Денис Валериевич Хохлов – ведущий инженер
Донецк
Denis V. Khokhlov – Lead Engineer
Donetsk
Владимир Александрович Гусаков – техник-конструктор
Донецк
Vladimir A. Gusakov– Design Engineer
Donetsk
Александр Николаевич Бирюков – доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии, организации и экономики строительства Военного института (инженерно-технического)
Санкт- Петербург
Alexander N. Biryukov– Doctor of Engineering, Professor, Professor of the Technology, Organization and Economics of Construction Department, Military Institute (Engineering and Technical)
Saint Petersburg
Строительство метрополитена в Донецке сталкивается с проблемой проходки тоннелей в толще крепких горных пород (аргиллиты, алевролиты, песчаники), имеющих предел прочности на сжатие до 150 МПа. Традиционные механизированные тоннелепроходческие комплексы (ТПМК) и буровзрывной метод обладают низкой эффективностью из-за износа инструмента и механизмов, повышенной вибрации, воздействующей на поверхностную инфраструктуру, а также больших объемов отходов породы. Цель исследования – разработка концепции роботизированного комплекса для сооружения тоннелей в крепких породах на основе синтеза гидроабразивной резки (ГАР) и роевой роботизации. Методология включает системный анализ мирового опыта, теорию гидроструйного разрушения и принципы адаптивного управления роботизированным комплексом с техническим зрением. Предложена схема мобильного роботизированного комплекса из двух режущих роботов-манипуляторов с давлением струи до 6 000 бар, одного транспортного робота-манипулятора, системы лазерного сканирования и модуля ИИ для создания цифрового двойника забоя. Научная новизна заключается в обосновании применения промышленных роботов-манипуляторов, организованных по роевым принципам, с гидроабразивным режущим инструментом для проходки в крепких породах, обеспечивающим высокую точность контура выработки (±5–15 мм), отсутствие вибрационного воздействия на поверхностную застройку и замкнутый цикл утилизации извлекаемой породы (до 85 %) с ее переработкой в строительные материалы (облицовочная плитка, клинкерный кирпич, заполнители для бетона). Прогнозируемая скорость проходки выработки – 2,5–4,0 м/сут, ожидаемое снижение себестоимости строительства на 30–40 %. Полученные результаты ориентированы на применение при сооружении тоннелей Донецкого метрополитена и могут быть распространены на аналогичные горно-геологические условия.
The construction of the Donetsk Metro faces the challenge of tunneling through hard rock strata (mudstones, siltstones, sandstones) with a compressive strength of up to 150 MPa. Traditional mechanized tunnel boring machines (TBMs) and drilling-and-blasting methods have low efficiency due to tool and machinery wear, increased vibration affecting surface infrastructure, and large volumes of excavated waste rock. The purpose of the study is to develop a concept of a robotic complex for tunneling in hard rocks based on the synthesis of abrasive waterjet cutting (AWJC) and swarm robotics. The methodology includes a systematic analysis of global experience, the theory of waterjet rock destruction, and the principles of adaptive control of a robotic complex with technical vision. A scheme of a mobile robotic complex is proposed, consisting of two cutting robotic manipulators with a jet pressure of up to 6000 bar, one transport robotic manipulator, a laser scanning system, and an AI module for creating a digital twin of the tunnel face. The scientific novelty lies in the substantiation of the use of industrial robotic manipulators organized according to swarm principles with an abrasive waterjet cutting tool for hard rock tunneling, providing high accuracy of the excavation contour (±5–15 mm), the absence of vibration impact on surface infrastructure, and a closed-loop recycling of excavated rock (up to 85 ) with its processing into construction materials (facing tiles, clinker bricks, concrete aggregates). The predicted excavation rate is 2.5–4.0 m/day, and the expected reduction in construction cost is 30–40 . The obtained results are intended for application in the construction of Donetsk Metro tunnels and can be extended to similar geological conditions.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.