книги / Технология строительства подземных сооружений. Строительство горизонтальных и наклонных выработок

Р и с . 1.3.	С х ем ы н е м е х а н и зи р о в а н н ы х щ и то в
родах.	На рис. 1.3, в показана схема защиты щита, который

имеет жесткие площадки 2, рабочую площадку 3 и выдвижной козырек 1.

Щиты с закрытой головной частью применяют для строи­ тельства тоннелей в водоносных глинистых и песчаных породах

в	сочетании с применением		специальных			способов.	В щитах
такой		конструкции забой	тоннеля		закрепляется		шандорной
крепью или специальными диафрагмами.						и погрузка породы
в	В	механизированных щитах		разработка
	забое, ее транспортирование,			а	также	процесс	возведение

крепи (обделки) механизированы. Степень механизации основ­ ных процессов в зависимости от горно-геологических условий строительства тоннеля составляет 90—95%. К механизирован­ ным относятся щиты, оснащенные горизонтальными комбиниро­ ванными площадками, жестко закрепленными в ножевом коль­ це щита, и содержащие элементы активного дозирования по­ роды. Такие щиты используют при строительстве выработок в слабых породах с использованием метода вдавливания. К груп­ пе механизированных относят также щиты, предназначенные для проходки в пластичных глинистых породах, оснащенных в головной части системой активных режущих полос или элемен­ тов, котор’ые могут вдавливаться в породу забоя отдельно от корпуса щита или поворачиваться относительно корпуса в плос­ кости поперечного сечения тоннеля.

В настоящее время во всех странах мира в основном при­ меняют механизированные щиты самых различных конструк­ ций. Не останавливаясь на конструктивных особенностях щи­ тов, отметим, что существующие механизированные щиты клас­ сифицируют по ряду характерных признаков, среди которых основными являются способ разработки породы в забое, спо­ соб погрузки породы и способ возведения обделки.

По типу исполнительного органа при разработке породы в забое наибольшее распространение в практике строительства тоннелей получили механизированные щиты, имеющие следую­ щие типы исполнительных органов: роторный; планетарный;

избирательного действия; качающийся; экскаваторный, а так­ же щиты с комбинированными площадками.

Исполнительные органы роторного типа наиболее универ­ сальные, так как щиты, снабженные ими, дают возможность проводить тоннели практически в любых горнно-геологических условиях: об обводненных песчаных до пород, которые разруша­ ются шарошечным инструментом. Исполнительные органы ро­ торного типа бывают с плоской план-шайбой (дисками) со ще­ лями для выхода породы, с винтовой поверхностью со стороны забоя (рис. 1.4), с радиальными лучами, на которых закреп­ ляются резцы (рис. 1.5), и комбинированные. При строитель­ стве тоннелей в слабых породах наиболее целесообразно при­ менять исполнительные органы с винтовой план-шайбой, так как в этом случае наилучшим образцом удерживается забой от обрушения, поскольку в каждый момент времени все точки рабочей поверхности ротора соцрикасаются с забоем и тем самым исключается проседание поверхности земли. Исполни­ тельные органы с плоской или винтовой план-шайбой обычно имеют пластинчатые резцы. Число лучей роторных исполни­ тельных органов колеблется от 2 до 8, а число резцов на лу­ чах— от 3 до 18 и более.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом находят применение исполнительные органы роторного типа, оснащен­ ные шарошками разной конструкции. Частота вращения ротор­ ного исполнительного органа колеблется от 0,5 до 10 с-1; она может быть постоянной (в большинстве случаев) или регули­ роваться (реже). Почти всегда центральная часть ротора пред--

Рис. 1.4. Схема исполнительного орга­	Рис. 1.5. Схема исполнительного
на с планшайбой:	органа с радиальными лучами:
/ — щит; 2 — щели с резцами; ,3 —	1 — радиальные лучи; 2 — резцы
планшайба; 4 — привод

отавляет собой забурник, оснащенный резнями, что обеспечи­ вает проведение тоннеля в заданном направлении. Большая часть роторных исполнительных органов имеет копир-резец для облегчения поворотов щита в нужном направлении, а также оконтуривающий резец (резцы) для «разработки породы по контуру выработки диаметром неоколько большим диаметра щита, что позволяет сохранить ножевую кромку щита от по­ вреждений, уменьшить трение по боковой поверхности и облег­ чает передвижку щита. В большинстве случаев, особенно в щитах с многолучевым ротором, последний выдвигается в сто­ рону забоя за пределы плоскости ножевой кромки щита, чем обеспечивается лучшая разработка относительно крепких пород и вместе с тем становится возможным частичное совмещение во времени разработки забоя с креплением тоннеля. Шаг вы­ движения обычно принимают неоколько больше половины за­ ходки.

Исполнительными органами роторного типа оснащены оте­ чественные щиты типа ПЩМ, ЩН-1, ММЩ-1,'’ «Киевский», ЩМР и др., а также многие щиты зарубежных фирм.

Исполнительные органы планетарного действия использу­ ются в щитах, предназначенных для проведения тоннелей в су­ хих и плотных суглинках, глинах, в том числе кембрийских, мергелях и глинистых сланцах,

В исполнительных органах планетарного действия (рис. 1.6) инструмент 2, разрушающий породу, закреплен на дисках каждый из которых вращается вокруг своей оси. В то же вре­ мя каждый диск закреплен на водиле 3i которое вращается на центральном валу щита. При перемещении водила.вдоль оси

Рис. 1.6. Схема исполнительного органа щита планетарного действия:

— девятидискового; б — пятидискового

щита к забою и вращении дисков резцы совершают относи­ тельно забоя сложное планетарное движение. ' Исполнительный орган разрабатывает породу по всей поверхности забоя или ■прорезает концентрические ели, а целики между ними отбива­ ются скалыватёлями. Центральная часть забоя разрушается центральным диском 5 или забурником 6. Контур забоя обра­ зуется резцами оконтуривающего диска 4, положение которого регулируется специальным устройством.

Исполнительные органы планетарного действия нашли при­ менение в щитах 105М, 105К, 105Т, «Ленинград», Л-1, ПМЩ- 5,6, щитах фирмы «Демаг АГ» (ФРГ).

Исполнительные органы избирательного действия предна­ значены для проведения выработки в породах с f — 1-т-З, а так­ же с / = Зч-б при применении резцов повышенной твердости. Разрушение породы происходит за счет вращения резцовой ко­ ронки,. закрепленной на стреле, перемещающейся за счет гид­ равлических домкратов как в горизонтальном, так и в верти­ кальном направлениях. Возможные схемы исполнительных ор­

ганов показаны на		рис.	1.7 и могут быть	однобарабанными
(с одной	коронкой)	(рис.	1.7,а), двухбарабанными (рис. 1.7,6),
дисковыми (рис. 1.7, в) и			комбинированными	(с конвейером в
стреле)	(рис. 1.7,г). Стрелки на рисунках показывают направ­

ления возможного движения коронки и .стрел.

В проходческих щитах наибольшее распространение полу­ чил исполнительный орган с одной резцовой коронкой на стре­ ле. Размеры диаметра коронки колеблются от 600 до 1000 мм. Щиты с указанным исполнительным органом являются весьма перспективными в отечественной практике и применены в щи­ тах диаметром от 3,2 до 5,2 м (ПЩМ-3,2, ПЩМ-3,2 «Москва», ПЩМ-4, ПЩМ-5,2). За рубежом создаются щиты большего диаметра с двумя и более коронками на двух подвижных стре­ лах.

I

Рис. 1.7. Схемы исполнительных органов избирательного действия

Качающиеся исполнительные органы разрушают горную по­ воду за счет попеременного (касательного) движения на опре­ деленный угол рабочего инструмента. По конструкции испол­ нительные органы отличаются друг от друга числом секторов и лучей, что определяется углом качания, числам валов, углом наклона рабочей плоскости к оси щита, инструментом и при­ водом.

Щиты с качающимся рабочим органом могут применяться для проведения тоннелей в породах с /=0,5ч-1,2 при исполь­

зовании пластинчатых резцов и в породах	с f = l ~ 5 при ис­
пользовании стержневых резцов, при /> 5	качающийся испол­

нительный орган оснащают шарошками. Исполнительные орга­ ны с качающимся рабочим органом используются в щитах СКВ Мосстрой (б. СССР), фирм «Калвелд» (США), «ФилиппХольцман» (ФРГ) и др.

Экскаваторные исполнительные органы относятся к органам цикличного действия, так как имеют рабочий и холостой или •прямой и обратный циклы работ режущего органа.

Принципиальная схема работы экскаваторных исполнитель­ ных органов приведена на рис. 1.8. Разрушение и. частичное транспортирование породы в забое осуществляется с помощью

ковша, который может работать	по принципу прямой	(рис. 1.8,
а, в) или обратной лопаты (.рис.	1.8,6). Ковш вместе	со всей

системой рычагов в отдельных щитах может перемещаться по высоте щита (см. рис. 1.8,в). Объем ковша изменяется от 0,05 до 1,14 м3 и более. Во многих щитах большого, диаметра испол­ нительный орган смонтирован на монтажных площадках, кото­ рыми щит разделен на ярусы.

Щиты с экскаваторным исполнительным органом весьма перспективны в породах с /^ 1 ,5 . Экскаваторные исполнитель­ ные органы широко используются в щитах диаметром 3,9— 12,2 м, изготовляемых фирмами «Перинй», «Мемко» (США), сТирисима», «Камацу» (Япония), «Роббинс» (США) и др.

■Принцип действия исполнительных органов с комбинирован­ ными площадками основан на внедрении во время перелвижет

а -б 6

Рис. 1.8. Схемы экскаваторных исполнительных органон (пунктирные линии обозначают гидродомкраты)

«ия щита, в породу горизонтальных рассекающих площадок, ко­ торыми оснащена головная часть щита, и образовании на них осыпи под углом естественного откоса. Излишки породы на площадке .падают в нижнюю часть щита и подхватываются по­ грузочным органом.

Щиты могут быть снабжены следующими видами комбини­

рованных площадок		(рис.	1.9):	поворотными		с приводом
(рис. 1.9,а,б),	с конвейером в			хвостовой	части	(рис. 1.9,в),
раздвижными	(рис.	1.9,г),	поворотными		бесприводными на

пружинной опоре (рис. 1.9, (?), поворотными бесприводными с упругими элементами (рис. 1.9,е), выдвижными (рис. 1.9,ж).

Поворотные комбинированные площадки с приводом состоят из жестко закрепленных в головной части щита ножевой части 1 (рйс. 1.9, а, б) и задней поворотной части 2, которая может поворачиваться вокруг оси 3 домкратом 4 посредством тяги 6

Рис. 1.9. Схемы исполнительных органов с комбинированными площадками:

16

или троса 5. В щитах малого диаметра площадки каждой ячей­ ки поворачиваются одним домкратом 7 (рис. 1.9,г). В щитах среднего и большого диаметра может применяться домкратная* система для группы ярусов (2—3) площадок. Принцип дейст­ вия других видов комбинированных площадок ясен изрисун­ ков.

Щиты с такими исполнительными органами предназначены для строительства тоннелей в сыпучих и ..малоустойчивых пес­ чаных породах. Исполнительные органы с комбинированными: площадками применяют в щитах конструкций НИИоснований. и подземных сооружений Госстроя и ПКБ Главстроймеханизации (ПЩМ-3,6), Московского механического завода Главтониельметростроя (ЩМ-17) и др.

1.3. ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ ПО РАЗРУШЕНИЮ, ПОГРУЗКЕ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЮ ПОРОДЫ

Горно-строительные работы включают: подготовительные работы, разработку породного массива, погрузку разрушенной: породы и ее транспортирование из забоя.

П о д г о т о в и т е л ь н ы е р а б о т ы . В состав подготови­ тельных работ входят: проходка стволов или камер, строитель­ ство или монтаж подсобных помещений, установка мехацизмоь для проходки, подводка воды и электроэнергии, опускание щи­ тов с вводом их в забой, оборудование стволов или камер подъ­ емным устройством, лестницами и т. д. В некоторых случаях к строительным площадкам прокладывают автомобильные до­ роги. При необходимости устанавливают оборудование для водопонижения, водоотлива, вентиляции и т. д.

Одним из основных видов работ подготовительного периода является ввод щита в забой. Щиты могут быть введены в ра­ боту из ствола, камеры или с открытого портала. Из ствола щиты вродят в забой чаще всего при строительстве тоннелей малого диаметра.

По местоположению на трассе щитовой проходки и по на­ значению стволы разделяют на монтажные, демонтажные и: вспомогательные. В монтажных стволах монтируют щит и на­ чинают горнопроходческие работы. Через демонтажные стволы осуществляют подъем щита на поверхность. При значительном протяжении участка щитовой проходки проходят вспомогатель­ ные стволы, через которые осуществляют спуск элементов тон­ нельной обделки, материалов и выдачу породы. Вспомогатель­ ные стволы закладывают обычно в местах будущих смотровых колодцев. По размерам вспомогательные стволы меньше, чем монтажные или демонтажные.

Форма поперечного сечения стволов круглая или прямо­ угольная. Диаметр круглого монтажного или демонтажного

ствола должен быть на 30—40 см больше диагонали горизон­ тальной проекции щита с козырьком. Длина (в свету) прямо­ угольных стволов должна быть больше длины .щита с козырь­ ком для монтажных стволов примерно на 0,7—0,8 м; для де­ монтажных— на 0,25 м. Ширина стволов должна быть на 0,5 м -больше диаметра щита.

Щиты малых диаметров на заданную отметку обычно опу­ скают в собранном виде с помощью автокранов. Щит опуска­ ют на заданную отметку и устанавливают на деревянные кру­ жала с уложенными по ним продольными рельсами или на точ­ но выбранный грунтовый лоток. Лоток или рельсы должны обеспечить точное положение установленного на них щита. Наи­ большее отклонение опущенного в ствол щита в профиле и пла­ не не должно превышать ± 5 мм от проектного положения. Пе­ ред опусканием щита лоток или рельсы должны быть провере­ ны маркшейдером.

После опускания в ствол и установки на заданной отметке щит вводится в забой, т. е. врезается в горную породу. Если ствол закреплен деревянной крепью, то у места врезки щита крепь усиливается опорной рамой. У противоположной стенки ствола также устанавливают опорную раму, по углам которой устанавливают четыре распорки из бревен. Противоположную •стенку ствола, воспринимающую давление домкратов, усилива­ ют с помощью возведение от забоя ствола до верха щита стен­ ки из брусьев или бревен. При креплении ствола бетоном часть стенки ствола не закрепляют, оставляя пространство для про­ пуска щита. При вводе щита в забой передача давления от щитовых домкратов на противоположную стенку ствола осуще­ ствляется через нажимную раму или нажимное кольцо и рас­ поры из бревен. Распоры располагают против каждого домкра­ та. Таким образом щит полностью вводят в горную породу и проходят несколько метров тоннеля. Длина тоннеля должна быть такой, чтобы обделка могла воспринимать давление щи­ товых домкратов во время передвижки щита.

При опускании щита на лоток из горной породы передвиж­ ку и’ ввод щита в забой осуществляют за счет отталкивания щита от блоков обделки, укладываемых в пределах ствола в нижней половине щита. При этом передвижка производится только нижними домкратами. После того как щит целиком вре­ жется в грунт, начинается укладка полного кольца блоков. При проходке первых нескольких метров тоннеля для восприятия давления от верхних домкратов перед верхним полукольцом блоков устанавливают полукружало, передающее давление дом­ кратов через бревна на противоположную стенку ствола.

При проведении тоннелей щитами средних и больших диа­ метров для монтажа щитов возводят специальные монтажные камеры.

В конструктивном отношении камера может быть выполне­ на из монолитного бетона аналогично обделке тоннеля, соору­ жаемого горным способом или из сборных железобетонных эле­ ментов— тюбингов. В первом случае (рис. 1.10) при располо­ жении камеры в проходах, оказывающих боковое давление,, конструкция камеры включает свод, боковые стены и обратный, свод, на котором располагают опорную бетонную подушку. С торцов камера имеет проемы для пропуска щитов.

Крепь камеры, помимр обычного расчета, проверяют на мон­ тажные нагрузки: овод — на вес поднимаемого груза, торцевыестены — на усилия щитовых домкратов. Высоту и ширину ка­ меры определяют исходя из размеров щита и необходимых за­ зоров: между щитом и сводом камеры — 0,6—0,8 м, по бокам щита — 0,75—0,8 м. Длину камеры назначают из условия, что­ бы в ее пределах при выдвинутом щите можно было собрать крепеукладчик. Исходя из этого, внутреннюю длину камеры для перегонных и станционных щитов принимают равной 6 м, а с учетом толщины торцевых стен и пространства в хвостовой части щита — 9 м.

Для сборки щитов камеры оборудуют подъемными приспо­ соблениями— лебедками грузоподъемностью 3—5 т, талями и: др. Для этого в своде камеры для перемещения блока талей закрепляют продольные балки. Элементы щита .подают к щи­ товой камере на платформах в порядке, соответствующем мон­ тажному графику.

После окончания сборки щита и монтажа оборудования проводят проверку всей аппаратуры' и приступают к работам: по вводу щита в забой. Для передвижки щита используются нижние гидродомкраты, упором для которых служат тюбинги:

Рис. 1.10. Камера для монтажа щи-	Рис. 1.11. Разработка породы сту-
та	пенчатым забоем

или блоки обделки, укладываемые в лотковой части. После полного ввода щита в забой осуществляется сборка укладчика теми же монтажными средствами, что и при сборке щита.

В случае если способ проведения выработки осуществляет­ ся со стороны открытого портала, на поверхности и основании будущего тоннеля устраивают бетонную подушку с рельсовыми направляющими, на которых монтируют щит при помощи кра­ нового оборудования. Для ввода щита в забой устраивают же­ лезобетонный упор или используют инвентарные металлические опорные плиты и последовательно укладываемые полукольца обделки.

Р а з р а б о т к а з а б о я . Технология разработки забоя в значительной степени зависит от типа щита. По длине трассы тоннеля могут встречаться горные породы с разнообразными физико-механическими свойствами. В связи с этим проведение тоннеля может быть в крепких, мягких и неустойчивых одно­ родных и неоднородных породах. При этом в процессе прове­ дения тоннеля должны быть соблюдены безопасные условия ве­ дения горнопроходческих работ.

Вкрепких породах щит выполняет роль временной ограж­ дающей крепи, гарантирующей безопасность горнопроходче­ ских работ.

Взависимости от крепости разработка пород в забое осу­ ществляется с помощью буровзрывных работ, отбойных молот­ ков или комбинацией этих способов. При буровзрывном спосо­ бе разработка породы может осуществляться сплошным или уступным забоем. При сплошном забое порода разрабатыва­ ется сразу на всю площадь тоннеля с применением контурного

взрывания. Бурение	шпуров, расположённых по трем-четы­
рем концентрическим	окружностям, осуществляется ручными

бурильными пневматическими машинами или электросверлами. Глубина шпуров принимается до 1 м. Это связано с необходи­ мостью предохранения щита от ударов кусками породы и пре­ дотвращения сейсмического' воздейстбия на по!верхность земли при неглубоком залегании тоннеля. Для предохранения аппа­ ратуры щита от действия взрыва ячейки щита оборудуют спе­ циальными устройствами ъ виде стальных решеток или цепей.

Разработку породы при уступной форме забоя применяют при наличии опережающей штольни в породах, допускающих оставление нависающего уступа (рис. 1.11).

При разработке породы отбойными молотками работы ве­ дут с горизонтальных перегородок и выдвижных платформ. По­ рода сбрасывается в нижнюю часть забоя, где она при помощи погрузочных машин грузится в транспортные средства.

Разработка забоя в мягких глинистых и песчаных породах производится пневматическими лопатами и отбойными молот­ ками под защитой ножевого кольца щита. Нож щита в процес­