Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Хун Кайжун

Рис. 1-9. Механический щит экструзионного типа

В соответствии с принципом работы проходческий щит с воздушным пригрузом должен иметь отсек под рабочим давлением. В более ранних проходческих щитах с воздушным пригрузом был закрыт длинный отсек под рабочим давлением между туннельным забоем и туннелем для остановки воды. Поэтому большинство работников часто находились в среде сжатого воздуха. Современный проходческий щит с воздушным пригрузом оснащен опорным давлением только в кабине экскаватора. Его также называют проходческим щитом с локальным атмосферным давлением (в Японии его называют «проходческим щитом с предельно сжатым воздухом»).

Этот вид щита оснащен уплотнительным сепаратором, который может герметизировать забой и изолировать его от завершенного участка туннеля. Поэтому он может обеспечить безопасную эксплуатацию под атмосферным давлением. На рис. 1-10 показан японский 25-метровый проходческий щит с воздушным пригрузом Мицубиси диаметром 5.25 м, который отводит грунт через вращающуюся воронку шарового клапана и одновременно обеспечивает стабилизацию давления в забое. На рис. 1-11 показана фотография места выброса грунта с вращающейся воронки шарового клапана.

Рис. 1-10. Щит сжатого воздуха ? 5.25 м

Рис. 1-11. Дренаж с поворотной воронкой с шаровым клапаном

Проходческий щит сжатого воздуха подходит для глины, вязких песчаных почв и заполненных водой мягких слоев. При работе в непригодных пластах частицы грунта теряют равновесие из-за воздушного потока, и тонкий слой земляных масс в туннельном забое по причине утечки может спровоцировать «извержение». Проходческий щит сжатого воздуха из-за крайне неудовлетворительных условий работы заменен на проходческий щит с гидропригрузом.

1.2.3. Проходческий щит с грунтопригрузом

Передняя часть проходческого щита с грунтопригрузом (Earth Pressure Balance), сокращенно щит EPB, снабжена сепаратором, а отсек для выемки грунта отделен резцовой головкой, срезным кольцом, сепаратором и винтовым конвейером, как показано на рис. 1-12. Его принцип работы заключается в следующем: резцовая головка вращается, чтобы разрезать забой, а разбитый грунт попадает в отсек для грунта через отверстие в резцовой головке. Когда грунт попадает на дно грунтового отсека, он при помощи винтового конвейера транспортируется на ленточный конвейер, а затем к шлаковозу, припаркованному на трассе. Грунтовой отсек и винтовой конвейер заполнены срезанным грунтом и полагаются на тягу гидравлического цилиндра для создания давления в грунтовом отсеке при выемке шлака для того, чтобы грунтовое давление влияло на стабилизацию забоя. Кроме того, корпус щита выполняет временную защитную роль в вырытом без футеровки туннеле, выдерживает давление окружающего слоя грунта и грунтовых вод, а также изолирует подземные воды.

Рис. 1-12. Принцип работы щита с грунтопригрузом

Рис. 1-13. Щит с грунтопригрузом

Проходческий щит с грунтопригрузом состоит из корпуса, рабочего органа, приводного механизма рабочего органа, винтового конвейера, ленточного конвейера, машины для установки тюбинга, отсека для людей, гидравлической системы и т. д., как показано на рис. 1-13.

(1) Винтовой конвейер

Винтовой конвейер состоит из цилиндрической части, приводного устройства, винтового вала и затвора для выпуска шлака. Винтовой конвейер разделен в соответствии со структурой привода. И имеет, как правило, две структурные формы: периферийного привода и центрального привода, то есть – осевой винтовой конвейер и ленточный винтовой конвейер (рис. 1-14). Его характеристики заключаются в следующем:

Осевой винтовой конвейер имеет компактную структуру, которая удобна для расположения смежных элементов. Отверстие для выхода шлака у ленточного винтового конвейера

находится на задней части, положение выхода также повышено. Когда грунтовой шлак проходит через безосевой участок, он накапливается и уплотняется под воздействием собственной силы тяжести и образует грунтовой засор. Таким образом, грунтовой шлак в некоторой степени обладает определенной непрерывностью и может выполнять функцию закрытия воды.

Основная функция винтового конвейера заключается в непрерывной выгрузке грунта из грунтового отсека проходческого щита наружу; земляные массы образуют герметичный почвенный засор во время выгрузки грунта наружу, предотвращая обезвоживание почвы и поддерживая стабилизацию давления грунта в грунтовом отсеке; путем автоматического сравнения значения давления грунта в отсеке проходческого щита с заданным значением давления грунта, в любое время можно отрегулировать скорость выгрузки грунта наружу, проконтролировать непрерывный динамический процесс баланса давления грунта в отсеке щита, чтобы обеспечить непрерывный процесс проходки щита.

Рис. 1-14. Винтовой конвейер

(2) Ленточный конвейер

Ленточный конвейер (рис. 1-15) состоит из кронштейна ленточного конвейера, переднего ведомого колеса, заднего ведущего колеса, верхнего и нижнего опорного колеса, ленты, устройства для натяжения ленты, устройства для очистки ленты и приводного двигателя с редуктором и т. д. Ленточный конвейер установлен и расположен на заднем опорном соединительном мосту и прицепе, который используется для вывода шлака из винтового конвейера в опорную вагонетку, расположенную за щитом. Ленточный конвейер оснащен электроприводом или гидравлическим приводом. По соображениям безопасности на нем установлено три выключателя аварийной остановки.

Рис. 1-15. Ленточный конвейер

(3) Защитное хвостовое уплотнение и его система смазки

1. Защитное хвостовое уплотнение

В хвостовом уплотнении щита используется уплотнительное устройство с кордощеткой (рис. 1-16), представляющее собой конструкцию, объединяющую пружинную сталь, кордощетку и металлическую сетку из нержавеющей стали. Насос для смазки хвостового щитка подает смазку между каждым уплотнением проволочной щетки для повышения эффективности закрытия воды.

Рис. 1-16. Применение системы уплотнения хвостовой части с тремя кордощетками

2. Система смазки для уплотнения хвостовой части щита

Неисправность хвостового уплотнения щита является одной из основных причин несчастных случаев при использовании проходческого щита в туннельных работах. Являясь одной из ключевых подсистем обеспечения нормальной проходки щита, система смазки для уплотнения хвоста щита использует пневматические насосы для впрыскивания смазки в каждую ветвь через каждый шунтирующий клапан, чтобы уплотнить хвост щита. Полость между щетками для уплотнения хвоста щита заполняется смазкой для уплотнения, чтобы предотвратить попадание воды и грязи внутрь щита. Методы управления подразделяются на ручной и автоматический, а автоматическое управление подразделено на контроль давления и контроль времени.

1.2.4. Проходческий щит с гидропригрузом

Проходческий щит с гидропригрузом (Slurry Pressure Balance Shield), сокращенно проходческий щит SPB, используется в качестве опорного материала смешанную суспензию из грязи (известна как глинистый раствор). Как показано на рис. 1-17, принцип работы заключается в следующем: глинистый раствор подается в грязевую камеру, образуя непроницаемую грязевую пленку на поверхности забоя, через которую грязевая пленка уравновешивает давление воды и почвы, действующее на забой. Извлеченный шлак транспортируется на землю в виде глинистого раствора, отделяется оборудованием для обработки грязи, а отделенная грязь и вода повторно измельчаются, а затем транспортируются к забою. Щит с гидропригрузом подходит для широкого геологического диапазона почв, от слабых слоев песчаного грунта до сложных формаций.