Особенности проектирования щитовых машин с грунтопригрузом

УДК 622.285.4:624.191.6

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЩИТОВЫХ МАШИН

С ГРУНТОПРИГРУЗОМ

А.В. Поляков, А.Б. Жабин, П.Н. Чеботарев, В.Г. Хачатурян

Рассмотрены особенности выбора и расчета основных элементов щитовой машины с грунтопризрузом - режущей головки и типа ее опоры. Описаны требования к призабойной камере и ее элементам, системе стабилизации забоя щитовой машины и оборудованию для инъектирования добавок. Отдельно рассмотрены вопросы проектирования смесительного устройства и системы удаления грунта.

Ключевые слова: тоннельная щитовая машина, грунтопригруз, условия проектирования, режущая головка, призабойная камера, система стабилизации забоя, смесительные устройства.

Щитовые машины с грунтопригрузом проектируются так, чтобы рабочий орган, домкратная установка, устройство стабилизации грунта, устройство инъекции (нагнетания) добавок, смесительное оборудование и оборудование транспортирования разработанного грунта функционировали надежно в превалирующих грунтовых условиях.

Известно [1- 5], что щитовая машина с грунтопригрузом включает в себя следующие части (рис. 1):

- рабочий орган и домкратную установку, которые осуществляют проходку в грунтовом массиве и смешивают разработанный грунт с добавками, инъектированными для обеспечения пластического течения;

- устройство инъекции добавок (для щитовых машин с глинисто-грунтовым пригрузом);

- смесительное оборудование, состоящее из режущей головки, смесительных лопаток и фиксированных ножей;

- стабилизационное оборудование, состоящее из системы выдачи, включающей лобовую диафрагму с запирающей системой, которая позволяет разработанному грунту заполнять под давлением призабойную камеру;

- шнековый конвейер для выдачи разработанного грунта в объеме, эквивалентном объему грунта, входящего в призабойную камеру, и поддержания баланса давления забоя и грунта в призабойной камере;

- контрольная система.

Щитовая машина с грунтопригрузом должна выбираться в соответствии с грунтовыми условиями и диаметром тоннеля и все элементы механических компонентов должны быть долговечными и водонепроницаемыми, а при проектировании каждого компонента, принимают во внимание следующее.

Рис. 1. Конфигурация щитовой машины с грунтопригрузом: 1 - наружный диаметр машины; 2 - ножевая секция;

3 - опорная секция; 4 - хвостовая секция; 5 - передний корпус;

6 - задний корпус; 7 - лобовая диафрагма; 8 - призабойная камера;

9 - режущая головка; 10 - привод рабочего органа;

11 - шлюзовая камера; 12 - щитовой домкрат;

13 - артикуляционный домкрат; 14 - шнековый конвейер;

15 - хвостовое уплотнение; 16 - эректор

1. Тип опоры режущей головки

Опоры режущей головки бывают следующих типов: с центральной осью, промежуточный, периметровый и центральный. Выбор конкретного типа определяется грунтовыми условиями [1, 5].

2. Режущая головка

Сечение режущей головки определяется с учетом грунтовых условий и стабильности (устойчивости) забоя. Если используется дисковая форма режущей головки, то ширина и количество прорезей (щелей) должны выбираться так, чтобы не мешать втеканию грунта, принимая в расчет размер гравия, сцепление и возможные препятствия.

Крутящий момент определяется как функция наружного диаметра щитовой машины, грунтовых условий, наличия гравия и т. д. Вообще говоря, если сравниватьс щитовой машиной с суспензионным пригрузом, момент, требуемый для преодоления трения и сопротивления смешиванию и перемешиванию грунта в щитовой машине с грунтопригрузом, будет более высоким [1, 5, 6].

Для щитовой машины с грунтопригрузом отверстие (отверстия) для инъектирования добавок должно предусматриваться на режущей головке, чтобы экскавируемый материал мог пластически течь.

3. Призабойная камера

Лобовая диафрагма должна иметь достаточную прочность и герметичность (водонепроницаемость), чтобы сопротивляться давлению грунта и воды в призабойной камере. С учетом наружного диаметра щитовой машины, грунтовых условий и условий строительства должна быть рассмотрена целесообразность установки людского люка, людского лаза (смотрового отверстия), аппаратуры нагнетания реагентов и насадок для инъектирования добавок.

Для измерения давления грунта в призабойной камере должны выбираться высокоточные датчики. Местоположение датчика должно назначаться в соответствии с превалирующими грунтовыми условиями. При необходимости должны устанавливаться несколько датчиков и при этом предусматривается механизм замены их при выходе из строя.

Шнековый конвейер должен быть в состоянии беспрепятственно и ровно выдавать экскавированные материалы. Сечение, диаметр, момент и скорость вращения должны определяться в соответствии с максимальным размером гравия, количеством разработки, адгезией грунта, давлением грунта и т. д. Кроме того, должны рассматриваться данные измерения его износа с учетом грунтовых условий и протяженности проходки [7].

Смесительные лопатки устанавливаются сзади режущей головки, чтобы усилить смешивание экскавированного материала с добавками и предотвратить адгезию (налипание) и осаждение его. В некоторых случаях на лобовой диафрагме устанавливают фиксированные лопатки (ножи).

4. Система стабилизации забоя

Стабилизация забоя должна обеспечивать противодействие силам давления грунта и воды со стороны забоя при одновременном регулировании количества выдаваемого грунта (шлама) и поддержании давления шлама в призабойной камере.

Стабильность (устойчивость) забоя обеспечивается комбинацией следующих трех процессов [8, 9]:

- противодействие давления грунтового шлама внутри призабойной камеры давлению грунта и воды со стороны забоя;

- регулирование количества выдаваемого грунтового шлама в соответствии со скоростью продвижения щитовой машины, используя шнеко-вый конвейер;

- регулирование типа и количества добавок для того, чтобы надежно поддерживать пластическую текучесть и водонепроницаемость экска-вированного материала (грунтового шлама).

При проходке в грунтах, содержащих песок или песчаный гравий и характеризующихся высоким сопротивлением и большой водопроницаемостью, пластичная текучесть и водонепроницаемость не могут быть получены простым заполнением призабойной камеры. Для того, чтобы справиться с этой ситуацией в камеру инъектируются добавки, чтобы

облегчить пластическое течение экскавированного грунта. Это улучшает водонепроницаемость, стабилизирует забой и делает выдачу грунта более равномерной.

Для достижения стабильности (устойчивости) забоя во время продвижения щитовая машина снабжается инструментами для измерения грунтового давления, количества выдаваемого грунта, крутящего момента и усилия щитовых домкратов. Инструменты могут установить изменение грунтового давления, помогая принять решение о необходимости увеличения выдачи грунта.

Также должен быть установлен детектор для контроля за возможными обрушениями верхней части забоя.

5. Оборудование инъектирования добавок

Это оборудование должно быть способно нагнетать достаточное количество добавок в нужные места таким путем, чтобы достигалось пластическое течение грунта. Оно состоит из инъекционных насосов и инъекционных насадок, расположенных на режущей головке и в призабойной камере [1]. Местоположение, размер и количество инъекционных насадок необходимо определять в соответствии с грунтовыми условиями, наружным диаметром и конструкцией щитовой машины. В случае большого количества инъекционных насадок должна использоваться независимая инъекционная система, обеспечивающая насадкам равный расход добавок. Инъекционные насадки должны инструментально защищаться от засорения.

Инъекционное оборудование должно проектироваться таким образом, чтобы имелась возможность контроля и изменения давления и скорости нагнетания при колебаниях величины крутящего момента, объема проникновения добавок в грунт, характеристик выдаваемого грунта и давления грунта в призабойной камере.

6. Смесительные устройства

Местоположение и конструкция смесительных устройств должны быть такими, чтобы обеспечивалось эффективное смешивание разработанного грунта и инъектированных добавок, что должно предотвращать налипание и адгезию грунта на элементах режущей головки и корпуса щитовой машины. В щитовых машинах большого диаметра вращение режущей головки и резцов может быть настолько медленным, что может потребоваться установка независимо вращающихся смесительных ножей (лопаток) [10].

В состав смесительных устройств входят (рис. 2):

- режущая головка 1;

- смесительные лопатки сзади на режущей головке 2;

- фиксированные ножи, закрепленные на лобовойдиафрагме 3;

- независимо приводные смесительные лопатки 4.

Рис. 2. Смесительные устройства: 1 - режущая головка;

2 - смесительные лопатки (ножи) на режущей головке;

3 - фиксированные ножи на лобовой диафрагме;

4 - независимо приводные смесительные лопатки

7. Система удаления грунта

Система удаления грунта должна иметь достаточные возможности, чтобы выдавать бесперебойно весь разработанный грунт.

Шнековый конвейер, оборудованный в нижней части лобовой диафрагмы, является первичной системой удаления грунта в щитовой машине с груптопригрузом. Его работа позволяет сбалансировать (уравновесить) давление грунта и воды со стороны забоя с давлением грунтового шлама в призабойной камере и уравнять количество выдаваемого шнековым конвейером грунтового шлама с количеством разрабатываемого грунта путем регулирования скорости вращения шнекового конвейера.

Имеются два основных типа шнековых конвейеров: «конвейер с валом» и «безвальный ленточный конвейер» [11].

При проходке в гравелистых грунтах, сечение и размер (диаметр) шнекового конвейера назначается в соответствии с проектной производительностью выдачи разработанного грунта. При использовании ленточного типа конвейера в высокопроницаемых грунтах рассматриваются вопросы обеспечения герметичности и удержания необходимого давления.

Для протяженных тоннелей необходимо устанавливать у приемного отверстия конвейера специальные ворота, что позволит удалять валуны и гравий во время технического обслуживания. Иногда у выходного отверстия конвейера устанавливается аварийный затвор, прекращающий выход грунта при отсутствии подачи электроэнергии во время проходки.

В качестве вторичных элементов системы удаления грунта могут использоваться:

- ленточная конвейерная система:

- силовая транспортная система;

- вторичная шнеко-конвейерная система.

Дополнительные системы включают пульповые системы и роторные питатели (роторный бункер и задвижка).

При выборе системы удаления грунта, соответствующей условиям строительства, необходимо оптимизировать ее, принимая в расчет грунтовые условия (тип грунтов, размер гравия, грунтовая вода), наружный диаметр щитовой машины, длину тоннеля, грунтовый транспорт и методы улучшения (закрепления) грунтов как внутри, так и вне тоннеля.

Список литературы

1. Bilgin N., Copur H., Balci C. Mechanical excavation in mining and civil industries. CRC Press. 2013. 353с.

2. Herrenknecht, Hardrock Tunnel Boring Machines / B. Maidl, L. Schmid, W. Ritz, M. Ernstand Son. 2008. 343с.

3. Copur H. Mechanical excavation and mechanization in soft ground. Graduate Class Notes.Istanbul Technical University, Mining Engineering Department. 2012. 77 с.

4. Japan Society of Civil Engineers (JSCE). Standard Specification for Tunnelling-2006: Shield Tunnels. 2007. 270 с.

5. Валиев А.Г., Власов С.Н., Самойлов В.П. Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях. М.: ТА Инжиниринг, 2003. 71 с.

6. O'Reilly M.P., New B.M. Settlement above tunnels in the United Kingdom - Their magnitude and prediction //Proc. the Tunneling 82 Conference. Brighton. 1982. С.173-181.

7. Karakus M., Fowell R.J. Effects of different tunnel face advance excavation on the settlement by FEM //Tunnelling and Underground Space Technology. 2003. Т. 18. №. 5. С. 513-523.

8. Minguez F., Gregory A., Guglielmetti V. Best practice in EPB management // Tunnels and Tunnelling International. November. 2005. С. 21-25.

9. Suwansawat S., Einstein H. H. Artificial neural networks for predicting the maximum surface settlement caused by EPB shield tunneling // Tunnelling and Underground Space Technology. 2006. Т. 21. №. 2. С. 133-150.

10. Ercelebi S.G., Copur H., Ocak I. Surface settlement predictions for Istanbul Metro tunnels excavated by EPB-TBM // Environmental Earth Sciences. 2011. Т. 62. №. 2. С. 357-365.

11. Herrenknecht M., Thewes M., Budach C. The development of earth pressure shields: from the beginning to the present. Entwicklung der Erddruckschilde: Von den Anfangenbiszur Gegenwart // Geomechanics and Tunnelling. 2011. Т. 4. №. 1. С. 11-35.

Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, проф., polyakoff-an@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin. tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Чеботарев Павел Николаевич, канд. техн. наук, доц., cheb-84@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Хачатурян Вильям Генрихович, канд. техн. наук, доц., wtt71@matt.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DESIGN FEATURES OF THE MIXED GROUND SHIELD TUNNEL BORING MACHINES A. V. Polyakov, A.B. Zhabin, P.N. Chebotarev, W.H. Khachaturian

The features of the selection and calculation of the main elements of the shield machine with the ground-cutting head and the type of its support are considered. The requirements for the bottom-hole chamber and its elements, the system of stabilization of the face of the shield machine and equipment for injection of additives are described. It considers the issues of design of mixing devices and systems for removal of soil.

Key words: tunnel boring machines, mixed ground shield, priming, design conditions, cutting head, bottom-hole chamber, face stabilization system, mixing devices.

Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, professor, poly-akoff-an@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, zhabin. tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Chebotarev Pavel Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, cheb84@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Khachaturian William Henrihovich, candidate of technical sciences, docent, cheb84@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

Reference

1. Bilgin, N., Copur H., Balci C. Mechanical excavation in mining and civil industries. CRC Press. 2013. 353 s.

2. Maidl, B., Schmid, L., Ritz W., Herrenknecht M. Hardrock Tunnel Boring Machines. Ernstand Son. 2008. 343s.

3. Copur H. Mechanical excavation and mechanization in soft ground. Graduate Class Notes.Istanbul Technical University, Mining Engineering Department. 2012. 77 PP.

4. Japan Society of Civil Engineers (JSCE). Standard Specification for Tunnelling-2006: Shield Tunnels. 2007. 270 PP.

5. Valiev, A. G., Vlasov S. N., Samoilov, V. P., Modern shield machines with earth pressure balance machines active slaughter for tunnel construction in difficult engineering-geological conditions. Moscow: TA Engineering, 2003. 71 PP.

6. O'reilly M. P., New B. M. Settlement above tunnels in the United Kingdom -Their magnitude and prediction //Proc. the Tunneling 82 Conference-ence, Brighton. 1982. Pp. 173-181.

7. Karakus M., Fowell, R. J. Effects of different tunnel face advance excavation on the settlement by FEM //Tunnelling and Underground Space Technology. 2003. T. 18. no. 5. Pp. 513-523.

8. Minguez F., Gregory A., Guglielmetti V. Best practice in EPB man-Agency // Tunnels and Tunnelling International, November. 2005. Pp. 21-25.

9. Suwansawat S., Einstein H. H. Artificial neural networks for predict-ing the maximum surface settlement caused by EPB shield tunneling // Tunnel-ling and Underground Space Technology. 2006. T. 21. no. 2. Pp. 133-150.

10. S. G. Ercelebi, H. Copur, I. Ocak Surface settlement predictions for Istanbul Metro tunnels excavated by EPB-TBM //Environmental Earth Sciences. 2011. T. 62. no. 2. Pp. 357-365.

11. Herrenknecht M., Thewes, M., Budach, C. The development of earth pressure shields: from the beginning to the present. Entwicklung der Erddruckschilde: Von den Anfangenbiszur Gegenwart // Geomechanics and Tunnelling. 2011. Vol. no. 1. Pp. 11-35.

УДК 622.831.1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШАГА ОБРУШЕНИЯ ОСНОВНОЙ КРОВЛИ

ПРИ РАБОТЕ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ ПО ПЛАСТУ «ТОЛМАЧЁВСКИЙ» В ГРАНИЦАХ УКЛОННОГО ПОЛЯ 18-2

В.О. Торро, А.В. Ремезов, Е.В. Кузнецов, В.В. Климов

Рассмотрены исследования по определению фактического шага обрушения основной кровли в ходе работы очистных забоев по пласту «Толмачёвский» на шахте «Полысаевская» как основного параметра, определяющего интенсивность воздействия опорного давления на выработки, прилегающие к очистному забою.

Ключевые слова: очистной забой, основная кровля, шаг обрушения, опорное давление, самопишущий манометр, зона ПГД, динамический процесс, сейсмическая активность, место заложения демонтажной камеры.

Необходимость обеспечения безопасности при ведении горных работ определяет актуальность решения вопроса эффективного поддержания демонтажной камеры и выработок, оконтуривающих выемочный столб, которые в процессе ведения очистных работ подвергаются интенсивному воздействию опорного давления. В этой связи на шахте Полысаевская были проведены исследования по определению шага обрушения основной кровли.

Инструментальные исследования проявлений горного давления проведены в 2011 году, в очистном забое № 18-10 пласта «Толмачевский», путём оценки изменения нагружения секций механизированной крепи ла-