Быстрое и качественное сооружение безопасного и надежного тоннеля напрямую зависит от общего уровня техники, используемой при его прокладке, в т.ч. и насосного оборудования. В этой связи стоит обратить внимание на успешный опыт
применения различных видов современных насосов в реализованных крупных проектах.

fСегодня строительство транспортной инфраструктуры, без которой невозможна интенсификация развития экономики страны, неразрывно связано с созданием таких технологически сложных объектов как тоннели.

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 использования [1] 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 два раза. 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 % [1]. 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 Роузбенк. Кроме того, конечная остановка в аэропорту также стала подземной.

Для проходки применялся ТПК, спроектированный и построенный компанией Herrenknecht (Германия) специально для использования в сложных геологических условиях ЮАР, в т.ч. 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 м [2] всего за год [3]. Задачу обеспечения подачи воды выполняла система повышения давления Grundfos серии Hydro MPC, состоящей 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 (рис. 1).

Следует отметить, что установка снабжена встроенной защитой 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 MPC 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 °C и максимальном рабочем давлении 16 бар, что было достаточно для потребностей 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. Около 10 лет назад этот баланс нарушился, что привело к подтоплению до 70 % территории города. Массовое подземное строительство, без которого развитие столицы невозможно, как усугубляет эти процессы, так ими же и тормозится [4].

С такими проблемами 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 м3/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 воды [4].

Так, в районе Лефортово, где в 2003 г. 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 pH 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 семь 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.