Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей
Шрифт:
1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
1.1.1. Определение щитовой проходки
Щитовая проходка (Shield Machine) – оборудование для строительства туннелей, использующееся для закрытой проходки туннеля, имеющее металлический корпус. Корпус внутри оснащен целостным механизмом и вспомогательным оборудованием. Под прикрытием корпуса проходческого щита осуществляется выемка грунта, выгрузка грунтового шлака, продвижение целостного механизма и установка сегментов и другие работы, тем самым однократно формируя туннель, как показано на рис. 1-1.
Рис. 1-1.
Проходческий щит является специализированным механизмом строительства туннелей, используется для осуществления индустриальной работы по быстрому, безопасному и экологическому строительству. Современный проходческий щит соединяет в себе механические, электрические, гидравлические, сенсорные и информационные технологии, а также выполняет функции выемки и разрезки грунта, транспортировки грунтового шлака, собирания туннельной обделки, измерения и исправления неточностей и другие функции. Проходческие щиты уже широко используются при прокладке туннелей в метро, на железных дорогах, автомагистралях, в городском строительстве, гидроэнергетике и в других сферах.
Принцип работы проходческого щита заключается в том, что элемент стальной конструкции продвигается вдоль оси туннеля, продвигая за собой землю. Корпус этого элемента стальной конструкции называется корпусом проходческого щита. Он выполняет функции временной опоры для вырытого участка туннеля, также может выдержать давление почвенного слоя, подземных вод, изолирует подземные воды от внутренней части корпуса. Под прикрытием корпуса проходческого щита осуществляется прокладывание туннелей, отвал грунта, футеровка и другие операции.
1.1.2. Различие между щитовой проходкой и ТБМ (тоннельной бурильной машиной)
Проходческие щиты и проходческие машины также называют туннелепроходческими щитами. У английского названия «Tunnel Boring Machine» есть аббревиатура ТБМ. В странах Европы и США ТБМ относится к проходческим комбайнам в мягких грунтах и горных слоях. В Японии и Китае проходческие щиты обычно подразумевают проходческие комбайны в мягких слоях почвы, способные укреплять структуру пласта при рытье мягких слоев почвы, тогда как ТБМ обычно относят к проходческим комбайнам, предназначенным для работы с горными породами (рис. 1-2). Такие различия и неопределенность классификации в инженерных кругах, специализирующихся на прокладке туннелей, часто порождают недопонимание и путаницу, поэтому необходимо четко объяснить различие между щитовыми проходками и ТБМ.
Согласно китайскому привычному представлению, можно выделить три основных отличия проходческих щитов от ТБМ:
Рис. 1-2. Форма ТБМ
Первое отличие заключается в способе стабилизации забоя туннеля. Данный метод является важным аспектом в принципе работы проходческого щита, а также главным аспектом, отличающим щит от ТБМ. Метод щитовой проходки включает в себя следующие условия: стабилизация поверхности забоя, проходка туннеля и футеровка. Различие современных проходческих щитов и ТБМ заключается в том, что проходческий щит обладает такими функциями защиты забоя, как стабилизация давления в глине, земле. ТБМ, главным образом, применяется в горных породах, где вмещающая порода может быть самоустойчивой. Объектом проходки являются горные породы. ТБМ в отличие от проходческого щита не обладает функциями защиты забоя, такими как стабилизация давления в глине, земле, также не имеет механизма активной стабилизации поверхности забоя.
Второе
Третье отличие состоит в форме резцовой головки. При вращении резцовая головка проходческого щита может вращаться в обоих направлениях, а у ТБМ обычно вращается только в одном направлении. В резцовой головке ТБМ не установлены отверстия, за исключением проходов для выкапывания и сбора горного шлака, а на его передней стороне установлены отверстия для удаления шлака с рабочей поверхности.
В современном смысле взаимодействие технологий и широкое применение техники строительства туннелей повлияло на объединение некоторых технических особенностей проходческих щитов и ТБМ. Например, движущая сила ТБМ с одним экраном обеспечивается при помощи туннельных тюбингов. Наряду с этим существуют также многофункциональные проходческие комбайны, которые представляют собой гибрид проходческого щита и ТБМ с двухрежимной системой. Вопрос о классификации проходческого щита открытого типа остается открытым (в этом пособии его классифицируют как проходческий щит). В общем, вышесказанные отличия относятся больше к «форме», требуя принять во внимание адаптацию к характеру почвы, и на основе этих данных провести классификацию проходческих щитов и ТБМ.
Главное же отличие состоит в специфике работы ТБМ и проходческих щитов. Работа проходческих щитов основана на стабилизации забоя и контроле осадков туннеля. Таким образом, основная техническая функция проходческого щита заключается в сохранении стабильности забоя, контроле осадки конструкции туннеля, безопасном и эффективном удалении шлака, тем самым обеспечивает безопасность и успешность производства строительных работ. Основные функции работы ТБМ – высокоэффективное разрушение горных пород, поэтому главный технический вопрос ТВМ состоит в том, как эффективно разрушить горные породы, тем самым обеспечив высокую эффективность проходки. В XXI веке в Китае активно развивается подземное строительство, в частности метро, поэтому противоречия между стабилизацией пластов и способностью проходки слагаются в один объект с двумя важными аспектами, получив название «композитный проходческий щит».
Кроме того, способ выпуска шлака современных щитов основан на применении винтовых конвейеров и систем циркуляции для его удаления. Как правило, при этом производительность при проходке ниже, чем у ТБМ и потребляется больше энергии. Метод выпуска шлака у ТБМ заключается в том, что центральный ленточный конвейер погружается в отсек для выпуска шлака. Самая главная особенность заключается в том, что в слоях с хорошей устойчивостью вмещающей породы скорость вращения рабочего органа и эффективность труда при проходке обычно высокие, а расход электроэнергии меньше.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ
Выделяют следующие типы проходческих щитов: с открытым забоем, с воздушным пригрузом, с грунтопригрузом, гидропригрузом, многофункциональный и другие.
1.2.1. Проходческий щит с открытым забоем
Проходческие щиты открытого типа подразделяются на щиты полностью открытого типа и частично открытого типа. В том числе, проходческие щиты полностью открытого типа также можно называться щитом с открытым забоем (Open Face Shield, сокращенно – щит OF), в туннельном забое которых нет системы компенсации давления закрытого типа. Он не может противостоять давлению почвы и грунтовых вод. Обычно подходит для вмещающих пород с хорошей устойчивостью к забою (например, разнообразные невязкие и нелипкие пласты). Его преимущество заключается в том, что щит OF также можно использовать, даже когда часть или вся поверхность туннельного забоя представлена скальным грунтом или валунами. Кроме того, некруглую плоскость сечения камней можно вынимать при помощи ручного метода или частично механизированного.