Строительство тоннелей щитовым способом

Щитовая проходка тоннелей и коллекторов

При постройке тоннелей, предназначенных для различных подземных коммуникаций (в том числе теплосетей, кабелей, газопроводов) на большой глубине мы используем способ щитовой прокладки тоннеля.

Щитовая проходка тоннеля

Особенности данного способа позволяют:

• осуществлять прокладку тоннелей в любых гидрогеологических условиях;
• увеличить максимально возможную глубину прокладки;
• значительно облегчить выбор трассы коммуникаций;
• одновременно проложить несколько напорных трубопроводов различного назначения.

Щитовая прокладка для устройства тоннелей и коллекторов представляет собой работы по разработке грунта под прикрытием щита, а также закрепление тоннеля или коллектора железобетонными, чугунными тюбингами сборного типа, либо монолитными блоками и блоками из керамики. При щитовой прокладке используется проходнический щит, который выполнен в виде металлической оболочки, которая в диаметре равна наружному диаметру устраиваемого тоннеля.

Проходнический щит имеет три основные части:

• первая (передняя) имеет клиновидную форму, бывает с козырьком и без, выполняет режущие функции;
• вторая (средняя) включает в себя домкраты и является опорной;
• третья (задняя) является хвостовой.

Формирование обделки (иначе — стенок) коллектора осуществляют в задней части щита.

Виды щитов

Для проведения работ мы используем щиты разных видов, имеющие диаметр от 2 до 5 м.

Щиты бывают немеханизированные, частично механизированные и механизированные, в зависимости от способов разработки и транспортировки грунта.

Немеханизированные щиты просты в эксплуатации и применимы при устройстве коллекторов до 2,5 м в диаметре, а механизированные, в свою очередь, более производительны, но и сложнее в управлении.

Механизированный проходческий щит

• Немеханизированные щиты мало различаются по конструкции, из отличий можно выделить головную часть, которая бывает закрытой и открытой, а также горизонтальные полки и жесткие решетки. Если головная часть открытого типа, то режущую часть снабжают козырьком с клиновидным ножом. Вперед щит продвигается за счет гидравлических домкратов, которые устанавливают по периметру щита, их штоки упираются в предварительно уложенные части тоннельной обделки. Расположенная в середине щита опорная часть гарантирует его жесткость и прочность. Под защитой хвостовой (задней) части производят монтаж 1-2 колец сборной обделки либо участок монолитной. В зависимости от типа грунта, диаметра выработки, количества домкратов и мощности насосной установки, скорость проходки немеханизированными щитами составляет 0,8-1,2 м за смену.
• В механизированных щитах предусмотрены механизмы, позволяющие разрабатывать и направлять грунт для погрузки. Рабочая часть таких щитов бывает роторной, экскаваторной, штанговой или гидромеханической. Наиболее часто используются щиты с экскаваторными и роторными рабочими органами. В щитах с роторной рабочей частью, разработанный резцами грунт постоянно попадает на спиральные лопатки и направляется на ленточный конвейер, который переносит его в тележки, имеющие съемный кузов. Вне зависимости от движения щита, гидравлические домкраты продвигают рабочий орган на 1 м, одновременно с этим перемещается и конвейер-перегружатель.

Этапы щитовой прокладки

Работы по проходке щитов мы проводим в три этапа.

1. Подготовительный этап. Здесь наши рабочие создают начальную или монтажную шахту, по которой будет опускаться щит, устраивают вентиляцию, подводят электричество и пр. Создают условия для откатки грунта — прокладывают пути, оборудуют всем необходимым стройплощадку и шахтный двор. В шахте сооружается упор из свай и производится монтаж щита в указанном в проекте положении.
2. Основной этап — это непосредственно передвижение щита и монтаж обделки.
3. Третий этап необходим для тоннелей под канализационный коллектор — в нем устраивают лоток.

Непосредственно проходка коллектора состоит из нескольких процессов: начиная от разборки грунта, перемещение щита, поставки материалов, устройства обделки и завершая вспомогательными работами, предусматривающими прокладку коммуникаций и устройство путей отката.

Основным процессом считается разработка породы, так как скорость щитовой проходки зависит именно от нее. Трудозатраты зависят в большей степени от типа щита — немеханизированные щиты с ручной разборкой породы значительно увеличивают трудоемкость. Именно поэтому, если позволяет тип грунта, мы используем механизированные щитовые комплексы.

Прокладка в сложных грунтах

Различные гидрогеологические условия могут создать некоторые сложности при работе, но современное оборудование и разработанные способы прокладки, позволяют работать практически в любых грунтах.

• В твердых породах. В грунтах, где нет возможности использовать механизированные комплексы (например, в твердых грунтах) наши рабочие используют немеханизированные щиты и разработку грунта ведут вручную. При прокладке тоннелей в крепких породах либо используют отбойные молотки либо применяют взрывной метод.
• В наводненных грунтах. Значительно осложняется выполнение работ в слабых и водонасыщенных грунтах. В данном случае мы применяем метод искусственного осушение забоя в скважинах эжекторными или легкими иглофильтрами, либо погружными насосами. При низком коэффициенте фильтрации грунтов, мы ведем разработку при заморозке грунта или кессонным способом (защитой сжатого воздуха).

Обделка коллекторов

Сейчас все шире используется способ обделки из монолитного бетона, в частности из пресс-бетона, который значительно экономит время и затрачиваемые усилия. Принцип действия прост: в задней части щита мы ставим опалубку, за которую заливаем бетон, таким образом одновременно будет выполняться вдавливание головной части в забой и прессование бетона в хвостовой части щитового комплекса. Между стенками щита и опалубки бетон предварительно уплотняется, а с отстыковкой бетоновода от пресующего кольца при продвижении щита бетонная смесь проходит окончательную прессовку.

Применяя данный способ, одновременно с прокладкой тоннеля, вы можете получить готовую водонепроницаемую гладкую обделку коллектора.

Источник

Сооружение туннелей щитовой проходкой

Щитовой называется такая подземная проходка, при которой разработка грунта и устройство стенок туннеля осуществляются под защитой цилиндрической оболочки щита (рис. 4.10).

Способ щитовой проходки экономически целесообразен при глубине заложения коллектора более 6 м, длине проходки более 50 м и при необходимости устройства кожуха диаметром более 1400 мм.

Производство работ способом щитовой проходки возможно в любых грунтах кроме скальных. Весь процесс создания каналов для подземных сетей состоит из подготовительных работ, производства самой щитовой проходки и отделочных работ.

Подготовительные работы состоят из проходки стволов монтажной и демонтажной шахт, устройства подсобных помеще­ний, опускания щита в шахту и ввода его в забой, электрообору­дования, устройства водопровода, оборудования шахты подъёмны­ми устройствами.

Щитовая проходка состоит из следующих основных этапов:

– сборка блочного кольца первичной обделки;

– нагнетание цементного раствора за блочную обделку;

– футеровка тоннеля, т.е. создание защитного покрытия.

Рисунок 4.10 – Разрез по проходческому щиту:

1 – козырек; 2 – передняя режущая часть щита; 3 – средняя опорная

часть щита; 4 – домкраты; 5 – задняя (хвостовая) часть щита

Проходку с помощью щита, осуществляют в такой последова­тельности. Введённый в забой щит вдавливается в грунт в горизонтальном направлении (по оси проходки) с помощью домкратов.

При вдавливании грунт входит в режущую его часть, имеющую форму цилиндрического клина. Вдавленный внутрь щита грунт разрабатывают ручным или механизированным способом и грузят на тележки, которые откатываются по туннелю. В передней части щит имеет выступающий вперёд козырёк, который служит для предупреждения выпадения грунта внутрь щита (при слабых грунтах). После того, как вдавленный в щит грунт будет полностью разработан и удалён, щит вновь продвигается вперёд.

Продвижение щита вперёд с внедрением его режущей части в грунт осуществляется с помощью гидравлических домкратов, расположенных по периметру щита. Упором для домкратов служит блочная обделка выработки. После продвижения щита вперёд и выборки грунта в хвостовой части щита по его периметру укладывают блоки обделки под защитой хвостовой оболочки щита.

Грунт может разрабатываться вручную с помощью кирок, ломов и штыковых лопат, а также механизированным способом (рис. 4.11). Разработанный грунт грузится в вагонетки и вывозится из тоннеля.

Рисунок 4.11 – Метод механизированной щитовой проходки

с обделкой из монолитного бетона:

1 – механизированный щит; 2 – секции опалубки;

3 – механизм перемещения опалубки; 4 – цистерна;

5 – транспортёр выдачи грунта; 6 – пресс-бетон; 7 – тележки для грунта;

8 – рельсовый путь; 9 – вагонетки бункерного типа; 10 – бетонопровод;

11 – механизм передвижения платформы; 12 – транспортёр

Для устройства обделки туннелей могут применяться блоки: керамические, бетонные и железобетонные (рис. 4.12).

Рисунок 4.12 – Крепление коллектора блоками (тюбингами):

а – общий вид; б – трапецеидальный пазово-гребневый блок;

в – железобетонный тюбинг; 1 – блоки обделки; 2 – замковый блок;

3 – лотковый блок; 4 – тележки для грунта; 5 – рельсовый путь

Отделочные работы заключаются в устранении течи, уст­ройстве лотка, затирке внутренней поверхности тоннеля и устройст­ве торкрета.

Обычно работы ведут с использованием механизированных щитов. При производстве щитовой проходки длиной до 150 м допускается применение немеханизированных щитов.

Необходимость устройства промежуточных шахт устанавли­вается в ППР. Входные шахты выполняют прямоугольными и круглыми в плане (рис. 4.13), выходные и промежуточные целесообразнее круглыми (рис. 4.14). Шахты крепятся, как правило, досками толщиной 50 мм, забиваемыми между горизонтальными металлическими поясами.

Для подъёма грунта и опускания материалов во входной шахте предусматривают бадьевое отделение, а для пропуска людей – лестницы. Бадьевое отделение и лестничные марши устраивают после того, как щит введён в забой.

Разработанный в забое грунт транспортируют по тоннелю к бадьевому отделению на тележках, имеющих приспособление для подъёма их краном. Блоки для обделки тоннеля и другие материалы транспортируют этими же тележками.

Рисунок 4.13 – Рабочий котлован, оборудованный креплениями,

лестницами и рельсовыми путями, и вход в тоннель

Рисунок 4.14 – Механизированный проходческий щит Lovat

на выходе в приёмный котлован-шахту

Для заполнения свободного пространства между грунтом и обделкой нагнетают насосами цементно-песчаный раствор состава 1:3.

В щитовых проходных тоннелях после окончания проходки устраивают монтажную железобетонную рубашку толщиной 15. 20 см.

Щитовые проходки для водопроводно-канализационных сетей выполняются щитами наружным диаметром от 2,1 до 5,63 м. Производительность данного метода до 20 м/смену.

Источник

Общие сведения о щитовом способе

Подготовительные работы проходки тоннеля щитовым способом

До начала проходки тоннеля щитовым способом необходимо выполнить ряд подготовительных работ, связанных с проведением трудоемких операций и дополнительной затратой времени. Это обстоятельство необходимо учитывать при определении экономической целесообразности использования щитового способа для проходки выработок небольшой протяженности.

Одним из основных видов работ подготовительного периода, специфическим для щитовой проходки является ввод щита в забой. В зависимости от условий строительства щиты могут быть введены в работу из ствола шахты, подземной камеры, с открытого котлована или с портала. Из ствола щит может быть введен в забой при строительстве тоннелей малого диаметра.

При строительстве тоннелей щитами средних и больших диаметров подготовительные работы усложняются. В их состав входят: сооружение подземных монтажных камер при глубоком заложении тоннелей или открытых котлованов при мелком заложении; доставка элементов щита; монтаж щита; вывод щита из камеры или котлована на трассу тоннеля; доставка элементов и монтаж укладчика обделки и другого оборудования, входящего в состав щитового комплекса.

Монтажные щитовые камеры при глубоком заложении тоннелей сооружают одним из горных способов в зависимости от инженерно-геологических условий и размеров выработки, материала и конструкции обделки. Так, камеры для монтажа щита с внешним диаметром от 5,5 до 6,0 м сооружают с раскрытием выработки на полное сечение и возведением в ней обычно сборной обделки с внешним диаметром 8,5 м, а для механизированных щитов – 9,5 м. Камеры для монтажа щита большого диаметра (8,5–9,75 м) ведут с раскрытием выработки по частям способом опертого свода или опорного ядра с возведением обделки из монолитного бетона. Торцовые поверхности камеры закрепляют, устанавливая горизонтальные металлические балки или трубы с затяжкой лба забоя досками. В неустойчивых грунтах торцовые стены камеры выполняют из монолитного бетона. В лотковой части щитовой камеры по контуру оболочки щита сооружают бетонное основание, в которое при бетонировании закладывают железнодорожные рельсы или двутавровые балки. Они служат направляющими при выдвижении щита из камеры и поэтому должны быть уложены особенно тщательно с допусками ±5 мм в плане и ±5 мм в профиле.

Щит, разобранный на транспортабельные узлы, доставляют в монтажную камеру на платформах в определенной последовательности, установленной монтажным графиком, согласно маркировочным схемам. Отклонение размеров диаметра опорного кольца и оболочки смонтированного щита от проектного кругового очертания (эллиптичность), а также отклонение щита от проектной оси тоннеля должны быть в пределах ±5 мм. После испытания в работе щит вводят в забой, разбирая крепление торцовой стены камеры.

Продолжительность монтажных работ зависит от размеров и конструкции щита, а также от организации доставки отдельных узлов и элементов в камеру. Обычно на монтажные работы и испытание щита затрачивают от 30 до 50 суток. Щит передвигают, включая нижние гидроцилиндры. Упором для них служат тюбинги или блоки обделки, укладываемые в лотковой части.

После выдвижения щита из камеры производят монтаж укладчика тоннельной обделки с использованием тех же подъемных механизмов и приспособлений.

Монтаж щитов перегонных тоннелей метрополитенов на линиях мелкого заложения выполняют в открытом котловане на границе открытого и закрытого способов работ. Монтируют щит, используя общестроительное крановое оборудование, и за пределами оболочки щита устраивают упор в виде П-образной рамы с подкосами из стальных двутавровых балок и труб. На оболочку щита укладывают временные полукольца или кольца обделки для опирания гидроцилиндров щита при его движении в забой (под землю). Затем на освободившейся площадке монтируют укладчик обделки. Аналогично ведут работы при щитовом способе проходки горных транспортных тоннелей, располагая монтажные площадки в предпортальных выемках у самого входа в тоннель.

Демонтажные щитовые камеры сооружают так же, как и монтажные, обычно одновременно со щитовой проходкой тоннеля. В некоторых случаях целесообразно использовать для сооружения демонтажной камеры сам щит, заканчивающий проходку тоннеля. В этом случае расширение выработки до профиля камеры производят с временной крепью, поддерживаемой забойными гидроцилиндрами щита, а сборную обделку камеры собирают при помощи двух лебедок. В сложных геологических условиях может оказаться целесообразным демонтировать только внутреннее оборудование щита, оставив ножевое, опорное кольцо и оболочку в качестве крепи концевого участка тоннеля.

Проходка в мягких грунтах

К мягким грунтам относятся грунты с коэффициентом крепости от 0,5 до 2,0 такие, как супеси, суглинки, пластичные и твердые глины, слабые сланцы.

Грунт разрабатывают впереди щита на величину заходки, равную в большинстве случаев ширине кольца обделки. Для разработки грунта используют пневматические отбойные молотки, оснащенные лопатками или пиками. Работы ведут по ярусам в направлении сверху вниз с выдвижных платформ щита. Разработку забоя начинают со средней ячейки верхнего яруса. Кровлю крепят марчеванами из досок толщиной 40–50 мм. Одним концом их опирают на наружную поверхность ножевого кольца, а другим – на грунт в штрабе забоя. Закончив разработку грунта в пределах средней ячейки, приступают к креплению лба забоя. Лоб забоя крепят горизонтальными или вертикальными досками, установленными вразбежку. Доски прижимают ко лбу забоя через деревянные брусья забойными гидроцилиндрами, штоки которых удлиняют коротышами из стальных труб, прикрепленных к опорной части штока. На штоки гидроцилиндров устанавливают деревянные распорки, предотвращающие ослабление гидроцилиндра при падении давления в гидравлической сети.

Закончив разработку грунта и крепление в средней ячейке верхнего яруса, аналогично разрабатывают и крепят забой одновременно в боковых ячейках щита. Нижние ярусы разрабатывают с породного уступа по всей ширине забоя. Грунт сбрасывают в зазор между лбом забоя и площадками щита в зону действия погрузочной машины, используя для этого направляющие лотки из наклонно установленных досок. Разработку грунта очередного яруса ведут под защитой выдвинутых платформ щита. В нижней части забоя грунт перекидывают к погрузочной машине вручную.

В глинистых грунтах, обеспечивающих достаточную устойчивость при разработке забоя, по контуру выработки оставляют нетронутым кольцевой уступ, который при передвижке щита срезается ножевым кольцом.

Проходка в смешанных грунтах

В практике тоннелестроения, кроме перечисленных, имеют место случаи щитовой проходки в смешанных грунтах, резко различных по своим свойствам: крепкие грунты в забое могут сочетаться с мягкими, мягкие с неустойчивыми, неустойчивые с крепкими и т. д. В таких случаях разработка грунта в забое щита производится методами, присущими для каждого из разновидностей грунта, а порядок производства работ определяется в основном устойчивостью кровли выработки. При этом необходимо выполнять следующее правило: сначала следует на одну заходку разработать отбойными молотками слои со слабыми грунтами, начиная с верхнего, закрепить разработанную часть забоя распором на забойные гидроцилиндры щита и лишь затем вести взрывание более крепкого грунта минимальными зарядами ВВ. Необходимо также рассмотреть возможность частичного или полного разрушения прослоек скального грунта, а также крупных глыб в забое гидроклином.

Передвижка щита

После разработки забоя пo всему сечению, уборки грунта и зачистки лотка выработки перед ножом щита, а также замыкания очередного кольца обделки и нагнетания за обделку цементно-песчаного раствора производят передвижение щита на очередную заходку.

Щит передвигают под руководством лица технического надзора и маркшейдера. Перед передвижением щита проверяют исправность оборудования и наличие запаса кабелей, воздушных и водопроводных шлангов, необходимых при удлинении тоннеля на новую заходку. На каждом ярусе щита остается один рабочий, осуществляющий контроль за состоянием забоя в процессе передвижки. Все рабочие, не связанные с этой работой, удаляются из забоя, из зоны действия щитовых гидроцилиндров и из-под укладчика обделки.

Управляет гидроцилиндрами и передвигает щит машинист щита. Он передвигает щит по заданному направлению, включая определенное число гидроцилиндров в определенной последовательности. Положение оси щита относительно оси тоннеля контролирует маркшейдер с помощью специальных навигационных устройств. При этом наряду с обычными геодезическими приборами используют приборы на базе световых лучей, которые создаются обычными электролампами или оптическими квантовыми генераторами – лазерами. Контроль за движением щита может быть визуальным или автоматическим.

В случае отклонения щита от заданного направления его выправляют постепенно в течение нескольких передвижек за счет включения определенной группы щитовых гидроцилиндров и соответствующей подработки контура забоя. Не допускается применение каких-либо упоров, установленных в забое.

Общие сведения о щитовом способе

Страница 1 из 7

Содержание лекции:

Технология строительства тоннелей щитовым способом

• Общие сведения о щитовом способе
• Подготовительные работы проходки тоннеля щитовым способом
• Проходка тоннелей обычными (частично механизированными) щитами
• Возведение тоннельной обделки
• Нагнетание раствора за сборную тоннельную обделку
• Гидроизоляция сборных обделок
• Комплексная механизация работ при щитовом способе проходки

Щитовым способом называется способ сооружения тоннелей с применением передвижной механизированной крепи – проходческого щита. Проходческий щит предназначен для защиты призабойной зоны от обрушения на период выполнения всех основных операций производственного процесса от разработки забоя до возведения обделки.

Проходческий щит, как правило, круглой формы (реже прямоугольной, арочной и др.) передвигается вслед за разработкой грунта, отталкиваясь гидравлическими цилиндрами от торцовой поверхности обделки тоннеля (опорой также может служить специальная конструкция, распираемая в грунт). Очевидно, что щиты целесообразно использовать при проходке тоннелей в неустойчивых грунтах, где требуется обязательное крепление призабойного пространства.

В настоящее время существуют десятки разновидностей проходческих щитов для сооружения тоннелей различного диаметра в самых разнообразных инженерно-геологических условиях. Хотя при различных типах проходческих щитов предусмотрены разные способы разработки забоя, удаления разрыхленного грунта и возведения обделки, неизменной остается принципиальная схема, предусматривающая следующий порядок производства работ (рис. 2.1). Под защитой ножевого кольца (1) за один или несколько приемов разрабатывают забой на заходку длиной l, равной ширине кольца обделки, с одновременной уборкой разрыхленного грунта. После разработки забоя включают щитовые гидравлические цилиндры (3), расположенные по всей окружности опорного кольца (2). Отталкиваясь от готовой обделки (5), щит передвигается вперед в свободное пространство. Затем, включая обратный ход, убирают штоки гидроцилиндров в исходное положение и под защитой оболочки щита (4) возводят обделку из сборных элементов или из монолитно-прессованного бетона, одновременно разрабатывая забой на следующую заходку. Такими четко определенными циклами ведут проходку тоннеля, обеспечивая поточный метод работ с немедленным возведением обделки. Из сказанного ясно, что щитовой способ по сравнению с горным коренным образом изменяет организацию работ по сооружению тоннелей в неустойчивых грунтах: отпадает необходимость вести разработку забоя по частям и загромождать его временной крепью, что существенно снижает трудоемкость работ и повышает производительность труда; сокращается разрыв во времени между раскрытием выработки и сооружением обделки и тем самым снижаются величина горного давления, смещения прилегающего грунтового массива и осадки дневной поверхности; совмещаются по времени основные операции производственного процесса и создаются условия их максимальной механизации, что обеспечивает высокие темпы сооружения тоннеля; присущие щитовой проходке надежность крепления забоя и повышенная безопасность ведения работ дают возможность сооружать тоннели в сложных геологических и гидрогеологических условиях. При необходимости щитовую проходку сочетают со специальными способами (с применением водопонижения, сжатого воздуха и др.), что позволяет осуществить строительство тоннелей в водонасыщенных песках, под руслами рек и т. д.

Рис. 2.1 – Схема щитового способа сооружения тоннеля

В транспортном строительстве применяют проходческие щиты среднего диаметра (5,6–6 м) для сооружения перегонных тоннелей метрополитенов как при глубоком, так и при мелком их заложении. Щиты среднего диаметра используют также при строительстве горных транспортных тоннелей для проходки транспортно-дренажных и вентиляционных штолен. Проходческими щитами большого диаметра (8,5–9,75 м) сооружают, как правило, железнодорожные и автодорожные тоннели, а также станционные тоннели метрополитенов.

Проходческие щиты, в которых отсутствуют какие-либо устройства для разработки грунта в забое, называют обычными (частично механизированными). Такие щиты выполняют только функции передвижной временной крепи и рабочих подмостей. При использовании обычных щитов разработку забоя в слабых грунтах ведут ручными инструментами, отбойными молотками или вдавливанием в грунтовой массив элементов ножевого кольца щита. В полускальных и скальных грунтах забой разрабатывают буровзрывным способом. Все другие операции проходческого цикла в таких щитах имеют различный уровень механизации в зависимости от конструкции и размеров щита.

Проходческие щиты, разработка грунта в которых осуществляется специальными механизмами – рабочими (исполнительными) органами, расположенными в его головной части, называются механизированными. В таких щитах максимально механизированы и все другие операции проходческого цикла. Как правило, определенный тип рабочего органа механизированного проходческого щита приспособлен для работы в грунтах с определенными физико-механическими характеристиками, т. е. в узком диапазоне инженерно-геологических условий. Такая специализация механизированных проходческих щитов привела к большому разнообразию их конструктивных решений.

Организация работ при сооружении тоннелей щитовым способом зависит от типа принятого щита, вида и конструктивных особенностей обделки тоннеля. Комплексная механизация технологического процесса достигается не только за счет оборудования, расположенного на щите, но и за счет оборудования, расположенного за щитом на технологической платформе. Такой частично или полностью механизированный комплекс, основу которого составляет проходческий щит, называют щитовым комплексом.

При щитовом способе проходки тоннелей можно выделить три этапа работ – подготовительные работы, собственно проведение выработки и демонтаж оборудования.

Источник