Микротоннелирование и щитовая проходка

Термины: что чем называется

Микротоннелирование и щитовая проходка — два способа строить подземные выработки без вскрытия поверхности, и в разговоре их часто путают. Свод правил СП 249.1325800.2016 «Коммуникации подземные. Проектирование и строительство закрытым и открытым способами» перечисляет методы закрытой прокладки: щитовую проходку, микротоннелирование, горизонтальное направленное бурение, прокол, продавливание, и даёт определения микротоннелирования, микротоннелепроходческого комплекса и продавливания.

• Щитовая проходка — сооружение тоннеля под защитой подвижной стальной конструкции, щита, внутри которой разрабатывают грунт и за которой монтируют постоянную обделку. Люди работают в тоннеле.
• Микротоннелирование — проходка дистанционно управляемым микротоннелепроходческим комплексом (МТПК) с одновременным продавливанием труб из стартовой шахты. Людей в забое нет.
• Продавливание — вдавливание трубы или футляра в грунт домкратами с разработкой грунта внутри трубы, без управляемого щита.
• Штольня — горизонтальная выработка малого сечения, пройденная вручную с временной крепью.

Если в техническом задании написано «щитовая проходка тоннелей», речь почти всегда о коллекторе или тоннеле большого диаметра, где после стройки можно пройти человеку. Если «микротоннелирование AVN» — о трубопроводе с управляемым комплексом из шахты. Разница принципиальная: другие сроки, площадки, стоимость и состав подрядчиков. Материалы о других методах закрытой прокладки собраны в разделе статей.

Как устроен проходческий щит

Щит — стальной цилиндр, который движется в грунте вперёд и защищает людей и оборудование от обрушения. В передней части — ножевое кольцо или режущий ротор, который разрабатывает грунт. В средней — опорное кольцо с домкратами. В хвостовой — оболочка, под защитой которой монтируют обделку. Домкраты щита упираются в уже собранное кольцо обделки и продвигают щит вперёд на ширину следующего кольца.

Принцип придуман ещё в начале XIX века: первым тоннелем, построенным щитом, считают тоннель под Темзой в Лондоне. С тех пор щит превратился в тоннелепроходческий механизированный комплекс (ТПМК) длиной в десятки метров, с ротором, системой выдачи грунта, укладчиком блоков обделки и технологическими тележками. В Москве такими комплексами строят перегонные тоннели метрополитена и крупные коллекторы.

Важная деталь: при щитовой проходке щит движется отталкиваясь от обделки, а не от шахты. Поэтому длина тоннеля одним щитом почти не ограничена усилием домкратов, в отличие от микротоннелирования, где всю колонну труб толкает станция в стартовой шахте.

Типы щитов и пригруза забоя

Главный вопрос при проходке — как удержать забой: не дать грунту обрушиться в щит, а воде — прорваться. От ответа зависит тип щита.

Щиты с пригрузом позволяют проходить ниже уровня грунтовых вод без водопонижения и под зданиями с минимальными осадками. Цена этой возможности — сложное оборудование на поверхности: для гидропригруза — сепарационная установка, ёмкости, насосные станции; для грунтопригруза — система кондиционирования грунта и вывоза.

Микротоннелирование: щит без людей

Микротоннельный комплекс — это щит, уменьшенный до диаметра трубопровода и вынесенный из-под контроля человека в забое. Оператор сидит в кабине на поверхности и ведёт щит по лазерной мишени. Главное отличие от щитовой проходки — в том, что за щитом не собирают обделку: её роль играют трубы, которые домкратная станция в стартовой шахте продавливает вслед за щитом.

Отсюда и сильные, и слабые стороны метода. Сильные: людей под землёй нет, точность по оси и уклону высокая, трубопровод готов сразу после проходки, без отдельной укладки трубы. Слабые: вся колонна труб движется целиком, трение растёт с длиной, и для длинных проходок нужны промежуточные домкратные станции и смазка затрубного пространства. Кроме того, щит нельзя извлечь на середине трассы, если он встал на препятствии, — только через аварийную шахту с поверхности.

Темп микротоннелирования определяется не только скоростью щита, но и циклом наращивания: после каждого хода домкратов станцию отводят, опускают и стыкуют следующую трубу, переключают трубопроводы гидротранспорта и кабели. Поэтому короткие трубы замедляют проходку, а длинные требуют большей шахты. Маркировки комплексов в закупках, например «AVN-1500», указывают серию и класс диаметра. Подробно об оборудовании, трубах и порядке работ по нашей услуге — на странице микротоннелирование в Москве и МО.

Обделка: трубы, блоки, тюбинги

Обделка — постоянная конструкция, которая держит грунт вокруг выработки. От неё зависят и долговечность сооружения, и стоимость проходки.

При щитовой проходке коллектора внутри обделки потом монтируют трубопровод или бетонируют внутреннюю рубашку. Это ещё один этап, которого нет у микротоннелирования. Зато в тоннеле щитовой проходки можно разместить несколько сетей, а сам тоннель обслуживать изнутри.

Для микротоннелирования важна не только прочность трубы на эксплуатационную нагрузку, но и на продавливание: усилие домкратов передаётся через торцы, и при перекосе стыка труба может расколоться. Поэтому между торцами ставят распределительные прокладки, а отклонения щита исправляют плавно, без резких поворотов.

Ручная штольня: третий вариант

На коротких переходах малого сечения ни щит, ни микротоннельный комплекс не окупаются. Здесь работает старый способ — ручная проходка штольни. Из котлована бригада проходит выработку сечением 900 × 900 мм или больше, крепит её рамами с забиркой, выносит грунт, укладывает рабочую трубу или футляр и забучивает выработку.

Штольня проигрывает щиту по темпу — 3–5 м за смену, — но выигрывает там, где механизированная проходка рискованна: на глубине до 3 м в городской насыпи с бетоном, кирпичом и неучтёнными сетями. Проходчик видит каждую трубу и кабель и раскрывает их руками, а ротор щита или шнек прошли бы по ним вслепую. Стоимость — 35 000 ₽/м по необводнённому грунту; подробнее о параметрах и порядке работ — на странице проходка штолен под коммуникации.

Сравнение трёх методов

Между ними лежат и другие методы: стальной футляр ф325–820 под дорогой обычно прокладывают горизонтальным шнековым бурением, а ф1020–2020 — продавливанием стальных футляров домкратами. Это дешевле микротоннеля на коротких переходах, хотя и с меньшей точностью на длинных.

По стоимости методы различаются структурой затрат. У штольни почти вся цена — в метре проходки, подготовительные работы минимальны. У микротоннеля значительная часть затрат приходится на шахты, мобилизацию комплекса и сепарацию, и метр дешевеет с ростом длины проходки. У щитовой проходки подготовка — монтажные камеры, сборка щита, инфраструктура площадки — занимает месяцы и окупается только на длинных тоннелях. Поэтому сравнивать методы по цене за метр без учёта длины трассы бессмысленно: на 30 м и на 600 м выигрывают разные способы.

Шахты и площадки

Для микротоннелирования нужны стартовая шахта, где стоит домкратная станция и опускают трубы, и приёмная шахта, где извлекают щит. Стартовую шахту рассчитывают на полное усилие продавливания: упорная стенка должна выдержать его с запасом. Ограждение шахт — шпунт, трубы, буронабивные или буросекущие сваи, опускной колодец — выбирают по глубине и воде. На поверхности у стартовой шахты нужно место под кабину управления, сепарационную установку, ёмкости раствора, склад труб и кран.

Для щитовой проходки нужны монтажная камера, где собирают щит и откуда он начинает движение, и демонтажная камера на выходе. Это крупные сооружения со своим проектом, а площадка у монтажной камеры занята на весь срок строительства: склад блоков обделки, вывоз грунта, энергоснабжение, вентиляция тоннеля.

Для штольни достаточно котлована с забиркой и обвязкой и места под вынос и временное складирование грунта. Именно поэтому штольня остаётся рабочим вариантом в стеснённой застройке, где ни шахту, ни камеру разместить нельзя.

Если ограждение котлована или шахты выполняется шпунтом Ларсена, его погружение и последующее извлечение можно поручить отдельному подрядчику — о том, как это устроено, — на странице шпунтовое ограждение котлована.

Грунты и вода

Грунт и уровень грунтовых вод определяют не только метод, но и тип щита. Для выбора нужны инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания по всей трассе, с шагом скважин, достаточным, чтобы увидеть смену слоёв на отметке проходки.

• Глины и суглинки выше уровня воды. Подходят все методы. Для щита возможен открытый вариант, для микротоннеля важно бороться с налипанием грунта на ротор.
• Пески ниже уровня воды. Нужен пригруз: гидропригруз для микротоннеля, грунто- или гидропригруз для щита. Штольня — только с водопонижением и усиленной крепью.
• Гравий, галька, валуны. Щит и микротоннельный комплекс с дробилкой и подходящим инструментом. Крупные валуны требуют расчёта инструмента и могут остановить малые комплексы.
• Городская насыпь с мусором. Самый неудобный грунт для механизированной проходки на малой глубине. Здесь ручная штольня надёжнее любого щита.

Отдельно оценивают смешанный забой, когда на отметке проходки верх щита в песке, а низ в глине. Такой забой труднее всего удержать от неравномерных вывалов, и его стараются избежать выбором отметки трассы.

Риски и мониторинг

Основные риски у механизированной проходки общие для щита и микротоннеля, отличаются только последствия.

1. Осадки поверхности и зданий. Возникают при недостаточном давлении в забое или пустотах за обделкой. Снижают расчётом пригруза, нагнетанием раствора за обделку или в затрубное пространство и геодезическим мониторингом по маркам на зданиях и покрытии.
2. Вспучивание и выход раствора. Обратная ситуация при избыточном давлении на малой глубине. Давление держат в расчётном коридоре.
3. Остановка на препятствии. Сваи, металлоконструкции, бетонные блоки. Щит можно освободить из тоннеля, микротоннельный комплекс — только через аварийную шахту с поверхности. Снижают разведкой трассы по архивам и шурфам.
4. Прорыв воды при входе и выходе из шахты. Самые ответственные моменты, снижают герметичными уплотнениями входа и выхода и закреплением грунта у стенки шахты.
5. Заклинивание колонны труб. Для микротоннеля при росте трения на длинных проходках. Снижают смазкой и промежуточными домкратными станциями.

У ручной штольни риски другие: устойчивость выработки и безопасность людей. Их снижают крепью сразу за забоем, проветриванием, контролем воздуха перед сменой и допуском по наряду.

Нормы, проект и закупка

Для подземных коммуникаций, проложенных закрытым способом, базовый документ — СП 249.1325800.2016. В нём собраны требования к проектированию и строительству коммуникаций методами щитовой проходки, микротоннелирования, ГНБ, прокола и продавливания. Транспортные тоннели и метрополитен проектируют по своим сводам правил, и щитовая проходка для них — отдельная отрасль со своими подрядчиками.

Проект на микротоннель или щитовую проходку включает больше разделов, чем проект перехода бурением: расчёт усилия продавливания или давления пригруза, конструкции шахт или камер, расчёт осадок поверхности и зданий в зоне влияния, программу геотехнического мониторинга, проект организации строительства с площадками у шахт. Без расчёта осадок проходку под зданиями и дорогами не согласуют.

В лотах сетевых организаций обычно указаны метод, тип комплекса, материал и размер трубы и пикеты участков. По этим данным подрядчик сразу видит, подходит ли его оборудование, поэтому в ТЗ стоит указывать их полностью.

Как выбрать метод

Начинать стоит не с метода, а с трёх параметров трассы: диаметр, длина, глубина и вода. Дальше выбор сужается сам.

• Короткий переход под одной дорогой, глубина до 3 м, городская насыпь — ручная штольня.
• Стальной футляр до ф820 на 30–70 м — шнековое бурение; ф1020–2020 — продавливание.
• Самотёчный коллектор на сотни метров с точным уклоном, особенно ниже уровня воды, — микротоннелирование.
• Тоннель или коллектор, внутри которого работают люди и размещают несколько сетей, — щитовая проходка.
• Напорная сеть или кабель ПЭ на длинном переходе по дуге — горизонтально направленное бурение.

Обзор всех способов закрытой прокладки с границами применения — в разделе бестраншейная прокладка коммуникаций. Если трасса подходит сразу под два метода, честный ответ даёт только сравнение полной стоимости: шахты или котлованы, мобилизация, трубы, утилизация грунта и раствора, мониторинг. Пришлите проект и изыскания — посчитаем варианты. Другие практические разборы — в статьях ФирмаСтрой о бурении и сваях.