СТРОИТЕЛЬСТВО ТОННЕЛЕЙ ЩИТОВЫМ СПОСОБОМ

КОНСТРУКЦИИ, ОБОРУДОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕМЕХАНИЗИРОВАННЫХ ЩИТОВ

Общие положения. Щитовой способ работ основан на применении подвижной крепи — проходческого щита, под прикрытием которого разрабатывают грунт и возводят обделку тоннеля.

Щит был запатентован в 1818 г. английским инженером Марком Брюне- лем. Впервые щитовую проходку применили в 1823 г. при строительстве подводного тоннеля длиной 460 м под р. Темзой. Щит прямоугольного поперечного сечения шириной 11,3 м и высотой 6,7 м был оснащен винтовыми домкратами. Обделку тоннеля возводили из кирпичной кладки с толщиной стен до 4 м. Строительство тоннеля продолжалось 17 лет из-за многочисленных аварий, связанных с затоплением выработки.

В дальнейшем конструкция щита приобрела круговое очертание, а обделку выполняли из чугунных тюбингов. С применением щитового способа было построено большое число тоннелей, преимущественно в нескальных грунтах. В середине XX в. были созданы механизированные щиты (МЩ), оснащенные рабочим органом для разработки и удаления грунта. В настоящее время щитовая проходка получила широкое распространение в практике мирового тоннелестроения. Щитовым способом построены и строятся крупнейшие транспортные, гидротехнические и коммуникационные тоннели значительной протяженности.

В последние десятилетия достигнут существенный прогресс в области щитовой проходки. Созданы МЩ диаметром до 15 м, входящие в состав тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) и оснащенные высокопроизводительными рабочими органами, средствами погрузки и удаления разработанного грунта, монтажа обделки и управляемые бортовыми компьютерами.

Такие комплексы обеспечивают скоростную (до 1 км в месяц и более) и безопасную проходку тоннелей в разнообразных инженерногеологических условиях. Об этом свидетельствует опыт строительства ряда уникальных транспортных тоннелей под проливом Ла-Манш, под Токийской бухтой, многочисленных тоннелей метрополитенов, городских автотранспортных тоннелей, среди которых Лефортовский и Серебряноборский тоннели в Москве.

Конструкции и оборудование щитов. Щиты отличаются между собой формой и размерами поперечного сечения, несущей способностью, способом разработки грунта и крепления лба забоя и т.п. Формы поперечного сечения щитов весьма разнообразны: круговая, сводчатая, прямоугольная, трапецеидальная, эллиптическая и пр. В большинстве случаев щитам придают круговое очертание в соответствии с формой тоннельной обделки. Для проходки двухполосных автотранспортных тоннелей применяют щиты диаметром 10-12 м и массой до 250-500 т и более.

По способу разработки грунта различают немеханизированные и механизированные щиты. В первом случае грунт разрабатывают вручную или с применением ручных механизированных инструментов. Во втором случае все операции по разработке и уборке грунта полностью механизированы и выполняются специальным рабочим органом. Могут быть и полумеханизированные щиты, в которых разработка и погрузка грунта частично механизированы.

Проходческий щит кругового очертания представляет собой стальной цилиндр, состоящий из ножевого кольца, опорного кольца и хвостовой оболочки (рис. 3.1).

Схема проходческого щита

Рис. 3.1. Схема проходческого щита:

  • 1 — забойные домкраты; 2 — щитовые домкраты; 3 — вертикальные перегородки; 4 — выдвижные платформы; 5 — горизонтальные перегородки;
  • 6 — платформенные домкраты; 7 — хвостовая оболочка;
  • 8 — опорное кольцо; 9 — ножевое кольцо; 10 — аванбек; 11 — обделка

Ножевое кольцо подрезает грунт по контуру выработки и служит для защиты работающих в забое людей. При проходке в мягких грунтах ножевое кольцо имеет уширенную верхнюю часть — аванбек, а в слабых грунтах — предохранительный козырек, который может быть неподвижным или выдвижным.

Опорное кольцо вместе с ножевым являются основной несущей конструкцией щита. По периметру опорного кольца равномерно располагаются щитовые домкраты, служащие для передвижения агрегата. При диаметре щита порядка 10 м устанавливают обычно 30- 36 домкратов.

Хвостовая оболочка закрепляет контур выработки в месте возведения очередного кольца обделки.

Немеханизированные щиты дополнительно оснащают горизонтальными и вертикальными перегородками, выдвижными платформами, а также забойными и платформенными домкратами. Горизонтальные и вертикальные перегородки придают конструкции щита необходимую жесткость и разделяют забой на рабочие ячейки, в которых разрабатывают грунт. На горизонтальных площадках устанавливают выдвижные платформы, которые перемещаются по направляющим усилиями платформенных домкратов, смонтированных под площадками. Для удержания элементов временной крепи предусмотрены забойные домкраты, которые закрепляют на вертикальных перегородках и на опорном кольце щита.

Конструкцию ножевой и опорной частей щита собирают из отдельных литых или сварных стальных элементов ребристого сечения, соединенных между собой болтами по типу тюбингов тоннельных обделок. Хвостовую оболочку выполняют из отдельных лекальных стальных листов, соединенных между собой накладками на шпильках.

Оболочки щитов больших диаметров делают многослойными и закрепляют на опорном и ножевом кольцах. При проходке тоннелей в плотных устойчивых грунтах нижнюю часть оболочки (примерно до уровня горизонтального диаметра щита) удаляют. Горизонтальные и вертикальные перегородки делают из многослойных пакетов стальных листов, усиливая их уголками или швеллерами. Щитовые гидравлические домкраты, развивающие усилия до 2000-2500 кН каждый, питаются от сети высокого давления (20-30 МПа). Забойные и платформенные домкраты усилием по 40-50 кН получают питание от сети среднего давления (3,5-5 МПа); платформенные домкраты иногда подключают к сети низкого давления (0,25-0,4 МПа).

Гидравлические насосы, а также необходимую пускорегулирующую аппаратуру для контроля за давлением жидкости в сети и за перемещением щита устанавливают на горизонтальных площадках в пределах опорного кольца.

Расчет щитов. Расчет тоннельных щитов предусматривает определение геометрических размеров и усилий передвижения, а также внутренних усилий в элементах несущих конструкций с проверкой их прочности и жесткости. Статический расчет щитов выполняют по схеме кольца в упругой или податливой среде на собственный вес, горное и гидростатическое давление также, как расчет тоннельных обделок.

Наружный диаметр щита Ощ, м, и его общую длину Гщ, м, определяют следующим образом (рис. 3.2):

где ?)°н — наружный диаметр обделки, м;

  • 5 — толщина хвостовой оболочки щита, м;
  • 5 = 0,05-0,06 м;
  • 6 стр — строительный зазор между обделкой и оболочкой щита, м; 5стр = (0,008-0,01)?>°н;

где LHK — длина ножевого кольца, м;

L0K — длина опорного кольца, м;

L06 — длина хвостовой оболочки, м.

Схема определения диаметра (а) и длины (б) тоннельного щита

Рис. 3.2. Схема определения диаметра (а) и длины (б) тоннельного щита

Длина ножевого кольца LHK по верху зависит от степени устойчивости грунтов в забое и принимается для щитов больших диаметров в устойчивых грунтах не менее 1,5 м, а в неустойчивых — не менее 1,8 м. Длину ножевого кольца немеханизированных щитов по низу уменьшают на 0,4—0,5 м.

Длину опорного кольца L0K, м, определяют из условия размещения в нем щитовых гидроцилиндров, ход штоков которых увязывают с шириной кольца обделки Ьк:

Длина хвостовой оболочки щита Ь0б равна

где l — длина части штока щитового гидроцилиндра, выступающей из опорного кольца, li = (0,6-0,'7) м;

/2 — расстояние между опорной плоскостью втянутых штоков щитовых гидроцилиндров и торцовой плоскостью кольца обделки,

12 = (0,15-0,20) м;

/з — длина перекрытия одного или двух колец обделки,

13 = (2,0-2,2)6к.

Определив значения Dm и ?щ, проверяют степень маневренности щита п = Ьщ/Ощ, которая характеризует управляемость щита при его ведении вдоль оси тоннеля, и для щитов больших диаметров должна быть в пределах от 0,45 до 0,55. Если полученное значение п отличается от рекомендуемого, необходимо соответствующим образом изменить размеры щита. Высоту ярусов между горизонтальными перегородками устанавливают в пределах 1,7-2 м, а расстояния между вертикальными перегородками — 1,2-1,9 м.

Для передвижения щита по трассе тоннеля необходимо преодолеть сопротивления, возникающие при взаимодействии корпуса щита с окружающим грунтовым массивом и смонтированной обделкой.

В общем случае суммарное усилие Г, кН, при передвижении щита равно

где Т — усилие для преодоления сопротивления трения по наружной поверхности щита, кН;

Т2 — усилие для преодоления лобового сопротивления в забое щита, кН;

Тз — усилие для преодоления сопротивления при «сходе» щита с обделки, кН;

Т4 — усилие для преодоления сопротивления, вызванного перемещением вместе со щитом части проходческого комплекса, кН.

Усилие Ti, кН, для преодоления сопротивления трения наружной поверхности щита по грунту определяют по формуле

где рр и qv — расчетные вертикальное и горизонтальное горное давление соответственно, кН/м2;

Ощ — суммарный вес щита с установленным в его корпусе рабочим оборудованием, кН, Gul = 35Dm2 - 100, кН; pi — коэффициент трения грунта по стали;

Сг — удельное сцепление на контакте стальной оболочки и грунтового массива.

Учет сцепления между грунтом и наружной поверхностью необходим только в начальный момент движения после длительного перерыва в работе (более 1-1,5 сут).

Усилие Ti для преодоления лобового сопротивления в забое щита возникает при частичном или полном внедрении ножевой части щита в грунт и определяется по-разному в зависимости от вида щита, технологии проходки и способа крепления лба забоя.

В мягких грунтах при временном креплении лба забоя забойными гидроцилиндрами, но без внедрения ножевой части щита в грунт (рис. 3.3, а), усилие Тг, кН, составляет

где qacp — среднее активное давление грунта на крепь со стороны забоя, кН/м2.

В мягких связных грунтах при врезании ножевой части щита в грунт без временного крепления лба забоя (рис. 3.3, б) усилие Тг, кН, равно

где qncp — среднее пассивное давление грунта на крепь со стороны забоя, кН/м ;

Do — внутренний диаметр врезаемой ножевой части, м.

Схема определения лобового сопротивления передвижению щита без врезания (а) и с врезанием (б) ножевой части в грунт

Рис. 3.3. Схема определения лобового сопротивления передвижению щита без врезания (а) и с врезанием (б) ножевой части в грунт

Усилие Тз, кН, определяется как сила трения, создаваемая весом смонтированного на хвостовой оболочке щита кольца (или двух колец) обделки G0

где Ц2 — коэффициент трения между оболочкой щита и обделкой.

Усилие Т4, кН, на преодоление сопротивления трения технологической платформы с механизмами, движущейся вместе со щитом, составляет

где пм — коэффициент, учитывающий местные сопротивления при передвижении проходческого комплекса, пм = 2;

GK — вес части проходческого комплекса, перемещающегося вместе со щитом, кН.

Определив суммарное усилие Т, необходимое для передвижения щита, можно вычислить усилие одного щитового гидроцилиндра

где кн — коэффициент надежности, обеспечивающий возможность отключения части щитовых гидроцилиндров для управления движением щита вдоль проектной оси тоннеля, кя= 1,2-1,7; пгц -— число щитовых гидроцилиндров, определяемое в соответствии с разбивкой колец обделки на отдельные блоки или тюбинги.

По полученной величине Ргц подбирают стандартные гидроцилин- дры.

Установленную мощность щита определяют суммированием номинальных мощностей электродвигателей насосных установок гидросистемы высокого и среднего давления.

Производительность тоннельного щита определяется скоростью проходки тоннеля. Техническую производительность находят по скорости щитовой проходки в смену или сутки путем построения циклограммы сооружения единицы длины тоннеля (одно или несколько колец обделки) за период времени, равный продолжительности цикла. Эксплуатационную производительность — скорость проходки в месяц — устанавливают с учетом работы всего проходческого комплекса.

 
Посмотреть оригинал