Глава 20
НЕМЕХАНИЗИРОВАННЫЕ ТОННЕЛЬНЫЕ ЩИТЫ
§ 81. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Щит представляет собой металлическую крепь, периодически перемещающуюся под действием гидравлических домкратов. Опорой для домкратов служит торцовая плоскость обделки, собираемой под защитой оболочки щита.
Форма поперечного сечения щита зависит от формы сечения тоннельной обделки и поэтому может быть круговой, эллиптической, подковообразной и прямоугольной. Преимущественное применение имеют щиты кругового очертания, которые и будут поэтому рассмотрены более подробно (специальные щиты рассмотрены в главе 21).
Хотя конструктивные решения щитов достаточно разнообразны, в их схеме можно выделить следующие основные части (рис. 287): ножевое кольцо, опорное кольцо, хвостовую часть, перегородки и щитовые домкраты.
Ножевое кольцо служит для частичного срезания мягких и сыпучих пород и предохранения от вывала породы.
Опорное кольцо, непосредственно примыкающее к ножевому служит для размещения щитовых и забойных гидравлических домкратов, труб и пускорегулирующей аппаратуры.
Хвостовая часть, представляющая собой тонкую оболочку, консольно выступающую в сторону тоннеля, служит для ограждения места монтажных работ по всему контуру обделки или только в ее верхней части.
Перегородки — горизонтальные и вертикальные — делят щит на независимые рабочие ячейки, необходимые для производства тщательного крепления и безопасности ведения работ по всему забою.
Щитовые гидравлические домкраты служат для перемещения щита и в некоторых случаях для его вдавливания с целью разработки породы.
Конструкция щитов в целом или их отдельных узлов и приспособлений должна соответствовать инженерно-геологическим условиям и технологии проходки.
К немеханизированным щитам предъявляются следующие основные требования:
- при всех условиях проходки конструкция щитов должна быть прочной и жесткой, обеспечивающей неизменность геометрической формы сечения обделки;
- для проходки в породах, поддающихся механической разработке, конструкция щитов должна обеспечивать размещение и крепление проходческих машин;
- в сыпучих и разжиженных породах конструкция щитов должна допускать установку специальных устройств для ограждения забоя и частичного дозированного впуска породы внутрь тоннеля при вдавливании щита;
- для пересечения крепких пород, требующих применения буровзрывных работ, щиты и вспомогательное оборудование (выдвижение платформы) должны иметь более надежную конструкцию;
- в смешанных породах по трассе и в поперечном сечении тоннеля конструкция щитов должна обеспечивать возможность установки и снятия дополнительных забойных ограждений (домкратов и др.);
- конструкция щитов должна быть, как правило, сборной, обеспечивающей удобную сборку в котлованах или в подземных условиях; как исключение, при малых размерах щитов их конструкция может быть цельносварной;
- ножевое кольцо должно иметь в верхней части уширение-козырек (аванбек) а (см. рис. 288), размеры которого зависят от степени устойчивости пород. В неустойчивых породах такой козырек может иметь значительные размеры; в некоторых случаях его делают выдвижным;
- опорное кольцо должно иметь достаточную ширину для размещения щитовых домкратов; в отдельных случаях, чтобы увеличить длину щита с целью размещения в нем механического оборудования, применяют два опорных кольца или одно уширенное;
- хвостовая часть щита должна перекрывать одно или два кольца обдели с небольшим запасом для обеспечения безопасности при монтажных и демонтажных работах (последние производятся в случае замены поврежденного элемента обделки);
- перегородки щита следует размещать с учетом удобства ведения проходческих и погрузочных работ, а также в отдельных случаях с учетом размещения тюбингоукладчика; кроме этого, перегородки играют роль элементов жесткости конструкции;
- гидравлические щитовые домкраты нужно располагать и закреплять в опорном кольце равномерно и параллельно оси щита, что необходимо для правильного ведения щита по заданной трассе.
§82. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ЩИТА
Основные геометрические размеры щита определяют в зависимости от диаметра обделки, условий окружающей среды и вида проходческого механизированного оборудования. При определении размеров немеханизированного щита последний фактор не учитывается.
Наружный диаметр оболочки щита Дщ (рис. 288) зависит непосредственно от диаметра тоннельной обделки d, сооружаемой внутри хвостовой части щита. Между внутренней поверхностью оболочки щита и обделкой при конструировании щитов необходимо предусмотреть так называемый строительный зазор e для удобства сборки обделки и обеспечения небольших отклонений оси щита от направления оси тоннельной обделки при проходке криволинейных участков трассы. Средняя величина строительного зазора, удовлетворяющая обоим условиям, приблизительно равна 0,8% наружного диаметра обделки. Таким образом, наружный диаметр оболочки щита
(244)где δ — толщина оболочки щита.
Ширина ножевого кольца Lн может колебаться в известных пределах в зависимости от степени устойчивости проходимых пород. В устойчивых породах эта величина должна быть достаточной для удобной и безопасной работы проходчика. Такому условию удовлетворяет размер 1—1,2 м. В сыпучей среде требуемая ширина ножевой части корректируется дополнительными условиями расположения лобового откоса под углом обрушения в пределах ножа при незакрепленном забое.
Ширина опорного кольца Lоп.к определяется длиной цилиндра щитового домкрата, помещаемого внутри опорного кольца, за исключением головной части с уплотнительными устройствами. По конструктивным соображениям и опытным, данный ширина опорного кольца может быть принята равной удвоенной величине рабочего хода щитового домкрата.
Учитывая, что рабочий ход домкрата равен ширине кольца обделки b, можем записать
Lоп.к = 2b.
Длина хвостовой (консольной) части оболочек Lоб слагается из трех величин:
Lоб = l1 + l2 + l3,
где l1 — длина перекрытия обделки, принимаемая при проходке в устойчивых породах равной ширине одного кольца обделки, а при проходке в неустойчивых породах — равной ширине двух колеи с небольшим запасом, т. е.
l1 = (1,2÷2,2)b;
l2 = 0,15÷0,2 м — длина свободного промежутка между опорой домкрата и плоскостью кольцевого борта обделки;
l3 = 0,6÷0,7 м — длина головной и опорной частей щитового домкрата.
Полная длина щита поверху
(245)Отношение полной длины щита к его диаметру характеризует степень маневренности щита.
Для немеханизированных щитов средних диаметров (5—7 м) это отношение рекомендуется принимать равным 0,75, а для щитов больших размеров — 0,45. Такие отношения обеспечивают, помимо маневренности, достаточную устойчивость щитов при их перемещении по заданной трассе.
Развитие по длине механизированных и специальных щитов зависит от вида оборудования, помещаемого внутри щита, и применяемых средств уплотнения строительного зазора. Что касается щитов небольших диаметров, то их длина обычно больше диаметра, поэтому ее не ограничивают определенными соотношениями, так как состав и размеры основных элементов остаются неизменными. Основное назначение таких щитов — сооружение прямолинейных коммунальных и гидротехнических тоннелей больших протяжений при весьма малых уклонах, где наиболее важным показателем щитов считается их устойчивость.