29 мая в городе Чанша провинции Хунань официально представили «стального гиганта» высотой с пятиэтажный дом и диаметром бурения 14,57 метра. Сверхбольшой тоннелепроходческий щит «Цзяопин-1», совместно созданный компаниями China Railway 11th Bureau Group и China Railway Construction Heavy Industry, официально сошел с конвейера. Он будет задействован в строительстве тоннеля Маншань на железной дороге Цзяопин — самого большого в мире по диаметру тоннеля для высокоскоростной магистрали, сооружаемого щитом с уравновешиванием грунтового давления. Это знаменует выход китайской технологии щитов с уравновешиванием грунтового давления на новый уровень в области проходки тоннелей с высокими рисками, на длинные дистанции и в сложных геологических условиях.

«Одна большая, две длинные, три сложные»: почему тоннель Маншань настолько труден

Объект работы «Цзяопин-1» — тоннель Маншань на железной дороге Цзяопин — является ключевым проектом всей линии и сталкивается с экстремальными вызовами, которые можно охарактеризовать как «одна большая, две длинные, три сложные».

«Одна большая» — это сверхбольшое поперечное сечение. Тоннель спроектирован как однопутный двухпутный, диаметр бурения составляет 14,57 метра, площадь сечения превышает 167 квадратных метров. На сегодняшний день это самый большой в мире по диаметру тоннель для высокоскоростной магистрали, сооружаемый щитом с уравновешиванием грунтового давления.

«Две длинные» — это сверхдлинная дистанция. Общая длина щитового участка составляет 4970 метров, проходка ведется в одном направлении почти на 5 километров, что делает его одним из самых длинных тоннелей в мире при данном методе строительства. Как только щит уйдет под землю, ему предстоит непрерывная проходка в течение нескольких лет без какой-либо возможности выйти на поверхность досрочно.

«Три сложные» — это сочетание сложностей. Щиту предстоит пройти через разнообразные геологические формации, включая глинистый лёсс, пылеватую глину, крупнообломочный гравий и известковые сцементированные слои, а на отдельных участках встречаются валуны диаметром до 30 сантиметров. Кроме того, ему необходимо пройти под основной охранной зоной гробниц Маншань, железной дорогой Цзяоцзо-Лючжоу и скоростной автомагистралью Ляньюньган-Хоргос, где оседание поверхности должно строго контролироваться в миллиметровом диапазоне. Сложность строительства является редкостью для Китая.

Еще более сложной задачей является то, что продольное расстояние стартового котлована составляет всего 54 метра, площадка крайне ограничена, что требует применения технологии раздельного старта сверхбольшого щита — этот стометровый гигант должен начинать проходку модульно, постепенно, в ограниченном пространстве котлована.

Полная адаптация: от ротора до искусственного интеллекта

Для решения этих экстремальных задач команда разработчиков в течение более чем двух лет создала для «Цзяопин-1» ряд ключевых технических инноваций.

1. Первый в Китае специализированный ротор для мягко-твердых сцементированных грунтов

На этапе детальной разведки строительная команда обнаружила обширные участки известковых сцементированных слоев и валунов — опыта строительства сверхбольшими щитами в таких грунтах в Китае еще не было. Команда оперативно приступила к серьезной корректировке конструкции ротора и за 2 месяца завершила модернизацию, создав первый в Китае ротор для сверхбольшого щита, адаптированный к мягко-твердым сцементированным грунтам.

Этот ротор имеет композитную конструкцию с 8 главными балками и 8 панелями, степень раскрытия составляет 46%. Система резцов использует комбинацию «шарошки + зубчатые резцы + режущие резцы», полный арсенал: 61 однодисковая шарошка диаметром 19 дюймов (для твердых пород), 14 износостойких зубчатых резцов (для сцементированных слоев), 104 широких режущих резца с твердосплавными вставками (для резания мягких грунтов). Три типа резцов в одном обеспечивают полный охват при проходке мягких грунтов, сцементированных слоев и других особых формаций.

Для работы в высокоабразивных грунтах поверхность ротора покрыта композитными износостойкими плитами из карбида хрома, что повышает износостойкость на 40% и значительно продлевает срок службы ротора. Кроме того, на роторе размещены 20 форсунок для улучшения грунта, которые в сочетании с активными смесительными штангами, центральным смесителем и системой промывки высоким давлением эффективно предотвращают налипание глинистой корки на ротор — это явление «залипания резцов» является распространенной технической проблемой в высоковязких лёссовых грунтах.

2. Многоуровневая композитная система цементации для обеспечения миллиметровой осадки

Контроль оседания поверхности в миллиметровом диапазоне является самым жестким требованием при строительстве тоннеля Маншань, поскольку трасса тоннеля проходит непосредственно под основной охранной зоной гробниц, а также под действующими железной и автомобильной дорогами.

Установленная на «Цзяопин-1» многоуровневая композитная система цементации общей производительностью до 100 кубических метров в час позволяет синхронно с проходкой выполнять высокопрочное укрепление окружающего массива. Данные измерений показывают, что эта система позволяет точно контролировать оседание поверхности в требуемом миллиметровом диапазоне, обеспечивая фундаментальную гарантию при прохождении множественных зон риска.

3. Система синхронной проходки и сборки повышает эффективность почти на треть

Время цикла проходки одного кольца и сборки одного кольца обделки напрямую влияет на общую скорость проходки тоннеля. Система синхронной проходки и сборки, которой оснащен «Цзяопин-1», сокращает время строительства одного кольца с традиционных 127 минут до 97 минут, повышая эффективность почти на треть. Это означает, что на каждом пройденном километре можно сэкономить несколько дней общего срока строительства.

Интеллектуальный скачок: от «строительства по опыту» к «управлению на базе ИИ»

Если ротор и цементация представляют собой «аппаратную мощь», то интеллектуальная платформа управления на базе ИИ — это «программная мощь». Только их сочетание создает по-настоящему «умный щит».

Интегрированная в «Цзяопин-1» интеллектуальная платформа управления щитом на базе ИИ в реальном времени собирает огромные массивы данных о проходке — десятки ключевых параметров, таких как усилие подачи, крутящий момент, скорость вращения, грунтовое давление, объем цементации, могут автоматически отслеживаться, по ним выдаются предупреждения и осуществляется регулировка. Как только система распознает аномальную тенденцию, ИИ может выдать предупреждение за миллисекунды, помогая операторам своевременно скорректировать стратегию проходки и устранить потенциальный риск до возникновения аварии.

Кроме того, система обладает функцией интеллектуальной диагностики неисправностей, позволяющей быстро локализовать и диагностировать аномалии в различных электромеханических и гидравлических системах щита, что значительно сокращает время устранения неполадок и обеспечивает непрерывность и безопасность строительства.

Китайские гигантские щиты движутся к мировой вершине

Сход с конвейера «Цзяопин-1» имеет тройное знаковое значение.

Первое — техническое значение «мирового первого». Диаметр бурения 14,57 метра, общий вес 3500 тонн, установленная мощность 10000 киловатт — эти три ключевых параметра выводят мировой рекорд для щитов с уравновешиванием грунтового давления на новую высоту. Среди множества передовых технологий — система синхронной проходки и сборки, сокращающая цикл на 30 минут, повышение износостойкости ротора на 40%, платформа ИИ, обеспечивающая круглосуточный интеллектуальный мониторинг — каждая инновация является закономерным результатом накопленного опыта в области отечественных гигантских щитов.

Второе — промышленное значение «межотраслевой интеграции». В последние годы, по мере расширения сети высокоскоростных железных дорог Китая в регионы со сложной геологией, применение сверхбольших щитов в области железнодорожных тоннелей становится все более широким. «Цзяопин-1» заполняет пробел в применении щитов с уравновешиванием грунтового давления в особых условиях мягко-твердых сцементированных грунтов, обеспечивая надежную гарантию в виде оборудования для проходки большого диаметра при пересечении высокоскоростными магистралями крупных рек, долин и городских агломераций.

Третье — культурное значение «чувства Хэло». Ротор «Цзяопин-1» украшен тематическим изображением «Лунма» (Дракон-конь), вдохновленным мифом о «Хэ ту» (Карте из Желтой реки) — в древние времена Лунма выпрыгнул из Желтой реки со звездной картой на спине, и Фу Си, глядя на нее, начертал Восемь триграмм, положив начало цивилизации Хэло. Образ Лунма, парящий в центре ротора, несет в себе тысячелетний смысл оберега Хэло, а также символизирует твердую веру строителей, укоренившихся на земле Хэло, в преодоление трудностей.

График строительства и перспективы

По словам Чэнь Цзяня, руководителя проекта тоннеля Маншань на железной дороге Цзяопин из компании China Railway 11th Bureau Group, после выхода с завода «Цзяопин-1» будет разобран на сотни компонентов и доставлен на строительную площадку специализированным транспортом. В настоящее время стартовый котлован и сопутствующая инфраструктура в основном готовы. После прибытия оборудования профессиональная команда из более чем 80 человек организует его сборку и наладку, а официальный старт проходки ожидается в конце июля.

Этот гигант «Лунма», отправляющийся покорять Маншань, несет на себе не только вес сотен миллионов тонн стали, но и решимость китайского машиностроения совершить рывок к высокотехнологичности, интеллектуализации и автономности. От «Сделано в Китае» к «Создано в Китае» — право голоса в технологии щитов с уравновешиванием грунтового давления шаг за шагом возвращается в руки китайских инженеров.