Теперь можно перейти к описанию непосредственных методов работ в тоннелях, проходимых с помощью щита; оно будет в целом подразделяться по различным типам условий, встретившихся на забое, например: полнолицевой забой в скальном грунте, смешанный забой, полнолицевой забой из песка и гравия, проходка под речной набережной и полнолицевой забой из ила.
Последний тип забоя является тем, в котором была пройдена наибольшая по сравнению с другими доля длины тоннеля, и, поскольку до сих пор публиковалось немного описаний управления щитом в таком грунте, ему будет уделено значительное внимание.
Полнолицевой забой в скальном грунте. — Как описывалось при рассмотрении щитовых камер, по возможности большая часть скальной разработки была выполнена до установки щитов. На нью-йоркской стороне было полностью разработано около 146 фут. тоннеля с 71 фут. нижних штолен за их пределами, а в Уихокене — соответственно 58 и 40 фут. тоннеля и забегающей вперед штольни. Это делалось главным образом для того, чтобы избежать выдачи породы через узкие двери щита. Впереди проходились контрольные скважины с короткими интервалами, чтобы удостовериться в том, что скальное покрытие не утрачено, однако тем не менее в Уихокене 14 февраля 1905 г. в результате взрыва порода была прорвана, и хлынула грязь, заполнившая тоннель на половину его высоты на расстоянии 300 фут. от забоя.
На всем протяжении скального участка щит перемещался по бетонному стапелю, в который были заделаны два или три стальных рельса. На участке, где вся выработка была полностью выбрана заранее, требовалось лишь обрушить выступающие углы породы. На участке, где была пройдена только нижняя штольня, разработка завершалась непосредственно перед щитом, причем бурение ниже уровня оси выполнялось из самой штольни, а выше него — с передних выдвижных площадок щита. Шпуры располагались близко друг к другу и бурились неглубокими, а заряды пороха применялись очень слабые, чтобы уменьшить вероятность слишком сильных повреждений щита. При этих работах малые двери щита сильно мешали процессу, и было бы целесообразно предусмотреть более крупное нижнее отверстие, которое можно было бы разделять на части или частично перекрывать при встрече с мягким грунтом; с другой стороны, объем извлекаемой таким образом породы был невелик благодаря тому, что большая часть скального грунта разрабатывалась до установки щитов.
Пространство за обделкой нагнеталось раствором состава 1:1 из портландцемента и песка. Крупные пустоты перед цементацией закладывались камнем вручную. Детали цементации будут описаны позже.
Типичный состав рабочей бригады приведен ниже. На каждый щит работали две такие бригады в течение 24 часов, по 10 часов в смену.
General:
½ Tunnel superintendent @ $200.00 per month
1 Assistant tunnel superintendent " 5.00 per day
1 General foreman " 5.00 " "
½ Electrician " 3.50 " "
½ Electrician's helper " 3.00 " "
½ Pipefitter " 3.00 " "
½ Pipefitter's helper " 2.75 " "
Drilling:
1 Foreman " 5.00 " "
3 Drillers " 4.00 " "
3 Drillers' helpers " 3.00 " "
1 Nipper " 2.50 " "
½ Waterboy " 2.50 " "
½ Powderboy " 2.75 " "
Mucking:
1 Foreman " 3.50 " "
8 Muckers " 2.75 " "
Erecting Iron and Driving Shield:
1 Erector runner " 4.00 " "
3 Iron workers " 3.00 " "
Обязанности такой бригады заключались в следующем: начальник тоннельных работ осуществлял общее руководство обеими сменами одного щита. Помощник, или сменный мастер («walking boss»), руководил всеми работами в тоннеле в течение одной смены. Главный мастер руководил рабочими на забое. Электрики следили за ремонтом, удлинением кабелей и заменой ламп. Слесари-монтажники работали в обоих тоннелях, устраняя утечки в трубах между электростанцией и забоями, удлиняя трубопроводы и выполняя ремонт щита, причем в последней работе им помогал машинист эректора.
Бурильщики выполняли свою собственную работу, которая не прерывалась, пока существовали нижние штольни. Один разносчик воды и один подносчик пороха обслуживали два тоннеля. Породчики помогали монтажникам устанавливать кольца обделки, а также выполняли свои собственные обязанности. Монтажники чугунной обделки затягивали болты, когда не были заняты непосредственно монтажом чугуна. Этот список не включает транспортную бригаду, которая будет описана в отдельном разделе.
Достигнутая скорость проходки составляла 4,2 фут. в день на щит там, где большая часть выработки была выполнена заранее, и 2,1 фут. там, где до этого ничего не было разработано.
Когда щиты удалялись от щитовой камеры на достаточное расстояние и до того, как скальное покрытие могло быть утрачено, устанавливались первые перемычки воздушных шлюзов.
Стенки воздушных шлюзов. — Согласно техническим условиям, эти стенки и вся их арматура должны были выдерживать давление 50 фунт. на кв. дюйм. Соответственно, все стенки выполнялись из бетона толщиной 10 фут., за исключением первых двух, толщина которых составляла 8 фут., и нагнетались раствором до полной плотности.
В каждой шлюзовой перемычке имелось три шлюза, способных вмещать людей, а именно: верхний, или аварийный, шлюз, который расположен высоко, чтобы обеспечить безопасный путь для эвакуации в случае затопления; этот шлюз постоянно использовался для вынесения осей и отметок в тоннели. Он был очень маленьким и тесным для этих целей, и больший шлюз был бы лучше как для геодезических работ, так и для аварийных ситуаций. Этот шлюз был напрямую соединен с подвесной площадкой (также предусмотренной техническими условиями), которая тянулась на всю длину тоннелей. Бок о бок, на уровне нижней (рабочей) площадки тоннеля, располагались шлюз для людей и шлюз для породы. Кроме того, было вмонтировано несколько труб для прокладки кабелей и пропуска труб, рельсов и т. д. в обоих направлениях.
После того как каждый тоннель продвигался примерно на 1200 фут. впереди первых стенок, строилась вторая стенка, точно такая же, как первая, и никаких других больше не возводилось, так что всего имелось восемь стенок. Эта вторая стенка не только обеспечивала дополнительную защиту тоннеля, но и позволяла разделить давление воздуха на забое между двумя стенками; такое поэтапное повышение или понижение давления, разделенное периодом ходьбы, оказалось очень полезным для здоровья людей, работающих в условиях сжатого воздуха.
Смешанный забой. — Когда скальное покрытие становилось настолько тонким, что продолжать работы без давления воздуха было рискованно, включали подачу воздуха, начиная с 12–18 фунт., что было достаточно для предотвращения притока воды из гравия, лежащего поверх скалы. Сначала, при входе в поверхность породы, мягкий забой удерживался горизонтальными досками, раскрепленными от щита до тех пор, пока щит не продвигался. Затем распорки вынимались и, как только щит совершал ход, заменялись новыми. По мере увеличения объема мягкого грунта в забое система крепления постепенно заменялась на систему 2-дюймовых забойных досок (полей), опирающихся на верх щита и поддерживаемых в забое вертикальными лобовыми досками, которые, в свою очередь, удерживались прогонами сечением 6 на 6 дюймов, раскрепленными как через верхние двери к чугунной обделке, так и от выдвижных площадок щита. Последние находились в переднем положении до начала подвижки щита, причем давление отключалось, а выпускные клапаны открывались непосредственно перед началом хода. По мере продвижения щита домкраты площадок постепенно стравливали давление и тем самым поддерживали забой с усилием, достаточным для его удержания. На рис. 17 представлена схема этого метода. При проходке в смешанном грунте типичная рабочая бригада выглядела примерно следующим образом:
General:
⅓ Tunnel superintendent @ $300.00 per month.
1 Assistant tunnel superintendent " 5.00 per day.
1 General foreman " 5.00 " "
½ Pipefitter " 3.25 " "
½ Pipefitter's helper " 2.75 " "
½ Electrician " 3.00 " "
½ Electrician's helper " 2.75 " "
Timbering:
3 Timbermen " 2.50 " "
3 Timbermen's helpers " 2.00 " "
Mucking:
1 Foreman " 3.50 " "
6 Muckers " 2.75 " "
Erecting Iron and Driving Shield:
1 Erector runner " 3.25 " "
1 Foreman " 4.00 " "
4 Iron workers " 3.00 " "
Средняя скорость проходки составляла 2,6 фут. в день.
В этом случае работало три такие бригады, каждая на 8-часовой смене.
Полнолицевой забой из песка и гравия. — Такие условия встретились только в Уихокене. Применялись две системы крепления. В первой системе (рис. 17) грунт разрабатывался на 2 фут. 6 дюймов впереди режущей кромки, причем кровля удерживалась продольными досками (полями), опирающимися задним концом на внешнюю сторону оболочки щита, а передним — на вертикальные лобовые доски. Когда верхняя часть забоя была сухой, она удерживалась вертикальными лобовыми досками, раскрепленными от выдвижной площадки и через двери щита на поперечные брусья в тоннеле; нижняя часть, которая всегда была мокрой, удерживалась горизонтальными лобовыми досками, раскрепленными через нижние карманы щита на поперечные брусья в тоннеле. Эта система работала исправно, пока грунт в верхней части был достаточно песчаным и обладал необходимой сцепляемостью, позволяющей устанавливать доски; однако, когда верхняя часть состояла из гравия, что делало невозможным установку продольных досок или вертикального забора, вступала в действие вторая система. В этом случае выработка велась всего на 1 фут. 3 дюйма (половина хода щита) впереди режущей кромки, а продольные доски заменялись поперечными досками, поддерживаемыми трубами, которые вставлялись в отверстия, предусмотренные в щите для размещения телескопических подкосов, запроектированных, но не изготовленных. Эти трубы действовали как консоли и состояли из двух частей: трубы диаметром 2½ дюйма, наглухо расклиненной в отверстиях, и меньших труб, скользящих внутри них. После разработки небольшого участка грунта к нему прижималась доска, под нее выдвигалась одна из труб, и между трубой и доской забивались клинья. Эти доски располагались ниже уровня козырька, так что при подвижке щита они оказывались внутри него; кроме того, они раскреплялись вертикальными стойками от выдвижных площадок. Верхняя часть забоя удерживалась продольными лобовыми досками, раскрепленными от выдвижной площадки с помощью вертикальных стоек-«солдатиков». Нижняя часть забоя поддерживалась вертикальным шпунтом, раскрепленным с тоннелем через нижние двери. Иногда использовались два ряда шпунта, но обычно один, как показано на рис. 17. Несмотря на то, что забор находился всего в 1 фут. 3 дюймах впереди козырька, щит перемещался на всю длину своего хода в 2 фут. 6 дюймов, причем грунт вокруг режущей кромки козырька счищался рабочими, работавшими стержнями в местах, откуда были удалены временные лобовые доски по периметру. Подпорное давление на домкратах выдвижных площадок при частично открытых выпускных клапанах создавало значительное сопротивление и удерживало забой до тех пор, пока движение щита было непрерывным.
Method of Timbering Face in Mixed Ground—Method of Timbering Face in Sand
Click to view larger image.
Method of Timbering Face in Sand and Gravel
Fig. 17.
Click to view larger image.
В одном случае, когда по какой-то причине щит был остановлен при неполном ходе, а выпускные клапаны не были перекрыты, площадки продолжали скользить и позволили забою обрушиться; однако площадки и проемы щита уловили падающий песок и гравий, и истечение заблокировалось само собой.
Как только поверхность скалы была пройдена и начался песчано-гравийный грунт (что произошло почти одновременно в обоих уихокенских тоннелях), утечка воздуха резко возросла, и сразу стало ясно, что поддерживать достаточное количество воздуха в двух тоннелях существующими методами невозможно, даже работая на максимальной скорости тремя компрессорами, каждый из которых способен сжимать 4400 куб. фут. атмосферного воздуха в минуту. Когда щиты только вошли в песок и гравий, забой удерживался легким забором без каких-либо специальных усилий по предотвращению утечки воздуха, но когда выяснилось, что подать достаточное количество воздуха не удается, перед досками было заложено большое количество соломы и глины.
Это сократило утечку, но поскольку через стыки чугунной обделки выходило много воздуха, их замазали портландцементом. И даже после этого потери оставались слишком большими, поэтому один тоннель был полностью отключен, а весь воздух был направлен в другой. Это позволило поддерживать давление в 10 фунт. в работающем тоннеле, и хотя оно было ниже гидростатического напора, его хватало для продолжения продвижения. Чтобы использовать один тоннель в качестве водоотлива для другого, оба забоя всегда держались на расстоянии не более 150 фут. друг от друга, для чего велась их поочередная проходка. Закрепленный деревями забой никогда не цементировался, хотя это и уменьшило бы потерю воздуха, но в то же время значительно замедлило бы продвижение, а любой, кто видел мчащиеся машины на электростанции и понимал, что поломка одной из них будет означать потерю забоев, был готов признать, что чем быстрее этот конкретный период будет сокращен, тем лучше.
Над песком и гравием залегал ил, и когда он показался в своде, утечка воздуха сразу же уменьшилась, и оба забоя стало возможным проходить одновременно. Почти в то же время были встречены сваи, поддерживающие большой склад, известный как здание Фоулера. Хотя теперь забой требовал гораздо меньше крепления, прежняя система лобовых досок, применявшаяся в гравии, сохранялась, но в облегченном виде. Тем не менее они устанавливались на 2 фут. 6 дюймов впереди щита, а поперечные доски кровли были заменены продольными, опирающимися на щит. Чем больше свай попадалось в забое, тем меньше выполнялось крепления. Сваи рубились на удобные куски топорами и долотами.
Вся крепь была легкой по сравнению с массой грунта, но поскольку подвижка происходила сразу после сборки кольца, она выполняла свое назначение. При приостановке забоя вся система значительно усиливалась распорками от щита, лицо которого перекрывалось дверями.
При проходке через такой забой типичная бригада на 8-часовую смену выглядела примерно следующим образом:
General:
⅓ Tunnel superintendent @ $300.00 per month.
1 Assistant tunnel superintendent " 5.00 per day.
1 General foreman " 5.00 " "
½ Pipefitter " 3.25 " "
½ Pipefitter's helper " 2.75 " "
½ Electrician " 3.00 " "
½ Electrician's helper " 2.75 " "
Timbering:
3 Timbermen " 2.50 " "
3 Timbermen's helpers " 2.00 " "
Mucking:
1 Foreman " 3.50 " "
6 Muckers " 2.75 " "
Erecting Iron and Driving Shield:
1 Erector runner " 3.25 " "
1 Foreman " 4.00 " "
4 Iron workers " 3.00 " "
Бурильщики после исчезновения скалы не привлекались; был добавлен мастер, который разделял свое время между монтажом чугуна и разработкой породы.
Средняя скорость проходки в песке и гравие без свай составляла 5,1 фут. в день на щит. При встрече в верхней части забоя со сваями и илом скорость возрастала до 7,0 фут. в день.
Проходка под речной набережной. — В Уихокене не возникло никаких проблем при проходе под речной стенкой, поскольку набережная состояла лишь из ряжевого строения на илу, и хотя сваи препятствовали движению щита, они легко перерезались, а само ряжевое строение находилось значительно выше верха щита.
Однако на нью-йоркской стороне условия были совсем не такими благоприятными. Тяжелая каменная набережная опиралась на сваи и каменную наброску, как показано на рис. 18. Верхняя линия щита находилась примерно на 6 фут. выше подошвы каменной наброски, причем промежутки между камнями последней были весьма открытыми и обеспечивали свободный приток воды непосредственно из реки. Поэтому, как только режущая кромка щита вошла в наброску, произошел прорыв («blow»), и воздух свободно устремился на поверхность земли позади набережной и в реку перед ней. Жирная глина или грязь из извлеченного ила использовались в больших количествах для заделки пустот между камнями на забое, причем давление воздуха было чуть выше того, которое требовалось для предотвращения вытеснения удерживающей его воды. Разработка каменной наброски была утомительным занятием, поскольку камни приходилось удалять по одному, а промежутки между вновь обнаженными камнями немедленно забивать грязью. Один рабочий был наготове с глиной, в то время как другой расшатывал камни ломом. Когда щит продвинулся в наброске на собственную длину, в тыльной части щита обнажилась еще одна точка для утечки воздуха. Эта брешь была заделана в переднем конце последнего кольца грязью и мешками с цементом.
Sketch Showing River Tunnels Passing Under River Bulkhead Wall at Manhattan
Fig. 18.
Click to view larger image.
Пока щит оставался неподвижным, с помощью этих методов и при соблюдении большой осторожности и бдительности удавалось предотвращать чрезмерные потери воздуха; однако во время продвижения щита трудности значительно возрастали, так как движение щита смещало мешки и грязь сразу по мере их установки, и только путем медленного продвижения и привлечения большого числа рабочих, следивших за утечками и устранявших их по мере возникновения, удавалось не допускать чрезмерной потери воздуха. При монтаже чугунной обделки по мере установки каждого сегмента требовалось зачищать переднюю поверхность предыдущего кольца и прилегающую часть хвоста щита; это всегда сопровождалось небольшим прорывом, и некоторое время давление воздуха в тоннеле падало с 25 до 20 фунт., то есть от значения выше балансирующего до значения ниже него каждый раз при установке сегмента, а в двух случаях прорыв становился настолько сильным, что давление в тоннеле падало значительно сильнее, вследствие чего вода из реки устремлялась внутрь и была остановлена только после того, как поднялась примерно на 4 фут. в лотке тоннеля. В таких случаях поверхность реки сильно возмущалась, взметаясь более чем на 20 фут. в воздух в виде своеобразного гейзера. На этом участке было использовано большое количество раствора (около 2500 баррелей цемента и аналогичное количество песка в Северном тоннеле и 1000 баррелей в Южном); он нагнетался через обделку тоннеля непосредственно позади щита, что значительно снижало потерю воздуха и помогало скрепить каменную наброску.
Когда щит прошел через наброску на 25 фут., были встречены сваи, поддерживающие набережную. Сто из них, расположенных с шагом 3 фут. в каждом направлении, были вырезаны из пути каждого щита на участке длиной 35 фут. Присутствие свай создавало значительную дополнительную работу, так как каждую сваю приходилось разрубать топорами на несколько частей, чтобы извлечь через двери щита; в остальном они не представляли никаких сложностей. Укреплять забой досками не требовалось, так как сваи поддерживали его чрезвычайно эффективно.