Проходческий щит метрострой. Проходческие щиты: описание, назначение. Горизонтальное бурение. Механизированные щиты для глинистых грунтов

10.07.2023

Проходческий щит, оснащённый специальным породоразрабатывающим агрегатом, называется механизированным (рис. 6.1.).

Рис. 6.1. Принципиальная схема механизированного проходческого щита:

1-корпус щита; 2-исполнительный орган механизированного щита; 3-привод исполнительного органа;

4-щитовой гидродомкрат; 5-щитовой транспортёр; 6-домкрат подачи исполнительного органа на забой

Основными элементами механизированного проходческого щита являются: корпус 1, исполнительный (иногда называемый рабочим) орган 2, предназначенный для механизированной разработки грунта в забое и удаления его из зоны щита. Работа исполнительного органа обеспечивается за счёт привода 3.

В процессе проходки тоннеля механизированный проходческий щит должен выполнять следующие основные функции:

1. Разработка грунта в забое и удаление его за пределы щита для последующей погрузки в транспортные средства.

2. Крепление контура выработки и обеспечение устойчивости лба забоя.

3. Обеспечение безопасного возведения обделки тоннеля.

Как следует из выше сказанного, механизированная разработка грунта в забое является основной функцией механизированного проходческого щита. При создании механизированных щитов можно пойти по двум различным направлениям. Первое – попытка создания механизированного проходческого щита способного работать практически во всех инженерно-геологических условиях, и второе – создание щита, предназначенного для проходки тоннеля в весьма ограниченном диапазоне инженерно-геологических условий.

В первом случае достижение цели практически невыполнимо и даже теоретические рассуждения приводят к убеждению, что если создание такого щита возможно, то его конструкция будет очень сложной и дорогостоящей. Во втором варианте будет сильно ограничена возможность применения проходческого щита, так как встретить трассу тоннеля с неизменяющимися условиями практически невозможно.

В связи с этим, создание механизированных проходческих щитов пошло по пути разработки конструкций пригодных для какой-либо группы грунтов, обладающих близкими физико-механическими характеристиками, благодаря чему можно разработать единую конструкцию исполнительного органа и систему крепления грунта в забое.

7. Механизированные щиты для глинистых грунтов

7.1. Механизированные проходческие щиты для сооружения тоннелей в мягких пластичных глинистых грунтах

К названной группе грунтов можно отнести пластичные супеси, суглинки и глины (спондиловые, юрские, майкопские) с коэффициентом крепости f = 0,7 – 1,0 и даже перемятые глинистые мергели с f = 1,0 – 1,5.

Такие грунты легко разрабатываются резанием, причём резцами пластинчатого типа, однако устойчивость лба забоя необходимо обеспечивать за счёт конструкции исполнительного органа. Поэтому для проходки тоннелей в мягких пластичных глинах разработаны щиты, исполнительный орган которых, оснащённый пластинчатыми резцами, практически постоянно находится прижатым к забою, обеспечивая его устойчивость.

Конструкция щита с роторным дисковым исполнительным органом представлена на рисунке 7.1.

Рис. 7.1. Конструкция механизированного щита с роторным дисковым исполнительным органом:

выходной вал привода; 2-исполнительный орган; 3-пластинчатые резцы; 4-копир-резец;

5-ролики для опоры исполнительного органа; 6-подшипник; 7-привод исполнительного органа;

8-подшипник скольжения вала; 9-гидродомкрат подачи исполнительного органа;

10-горизонтальная площадка; 11-ленточный транспортёр; 12-балки

Рассматриваемый щит получил название «Киевский», так как был разработан для проходки перегонных тоннелей Киевского метрополитена в пластичных спондиловых глинах. Исполнительный орган 2 выполнен в виде сплошной стальной планшайбы, сваренной из отдельных листов. Через прорези в планшайбе к забою выступают пластинчатые резцы 3, которыми при вращении исполнительного органа срезается стружка пластичной глины толщиной до 20 мм. Конструкция пластинчатого резца киевского щита показана на рисунке 7.2. Срезанный грунт через прорези в планшайбе попадает внутрь исполнительного органа и удаляется оттуда при помощи щитового транспортёра 11. Вращение исполнительного органа обеспечивается приводом 7, установленным на горизонтальной перегородке 10 опорного кольца. Для подачи исполнительного органа на забой служит гидравлический домкрат 9.

Рис. 7.2. Конструкция пластинчатого резца:

стальной лист диафрагмы; 2-корпус резца; 3-болтовое

крепление резца к корпусу; 4-пластинчатый резец

В зависимости от степени пластичности разрабатываемых грунтов существует несколько режимов работы щита с роторным дисковым исполнительным органом, оснащённым пластинчатыми резцами.

В достаточно устойчивых грунтах (f=1,0-1,5) в первую очередь производится резание грунта с выдвижением исполнительного органа домкратом подачи на глубину до 50 см при неподвижном щите. Затем резание грунта прекращается и производится передвижка щита в разработанное пространство, после чего процесс повторяется. Передвинувшись таким образом на 1 метр, (то есть на ширину кольца сборной обделки) можно приступать к монтажу очередного кольца обделки.

В менее устойчивых грунтах (f=0,8-1,0) резание грунта при неподвижном щите происходит на глубину до 25 см, после чего резание продолжается с одновременной подвижкой щита на забой. В это время шток домкрата подачи упруго осаживается. В таком режиме забой продвигается ещё на 10 см, а корпус щита приходит в исходное положение относительно исполнительного органа. Для разработки забоя на глубину достаточную для монтажа очередного кольца обделки описанный цикл повторяется трижды.

При проходке тоннеля в слабоустойчивых грунтах (f=0,7-0,8) основной особенностью в работе щита является то, что исполнительный орган разрабатывает грунт в забое, диаметр которого меньше диаметра щита. Кроме того исполнительный орган не должен выходить за пределы ножевого кольца. Таким образом, резание грунта осуществляется с подачей планшайбы в сторону забоя на глубину до 20 см, но без входа из-под защиты ножевого кольца. Проходка останавливается и начинается передвижка щита, во время которой осуществляется подрезание кольцевого слоя грунта недоработанного исполнительным органом. После выполнения необходимого числа описанных циклов приступают к возведению обделки.

Одним из самых важных элементов при строительстве туннелей и метрополитенов, для первоначальной обработки горной породы, в которых будет производиться строительство того или иного объекта, является проходческий щит. Данное оборудование, как правило, работает в составе комплекса проходческой техники, однако он является наиважнейшим из всех его рабочих частей.

Устройство проходческого щита

Как правило, в диаметральном выражении размеры проходческого щита могут варьироваться от одного до девятнадцати метров, что является достаточно большим размером. Соответственно, что чем больше размеры строительства, тем большего диаметра выбирается для использования проходческий щит. Так же нередко данное средство используется при всевозможных , в тех случаях, когда работы проводятся под землей.

Основными рабочими элементами проходческого щита являются такие части, как кольцо ножевого типа действия, кольцо опорного типа, домкраты, которые могут быть щитовыми, платформенными и забойными. Так же к элементам рабочих органов щита относятся трубы, система управления и перегородки, которые могут вертикальными и горизонтальными.

Разновидности проходческих щитов

Проходческие щиты имеют подразделения на щиты механического действия и немеханического действия. Немеханизированный щит практически не выгоняет никаких функций, кроме того, что служит так называемым защитным от разрушения средством, в то время, пока рабочие выполняют все физические работы самостоятельно, посредством применения отбойных молотков.

К данному виду можно отнести еще и щиты проходческие, оснащенные кессонном. Они используются в водонасыщенных местах. На данном щите вмонтирована специальная заслонка, куда происходит скопление воздуха под высоким давлением, посредством чего происходит откачка воды из грунта.

Принцип работы проходческого щита

Работа щита происходит посредством вращающихся роторных частей, которые оснащены специального вида резаками. Именно за счет вращения данных механизмов и происходит разрушение горной породы. Далее уже переработанный грунт, поступает по конвейерному устройству на дальнейшую транспортировку. в щитах с механизированным принципом действия так же имеются подразделения.

Механизированные проходческие щиты так же бывают оснащены такими элементами как кессон. Еще одной разновидностью механизированных щитов являются щиты которые оснащаются таким рабочим элементом, как грунтопригруз, куда выдается грунт, а уже потом уже в более измельченном виде выводится посредством работы конвейера шнекового типа действия.

Так же существует еще одна разновидность механических проходческих щитов, которая оснащается таким рабочим элементом, как гидропригруз. В данном приспособлении грунт смешивается с таким веществом как бентонитовый раствор, который выводит грунт по трубопроводу на поверхность, при этом происходит отделение самого грунта от раствора, который остается в гидропригрузе. Однако применение данных моделей не является чрезвычайно частым, поскольку такой вид техники считается наиболее дорогостоящим.

Производительность проходческих щитов является достаточно высокой, именно этим и обусловлено их широкое использование. Сегодня данный тип техники выпускается, как российским, так и зарубежным производителем и выбор той или иной модели зависит лишь от характера и сложности работ, которые будут выполняться.

Строительство первой очереди Московского метрополитена характеризовалось широким применением классического горного способа проходки с разработкой сечения тоннеля по частям. Этому способу присущи высокая степень использования ручного труда во всех производственных процессах, теснота рабочего пространства, лишающая возможности механизировать работы.

Устройство монолитной бетонной обделки, сооружаемой по частям, чрезвычайно трудоемко, требует большого количества деревянной опалубки и крепежного леса для сложного временного крепления. Бетонная конструкция обделки тоннелей обусловливала сложный комплекс гидроизоляционных работ - устройство оклеенной гидроизоляции и сооружение поддерживающей железобетонной рубашки. Технологическая необходимость последовательного выполнения операций по сооружению тоннеля затрудняла возможность совмещения трудоемких процессов во времени, ограничивая темпы проходки и возможности механизации.

Затраты труда на основные процессы по сооружению перегонного тоннеля первой очереди строительства равнялись 646 чел.-ч на 1 пог.м, а приведенная скорость проходки - 0,2 пог. м в сутки. В период наибольшего развертывания работ общая численность занятого персонала составляла около 75 тыс. человек.

Первая очередь Московского метрополитена стала своеобразной лабораторией. На опытных участках испытывались почти все известные в то время способы проходки, в том числе и щитовой способ сооружения тоннелей. Этим способом сооружали участок перегонного тоннеля от Театральной площади (ныне площадь Свердлова) до станции «Дзержинская». В работе находилось два щита. Один был поставлен из Англии, другой - изготовлен отечественной промышленностью.

Сооружение тоннелей с помощью проходческого щита показало полную техническую и экономическую целесообразность такого способа работ. Разработка забоя на полное сечение, исключение тяжелого ручного труда по устройству временного деревянного крепления, применение для устройства обделки бетонных блоков, а позднее чугунных тюбингов вместо монолитного бетона, т. е., по существу, замена сооружения обделки ее монтажом, резко снизившая трудоемкость работ и позволившая полностью механизировать их с помощью специальных укладчиков блоков и тюбингов, значительное уменьшение трудоемкости гидроизоляционных работ - таковы важнейшие преимущества щитового способа проходки.

Результаты опытных работ с использованием щитовой проходки на строительстве первой очереди Московского метрополитена позволили принять решение - начиная со второй очереди строительства проходческие работы вести в перегонных и станционных тоннелях метрополитена в основном щитовым способом. Для практической реализации этого решения требовалось 42 проходческих щита, а в распоряжении строителей было только два. 40 щитов (28 перегонных диаметром 6 м и 12 станционных диаметром 9,5 м) - такой огромный заказ должен был быть выполнен менее чем за два года.

Созданная за годы первых пятилеток отечественная промышленность сумела успешно справиться с этой задачей. Партия и правительство уделяли большое внимание Метрострою. За выполнением заказа лично следил нарком тяжелой промышленности Серго Орджоникидзе. Станционные щиты изготовляли в Ленинграде и Новокраматорске, перегонные - в Горловке и Коломне. Производство станционных тюбингов было поручено Уральскому заводу тяжелого машиностроения, перегонных тюбингов - Днепропетровскому машиностроительному заводу.

Пока на заводах велось изготовление щитов, метростроевцы проводили подготовительные работы, готовили квалифицированные бригады монтажников. Инженеры, техники и рабочие-тоннельщики знакомились с конструкцией проходческих щитов и технологией щитовой проходки. Были созданы две бригады по 20 человек с учетом четырехсменной круглосуточной работы. Начальником монтажных работ назначили Е. П. Солдатова, опытного мастера-монтажника. Его высокая квалификация, отличные организаторские способности способствовали успешной работе монтажных бригад. Скорость монтажа щитов была доведена с месяца до двух недель.

Радикальные изменения, которые щитовой способ проходки внес в технологию сооружения тоннелей, позволили резко повысить производительность труда тоннелестроителей. Затраты труда на основные процессы по сооружению 1 пог.м перегонного тоннеля снизились с 646 чел.-ч на первой очереди до 249 чел.-ч на второй очереди, т.е. более чем в 2,5 раза. По мере освоения щитового способа на второй очереди строительства скорости проходки перегонных тоннелей возросли с 2 пог.м в месяц в начале работ до 45-50 пог. м в конце работ. Изменив коренным образом основные процессы проходки, щитовой способ потребовал механизации остальных процессов.

При новом соотношении трудоемкости основных процессов возрос удельный вес таких операций, как разработка забоя, погрузка породы, ее транспортировка, остававшихся ручными. Эти операции стали узким местом в общей технологической цепи, ограничивая развитие и темпы строительства. Главной задачей дальнейшего совершенствования производства работ на строительстве третьей и особенно четвертой очередей Московского метрополитена стала механизация разработки породы, ее погрузки и транспортировки.

Массовое внедрение породопогрузочных машин, электровозной откатки, механических сбалчивателей тюбингов, механизация поверхностного шахтного комплекса: опрокидывателей вагонеток, выталкивателей груженых вагонеток из шахтной клети и другого оборудования - обеспечили дальнейшее снижение трудоемкости сооружения тоннелей и повышение производительности труда на четвертой очереди строительства в 4 раза по сравнению с первой очередью. При возведении перегонного тоннеля между станциями «Арбатская» и «Смоленская» в начале 50-х гг. в тяжелых гидрогеологических условиях, под сжатым воздухом с помощью проходческого щита сооружали более 6 пог.м тоннеля в сутки, т.е. выполняли 167% нормы.

В 60-х гг. при проходке перегонного тоннеля на Ждановском радиусе Московского метрополитена, а позже на Замоскворецком радиусе в песках естественной влажности московские метростроевцы, разрабатывая забой проходческим щитом, временное крепление забоя поручили песку, превратив его из врага в помощника, по образному замечанию начальника СМУ. Угол естественного откоса песка обеспечивал временную устойчивость лба забоя, а гидравлический напор щитовых домкратов помогал выполнять разработку забоя. Когда появились небольшие глинистые прослойки, затруднявшие проходку, конструкторы совместно со строителями создали специальные лопастные рыхлители, которые были установлены на площадках щита и включались в работу, способствуя разработке породы.

Так был создан механизированный щит ЩМ-17, который использовали при строительстве Краснопресненского радиуса Московского метрополитена на проходке участка перегонного тоннеля длиной 1800 м в песках естественной влажности со средней скоростью 117 пог.м в месяц. Другой такой щит используется на строительстве Горьковского метрополитена.

На линиях второй и третьей очередей строительства Московского метрополитена щитовой способ проходки тоннелей с применением сборной чугунной обделки оставался единственным для всех забоев, независимо от гидрогеологических условий. Позже, на линиях четвертой очереди, щитовую проходку использовали только в забоях со сложными гидрогеологическими условиями и при слабоустойчивых породах. Одновременно продолжалась дальнейшая механизация и рационализация отдельных процессов проходки. Создание и внедрение механических сбалчивателей позволило во всех забоях перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей полностью исключить тяжелый ручной труд по монтажу обделки и повысить производительность труда на этом процессе почти в 3 раза по сравнению с третьей очередью строительства. Тяжелый и малопроизводительный труд по ручной очистке лотка тоннеля перед его бетонированием был исключен благодаря внедрению плоского лотка. Все это позволило превысить установленные проектом четвертой очереди скорости проходки перегонных и станционных тоннелей.

Как показывает практика строительства, наиболее эффективное совершенствование методов разработки породы в забое и комплексная механизация процессов сооружения тоннелей могут быть достигнуты только путем создания и внедрения специальных механизированных щитов - тоннельных комбайнов, позволяющих полностью устранить ручной труд в трудоемких процессах тоннельных работ и значительно повысить скорости сооружения тоннелей.

Много лет проектировщиками и метростроителями проводится большая работа по разработке конструкций, созданию и внедрению в практику строительства механизированных проходческих щитов. Специалистами Главтоннельметростроя созданы механизированные щиты для разнообразных условий работы в породах различной крепости. Первым вариантом такой конструкции был щит, использованный в Ленинграде. Результаты испытаний оказались настолько успешными, что была изготовлена партия из шести щитов, используемых на проходке перегонных тоннелей с 1949 г. С помощью этих щитов сооружено около 70 км перегонных тоннелей. Ленинградский механизированный щит имеет планетарный привод мощностью 80 кВт, режущий рабочий орган из четырех дисков-фрез, каждая из которых оснащена 12 стержневыми резцами, армированными твердым сплавом; подача на забой гидравлическая.

Создание механизированных щитов для разнообразных и сложных гидрогеологических условий сооружения тоннелей в Москве представляет собой более трудную задачу. Первый механизированный щит для строительства Московского метрополитена был создан в 1953 г. Он предназначался для механического разрушения горных пород крепостью до 175-200 кгс/см 2 и был выполнен по типу ленинградского механизированного щита, с планетарным режущим органом - двумя рабочими дисками по 24 резца на каждом. Щит прошел заводские и производственные испытания. С его помощью были построены 623 м перегонного тоннеля на Рижском радиусе.

К концу 50-х гг. было принято решение сооружать тоннели Московского метрополитена в основном мелкого заложения. Большую часть перегонных тоннелей должны были проходить в моренных глинах, суглинках, супесях, песках естественной влажности. Созданный для этих условий механизированный щит имел плоскую планшайбу, оснащенную ножами. Каменистые включения размером более 250 мм вынимались вручную, для чего в планшайбе были предусмотрены специальные отверстия. Этим щитом были сооружены два участка перегонного тоннеля длиной 900 м вблизи станции «Профсоюзная». Проходка велась со средней скоростью 118 пог. м и максимальной скоростью 187 пог. м в месяц. Участок тоннеля длиной 450 м вблизи станции «Первомайская» был пройден со средней скоростью 80 пог. м и максимальной скоростью 132 пог. м в месяц.

Более удачным по конструкции и эксплуатационным качествам был созданный в 1961 г. механизированный щит ЩМ-8 диаметром 3,6 м с гидроприводом и рабочим органом в виде конической планшайбы, оснащенной пластинчатыми ножами и стержневыми резцами, для проходки гидротехнических и коллекторных тоннелей в породах крепостью от 20 до 250 кгс/см 2 (мягкие вязкие глины, карбонные глины, мергели, суглинки, лессы, слабые известняки).

На основе опыта использования механизированных щитов М-105, 105Т, ЩМ-4, ЩН-1 для широкого диапазона устойчивых пород крепостью от 20 до 400 кгс/см 2 был создан механизированный щит ЩМР-1. При разработке конструкции были значительно улучшены основные параметры щита. Привод выполнен на постоянном токе, что позволяет в широких пределах регулировать работу щита, изменяя обороты рабочего органа в зависимости от крепости пород. Значительно увеличена мощность привода, она составляет 320 кВт (2X160). Двухмоторный привод позволяет регулировать мощность отключением одного из двигателей при проходке слабых мягких пород. Благодаря упрочненным стержневым резцам улучшено резание крепких пород.

При испытаниях щита в Киеве на проходке участка в спондиловых глинах было сооружено более 3 тыс. м перегонного тоннеля, в том числе 2190 м с обделкой, обжатой в породу. При этом достигнута скорость 262 м в месяц, 14 м в сутки и 6,03 м в смену. Второй щит ЩМР-1 был использован в Москве на проходке участка перегонного тоннеля в породах средней крепости (карбонные глины и известняки. Было пройдено 1370 м, максимальная скорость составила 147 пог. м в месяц.

Ленинградские механизированные щиты, проработавшие более 25 лет, в настоящее время заменяются новыми механизированными щитами КТ-1-5,6, созданными и изготовленными на Ясиноватском машиностроительном заводе. Щиты КТ-1-5,6 оснащены рабочим органом щелевого типа. Он состоит из четырех лучевых баров со стержневыми резцами, разрабатывающими кольцевые концентрические щели, и устройством, ломающим остающиеся кольцевые выступы породы. Мощность привода щитов 200 кВт, т. е. в 2,5 раза больше, чем щитов предыдущей модели, а наибольшее усилие подачи 50 тс, т. е. в 6 раз больше прежнего. Средняя скорость проходки при использовании этих щитов 330 - 350 пог. м в месяц. Рекордная скорость проходки 1250 пог. м в месяц превышает мировой рекорд для тоннелей этого диаметра.

С внедрением механизированных щитов ЩМ-17, КТ-1-5,6 и ЩМР-1 может быть осуществлена комплексная механизация проходки перегонных тоннелей метрополитена, залегающих в породах диапазоном от песков естественной влажности до слабых известняков и песчаников.

Для комплексной механизации проходческих работ при строительстве перегонных тоннелей метрополитена открытым способом создан специальный щит. Он представляет собой комплекс проходческого оборудования, включающий щит прямоугольной формы - металлическое передвижное крепление котлована под двухпутный тоннель. В передней изолированной части комплекса ведется разработка породы экскаватором с погрузкой ее в автотранспорт, позади производится монтаж цельносекционной обделки при помощи 20-тонного козлового крана ККТС-20. Комплекс позволяет- обеспечить полный проходческий цикл при значительном сокращении вскрышных работ.

Двукратные испытания комплекса в обычных и тяжелых условиях строительства показали его высокую производительность. Достигнутая скорость проходки составила 6 пог. м двухпутного тоннеля в сутки. Проходка тоннеля с применением щита открытого способа работ была начата в конце 1979 г. в Киеве.

Работы по совершенствованию конструкций механизированных щитов и созданию новых щитов продолжаются. Ведутся разработки щита со сменными рабочими органами, экскаваторным рабочим органом, а также работы по ряду других направлений.

Огромная доля участия в ведущихся более чем четверть века поисках наиболее совершенных конструкций механизированных щитов принадлежит Московскому механическому заводу (ранее завод № 5 Метростроя), который изготовил восемь моделей таких щитов в количестве 24 экземпляров, со всем оборудованием проходческого комплекса. С помощью щитовых комплексов, включая ленинградские механизированные щиты, сооружено более 120 км тоннелей метрополитенов во многих городах нашей страны.

Человечество уже не первое столетие с успехом осваивает подземное пространство. Речь идет не только о метрополитенах, которые присутствуют во всех крупных городах мира, но и о горных выработках, создаваемых для добычи полезных ископаемых. В обоих случаях применяется специальное оборудование - проходческие щиты, гарантирующие безопасность оборудованию и обслуживающему персоналу во время проведение земляных работ.

Впервые проходческий щит был применен в 1825 году при сооружении тоннеля под рекой Темзой. С тех пор этот тип оборудования неоднократно применялся при строительстве метрополитенов в таких крупных городах, как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и в других мегаполисах.

Проходческий щит

Проходческий щит представляет собой подвижную сборную в виде полого цилиндра. Он сооружается на месте горной выработки или при строительстве метрополитена для защиты прокладываемых в горизонтальном направлении шахт от обрушения. Иногда его также называют временной или передвижной крепью - специальной конструкцией, которая сооружается для защиты стенок тоннеля от обрушения.

Конструктивно проходческие щиты представляют собой сложный комплекс оборудования, в состав которого входят три основные части:

Ножевая. В ней происходит сам процесс бурения, разработки горной породы.
Опорная. Служит для размещения а также гидравлических домкратов, заставляющих двигаться щит вперед.
Хвостовая. Обеспечивают защиты персонала при воздвижении постоянной крепи.

В состав проходческого щита может входить разнообразное оборудование, которое необходимо для упрощения работ по разработке забоя, транспортировке земляных масс, укреплению и защите стенок от обрушения.

Конструкция проходческого щита

Главными элементами щита являются оболочка и ножевое кольцо, на котором расположены режущие элементы проходческого щита. В некоторых моделях «резцы» выполнены в виде твердосплавных вставок, расположенных под определенным углом друг к другу на рабочей поверхности ротора, а также опорное кольцо.

Вперед, в пространство перед ножами, щит продвигается при помощи которые опираются на последнее кольцо обделки. После этого в процесс вовлекаются забойные гидроцилиндры, которые прижимают сборные деревянные панели к горной породе, дабы та не обрушилась.

Свободное пространство между опорным и ножевым кольцом разбито на ячейки вертикальными перегородками и на ярусы горизонтальными переборками. Внутри этих «отсеков» располагается необходимое оборудование. Горизонтальные переборки могут выдвигаться гидравлическими домкратами.

Классификация проходческих щитов по форме поперечного сечения

Как правило, проходческие щиты собираются непосредственно на месте проведения работ. Из стальных сегментов конструируются опорное и ножевое кольцо, а из стальных листов, изогнутых по цилиндрической поверхности, формируют оболочку.

Оборудование для горизонтального бурения отличается формой поперечного сечения, габаритами, способом разработки и по области применения. Наиболее распространенной формой поперечного сечения является круг. Реже встречаются машины прямоугольного, арочного и иного очертания.

Виды щитов согласно длине диаметра

Опираясь на диаметры проходческих щитов, выделяют следующие виды конструкций:

Малые (до 3200 мм) - используются в городских службах для прокладки коллекторных тоннелей.
Средние (до 5200 мм) - применяются для прокладки гидротехнических коммуникаций и разработки горных ископаемых.
Большие (свыше 5200 мм) - практикуются при создании железнодорожных тоннелей, линий метрополитенов, крупных горных выработок.

Площадь поперечного сечения рабочей поверхности варьируется от 10 до 16 и более квадратных метров, в зависимости от диаметра рабочей поверхности.

Типы оборудования по способу разработки забоя

При разработке полезных ископаемых или создании подземных путей сообщения горизонтальное бурение проводят различными видами проходческих щитов.

Они отличаются между собой степенью механизации исполнительных органов:

Полностью механизированные. Для разрушения породы в таких конструкциях используется специальное оборудование - экскаваторные, планетарные, штанговые рабочие органы, а также установки гидромеханического воздействия.
Частично механизированные. Отсутствие специального устройства для разработки слоев грунта является их исключительной особенностью. Для разрушения пород здесь применяют проводят взрывные работы или вдавливают переднюю заостренную часть щита в грунт.
Специальные проходческие щиты. У таких конструкций головная часть закрыта. Они используются для создания тоннелей в особо сложных геологических условиях.

При этом конструкции делят на типы, предназначенные для работы в различных условиях - увлажнённых грунтах, для разработки забоев в сыпучих и малоустойчивых породах и для проходки в земли с крепостью от 0,5 до 5 и выше.

Назначение оборудования

Проходческие щиты применяются для создания шахт в горизонтальном направлении. Такой вид работ именуется как «горизонтальное бурение» и применяется в различных отраслях человеческой деятельности. Чаще всего он используется для создания и расширения существующих метрополитенов, разработки полезных ископаемых.

В последнее время широкое распространение получили работы по прокладке различных коммуникационных линий под автомобильными дорогами, трассами и прочими путями сообщения, именуемые как горизонтально направленное бурение, или ГНБ.

Горизонтально направленное бурение

Повсеместное применение данной технологии обусловлено высокой экономической эффективностью. В частности:

исчезает необходимость ремонта дорог по завершении мероприятий;
отпадает потребность в перекрытии автомобильного потока и создании объездных путей;
возможна прокладка новых линий без нарушения целостности уже существующих.

При применении метода оператор проходческого щита создает пилотную скважину, которая затем расширяется риммером - расширителем обратного действия. Через готовый тоннель протягивается плеть трубопровода.

В качестве последнего нередко используется полимерный рукав, который затем наполняется бетоном. После затвердевания цементной смеси (около 21 дня) новая коммуникационная линия готова.

Проходческие щиты сегодня

Живым примером применения проходческого щита может стать строительство участка тоннеля по «Фрунзенскому радиусу» длиной 3760 метров между станциями «Проспект Славы» и «Южная» в Санкт-Петербургском метрополитене.

В проекте участвует компания из Германии Herrenknecht AG, которая обязуется изготовить проходческий щит. «Метрострой» - компания-участник с российской стороны, сотрудники которого разработали проект по созданию первого на постсоветском пространстве двухпутного тоннеля.

Ранее отечественная фирма уже сотрудничала с немецким производителем. Предоставленный им щит «Аврора» активно используется для сооружения наклонных ходов на станции «Спасская».

Основным средством механизации горных работ и защиты забоя от обрушения пород на весь проходческий цикл - от разработки породы до возведения обделки - являются щиты. Проходческий щит - это подвижная стальная крепь в виде полого стального цилиндра, лежащего горизонтально вплотную к забою. Форма щита повторяет форму сооружаемой обделки.

Основные части щита (рис. 45)-ножевое 2 и опорное 1 кольца (в некоторых конструкциях установлено единое ножеопорное кольцо) и оболочка 9, в пределах которой монтируют сборную обделку. После разработки породы, находящейся перед ножевым кольцом, щит при пбмощи щитовых гидроцилиндров 10, опирающихся на последнее кольцо обделки тоннеля, продвигают вперед, в пространство, освободившееся от породы. После этого штоки гидроцилиндров убирают и в оболочке щита монтируют очередное кольцо обделки. Породу забоя крепят щитами из досок, которые прижимают забойными гидроцилиндрами 7.

В пределах опорного и ножевого колец внутреннее пространство щита разделено: горизонтальными перегородками 5 на ярусы и вертикальными перегородками 3 на ячейки. Горизонтальные перегородки имеют выдвижные платформы 4, перемещение которых обеспечивают специальные платформенные гидроцилиндры. (В технической литературе прошлых лет издания щитовые, забойные и платформенные гидроцилиндры названы гидравлическими домкратами, или гидродомкратами.)

Опорное и ножевое кольца щита собирают из стальных элементов-сегментов, соединяя их болтами подобно тюбингам при сборке кольца обделки. Оболочку щита собирают из стальных листов, изогнутых по цилиндрической поверхности. Листы соединяют между собой, а также с опорным кольцом с помощью болтов с потайной головкой.

Проходческие щиты разделяют по следующим основным признакам:

по площади поперечного сечения проходимой выработки - на щиты малого диаметра (до 3200мм), среднего диаметра (до 5200 мм) и большого диаметра (свыше 5200 мм);

по степени механизации основных производственных процессов- на щиты частично механизированные и механизированные. В щитах первого типа разработку забоя ведут вручную или взрывным способом, а погрузка и транспортировка породы, возведение обделки и передвижка щита механизированы, в щитах второго типа все основные процессы механизированы;

по области применения щиты разделяют на предназначенные для проходки в обводненных грунтах, для проходки в сыпучих и малоустойчивых грунтах естественной влажности, для проходки в грунтах с коэффициентом крепости от 0,5 до 5 и для проходки в грунтах с коэффициентом крепости более 5.

Рис. 45. Частично механизированный проходческий щит:
1 - опорное кольцо; 2 - ножевое кольцо; 3 - вертикальная перегородка; 4 - выдвижная платформа; 5 - горизонтальная перегородка; 6 - гидравлическая система; 7 - забойный гидроцилиндр; 8 - накладка; 9 - оболочка щита; 10 - щитовой гидроцилиндр; 11 - опорная пята

Рис. 46. Механизированный проходческий комплекс

Проходческие щиты оснащают механизмами для погрузки разработанного грунта на конвейер (транспортер) или непосредственно в вагонетки. В частично механизированных щитах погрузку грунта в вагонетки ведут с помощью погрузочной машины, в щитах малого диаметра - вручную. В механизированных щитах погрузочные органы имеют различное исполнение.

Современные щитовые комплексы обеспечивают выполнение процессов по разработке и креплению лба забоя, погрузке и удалению грунта за пределы комплекса, возведению тоннельных обделок, нагнетанию раствора в заобделочное пространство и т. д.

Комплексы, в которых достигнута полная механизация проходческих работ, называют механизированными комплексами (рис. 46), В таких комплексах щит 2 имеет рабочий орган / для разработки и погрузки породы, конвейер 3 для выдачи породы за пределы щита. Вслед за щитом в сцепе с ним установлен укладчик обделки 4, тоннельный конвейер 5 и другое технологическое оборудование. При проходке в неустойчивых породах рабочий орган (исполнительный) щита наряду с разработкой породы обеспечивает поддержание лба забоя от обрушения.

По принципу действия различают три группы рабочих органов:

непрерывного действия, если разработка грунта происходит одновременно по всей площади забоя (например, рабочий орган роторного типа);

цикличного действия, если разработка грунта происходит в отдельные отрезки времени в отдельных участках забоя (например, рабочий орган экскаваторного типа);

комбинированно действия, когда сочетаются хотя бы по одному из двух типов рабочих органов (например, экскаваторного типа с горизонтальными рассекающими площадками).

Роторные рабочие органы могут быть с плоской или винтовой планшайбой (рис. 47, а) со щелями для выхода грунта или лучевого типа (рис. 47,6). Эти органы в зависимости от крепости пород оснащают пластинчатыми или стержневыми резцами, шарошками и другим инструментом. При вращении режущий инструмент врезается в грунт и разрушает его.

Щит может быть оснащен сменными в зависимости от крепости пород рабочими органами: экскаваторным рабочим органом (рис. 47, в) для работы в супесях, суглинках, глинах; стреловым исполнительным органом с резцовой коронкой (рис. 47, г) для работы в твердых глинах, известняках, песчаниках.

Горизонтальные рассекающие перегородки (площадки) рабочего органа позволяют работать в песках, насыпных грунтах. На горизонтальных перегородках при внедрении их в забой образуются осыпи грунта под углом естественного откоса, обеспечивающие устойчивость забоя (т. е. выполняющие функции временной крепи).

С помощью механизированных комплексов, кроме обычных сборных обделок, сооружают также монолитно-прессованные и сборные обжимаемые в породу обделки. Монолитно-прессованные обделки образуются при уплотнении бетонной смеси усилиями щитовых гидроцилиндров при внедрении щита в забой. После монтажа в хвостовой части щита очередной секции опалубки и нагнетания за нее бетонной смеси щит продвигают вперед, при этом под давлением гидроцилиндров смесь в опалубке уплотняется и непосредственно за щитом остается готовая бетонная обделка. Особенность сборных железобетонных обделок кругового очертания, обжимаемых в окружающий породный массив, состоит в том, что сразу же после их монтажа кольца обделки прижимают к контуру выработки и обделка немедленно вступает в работу, предотвращая развитие горного давления и просадки земной поверхности.

Рис. 47. Схемы рабочих органов механизированных проходческих щитов:
а-роторный с винтовой планшайбой; б - роторный лучевого типа; в - экскаваторного типа; г - фрезерного типа

Рис. 48. Проходческий комбайн 4ПП-2

Щиты в процессе проходки приобретают крен (поворачиваются вокруг оси). Для предотвращения крена в щитах служат элероны (металлические пластины), которые устанавливают в специальные щели в сегментах опорного (ножеопорного) кольца и выдвигают с помощью гидроцилиндров за пределы корпуса щита. Для возможности ведения щита на кривых участках трассы тоннеля необходимо делать одностороннее уширение сечения выработки. С этой целью на рабочем органе щита устанавливают выдвижной копир-резец (копир-шарошку). Управляет копир-резцом при помощи гидравлического механизма машинист щита со своего рабочего места.

Для определения и контроля положения щита в плане и профиле применяют лазерные приборы. Прибор крепят к обделке так, чтобы лазерный луч был направлен параллельно оси тоннеля и находился ниже свода на 1-1,2 м. Для придания лучу нужного направления в плане и для контроля устойчивости луча применяют не менее двух отвесов, а в профиле - не менее двух горизонтальных нитей (используют капроновую леску). По мере удаления щита от лазерного прибора через каждые 100-150 м закрепляют новые отвесы и нити.

Для герметизации строительного зазора и придания кольцам правильного геометрического очертания в щитах устанавливают пневматическое торовое устройство.

Проходческий комбайн (рис. 48) представляет собой самоходную машину на гусеничном ходу 3. Рабочими органами комбайнов служат телескопические стрелы 2 с резцовыми коническими коронками 1. Погрузка разработанной породы с помощью спаренных лап 4 нагребающего типа совмещена с работой рабочего органа. Комбайн является мобильной машиной, в случае необходимости.его можно без демонтажа вывести из забоя своим ходом (что невозможно для проходческих щитов). В отличие от проходческих щитов комбайны можно применять в горных выработках, различных по форме и размерам поперечного сечения. Однако отсутствие на проходческих комбайнах передвижной крепи позволяет использовать их лишь в устойчивых забоях.