Агрегат для проходки тоннелей
TUNNELING UNIT

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для сооружения автодорожных, железнодорожных и коммунальных тоннелей в грунтах III и IV категории.
Известен геоход (проходческий щитовой агрегат) (патент RU 2552539, МПК E21D 9/06, опубл. 10.06.2015, БИ №16), содержащий головную и концевую цилиндрические секции. В передней части головной секции на рамной конструкции расположен исполнительный орган геохода, содержащий два разрушающих цилиндрических элемента барабанного типа, соединенные с двигателем и установленные под углом а в диаметральной плоскости с эксцентриситетом относительно продольной оси геохода. На внешней стороне головной цилиндрической секции закреплен движитель, выполненный в виде коротких секторов двухзаходной спиральной поверхности. Перед ними установлены разрушающие органы движителя цилиндрической формы, на боковой поверхности которых расположены радиальные резцы. Приводной двигатель разрушающих органов движителя установлен на внутренней стороне головной секции. На концевой цилиндрической секции закреплены продольные элементы противовращения с установленными перед ними разрушающими органами элементов противовращения цилиндрической формы, ось вращения которых перпендикулярна продольной оси геохода.
Известны также дуплексный геоход (патент RU 2469192, МПК E21D 9/06, опубл. 10.12.2012, БИ №34), проходческий щитовой агрегат (патент RU 2418950, МПК E21D 9/06, опубл. 20.05.2011, БИ №14), биротативный проходческий щитовой агрегат (патент RU 2412354, МПК E21D 9/06, опубл. 20.02.2011, БИ №5), исполнительный орган проходческого щита (патент RU 2244129, МПК E21D 9/06, опубл. 10.01.2005, БИ №1), проходческие щиты (патент RU 2182667, МПК E21D 9/06, опубл. 20.05.2002, БИ №14), (патент RU 2166088, МПК E21D 9/06; E21C 27/30, опубл. 27.04.2001, БИ №12), проходческий щитовой агрегат (патент RU 2066762, МПК E21D 9/06), исполнительный орган проходческого щита овальной формы (патент RU 2376473, МПК E21D 9/06; Е21С 27/30, опубл. 20.12.2009, БИ №35). Недостатком этих конструкций является получение тоннеля круглой или овальной формы, не соответствующей требованиям ГОСТ24451-80 и ГОСТ 9238-2013.
Способ сооружения тоннеля и устройство для его осуществления (патент RU 2266409, МПК E21D 9/087, опубл. 20.12.2005, БИ №9) позволяет получить тоннель как круглой, так и прямоугольной формы. Агрегат включает несущий корпус с герметичной диафрагмой, на котором закреплены щитовая оболочка, состоящая из головной и хвостовой частей, щитовые гидроцилиндры, ножевое кольцо и многоосный рабочий орган с приводными модулями. Корпус рабочего органа выполнен в виде рамной решетки с породоразрушающими и смесительными элементами. При переходе от проходки тоннеля одной формы к другой производят переналадку агрегата путем замены в монтажной камере, сооруженной в конце первого тоннельного участка, его формообразующих элементов при неизменном их числе.
Наиболее близким техническим решением является проходческий щитовой комплекс для сооружения прямоугольных тоннелей (патент RU 2130120, МПК E21D 9/06, опубл. 10.05.1999) предназначенный для сооружения тоннелей методом продавливания. Он включает щит прямоугольного профиля с обрабатывающим поверхность забоя рабочим органом в виде оснащенных резцами парных шнеков с горизонтальными осями вращения и встречным направлением спиралей, транспортирующих разработанный грунт к оси щита. По вертикальной оси щита между концами шнеков установлен вертикальный скалыватель грунта, причем концевые участки шнеков длиной, равной 0,2…0,4 их длины, выполнены с двухзаходной нарезкой. Рабочий орган разрабатывает забой и транспортирует разработанный грунт к оси щита, а затем с помощью шнекового транспортера перемещает его на тоннельный ленточный транспортер и далее в вагонетки. Привод рабочего органа осуществляется от гидравлических моторов через редукторы. Управление щитом и его перемещение относительно телескопического эвена, соединенного с продавливаемой обделкой, производится гидроцилиндрами.
Основным недостатком всех конструкций являются большие затраты энергии на разработку кубического метра грунта, так как проходку осуществляют методом продавливания, а активные рабочие органы установлены не оптимально.
Задачей изобретения является создание агрегата непрерывного действия для проходки тоннелей, осуществляющего весь комплекс работ, связанных проходкой, с наименьшими затратами энергии и времени.
Поставленная задача решается тем, что:
- форма тоннелей, создаваемых агрегатом, близка к государственным стандартам, то есть в процессе проходки будет извлечено минимально необходимое количество грунта;
- доля объема грунта, разрыхляемого в результате воздействия пассивных ножей и обрушением, составляет 23% от общего объема грунта, разрыхляемого агрегатом;
- для разработки грунта использованы рационально размещенные по сечению проходки энергосберегающие прямоточные роторные рыхлители диаметром один метр (патент RU 2735497, МПК E02F 5/32, E02F 3/24, опубл. 03.11.2020, №31);
- сила тяги, создаваемая прямоточными роторными рыхлителями, шнеками с режущими зубцами и реакцией грунта, перемещаемого транспортером, превышает сопротивление, создаваемое пассивными ножами, поэтому затраты энергии на перемещение агрегата посредством ходовой части минимальные.
Новые существенные признаки:
- три ряда прямоточных роторных рыхлителей установлены уступом на раме агрегата, при этом каждый вышерасположенный ряд смещен назад и по высоте;
- рама агрегата опирается на гусеничную ходовую часть;
- к раме агрегата приварены боковые сбрасыватели;
- на раме агрегата установлены пассивные ножи: один нижний, шесть боковых и один верхний, причем пассивные ножи служат скользящей опалубкой;
- на раме агрегата также установлены: нижний склиз, три шнека, рама транспортера, неподвижная часть транспортера, площадка и кабина оператора;
- в неподвижную часть транспортера входит выдвижная часть транспортера;
- на раме транспортера установлены барабаны и барабан подвижный, охватываемые лентой транспортера;
- на площадке расположены: двигатель, две емкости для рабочей жидкости, промежуточная емкость раствора, промежуточная емкость гидроизоляции, шесть насосов подачи раствора и гидроизоляции;
- к двигателю присоединены водовоздушный теплообменник и газовоздушный теплообменник;
- от двигателя получают привод: насос рыхлителей, насос шнеков, насос транспортера, насос перемещения.
Совокупность известных и отличительных существенных признаков заявляемого агрегата не известна из уровня техники и не вытекает из него очевидным образом.
Новый технический результат заключается в том, что использование предлагаемого агрегата позволит осуществить комплекс работ при проходке тоннелей с минимальными затратами энергии и времени, повысить коэффициент полезного действия двигателя, как тепловой машины.
На фиг. 1 показана схема агрегата, вид слева; на фиг. 2 - схема агрегата, вид сверху; на фиг. 3 - схема агрегата в транспортном положении, вид слева; на фиг. 4 - сечение тоннеля, схема границ воздействия на грунт рабочих органов элементов агрегата; на фиг. 5 - сечение тоннеля по ГОСТ 24451-80 «Тоннели автодорожные», схема проходов агрегата; на фиг. 6 - сечение тоннеля по ГОСТ 9238-2013 «Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений», схема проходов агрегата.
Три ряда прямоточных роторных рыхлителей 17 (фиг. 1, 2) установлены уступом на раме агрегата 13, при этом каждый вышерасположенный ряд смещен назад и по высоте (по ходу агрегата). Рама агрегата опирается на гусеничную ходовую часть 10. На ней установлены пассивные ножи 15 с форсунками: один нижний, шесть боковых и один верхний. К раме агрегата приварены боковые сбрасыватели 14. На раме агрегата также установлены: нижний склиз 16, три шнека 18, рама транспортера 7, неподвижная часть транспортера 4, площадка 11 и кабина оператора 12. В неподвижную часть транспортера входит выдвижная часть транспортера 3, приводимого гидромотором 1 транспортера. На раме транспортера установлены барабаны 5 и барабан подвижный 6, охватываемые лентой транспортера 2. На площадке расположены: двигатель 20, две емкости для рабочей жидкости 9, промежуточная емкость раствора 23, промежуточная емкость гидроизоляции 27, шесть поршневых насосов 8 подачи раствора и гидроизоляции. К двигателю присоединены водовоздушный теплообменник 21 и газовоздушный теплообменник 22. От двигателя получают привод: насос рыхлителей 19, насос шнеков 24 (фиг. 2), насос транспортера 25, насос перемещения 26 и остальных потребителей.
При перемещении агрегата (на фиг. 1, справа налево) нижний ряд прямоточных роторных рыхлителей разрыхляет часть грунта в пределах будущего тоннеля. Нижний пассивный нож и два нижних боковых пассивных ножа подрезают грунт, который скользит на ленту транспортера частично от напора поступающего грунта, частично от воздействия шнеков. Шнеки разрыхляют перемычки, остающиеся между прямоточных роторных рыхлителей нижнего ряда. Другие прямоточные роторные рыхлители, боковые пассивные ножи и верхний пассивный нож поэтапно разрыхляют грунт и направляют на транспортер. При этом значительная часть грунта обрушивается на транспортер без воздействия прямоточных роторных рыхлителей. Транспортер направляет грунт в транспортное средство Т.
Рабочая жидкость располагается в емкостях для рабочей жидкости. Давление рабочей жидкости создают: насос рыхлителей, насос шнеков, насос транспортера и насос перемещения. Привод всех элементов агрегата гидравлический. Воздух в двигатель подает вентилятор, расположенный вне тоннеля, а отработавшие газы отсасывает другой вентилятор (не показаны). Другие насосы, расположенные вне тоннеля, подают гидроизоляцию и раствор, предназначенный для укрепления стенок тоннеля, в промежуточные емкости. Оттуда насосы подают гидроизоляцию и раствор через форсунки, установленные на пассивных ножах, на стенки и свод тоннеля для их гидроизоляции и укрепления. При этом пассивные ножи служат скользящей опалубкой. Вентилятор также нагнетает воздух в водовоздушный теплообменник, служащий радиатором двигателя. Воздух проходит через водовоздушный теплообменник, газовоздушный теплообменник и поступает на поверхность раствора, способствуя его быстрому отвердению. Этот воздух обогревает пространство тоннеля и создает в тоннеле избыточное давление для удаления пыли и газов, которые, возможно, появятся в разрабатываемом грунте. Наличие водовоздушного теплообменника и газовоздушного теплообменника повышает коэффициент полезного действия двигателя, как тепловой машины. Управляют агрегатом из кабины оператора. Там также расположены основные элементы автоматики.
При работе агрегата (фиг. 3) одиннадцать прямоточных роторных рыхлителей разрыхляют грунт в границах ПРР. Для уравновешивания моментов направление вращения элементов прямоточных роторных рыхлителей, установлены справа по ходу агрегата, противоположное направлению вращения элементов прямоточных роторных рыхлителей, установлены слева по ходу агрегата. Из промежутков между нижними прямоточными роторными рыхлителями грунт, преимущественно, извлекают три шнека в границах Ш их воздействия на грунт. Направление вращения шнека, установленного справа по ходу агрегата, противоположное направлению вращения шнека, установленного слева по ходу агрегата. Направление вращения шнека, установленного по центру агрегата, противоположное реактивному моменту прямоточного роторного рыхлителя, установленного по центру агрегата. Пассивные ножи формируют профиль проходки П. Компоновка агрегата одиннадцати рыхлителями, установленными в три ряда, позволяет осуществить устройство агрегатом тоннеля автодороги IV категории, выполненного по ГОСТ 24451-80 в границе Гр, за четыре прохода (фиг. 5). Тоннель предназначен для двухполосного движения автомобилей. Для среза грунта участков А, Б, В свода тоннеля на агрегат устанавливают дополнительные пассивные рабочие органы. Участок Г обрушится при третьей и четвертой проходке. При формировании тоннеля будет небольшое перекрытие Пер 1 и 2 прохода. При 3 и 4 проходе будет выбран грунт для последующего формирования основания О дороги Д, дорожной одежды ОД, левой защитной полосы П, совмещенной со служебным проходом тоннеля и правой защитной полосы тоннеля 3. Компоновка агрегата позволяет осуществить устройство железнодорожного тоннеля для одной колеи, выполненного по ГОСТ 9238-2013 (фиг. 6), за два прохода. Для среза грунта участков А, Б тоннеля на агрегат устанавливают дополнительные пассивные рабочие органы. При формировании тоннеля будет небольшое перекрытие Пер 1 и 2 прохода. Получится тоннель, границы которого И, немного шире границы Гр, предусмотренной ГОСТ 9238-2013.
В транспортном положении (фиг. 4), выдвижная часть транспортера входит в неподвижную часть транспортера, а барабан подвижный перемещается внутрь рамы транспортера (показано стрелками). Гидроцилиндры перемещают ходовую часть агрегата вниз относительно рамы агрегата.