Недавно в Ухане (провинция Хубэй) огромное оборудование, напоминающее «черничный пончик», медленно выехало с производственной базы, что ознаменовало официальный выпуск первой в мире проходческо-взрывной машины (Boring and Blasting Machine, сокращённо BBM), совместно разработанной Университетом Цинхуа и компанией China Railway Science & Industry (CRSCI) группы China Railway. Это первый случай, когда два основных метода — метод тоннелепроходческих машин (ТПМ) и буровзрывной метод — объединены в одном оборудовании, что открывает новое техническое решение для строительства протяжённых тоннелей в сложных геологических условиях.
Два метода несовместимы,отрасль требует нового оборудования
Китай обладает обширными горными территориями, значительная часть крупных инфраструктурных проектов — автомобильных и железных дорог, водохозяйственных объектов — размещена в глубинных горных районах. При строительстве протяжённых тоннелей часто возникают такие проблемы, как горные удары, внезапные прорывы грязи и воды, высокие температуры пород, значительные деформации окружающего массива, а также перемежающиеся зоны мягких и твёрдых пород и разломные зоны, что создаёт огромные вызовы для организации строительства и контроля безопасности.
Долгое время в отрасли использовались два основных зрелых технических подхода — метод проходческих машин и буровзрывной метод, каждый из которых имеет свои преимущества, но чётко разграничен. Проходческие машины обеспечивают непрерывную проходку в однородных твёрдых породах и стабильное формирование тоннеля, однако недостаточно адаптивны в условиях значительных деформаций мягких пород и водоносных разрушенных зон. Буровзрывной метод охватывает широкий диапазон геологических условий и применим к породам различной твёрдости, но отличается разрозненностью операций и недостаточной увязкой с креплением, заметно уступая по общей эффективности механизированной непрерывной проходке.
В проектах протяжённых тоннелей с изменчивыми геологическими условиями чередование оборудования двух типов стало обычной практикой. Однако на каждом этапе — демонтаж и перевозка оборудования, смена рабочих бригад, переход между технологическими процессами — возникают потери времени, что становится скрытым узким местом, сдерживающим продвижение строительства.
По мере дальнейшего расширения инфраструктурного строительства Китая вглубь гор и под землю, интегрированное оборудование, объединяющее преимущества двух методов и адаптированное к строительству в любых породах, стало важным инновационным направлением, требующим прорыва.
Прорыв и преодоление,«объединение в одно» создаёт мощное оборудование
Для решения этой отраслевой проблемы Университет Цинхуа совместно с China Railway Science & Industry объединил профессиональные силы в области щитового оборудования, глубокого бурения и точных взрывных работ для междисциплинарной скоординированной разработки. Однако объединить проходку и взрывные работы «в одно» — это не простое «1+1», прежде всего необходимо решить две ключевые технические задачи.
Первая — проблема баланса нагрузок в конструкции. Традиционные проходческие машины используют закрытую режущую головку на всю поверхность забоя, что обеспечивает равномерное распределение нагрузок и стабильность работы. Для выполнения буровзрывных работ необходимо «открыть окно» в режущей головке — спроектировать полую кольцевую режущую головку, что напрямую изменяет систему восприятия нагрузок всей машины. При нарушении баланса нагрузок усиливается износ режущего инструмента, что напрямую угрожает стабильности оборудования.
Вторая — проблема защиты от взрывов. Обломки породы и ударные волны от взрывов чрезвычайно легко повреждают прецизионные электронные и гидравлические компоненты внутри машины. Создание надёжной системы взрывозащиты в замкнутом корпусе представляет собой чрезвычайно сложную конструкторскую задачу.
Для решения этих двух задач исследовательская группа многократно проводила структурную симуляционную оптимизацию и испытания компонентов, последовательно преодолевая технические барьеры, что в итоге привело к реализации конструкции комбинированной режущей головки «центр + кольцо».
Эта полая режущая головка, напоминающая «пончик», является наиболее знаковой оригинальной ключевой конструкцией проходческо-взрывной машины. Благодаря скоординированной работе полой и центральной режущих головок, машина может гибко переключаться между тремя режимами работы: «взрыв спереди, проходка сзади», «проходка спереди, взрыв сзади» и «полнопрофильная проходка», сочетая преимущества предварительной обработки взрывом и механизированной непрерывной выемки, полностью разрушая границы применения традиционных методов.
«Например, для экстремальных пород с высокими напряжениями или значительными деформациями мягких пород, проходческо-взрывная машина может через полый канал в центре "пончика" обеспечить доступ персонала и оборудования для проведения предварительных работ — тампонажного укрепления, предварительного трещинообразования, аварийного крепления — перед забоем, тем самым предотвращая такие риски, как обрушение породы или заклинивание оборудования», — пояснил Ван Чэнхай, руководитель проекта проходческо-взрывной машины в China Railway Science & Industry.
Мощная поддержка,пять ключевых решений действуют согласованно
Помимо знаковой режущей головки-«пончика», как отметил Ван Чэнхай, машина оснащена рядом оригинальных технологий, обеспечивающих согласованную работу пяти ключевых компонентов и формирующих комплексную интегрированную систему строительства с техническим преимуществом «одно объединение, две адаптации, три унификации».
Выдвижные боковые резцы действуют как «регулятор формы тоннеля»: на основе алгоритма расширения по касательным окружностям они точно регулируют размеры сечения выработки — расширяя при большом сечении и сужая при малом, что повышает эффективность перемещения оборудования внутри тоннеля. Адаптивный выдвижной хвостовой щит — это «динамическая броня», прилегающая к породному массиву: он адаптируется к сегментам различных размеров, обеспечивая сборку крепи переменного диаметра на участках с горными ударами и значительными деформациями, гарантируя непрерывность и стабильность крепёжной конструкции. Взрывозащитное устройство основной машины — это «защитный шлем» всего оборудования, специально разработанное для синхронных проходческо-взрывных работ: оно эффективно гасит ударные волны от взрывов, защищая основную машину и прецизионные внутренние компоненты. Независимая ленточная транспортёрная система — это линия «сортировки материалов»: она раздельно транспортирует отходы проходки и самопроизведённый заполнитель, обеспечивая эффективный контроль материалов на площадке и повышая экономическую и экологическую эффективность.
«Одно объединение» — это сочетание эффективности непрерывной проходки ТПМ с широкой геологической адаптивностью буровзрывного метода: переключение режимов работы без замены оборудования, что исключает потери времени на монтаж/демонтаж и смену технологий. «Две адаптации» — это двойная адаптация к породам и сечению: работа как в мягких, так и в твёрдых породах, как с большими, так и с малыми сечениями — одно устройство охватывает множество условий тоннельных работ. «Три унификации» — это стандартизированная интеграция методов строительства, аппаратного обеспечения и форм крепления: от предварительной обработки, выемки и выдачи породы до крепления и регенерации заполнителя — весь процесс может выполняться одним устройством, что значительно упрощает конфигурацию оборудования, организацию персонала и управление строительством на площадке.
Данные испытаний показывают, что в условиях сверхтвёрдых пород после предварительного трещинообразования эффективность проходки машины может повыситься на 30%. Для протяжённых тоннелей протяжённостью в десятки километров это означает сокращение общего срока строительства на несколько месяцев и более.
Движение вглубь,от «пригодности» к «интеллектуальному применению»
Выпуск первой в мире проходческо-взрывной машины сломал традиционные подходы к проектированию аналогичного оборудования как в Китае, так и за рубежом. Вся машина и ключевые компоненты полностью независимы и контролируемы, что заполняет пробел в области интегрированного оборудования для строительства тоннелей в сложных геологических условиях и совершенствует цепочку производства высокотехнологичного оборудования для подземного строительства в Китае.
Как сообщается, данное оборудование будет впервые применено в пилотном проекте гидроаккумулирующей электростанции. Исследовательская группа будет непрерывно оптимизировать его характеристики на основе данных полевых испытаний, одновременно проводя модернизацию в направлении интеллектуализации и точности, интегрируя системы интеллектуального распознавания пород, опережающего прогнозирования условий строительства и автономной интеллектуальной проходки, обеспечивая переход оборудования от стадии «пригодно и работоспособно» к стадии «эффективно и интеллектуально».
Как прорывное инновационное достижение в области оборудования для подземного строительства, эта проходческо-взрывная машина в будущем будет широко применяться в таких ключевых областях, как транспортное строительство, водохозяйственные комплексы и освоение глубоких ресурсов, непрерывно повышая уровень самостоятельной разработки и производства оборудования для подземного строительства в Китае и обеспечивая технологические инновации для новой индустриализации и строительства транспортной державы.