5.2.3. Конструирование и расчет щита

Несмотря на большое разнообразие типов проходческих щитов, их корпус проектируют по идентичным схемам, в виде ребристой конструкции кругового очертания, монтируемой из отдельных сегментов.

Основными элементами корпуса сборно-литого щита являются ножевое кольцо, опорное кольцо и оболочка. В щитах сборно-сварной конструкции вместо ножевого и опорного колец проектируют одно ножеопорное кольцо [1, с. 213–217].

Внутри корпуса немеханизированного щита устанавливают горизонтальные и вертикальные перегородки. В механизированных щитах вместо перегородок предусматривают опорные площадки для установки на них станин исполнительного рабочего органа.

Каждый щит должен быть оснащен системой щитовых гидроцилиндров, а немеханизированный щит, кроме того, системами забойных и платформенных гидроцилиндров.

Основные положения расчета щитов приведены в [1, с. 222–225].

Определение геометрических размеров щита. Поперечные размеры проходческого щита должны соответствовать, прежде всего, конфигурации и размерам конструкции обделки.

Наружный диаметр щита определяется по формуле:

D_щ = D_н+ _з + 2_о, (5.1)

где Dн – наружный диаметр обделки, м;

з = (0,008…0,01)Dн – строительный зазор между внутренней поверх- ностью оболочки щита и наружной поверхностью обделки, м;

о – толщина оболочки, принимаемая в зависимости от диаметра щита по табл. 5.2.

Полная длина щита по верху L_щ складывается из длины ножевого кольца L_н, длины опорного кольца L_ок и длины свободной части оболочки L_о:

L_щ =L_н + L_ок +L_о. (5.2)

Таблица 5.2

Размеры элементов корпуса щита

Внутренний диаметр по оболочке Dн + dз, м	3	4	6	8	10	12
Толщина оболочки dо, мм	24	32	42	48	56	66
Высота сечения сегмента hо, мм	300	400	550	650	740	830

Длина ножевого кольца определяется геологическими условиями (чем слабее грунт, тем больше L_н), но должна быть не менее 1 м из условия размещения проходчиков в призабойной зоне. Длина ножевого кольца по низу = L_н – а, где а = 0,4…0,5 м – аванбек. При курсовом проектировании можно принять L_н = 1…1,2 м – в устойчивых грунтах; L_н = 1,4…1,7 м – в неустойчивых грунтах.

Рис. 5.2, а. Геометрические параметры щита

Длина опорного кольца определяется по условиям размещения и надежного закрепления в нем щитовых гидроцилиндров и назначается в пределах удвоенной величины хода щитового гидроцилиндра или – ширины кольца обделки b_к, т. е. L_ок = 1,6...2,0b_к.

Длина свободной (хвостовой) части оболочки щита определяется как сумма:

L_о = m₁ + m₂ + m₃, (5.3)

где m1 –	длина перекрытия обделки, м; m1 = 1,2 bк или 2,2bк в зависимости от числа колец обделки, собираемых под оболочкой щита;
m1 = 1,45...1,65lсекц;
lсекц –	ширина секции опалубки монолитно-прессованной обделки, м;
m2 –	длина свободного промежутка между опорной площадкой плунжера и торцевой плоскостью смонтированного кольца обделки; m2 = 0,15 м – при отсутствии уплотнительного кольца, m2 = = 0,45 м – при наличии уплотнительного кольца;
m3 = 0,6...0,7 м – длина выступающей за пределы опорного кольца части гидроцилиндра.

Внутренний диаметр щита – по оболочке = D_н + _з; в пределах опорного кольца  = D_щ – 2h_о, где h_о – высота сечения сегмента опорного (ножевого) кольца, определяемая по табл. 5.2.

Перегородки размещают с учетом удобства ведения проходческих работ, а также для придания жесткости конструкции щита. Расстояние между вертикальными перегородками составляет 1,2…1,9 м, а высота ярусов – 1,7…2,0 м.

Управляемость щита характеризует коэффициент маневренности, определяемый как отношение длины щита к его диаметру: M = L_щ/D_щ. Для немеханизированных щитов средних щитов – М  = 0,8...1,0; для больших щитов – М = 0,45...0,6. У механизированных щитов величина коэффициента, как правило, больше.

Определение сопротивлений, преодолеваемых щитом. Расчет сопротивлений производится с целью установления необходимой мощности щитовых и забойных гидроцилиндров. Полное сопротивление, преодолеваемое щитовыми гидроцилиндрами, определяется как сумма сопротивлений:

W = W₁ + W₂ + W₃ + W₄, (5.4)

где W1 –	сопротивления трения между наружной поверхностью оболочки щита и грунтовым массивом;
W2 –	лобовое сопротивление грунта в забое;

W3 –	сопротивление трения между внутренней поверхностью оболочки щита и наружной поверхностью обделки или сила защемления оболочки монолитно-прессованным бетоном;
W4 –	сопротивление трения от веса перемещаемых вместе со щитом конструкций технологического комплекса.

Воздействие вышеуказанных усилий на проходческий комплекс при его передвижке условно показано на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема к определению сопротивлений, преодолеваемых

при передвижке щита

Сопротивление трения наружной поверхности щита по грунту:

W₁ = [2(q + p_а)L_щD_щ + P_щ]μ₁, (5.5)

где q = γ(hв + Dщ/2) –		интенсивность вертикального горного давления грунта, кН/м2;
hв – высота свода обрушения грунта (см. формулу (4.4), или толща вышележащих грунтов (при невозможности сводообразования);
pa – интенсивность активного горизонтального горного давления грун- та, кН/м2, ;
Dщ –	наружный диаметр щита, м;
Pщ –	вес щита, кН; принимаемый по данным табл. 2–4 Приложения; при отсутствии данных можно определить по формуле Pщ = = 35 – 100;
μ1 –	коэффициент трения стали по грунту, можно принять μ1 = = 0,3…0,5.

Лобовое сопротивление грунта в забое W₂ определяется в зависимости от технологии проходки тоннеля. Так, например, при сплошном или частичном креплении забоя:

W₂ = P_забn_заб > p_аF_заб, (5.6)

где Pзаб –	усилие, развиваемое забойным гидроцилиндром, Pзаб = 50…70 кН;
nзаб –	число забойных гидроцилиндров, используемых для крепления забоя;
Fзаб –	площадь забоя, закрепляемая при помощи забойных гидроцилиндров, м2.

При проходке методом вдавливания в грунт щитов с закрытой головной частью:

, (5.7)

где pn –

интенсивность пассивного горизонтального горного давления грунта, кН/м2;

.

При проходке в устойчивых грунтах без временного крепления забоя и без врезания ножевого кольца либо при проходке механизированным щитом можно принять W₂ = 0.

При проходке щитами с активным пригрузом забоя:

, (5.8)

где pw –

гидростатическое давления, кН/м2.

Другие примеры расчета W₂ приведены в [1, с. 224].

Сопротивление трения обделки по оболочке щита для сборной обделки:

W₃ = P_обд μ₂, (5.9)

где Pобд – вес обделки, лежащей на оболочке, кН;

μ2 – коэффициент трения материала обделки по оболочке (принимать для чугунной и стальной обделки – 0,18; для бетонной или железо- бетонной обделки – 0,56).

Сопротивление от веса перемещаемых вместе со щитом конструкций технологического комплекса:

W₄ = K_мP_кμ₂, (5.10)

где Pк – вес части комплекса, передвигающейся совместно со щитом, кН;

Kм = 2 – коэффициент местных сопротивлений.

Следует иметь в виду, что сопротивление W₃ следует учитывать только при монтаже обделки на оболочке щита, W₄ – когда технологический комплекс конструктивно связан с проходческим щитом.

Для обеспечения передвижения щита необходимо выполнение следующего условия:

, (5.11)

где Р – расчетное значение усилия передвижения щита;

с и п – коэффициенты, соответственно условий работы и надежности. Для песков и невыветренных скальных грунтов с  = 1 и п = = 0,95, для глин и выветренных скальных грунтов с  = 1,15 и п = 0,9.

Полное расчетное усилие щитовых гидроцилиндров с коэффициентом запаса k = 1,3…1,5, учитывающим необходимость отключения части гидроцилиндров при движении на кривой и при корректировке движения, составляет:

P_щ = kР, (5.12)

а усилие одного гидроцилиндра:

,

где n –

число щитовых гидроцилиндров, назначаемое с учетом равномерной передачи давления от опорной площадки плунжера на блоки тоннельной обделки.

Обычно число щитовых гидроцилиндров назначают таким, чтобы на каждый элемент обделки (не считая ключевых) приходилось не менее двух. Для щитов средних диаметров n = 16…24 штуки, для щитов больших диаметров n = 24…36 штук (см. табл. 2– 4 Приложения). Усилие одного щитового гидроцилиндра не должно превышать P_д  ≤ 2500 кН.