ОВАЛЬНЫЙ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА
OVAL TELESCOPIC ACTUATOR OF TUNNEL SHIELD

Предлагаемое изобретение относится к горной промышленности, а именно к проходческим щитам, и может быть использовано при проходке тоннелей транспортного и коммунального назначения рациональной - овальной - формы сечения.
Известен роторно-планетарный исполнительный орган проходческого щита, позволяющий разрабатывать забой овальной формы поперечного сечения, включающий центрально расположенный роторный элемент-планшайбу и планетарный механизм, объединяющий три поворотных руки, каждая из которых снабжена роторной режущей головкой, обеспечивающий расширение сечения из круглого в овальное [1]. Недостатком данного устройства является его сложность, оно не контактирует с забоем по всей его поверхности, что отрицательно влияет на устойчивость забоя, а также этот роторно-планетарный рабочий орган не позволяет стабильно сохранять свое положение при передвижке щитового комплекса.
Известен также исполнительный орган проходческого щита овальной формы, включающий центральный роторный, два горизонтальных боковых и два вертикальных барабанных рабочих органа [2]. Недостатками этого устройства является то, что оно не связано телескопически с оболочкой щита, поэтому при повороте исполнительного органа вокруг продольной оси, проходящей через центр тяжести сечения путем изменения направления вращения рабочих органов, оболочка щита не поворачивается.
Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение корректировки положения оболочки щита, а следовательно, и положения сечения тоннеля при изменении направления вращения рабочих органов.
Это достигается тем, что исполнительный орган проходческого щита овальной формы телескопически связан с оболочкой щита по центрам вращения боковых и вертикальных рабочих органов, а также через квадратное отверстие в герметической перегородке по центру тяжести овального сечения и телескопически проходящей через нее квадратной направляющей.
Устройство поясняется чертежами.
На фиг.1 показан ТПМК (тоннелепроходческий механизированный комплекс) с предлагаемым исполнительным органом.
На фиг.2 показан вид исполнительного органа ТПМК со стороны забоя.
На фиг.3 показан один рабочий орган барабанного типа ТПМК.
На фиг.4 показан боковой рабочий орган ТПМК.
На фиг.5 показан продольный разрез бокового рабочего органа.
Исполнительный орган проходческого щита состоит из центрального роторного рабочего органа в виде планшайбы 1 и двух боковых рабочих органов 2 и 3, каждый из которых выполнен в виде тела вращения относительно горизонтальной главной центральной оси сечения тоннеля дугообразной образующей, соответствующей своду, половине боковых сводов и окружностям сопряжения их, двух вертикальных 4 и 5 рабочих органов барабанного типа, торцевые поверхности которых соответствуют своду и обратному своду тоннеля, приводы каждого рабочего органа находятся внутри, что позволяет осуществлять их обслуживание и ремонт. На внешней поверхности рабочих органов закреплены породоразрушающие инструменты: шарошки 6, резцы 7 и скребки 8 (см. фиг.1, 2, 3, 4). При проходке в прочных породах рабочие органы оснащают шарошками и скребками, в породах средней прочности - резцами и скребками, а в слабых породах - скребками. Исполнительный орган проходческого щита отделен герметической диафрагмой 9 (перегородкой), что позволяет вести проходку в сложных гидрогеологических условиях с породным или суспензионным пригрузом забоя.
Щитовой корпус может быть шарнирным (на фиг.1 условно не показан), что увеличивает скорость проходки на 25-30% за счет непрерывной разработки породы без остановки на монтаж обделки и (при необходимости) позволяет проходить тоннель на криволинейных участках с радиусами закругления менее 100 метров.
Центральный, роторный рабочий орган 1, установлен посредством подшипника на оси, выполненной в виде трубы диаметром до 2 м и расположенной в центре тяжести проходческого щита, которая одновременно является направляющей исполнительного органа ТПМК, рабочие органы 2, 3, 4 и 5 (см. фиг.1, 2, 3, 4) установлены посредством подшипников на своих осях, связанных консольно жестко с направляющей, каждый на двух подшипниках 10 (фиг.5), внутренний диаметр которых около двух метров, что позволяет обслуживающему персоналу через подшипник попасть внутрь рабочих органов. Привод каждого рабочего органа может быть гидравлический или электрический с терристерным управлением по следующей схеме: зубчатая рейка 11, закрепленная жестко к внутренней поверхности рабочего органа, с ней находится в зацеплении звездочка 12 привода, закрепленного на неподвижной оси его и состоящего из редуктора 13 и электрических 14 или гидравлических двигателей (на фиг.4 и 5 ось рабочего органа условно не показана).
Перемещение исполнительного органа на забой может осуществляться двумя способами:
- путем воздействия гидравлических домкратов исполнительного органа 15 на квадратную направляющую 16 (фиг.1);
- путем передвижки всего щитового комплекса (ТПМК), отталкиваясь от обделки тоннеля щитовыми домкратами 17 или от второй секции щита, распертой в окружающий горный массив греперами при шарнирном корпусе щита (условно не показан).
Предлагаемый исполнительный орган щита позволяет также влиять на положение овального сечения тоннеля при передвижке щитового комплекса путем изменения направления вращения рабочих органов. Здесь необходимо заметить, что все механизированные щиты имеют тенденцию вращаться при передвижке относительно своей продольной оси в силу разных причин, среди которых можно назвать силу тяжести, смещение центра тяжести вдоль продольной оси щита в результате недочетов при проектировании и изготовлении, в результате реакции забоя при его одновременной разработке рабочим органом и др.
При проходке тоннеля круглой формы поперечного сечения это не оказывает решающего значения на сооружение тоннеля, т.к. при повороте щита вокруг своей продольной оси его оболочка, на которой собирается очередное кольцо, остается круглой.
При проходке тоннеля овальной формы поперечного сечения, вытянутой относительно горизонтальной (вертикальной) оси, сохранение стабильного положения сечения тоннеля играет решающее значение. Кроме того, дорожное полотно автодорожного тоннеля с многополосным движением транспортных средств овальной формы поперечного сечения должно быть горизонтальным при прямолинейной трассе и иметь наклон при повороте ее для противодействия силам инерции при движении автомобилей на повороте.
Исполнительный орган проходческого щита овальной формы телескопически связан с оболочкой щита по центрам вращения боковых и вертикальных рабочих органов, а также через квадратное отверстие (условно не показано) в герметической диафрагме (перегородке) 9 по центру тяжести овального сечения и телескопически проходящей через нее квадратной направляющей 16.
Исполнительный орган проходческого щита работает следующим образом.
Одновременно включают приводы всех рабочих органов, затем подают исполнительный орган на забой гидродомкратами 15 (фиг.1).
Причем при породном пригрузе разрушенная порода в рабочей зоне между забоем и герметической диафрагмой пластифицируется специальными гидродобавками, которые подаются в необходимом объеме в рабочую зону рассредоточенно по всему ее объему. Давление пригруза постоянно контролируется и поддерживается равным гидродавлению забоя путем с одной стороны выдачи породы шнековым перегружателем 20, с другой стороны - соответствующей передвижкой щита на забой.
При гидропригрузе за герметическую диафрагму подается по трубам раствор бентонитовой глины и сжатый воздух, которые обеспечивают необходимый пригруз забоя в неустойчивых породах. При этом жидкая смесь разрушенной породы и бентонитовой глины выдается на поверхность насосами по трубам, где производят отделение бентонитовой глины и воды от породы. После этого раствор бентонитовой глины подается в рабочую зону по трубам для повторного использования, а порода самосвалами вывозится на место складирования.
При повороте трассы многополосного тоннеля необходимо обеспечить поворот щитового комплекса вдоль продольной оси на определенный угол влево или вправо для того, чтоб обеспечить наклон дорожного покрытия. Это можно осуществить путем изменения направления вращения пяти рабочих органов, составляющих исполнительный орган тоннелепроходческого комплекса при его передвижке. При необходимости изменение положения овального сечения тоннеля из горизонтального в вертикальное также можно осуществить при передвижке щита, изменяя направление вращения его элементов (рабочих органов). В данном изобретении исполнительный орган связан телескопически с оболочкой щита, что особенно важно для коллекторных тоннелей.
Исполнительный орган ТПМК состоит из пяти рабочих органов: центрального 1 в виде планшайбы, которая вращается на подшипнике, жестко закрепленном внутри круглой (в виде трубы) направляющей, причем направляющая изменяет поперечное сечение на квадратное в месте пересечения ее с диафрагмой, и двух боковых 2, 3 и двух вертикальных 4, 5 рабочих органов. Все эти четыре рабочих органа по оси вращения имеют одинаковые цилиндрические выступы 18 (фиг.3). Эти выступы входят телескопически в швеллеры 19, жестко связанные с оболочкой щита. Таким образом, передвижка щита при одновременной разработке забоя с соответственным направлением вращения исполнительных органов 1, 2, 3, 4, 5 приводит к повороту овальной оболочки щита на определенный угол при его передвижке и, следовательно, на тот же угол обделки тоннеля, собираемого на ней.
Источники информации
1. В.П.Самойлов, B.C.Малицкий «Новейшая японская техника щитовой проходки тоннелей».
2. Патент РФ №2376473 по классам Е21D 9/087 и Е21С 27/24, 2008 г.