Logo name

Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях (книга, часть 1)



Материал из Энциклопедия нашего транспорта

Перейти к: навигация, поиск

Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях

Справочное издание

Данное издание содержит информацию о современных типах тоннелепроходческих комплексов, выпускаемых различными фирмами-производителями в мире, их технических характеристиках и объектах, на которых они применялись. В брошюре даны рекомендации по выбору типа тоннельной щитовой машины для конкретных инженерно-геологических условий строящегося тоннеля.

Издание предназначено для специалистов, занимающихся строительством и проектированием тоннелей различного назначения, конструкторов тоннелепроходческого оборудования, а также студентов-тоннельщиков.

Книга Современные щитовые машины, 1.jpg

Содержание

Вводная часть

В течение последних 30-ти лет в технике и технологии щитовой проходки тоннелей произошли весьма существенные изменения.

В первую очередь эти изменения коснулись принципа работы и конструкции такого элемента щитовой проходки, как тоннельная щитовая машина, являющаяся главнейшей и определяющей в составе тоннелепроходческого комплекса, осуществляющего сооружение тоннеля. Было, в частности, создано несколько типов герметических щитовых машин, способных со средними скоростями в 200—300 м/мес и с осадками, не превышающими 20—30 мм, вести проходку тоннелей диаметром от 2 до 14 м в сложных инженерно-геологических условиях без обязательного ранее применения дорогих и трудоёмких специальных способов стабилизации водонасыщенных грунтов.

Эта способность была обеспечена в первую очередь использованием в щитовой машине так называемого активного пригруза забоя.

Такой пригруз, осуществляемый в виде давления на забой бентонитовой суспензии, нагнетаемой в призабойную камеру щитовой машины, или давления перемешанного в призабойной камере разработанного грунта, перемещающегося на забой вместе с щитовой машиной, обеспечивает в большинстве случаев полную устойчивость забоя. Активный пригруз в виде давления сжатого воздуха, нагнетаемого в призабойную камеру, уравновешивает гидростатическое давление, за счёт чего также повышается устойчивость забоя.

Применение герметических щитовых машин с активным пригрузом забоя, в свою очередь, потребовало выполнять такие технологические операции щитовой проходки, как тампонаж заобделочного пространства и блокирующее уплотнение грунта перед и вокруг щитовой машины на более высоком техническом уровне и с применением новых технических средств.

С использованием компьютерных технологий были созданы и успешно применены современные средства оперативного контроля за работой механизмов подземной и наземной частей щитовых проходческих комплексов, а также аппаратура для дистанционного контроля за положением щитовой машины и ведения её по заданному направлению с минимальными отклонениями от трассы проходимого тоннеля.

Применительно к новым щитовым машинам с активным суспензионным пригрузом было создано специальное сепарационное оборудование, позволяющее регенерировать бентонитовую суспензию с целью её повторного использования.

Применение щитовых машин с активным пригрузом потребовало также создания новых конструкций тоннельной обделки, обеспечивающих полную водонепроницаемость тоннельного сооружения немедленно по возведении её в хвостовой части щитовой машины.

Каждый тип тоннельной щитовой машины с присущим ему видом активного пригруза забоя применительно к инженерно-геологическим условиям имеет свою область наиболее эффективного применения. С учётом этого, а также в связи с чрезвычайно высокой стоимостью современного щитового оборудования и большой сложностью перехода на другой вид пригруза в процессе проходки тоннеля, перед руководством организаций, выигравших подряд на строительство тоннеля или группы тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях, возникает задача правильного выбора тоннельной щитовой машины, которая в первую очередь была бы в наибольшей степени совместима с ожидаемыми по трассе проходки инженерно-геологическими условиями, что гарантирует надёжность крепления забоя и предотвращение осадок поверхности. Основной целью настоящей работы является показ современного уровня щитовой тоннелестроительной техники и выполнения таких технологических операций щитовой проходки, как тампонаж заобделочного пространства, блокирующая стабилизация грунтов перед и вокруг щитовой машины, ведение щитовой машины и контроль за работой щитового комплекса.

Завершающий раздел работы предназначен для возможности производства выбора наиболее эффективного типа тоннельной щитовой машины до начала торговых переговоров с фирмой-изготовителем щитового оборудования. Следует иметь в виду, что в работе рассматриваются только тоннельные щитовые машины круглого сечения, осуществляющие сооружение тоннелей со сборной обделкой в сложных инженерно-геологических условиях. При этом под сложными инженерно-геологическими условиями при проходке тоннелей щитовым способом в настоящей работе имеются в виду условия, при которых открытие забоя в щитовой машине достаточно быстро сопровождается произвольными подвижками грунта внутрь щита, а возможно и тоннеля, и, как следствие, — существенными нарушениями естественного состояния грунтового массива, ведущими к недопустимым осадкам дневной поверхности, а также наземных и подземных сооружений, располагающихся над тоннелем. Указанные подвижки и все остальные возможные последствия, вплоть до затопления тоннеля, инициирует и осуществляет грунтовая вода, создающая явления взвешивания грунта, резкого ослабления в грунте сил внутреннего трения и суффозии грунта. Эти условия имеют место, прежде всего, когда тоннель проходит постоянно или периодически в слоях водонасыщеных гравелистых и песчаных грунтов, а также пластичных илистых и глинистых грунтов при любом их положении по высоте сечения тоннеля и когда невозможно или экономически нецелесообразно производство с поверхности работ по стабилизации этих грунтов. Сложными условия являются и тогда, когда подводный тоннель проходится в слоях трещиноватых и склонных к размыву полускальных грунтов. Сложными условия обычно считаются и в случае проходки тоннелей в условиях плотной городской застройки.

Классификация тоннельных щитовых машин с активным пригрузом забоя

Рис. 1. Классификационная схема тоннельных щитовых машин с активным пригрузом забоя

Известные и широко применяемые в настоящее время тоннельные щитовые машины для проходки в сложных инженерно-геологических условиях (ТЩМ) в зависимости от вида активного пригруза забоя разделяются на 4 типа:

✓ ТЩМ с суспезионным (бентонитовым) пригрузом,

✓ ТЩМ с грунтовым пригрузом,

✓ ТЩМ с воздушным пригрузом,

✓ ТЩМ с комбинированным пригрузом.

ТЩМ с суспензионным пригрузом в основном оснащены роторным рабочим органом, ведущим разработку грунта по всей площади забоя, и значительно реже — фрезерно-штанговым рабочим органом, осуществляющим местную порционную разработку забоя, в результате чего этот процесс на длину заходки является более длительным.

Во всех ТЩМ с грунтовым и комбинированным пригрузом разработка забоя ведётся исключительно с помощью роторного рабочего органа.

Большая часть известных ТЩМ с воздушным пригрузом оснащена экскаваторным рабочим органом, в то время как их оснащение фрезерно-штанговым и роторным рабочим органом происходило достаточно редко.

В ТЩМ с суспензионным пригрузом и роторным рабочим органом используются 2 различных способа регулирования величиной пригруза, а именно объёмный и воздушный.

На рис. 1 представлена классификационная схема известных тоннельных машин с активным пригрузом забоя, и на этой схеме приведены классификационные индексы этих машин.

Конструктивно-технологические особенности и область применения тоннельных щитовых машин с активным пригрузом забоя

Каждая тоннельная щитовая машина с помощью установленных в ней механизмов и под управлением машиниста или оператора выполняет следующие основные операции по проходке тоннеля:

✓ разработку забоя с креплением его, чаще всего в процессе продвижения машины,

✓ выдачу разработанного грунта от забоя в тоннель с передачей его на средства внутритоннельного транспорта,

✓ возведение в хвостовой части машины очередного кольца тоннельной обделки.

Дополнительные механизмы и обустройства ТЩМ, кроме того, должны обеспечивать возможность выполнения работ по тампонажу заобделочного пространства во время продвижения машины и работ по нагнетанию в окружающий грунт блокирующего уплотнительного раствора.

По каждому типу ТЩМ с активным пригрузом ниже приводятся краткие сведения по конструкции машины, принципу её действия и области применения. При этом каждая рассматриваемая машина обозначается соответствующим индексом, приведённым на рис. 1.

Тоннельные щитовые машины типа ТЩМ (СП) с суспензионным пригрузом забоя

В соответствии с классификационной схемой (см. рис. 1) тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП) делятся на 2 вида, а именно на машины ТЩМ (СП)-Р с роторным рабочим органом и машины ТЩМ (СП)-Ф с фрезерно-штанговым рабочим органом. Ниже приводится описание этих машин.

Тоннельные щитовые машины типа ТЩМ (СП)-Р с суспензионным пригрузом и роторным рабочим органом

Создание машин типа ТЩМ (СП)-Р почти одновременно осуществлялось в Японии и Германии. При этом японские фирмы-разработчики пошли по пути создания тоннельных машин, в которых величина пригруза, создаваемого в призабойной камере, регулировалась путём изменения производительности насосов подачи в неё бентонитовой суспензии и выдачи из неё шлама, образуемого в результате смешивания указанной суспензии с разработанным грунтом (объёмное регулирование). Германские фирмы стали осуществлять это регулирование путём изменения давления в воздушной подушке, создаваемой в специальном отсеке призабойной камеры (воздушное регулирование).

Оба типа щитовых машин ТЩМ (СП)-Р доказали свою полную и практически одинаковую работоспособность и эффективность, но в связи с тем, что они имеют некоторые конструктивные особенности, ниже приводится описание каждого подвида этих машин.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП)-Р1 с суспензионным пригрузом, роторным рабочим органом и объёмным регулированием величины пригруза

Рис. 2. Конструкция тоннельных щитовых машин ТЩМ (СП)-Р с суспензионным пригрузом и роторным рабочим органом: а — тоннельная щитовая машина ТЩМ (СП)-Р1; б- тоннельная щитовая машина ТЩМ (СП)-Р2
Рис. 3. Схема нагрузок на забой при применении тоннельных щитовых машин ТЩМ (СП)-Р1 с суспензионным пригрузом и объёмным регулированием величины пригруза: а — схема головной части машины; б — эпюры нагрузок
Рис. 4. Основная область применения тоннельных щитовых машин ТЩМ (СП)-Р1 с суспензионным пригрузом
Рис. 5. Схема нагрузок на забой при применении тоннельных щитовых машин ТЩМ (СП)-Р2 с суспензионным пригрузом и воздушным регулированием величины пригруза: а — схема головной части машины; б — эпюры нагрузок

Конструкция машины. Основными элементами машины ТЩМ (СП)-Р1 являются щитовой корпус 1, щитовые гидроцилиндры 2, роторный рабочий орган 3, выполненный в виде планшайбы (диска) или лучевой конструкции и оснащённый резцами различного типа, гиродвигатели привода 4, блокоукладчик 5, питательный трубопровод 6 для подачи бентонитовой суспензии в призабойную камеру и транспортный трубопровод 7 для выдачи шлама из призабойной камеры в тоннель и далее на поверхность (рис. 2 а). Спереди в центральной части корпуса закреплена герметическая диафрагма 8, а сзади в хвостовой оболочке этого корпуса установлено кольцевое уплотнение 9. В щитовом корпусе также вмонтирована шлюзовая камера 10, обеспечивающая возможность доступа рабочего персонала в призабойную камеру для смены резцов или выполнения ремонтных работ. На концах транспортных трубопроводов установлены роторные смесители для устранения комкования глинистого грунта у всаса зтих трубопроводов. При необходимости перед нижним всасом размещается камнедробилка.

Принцип действия. Бентонитовая суспензия, заполняющая призабойную камеру и находящаяся под давлением, через прорези в планшайбе или окна рабочего органа лучевого типа проникает к забою и покрывает его по всей площади. При этом твёрдые частицы суспензии входят в поры грунта забоя и уже через 1—2 секунды образуют на его поверхности сплошную глинистую водонепроницаемую мембрану (корку). Сама суспензия оказывает активное давление на зту мембрану, уравновешивая давление грунтовой воды и давление, оказываемое взвешенным в воде грунтом (см. рис. 3).

В результате этого, как показала практика, обеспечивается необходимая устойчивость забоя, сложенного водонасыщенным грунтом. Дополнительное крепление забоя производят во время движения щитовой машины лобовые (фронтальные) листы планшайбы и в значительно меньшей мере — радиальные лучи рабочего органа.

При движении щитовой машины с вращающимся рабочим органом разработанный его резцами грунт поступает в призабойную камеру, смешиваясь с бентонитовой суспензией, в результате чего образуется шламовый раствор с более высокой плотностью, чем первоначальная суспензия. Этот шлам высасывается транспортным трубопроводом, и одновременно в призабойную камеру по питательному трубопроводу поступает регенерированная поверхностной сепарационной установкой бентонитовая суспензия.

В процессе продвижения щитовой машины производится непрерывное нагнетание тампонажного раствора в зазор между грунтом и тоннельной обделкой.

Область применения. Наиболее эффективно щитовые машины ТЩМ (СП)-Р1 применимы в водонасыщенных песчаных и гравелистых (мелких и средних) грунтах при условии, что количество частиц размером менее 0,02 мм в разрабатываемом грунте не превышает по весу более 10 % (см. рис. 4).

При соответствующем повышении плотности бентонитовой суспензии и оснащении режущей головки рабочего органа дисковыми резцами, резцами-рипперами и резцами-скреперами, оснащёнными твердосплавными вставками, машины ТЩМ (СП)-Р1 могут достаточно успешно применяться при проходке в грубых гравелистых грунтах и слоях полускальных и скальных грунтов. При оснащении головной части машины смесителями и насадками для подачи воды достаточно высокого давления щитовые машины могут сравнительно успешно вести проходку и в связных глинистых грунтах.

Следует иметь в виду, что границы основной области применения тоннельных щитовых машин с суспензионным пригрузом построены на рис. 4 с использованием интеграционных кривых гранулометрического состава грунтов.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП)-Р2 с суспензионным пригрузом, роторным рабочим органом и воздушным регулированием величины пригруза

Конструкция машины. Конструкция машины ТЩМ (СП)-Р2 практически аналогична конструкции машины ТЩМ (СП)-Р1 с тем отличием, что в головной части щитового корпуса 1, в котором размещены гидроцилиндры 2, роторный рабочий орган 3 с приводом 4 и блокоукладчик 5, и который оснащён герметической диафрагмой 8, хвостовым уплотнением 9 и шлюзовой камерой 10, установлена погружная стенка 11, разделяющая в верхней части призабойную камеру на 2 части (см. рис. 2 б) Кроме того, выход питательного трубопровода 6 размещён не в верхней, а в нижней части призабойной камеры. Всас транспортного трубопровода 7 защищен спереди стенкой, оснащённой решёткой, служащей для задержки крупных валунов. В нижней части призабойной камеры размещена камнедробилка 12.

Принцип действия — тот же, что и у машины ТЩМ (СП)-Р1, с тем отличием, что давление пригруза бентонитовой суспензии и образующегося шлама создаётся с помощью воздушной подушки, находящейся между погружной стенкой и герметической диафрагмой.

Схема нагрузок на забой при применении щитовой машины ТЩМ (СП)-Р2 показана на рис. 5.

Область применения — та же, что и у машин ТЩМ (СП)-Р1.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП)-Ф с суспензионным пригрузом и фрезерно-штанговым органом

Рис. 6. Конструкция тоннельной щитовой машины ТЩМ (СП)-Ф с суспензионным пригрузом и фрезерно-штанговым рабочим органом

Конструкция машины. Основными элементами машины ТЩМ (СП)-Ф являются щитовой корпус 1, щитовые гидроцилиндры 2, фрезерно-штанговый рабочий орган 3, шарнирно вмонтированный в герметическую диафрагму 4, в которой жёстко закреплена шлюзовая камера 5 (см. рис. 6).

В верхней части ножевого кольца щитового корпуса закреплены с возможностью выдвижения поворотные забойные плиты крепления забоя 6, а в нижней части устроена приёмная камера 7, оснащённая спереди защитной решёткой и лопастным затвором.

К герметической диафрагме сзади подведены питательный и транспортный трубопроводы 8 и 9, служащие соответственно для подачи в призабойную камеру бентонитовой суспензии и выдачи шлама из этой камеры. К хвостовой части телескопической штанги рабочего органа подсоединён другой транспортный трубопровод 10, служащий для отсоса шлама от головки этого органа.

Принцип действия. Призабойная камера щитовой машины заполняется под давлением бентонитовой суспензией, удерживающей забой водонасыщенного грунта в устойчивом положении благодаря возникновению на его поверхности глинистой мембраны и давлению на неё, оказываемому самой суспензией.

Грунт забоя, местно и порционно разрабатываемый фрезерной головкой рабочего органа при одновременной подаче бентонитовой суспезии в призабойную камеру, падает вниз и смешивается с ней, особенно при производстве штангой рабочего органа маятниковых движений. Образованный в результате такого смешивания шлам проходит через защитную решётку в приёмную камеру, откуда он транспортируется по транспортному трубопроводу в тоннель и далее на поверхностную сепарационную установку.

После продвижения щитовой машины на заданную длину очередной заходки в хвостовой её части производится сборка кольца обделки.

Область применения: та же, что и у тоннельных щитовых машин ТЩМ (СП)-Р1 и ТЩМ (СП)-Р2.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (ГП) с грунтовым пригрузом

Рис. 7. Конструкция тоннельной щитовой машины типа ТЩМ (ГП) с грунтовым пригрузом: а — конструктивная схема; б — вид на машину с рабочим органом в виде планшайбы; в — вид на машину с лучевым рабочим органом
Рис. 8. Основная область применения тоннельных щитовых машин типа ТЩМ (ГП) с чисто грунтовым пригрузом

В настоящее время в тоннельных щитовых машинах типа ТЩМ (ГП) используются 3 следующих разновидности грунтового пригруза:

✓ чисто грунтовый пригруз, когда разрабатываемый грунт используется без изменения его состава добавлением в забой некоторого количества воды;

✓ глинисто-грунтовый пригруз (грязевый), когда в разрабатываемый грунт с целью его кондиционирования нагнетается глинистая паста с объёмным весом 1,3—1,5 г/см³, образованная из воды и смеси порошков бентонита и глины или бентонита и каолина;

✓ пеногрунтовый пригруз, когда в разрабатываемый грунт, также с целью его кондиционирования, нагнетается пена, представляющая собой смесь пузырьков сжатого воздуха и жидкого пенообразователя, состоящего, например, из целлюлозы и поверхностно активного вещества.

Конструкция машины. Основными элементами каждой машины типа ТЩМ (ГП) вне зависимости от вида применяемого пригруза являются щитовой корпус 1 с герметической диафрагмой 2, щитовые гидроцилиндры 3, роторный рабочий орган 4 с гидроприводом 5, шнековый конвейер 6, блокоукладчик 7 и кольцевое уплотнение 8 хвостовой оболочки щитового корпуса (см. рис. 7 а).

Режущая головка рабочего органа выполняется в виде планшайбы (диска) с прорезями (см. рис. 76) или в виде лучевой конструкции (см. рис. 7в) и оснащается резцами стоечного типа двухстороннего действия (рипперами), наклонными ножевыми резцами, а при необходимости и дисковыми резцами. В некоторых щитовых машинах прорези или окна режущей головки перекрываются секторными створками, поворотными в вертикальной плоскости, что позволяет изменять в процессе проходки ширину прорезей или окон, а в случае особой необходимости — полностью перекрывать их.

Сзади режущие головки рабочего органа оснащаются жёстко прикреплёнными к ним смесительными лопатками (см. рис. 7в).

В герметической диафрагме щитового корпуса устанавливаются датчики для измерения давления грунта в призабойной камере.

Для возможности подачи на забой, а также в призабойную камеру и в шнековый конвейер воды, глинистой пасты или пены щитовая машина оснащается подводящими трубками и выводными отверстиями, снабжёнными защитными клапанами.

Принцип действия. Принцип действия герметической щитовой машины с грунтопригрузом заключается в том, что в призабойной камере её, благодаря интенсивному силовому перемешиванию, происходит изменение качества разработанного грунта, как не кондиционированного, так и кондиционированного, а именно повышение пластичности и понижение проницаемости его. В результате зтого обеспечивается эффективное крепление забоя.

Выведение разработанного грунта из призабойной камеры производится с помощью шнекового конвейера, скорость вращения винта которого регулируется для возможности управления напряжённым состоянием в образованной грунтовой пробке. При этом следует иметь в виду, что режущая головка рабочего органа создаёт дополнительное силовое воздействие на забой, повышающее его устойчивость.

Область применения. Наиболее подходящей средой для эффективного применения тоннельных щитовых машин с чисто грунтовым пригрузом являются глинистые и илистые грунты повышенной влажности и с относительно небольшим содержанием песчаных частиц и при наличии в этих грунтах не менее 30 % мелких фракций диаметром (размером) менее 0,05 мм (см. рис. 8) В действительности благодаря производству кондиционирования разрабатываемого грунта область возможного, но достаточно эффективного применения щитовых машин с такими разновидностями грунтового пригруза, как глинисто-грунтовый и пеногрунтовый, распространяется на песчаные и гравелистые грунты, а также на плотные и даже сильно налипающие глинистые грунты.

Установкой на лучах рабочего органа дисковых резцов обеспечивается возможность проходки щитовыми машинами с грунтовым пригрузом в полускальных и скальных грунтах.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (ВП) с воздушным пригрузом забоя

В соответствии с классификационной схемой (см. рис. 1) тоннельные щитовые машины типа ТЩМ (ВП) делятся на 3 следующих вида:

✓ машины ТЩМ (ВП)-Р с роторным рабочим органом;

✓ машины ТЩМ (ВП)-Э с экскаваторным рабочим органом;

✓ машины ТЩМ (ВП)-Ф с фрезерно-штанговым рабочим органом.

Ниже приводится краткое описание этих машин.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (ВП)-Р с воздушным пригрузом и роторным рабочим органом

Рис. 9. Конструкция тоннельной щитовой машины ТЩМ (ВП)-Р с воздушным пригрузом и роторным рабочим органом
Рис. 10. Схема нагрузок на забой в тоннельных щитовых машинах ТЩМ (ВП)-Р с воздушным пригрузом и роторным рабочим органом: а — схема головной части машины, б — эпюры нагрузок

Конструкция машины. Основными элементами машины ТЩМ (ВП)-Р являются щитовой корпус 1, щитовые гидроцилиндры 2, роторный рабочий орган 3 с гидроприводом 4, герметическая диафрагма 5, один или два конвейера-перегружателя 6 и блокоукладчик 7 (см. рис. 9). В щитовом корпусе вмонтирована шлюзовая камера 9.

В одних машинах этого вида конвейер-перегружатель размещается в герметичном трубчатом кожухе, оснащённом на конце двухлопастным разгрузочным затвором (см. рис. 9 а), а в других этот конвейер принимает разработанный в забое грунт из роторного питателя, вмонтированного в герметичной диафрагме (см. рис. 9 б).

Щитовая машина оснащена двумя трубопроводами для подачи в призабойную камеру сжатого воздуха.

Принцип действия. В призабойную камеру щитовой машины нагнетается сжатый воздух, давление которого уравновешивает давление грунтовой воды лишь на каком-либо одном уровне, например, на уровне горизонтального диаметра щитовой машины (см. рис. 10).

Ниже этого уровня давление грунтовой воды превышает давление воздуха, и здесь возможно произвольное поступление в призабойную камеру воды из зернистого грунта с суффозией частиц грунта, могущей привести к потере устойчивости забоя. Выше этого уровня сжатый воздух стремится профильтроваться через грунт и произвести его осушение, что может вызвать осыпание высохшего грунта через щели или окна рабочего органа в призабойную камеру и, как следствие, потерю устойчивости забоя.

Эти явления в некоторой степени могут быть погашены за счёт давления на забой, оказываемого фронтальной поверхностью рабочего органа.

В связных грунтах или при нахождении над щитовой машиной слоя водонепроницаемого грунта вышеуказанные явления будут выражаться значительно слабее или вообще не будут иметь места.

Разработанный грунт, поступивший в призабойную камеру, специальными ковшами или рёбрами поднимается вверх и сбрасывается на приёмный лоток, а с него — на переднюю часть щитового конвейера-перегружателя, с которого он, в свою очередь, поступает на второй конвейер-перегружатель. Из затвора этого конвейера грунт перегружается в средства внутритоннельного транспорта.

В машине, показанной на рис. 10, разработанный грунт из приёмного лотка поступает в роторный питатель, а из него — сразу на конвейер-перегружаель, находящийся в зоне атмосферного давления.

Область применения: неустойчивые связные и частично смешанные грунты.

При необходимости зти щитовые машины могут быть успешно применены при проходке в песчаных и даже гравелистых грунтах в случае наличия или искусственного создания над проходимым тоннелем слоя водонепроницаемого грунта, а также в связных устойчивых и даже в нарушенных малопрочных скальных грунтах.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (ВП)-Э с воздушным пригрузом и экскаваторным рабочим органом

Рис. 11. Конструкция тоннельной щитовой машины ТЩМ (ВП)-Э с воздушным пригрузом и экскаваторным рабочим органом

Конструкция машины. Основными элементами машины являются щитовой корпус 1 с герметической диафрагмой 2, щитовые гидроцилиндры 3, экскаваторный рабочий орган 4 с гидроприводом 5, шнековый конвейер 6, поворотные плиты забойного крепления 7 и блокоукладчик 8 (см. рис. 11).

Принцип действия. Сжатый воздух, заполняющий призабойную камеру с давлением, соответствующим, например, гидростатическому давлению на уровне 1/3 высоты забоя, отжимает грунтовую воду из грунта забоя, принимающего наклонное положение в соответствии с углом естественного откоса.

При продвижении щитовой машины ковшевым скребком экскаваторного органа производится местная порционная разработка забоя с периодическим поворотом стрелы в радиальной плоскости и вращением её вместе со скребком вокруг продольной оси щитовой машины. Разработанный грунт падает в нижнюю часть призабойной камеры, и отсюда он шнековым конвейером выдается на тоннельный конвейер-перегружатель. После подработки соответствующая верхняя часть забоя крепится забойными плитами.

Для того, чтобы сжатый воздух произвольно не уходил через шнековый конвейер в тоннель при открытии затвора его, в нижней части призабойной камеры постоянно сохраняется защитный слой грунта высотой равной около 60 см.

Для снижения фильтрации воздуха через грунт на поверхность забоя, сложенного зернистым грунтом, набрызгивается через сопла, установленные в герметической диафрагме и на стреле экскаваторного органа, бентонитовая суспензия или специальная пена, создаваемая с помощью пеноприготовительного оборудования, размещённого на одной из платформ защитового комплекса.

Выходящие в призабойную камеру валуны больших размеров удаляются через шлюзовую камеру с предварительным их разрушением, при необходимости, непосредственно в призабойной камере.

Область применения: та же, что и у машин ТЩМ (ВП)-Р с расширением её на случай встречи на трассе проходки крупных валунов, топляков, старых фундаментов и других препятствий.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (ВП)-Ф с воздушным пригрузом и фрезерно-штанговым рабочим органом

Рис. 12. Конструкция тоннельной щитовой машины ТЩМ (ВП)-Ф с воздушным пригрузом и фрезерно-штанговым рабочим органом

Конструкция машины. Основными элементами щитовой машины ТЩМ (ВП)-Ф являются щитовой корпус 1 с герметической диафрагмой 2 и хвостовым кольцевым уплотнением 3, щитовые гидроцилиндры 4, фрезерно-штанговый рабочий орган 5, конвейер-перегружатель 6, заключённый в герметический кожух 7, оснащённый двухлопастным затвором 8, а также блокоукладчик 9 (см. рис. 12). В щитовой корпус вмонтирована шлюзовая камера 10. К щитовой машине подведены трубопроводы для подачи сжатого воздуха в призабойную камеру.

Принцип действия. Сжатый воздух, заполняющий призабойную камеру, удерживает грунтовую воду от произвольного поступления в эту камеру.

Грунт, разработанный фрезерной головкой рабочего органа, падает в нижнюю часть ножевого кольца щитового корпуса и винтовой навивкой этой головки или специальным погрузочным органом нагребается на приёмную часть конвейера-перегружателя. С этого конвейера разработанный грунт поступает в двухлопастной затвор, а из него — на тоннельный конвейер.

Область применения: та же, что у машин ТЩМ (ВП)-Э.

Тоннельные щитовые машины ТЩМ (КП) с комбинированным пригрузом забоя

Рис. 13. Конструкция тоннельной щитовой машины ТЩМ (КП) с комбинированным пригрузом

Эти тоннельные щитовые машины создаются для расширения области их эффективного применения и с целью ускорения создания так называемого универсального щита. Ведущие фирмы-разработчики при создании тоннельных щитовых машин с комбинированным пригрузом забоя используют несколько отличающихся друг от друга конструктивно-технологических решений. Одно из таких решений в частности, предложила и реализовала в виде конкретной щитовой машины марки PDS 740-OS/RM диметром 7.4 м австрийская фирма «Фест Альпине Бергтехник», и именно это решение описывается ниже.

Конструкция машины. Тоннельная щитовая машина типа ТЩМ (КП) состоит из постоянных элементов и элементов съёмных, которые монтируются на постоянных элементах или демонтируются с них непосредственно в тоннеле при возникшей необходимости изменения вида пригруза забоя из-за смены инженерно-геологических условий.

К постоянным элементам описываемой щитовой машины относятся шарнирный по длине щитовой корпус 1, щитовые гидроцилиндры 2, роторный рабочий орган 3 с приводом 4, две герметических диафрагмы 5 и 6, шлюзовая камера 7 и питательный трубопровод 8 для подачи в призабойную камеру, при необходимости, бентонитовой суспензии (см. рис. 13).

К съёмным элементам для работы в режиме суспензионного пригруза относятся приёмная камера с защитной решёткой 9, концевой отрезок транспортного трубопровода 10 для выдачи шлама из призабойной камеры, погружная стенка 11 и камнедробилка 12 (см. рис. 13 а).

Для работы в режиме грунтового пригруза забоя съёмные элементы 9—12 демонтируются, а вместо них устанавливаются шнековый конвейер 13 и щитовой конвейер-перегружатель 14 (см. рис. 13 б).

При встрече с неводоносными грунтами может быть осуществлён переход на открытый режим проходки без пригруза забоя. Для этого демонтируется винт шнекового конвейера, а вместо него в защитную трубу вводится щитовой конвейер-перегружатель, использовавшийся при проходке в режиме грунтового пригруза (см. рис. 13 в). Под концевую часть этого конвейера подводится приёмная часть тоннельного конвейера.

Принцип действия. При установке соответствующих съёмных элементов щитовая машина может работать в различных ранее описанных режимах, то есть в режиме суспензионного или грунтового пригруза и даже в режиме проходки без пригруза.

Ввиду оснащения щитовой машины герметическими диафрагмами и шлюзовой камерой без перемонтажа съёмных элементов может быть осуществлён переход с режима грунтового пригруза на режим проходки с воздушным пригрузом.

Область применения: та же, что и у щитовых машин с суспензионным, грунтовым и воздушным пригрузом, вместе взятых.

Достаточно эффективная проходка может осуществляться и в не водоносных грунтах.

Щитовые проходческие комплексы для сооружения тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях

Проходка тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях осуществляется с помощью щитовых проходческих комплексов, каждый из которых состоит, как правило, из подземной и наземной частей оборудования. Основная подземная часть щитового комплекса, в свою очередь состоит из щитовой машины и защитового комплекса.

Основным назначением защитового комплекса подземной части щитового проходческого комплекса является:

а) обеспечение энергией приводов механизмов и обустройств щитовой машины;

б) доставка блоков тоннельной обделки в хвостовую часть щитовой машины с предварительным снятием их с блоковозок;

в) выдача разработанного грунта от щитовой машины на средства внутритоннельного транспорта.

Ниже приводится краткое описание конкретных щитовых проходческих комплексов, применявшихся и применяемых в России при проходке тоннелей различного назначения в сложных инженерно-геологических условиях.

Щитовой комплекс фирмы «Херренкнехт», применявшийся при проходке перегонных тоннелей Московского метрополитена диаметром 6,0 м

Рис. 14. Подземная часть щитового комплекса фирмы «Херренкнехт»
Рис. 15. Схема наземной части щитового проходческого комплекса фирмы «Херренкнехт»

Подземная часть комплекса включает тоннельную щитовую машину 1 типа ТЩМ (СП)-Р2 с суспензионным пригрузом забоя, роторным рабочим органом и воздушным регулированием величины пригруза и защитовой комплекс, в состав которого входят две технологические тележки 2 и 3 с оборудованием, соединённые между собой и с щитовой машиной (см. рис. 14).

На 1-й тележке размещены блокоподатчик 4 и грунтовый насос 5, служащий для отсоса шлама из призабойной камеры щитовой машины и транспортировки его по транспортному трубопроводу 6 по тоннелю и на поверхность. По этой же тележке проходит и питательный трубопровод 7, по которому бентонитовая суспензия подаётся в призабойную камеру.

На 2-й тележке размещаются кран-перегружатель блоков обделки 8, маслобак 9, масляный насос 10, трансформатор 11, электрошкаф с пусковой электроаппаратурой 12, кабельный барабан 13 и ресивер сжатого воздуха 14.

Сзади ко 2-й тележке подсоединён укладчик 15, служащий для установки секций труб с целью удлинения питательного и транспортного трубопроводов.

В состав наземной части проходческого комплекса входят компрессор 1, питательный насос 2 для подачи суспензии по питательному трубопроводу 3 через шахту и тоннель в щитовую машину и сепарационная установка, включающая вибросито 4, гидроциклоны 5, 6 для средней и тонкой очистки шлама, конвейер 7 для выдачи в отвал включений и грунтовых частиц и ёмкость бентонитовой суспензии 8 (см. рис. 15).

Подземная часть щитового комплекса имеет следующую техническую характеристику:

Книга Современные щитовые машины, 17.jpg

Щитовой комплекс фирмы «Мицубиси», применяющийся при проходке коллекторных тоннелей диаметром 2,54 м в Москве

Рис. 16. Подземная часть щитового комплекса фирмы «Мицубиси»
Рис. 17. Схема наземной части щитового комплекса фирмы «Мицубиси»

Подземная часть комплекса включает тоннельную щитовую машину типа ТЩМ (ГП) с глинисто-грунтовым пригрузом 1, пять колёсных технологических тележек 2, 3, 4 5 и 6, соединённых балочной тягой 7 со щитовой машиной, конвейер-перегружатель 9, блокоподатчик 10, рольганг 11, а также несколько вагонеток и блоковозок (см. рис. 16).

На тележке 1 расположен пульт дистанционного управления всеми механизмами щитовой машины 14 и насос для нагнетания изолирующей мастики в хвостовое уплотнение её.

На тележках 2 и 3 размещено шесть насосных установок 16 для подачи рабочей жидкости (масла) в щитовые гидроцилиндры, в гидродвигатели и гидроцилиндры рабочего органа и шнекового конвейера щитовой машины, а также растворонасос 17 для нагнетания тампонажного раствора за тоннельную обделку. На 4-й тележке размещён маслобак 18, а на 5-й — установка для нагнетания глинистой пасты в забой и призабойную камеру щитовой машины.

Наземная часть щитового комплекса представляет собой оборудование для приготовления и нагнетания по шахте и тоннелю глинистой пасты, в состав которого входят бункера 1 для порошковых материалов, питатели 2, шнековый конвейер 3, из которого порошковая смесь поступает в струйный смеситель 4 одновременно с водой, нагнетаемой насосом 5 из ёмкости 6 (см. рис. 17). Из струйного смесителя глинистая паста поступает в бак хранения 7, снабжённый лопастным побудителем, откуда она с помощью насоса 8 направляется по трубопроводу, находящемуся в шахте и тоннеле, в ёмкость установки для нагнетания её в щитовую машину.

Подземная часть щитового комплекса фирмы «Мицубиси» имеет следующую техническую характеристику:

Книга Современные щитовые машины, 20.jpg

Щитовой комплекс фирмы «Бессак», применяющийся при проходке коллекторных тоннелей диаметром 4,24 м в Москве

Рис. 18. Подземная часть щитового комплекса фирмы «Бессак»
Рис. 19. Схема наземной части щитового комплекса фирмы «Бессак»

Подземная часть щитового комплекса состоит из тоннельной щитовой машины 1 типа ТЩМ (ВП)-Э с воздушным пригрузом и экскаваторным рабочим органом и защитового комплекса, обеспечивающего выполнение следующих функций:

а) траспортировка разработанного грунта, выданного шнековым конвейером из призабойной камеры щитовой машины, в средства внутритоннельного транспорта;

б) разгрузка блоков обделки с блоковозок, временное хранение их и подача под захват блокоукладчика;

в) редукция сжатого воздуха и подача его в призабойную камеру щитовой машины;

г) охлаждение электрических двигателей и рабочей жидкости, используемой в системах гидроприводов щитовой машины и защитового комплекса;

д) нагнетание смазочного материала в уплотнения щитовой машины;

е) генерация поверностно-активной пены и подача её в щитовую машину;

ж) подача уплотняющего раствора в щитовую машину.

Защитовой комплекс включает две технологические платформы 2 и 3, соединяемые с щитовой машиной упряжными цепями, ленточный конвейер 4, однопутевую и стрелочную платформы 5 и 6, соединяемые с технологическими платформами с помощью рельсового телескопа 7, две самоходных блоковозки, несколько вагонеток 8, аккумуляторный электровоз 9 типа АК-2У с пантографом (см. рис. 18).

На технологических платформах располагаются механизированный рольганг 10 для блоков обделки, два наматывающих механизма 11 гибких шлангов для подачи сжатого воздуха к щитовой машине, холодильная установка 12, гидронасосная станция 13, пеногенерирующая установка 14, электрощит 15 и пневмонасос для подачи смазки в уплотнения щитовой машины. Спереди первая технологическая платформа оснащена рамповым механизмом 17 для подачи блоков обделки в хвостовую часть щитовой машины.

Наземная часть щитового комплекса представляет собой компрессорную станцию, включающую несколько воздушных компрессоров 1, два охладителя 2 и ресивер 3, соединённые между собой трубопроводами с установленными на них клапанами 4 (см. рис. 19).

Щитовой комплекс фирмы «Бессак» имеет следующую техническую характеристику:

Книга Современные щитовые машины, 23.jpg

Основными разработчиками-изготовителями современных щитовых проходческих комплексов являются:

1) германская фирма «Herrenknecht GmbH» («Херренкнехт»),

2) японские фирмы «Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.» («Мицубиси»), «Kawasaky Heavy Industries, Ltd.» («Кавасаки») и «Hitachi Zosen Corporation» («Хитачи»),

3) канадская фирма «Lovat Tunnel Equipment Inc.» («Ловат»),

4) австрийская фирма «Alpine Westfalia» («Альпине Вестфалия»),

5) французские фирмы «Framatome Mechanical Engineering» (NFM) (НФМ), «Fives-Cail Babcock» (fcb) (фсб), «C. S. M. Bessac» («Бессак»).

Отдельные образцы щитовой техники изготовляет германская фирма «Wirth» («Вирт»).

Щитовыми комплексами, изготовленными указанными фирмами, сооружены тысячи километров тоннелей самого различного назначения.

В приложении 1 дан перечень и краткая характеристика некоторых из зтих тоннелей, пройденных в различных странах, в том числе в Российской Федерации, и приведены иллюстрации использованных при проходке щитовых машин.

В приложении 2 приведены сведения о скоростях проходки тоннелей, осуществлявшейся во Франции щитовыми комплексами с активным пригрузом забоя.

Приложение 3 содержит данные о величинах осадок поверхности, замеренных при проходке щитовыми машинами с активным пригрузом забоя некоторых тоннелей в Европе.

В приложении 4 приведены технические характеристики и иллюстрации отечественного комплекса марки КПЩМ-4ЭКП со щитовой машиной типа ТЩМ (ВП)-Э, разработанного конструкторами ОАО «НТЦ» по заказу ОАО «СУПР».

Тоннельные обделки

Рис. 20. Конструкция колец высокоточной тоннельной обделки диаметром 4,24 м
Рис. 21. Конструкция прямоугольного блока № 2 левого кольца высокоточной тоннельной обделки диаметром 4,24 м
Рис. 22. Стык блоков высокоточной тоннельной обделки диаметром 4,24 м

Обделка круглого сечения, сооружаемого щитовым способом, представляет собой кольцевую конструкцию, сжимаемую в осевом направлении усилием щитовых гидроцилиндров и воспринимающую, после выхода её из-под щитовой оболочки, давление грунта и грунтовой воды. Дополнительное давление на обделку оказывают нагнетаемый за неё тампонажный раствор, а также наземные и подземные сооружения и крановые и транспортные средства, находящиеся на поверхности в пределах зоны обрушения.

При проходке тоннелей щитовыми машинами с активным пригрузом забоя используют, как правило, сборные обделки, изготовляемые из железобетона, чугуна или стали, но в последние годы почти исключительный упор сделан на применение железобетонной обделки, состоящей из блоков, изготовленных с высокой точностью и снабжённых по торцам резиновыми или неопреновыми уплотнителями, позволяющими обеспечивать практически полную водонепроницаемость обделки сразу после её сборки с использованием связей растяжения.

Торцевые поверхности колец такой обделки обычно образуются не параллельными, например в плане, плоскостями, в результате чего эти кольца имеют односторонний или двухсторонний скос (левый или правый). В последнем случае обеспечивается возможность точно собирать обделку при проходке на участках трассы, криволинейных одновременно и в плане и в профиле.

Конструкция левого и правого колец такой обделки наружным диаметром 4,24 м с двухсторонним скосом, применяемой при проходке коллекторных тоннелей в Москве щитовым комплексом фирмы «Бессак», описанным в разделе 4 настоящей работы, показана на рис. 20.

Каждое кольцо этой обделки состоит из 6-ти блоков (трёх прямых, двух смежных и одного замкового), соединяемых между собой с помощью 12-ти болтов. Каждый отдельный блок снабжён в центре нарезной втулкой, через которую производится нагнетание за обделку тампонажного раствора и которая используется для закрепления блока на захвате блокоукладчика во время сборки очередного кольца обделки (см. рис. 21).

Кольца обделки чаще всего соединяются между собой стальными шпильками, но в некоторых случаях для соединения используются пластиковые либо деревянные конические стержни.

Уплотнение стыков между блоками обделки обеспечивается с помощью герметизирующего уплотнения, размещающегося и приклеиваемого в канавке, устроенной по всему периметру блока у его внешней поверхности (см. рис. 22). При большой толщине обделки уплотнения размещаются в два ряда у внутренней и внешней поверхностей каждого блока.

Изготовление высокоточных блоков тоннельной обделки производится в специальных формах при весьма тщательном инструментальном контроле размеров.

Применение чугунной тоннельной обделки в особых случаях возможно, но оно должно быть экономически обосновано. Также с экономическим обоснованием возможно при проходке перегонных тоннелей метрополитенов ограниченное применение железобетонной обделки со стальным экраном, разработанной Метрогипротрансом.

Часть 2


[1 наблюдающий участник] 
Эта страница последний раз была изменена 1 мая 2015 в 17:20, автор изменения — участник Энциклопедия нашего транспорта Anakin. В создании приняли участие: участник Энциклопедия нашего транспорта Workweek
info2008 ≤co-бa-кa≥ nashtransport.ru
«Наш транспорт» © 2009—2017
Rambler's Top100