Модернизация конструкций исполнительных органов щитов для проходки тоннелей в сложноструктурированных массивах при строительстве метро Санкт-Петербурга

Д.А. Юнгмейстер¹, М.И. Тимофеев¹, Р.И. Королев^2
1  Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
²  ООО «ПроТех Инжиниринг», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Горная Промышленность №4S/ 2026 стр. 165-171

Резюме: Для решения проблемы снижения аварийных остановок проходческой техники предложен модернизированный исполнительный орган щитов для специфических горно-геологических условий Санкт-Петербурга. В статье рассмотрены варианты оснащения исполнительных органов тоннелепроходческих механизированных комплексов виброактивными шарошками и комбинированным (резец совмещенный с шарошкой) инструментом с автоматическим разделением функций в зависимости от свойств разрушаемой породы. Определены конструктивные особенности комбинированных резцов со скалывателями. Обосновано, что внедрение предложенных решений позволит сократить длительность аварийных простоев на 30%, а также исключить вероятность работы проходчиков в опасных условиях обрушения лба забоя. Теоретическое обоснование динамических параметров системы выполнено с помощью дифференциального моделирования. Предложена математическая модель динамики резцового узла. Для верификации параметров и определения граничных усилий резания проведен физический эксперимент на испытательной машине Zwick Roell Z100. Для проведения испытаний был спроектирован и изготовлен специальный лабораторный прототип породоразрушающего инструмента. В ходе эксперимента производилась непрерывная тензометрическая регистрация усилий, действующих на резец. Полученные величины адаптированы под упругопластическую модель Друкера–Прагера для численного моделирования напряжённо-деформированного состояния массива в программном комплексе ANSYS. По предварительной оценке, использование щитов с предложенным модернизированным породоразрушающим оснащением исполнительных органов позволит увеличить скорость проходки при снижении затрат на обслуживание рабочего оборудования не менее чем на 20%.

Ключевые слова: тоннелепроходческий механизированный комплекс, породоразрушающий инструмент, виброактивная шарошка, резцовый инструмент, сложноструктурированные массивы, скорость проходки, аварийные остановки щита

Для цитирования: Юнгмейстер Д.А., Тимофеев М.И., Королев Р.И. Модернизация конструкций исполнительных органов щитов для проходки тоннелей в сложноструктурированных массивах при строительстве метро Санкт-Петербурга. Горная промышленность. 2026;(4S):165–171. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2026-4S-165-171

Информация о статье

Поступила в редакцию: 30.05.2026

Поступила после рецензирования: 29.07.2026

Принята к публикации: 20.08.2026

Информация об авторах

Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич – доктор технических наук, профессор кафедры машиностроения, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0001-7858-8340

Тимофеев Максим Игоревич – аспирант кафедры машиностроения, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-9441-4532; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Королев Роман Иванович – кандидат технических наук, главный специалист горно-механического сектора отдела горного проектирования Санкт-Петербургского филиала ООО «ПроТех Инжиниринг», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0001-5247-9453

Список литературы

1. Rostami J. Performance prediction of hard rock Tunnel Boring Machines (TBMs) in difficult ground. Tunnelling and Underground Space Technology. 2016;57:173–182. https://doi.org/10.1016/j.tust.2016.01.009

2. Mandaglio M.C. Geomechanical characterization of the rock mass along a deep vertical borehole. Geotechnics. 2024;4(1):209–228. https://doi.org/10.3390/geotechnics4010011

3. Shaterpour-Mamaghani A., Copur H., Balci C., Tumac D., Kocbay A., Dogan E. et al. Suggestion of new models for predicting performance of raise boring machines based on indentation tests. Tunnelling and Underground Space Technology. 2023;138:105181. https://doi.org/10.1016/j.tust.2023.105181

4. Shangxin F., Zuyu C., Hua L., Shanyong W., Yufei Z., Lipeng L. et al. Tunnel boring machines (TBM) performance prediction: A case study using big data and deep learning. Tunnelling and Underground Space Technology. 2021;110:103636. https://doi.org/10.1016/j.tust.2020.103636

5. Shin Y.J., Farrokh E., Jung J., Kang H. Optimizing tunnel boring machine operations in real time within defined constraints. Journal of Construction Engineering and Management. 2025;151(6):15962. https://doi.org/10.1061/JCEMD4.COENG-15962

6. Mostafa S., Sousa R.L. Deep learning uncertainty quantification for enhancing TBM operational predictions. Geodata and AI. 2024;1:100003. https://doi.org/10.1016/j.geoai.2025.100003

7. Xie W., Liu X., Zhang C., Zhou X., Chen J. Response law of rock-cutterhead interaction in intact sandstone through TBM tunnelling test. Underground Space. 2026;26:152–174. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2025.06.006

8. Yang Z., Wang L., Zhou J., Li D., Zhang K., Guo X. Mechanical characteristics of a tunnel boring machine cutterhead during rock breaking: Physical model tests and transient dynamic analysis. Advances in Mechanical Engineering. 2023;15(3):16878132231159971. https://doi.org/10.1177/1687813223115997

9. Chakeri H., Darbor M., Shakeri H., Mousapour H., Mohajeri V. Experimental and numerical investigation of the TBM disc cutter wear using a new tunnel boring machine laboratory simulator. Heliyon. 2024;10(17):e37148. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e37148

10. Babyr N.V., Kuziev D.A., Sazankova E.S., Dobler M.O. Influence of cyclic impacts of powered roof support on weakening of immediate roof rocks. Eurasian Mining. 2026;(1):14–19. Available at: https://www.rudmet.ru/journal/2523/article/41017/ (accessed: 21.03.2026).

11. Jing B.-X., Gao X.-Q., Yang Z.-G., Yang T.-J., Meng X.-Y., Liu Y.-B. Dynamic risk assessment and mitigation effect evaluation of TBM jamming based on BPNN-BN coupling model. Scientific Reports. 2026;16:21813. https://doi.org/10.1038/s41598-026-52655-9

12. Yu Z., Li C., Zhou J. Tunnel boring machine performance prediction using supervised learning method and swarm intelligence algorithm. Mathematics. 2023;11(20):4237. https://doi.org/10.3390/math11204237

13. Вербило П.Э., Карасев М.А., Шишкина В.С. Прогноз геомеханического состояния структурно нарушенных породных целиков с учетом запредельного их деформирования. Горный журнал. 2025;(3):41–47. https://doi.org/10.17580/gzh.2025.03.06

14. Yang Z., Liu Y., Chen C. Correlation analysis of tunnel deformation and internal force in the earthquake based on tunnel inclination. Buildings. 2024;14(5):1395. https://doi.org/10.3390/buildings14051395

15. Александрова Т.Н., Люблянова В.А. Повышение извлечения меди из медных минералов при сернокислотном выщелачивании. Обогащение руд. 2025;(6):16–21. https://doi.org/10.17580/or.2025.06.03

16. Сержан С.Л., Малеванный Д.В. Современное состояние и перспективы развития технологий подъема для комплексов добычи глубоководных твердых полезных ископаемых. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(12-1):107–128. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_121_0_107

17. Ads A., Islam S., Iskander M. Longitudinal settlements during tunneling in soft Clay, using transparent soil models. Tunnelling and Underground Space Technology. 2023;136:105042. https://doi.org/10.1016/j.tust.2023.105042

18. Wang F., Du X., Li P. Predictions of ground surface settlement for shield tunnels in sandy cobble stratum based on stochastic medium theory and empirical formulas. Underground Space. 2023;(11):189–203. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2023.01.003

19. Malsam A., Walton G. Seasonality of rockfall triggers and conditioning factors interpreted from a lidar-derived rockfall database. Engineering Geology. 2024;333:107500. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107500

20. Ouadfel K., Messast S., Boulfoul K. Seismic response of undrained twin tunnels. Journal of Mining Science. 2022;58(2):192–201. https://doi.org/10.1134/S106273912202003X

21. Юнгмейстер Д.А., Уразбахтин Р.Ю., Тимофеев М.И., Лавренко С.А. Моделирование и оптимизация использования проходческих комплексов при строительстве вспомогательных выработок. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2025;(12-3):117–135. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2025_123_0_117

22. Юнгмейстер Д.А., Уразбахтин Р.Ю., Нгуен К.Л., Тимофеев М.И. Комплекс для создания хранилищ особо опасных отходов: обоснование конструкции и параметров. Обогащение руд. 2023;(6):47–51. https://doi.org/10.17580/or.2023.06.08

23. Муминов Р.О., Рузибаев А.Н., Жураев Н.Н., Равшанов Ж.P., Кузиев Д.А. Разработка мероприятий по совершенствованию вращательно-падающего механизма бурового станка. Уголь. 2024;(1):94–99. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2024-1-94-99

24. Yu H., Bo Y., Liu Q., Yang X., Xu S., Monthly advance rate estimation of hard rock tunnel boring machine based on rock mass classification and data augmentation. Underground Space. 2025;23:175–192. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2025.02.002

25. Жабин А.Б., Поляков А.В., Аверин Е.А. Сопоставление отечественных и зарубежных методов расчета усилий на лобовых дисковых шарошках при разрушении горных пород. Горный журнал. 2018;12:65–68. https://doi.org/10.17580/gzh.2018.12.13

26. Жабин А.Б., Лавит И.М., Поляков А.В., Керимов З.Э. Математическая модель разрушения горных пород ударным инструментом. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020;(11):140–150. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-11-0-140-150

27. Азимов А.М., Жуков И.А. Повышение энергоэффективности гидромолотов, применяемых при разрушении негабаритов горных пород, на основе эффекта влияния геометрии элементов ударного узла. Горная промышленность. 2025;(3):71–79. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-71-79

28. Ромашев А.О., Балашов А.О., Гатиатуллин Б.Л., Николаева Н.В. Исследование вибрационной сегрегации материала для интенсификации процесса грохочения. Обогащение руд. 2025;(4):8–14. https://doi.org/10.17580/or.2025.04.02

29. Ilyushin Y.V., Boronko E.A. Development of a mathematical model of the electromagnetic field formation process based on system analysis methods. Mathematics. 2026;14(3):399. https://doi.org/10.3390/math14030399

30. Симисинов Д.И., Волков Е.Б., Афанасьев А.И., Зубов В.В. Испытательный стенд для определения момента трения подшипника качения бурового шарошечного долота. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;(11-2):106–113. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_112_0_106

31. Жуков И.А., Верховский М.И. Перспективы применения планетарных механизмов в качестве исполнительных органов роботов-бурильщиков. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2025;(12-3):23–36. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2025_123_0_23

32. Хамидов О.У., Шибанов Д.А. Техническое обслуживание и ремонт карьерных экскаваторов по регламенту с учетом фактических условий и режимов их эксплуатации. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2025;(12-3):152–167. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2025_123_0_152

33. Huang H., Sun Q., Xu T., Zhou W. Mechanism analysis of foam penetration in EPB shield tunnelling with a focus on FER and soil particle size. Underground Space. 2024;17:170–187. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2023.11.012

34. Ye X., Wang S., Yang J., Sheng D., Xiao C. Soil Conditioning for EPB shield tunneling in argillaceous siltstone with high content of clay minerals: Case study. International Journal of Geomechanics. 2017;17(4):05016002. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000791

35. Lee H., Kim H.K., Hwang B., Yoon Y., Choi H. Coupled DEM-FDM numerical model for EPB shield tunnelling simulation with foam conditioning. Tunnelling and Underground Space Technology. 2024;147:105718. https://doi.org/10.1016/j.tust.2024.105718

36. Aleksandrova T., Gatiatullin B., Kuznetsov V., Nikita S. Evaluation methods for aeration parameters in flotation separation modelling with neural network applications. Processes. 2026;14(4):728. https://doi.org/10.3390/pr14040728

37. Evdokimov S.I., Golikov N.S., Zadkov D.A., Voitovich E.V., Kondratiev V.V., Petrovskiy A.A. et al. Studying the flotation of goldbearing ores using carrier minerals. Minerals. 2024;14(1):88. https://doi.org/10.3390/min14010088

38. Yao X., Lv K., He J., Ren T., Ye C. Regulating the rheology of drilling fluids under high-temperature conditions with hydrophobically associating polymers. Polymers. 2026;18(7):859. https://doi.org/10.3390/polym18070859

39. Carigi A., Saltarin S., Di Giovanni A., Todaro C., Peila D. Reuse of EPB mucking for concrete production: A laboratory test campaign. Case Studies in Construction Materials. 2023;18:e02187. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02187

40. Михайлов А.В., Смирнов А.И. Анализ метода выемки торфяного сырья с откоса карьера. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2026;(2-1):197–209. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2026/2-1/2-1_2026_197-209.pdf (дата обращения: 15.03.2026).