«Щиты и щитовые комплексы»
1. Введение.
Щитовой способ сооружения тоннелей основан на применении в забое специального агрегата – проходческого щита, под защитой которого выполняются все операции проходческого цикла, включая возведение обделки. 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. Использование щита обеспечивает высокую степень безопасности ведения проходческих работ, 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.
2. Выбор типа механизированного проходческого щита.
В грунтах средней крепости с f = 3,0 – 6,0 хорошо проявил себя щит со стреловым исполнительным органом.
3. Определение основных размеров щита
Основные геометрические размеры щита определяются в зависимости от диаметра и ширины кольца обделки, инженерно-геологических условий и вида проходческого механизированного оборудования.
Геометрические параметры щита
Наружный диаметр щита (Dщ) определяется по следующей формуле:
Dщ = d + e + 2t
где: d - наружный диаметр тоннельной обделки;
e – строительный зазор между обделкой и оболочкой щита.
t – толщина хвостовой оболочки щита.
Dщ = 5,850 + 0,008*5,850+ 2*0,1 = 6,097 (м)
Полная длина щита состоит из суммарной длины ножевого, опорного колец и хвостовой оболочки.
При проходке в устойчивых грунтах рекомендуется принимать ширину ножевого кольца в пределах 1,0 – 1,2 метра.
Принимаем lн = 1,0 (м)
Ширина опорного кольца (lоп.к.) определяется длиной цилиндра щитового домкрата без его головной части. Ширина опорного кольца должна быть равна двум размерам рабочего хода штока щитового домкрата, а длина рабочего хода, в свою очередь, равна ширине кольца обделки, т. е.
lоп.к. = 2bр.х. или lоп.к. = 2b
где: b – ширина кольца обделки.
lоп.к. = 2*1405 = 2,810 (м)
Длина хвостовой оболочки складывается из трёх составляющих lоб = l1 + l2 + l3,
где: l1 – длина участка обделки, перекрытого хвостовой оболочкой. Как правило, размер этого участка находится в пределах 1,2 – 2,2 ширины кольца обделки
l1 = (1,2 - 2,2)b.
Меньший размер соответствует условиям проходки тоннеля в устойчивых грунтах, больший – в неустойчивых.
Принимаем l1 = 1,2*1,405 = 1,686 (м)
Размер l2 характеризует длину свободного промежутка между опорной частью домкрата и торцом собираемой обделки. Обычно в щитах средних диаметров этот промежуток принимается равным 15 – 20 сантиметрам. Принимаем l2 = 0,15 (м)
Третья составляющая длины хвостовой оболочки представляет собой длину головной и опорной частей щитового домкрата, выступающих из опорного кольца в пределы хвостовой оболочки. Этот размер обычно равен 60 -70-ти сантиметрам
Принимаемl3 = 0,60 (м)
lоб = l1 + l2 + l3 = 1,686+0,15+0,60 = 2,436 (м)
Таким образом, полная длина щита будет равна:
Lщ = lн + lоп.к. + lоб = 1+2,810+2,436 = 6,246 (м)
Возможность щита вписываться в криволинейные участки трассы характеризуется отношением полной длины щита к его диаметру. Этот параметр называется степенью маневренности щита и в нашем случае равен 1,02
4. Определение сил сопротивления движению щита и грузоподъёмности щитовых домкратов
Суммарное усилие сопротивления движению щита (Wобщ.) складывается из трёх составляющих (: силы трения поверхности корпуса щита о грунт (W1); силы трения внутренней поверхности оболочки щита по обделке (W2) и лобовое сопротивление со стороны забоя (W3).
Силы сопротивления движению щита
Wобщ. = W1 +W2 +W3
Величину каждой составляющей суммарного усилия можно определять по упрощённым формулам, дающим завышенные значения, что обеспечивает более высокую степень надежности.
Для определения сил трения между корпусом щита и породой можно пользоваться следующей формулой:
W1 = f1[2(q + p)LщDщ + Gщ]
где: f1 – коэффициент трения поверхности корпуса щита по породе, в зависимости от характеристики грунта его величина изменяется от 0,2 до 0,6;
q и p - вертикальная и горизонтальная нагрузки от горного давления соответственно;
Lщ, Dщ и Gщ - полная длина, наружный диаметр и вес щита соответственно.
Выветрившийся песчаник обладает высоким коэффициентом крепости f= 4,5, выработка в таком грунте устойчива и горного давления нет, поэтому p и q равны нулю.
W1 = f1[Gщ]= 0,5*450=225(т)
Силы трения внутренней поверхности хвостовой оболочки щита по обделке определяются по формуле:
W2 = f2Gоб
где: Gоб – вес колец обделки лежащих на оболочке;
f2 - коэффициент трения стальной оболочки щита по чугунной (0,15 - 0,20) или железобетонной (0,40 - 0,50) обделке.
W2 = f2Gоб = 0,45*1,4*(5,852-5,602)*3,14*2,5=14,156(т)
Величина лобового сопротивления продвижению щита на забой (W3) зависит от технологии разработки грунта в забое.
В устойчивых грунтах, где забой разрабатывается на весь профиль и отсутствует необходимость в креплении лба забоя, проходческий щит перемещается в разработанное перед ним пространство не испытывая сопротивления со стороны забоя. В этом случае W31=0.
Определив суммарную величину сил сопротивления перемещению щита, можно легко определить грузоподъёмность щитового домкрата.
P = k Wобщ/n
где: P –грузоподъёмность одного щитового домкрата;
P = 1,3*(225+14,156)/20 =15,545т
k – коэффициент надёжности, учитывающий возможность работы не всеми домкратами одновременно, или непредвиденное увеличение сопротивления движению щита в процессе проходки. 
k = 1,25 – 1,50
n – количество щитовых домкратов.