Túnel escudo metrostroy. Escudos de túneles: descripción, propósito. Perforación horizontal. Escudos mecanizados para suelos arcillosos

10.07.2023

Un escudo de túneles equipado con una unidad especial para cortar rocas se llama mecanizado (Fig. 6.1.).

Arroz. 6.1. Diagrama esquemático de un escudo de tunelización mecanizado:

cuerpo de 1 escudo; 2-cuerpo ejecutivo de un escudo mecanizado; 3-accionamiento del órgano ejecutivo;

gato hidráulico de 4 paneles; transportador de 5 paneles; Alimentación de 6 tomas del cuerpo ejecutivo al fondo

Los elementos principales de un escudo de tunelización mecanizado son: cuerpo 1, cuerpo ejecutivo (a veces llamado de trabajo) 2, diseñado para el desarrollo mecanizado del suelo en la cara y su eliminación de la zona del escudo. El trabajo del órgano ejecutivo lo proporciona el impulso 3.

En el proceso de tunelado, el escudo de tunelado mecanizado debe realizar las siguientes funciones principales:

1. Desarrollo de suelo en el frente y su remoción fuera del escudo para su posterior carga en vehículos.

2. Fijación del contorno del trabajo y aseguramiento de la estabilidad de la frente de la cara.

3. Garantizar la construcción segura del revestimiento del túnel.

Como se desprende de lo anterior, el desarrollo mecanizado del suelo en el frente es la función principal del escudo de tunelización mecanizado. Al crear escudos mecanizados, puedes ir en dos direcciones diferentes. El primero es un intento de crear un escudo de excavación de túneles mecanizado capaz de operar en casi todas las condiciones geológicas de ingeniería, y el segundo es la creación de un escudo diseñado para excavación de túneles en un rango muy limitado de condiciones geológicas de ingeniería.

En el primer caso, lograr el objetivo es prácticamente imposible, e incluso las consideraciones teóricas llevan a la convicción de que si la creación de dicho escudo es posible, su diseño será muy complejo y costoso. En la segunda opción, la posibilidad de utilizar un escudo de tunelización estará severamente limitada, ya que es casi imposible cumplir con la ruta del túnel en condiciones invariables.

En este sentido, la creación de escudos mecanizados para tunelería ha ido en la línea de desarrollar diseños aptos para cualquier grupo de suelos con similares características físicas y mecánicas, lo que permite desarrollar un diseño único del cuerpo de ejecución y del sistema de fijación de los suelo en la cara.

7. Escudos mecanizados para suelos arcillosos

7.1. Escudos tuneladores mecanizados para la construcción de túneles en suelos arcillosos plásticos blandos

Este grupo de suelos incluye francos arenosos plásticos, francos y arcillas (spondylic, Jurassic, Maikop) con un factor de resistencia f = 0.7 - 1.0, e incluso margas arcillosas arrugadas con f = 1.0 - 1.5.

Dichos suelos se desarrollan fácilmente mediante el corte, además, con cortadores de tipo laminar, sin embargo, la estabilidad de la frente de la cara debe garantizarse mediante el diseño del cuerpo ejecutivo. Por lo tanto, para la excavación en arcillas plásticas blandas, se han desarrollado escudos cuyo cuerpo ejecutivo, equipado con cortadores laminares, se presiona casi constantemente contra la cara, asegurando su estabilidad.

El diseño del escudo con cuerpo ejecutivo de disco giratorio se muestra en la Figura 7.1.

Arroz. 7.1. El diseño de un escudo mecanizado con un cuerpo ejecutivo de disco giratorio:

eje de salida de accionamiento; 2-órgano ejecutivo; cortadores de 3 láminas; 4-copiadora-cortadora;

5 rodillos para apoyo del cuerpo ejecutivo; 6 rodamientos; 7-impulso del órgano ejecutivo;

cojinete liso de 8 ejes; 9-gato hidráulico para el suministro del cuerpo ejecutivo;

plataforma 10-horizontal; transportador de 11 bandas; 12 haces

El escudo en cuestión se denominó "Kiev", ya que fue diseñado para conducir los túneles de destilación del Metro de Kiev en arcillas plásticas espondílicas. El cuerpo ejecutivo 2 está hecho en forma de una placa frontal de acero macizo, soldada a partir de láminas individuales. A través de las ranuras de la placa frontal sobresalen hasta el fondo unos cortadores de láminas 3, con los que, durante la rotación del cuerpo ejecutivo, se cortan virutas de arcilla plástica de hasta 20 mm de espesor. El diseño del cortador laminar del escudo de Kiev se muestra en la Figura 7.2. La tierra cortada a través de las ranuras en la placa frontal ingresa al cuerpo ejecutivo y se retira de allí utilizando el transportador protector 11. La rotación del cuerpo ejecutivo es proporcionada por el accionamiento 7 montado en la partición horizontal 10 del anillo de soporte. Se utiliza un gato hidráulico 9 para alimentar el cuerpo ejecutivo hasta el fondo.

Arroz. 7.2. Diseño del cortador de cuchillas:

chapa de acero de diafragma; cuerpo de 2 cuchillas; 3 pernos

sujetar el cortador al cuerpo; cortador de 4 cuchillas

Dependiendo del grado de plasticidad de los suelos desarrollados, existen varios modos de funcionamiento del escudo con un cuerpo ejecutivo de disco giratorio equipado con cortadores lamelares.

En suelos suficientemente estables (f = 1,0-1,5), en primer lugar, el suelo se corta con la extensión del cuerpo ejecutivo por el gato de alimentación a una profundidad de hasta 50 cm con un escudo fijo. Luego se detiene el corte del suelo y se traslada el escudo al espacio desarrollado, tras lo cual se repite el proceso. Habiendo movido de esta manera 1 metro (es decir, el ancho del anillo de revestimiento prefabricado), puede continuar con la instalación del siguiente anillo de revestimiento.

En suelos menos estables (f = 0.8-1.0), el corte del suelo con escudo fijo ocurre a una profundidad de 25 cm, luego de lo cual el corte continúa con el movimiento simultáneo del escudo hacia el frente. En este momento, la varilla del gato de alimentación se asienta elásticamente. En este modo, la cara avanza otros 10 cm y el cuerpo del escudo vuelve a su posición original con respecto al cuerpo ejecutivo. Para desarrollar un fondo de pozo a una profundidad suficiente para montar el próximo anillo de revestimiento, el ciclo descrito se repite tres veces.

Cuando se excava un túnel en suelos débilmente estables (f = 0.7-0.8), la característica principal en el trabajo del escudo es que el cuerpo ejecutivo desarrolla el suelo en la cara, cuyo diámetro es menor que el diámetro del escudo. Además, el actuador no debe extenderse más allá del anillo de cuchillas. Así, el corte del suelo se realiza con el avance de la placa frontal hacia abajo hasta una profundidad de 20 cm, pero sin entrar por debajo de la protección del anillo de cuchillas. Se detiene el hundimiento y comienza el desplazamiento del escudo, durante el cual se realiza el corte de la capa anular de suelo inacabado por el órgano ejecutivo. Después de completar el número requerido de los ciclos descritos, comienzan a construir el revestimiento.

Uno de los elementos más importantes en la construcción de túneles y subterráneos, para el procesamiento inicial de la roca en la que se llevará a cabo la construcción de un objeto, es un escudo de túnel. Este equipo, por regla general, funciona como parte de un complejo de equipos de túneles, pero es la más importante de todas sus partes de trabajo.

Dispositivo de escudo de túnel

Por regla general, en términos diametrales, las dimensiones del escudo de túneles pueden variar de uno a diecinueve metros, que es un tamaño bastante grande. En consecuencia, cuanto mayor sea el tamaño del edificio, mayor será el diámetro del escudo de tunelización que se seleccione para su uso. Además, esta herramienta se usa a menudo para todo tipo de, en los casos en que el trabajo se lleva a cabo bajo tierra.

Los principales elementos de trabajo del escudo de túneles son partes tales como un anillo de acción tipo cuchillo, un anillo tipo soporte, gatos, que pueden ser escudo, plataforma y fondo de pozo. Además, los elementos de los cuerpos de trabajo del escudo incluyen tuberías, un sistema de control y particiones, que pueden ser verticales y horizontales.

Tipos de escudos para túneles

Los escudos de túnel se subdividen en escudos de acción mecánica y de acción no mecánica. Un escudo no mecanizado prácticamente no cumple ninguna función, excepto que sirve como un llamado agente protector contra la destrucción, mientras que los trabajadores hacen todo el trabajo físico por sí mismos, mediante el uso de martillos neumáticos.

Los escudos de túneles equipados con un cajón también se pueden atribuir a este tipo. Se utilizan en áreas saturadas de agua. Se monta un amortiguador especial en este escudo, donde se acumula aire a alta presión, a través del cual se bombea agua fuera del suelo.

El principio de funcionamiento del escudo de tunelización.

El trabajo del escudo se lleva a cabo mediante piezas giratorias del rotor, que están equipadas con un tipo especial de cortadores. Es debido a la rotación de estos mecanismos que se produce la destrucción de la roca. Además, el suelo ya procesado ingresa al dispositivo transportador para su posterior transporte. en escudos con un principio de funcionamiento mecanizado, también hay subdivisiones.

Los escudos de túneles mecanizados también están equipados con elementos como un cajón. Otro tipo de escudos mecanizados son los escudos que están equipados con un elemento de trabajo como una carga de suelo, donde se emite el suelo, y solo luego, en una forma más triturada, se saca a través de la operación de un transportador de tornillo.

También hay otro tipo de escudos mecánicos para túneles, que está equipado con un elemento de trabajo como una carga hidráulica. En este dispositivo, el suelo se mezcla con una sustancia como el mortero de bentonita, que lleva el suelo a través de la tubería a la superficie, mientras que el suelo mismo se separa de la solución, que permanece en la carga hidráulica. Sin embargo, el uso de estos modelos no es muy frecuente, ya que este tipo de técnica se considera la más costosa.

El rendimiento de los escudos de túneles es bastante alto, y esta es la razón de su uso generalizado. Hoy en día, este tipo de equipo es producido por fabricantes rusos y extranjeros, y la elección de un modelo en particular depende solo de la naturaleza y la complejidad del trabajo a realizar.

La construcción de la primera etapa del Metro de Moscú se caracterizó por la generalización del método minero clásico de tunelización con el desarrollo de la sección del túnel por partes. Este método se caracteriza por un alto grado de uso de mano de obra en todos los procesos de producción, la estrechez del espacio de trabajo, lo que hace imposible mecanizar el trabajo.

La instalación de un revestimiento de hormigón monolítico, construido en partes, es extremadamente laboriosa, requiere una gran cantidad de encofrado de madera y andamios de amarre para una fijación temporal compleja. La estructura de hormigón del revestimiento del túnel determinó un conjunto complejo de trabajos de impermeabilización: la instalación de impermeabilización encolada y la construcción de una cubierta de hormigón armado de soporte. La necesidad tecnológica de ejecución sucesiva de operaciones para la construcción del túnel dificultaba la combinación en el tiempo de procesos intensivos en mano de obra, limitando la velocidad de penetración y la posibilidad de mecanización.

Los costos de mano de obra de los procesos principales para la construcción del túnel de destilación de la primera etapa de construcción fueron de 646 horas-hombre por 1 metro lineal, y la tasa de penetración reducida fue de 0,2 metros lineales. m por día. Durante el período de mayor despliegue de trabajo, el total de personal ocupado fue de unas 75 mil personas.

La primera etapa del metro de Moscú se ha convertido en una especie de laboratorio. Casi todos los métodos de construcción de túneles conocidos en ese momento se probaron en los sitios experimentales, incluido el método de escudo para construir túneles. De esta manera, se construyó una sección del túnel de destilación desde la Plaza del Teatro (ahora Plaza Sverdlov) hasta la estación Dzerzhinskaya. Había dos escudos en funcionamiento. Uno fue suministrado desde Inglaterra, el otro fue fabricado por la industria nacional.

La construcción de túneles con la ayuda de un escudo de túnel mostró la plena viabilidad técnica y económica de este método de trabajo. El desarrollo de una cara de sección completa, la exclusión del trabajo manual pesado en el dispositivo de fijación temporal de madera, el uso de bloques de hormigón para el dispositivo de revestimiento y, más tarde, tubería de hierro fundido en lugar de hormigón monolítico, es decir, en esencia, el reemplazo de la estructura de revestimiento por su instalación, lo que redujo drásticamente la intensidad de trabajo del trabajo y permitió mecanizarlos completamente con la ayuda de apiladores especiales de bloques y tuberías, una reducción significativa en la intensidad de trabajo del trabajo de impermeabilización: estos son las ventajas más importantes del método de penetración del escudo.

Los resultados del trabajo experimental con túneles de protección en la construcción de la primera etapa del Metro de Moscú permitieron tomar una decisión: a partir de la segunda etapa de construcción, los trabajos de túneles deben llevarse a cabo en los túneles de funcionamiento y estación del metro. , principalmente por el método del escudo. Para la implementación práctica de esta solución, se requirieron 42 escudos de túneles, y los constructores solo tenían dos a su disposición. 40 escudos (28 destiladores con un diámetro de 6 m y 12 estaciones con un diámetro de 9,5 m): un pedido tan grande tuvo que completarse en menos de dos años.

La industria nacional, creada durante los años de los primeros planes quinquenales, pudo afrontar con éxito esta tarea. El partido y el gobierno prestaron gran atención a Metrostroy. Sergo Ordzhonikidze, Comisario del Pueblo de Industria Pesada, supervisó personalmente el cumplimiento de la orden. Se fabricaron escudos de estación en Leningrado y Novokramatorsk, escudos de destilación, en Gorlovka y Kolomna. La producción de tubos de estación se confió a la planta de ingeniería pesada de Ural, los tubos de destilación, a la planta de construcción de maquinaria de Dnepropetrovsk.

Mientras las fábricas fabricaban escudos, los constructores del metro realizaron trabajos preparatorios, capacitaron equipos calificados de ensambladores. Ingenieros, técnicos y trabajadores de túneles se familiarizaron con el diseño de escudos de túneles y la tecnología de túneles de escudos. Se crearon dos equipos de 20 personas cada uno, teniendo en cuenta el trabajo de cuatro turnos las 24 horas. E. P. Soldatov, un maestro instalador experimentado, fue nombrado jefe del trabajo de instalación. Su alta calificación, excelentes habilidades organizativas contribuyeron al éxito del trabajo de los equipos de montaje. La velocidad de instalación de escudos se incrementó de un mes a dos semanas.

Los cambios radicales que el método de protección de túneles introdujo en la tecnología de construcción de túneles hicieron posible aumentar drásticamente la productividad de los constructores de túneles. Los costos de mano de obra de los procesos principales para la construcción de 1 metro lineal del túnel de destilación se redujeron de 646 horas-hombre en la primera etapa a 249 horas-hombre en la segunda etapa, es decir. más de 2,5 veces. Con el desarrollo del método escudo en la segunda etapa de construcción, la velocidad de conducción de túneles aumentó de 2 metros lineales por mes al comienzo del trabajo a 45-50 metros lineales. m al final del trabajo. Habiendo cambiado radicalmente los procesos básicos de excavación de túneles, el método del escudo requería la mecanización de otros procesos.

Con la nueva proporción de la intensidad de mano de obra de los procesos principales, aumentó la participación de operaciones tales como el desarrollo de la cara, la carga de la roca, su transporte, que permaneció manual. Estas operaciones se han convertido en un cuello de botella en la cadena tecnológica general, limitando el desarrollo y el ritmo de construcción. La tarea principal de mejorar aún más la producción del trabajo en la construcción de la tercera y especialmente la cuarta etapa del Metro de Moscú fue la mecanización del desarrollo de la roca, su carga y transporte.

La introducción masiva de máquinas de carga de rocas, transporte de locomotoras eléctricas, empernadores mecánicos de tubos, mecanización del complejo de la mina a cielo abierto: volcadores de vagones, expulsores de vagones cargados desde la jaula de la mina y otros equipos aseguraron una mayor reducción en la intensidad de mano de obra de la construcción de túneles y una aumento de la productividad laboral en la cuarta etapa de construcción en 4 veces en comparación con la primera línea. Durante la construcción de un túnel de destilación entre las estaciones Arbatskaya y Smolenskaya a principios de los años 50. en condiciones hidrogeológicas severas, bajo aire comprimido con la ayuda de un escudo de túnel, se construyeron más de 6 metros lineales de túnel por día, es decir, realizó el 167% de la norma.

En los años 60. al conducir un túnel de destilación en el radio Zhdanovsky del metro de Moscú, y luego en el radio Zamoskvoretsky en las arenas de la humedad natural, los constructores del metro de Moscú, desarrollando la cara con un escudo de túneles, confiaron a la arena con la fijación temporal de la cara, convirtiéndolo de enemigo en ayudante, según el comentario figurativo del jefe del SMU. El ángulo de reposo de la arena aseguró la estabilidad temporal del frente de frente, y la cabeza hidráulica de los gatos de escudo ayudó a desarrollar el frente. Cuando aparecían pequeñas capas de arcilla que dificultaban la penetración, los proyectistas, junto con los constructores, crearon desgarradores de hojas especiales, que se instalaron en los sitios del escudo y se pusieron en funcionamiento, contribuyendo al desarrollo de la roca.

Así se creó el escudo mecanizado ShchM-17, que se utilizó en la construcción del radio Krasnopresnensky del Metro de Moscú para conducir un tramo de un túnel de destilación de 1800 m de largo en arenas naturales con una velocidad promedio de 117 metros lineales por mes . Otro escudo de este tipo se utiliza en la construcción del metro de Gorki.

En las líneas de la segunda y tercera etapa de construcción del Metro de Moscú, el método de tunelización en escudo mediante revestimiento prefabricado de hierro fundido se mantuvo como único para todos los paramentos, independientemente de las condiciones hidrogeológicas. Posteriormente, en las líneas de la cuarta etapa, el hincado de escudos se utilizó únicamente en paramentos con condiciones hidrogeológicas difíciles y con rocas poco estables. Al mismo tiempo, prosiguió la mecanización y racionalización de los procesos individuales de excavación de túneles. La creación e implementación de empernadores mecánicos permitió eliminar por completo la mano de obra pesada para la instalación del revestimiento en todos los frentes de los túneles de destilación, estación y escaleras mecánicas y aumentar la productividad laboral en este proceso en casi 3 veces con respecto a la tercera etapa de construcción. Se eliminó el trabajo pesado e improductivo para la limpieza manual de la bandeja del túnel antes de hormigonarla gracias a la introducción de una bandeja plana. Todo esto permitió superar la velocidad de perforación de los túneles de destilación y estación que establece el proyecto de la cuarta etapa.

Como muestra la práctica de la construcción, la mejora más efectiva de los métodos de extracción de rocas en el frente y la mecanización compleja de los procesos de construcción de túneles solo se puede lograr mediante la creación e implementación de escudos mecanizados especiales: cosechadoras de túneles, que permiten eliminar por completo el trabajo manual en procesos de construcción de túneles que requieren mucha mano de obra y aumentan significativamente la velocidad de construcción de túneles.

Durante muchos años, los diseñadores y constructores de metro han trabajado mucho para desarrollar diseños, crear y poner en práctica la construcción de escudos de túneles mecanizados. Los especialistas en Glavtonnelmetrostroy han creado escudos mecanizados para diversas condiciones de trabajo en rocas de diversas resistencias. La primera versión de este diseño fue un escudo utilizado en Leningrado. Los resultados de las pruebas fueron tan exitosos que se fabricó un lote de seis escudos, que se han utilizado en la conducción de túneles de destilación desde 1949. Con estos escudos se han construido unos 70 km de túneles de destilación. El escudo mecanizado de Leningrado tiene un accionamiento planetario con una potencia de 80 kW, un cuerpo de trabajo de corte de cuatro discos de corte, cada uno de los cuales está equipado con 12 cortadores de núcleo reforzados con aleación dura; la alimentación al fondo es hidráulica.

La creación de escudos mecanizados para las diversas y complejas condiciones hidrogeológicas de la construcción de túneles en Moscú es una tarea más difícil. El primer escudo mecanizado para la construcción del Metro de Moscú se creó en 1953. Estaba destinado a la destrucción mecánica de rocas con una resistencia de hasta 175-200 kgf / cm 2 y se fabricó según el tipo de escudo mecanizado de Leningrado. , con cuerpo de corte planetario - dos discos de trabajo de 24 cortadores por cada uno. El escudo ha pasado pruebas de fábrica y producción. Con su ayuda, se construyeron 623 m de un túnel de destilación en el radio de Riga.

A finales de los años 50. Se decidió construir los túneles del Metro de Moscú, en su mayoría poco profundos. La mayoría de los túneles de destilación tenían que pasar en arcillas morrenas, margas, margas arenosas, arenas de humedad natural. El escudo mecanizado creado para estas condiciones tenía una placa frontal plana equipada con cuchillos. Las inclusiones pétreas de más de 250 mm se extrajeron manualmente, para lo cual se proporcionaron orificios especiales en la placa frontal. Este escudo se utilizó para construir dos secciones de un túnel de destilación de 900 m de largo cerca de la estación Profsoyuznaya. El hundimiento se realizó a una velocidad media de 118 metros lineales. my una velocidad máxima de 187 metros lineales. m por mes. Se pasó una sección del túnel de 450 m de largo cerca de la estación "Pervomaiskaya" a una velocidad promedio de 80 metros lineales. my una velocidad máxima de 132 metros lineales. m por mes.

Más exitoso en diseño y rendimiento fue el escudo mecanizado ShM-8, creado en 1961 con un diámetro de 3,6 m, con accionamiento hidráulico y un cuerpo de trabajo en forma de placa frontal cónica equipada con cuchillas laminares y cortadores de núcleo, para accionamiento hidráulico y túneles colectores en rocas con una resistencia de 20 a 250 kgf/cm 2 (arcillas blandas viscosas, arcillas carbonosas, margas, limos, loess, calizas débiles).

Basado en la experiencia del uso de escudos mecanizados M-105, 105T, ShchM-4, ShchN-1 para una amplia gama de rocas estables con una resistencia de 20 a 400 kgf / cm 2, se creó un escudo mecanizado ShchMR-1. Al desarrollar el diseño, los parámetros principales del escudo se mejoraron significativamente. El accionamiento se realiza con corriente continua, lo que le permite regular el funcionamiento del escudo en un amplio rango, cambiando la velocidad del cuerpo de trabajo según la fuerza de las rocas. La potencia de accionamiento se ha incrementado significativamente, es de 320 kW (2X160). La transmisión de dos motores le permite ajustar la potencia apagando uno de los motores cuando conduce en rocas blandas débiles. Gracias a los cortadores de varilla endurecidos, se mejora el corte de rocas duras.

Cuando se probó el escudo en Kiev, se construyeron más de 3000 m de un túnel de destilación en el sitio en arcillas espondílicas, incluidos 2190 m con un revestimiento comprimido en roca. Al mismo tiempo, se logró una velocidad de 262 m por mes, 14 m por día y 6,03 m por turno. El segundo escudo ShchMR-1 se utilizó en Moscú para conducir una sección de un túnel de destilación en rocas de resistencia media (arcillas carboníferas y calizas). Se cubrieron 1370 m, la velocidad máxima fue de 147 metros lineales por mes.

Los escudos mecanizados de Leningrado, que han funcionado durante más de 25 años, están siendo reemplazados actualmente por nuevos escudos mecanizados KT-1-5.6, diseñados y fabricados en la Planta de Construcción de Maquinaria Yasinovatsky. Los escudos KT-1-5.6 están equipados con un cuerpo de trabajo tipo ranura. Consiste en cuatro barras de rayos con cortadores de varillas que desarrollan ranuras concéntricas anulares y un dispositivo que rompe los salientes de roca anulares restantes. La potencia de accionamiento de los escudos es de 200 kW, es decir, 2,5 veces más que los escudos del modelo anterior, y la fuerza máxima de avance es de 50 tf, es decir, 6 veces más que el anterior. La tasa de penetración promedio al usar estos escudos es de 330 a 350 metros lineales. m por mes. Tasa de penetración récord de 1250 metros lineales. m por mes supera el récord mundial de túneles de este diámetro.

Con la introducción de los escudos mecanizados ShchM-17, KT-1-5.6 y ShchMR-1, se puede llevar a cabo la mecanización compleja de la excavación de túneles subterráneos, que se producen en rocas que van desde arenas de humedad natural hasta calizas y areniscas débiles.

Para la mecanización compleja de las operaciones de excavación de túneles durante la construcción de túneles subterráneos, se creó un escudo especial mediante el método abierto. Es un complejo de equipos de excavación de túneles, que incluye un escudo rectangular, una fijación móvil de metal de la excavación para un túnel de doble vía. En la parte frontal aislada del complejo, la roca se excava con una excavadora y se carga en vehículos; detrás, se instala un revestimiento de una pieza con una grúa pórtico KKTS-20 de 20 toneladas. El complejo permite - proporcionar un ciclo completo de excavación de túneles con una reducción significativa en las operaciones de desmonte.

Las pruebas dobles del complejo en condiciones de construcción normales y difíciles demostraron su alto rendimiento. La tasa de penetración alcanzada fue de 6 metros lineales. m de túnel de doble vía al día. La excavación de túneles con el uso de un escudo abierto se inició a fines de 1979 en Kiev.

Se continúa trabajando en la mejora de los diseños de los escudos mecanizados y en la creación de nuevos escudos. Está en marcha el desarrollo de un escudo con cuerpos de trabajo reemplazables, un cuerpo de trabajo de excavadora, así como el trabajo en otras áreas.

Una gran parte de la participación en la búsqueda de los diseños más avanzados de escudos mecanizados, que se lleva a cabo durante más de un cuarto de siglo, pertenece a la Planta Mecánica de Moscú (anteriormente Planta No. 5 de Metrostroy), que fabricó ocho modelos de dichos escudos en la cantidad de 24 copias, con todo el equipo del complejo de túneles. Con la ayuda de complejos de escudos, incluidos los escudos mecanizados de Leningrado, se han construido más de 120 km de túneles subterráneos en muchas ciudades de nuestro país.

La humanidad ha estado dominando con éxito el espacio subterráneo durante más de un siglo. Estamos hablando no solo de los subterráneos, que están presentes en todas las grandes ciudades del mundo, sino también de los trabajos mineros creados para la extracción de minerales. En ambos casos, se utilizan equipos especiales: escudos de túneles, que garantizan la seguridad de los equipos y el personal de mantenimiento durante los movimientos de tierra.

Por primera vez, se utilizó un escudo de túneles en 1825 durante la construcción de un túnel bajo el río Támesis. Desde entonces, este tipo de equipos se ha utilizado repetidamente en la construcción de subterráneos en ciudades tan grandes como Moscú, San Petersburgo, Ekaterimburgo y otras áreas metropolitanas.

Escudo de tunelización

El escudo de tunelización es un conjunto móvil en forma de cilindro hueco. Se construye en el sitio de trabajo de una mina o durante la construcción de un metro para proteger del colapso las minas colocadas en una dirección horizontal. A veces también se le llama revestimiento temporal o móvil, una estructura especial que se construye para proteger las paredes del túnel del colapso.

Estructuralmente, los escudos de túneles son un conjunto complejo de equipos, que incluye tres partes principales:

Cuchillo. Es el proceso de perforación, desarrollo de la roca.
Apoyo. Sirve tanto para la colocación como para los gatos hidráulicos, obligando al escudo a avanzar.
Cola. Proporcionar protección al personal durante la construcción de un revestimiento permanente.

El escudo de túneles puede incluir una variedad de equipos que son necesarios para simplificar el trabajo de desarrollar una cara, transportar masas de tierra, fortalecer y proteger las paredes contra el colapso.

Diseño de escudo de túnel

Los elementos principales del escudo son el caparazón y el anillo del cuchillo, en los que se encuentran los elementos de corte del escudo de túneles. En algunos modelos, los "cortadores" están hechos en forma de insertos de aleación dura ubicados en un cierto ángulo entre sí en la superficie de trabajo del rotor, así como un anillo de soporte.

Adelante, en el espacio frente a los cuchillos, el escudo avanza con la ayuda del cual descansan en el último anillo del revestimiento. Después de eso, en el proceso intervienen cilindros hidráulicos de fondo de pozo, que presionan los paneles de madera prefabricados contra la roca para que no se derrumbe.

El espacio libre entre el soporte y los anillos de cuchillas se divide en celdas mediante particiones verticales y en gradas mediante mamparos horizontales. Dentro de estos "compartimentos" se encuentra el equipo necesario. Los mamparos horizontales se pueden extender con gatos hidráulicos.

Clasificación de los escudos para túneles según la forma de la sección transversal

Por regla general, los escudos para túneles se montan directamente en el lugar de trabajo. Un soporte y un anillo de cuchillo se construyen a partir de segmentos de acero, y una carcasa se forma a partir de láminas de acero dobladas a lo largo de una superficie cilíndrica.

El equipo para perforación horizontal difiere en forma de sección transversal, dimensiones, método de desarrollo y área de aplicación. La forma de sección transversal más común es un círculo. Menos comunes son los automóviles de formas rectangulares, arqueadas y de otro tipo.

Tipos de escudos según la longitud del diámetro

Según los diámetros de los escudos de túneles, se distinguen los siguientes tipos de estructuras:

Pequeño (hasta 3200 mm): utilizado en servicios urbanos para colocar túneles colectores.
Medio (hasta 5200 mm): se utiliza para colocar comunicaciones hidráulicas y minería.
Grande (más de 5200 mm): se practica al crear túneles ferroviarios, líneas de metro, grandes trabajos mineros.

El área de la sección transversal de la superficie de trabajo varía de 10 a 16 o más metros cuadrados, según el diámetro de la superficie de trabajo.

Tipos de equipos según el método de desarrollo de fondo de pozo

Al desarrollar minerales o crear comunicaciones subterráneas, la perforación horizontal se lleva a cabo con varios tipos de escudos de túneles.

Se diferencian entre sí por el grado de mecanización de los órganos ejecutivos:

Totalmente mecanizado. Para destruir la roca en tales estructuras, se utilizan equipos especiales: excavadoras, planetarios, cuerpos de trabajo de varillas, así como instalaciones de acción hidromecánica.
Parcialmente mecanizado. La ausencia de un dispositivo especial para el desarrollo de capas de suelo es su característica exclusiva. Para la destrucción de rocas, aquí se utiliza la voladura o la parte delantera puntiaguda del escudo se presiona contra el suelo.
Escudos especiales para túneles. En tales estructuras, la parte de la cabeza está cerrada. Se utilizan para crear túneles en condiciones geológicas particularmente difíciles.

Al mismo tiempo, las estructuras se dividen en tipos diseñados para trabajar en diversas condiciones: suelos húmedos, para el desarrollo de caras en rocas sueltas e inestables y para hundirse en terrenos con una resistencia de 0,5 a 5 y superior.

Propósito del equipo

Los escudos de túneles se utilizan para crear minas en dirección horizontal. Este tipo de trabajo se denomina "perforación horizontal" y se utiliza en diversas ramas de la actividad humana. La mayoría de las veces se usa para crear y expandir los subterráneos existentes, el desarrollo de minerales.

Recientemente, se ha generalizado el tendido de varias líneas de comunicación bajo carreteras, autopistas y otros medios de comunicación, denominado perforación direccional horizontal o HDD.

Perforación direccional horizontal

El uso generalizado de esta tecnología se debe a su alta eficiencia económica. En particular:

no hay necesidad de reparar los caminos después de la finalización de las actividades;
no hay necesidad de bloquear el flujo de tráfico y crear carreteras de circunvalación;
es posible colocar nuevas líneas sin violar la integridad de las existentes.

Al aplicar el método, el operador del escudo de tunelización crea un orificio piloto, que luego se expande con un rebordeador, un expansor de acción inversa. Se tira de una cadena de tubería a través del túnel terminado.

Como este último, a menudo se usa una funda de polímero, que luego se llena con hormigón. Después de que la mezcla de cemento se haya endurecido (alrededor de 21 días), la nueva línea de comunicación está lista.

Escudos de túneles hoy

Un ejemplo vivo del uso de un escudo de túnel puede ser la construcción de una sección del túnel de 3.760 metros a lo largo del radio Frunzensky entre las estaciones Prospect Slavy y Yuzhnaya en el metro de San Petersburgo.

En el proyecto participa una empresa de Alemania, Herrenknecht AG, que se compromete a fabricar un escudo para túneles. Metrostroy es una empresa participante del lado ruso, cuyos empleados desarrollaron un proyecto para crear el primer túnel de doble vía en el espacio postsoviético.

Anteriormente, la empresa nacional ya cooperó con el fabricante alemán. El escudo Aurora provisto por él se usa activamente para la construcción de pasajes inclinados en la estación Spasskaya.

Los principales medios de mecanización de las operaciones mineras y protección del frente contra el colapso de la roca durante todo el ciclo de excavación del túnel, desde el desarrollo de la roca hasta la construcción del revestimiento, son los escudos. Un escudo de túnel es un revestimiento de acero móvil en forma de cilindro de acero hueco que se encuentra horizontalmente cerca del fondo. La forma del escudo repite la forma del revestimiento en construcción.

Las partes principales del escudo (Fig. 45) son la cuchilla 2 y los anillos de soporte 1 (en algunos diseños se instala un solo anillo de soporte de la cuchilla) y la carcasa 9, dentro de la cual se monta el revestimiento prefabricado. Después del desarrollo de la roca frente al anillo de cuchillas, el escudo, con la ayuda de cilindros hidráulicos de escudo 10, basado en el último anillo del revestimiento del túnel, se mueve hacia adelante en el espacio liberado de la roca. Después de eso, se retiran las varillas de los cilindros hidráulicos y se monta el siguiente anillo de revestimiento en la carcasa protectora. La roca frontal se fija con tablas hechas de tablas, que son presionadas por cilindros hidráulicos de fondo de pozo 7.

Dentro de los anillos de soporte y cuchillo, el espacio interior del escudo está dividido: por tabiques horizontales 5 en gradas y por tabiques verticales 3 en celdas. Las particiones horizontales tienen plataformas retráctiles 4, cuyo movimiento es proporcionado por cilindros hidráulicos de plataforma especiales. (En la literatura técnica de años anteriores, las publicaciones de cilindros hidráulicos de escudo, fondo de pozo y plataforma se denominan gatos hidráulicos o gatos hidráulicos).

Los anillos de soporte y cuchillo del escudo se ensamblan a partir de elementos de segmento de acero, conectándolos con pernos como tubos al ensamblar el anillo de revestimiento. La carcasa del escudo se ensambla a partir de láminas de acero dobladas a lo largo de una superficie cilíndrica. Las láminas se conectan entre sí, así como al anillo de soporte mediante tornillos de cabeza avellanada.

Los escudos para túneles se dividen según las siguientes características principales:

según el área de la sección transversal del trabajo transitable: para escudos de diámetro pequeño (hasta 3200 mm), diámetro medio (hasta 5200 mm) y diámetro grande (más de 5200 mm);

según el grado de mecanización de los principales procesos de producción - en escudos parcialmente mecanizados y mecanizados. En los escudos del primer tipo, el desarrollo del paramento se realiza manualmente o por voladura, y se mecaniza la carga y transporte de roca, el montaje del revestimiento y el movimiento del escudo; en los escudos del segundo tipo, todos los principales procesos están mecanizados;

Según el campo de aplicación, los escudos se dividen en diseñados para la conducción en suelos regados, para la conducción en suelos sueltos e inestables de humedad natural, para la conducción en suelos con un factor de dureza de 0,5 a 5, y para la conducción en suelos con un factor de dureza de más de 5.

Arroz. 45. Escudo de túnel parcialmente mecanizado:
1 - anillo de soporte; 2 - anillo de cuchillo; 3 - partición vertical; 4 - plataforma retráctil; 5 - partición horizontal; 6 - sistema hidráulico; 7 - cilindro hidráulico de fondo de pozo; 8 - superposición; 9 - caparazón de escudo; 10 - escudo del cilindro hidráulico; 11 - pie de apoyo

Arroz. 46. Complejo de túneles mecanizados

Los escudos de túneles están equipados con mecanismos para cargar el suelo desarrollado en un transportador (transportador) o directamente en carros. En escudos parcialmente mecanizados, la carga de suelo en carros se realiza mediante una máquina de carga, en escudos de pequeño diámetro, de forma manual. En los escudos mecanizados, los cuerpos de carga tienen diseños diferentes.

Los complejos de escudos modernos garantizan la implementación de procesos para el desarrollo y la fijación de la frente de la cara, la carga y eliminación de tierra fuera del complejo, la construcción de revestimientos de túneles, la inyección de mortero en el espacio de relleno, etc.

Los complejos en los que se ha logrado la mecanización completa de las operaciones de excavación de túneles se denominan complejos mecanizados (Fig. 46) En tales complejos, el escudo 2 tiene un cuerpo de trabajo / para desarrollar y cargar roca, un transportador 3 para sacar roca fuera del escudo. Siguiendo el escudo junto con él, se instalan un apilador de revestimiento 4, un transportador de túnel 5 y otros equipos tecnológicos. Al conducir en rocas inestables, el cuerpo de trabajo (ejecutivo) del escudo, junto con el desarrollo de la roca, asegura el mantenimiento de la frente de la cara contra el colapso.

Según el principio de actuación, se distinguen tres grupos de órganos de trabajo:

acción continua, si el desarrollo del suelo ocurre simultáneamente en toda el área de la cara (por ejemplo, un cuerpo de trabajo de tipo rotativo);

acción cíclica, si el desarrollo del suelo ocurre en períodos separados de tiempo en ciertas secciones de la cara (por ejemplo, un cuerpo de trabajo tipo excavadora);

acciones combinadas cuando se combina al menos uno de los dos tipos de cuerpos de trabajo (por ejemplo, tipo excavadora con plataformas de disección horizontales).

Los cuerpos de trabajo giratorios pueden ser con placa frontal plana o atornillada (Fig. 47, a) con ranuras para la salida del suelo o tipo viga (Fig. 47.6). Estos órganos, dependiendo de la resistencia de las rocas, están equipados con cortadores de láminas o varillas, cortadores y otras herramientas. Al girar, la herramienta de corte corta el suelo y lo destruye.

El escudo puede equiparse con cuerpos de trabajo intercambiables según la resistencia de las rocas: un cuerpo de trabajo de excavadora (Fig. 47, c) para trabajar en franco arenoso, franco, arcilloso; cuerpo ejecutivo de la pluma con una corona de corte (Fig. 47, d) para trabajar en arcillas duras, calizas, areniscas.

Las particiones de disección horizontales (plataformas) del cuerpo de trabajo le permiten trabajar en arenas, suelos a granel. En los tabiques horizontales, cuando se introducen en el paramento, se forman soleras de tierra en ángulo de reposo, asegurando la estabilidad del paramento (es decir, actuando como revestimiento temporal).

Con la ayuda de complejos mecanizados, además de los revestimientos prefabricados convencionales, también construyen revestimientos prefabricados y prensados monolíticos que se presionan en la roca. Los revestimientos prensados monolíticos se forman cuando la mezcla de concreto se compacta por los esfuerzos de los cilindros hidráulicos del escudo cuando el escudo se inserta en la cara. Después de montar la siguiente sección del encofrado en la sección de cola del escudo y forzar la mezcla de hormigón detrás de él, el escudo se mueve hacia adelante, mientras que bajo la presión de los cilindros hidráulicos, la mezcla en el encofrado se compacta y el revestimiento de hormigón terminado permanece directamente detrás del escudo. Una característica de los revestimientos prefabricados de hormigón armado de forma circular, prensados en el macizo rocoso circundante, es que inmediatamente después de su instalación, los anillos de revestimiento se presionan contra el contorno del trabajo y el revestimiento entra en funcionamiento de inmediato, evitando el desarrollo de roca Presión y hundimiento de la superficie terrestre.

Arroz. 47. Esquemas de cuerpos de trabajo de escudos de túneles mecanizados:
un rotor con una placa frontal de tornillo; b - tipo de viga giratoria; c - tipo de excavadora; g - tipo de fresado

Arroz. 48. Tuneladora 4PP-2

Los escudos en proceso de hundimiento adquieren un rollo (giro alrededor de un eje). Para evitar que los escudos rueden, se utilizan alerones (placas de metal), que se instalan en ranuras especiales en los segmentos del anillo de soporte (soporte de la cuchilla) y se extienden mediante cilindros hidráulicos fuera del cuerpo del escudo. Para poder guiar el escudo en tramos curvos del recorrido del túnel, es necesario realizar un ensanchamiento unilateral del tramo de trabajo. Para este propósito, se instala un cortador de copiadora retráctil (cortador de copiadora) en el cuerpo de trabajo del escudo. La copiadora-cortadora es controlada por un mecanismo hidráulico por el operador del escudo desde su puesto de trabajo.

Los dispositivos láser se utilizan para determinar y controlar la posición del escudo en planta y perfil. El dispositivo está unido al revestimiento de modo que el rayo láser se dirija paralelo al eje del túnel y esté a 1-1,2 m por debajo del techo dos hilos horizontales (use hilo de pescar de nailon). A medida que el escudo se aleja del dispositivo láser, se fijan nuevas plomadas e hilos cada 100-150 m.

Para sellar la brecha de construcción y dar a los anillos la forma geométrica correcta, se instala un dispositivo toroidal neumático en los escudos.

La tuneladora (Fig. 48) es una máquina autopropulsada montada sobre orugas 3. Los cuerpos de trabajo de las cosechadoras son brazos telescópicos 2 con coronas cónicas de corte 1. La carga de la roca desarrollada con la ayuda de patas gemelas 4 de la El tipo de rastrillado se combina con el trabajo del cuerpo de trabajo. La cosechadora es una máquina móvil, si es necesario, se puede sacar de la cara sin desmontar por sí sola (lo que es imposible para los escudos de túneles). A diferencia de los escudos de excavación de túneles, las cosechadoras se pueden usar en trabajos mineros de varias formas y tamaños de sección transversal. Sin embargo, la ausencia de soporte móvil en las rozadoras hace posible su uso únicamente en frentes estables.