6. Основные принципы проектирования механизированных проходческих щитов
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.