§ 68. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ЩИТОВОМ СПОСОБЕ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ
Сущность щитового способа сооружения тоннелей может быть пояснена путем сравнения с известными из раздела II горными способами работ. При этом целесообразно сопоставить применяемые процессы работ в забое с явлениями, происходящими в горном массиве, окружающем выработку.
При горных способах проходки тоннелей в неустойчивых породах раскрытие сечения в большинстве случаев ведут в несколько этапов с тщательным креплением выработки на каждом этапе расширения. При этом завершающий этап работ — возведение обделки — значительно отстает от головного забоя, что приводит к необходимости длительное время поддерживать выработку на временных крепях.
Размеры области неупругих деформаций, возникающих в результате влияния процесса разработки, зависят от ряда факторов. Из них главными являются механические свойства горных пород, степень податливости крепи, глубина расположения, размеры и форма выработки. Более податливой крепи соответствуют большие размеры области неупругих деформаций, приводящих в пределе к образованию свода обрушения. Все это характеризует многоэтапные горные способы проходки как неблагоприятные, что можно проследить на графике изменения горного давления по времени (рис. 227).
Головной агрегат — щит — представляет собой подвижную металлическую крепь, под защитой которой выполняются основные операции: разработка и крепление забоя, уборка породы и сооружение постоянной крепи — обделки.
При помощи дополнительных специальных орудий все эти трудоемкие процессы можно частично или полностью механизировать, и тогда щит превращают в механизированный агрегат, обеспечивающий достижение высоких скоростей работ при весьма малых затратах труда.
Главное достоинство щитовой проходки заключается в том, что она в отличие от горных способов работ не требует применения временных крепей, что повышает безопасность и экономическую эффективность выполнения работ. Кроме того, как будет показано ниже, щитовая проходка может быть применена в большом диапазоне геологических и гидрогеологических условий при значительном давлении горных пород и воды, что делает ее универсальным способом работ. Таким образом, в любых грунтовых условиях соответственно приспособленный щит обеспечивает возможность частичной или полной механизации всех процессов тоннельных работ при высоком качестве цикличности и поточности их выполнения.
К особенностям щитового способа относится узость фронта работ и необходимость одновременного производства ряда операций по сооружению тоннеля, что требует строгой увязки всех процессов во времени и высокой их механизации.
В городских условиях щитовая проходка может оказаться единственно возможным способом работ, так как она может выполняться круглогодично без вскрытия поверхности, нарушения уличного движения и подземного хозяйства городов (при условии проведения специальных конструктивных и технологических мероприятий).
Щитовой способ сооружения тоннелей, являясь наиболее эффективным и индустриальным, получил широкое применение и развитие в СССР и за границей на строительстве тоннелей различного назначения. В дальнейшем этот способ найдет еще большее применение главным образом в мягких и неустойчивых породах, позволяющих достигнуть наибольшей эффективности проходки.
Наибольшее развитие в Советском Союзе получила щитовая проходка на строительстве тоннелей метрополитенов: первоначально (с 1934 г.) Московского, затем Ленинградского, Киевского, Тбилисского и Бакинского. В короткий срок (с 1935 по 1938 г.) была создана новая индустриальная база тоннелестроения с мощным парком тоннельных проходческих щитов, запроектированных советскими специалистами и изготовленных на советских заводах. При помощи этих щитов были сооружены перегонные тоннели, а также станции метрополитена глубокого заложения II и III очередей и наиболее трудные участки IV очереди Московского метрополитена.
На следующих этапах работ были внедрены механизированные щиты, давшие скорость проходки до 200 пог. м в месяц (или 10,4 пог. м в сутки против 4,0 пог. м в сутки обычными щитами) в условиях пород средней крепости. В дальнейшем скорость проходки щитами обычного типа в условиях суглинков и песков с валунами доведена до 250 пог. м в месяц, а в песках — до 400 пог. м в месяц.
При строительстве Ленинградского, Киевского, Бакинского и Тбилисского метрополитенов широко применялись механизированные щиты, позволившие достигнуть еще более высоких скоростей проходки перегонных тоннелей. Нашли также большое применение станционные щиты, обеспечивающие надежность работ и высокие скорости их выполнения.
Щитовую проходку широко применяют на строительстве коммунальных коллекторных тоннелей Москвы (с 1935 г.) и других городов, тоннелей для различных технологических целей на промышленных предприятиях черной и цветной металлургии, тяжелого машиностроения, угольных и рудных бассейнов» а также в гидротехническом строительстве.
Совершенствование щитового способа сооружения тоннелей в самых разнообразных геологических и гидрогеологических условиях основано на следующих предпосылках:
Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены
Сущность щитового способа сооружения тоннелей и его особенности
Введение
Дисциплина «Щиты и щитовые комплексы» изучает технологию сооружения тоннелей щитовым способом. В рамках изучаемого материала дисциплины студенты будут ознакомлены с сущностью щитового способа проходки тоннелей, историей развития щитового способа проходки, конструкциями, принципом действия современных механизированных проходческих щитов, укладчиков сборных тоннельных обделок и составом тоннелепроходческих механизированных комплексов для щитовой проходки тоннелей.
Сущность щитового способа сооружения тоннелей и его особенности
Щитовой способ сооружения тоннелей основан на применении в забое специального агрегата – проходческого щита, под защитой которого выполняются все операции проходческого цикла, включая возведение обделки.
Проходческий щит представляет собой подвижную металлическую крепь (рис. 2.1.).
Рис. 2.1. Конструктивная схема проходческого щита
Основными элементами проходческого щита являются: ножевое кольцо 1, опорное кольцо 2, хвостовая оболочка 4, щитовые гидравлические домкраты 3, а также горизонтальные 8 и вертикальные 9 перегородки.
Разработка грунта в забое происходит в головной части щита, под защитой ножевого кольца. Грунт разрабатывается на глубину заходки равной, как правило, ширине кольца сборной обделки тоннеля 5. Если разработка грунта в забое щита производится специальным породоразрабатывающим механизмом, который называется рабочим или исполнительным органом, то щит называется механизированным. После разработки породы в головной части щита его передвигают вперёд при помощи щитовых домкратов 3, отталкивающихся от тоннельной обделки 5 в хвостовой части щита. По завершении перемещения щита на величину равную ширине кольца обделки, штоки щитовых домкратов убираются, и внутри хвостовой оболочки образуется свободное пространство, в котором производится монтаж очередного кольца обделки 7 при помощи укладчика тоннельной обделки 6. Таким образом, под защитой проходческого щита, совершается весь тоннелепроходческий цикл.
Резюмируя вышесказанное, можно отметить основные особенности щитового способа проходки тоннелей по сравнению с горным способом. Это, прежде всего, использование специального проходческого агрегата – щита, в пределах которого происходит выполнение всех операций проходческого цикла, включая возведение обделки, а также максимальное приближение места возведения обделки к забою.
Сравнивая щитовой и горный способы сооружения тоннелей, следует отметить более высокую степень безопасности ведения проходческих работ при щитовом способе, особенно в неустойчивых и слабоустойчивых грунтах. Щитовой способ можно применять в весьма широком диапазоне инженерно-геологических условий: от неустойчивых обводнённых грунтов до крепких скальных пород, причём с применением механизированных агрегатов для разработки грунта в забое щита. Возможность получения ровного контура выработки обеспечивает широкое применение сборных обделок индустриального изготовления. Современные проходческие щиты обеспечивают полную механизацию всех операций проходческого цикла.
Механизированные щиты для глинистых грунтов
Список использованной литературы
Введение
Дисциплина «Щиты и щитовые комплексы» изучает технологию сооружения тоннелей щитовым способом. В рамках изучаемого материала дисциплины студенты будут ознакомлены с сущностью щитового способа проходки тоннелей, историей развития щитового способа проходки, конструкциями, принципом действия современных механизированных проходческих щитов, укладчиков сборных тоннельных обделок и составом тоннелепроходческих механизированных комплексов для щитовой проходки тоннелей.
Сущность щитового способа сооружения тоннелей и его особенности
Щитовой способ сооружения тоннелей основан на применении в забое специального агрегата – проходческого щита, под защитой которого выполняются все операции проходческого цикла, включая возведение обделки.
Проходческий щит представляет собой подвижную металлическую крепь (рис. 2.1.).
Рис. 2.1. Конструктивная схема проходческого щита
Основными элементами проходческого щита являются: ножевое кольцо 1, опорное кольцо 2, хвостовая оболочка 4, щитовые гидравлические домкраты 3, а также горизонтальные 8 и вертикальные 9 перегородки.
Разработка грунта в забое происходит в головной части щита, под защитой ножевого кольца. Грунт разрабатывается на глубину заходки равной, как правило, ширине кольца сборной обделки тоннеля 5. Если разработка грунта в забое щита производится специальным породоразрабатывающим механизмом, который называется рабочим или исполнительным органом, то щит называется механизированным. После разработки породы в головной части щита его передвигают вперёд при помощи щитовых домкратов 3, отталкивающихся от тоннельной обделки 5 в хвостовой части щита. По завершении перемещения щита на величину равную ширине кольца обделки, штоки щитовых домкратов убираются, и внутри хвостовой оболочки образуется свободное пространство, в котором производится монтаж очередного кольца обделки 7 при помощи укладчика тоннельной обделки 6. Таким образом, под защитой проходческого щита, совершается весь тоннелепроходческий цикл.
Резюмируя вышесказанное, можно отметить основные особенности щитового способа проходки тоннелей по сравнению с горным способом. Это, прежде всего, использование специального проходческого агрегата – щита, в пределах которого происходит выполнение всех операций проходческого цикла, включая возведение обделки, а также максимальное приближение места возведения обделки к забою.
Сравнивая щитовой и горный способы сооружения тоннелей, следует отметить более высокую степень безопасности ведения проходческих работ при щитовом способе, особенно в неустойчивых и слабоустойчивых грунтах. Щитовой способ можно применять в весьма широком диапазоне инженерно-геологических условий: от неустойчивых обводнённых грунтов до крепких скальных пород, причём с применением механизированных агрегатов для разработки грунта в забое щита. Возможность получения ровного контура выработки обеспечивает широкое применение сборных обделок индустриального изготовления. Современные проходческие щиты обеспечивают полную механизацию всех операций проходческого цикла.
Мегастройки! Строительство транспортных тоннелей.
Технология строительства транспортных тоннелей
Выбор способа строительства, глубины, длины зависит от климатических, топографических и геологических условий местности. Подземная дорога может пересекать любые труднопроходимые отрезки пути. Тоннели стоят сквозь непреодолимые препятствия рельефной местности, под водой, где мосты мешали бы судоходству, под городскими постройками (метрополитен), в скальных грунтах.
Строительство транспортных тоннелей производится открытым и закрытым способом. Иногда два способа комбинируются.
Открытый способ
Этот способ применяется для неглубокого залегания тоннеля на глубине 10-15 м. Он более дешевый и менее трудоемкий, чем закрытый способ. Технология предусматривает рытье котлована, укрепление стенок и обратную засыпку. Кроме основных работ по строительству также необходимо переносить существующие инженерные коммуникации, укреплять грунты над проходкой.
Существует несколько распространенных методов. В их число входит:
В случае сильно обводненных грунтов, трещиноватых скальных грунтов, песчано-глинистой почвы и прочих неустойчивых геологических условий применяются специальное укрепление грунтов. К числу укрепления относят: водопонижение, замораживание грунта, цементация скальных пород, химическое закрепление, метод сжатого воздуха, пр.
Закрытый способ
Для ведения проходческих работ в зависимости от размера тоннеля, инженерных условий используются различные методы.
В процессе обустройства подземного сооружения производится механическая выемка грунта, разработанный грунт попадает на ротор с резцами, потом на конвейер и транспортируется на вагонетки. Скорость механизированной проходки составляет до 1200 м за месяц. В агрессивных и неустойчивых средах используются щиты с активным пригрузом. Во время работы укрепляется тоннельная обделка. Она может быть выполнена с помощью подачи бетона, сжатого воздуха, уплотнения грунта. Активный пригруз создается в призабойной зоне.
Первый проходческий щит был спроектирован в 1825 г. при сооружении метрополитена под Темзой. Его создал Марк Брюнель, когда наблюдал за корабельным червем. Изобретатель заметил, что голова червя была покрыта панцирем. С помощью зазубренной челюсти он буравил дерево. Углубляясь, червь оставлял за собой на стенках хода защитный слой извести
В зависимости от существующей грунтовой породы выбирают ту или иную технологию.
Методы строительства транспортных тоннелей для устойчивых скальных и среднекрепких грунтов:
В слабых обводненных, агрессивных средах применим:
Для неустойчивых, подверженных пучению, сильнотрещиноватых грунтов используется:
В горах наиболее распространен горный метод с применением буровзрыных работ, проходческих машин в щитах. Под водой используют опускные или щитовые секции. В черте города наиболее приемлемый открытый способ. В нестандартных условиях применяют способ продавливания проходки, закрепление химическими реагентами или водопонижение, замораживание грунтов.
Характеристика транспортных тоннелей
Основные технические характеристики транспортных тоннеле
Размер и форма выбирается согласно ГОСТ 24451-80 с учетом используемых механизмов, размещения эксплуатационных устройств, приближения строений.
Инженерные системы в тоннелях
Каждый тоннель для бесперебойной и безопасной работы проектируется с инженерными системами. Это:
Современные системы проектируются автоматизированными. Они могут управляться дистанционно и ручными методами.
Кроме того, по правилам техники безопасности в стенах тоннелей строятся ниши под оборудование пожарной защиты, сигнализации, электрощитовые, через каждые 100 м делают эвакуационные выходы.
Воздухообмен тоннелей достигает несколько тысяч м3 за секунду. Например, в автотоннеле Сен-Готард приток воздуха 2150 м3/сек, что приравнивается к пересечению тоннеля 1850 машин за час.
Самые длинные и глубокие тоннели
Самым длинным туннелем в мире считается Делавэрский акведук, который расположен в штате Нью-Йорк США и построен в 1945 г. Его длина составляет 137 000 м. Это основной водопроводный тоннель штата, который пробурен через скальные породы.
Готардский тоннель, Швейцария (57 091 м) – самый длинный автотранспортный тоннель в мире. С северного конца он выходит возле деревушки Эрстфельд, а южный выход расположен возле поселка Бодио. Благодаря новой транспортной ветке время пребывания в пути от Цюриха до Милана сократилось на 1 час. Он представляет собой 2 параллельные линии для двухстороннего движения, соединенные галереями. Открыт в 2016г.
Самый длинный метрополитен в мире Гуанчжоу, построенный в Китае в 2010г. Его протяженность – 60 400 м.
В России самая протяженная подземная дорога – это Московский метрополитен. Его длина составляет 37800м. Он считался самым длинным метро в мире с 1978 по 1984г, с 1990 по 1995г.