Описание технологии.
Щитовая проходка применяется при устройстве протяжных тоннелей диаметром до 5 метров на глубине до 25 метров – в несвязных и малосвязных грунтах. Последовательность выполнения работ можно разбить на 3 стадии:
1)Подготовительная стадия – состоит в устройстве монтажной (начальной) шахты для опускания оборудования, подвода к забою электроэнергии, сжатого воздуха, воды и т.п., а также устройства вентиляции.
2)Вторая стадия включает в себя: а) разработку грунта в забое под прикрытием щита; б) сборку обделки; в) продвижение щита; г) нагнетание цементного раствора за обделку.
3)Третья стадия заключается в прокладке коммуникаций и устройстве постоянной обделки. Средняя скорость проходки за смену состовляет 1.5-6 метров
Щитовая проходка тоннеля.
При щитовой проходке тоннеля выполняют следующий комплекс работ: разработку грунтов в забое с погрузкой его на внутритоннельный транспорт; подъем грунта на поверхность земли с погрузкой в автомобили-самосвалы; подачу материала отделки на рабочее место; расчеканку швов между блоками и нагнетание цементного раствора за обделку.
Для разработки грунта в тоннеле щитовым способом применяют несколько типов машин. Одна из схем комплекса оборудования для щитовой проходки, запроектированного ЦНИИ «подземшахтостроем». В головной части проходки размещен ножевой щит с блокоукладчиком. Внутри щита под защитой козырька выполняют разработку грунта и по ленточному конвейеру разгружают его в вагонетки, которые затем перемещают вдоль тоннеля электровозом. В конце тоннеля вагонетки с грунтом по вертикальному стволу поднимают на поверхность земли с помощью крана или специальной подъемной установкой, смонтированной на одноклетьевом копре, и разгружают в металлический бункер, откуда автомобилями-самосвалами грунт отвозят в указанные места.
Для удаления грунта из тоннеля и подачи блоков отделки к рабочему месту используют одно- и двухпутные вагонетки. Однопутную схему применяют при проходке тоннелей щитами диаметром 2—2,15 м, а двухпутную — диаметром 2,56—4 м. При однопутной схеме одна вагонетка находится под загрузкой, другая разгружается на поверхности земли. При двухпутной схеме устраивают два разъезда: один у щита для обмена вагонеток и блоко-возов, второй — на расстоянии 10— 15 м от шахтного ствола.
|
|
|
|
|
Укладку мелких блоков при проходке щитом диаметром 2 м производят вручную, а крупных блоков и тюбингов — специальными блокоук-ладчиками. Грунт в забое разрушают способом вдавливания, для чего кольцевой нож щита вдавливается в грунт, отрезает его от массива и грузит на конвейер.
В слабых грунтах применяют гидромеханическую разработку грунта в забое с помощью гидромониторной установки. Для ввода щита в забой в шахтном стволе устраивают проем, а с противоположной стороны — упорную стенку. По мере продвижения щита производят разработку грунта. Опорой для гидродомкратов служит отделка стен коллекторного тоннеля и после того, когда гидродомкраты продвинут щит на величину, равную максимальному ходу штока (но не менее высоты блока обделки), обратным движением гидродомкрата перемещают упорные кольца, после этого ведется монтаж следующего кольца обделки тоннеля. Контроль за правильностью продвижения щита осуществляется геодезическими инструментами.
Для разработки вязких глинистых грунтов применяют механизированный щит роторного действия. Рабочим органом у него является плоская план-цщйба с резцовыми окнами. При вращении планшайбы грунт срезается стружкой и через резцовые прорези поступает на наклонные ребра, а далее с помощью системы ленточных конвейеров подается в вагонетки.
НИИМосстроем разработана технология обделки тоннеля из трапециевидных блоков с гладкими стыками. Кольцо собирают из восьми таких блоков толщиной 150 и длиной 320 мм. В том случае, когда разработку грунта в тоннеле ведут щитом диаметром 3,6 м, то применяют мелкие трапециевидные и прямоугольные укрупненные блоки. Кольцо обделки собирают из 20 мелких блоков толщиной 250 и длиной 500 мм, или из девяти прямоугольных укрупненных блоков размером 720ХП100X200 мм, одного предзамкового и одного замкового блока. Соединяют их в кольцо по цилиндрической поверхности на шпильках, а кольца друг с другом — с помощью пазов и гребней,
Аналогичная конструкция кольца обделки диаметром 4 м разработана трестом «Шахтспецстрой», которая состоит из шести укрупненных блоков толщиной 200 мм и длиной 750 мм .
К недостаткам мелкоблочной обделки следует отнести высокую трудоемкость, значительное количество продольных и поперечных швов, понижающих водонепроницаемость обделки. Для устранения перечисленных недостатков обделку стен коллекторных тоннелей выполняют из трапециевидных железобетонных тюбингов марки 400.
Кольцо обделки для щитов диаметром 2,15 и 3,23 м собирают из четного числа унифицированных трапециевидных тюбингов, имеющих плоский стык, а кольца друг с другом — с помощью болтов. Вслед за обделкой (но с отставанием не более чем на пять колец) производят первичное нагнетание растворонасосом цементно-песчаного раствора состава 1: 1, 1:2... 1:5 в пространство между грунтом и наружной поверхностью обделки. При такой технологии работ достигается повышение жесткости и неизменяемости геометрической формы колец обделки и повышается водонепроницаемость коллектора или тоннеля.
В целях повышения качества обделки применяют бесшовную монолитно-прессованную обделку. Институт «Метрогипротранс» совместно с Управлением дорожно-мостового строительства Исполкома Моссовета разработал щитовой комплекс для устройства обделки тоннелей из монолитного пресс-бетона.
При этом методе используют следующий порядок работ. По мере разработки грунта и продвижения агрегата вперед в хвостовой части щита устраивают монолитную обделку секциями длиной по 500 мм. Для этого предварительно устанавливают металлическую секционную опалубку, состоящую из трех сегментов (по окружности) лоткового типа, соединяемых друг с другом болтами. Бетонируют обделку кольцами шириной 500 мм, не делая перерывов в укладке бетона
Распалубливание бетона, производят на четвертые сутки после укладки прессованного бетона. Уплотнение бетона выполняют с помощью реактивного усилия щитовых домкратов, передвигающих жесткое неразрывное пресс-кольцо между опалубкой и оболочкой щита. При таком методе достигается прокладка тоннеля до 3 м/сут. Трудоемкость по сравнению с обделкой из сборных элементов уменьшается на 25—40%.
Для возведения городских подземных коммуникаций применяется оптимальный по технико-экономическим показателям ряд коллекторных тоннелей с внутренним- диаметром 1,8; 2,25—4,5. м. В соответствии с этим для строительства таких тоннелей применяют высокопроизводительные щитовые комплексы: КЩ-2ДБ, КЩ-2,6Б, КЩ-3,2Б...КЩ-5,2Б. Скорость проходки таких щитовых комплексов составляет 3,8 м/смену.
В состав механизированного комплекса КЩ-3,2Б, входят: щит с рабочим органом, разрабатывающим породу; механизмы для погрузки грунта;. перегрузочный конвейер; блокоуклад-чик с приспособлением для разгрузки блоков; конвейер для удаления грунта й подачи блоков, растворонагнетатель для заполнения пространства за обделкой и другое оборудование.
В последнее время стали применять обделку с применением сталепласт-бетонных колец, проталкиваемых специальной гидросиловой установкой. Это позволяет заменить многослойную обделку одним слоем сталепластбетона. Он трещиноустойчив, хорошо формируется при изготовлении тонкостенных конструкций и является стойким при воздействии на него кислот, щелочей и солей.
Способ прокола основан на образовании отверстий за счет радиального уплотнения грунта при вдавливании в него трубы с коническим наконечником. При способе прокола в исходной точке по линии трассы устраивают котлован с креплением стенок. Глубина котлована зависит от расположения трубы и конструкции направляющих устройств. Упорную стенку для гидравлического домкрата выполняют из брусьев или железобетонных плит. В котловане укладывают звено трубы с наконечником и после выверки домкратом вдавливают его в грунт на длину хода штока, а затем после возвращения штока в начальное положение вводят на их место нажимной патрубок (шомпол) и процесс повторяется. По окончании вдавливания первого звена трубы на полную длину шомпол убирают, а в котлован опускают следующее звено и сваривают их (для сварки около передней стенки в котловане должен быть предусмотрен приямок). Затем вдавливают наваренное звено и циклы повторяются до выполнения прокола на заданную глубину.
Указанный способ можно применять при прокладке труб на глубину не менее 3 м в грунтах, не содержащих валунов и твердых включений. В противном случае вдавливаемая труба может потерять прямолинейное направление или выйти на поверхность земли.
Если в предыдущем: методе проходки выемка грунта осуществлялась
под защитой используемых для продвижения ножей, то дри щитовом
методе проходки продвижение осуществляется продавливанием вперед
цилиндрического ножа, представляющего одно целое, под защитой
которого производится выемка грунта на участке продвижения щита. Для
продавливания используются в основном новейшие гидравлические
прессы, которые располагаются в непосредственной близости от лобовой
грани щита, прочно с ним соединяются и упираются в уже выполненную
облицовку.
Щитовая проходка имеет традиционное применение при проходке
цилиндрических штолен и туннелей в городских условиях, особенно
при проходке линий метрополитена, транспортных туннелей попереч
ным сечением до 10 м, при сооружении сборных коллекторов линий
для подвода и отвода различных коммуникаций диаметром 2 и 4 м
Щитовая проходка по сравнению с открытым способом производства
работ является более предпочтительной и экономичной в следующих
случаях:
прокладка коммуникаций на большой глубине, под транспортными
магистралями и застроенными участками;
пересечение сборными коллекторами или большими осушительными
водоводами городских главных транспортных проездов, площадей, ав
тодорог и железнодорожных линий;
прокладка туннелей или штолен большого поперечного сечения
на глубине более 12 м на застроенных территориях;
работы по реконструкции коммуникаций уже застроенных
территорий, особенно в городских центрах, а также прокладка новых
подземных коммуникаций; спрямление городских трасс без учета условий расположения дорог.
Корпус щита представляет собой металлическую сварную
конструкцию, обычно имеющую двойные стенки, размеры которой соответствуют
необходимому профилю и сечению туннеля или штольни. На лобовой
части щита располагаются породоразрушающие механизмы, а сзади
складируются элементы облицовки, например, блоки, тюбинги из бетона
и железобетона, механизм для их установки с гидравлическим
приводом.
Лобовая поверхность грунта со стороны забоя должна
поддерживаться специальной плитой, которая предохраняет забои от возможного
обрушения слабых грунтов. При проходке туннелей
большого сечения забой может быть разделен на отдельные части, что
позволяет производить работы по проходке одновременно на разных уровнях.
Щит является наиболее ответственной частью при этом методе
проходки. Его конструктивное вьшолнение может быть различным:
частично или полностью механизированным.
Открытый или ручной щит предназначен для проходки штолен
небольшого сечения. Его преимущество по сравнению с частично или
полностью механизированными щитами заключается в том, что он
может применяться при проходке в любых грунтовых условиях, обладает
сравнительно небольшой массой, малой стоимостью, а также
небольшими затратами при установке и демонтаже. Размеры зтих щитов
определяются условиями вьшолнения работ по сооружению сборных
коллекторов, водоводов и др.
При использовании частично механизированных щитов часть
необходимых работ, как, например, рыхление, погрузка и отвоз грунта,
производится механизмами с индивидуальным управлением. В
зависимости от характеристик проходимых грунтов для этих работ могут
использоваться различные строительные механизмы.
Полностью механизированные шиты применяются при
сооружении туннелей метрополитена, а также различных штолен.
Применение щита приводит к сокращению сроков и стоимости вьшолнения
работ.
Для сооружения водоотводяших коллекторов в СССР
применяются проходческие щиты, обеспечивающие сооружение туннелей
диаметром 2,1; 2,6; 3,2 и 4,0 м. Обычно щит при каждом продвижении
передвигается вперед на 500 мм. Затем сразу закрепляют неустойчивые
грунты. Э1ИМ обеспечивается безопасность проведения работ и
исключается возможность обрушения забоя в сторону щита. Разработка грунта
при этом может производиться вручную или с использованием
специальных механизмов.
В простых геологических условиях, в особенности в однородных
связных грунтах, применяются полностью механизированные щиты.
Освобожденная от грунта часть забоя облицовывается бетонными
элементами. Во избежание обрушения грунта за облицовкой производится заполнение образующихся пустот раствором. Если коллектор располагается
ниже уровня грунтовых вод и требуется обеспечение
водонепроницаемости его стенок, то кроме установки наружной бетонной обделки
применяется дополнительная внутренняя облицовка из сегментных плит,
при установке которой должно быть обеспечено надежное соединение
и уплотнение их между собой. Это достигается закачиванием между
ними специального раствора. Во многих случаях для обеспечения
водонепроницаемости применяется покрытие внутренней поверхности бетонной
облицовки набрызг-бетоном.
Для опускания щита на проектную отметку и его последующего
извлечения на дневную поверхность после окончания прокладки
туннеля или штольни требуется сооружение специальных шахт. Они
сооружаются круглого или, в отдельных случаях, прямоугольного сечения.
Их облицовывают и в последующем могут использовать в качестве
контрольных шахт для осмотра сборных коллекторов или водоотводя-
щих каналов. Для сокращения длины подземных транспортных путей
через 100-200 м могут сооружаться специальные дополнительные шахты
меньшего поперечного сечения, которые проходят при помощи ручных
щитов.
Если щитовая проходка должна производиться под открытыми
водными поверхностями или ниже уровня грунтовых вод необходимо про-
ведение мероприятий, обеспечивающих возможность работы в сухих
условиях.
Водопонижение при применении щитовой проходки, как правило,
дешевле и менее сложно в осуществлении, чем применение отжатия
сжатым воздухом. Однако во всех случаях должен быть обеспечен
способ бесперебойного водопонижения. В случае перерыва в водопонижении
произойдет проникание воды в штольню, в результате чего возможен
размыв грунта на стороне забоя и обвал его в штольню.
Этих последствий и риска можно избежать, если через проницаемые
грунты перед проходкой будет подаваться сжатый воздух. Тогда во
избежание возможного прорыва воды и грунта в забой должна быть
применена специальная шлюзовая камера, через которую осуществляется доступ людей и вывоз разработанного грунта. Давление
сжатого воздуха при этом определяется величиной давления воды и
первое должно быть несколько больше второго. Давление воды на конструкцию кессона при этом будет различно и определяется погружением
данной части конструкции ниже уровня грунтовых вод.
При наличии утечки воздуха из кессона вследствие проницаемости
уложенного в облицовку штольни или туннеля бетона может
произойти прорыв его наводную поверхность, что в свою очередь приводит к разрыхлению грунта и в некоторых случаях его разжижению и
приобретению им свойств пластичности. Поэтому в определенных условиях
кессоны могут использоваться только одновременно с устройством
специальных воздухонепроницаемых и водонепроницаемых стенок. В
этих случаях необходимо применение химического закрепления
грунтов для повышения их прочности и воздухонепроницаемости.