2. Принципиальные схемы щитов с активным пригрузом забоя и их классификация

Для проходки тоннелей в сложных условиях к настоящему времени созданы механизированные проходческие щиты с активным пригрузом забоя. Такие щиты имеют в головной части герметичную призабойную камеру, оснащённую устройствами для создания активного пригруза забоя. В качестве активного пригруза в щитах различной конструкции используются: либо суспензия бентонитового (а, возможно и глинистого или полимерного) раствора, находящаяся в призабойной камере под давлением, обеспечивающим устойчивость забоя; либо разработанный и измельчённый до необходимых размеров грунт; либо сжатый воздух (рис.2.1.).

Рис. 2.1. Принципиальные схемы механизированных щитов с активным пригрузом забоя:

1-с роторным исполнительным органом и объёмным регулированием пригруза; 2-то же, но с воздушным регулированием пригруза; 3-с роторным исполнительным органом и грунтовым пригрузом; 4- с экскаваторным исполнительным органом и пневмопригрузом

Щиты с суспензионным пригрузом забоя чаще называются щитами с гидравлическим пригрузом. Такие щиты имеют, как правило, роторный дисковый или лучевой исполнительный орган, а давление суспензии на забой регулируется за счет постоянной подачи в призабойную камеру бентонитовой суспензии с расчётным давлением (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Схема нагрузок на забой при проходке щитом с гидравлическим пригрузом и объёмным регулированием величины пригруза:

А- схема головной части проходческого щита; Б- эпюры нагрузок

Этот процесс называется объёмным регулированием величины пригруза. Возможен и другой способ регулирования величины суспензионного (гидравлического) пригруза. – воздушный. В этом случае в призабойной камере за счет дополнительного элемента – полупогружной стальной диафрагмы создается воздушная подушка, а давление суспензии регулируется подачей в эту камеру сжатого воздуха (рис. 2.3.).

Рис. 2.3. Схема нагрузок на забой при проходке тоннеля щитом с гидравлическим пригрузом и воздушным регулированием величины пригруза:

А- схема головной части проходческого щита; Б- эпюры нагрузок

Кроме щитов с роторным исполнительным органом гидравлический пригруз может применяться и в щитах со стреловым фрезерным исполнительным органом.

Область применения щитов с гидравлическим пригрузом забоя, как впрочем, и с другими видами активного пригруза определяется в зависимости от характеристик разрабатываемого грунта и гидрогеологических условий строительства тоннеля. На диаграммах, представленных на рисунках 2.4. и 2.5., обозначены области, наиболее подходящие для работы щитов с гидравлическим пригрузом забоя.

Рис. 2.4. Диаграмма области применения механизированных щитов с объёмным гидропригруза в зависимости от характеристик грунта:

1. гранулометрический состав; 2-связные грунты; 3-несвязные грунты; 4-глина; 5-суглинки, супеси; 6-песок; 7-гравий; 8-мелкие; 9-средние; 10-крупные; 11-возможное применение; 12-оптимальная область применения; 13-требуются дополнительные средства крепления; 14-количество частиц, % по массе, не крупнее d; 15-диаметр частиц в мм.

Рис. 2.5. Диаграмма применения механизированных щитов с гидропригрузом и воздушным регулированием величины пригруза в зависимости от характеристик грунта:

1. гранулометрический состав; 2-связные грунты; 3-несвязные грунты; 4-глины; 5-сугленки; 6-пески; 7-гравий; 8-мелкие; 9-средние; 10-крупные; 11-оптимальная область применения; 12-пригруз забоя осложнён; 13-количество частиц, % по массе не крупнее d; 14-диаметр частиц в мм( d); 15-возможное применение

Другим видом активного воздействия на забой может быть давление разработанного грунта. Такие щиты называются щитами с грунтовым пригрузом.

Принцип действия механизированных щитов с грунтовым пригрузом основан на создании противодавления на забой разработанным грунтом, находящимся в призабойной камере и передающим на лоб забоя усилие , создаваемое щитовыми домкратами.Отбор грунта из призабойной камеры в процессе передвижки щита производится дозированно за счет регулирования производительности шнекового конвейера (рис. 2.6.).

Рис. 2.6. Схема нагрузок на забой при проходке тоннеля щитом с грунтовым пригрузом

В некоторых случаях, в находящийся в призабойной камере разработанный грунт вводятся различные добавки, обеспечивающие кондиционирование грунта, то есть придание ему большей пластичности и некоторых других свойств, позволяющих расширить диапазон применения щитов с грунтовым пригрузом (рис.2.7.).

Рис 2.7. Диаграмма области применения механизированных щитов с грунтопригрузом в зависимости от характеристик грунта:

1. гранулометрический состав; 2-связные грунты; 3-несвязные грунты; 4-глина; 5-суглинки, супеси; 6-песок; 7-гравий; 8-мелкий; 9-средний; 10-крупный; 11-количество частиц, % по массе, не крупнее d; 12- диаметр частиц в мм (d).

(1) –граница, выше которой находится область наиболее благоприятного применения щитов с грунтопригрузом; (1) – (2) – область применения, требующая использования пеногрунтового пригруза;

(2) – (3) – область возможного применения щитов с грунтопригрузом в случае отсутствия гидростатического давления; (3) – граница, ниже которой применение грунтового пригруза нецелесообразно.

При проходке тоннелей в неустойчивых связных и частично смешанных грунтах, а также в связных устойчивых и в нарушенных малопрочных скальных грунтах возможно применение щитов с воздушным пригрузом забоя (кессонированные щиты). Если над проходимым тоннелем находится естественный или искусственно созданный слой водонепроницаемого грунта, щиты с воздушным пригрузом забоя могут применяться в песчаных и даже гравелистых грунтах.

Схема пригруза забоя сжатым воздухом показана на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Схема нагрузок на забой при проходке тоннеля механизированным щитом с роторным исполнительным органом и воздушным пригрузом:

А- схема головной части проходческого щита; Б- эпюры нагрузок

Желание расширить диапазон возможного применения механизированных щитов с активным пригрузом забоя привело к созданию проходческих машин с комбинированным (а правильнее, наверное, сказать – универсальным) видом пригруза. Конструкция таких щитов предусматривает возможность взаимной замены некоторых элементов в корпусе щита с целью перейти с одного вида пригруза на другой или работать «открытым» щитом.

Не смотря на различные виды активного пригруза забоя, типы исполнительного органа механизированных проходческих щитов и некоторые другие особенности, все щиты с активным пригрузом забоя имеют ряд общих конструктивных элементов. Прежде всего, это герметичная перегородка-диафрагма, изолирующая призабойную камеру от остального тоннеля. Эта перегородка выполняется из стали и должна выдерживать давление в 1,5 раза превышающее максимально возможное рабочее давление в призабойной камере, которое в свою очередь определяется величиной горизонтального давления грунта в забое и гидростатическим напором (в обводнённых грунтах). Кроме того в оболочке щита должны быть предусмотрены устройства для тампонажа растворов в строительный зазор и пространство между контуром выработки и обделкой.

Нагнетание тампонажного раствора в заобделочное пространство ведется в процессе передвижения щита через трубки, расположенные в оболочке щита. В некоторых случаях для этой цели используют специально предусмотренные в элементах обделки отверстия (рис. 2.9.) .

Рис. 2.9. Схема тампонажа заобделочного пространства через трубки в хвостовой оболочке механизированного проходческого щита

Существующие в настоящее время механизированные проходческие щиты с активным пригрузом забоя можно классифицировать следующим образом (рис. 2.10.).

Рис 2.10. Классификация механизированных проходческих щитов с активным пригрузом забоя