области оптимального КПД (см. рис. 1).
Следует отметить, что установка снабжена встроеннойзащитой от «сухого» хода. В данном случае это одна из наиболее важных функций, так как работа всухую может повредить подшипники и торцевые уплотнения валов насосов. Такая функция основывается на принципе контроля входного давления или уровня жидкости в емкости, смонтированной перед насосным модулем. Если давление на входе или уровень воды в емкости слишком низкий, все насосы останавливаются. Штатно Hydro МРС уже оборудована датчиком давления, стоящим во всасывающем коллекторе.
Максимальный расход, который может обеспечивать подобный модуль, составляет 1000 м3/ч, максимальный напор - 220 м при температуре перекачиваемой жидкости 5-70°С и максимальном рабочем давлении 16 бар, что было достаточно для потребностей ТПК Imbokodo в ЮАР.
Осушение тоннелей
Еще одной сферой применения насосного оборудования при проходке тоннелей является откачка больших объемов грунтовых вод. Особенно остро такая проблема проявилась при строительстве подземных сооружений в Москве.
Дело в том, что в городе со сложной гидрогеологической обстановкой бесконтрольная откачка воды из подземных пластов и инфильтрация ее в верхние слои грунта до недавнего времени находились в равновесии. Однако около 10 лет назад этот баланс нарушился, что привело к подтоплению до 70% территории города. К сожалению, массовое подземное строительство, без которого развитие столицы невозможно, с одной стороны, усугубляет эти процессы, а с другой - ими же и тормозится5.
С такими проблемами, в частности, столкнулись проходчики Лефортовского и Серебряноборского тоннелей в Москве. В этих случаях также использовался ТПК Herrenknecht со щитом диаметром 14,2 м с гидропригрузом забоя и двумя гидротехническими тележками и малого ТПК со щитом диаметром 6 м, аналогичным большому щиту.
Взаимодействие столь крупных сооружений с подземными водами влечет за собой увеличение гидростатического давления на конструкцию, опасность ее всплытия, размягчение твердых и разжижение несвязных грунтов, что также нежелательно.
Исходя из мирового опыта, при строительстве тоннелей мелкого заложения в слабых водоносных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,3 до 100 м/сут. наиболее эффективным методом осушения грунтового массива является искусственное водопонижение. Поэтому в процессе разработки тоннелей были проведены специальные мероприятия, обеспечивающие стабильность, безопасность и надежность их обустройства и эксплуатации. Для этого в качестве защитных мер предусматриваются проемы в нижней части конструкций, выполненных по технологии «стена в грунте», прокладка дюкеров-трубопроводов в стенах и лотковой части тоннеля с водоприемными
и инфильтрационными трубами, устройство пластового и застенного дренажа. Для их успешного функционирования также требуется значительное количество мощных насосов, способных обеспечить откачку больших объемов загрязненной примесями воды6.
Так, в районе Лефортово, где в 2003 году были построены и сданы в эксплуатацию два тоннеля, задействована целая система осушения, включающая в себя 88 насосов для водоотведения GRUNDFOS серий SE и АР.
Особый интерес представляют насосы серии SE. Они предназначены для перекачивания бытовых и промышленных сточных вод с абразивными и длинноволокнистыми включениями, с уровнем рН от 4 до 10, с твердыми включениями размером до 50, 65, 80, 100 мм соответственно (в зависимости от размера свободного прохода). Такие агрегаты способны обеспечить подачу до 250 м3/ч и напор до 42 м.
Особенностью этих насосов является возможность как погружного, так и сухого монтажа, которая реализуется эффективной системой охлаждения электродвигателя. Тепло от него к перекачиваемой жидкости отводится через мощные алюминиевые тепловые мосты, поэтому дополнительных мер для теплоотведения не требуется. Для обеспечения безопасности все двигатели насосов серии S поставляются со встроенной теплозащитой, представляющей собой три термовыключателя, встроенных в обмотки.
Для удобства обслуживания предусмотрено двойное картриджевое торцевое уплотнение, которое при необходимости легко заменяется без применения специальных инструментов. Насосы, установленные в Лефортовском тоннеле, также снабжены датчиками контроля состояния торцевых уплотнений, позволяющими отслеживать их состояние и заблаговременно менять. Кроме того, в системе управления применяются поплавковые датчики уровня во взрывозащитном исполнении.
Лефортовские тоннели успешно функционируют уже почти 7 лет. За это время серьезных проблем с насосным
оборудованием, обеспечивающим дренаж, не было. Ремонтные мероприятия сводились к планово-предупредительным работам.
Сегодня очевидно, что дальнейшее развитие методов строительства тоннелей неразрывно связано с совершенствованием не только проходческой техники, но и сопутствующего оборудования. И приведенный выше опыт применения современного насосного оборудования при проходке тоннелей в сложнейших условиях убедительно это доказывает.
