Механизированные проходческие щиты с воздушным пригрузом забоя (кессонированные щиты) ТЩМ (ВП)

Основными недостатками механизированных щитов с гидравлическим и грунтовым пригрузом забоя являются: сложность конструкции и высокая стоимость машин; а также невозможность непосредственного наблюдения за забоем во время работы щита. Для доступа к забою приходится применять сжатый воздух, который подаётся в призабойную камеру и замещает там суспензию или разработанный грунт. Люди выходят к забою через шлюзовой аппарат, а крепление забоя осуществляется за счёт избыточного давления сжатого воздуха в призабойной камере.

В связи с этим были созданы проходческие щиты с воздушным пригрузом забоя. Механизированные щиты с воздушным пригрузом используют давно известный кессонный способ проходки тоннелей. Однако, в отличие от этого способа, где избыточное давление сжатого воздуха создавалось на значительном по длине (до 300 м) участке тоннеля, в новых щитах этот участок ограничен только размерами призабойной камеры, а выход рабочего персонала в зону высокого давления происходит только в случае особой необходимости. Такие щиты иногда называют кессонированными. Принцип обеспечения устойчивости забоя в щитах с воздушным пригрузом показан на рисунке 5.1.

Рис. 5.1.Схема нагрузок на забой при проходке тоннеля механизированным щитом с воздушным пригрузом забоя

В призабойную камеру нагнетается сжатый воздух, давление которого уравновешивает давление грунтовой воды, лишь на каком-то одном уровне, как правило, на уровне одной трети диаметра щита или обделки от нижней точки (подошвы) выработки. Эта мера предохраняет от прорыва сжатого воздуха на поверхность.

В зависимости от характеристик грунта, составляющего забой, механизированные щиты с воздушным пригрузом могут иметь исполнительный орган роторного, экскаваторного или фрезерно-штангового типа.

Принципиальную схему конструкции щита с воздушным пригрузом забоя рассмотрим на примере машины с экскаваторным исполнительным органом (рис. 5.2.).

Рис. 5.2. Принципиальная схема механизированного проходческого щита с экскаваторным исполнительным органом и воздушным пригрузом забоя.

Исполнительный орган экскаваторного типа 1 расположен в герметичной призабойной камере 2, которая образована в корпусе щита 3 путём установки стальной герметичной диафрагмы 6. Сжатый воздух подаётся в призабойную камеру по трубопроводу 4. Для доступа рабочих к забою в диафрагму вмонтирован шлюзовой аппарат 5. Разработанный грунт удаляется шнековым конвейером 7. Для создания дополнительного механического пригруза на забой в корпусе щита смонтированы поворотные плиты 8.

Для проходки тоннелей в неустойчивых связных и частично смешанных грунтах используются щитовые машины с роторным исполнительным органом. На рисунке 5.3. показаны два проходческих щита такого типа ТЩМ (ВП)-Р, отличающихся друг от друга конструкцией конвейеров для выдачи грунта из призабойной камеры.

Рис. 5.3. Конструктивные схемы и фотографии щитов с роторным исполнительным органом и воздушным пригрузом забоя

В состав конструкции механизированного проходческого щита с воздушным пригрузом забоя и роторным исполнительным органом входят: корпус 1, щитовые домкраты 2, исполнительный орган 3 с гидроприводом 4. Призабойная камера отделена от остального тоннеля стальной герметичной диафрагмой 5, в которую вмонтирован шлюзовой аппарат 8. В зоне нормального атмосферного давления расположен блокоукладчик 7. Для выдачи разработанного грунта из призабойной камеры используются конвейеры-перегружатели 6.

На рисунке 5.3.А показан щит с конвейером-перегружателем, размещённом в герметичном кожухе, на конце которого находится двухлопостное разгрузочное устройство. В другом щите (рис.5.3.Б) конвейер принимает грунт из роторного питателя, вмонтированного в герметичную диафрагму.

Итак, сжатый воздух, находящийся в призабойной камере с избыточным давлением равным примерно величине гидростатического напора на уровне двух третей от шелыги свода обделки, уравновешивает давление грунтовой воды, отжимая её из грунта в забое. Ниже этого уровня вода может поступать в призабойную камеру, что может иногда привести к потере устойчивости забоя. Однако, увеличение давления сжатого воздуха в призабойной камере может с большой степенью вероятности привести к прорыву сжатого воздуха на поверхность, а значит к потере устойчивости забоя.

В щитах с роторным рабочим органом эти явления в некоторой степени могут быть погашены за счёт давления на забой планшайбы или даже лучей исполнительного органа.

Если выше тоннеля сооружаемого щитом с воздушным пригрузом расположен слой водонепроницаемого грунта (естественный или искусственно созданный), описанные выше явления могут не проявляться.

При возможной встрече на трассе строящегося тоннеля крупных валунов, фрагментов старых фундаментов или других препятствий в неустойчивых грунтах целесообразно применять щиты с экскаваторным исполнительным органом ТЩМ (ВП)-Э.

Конструкция одной из таких машин представлена на рисунке 5.4.

Рис. 5.4. Конструктивная схема и фотография механизированного проходческого щита с экскаваторным исполнительным органом и воздушным пригрузом забоя

В корпусе щита 1 с герметичной диафрагмой 2 расположены щитовые домкраты 3 и экскаваторный исполнительный орган 4 с гидроприводом 5. Выдача грунта из призабойной камеры производится шнековым конвейером 6. Дополнительное крепление забоя осуществляется поворотными плитами 7. Под защитой хвостовой оболочки расположен укладчик блоков тоннельной обделки 8.

В результате отжатия грунтовой воды из грунта забой принимает наклонное положение в соответствии с углом естественного откоса. Ковшом экскаваторного исполнительного органа производится разработка грунта по всей поверхности забоя. После разработки верхней части забоя она крепится поворотными забойными плитами. Разработанный грунт падает в нижнюю часть забоя и оттуда шнековым конвейером выдается на конвейер-перегружатель в зону нормального атмосферного давления. Для предупреждения произвольного выхода воздуха через затвор шнекового конвейера в нижней части призабойной камеры необходимо сохранять защитный слой грунта высотой около 60 см.

Валуны или другие предметы большого размера удаляются из призабойной камеры через шлюзовой аппарат, а при необходимости предварительно разрушаются непосредственно в призабойной камере.

В конструкциях некоторых механизированных щитов с воздушным пригрузом забоя и экскаваторным исполнительным органом для снижения фильтрации воздуха через грунт производится набрызг на поверхность забоя бентонитовой суспензии или пенообразующих составов (рис.5.5).

Рис. 5.5. Подробная (а) и упрощённая (б) конструктивные схемы проходческого механизированного щита фирмы «Бессак», оборудованного устройствами для набрызга на забой пенообразующих составов

В щите фирмы «Бессак» имеется система приготовления и подачи пены на поверхность забоя, состоящая из накопительного резервуара пенообразующего раствора 29 и насоса его подачи в систему 27. Раствор поступает в шланг питания 6, в который врезан шланг подачи сжатого воздуха 5 и подключен пеногенератор 22. Образованная в пеногенераторе пена набрызгивается на лоб забоя через сопло 23.

При проходке тоннелей в скальных трещиноватых обводнённых грунтах удобно применять щиты с воздушным пригрузом, оснащённые фрезерно-штанговым (стреловым) исполнительным органом ТЩМ (ВП)–Ф. Конструкции некоторых щитов предусматривают взаимозаменяемость исполнительных органов с экскаваторного на стреловой и наоборот.

На рисунке 5.6. представлена конструкция механизированного проходческого щита с воздушным пригрузом и фрезерно-штанговым исполнительным органом ТЩМ (ВП)-Ф.

Рис. 5.6. Конструктивная схема и фотография механизированного проходческого щита с фрезерно-штанговым исполнительным органом и воздушным пригрузом забоя

В корпусе щита 1 с герметичной перегородкой (диафрагмой) 2 находятся щитовые домкраты 4 и фрезерно-штанговый исполнительный орган 5. В хвостовой оболочке установлено кольцевое уплотнение 3 (как правило, щёточное). Для выдачи разработанного грунта на основной щитовой транспортер используется конвейер-перегружатель 6, расположенный в герметичном кожухе 7. Выпуск грунта в зону нормального атмосферного давления происходит через двухлопастной затвор 8. Монтаж обделки ведется блокоукладчиком 9. В герметичную диафрагму вмонтирован шлюзовой аппарат 10. Принцип работы этого щита аналогичен принципу работы щита с экскаваторным исполнительным органом.

В заключение ещё раз коротко определим область применения механизированных щитов с воздушным пригрузом забоя – это неустойчивые связные и частично смешанные грунты, а также (в случае необходимости) песчаные и даже гравелистые грунты, а при наличии над тоннелем водоупора – связные устойчивые и малопрочные скальные грунты. Но во всех случаях – обводнённые.

Дата добавления: 2015-09-03