§ 68. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЩИТОВОМ СПОСОБЕ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ
Сущность щитового способа сооружения тоннелей может быть пояснена путем сравнения с известными из раздела II горными способами работ. При этом целесообразно сопоставить применяемые процессы работ в забое с явлениями, происходящими в горном массиве, окружающем выработку.
При горных способах проходки тоннелей в неустойчивых породах раскрытие сечения в большинстве случаев ведут в несколько этапов с тщательным креплением выработки на каждом этапе расширения. При этом завершающий этап работ — возведение обделки — значительно отстает от головного забоя, что приводит к необходимости длительное время поддерживать выработку на временных крепях.
Размеры области неупругих деформаций, возникающих в результате влияния процесса разработки, зависят от ряда факторов. Из них главными являются механические свойства горных пород, степень податливости крепи, глубина расположения, размеры и форма выработки. Более податливой крепи соответствуют большие размеры области неупругих деформаций, приводящих в пределе к образованию свода обрушения. Все это характеризует многоэтапные горные способы проходки как неблагоприятные, что можно проследить на графике изменения горного давления по времени (рис. 227).
Головной агрегат — щит — представляет собой подвижную металлическую крепь, под защитой которой выполняются основные операции: разработка и крепление забоя, уборка породы и сооружение постоянной крепи — обделки.
При помощи дополнительных специальных орудий все эти трудоемкие процессы можно частично или полностью механизировать, и тогда щит превращают в механизированный агрегат, обеспечивающий достижение высоких скоростей работ при весьма малых затратах труда.
Главное достоинство щитовой проходки заключается в том, что она в отличие от горных способов работ не требует применения временных крепей, что повышает безопасность и экономическую эффективность выполнения работ. Кроме того, как будет показано ниже, щитовая проходка может быть применена в большом диапазоне геологических и гидрогеологических условий при значительном давлении горных пород и воды, что делает ее универсальным способом работ. Таким образом, в любых грунтовых условиях соответственно приспособленный щит обеспечивает возможность частичной или полной механизации всех процессов тоннельных работ при высоком качестве цикличности и поточности их выполнения.
К особенностям щитового способа относится узость фронта работ и необходимость одновременного производства ряда операций по сооружению тоннеля, что требует строгой увязки всех процессов во времени и высокой их механизации.
В городских условиях щитовая проходка может оказаться единственно возможным способом работ, так как она может выполняться круглогодично без вскрытия поверхности, нарушения уличного движения и подземного хозяйства городов (при условии проведения специальных конструктивных и технологических мероприятий).
Щитовой способ сооружения тоннелей, являясь наиболее эффективным и индустриальным, получил широкое применение и развитие в СССР и за границей на строительстве тоннелей различного назначения. В дальнейшем этот способ найдет еще большее применение главным образом в мягких и неустойчивых породах, позволяющих достигнуть наибольшей эффективности проходки.
Наибольшее развитие в Советском Союзе получила щитовая проходка на строительстве тоннелей метрополитенов: первоначально (с 1934 г.) Московского, затем Ленинградского, Киевского, Тбилисского и Бакинского. В короткий срок (с 1935 по 1938 г.) была создана новая индустриальная база тоннелестроения с мощным парком тоннельных проходческих щитов, запроектированных советскими специалистами и изготовленных на советских заводах. При помощи этих щитов были сооружены перегонные тоннели, а также станции метрополитена глубокого заложения II и III очередей и наиболее трудные участки IV очереди Московского метрополитена.
На следующих этапах работ были внедрены механизированные щиты, давшие скорость проходки до 200 пог. м в месяц (или 10,4 пог. м в сутки против 4,0 пог. м в сутки обычными щитами) в условиях пород средней крепости. В дальнейшем скорость проходки щитами обычного типа в условиях суглинков и песков с валунами доведена до 250 пог. м в месяц, а в песках — до 400 пог. м в месяц.
При строительстве Ленинградского, Киевского, Бакинского и Тбилисского метрополитенов широко применялись механизированные щиты, позволившие достигнуть еще более высоких скоростей проходки перегонных тоннелей. Нашли также большое применение станционные щиты, обеспечивающие надежность работ и высокие скорости их выполнения.
Щитовую проходку широко применяют на строительстве коммунальных коллекторных тоннелей Москвы (с 1935 г.) и других городов, тоннелей для различных технологических целей на промышленных предприятиях черной и цветной металлургии, тяжелого машиностроения, угольных и рудных бассейнов» а также в гидротехническом строительстве.
Совершенствование щитового способа сооружения тоннелей в самых разнообразных геологических и гидрогеологических условиях основано на следующих предпосылках:
Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены
Щитовая технология строительства тоннелей
ГЛАВА 2 ЩИТОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ТОННЕЛЕЙ
2.1. КОНСТРУКЦИИ ПРОХОДЧЕСКИХ щитов и ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Щитовую технологию строительства тоннелей применяют в широком диапазоне горно-геологических условий. Принципиальная схема щитовой технологии представлена на рис. 2.1.
Основным элементом этой технологии является проходческий щит, представляющий собой передвижную временную крепь в виде цилиндрической оболочки, под прикрытием которой выполняют необходимые проходческие операции: разработку и погрузку грунта, транспортирование грунта за пределы щита, возведение обделки тоннеля. Выемку грунта осуществляют в головной (ножевой) части щита, возведение обделки — в хвостовой.
Перемещение щита осуществляют по мере подвигания забоя, при этом его ножевая часть защищает кровлю и борта тоннеля от обрушений. Как только щит переместят на расстояние, равное ширине кольца обделки, возводят очередное кольцо. Таким образом, цикл работ постоянно повторяется: выемка грунта — передвижение щита — возведение обделки.
Возведение обделки сопровождается весьма важной вспомогательной операцией — закрепным тампонажем, связанным с заполнением кольцевого зазора между обделкой и поверхностью грунта.
Конструктивно щит представляет собой цельносварную или собираемую из отдельных элементов металлическую оболочку, как правило, цилиндрической формы, состоящую из трех основных частей (рис. 2.2). Передняя часть, имеющая цилиндрическую режущую кромку или выступающий козырек (аванбек) в верхней части забоя, непосредственно контактирует с последним. В средней опорной части по периметру размещены домкраты передвижки щита. Эта часть щита обладает наибольшей прочностью и жесткостью благодаря опорным кольцам и ребрам жесткости, расположенным в промежутках между домкратами. Здесь следует добавить, что в опорной части щита диаметром более 4 м для придания ему большей прочности и жесткости монтируют массивные вертикальные и горизонтальные перегородки из балок спецпрофиля. На этих перегородках монтируют также выдвижные горизонтальные рабочие площадки для размещения проходчиков и забойные малогабаритные домкраты для удержания поверхности забоя от оползания и обрушения. И, наконец, хвостовая часть щита представляет собой цилиндрическую оболочку, внутри которой возводят очередное кольцо обделки.
Ножевую и опорную части щита собирают из отдельных литых или сварных элементов ребристого сечения из лекальных стальных листов. Оболочки щитов большого диаметра делают многослойными.
Рис. 2.1. Принципиальная схема щитовой технологии:
1 — демонтажная шахта; 2 — забой тоннеля; 3 — проходческий щит; 4 — блокоукладчик; 5 — погрузочная машина; 6 — конвейер-перегружатель; 7 — состав вагонеток со съемными кузовами; 8 — монтажная шахта (ствол); 9 — загруженная вагонетка; 10 — блок обделки перед спуском; // — автомобильный кран; 12 — бункер; 13 — самосвал для транспортирования грунта
Рис. 2.2. Конструкция проходческого щита: 1-3 — соответственно ножевая, опорная и хвостовая части щита; 4 — домкраты передвижки щита; А — направление движения щита; Dm — диаметр щита; — длина щита
Передвижку щита осуществляют гидравлическими домкратами, цилиндры которых жестко закреплены в опорной части, а штоки — специальными башмаками упираются в торец возведенного кольца обделки. Число домкратов и их суммарное усилие зависят, главным образом, от диаметра щита и необходимого усилия передвижки. Гидравлическая система домкратов состоит из трубопроводов высокого давления, вентилей и золотникового переключателя. Вентили позволяют включать и выключать любой из домкратов или их группу, изменяя направление движения щита. Усилие каждого щитового домкрата передвижения достигает 2000—2500 кН, а забойных домкратов — всего 40—50 кН.
Для возведения обделки используют специальные механизмы — блоко- или тюбингоукладчики. Блокоукладчики применяют в щитах диаметром до 4 м, и обычно они составляют единое целое со щитом. Тюбингоукладчики используют при проведении тоннелей метрополитена диаметром 6 м и более, они представляют собой установки портального типа, перемещающиеся по рельсовым путям или специальным направляющим и функционирующие автономно от щита. Подробная информация о тюбингоукладчиках будет дана при рассмотрении процесса возведения обделки.
Щиты отличаются формой и размерами поперечного сечения, несущей способностью, способом разработки грунта и др. В принципе, возможны различные формы поперечного сечения: круглая, овальная, прямоугольная, трапециевидная (в соответствии с формой поперечного сечения тоннеля), однако преобладающей является круглая, повторяющая наиболее рациональную форму поперечного сечения тоннеля.
В зависимости от уровня механизации основных производственных процессов щиты подразделяют на полумеханизированные и механизированные. Последние, в свою очередь, подразделяют на щиты с открытой и закрытой головной частью (щиты с гидропригрузом).
Главное отличие полумеханизированных щитов от механизированных состоит в том, что в них отсутствуют устройства или агрегаты для разрушения грунта и его погрузки, конструктивно связанные со щитом.
В зависимости от физико-механических свойств грунта его разработку осуществляют либо вручную, либо буровзрывным способом, погрузку — автономными погрузочными машинами на конвейер-перегружатель с дальнейшим транспортированием в вагонетках.
В механизированных щитах комплексно механизированы такие основные производственные процессы, как разрушение грунта, его погрузка и транспортирование, причем применяемое для этого оборудование конструктивно связано со щитом в единое целое. Обязательной также является механизация процесса возведения обделки и вспомогательных процессов. Уровень механизации в таких щитах достигает 90%.
Основным элементом механизированного щита является рабочий орган. Он характеризует конструкцию щита, определяет его конструктивный признак и технологические особенности. Наиболее распространенными типами рабочих органов являются роторный, планетарный, штанговый, экскаваторный. К механизированным щитам относят и щиты, имеющие в ножевой части жесткие горизонтальные площадки, оснащенные устройствами активного дозирования разрабатываемого грунта. Такие щиты с использованием принципа опережающего вдавливания режущей кромки в грунт находят применение в песчаных грунтах.
Все вышесказанное относится к таким горно-геологическим условиям, когда грунт в забое имеет относительную естественную устойчивость в вертикальном положении, что позволяет вести его разработку различными типами рабочих органов, как правило, без создания дополнительного пригруза на забой. Рабочий орган в забое не изолируют от остальной части щита. Отсюда и название — щиты с открытой головной частью.
Применение механизированных щитов с открытой головной частью в условиях слабых обводненных грунтов, в которых естественная устойчивость забоя отсутствует, практически исключено. В этих условиях для удержания забоя в вертикальном положении приходится создавать дополнительное давление на забой — пригруз, который может быть создан путем нагнетания в специально создаваемую призабойную камеру ограниченного объема сжатого воздуха (кессон), глинистого раствора, глинистой пасты в смеси с разрабатываемым грунтом, а также вспенивающих добавок. Призабойную камеру отделяют от остальной части щита герметической перегородкой, образуя закрытую головную часть. Отсюда название — щиты с закрытой головной частью.
Сущность щитового способа сооружения тоннелей и его особенности
Введение
Дисциплина «Щиты и щитовые комплексы» изучает технологию сооружения тоннелей щитовым способом. В рамках изучаемого материала дисциплины студенты будут ознакомлены с сущностью щитового способа проходки тоннелей, историей развития щитового способа проходки, конструкциями, принципом действия современных механизированных проходческих щитов, укладчиков сборных тоннельных обделок и составом тоннелепроходческих механизированных комплексов для щитовой проходки тоннелей.
Сущность щитового способа сооружения тоннелей и его особенности
Щитовой способ сооружения тоннелей основан на применении в забое специального агрегата – проходческого щита, под защитой которого выполняются все операции проходческого цикла, включая возведение обделки.
Проходческий щит представляет собой подвижную металлическую крепь (рис. 2.1.).
Рис. 2.1. Конструктивная схема проходческого щита
Основными элементами проходческого щита являются: ножевое кольцо 1, опорное кольцо 2, хвостовая оболочка 4, щитовые гидравлические домкраты 3, а также горизонтальные 8 и вертикальные 9 перегородки.
Разработка грунта в забое происходит в головной части щита, под защитой ножевого кольца. Грунт разрабатывается на глубину заходки равной, как правило, ширине кольца сборной обделки тоннеля 5. Если разработка грунта в забое щита производится специальным породоразрабатывающим механизмом, который называется рабочим или исполнительным органом, то щит называется механизированным. После разработки породы в головной части щита его передвигают вперёд при помощи щитовых домкратов 3, отталкивающихся от тоннельной обделки 5 в хвостовой части щита. По завершении перемещения щита на величину равную ширине кольца обделки, штоки щитовых домкратов убираются, и внутри хвостовой оболочки образуется свободное пространство, в котором производится монтаж очередного кольца обделки 7 при помощи укладчика тоннельной обделки 6. Таким образом, под защитой проходческого щита, совершается весь тоннелепроходческий цикл.
Резюмируя вышесказанное, можно отметить основные особенности щитового способа проходки тоннелей по сравнению с горным способом. Это, прежде всего, использование специального проходческого агрегата – щита, в пределах которого происходит выполнение всех операций проходческого цикла, включая возведение обделки, а также максимальное приближение места возведения обделки к забою.
Сравнивая щитовой и горный способы сооружения тоннелей, следует отметить более высокую степень безопасности ведения проходческих работ при щитовом способе, особенно в неустойчивых и слабоустойчивых грунтах. Щитовой способ можно применять в весьма широком диапазоне инженерно-геологических условий: от неустойчивых обводнённых грунтов до крепких скальных пород, причём с применением механизированных агрегатов для разработки грунта в забое щита. Возможность получения ровного контура выработки обеспечивает широкое применение сборных обделок индустриального изготовления. Современные проходческие щиты обеспечивают полную механизацию всех операций проходческого цикла.
Механизированные щиты для глинистых грунтов
Список использованной литературы
Введение
Дисциплина «Щиты и щитовые комплексы» изучает технологию сооружения тоннелей щитовым способом. В рамках изучаемого материала дисциплины студенты будут ознакомлены с сущностью щитового способа проходки тоннелей, историей развития щитового способа проходки, конструкциями, принципом действия современных механизированных проходческих щитов, укладчиков сборных тоннельных обделок и составом тоннелепроходческих механизированных комплексов для щитовой проходки тоннелей.
Сущность щитового способа сооружения тоннелей и его особенности
Щитовой способ сооружения тоннелей основан на применении в забое специального агрегата – проходческого щита, под защитой которого выполняются все операции проходческого цикла, включая возведение обделки.
Проходческий щит представляет собой подвижную металлическую крепь (рис. 2.1.).
Рис. 2.1. Конструктивная схема проходческого щита
Основными элементами проходческого щита являются: ножевое кольцо 1, опорное кольцо 2, хвостовая оболочка 4, щитовые гидравлические домкраты 3, а также горизонтальные 8 и вертикальные 9 перегородки.
Разработка грунта в забое происходит в головной части щита, под защитой ножевого кольца. Грунт разрабатывается на глубину заходки равной, как правило, ширине кольца сборной обделки тоннеля 5. Если разработка грунта в забое щита производится специальным породоразрабатывающим механизмом, который называется рабочим или исполнительным органом, то щит называется механизированным. После разработки породы в головной части щита его передвигают вперёд при помощи щитовых домкратов 3, отталкивающихся от тоннельной обделки 5 в хвостовой части щита. По завершении перемещения щита на величину равную ширине кольца обделки, штоки щитовых домкратов убираются, и внутри хвостовой оболочки образуется свободное пространство, в котором производится монтаж очередного кольца обделки 7 при помощи укладчика тоннельной обделки 6. Таким образом, под защитой проходческого щита, совершается весь тоннелепроходческий цикл.
Резюмируя вышесказанное, можно отметить основные особенности щитового способа проходки тоннелей по сравнению с горным способом. Это, прежде всего, использование специального проходческого агрегата – щита, в пределах которого происходит выполнение всех операций проходческого цикла, включая возведение обделки, а также максимальное приближение места возведения обделки к забою.
Сравнивая щитовой и горный способы сооружения тоннелей, следует отметить более высокую степень безопасности ведения проходческих работ при щитовом способе, особенно в неустойчивых и слабоустойчивых грунтах. Щитовой способ можно применять в весьма широком диапазоне инженерно-геологических условий: от неустойчивых обводнённых грунтов до крепких скальных пород, причём с применением механизированных агрегатов для разработки грунта в забое щита. Возможность получения ровного контура выработки обеспечивает широкое применение сборных обделок индустриального изготовления. Современные проходческие щиты обеспечивают полную механизацию всех операций проходческого цикла.