Комплексная механизация работ при щитовом способе проходки

При щитовом способе сооружения тоннелей комплексная механизация работ предусматривает непрерывное и одновременное выполнение механизированным способом всех основных и вспомогательных операций от забоя до участка готового тоннеля. Необходимый для этого комплект оборудования, основу которого составляет проходческий щит, принято называть щитовым механизированным комплексом.

Очевидно, что ведущая машина такого комплекса – механизированный проходческий щит. Машины и механизмы, расположенные за щитом, состоят из оборудования для возведения обделки, передвижной технологической платформы, транспортного моста для ленточного транспортера, средств для транспортировки грунта из тоннеля, оборудования для нагнетания раствора за обделку и для гидроизоляционных работ, гидравлического и электрического оборудования. Применение щитовых механизированных комплексов создает условия для частичной или полной автоматизации производства, существенно облегчает труд проходчиков и повышает его безопасность, улучшает санитарные условия и ставит на новый уровень общую культуру производства горнопроходческих работ.

В результате значительного объема научно-исследовательской и практической работы советскими специалистами создан большой парк высокопроизводительных механизированных щитовых комплексов для строительства тоннелей малого и среднего диаметров в песках естественной влажности, в мягких и плотных глинах, в смешанных грунтах с включением гравия, а также в скальных с коэффициентом крепости f ≤ 6.

В качестве примеров применения щитовых механизированных комплексов ниже приведены технологические схемы, разработанные для сооружения перегонных тоннелей метрополитена. При этом из большого числа возможных вариантов рассмотрены только наиболее характерные как с точки зрения размеров поперечного сечения тоннеля и инженерно-геологических условий, в которых рекомендовано применение механизированных комплексов, так и с точки зрения конструктивного решения обделок, возводимых с применением этих комплексов.

Проходческие механизированные щитовые комплексы для строительства тоннелей со сборной обделкой имеют маркировку КТ или КМ. Для сооружения тоннелей со сбор: ной железобетонной обделкой в однородных устойчивых грунтах с коэффициентом крепости f ≤ 3, таких, как плотные сухие глины или мягкие мергели, целесообразно использовать комплекс КТ-1-5,6.

На (рис. 2.12) показана принципиальная технологическая схема сооружения тоннеля комплексом КТ-1-5,6 с обделкой, обжатой в грунт. Головной частью комплекса является механизированный щит, породоразрабатывающий орган (1) которого оснащен резцами и скалывателями, закрепленными на четырехлучевой крестовине. Цикл проходки тоннеля начинают (после очередной передвижки щита) с разработки забоя, выдвигая породоразрабатывающий орган на первые 0,5 м. Разрушенный грунт погрузочными ковшами сгружается на щитовой транспортер, а с него по ленточному конвейеру транспортного моста (3) – в бункер. Из бункера грунт грузят в вагонетки (6), которые подают нерасцепленными составами по двухпутной передвижной платформе (8). Транспортный мост, на котором, кроме ленточного конвейера, установлено гидравлическое и электрическое оборудование (в частности, электрическая таль (4)) опирается с одной стороны на щит, а с другой – на скользящую опору (5).

Рис. 2.12 – Технологическая схема сооружения тоннеля механизированным щитовым комплексом КТ-1-5,6 со сборной железобетонной обделкой, обжатой в грунт

Одновременно с разработкой забоя разжимают в грунт ранее уложенное кольцо обделки, которое сошло с оболочки щита после его передвижки. Между лотковыми блоками разжатого кольца устанавливают клинья, вкладыши и омоноличивают стык раствором. Затем, не прекращая разработку и погрузку грунта, дуговым укладчиком (2) собирают очередное кольцо обделки под защитой оболочки щита и производят предварительное его обжатие. Блоки обделки (7) и нагнетатель раствора (9) следуют за щитом на специальных тележках.

По окончании разработки забоя на первые 0,5 м очищают от грунта пространство между диафрагмой щита и выдвинутым вперед породоразрабатывающим органом; убирают режущий орган в исходное положение и передвигают щит, освобождая место под монтаж очередного кольца. На этом цикл заканчивается.

На (рис. 2.13) представлена циклограмма на проходку 1 м перегонного тоннеля метрополитена в плотных глинах с коэффициентом крепости f = 1÷1,2, соответствующая рассмотренной технологической схеме. Сооружение тоннеля ведут сквозной бригадой, состоящей из трех звеньев по 6 человек, включая машиниста щита. Трудоемкость работ на 1 м тоннеля составляет 6 чел.-ч, уровень механизации работ – 96%. Средние темпы проходки тоннеля составляют 450–500 м/мес, однако этим еще далеко не исчерпываются технические ресурсы комплекса. Так, в Ленинграде при показательных скоростных проходках достигнуты скорости 676 м/мес. в 1976 г., 876 м/мес. – в 1978 г., 1070 м/мес. – в 1980 г. В 1981 г. ленинградские метростроители добились наивысших в нашей стране и за рубежом показателей скорости сооружения тоннелей метрополитена: за 31 рабочий день было сооружено 1253 м, максимальная суточная скорость достигла 48,2 м, сменная – 20,2 м.

Рис. 2.13 – Циклограмма на сооружение 1 м тоннеля со сборной железобетонной обделкой, обжатой в грунт, механизированным щитовым комплексом КТ-1-5,6 (цифрами указано число рабочих, выполняющих операцию)

Для проходки тоннелей мелкого заложения в условиях, когда песчаные грунты перемежаются с плотными суглинками, созданы и успешно внедряются на строительстве метрополитенов страны щитовые комплексы КМ-42, КМ-43, КТ-5,6 Б2. Щиты таких комплексов оснащены экскаваторным (одним или двумя) рабочим органом телескопического типа с гидроприводом.

Для механизированной проходки тоннелей в смешанных по трассе грунтах созданы комплексы, оснащенные сменными исполнительными органами. Так, с 1982 г. на строительстве метрополитенов в Москве и Новосибирске начали эксплуатироваться комплексы КТ-5,6 Д2 со сменным стреловым оборудованием: экскаваторным и фрезерным. Такие комплексы предназначены для сооружения перегонных тоннелей как мелкого, так и глубокого заложения с возведением сборной железобетонной или чугунной обделки. При проходке в супесях, суглинках, глинах с включением гравия, гальки и валунов щит в составе комплекса оборудуют шарнирно-рычажным экскаваторным органом. При проходке в плотных глинах, мергелях, известняках с коэффициентом крепости f = 5 экскаваторный орган заменяют на фрезерный, выполненный по аналогии со стреловым исполнительным органом комбайна 4ПП2 или ГПКС. Замена одного рабочего органа другим возможна в процессе сооружения тоннеля без демонтажа щита.

При сооружении в супесях и глинистых грунтах перегонного тоннеля мелкого заложения со сборной железобетонной обделкой, обжатой в грунт, цикл работ после передвижки щита начинают с разработки грунта экскаваторным органом (3) (рис. 2.14) щита. Грунт разрабатывают по всему сечению забоя сверху вниз на заходку, равную ширине кольца обделки. Для предохранения кровли от обрушения по мере разработки грунта в верхней части забоя по периметру выступающей части ножевого кольца (аванбека) выдвигают секции выдвижного козырька (1). Лоб забоя удерживают под углом естественного откоса выдвижными горизонтальными площадками (2). Погрузочная машина (10) подает грунт через свой транспортер (9) на конвейер (5), откуда он поступает в кузов автосамосвала (6). Для улучшения вентиляции тоннеля на глушителях автосамосвалов устанавливают нейтрализаторы газов, а в тоннеле, кроме основной вентиляции, должна быть предусмотрена дополнительная нагнетательная вентиляция. Одновременно с разработкой грунта производят окончательное обжатие кольца, которое сошло с оболочки щита. Затем передвигают к щиту технологический комплекс и, не прекращая разработку и погрузку грунта, монтируют очередное кольцо обделки.

Рис. 2.14 – Технологическая схема сооружения тоннеля механизированным щитовым комплексом КТ-5,6 Д2 с транспортировкой грунта автосамосвалами

Блоки обделки доставляют на автосамосвале, разгружают на блоковозки (7) и электрической талью (8) по монорельсу подают в забой. Монтаж обделки ведут укладчиком, выполненным в виде двух рычагов-манипуляторов (4). Такая конструкция укладчика позволяет вести монтаж кольца одновременно с двух сторон от лоткового блока и совместить эту операцию по времени с разработкой грунта в забое. После замыкания кольца обделки производят его разжатие.

Представление об организации работ, трудоемкости отдельных операций и темпах проходки дает циклограмма, приведенная на (рис. 2.15). Предусмотренная циклограммой организация работ позволяет вести проходку тоннеля со скоростью 8 м/сут (до 200 м в месяц) при затратах труда 18 чел.-ч на 1 м тоннеля.

Рис. 2.15 – Циклограмма на сооружение 1 м тоннеля со сборной железобетонной обделкой, обжатой в грунт, механизированным щитовым комплексом КТ-5,6 Д2 (цифрами указано число рабочих, выполняющих операцию)

Для сооружения однопутных железнодорожных тоннелей и тоннелей различного назначения с обделкой из чугунных тюбингов диаметром 8,5 м в песках и глинах с включением гравийно-галечных отложений и валунов, а также в обводненных скальных грунтах с коэффициентом крепости f = 5 предназначен механизированный щитовой комплекс КТ-8,5 Д2 (рис. 2.16). При проходке тоннеля в слабых грунтах их разрабатывают тремя экскаваторными рабочими органами (2), установленными на горизонтальных площадках щита. Каждым экскаваторным рабочим органом управляет машинист с пульта (3). Для защиты кровли от обрушения в рабочей зоне по мере разработки грунта выдвигают выдвижные козырьки (шандоры) (1) и площадки щита. При помощи экскаваторной машины и погрузочного устройства (13) с нагребающими лапами грунт поступает на транспортер-перегружатель (5) и далее по ленточному конвейеру (6) в транспортные средства (например, в самосвальный автопоезд МоАЗ-6401-9585 или в саморазгружающиеся составы вагонов типа ВПК-Ю).

Рис. 2.16 – Технологическая схема сооружения железнодорожного тоннеля механизированным щитовым комплексом КТ-8,5 Д2: 1 – выдвижные шандоры; 2 – экскаваторные рабочие органы; 3 – пульт управления; 4 – укладчик тоннельной обделки кольцевого типа; 5 – транспортер-перегружатель; 6 – ленточный конвейер; 7 – технологическая тележка; 8 – тележка для чеканочных работ; 9 – вентиляционный трубопровод; 10 – разминовочная эстакада; 11 – самосвальный автопоезд МоАЗ-6401-9585; 12 – нагнетатель раствора; 13 – погрузочное устройство

Элементы обделки доставляют к тележке укладчика, где погружают на цепной рольганг и подают по нему под захват укладчика кольцевого типа (4). На технологической тележке (7) установлен нагнетатель раствора за тоннельную обделку. На (рис. 2.17) представлена циклограмма сооружения тоннеля механизированным щитовым комплексом КТ-8,5 Д2 в грунтах с коэффициентом крепости f = 1÷2. Продолжительность цикла 6 ч, скорость проходки 3 м/сут.

Рис. 2.17 – Циклограмма на сооружение 0,75 м железнодорожного тоннеля с обделкой из чугунных тюбингов механизированным щитовым комплексом КТ-8,5 Д2 (цифрами указано число рабочих, выполняющих операцию)

При проходке тоннеля в нарушенных скальных грунтах экскваторные органы на щите механизированного комплекса КТ-8,5 Д2 заменяют на рабочие органы фрезерного типа от комбайна 4ПП-2. Отдельные слои более прочных грунтов в забое или крупные валуны разрушают взрывами небольших зарядов.

Проходческие механизированные комплексы для строительства тоннелей с монолитно-прессованной бетонной обделкой имеют маркировку ТЩБ или ТЩФ. Особенностью, присущей комплексам типа ТЩБ, является наличие устройств, обеспечивающих прессование бетонной смеси усилиями вдоль оси тоннеля по всей площади торцовой поверхности обделки, и шарнирно-складывающейся секционной опалубки с механизмами для ее перемещения. Бетонную смесь в заопалубочное пространство подают через отверстие в прессующем устройстве. Транспортируют ее без промежуточной перегрузки от бетонного узла к проходческому комплексу пневмобетоноподатчиками. В качестве примера рассмотрим более подробно технологию сооружения тоннелей механизированным щитовым комплексом ТЩБ-7 (рис. 2.18).

Рис. 2.18 – Технологическая схема сооружения тоннеля механизированным щитовым комплексом ТЩБ-7 с монолитно-прессованной обделкой: 1 – выдвижные площадки щита; 2 – рыхлительная машина челюстного действия; 3 – породопогрузочная машина; 4 – прессующее кольцо; 5 – бетоновод; 6 – секции опалубки; 7 – гидроцилиндр перестановщика опалубки; 8 – перестановщик секционной опалубки; 9 – воздухосборник; 10 – пневмобетоноукдадчик; 11 – погрузочный бункер; 12 – транспортер; 13 – катучая опора; 14 – мост транспортный

Комплекс предназначен для сооружения тоннелей с внутренним диаметром обделки 5200 мм в песчаных грунтах естественной влажности с прослойками глин, а также в неплотных глинах и суглинках, с включением валунов размером до 200 мм.

Головной частью комплекса является механизированный щит ЩБ-7 с выдвижными площадками (1). Цикл работ начинают после передвижки щита на величину, обеспечивающую установку одной секции опалубки. Секцию (6) шириной 600 мм устанавливают под защитой оболочки щита с помощью самоходного перестановщика секционной опалубки (8), который передвигается по транспортному мосту (14). К установленной и закрепленной болтами секции гидроцилиндрами щита подается прессующее кольцо (4), которое перекрывает торец опалубки. К моменту завершения этой операции подают состав пневмобетоноукладчиков (10) и соединяют бетоновод (5) с патрубком прессующего кольца. Пневмобетоноукладчики опорожняют, поочередно подсоединяя их к системе сжатого воздуха и бетоноводу. По завершении бетонирования щит продвигают вперед, при этом реактивным усилием щитовых гидроцилиндров, упирающихся в. прессующее кольцо, уплотняется бетонная смесь. В процессе передвижки щита грунт в забое рыхлят и сбрасывают с площадок четырьмя механизмами челюстного действия (2). Устойчивость забоя обеспечивается за счет естественных осыпей, образующихся на горизонтальных площадках щита.

Параллельно с разработкой и транспортировкой грунта снимают заднюю секцию опалубки, складывают, очищают, смазывают и перевозят к месту установки. Этим завершаются работы одного цикла.

На (рис. 2.19) приведена циклограмма на сооружение 1,5 м тоннеля в смену по описанной технологии. Работы производит звено, состоящее из 6 человек, включая машиниста щита. При такой организации работ устойчивая скорость проходки составляет 4,5 м/сут, а затраты труда на 1 м тоннеля – 28,8 чел.-ч. Высший результат проходки для комплекса ТЩБ-7 достигнут при сооружении перегонного тоннеля метрополитена в г. Горьком – 135 м в месяц.

Рис. 2.19 – Циклограмма на сооружение 1,5 м тоннеля механизированным комплексом ТЩБ-7 с монолитно-прессованной обделкой (цифрами показано число рабочих, занятых на выполнение операции)

На основе накопленного опыта сооружения тоннелей с обделкой из монолитно-прессованного бетона создана новая технология с использованием комплекса ТЩФ-1, которая благодаря наличию в комплексе опалубки специальной конструкции исключает трудоемкие операции по разборке, перестановке, очистке и сборке секций опалубки, позволяет увеличить заходку прессования с 660 до 750 мм. За счет технического совершенствования комплекса скорость сооружения тоннелей с обделкой из монолитно-прессованного бетона будет доведена до 180–200 м в месяц.