ЩИТОВЫЕ ПРОХОДЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ

Щитовые проходческие ком­плексы применяют в сложных горно-геологических условиях, требующих, как правило, сплош­ного крепления проводимой выра­ботки — в слабых грунтах и по­родах, в плывунах или под ними, при неглубоком залегании выра­боток под сооружениями, под близкими водоносными горизон­тами, при проведении подземных городских трасс различного назначения.

Разнообразие горно-геологических условий и требований к воз­водимой крепи обусловили следующие основные технологические схемы щитовых комплексов:

щитовые комплексы, для проходки тоннелей независимо от возводимой крепи, применяемые при работе в устойчивых крепких породах. В неустойчивых мягких породах требуется возведения временнойкрепи, которая не является опорным элементом для домкратов передвижения щита. Щит должен иметь специальное распорное устройство.

Применение ограничено, так как в таких условиях более целесообразно вести комбайновую или буровзрывную проходку;

щитовые комплексы для строительства тоннелей со сборной крепью.

При работе комплексов в головной части щита 2 (рис. V.38, а) разрабатывается порода вручную или исполнительным органом /, а под защитой его оболочки 3 собирается тоннельная крепь из отдельных чугунных или железобетонных элементов 5. Щит про­двигается вперед, упираясь гидравлическими домкратами 7 в торец собранной крепи. Тоннельная крепь в этом случае имеет наружный диаметр меньше, чем наружный диаметр щита, так как необходимо зону сборки крепи перекрыть оболочкой щита и иметь специаль­ный зазор 6 для возможности сборки крепи и поворотов щита на криволинейных участках трассы. Пустоты между крепью и сте­нами выработки в устойчивых породах обычно заполняют це-ментно-песчаным раствором 4. За проходческим комплексом на некотором расстоянии от забоя, как правило, ведутся гидроизо­ляционные работы — чеканка швов между элементами крепи и контрольное нагнетание за нее цементного раствора. Механизмы и устройства щитового комплекса в этом случае должны обеспе­чивать разработку породы в забое и ее погрузку в транспортные средства, разгрузку сборных элементов крепи из транспортных средств и подачу их в зону сборки, сборку крепи, прием материа­лов для нагнетания и нагнетание цементно-песчаного раствора на крепь, а также продвижение проходческого комплекса вперед по мере образования выработки.

При строительстве тоннелей со сборной крепью, обжатой в по­роду (рис. V.38, б), наружный диаметр крепи 8 получается равным диаметру выработки и необходимость в нагнетании цементно-песчаного раствора отпадает. В этом случае комплекс может не иметь устройств для нагнетания цементно-песчаного раствора и приема материалов, необходимых для этой цели, а должен иметь приспособления для обжатия крепи в породу, вставляемые в окна 9, которые впоследствии заливаются монолитным бето­ном 10. При выполнении гидроизоляционных работ контрольное нагнетание цементного раствора за крепь остается.

Рис. V.38. Схемы возведения сборной крепи: а — обычной; б — обжатой в породу

Существует несколько схем проведения тоннелей проходче­скими комплексами при строительстве тоннелей со сборной крепью, из которых можно выделить схематично несколько характерных (рис. V.39).

Порода (рис. V.39, а) в головной части щита 2 разрабатывается вручную или частично механизированным способом, а ее погрузка на конвейер 4 или непосредственно в одиночные вагонетки 5 осуществляется или вручную, или погрузочными устройствами / щита. Элементы сборной крепи 6 подаются к крепеукладчику 3 по нижнему ярусу. Аппарат 7, заполненный материалами для нагнетания цементно-песчаного раствора за крепь, размещается также внизу.

Порода (рис. V.39, б) в головной части щита разрабатывается механизированным исполнительным органом 12, а ее погрузка осуществляется системой конвейеров 11 в нерасцепленные составы вагонеток 10. Элементы сборной крепи к крепеукладчику и мате­риалы к аппарату для нагнетания цементно-песчаного раствора подаются или по верхнему 8, или по нижнему 9 ярусам. В случае, если при строительстве тоннеля в сложных гидрогеологических условиях щит оборудуется герметической перемычкой, отделя­ющей кессонную камеру с повышенным давлением воздуха от остальной части комплекса, порода выдается из этой камеры через шлюзовые аппараты.

Порода (рис. V.39, в) в призабойной камере 13 щита, отделен­ной герметической перегородкой 14 и заполненной водой или тиксотропным раствором, разрабатывается гидромеханизированным способом или механизированным исполнительным органом, пре­вращается в пульпу и удаляется по трубе 16. Вода или тиксотропный раствор подаются в камеру по трубе 15. Элементы сборной крепи и материалы для приготовления цементно-песчаного рас­твора могут подаваться к механизмам по верхнему или нижнему ярусам.

Рис. V.39. Схемы комплексов для проведения тоннелей со сборной крепыо:

а — частично механизированным щитом с погрузкой конвейером в одиночные вагонетки; о — с механизированным щитом с подачей элементов крепи по верхнему ярусу; в — со щитом с призабойной камерой, заполненной водой или тиксотропным раствором

Проходческие щитовые комплексы для строительства тоннелей с монолитно-прессованной. бетонной крепью позволяют строить тоннели по технологии, при которой крепь формуется непосред­ственно около забоя из бетонной смеси давлением, создаваемым проходческим щитом или дополнительным устройством по мере образования выработки. Бетонная смесь нагнетается в простран­ство, ограниченное с наружной стороны оболочкой щита 2 (рис. V.40), с внутренней стороны опалубкой 6, сзади уже готовой тоннельной крепью 5 и со стороны забоя штампом — прессующим кольцом 3. Щит продвигается вперед, упираясь домкратами / через прессующее кольцо и бетонную смесь 4, которая под давлением прижимается к породе, заполняя пространство, освобождае­мое оболочкой, и исключая подвижки породы сзади щита. В ре­зультате наружный диаметр тоннеля получается равным или несколько большим, чем наружный диаметр щита, а бетонная крепь имеет плотный контакт с окружающим ее породным масси­вом. Последнее обстоятельство значительно уменьшает развитие горного давления на крепь, улучшает условия ее статической работы и позволяет даже в подвижных песчаных породах исклю­чить появление осадки поверхности земли над тоннелем, которая возникает при сооружении тоннелей со сборной крепью.

Щитовые комплексы для строительства тоннелей с комбиниро­ванной крепью применяются в тяжелых инженерно-геологиче­ских условиях, в которых из-за возникающих больших нагрузок оправдано возведение комбинированной крепи, сочетающей как сборные элементы, так и монолитно-прессованный бетон. Ком­плексы, кроме механизмов для разработки забоя и погрузки породы в

Рис. V.40. Схема возведения монолитно-прессованной бетонной крепи

транспортные средства, одновременно должны включать механизмы и устройства для выполнения операций по возведению как сборной, так и монолитно-прессованной бетонной крепи.

Комплексы выполняются в двух вариантах:

со специальной опалубкой для возведения монолитно-прессо­ванной бетонной крепи. Внутренняя крепь из сборных элементов возводится в уложенной монолитной крепи за опалубкой;

крепь из сборных элементов возводится без отставания за щитом и служит опалубкой для монолитно-прессованной бетон­ной крепи.

Проходческие щитовые комплексы для строительства тоннелей методом проталкивания сборной крепи (рис. V.41) применяют в мягких породах при сооружении тоннелей сравнительно не­большой протяженности под шоссе, железнодорожными путями и т. п. Механизмы и устройства комплекса выполняют операции по разработке породы в забое и погрузке ее в транспортные средства, сборке крепи в монтажной камере и се проталкиванию впе­ред. С целью уменьшения трения между наружной поверхностью крепи и породой иногда применяют нагнетание смазывающего раствора за крепь или тонкие металлические волосы, которые разматываются с наружной стороны по мере проталкивания крепи, в результате чего трение крепи о породу заменяется тре­нием ее о металл. Наиболее характерными являются следующие примеры.

Крепь 3 (рис. V.41) в головной части жестко соединена с ноже­вой секцией 2, оборудованной элеронами 1 для направленного проталкивания. Порода отбирается вручную или частично меха­низированным способом и грузится в одиночные вагонетки 4. Крепь устанавливается в монтажной камере 6 и проталкивается домкратной установкой 8 с распределительным кольцом 7. Крепь может проталкиваться по частям с использованием как домкрат­ной установки в монтажной камере, так и одной или нескольких промежуточных домкратных установок 5.

По площади поперечного сечения различают щиты малого (до 3200 мм), среднего (3200—5200 мм) и большого (более 5200 мм) диаметров.

По степени механизации различают щиты частично или пол­ностью механизированные. В частично механизированных щитах разрушение пород забоя производится подрезными ножами с его зачисткой ручным инструментом, отбойными молотками или буровзрывным способом с последующей погрузкой пород в кон­вейерный бункер или специальными погрузочными средствами — нагребающими лапами, ковшовыми машинами, наклонными грей­ферами, скребковыми грузчиками и др.

В механизированных щитах разрушение пород забоя произ­водится исполнительными органами избирательного или ротор­ного типа, конструктивно принципиально не отличающихся от органов разрушения проходческих комбайнов.

При разработке мягких и вязких пород применяются роторные винтовые двух заходные и более планшайбы, оснащенные пластин­чатыми подрезными резцами. При разрушении пород с коэффи­циентом крепости f = 1 ÷ 3 планшайбы оснащаются стержневыми резцами, а при более крепких породах — шарошечным инстру­ментом.

Рис. V.41. Схемы комплексов для проведения тоннелей методом проталкивания крепи:

а — с головной ножевой секцией; б — со щитом

В зависимости от типа и состояния окружающих и разрушае­мых пород щиты выполняют с закрытой головной частью, с откры­тым забоем и с шандорным креплением. Проведение выработок в плывунах производится под повышенным давлением с приме­нением кессонных камер.

1.7. Области применения и выбор типа проходческого щита

Наиболее полное представление о рациональных об­ластях применения проходческих щитов, исходя из конструктивно-технологических схем их основных функци­ональных элементов, дает классификация щитов /8/, в которой они классифицированы по двум группам при­знаков:

I- основным, определяющим область применения щи­тов;

II - вспомогательным, определяющим конструктив­но-технологические схемы основных функциональных элементов щита.

Проходческие щиты 1. Область применения

1.1. Категория грунтов, пород:

- грунты водонасыщенные, плывуны (В);

- грунты естественной влажности, неустойчивые, сы­пучие (Н);

- грунты мягкие малоустойчивые (М);

- грунты устойчивые с коэффициентом крепости f ≤ 5 (У);

- породы скальные устойчивые с коэффициентом кре­пости f > 5 (С).

1.2. Форма и диаметр щита, тоннеля, выработки:

- щиты малого диаметра: 0< 3,2 м;

- щиты седнего диаметра: О = 3,2- 5,6;

- щиты большого диаметра: В = 5,6- 10,0;

- щиты для арочных выработок;

- щиты для прямоугольных выработок.

1.3. Угол проведения выработки:

- щиты для горизонтальных выработок;

- щиты для наклонных выработок.

1.4. Длина выработки:

- щиты для выработок длиной > 200-300 м;

- щиты для выработок длиной от20 до 200м.

2. Конструктивно-технологические схемы основных функциональных элементов.

2.1. Для крепления и удержания забоя:

- выдвижные козырьки (Н, М);

- подвижные поворотные плиты (Н, М);

- шандоры (В, Н);

- диафрагмы (В);

- рассекающие площадки (Н, М);

- роторный исполнительный орган (Н, М).

2.2. Для разработки забоя

2.2.1. Немеханизированные щиты:

- ручная (лопата, отбойный молоток) с рабочими пло­щадками (Н, М);

- БВР с рабочими площадками (У, С);

2.2.2. Механизированные щиты:

- механизированная с исполнительными органами;

- роторный: с притру зом (В, Н),

без пригруза (М, У, С);

- планетарный фронтальный:

с пригрузом (В, Н), без пригруза (М, У, С);

- планетарный цикличный (М, У, С);

- стреловидным (Н, М, У);

- экскаваторный (Н, М);

- челюстные механизмы (грейферные) (Н, М);

- ударный (У, С);

- гидромеханизированный(В, Н, М);

- комбинированный.

2.3. Для погрузки разрушенной массы:

- непрерывного действия:

- ковшевой роторный (Н, М, К, С)

- нагребающие лапы (Н, М, У, П);

- шнековый (В, Н, М);

- гидромеханизированный (В, Н, М);

- лопастной барабанный (Н, М, У);

- гравитационная (Н, М);

- цикличного действия:

- ручная (Н, М);

- ковшовый автономный (Н, М, У, С);

- экскаваторный (И, М);

- челюстные механизмы (Н,М, У);

- скребковый (Н, М, У, С).

2.4. Для возведения обделки (крепи):

- комплексы для строительства сооружений со сбор­ной крепью (необжатой, обжатой в породу);

- комплексы для строительства сооружений с моно­литно-прессованной бетонной крепью;

- комплексы для строительства тоннелей методом

проталкивания сборной крепи

- комплексы для строительства сооружений с комби­нированной крепью:

- со специальной опалубкой;

- без специальной опалубки.

Кроме рассмотренных признаков щиты по ОСТ 12.44.250-84 делятся на два типа:

- проходческие щиты механизированные (ПЩМ), в

которых все основные процессы (разработка и погрузка породы в забое транспортирование до перегрузочного конвейера комплекса и крепление тоннеля, выработки)

механизированы;

- проходческие щиты частично механизированные (ПЩ), в которых разработка забоя производится вруч­ную, погрузка породы может быть механизирована или производится вручную, креплние тоннеля (выработки) механизировано.

В соответствии с этим же ОСТом условное обозначе­ние щита состоит из типоразмера, вида крепи (С - сборная, М - монолитная, К - кольцевая), названия исполнитель­ного органа (П - комбинированные площадки, Р - ротор­ный, К - качающийся, Э - экскаваторный).