Одним из самых важных элементов при строительстве туннелей и метрополитенов, для первоначальной обработки горной породы, в которых будет производиться строительство того или иного объекта, является проходческий щит. Данное оборудование, как правило, работает в составе комплекса проходческой техники, однако он является наиважнейшим из всех его рабочих частей.
Устройство проходческого щита
Как правило, в диаметральном выражении размеры проходческого щита могут варьироваться от одного до девятнадцати метров, что является достаточно большим размером. Соответственно, что чем больше размеры строительства, тем большего диаметра выбирается для использования проходческий щит. Так же нередко данное средство используется при всевозможных , в тех случаях, когда работы проводятся под землей.
Основными рабочими элементами проходческого щита являются такие части, как кольцо ножевого типа действия, кольцо опорного типа, домкраты, которые могут быть щитовыми, платформенными и забойными. Так же к элементам рабочих органов щита относятся трубы, система управления и перегородки, которые могут вертикальными и горизонтальными.
Разновидности проходческих щитов
Проходческие щиты имеют подразделения на щиты механического действия и немеханического действия. Немеханизированный щит практически не выгоняет никаких функций, кроме того, что служит так называемым защитным от разрушения средством, в то время, пока рабочие выполняют все физические работы самостоятельно, посредством применения отбойных молотков.
К данному виду можно отнести еще и щиты проходческие, оснащенные кессонном. Они используются в водонасыщенных местах. На данном щите вмонтирована специальная заслонка, куда происходит скопление воздуха под высоким давлением, посредством чего происходит откачка воды из грунта.
Принцип работы проходческого щита
Работа щита происходит посредством вращающихся роторных частей, которые оснащены специального вида резаками. Именно за счет вращения данных механизмов и происходит разрушение горной породы. Далее уже переработанный грунт, поступает по конвейерному устройству на дальнейшую транспортировку. в щитах с механизированным принципом действия так же имеются подразделения.
Механизированные проходческие щиты так же бывают оснащены такими элементами как кессон. Еще одной разновидностью механизированных щитов являются щиты которые оснащаются таким рабочим элементом, как грунтопригруз, куда выдается грунт, а уже потом уже в более измельченном виде выводится посредством работы конвейера шнекового типа действия.
Так же существует еще одна разновидность механических проходческих щитов, которая оснащается таким рабочим элементом, как гидропригруз. В данном приспособлении грунт смешивается с таким веществом как бентонитовый раствор, который выводит грунт по трубопроводу на поверхность, при этом происходит отделение самого грунта от раствора, который остается в гидропригрузе. Однако применение данных моделей не является чрезвычайно частым, поскольку такой вид техники считается наиболее дорогостоящим.
Производительность проходческих щитов является достаточно высокой, именно этим и обусловлено их широкое использование. Сегодня данный тип техники выпускается, как российским, так и зарубежным производителем и выбор той или иной модели зависит лишь от характера и сложности работ, которые будут выполняться.
Человечество уже не первое столетие с успехом осваивает подземное пространство. Речь идет не только о метрополитенах, которые присутствуют во всех крупных городах мира, но и о горных выработках, создаваемых для добычи полезных ископаемых. В обоих случаях применяется специальное оборудование - проходческие щиты, гарантирующие безопасность оборудованию и обслуживающему персоналу во время
Впервые проходческий щит был применен в 1825 году при сооружении тоннеля под рекой Темзой. С тех пор этот тип оборудования неоднократно применялся при строительстве метрополитенов в таких крупных городах, как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и в других мегаполисах.
Проходческий щит
Проходческий щит представляет собой подвижную сборную металлическую конструкцию в виде полого цилиндра. Он сооружается на месте или при строительстве метрополитена для защиты прокладываемых в горизонтальном направлении шахт от обрушения. Иногда его также называют временной или передвижной крепью - специальной конструкцией, которая сооружается для защиты стенок тоннеля от обрушения.
Конструктивно проходческие щиты представляют собой сложный комплекс оборудования, в состав которого входят три основные части:
- Ножевая. В ней происходит сам процесс бурения, разработки горной породы.
- Опорная. Служит для размещения а также гидравлических домкратов, заставляющих двигаться щит вперед.
- Хвостовая. Обеспечивают защиты персонала при воздвижении постоянной крепи.
В состав проходческого щита может входить разнообразное оборудование, которое необходимо для упрощения работ по разработке забоя, транспортировке земляных масс, укреплению и защите стенок от обрушения.
Конструкция проходческого щита
Главными элементами щита являются оболочка и ножевое кольцо, на котором расположены режущие элементы проходческого щита. В некоторых моделях «резцы» выполнены в виде твердосплавных вставок, расположенных под определенным углом друг к другу на рабочей поверхности ротора, а также опорное кольцо.
Вперед, в пространство перед ножами, щит продвигается при помощи которые опираются на последнее кольцо обделки. После этого в процесс вовлекаются забойные гидроцилиндры, которые прижимают сборные деревянные панели к горной породе, дабы та не обрушилась.
Свободное пространство между опорным и ножевым кольцом разбито на ячейки вертикальными перегородками и на ярусы горизонтальными переборками. Внутри этих «отсеков» располагается необходимое оборудование. Горизонтальные переборки могут выдвигаться гидравлическими домкратами.
Классификация проходческих щитов по форме поперечного сечения
Как правило, проходческие щиты собираются непосредственно на месте проведения работ. Из стальных сегментов конструируются опорное и ножевое кольцо, а из стальных листов, изогнутых по цилиндрической поверхности, формируют оболочку.
Оборудование для горизонтального бурения отличается формой поперечного сечения, габаритами, способом разработки и по области применения. Наиболее распространенной формой поперечного сечения является круг. Реже встречаются машины прямоугольного, арочного и иного очертания.
Виды щитов согласно длине диаметра
Опираясь на диаметры проходческих щитов, выделяют следующие виды конструкций:
- Малые (до 3200 мм) - используются в городских службах для прокладки коллекторных тоннелей.
- Средние (до 5200 мм) - применяются для прокладки гидротехнических коммуникаций и разработки горных ископаемых.
- Большие (свыше 5200 мм) - практикуются при создании железнодорожных тоннелей, линий метрополитенов, крупных горных выработок.
Площадь поперечного сечения рабочей поверхности варьируется от 10 до 16 и более квадратных метров, в зависимости от диаметра рабочей поверхности.
Типы оборудования по способу разработки забоя
При разработке полезных ископаемых или создании подземных путей сообщения горизонтальное бурение проводят различными видами проходческих щитов.
Они отличаются между собой степенью механизации исполнительных органов:
- Полностью механизированные. Для разрушения породы в таких конструкциях используется специальное оборудование - экскаваторные, планетарные, штанговые рабочие органы, а также установки гидромеханического воздействия.
- Частично механизированные. Отсутствие специального устройства для разработки слоев грунта является их исключительной особенностью. Для разрушения пород здесь применяют проводят взрывные работы или вдавливают переднюю заостренную часть щита в грунт.
- Специальные проходческие щиты. У таких конструкций головная часть закрыта. Они используются для создания тоннелей в особо сложных геологических условиях.
При этом конструкции делят на типы, предназначенные для работы в различных условиях - увлажнённых грунтах, для разработки забоев в сыпучих и малоустойчивых породах и для проходки в земли с крепостью от 0,5 до 5 и выше.
Назначение оборудования
Проходческие щиты применяются для создания шахт в горизонтальном направлении. Такой вид работ именуется как «горизонтальное бурение» и применяется в различных отраслях человеческой деятельности. Чаще всего он используется для создания и расширения существующих метрополитенов, разработки полезных ископаемых.
В последнее время широкое распространение получили работы по прокладке различных коммуникационных линий под автомобильными дорогами, трассами и прочими путями сообщения, именуемые как горизонтально направленное бурение, или ГНБ.
Горизонтально направленное бурение
Повсеместное применение данной технологии обусловлено высокой экономической эффективностью. В частности:
- исчезает необходимость ремонта дорог по завершении мероприятий;
- отпадает потребность в перекрытии автомобильного потока и создании объездных путей;
- возможна прокладка новых линий без нарушения целостности уже существующих.
При применении метода горизонтально направленного бурения оператор проходческого щита создает пилотную скважину, которая затем расширяется риммером - расширителем обратного действия. Через готовый тоннель протягивается плеть трубопровода.
В качестве последнего нередко используется полимерный рукав, который затем наполняется бетоном. После затвердевания цементной смеси (около 21 дня) новая коммуникационная линия готова.
Проходческие щиты сегодня
Живым примером применения проходческого щита может стать строительство участка тоннеля по «Фрунзенскому радиусу» длиной 3760 метров между станциями «Проспект Славы» и «Южная» в Санкт-Петербургском метрополитене.
В проекте участвует компания из Германии Herrenknecht AG, которая обязуется изготовить проходческий щит. «Метрострой» - компания-участник с российской стороны, сотрудники которого разработали проект по созданию первого на постсоветском пространстве двухпутного тоннеля.
Ранее отечественная фирма уже сотрудничала с немецким производителем. Предоставленный им щит «Аврора» активно используется для сооружения наклонных ходов на станции «Спасская».
Посвящена самому большому в мире проходческому щиту немецкой компании “Херренкнехт АГ” (”Herrenknecht AG”).
Проходческий щит Херренкнехт
Проходческий щит-гигант диаметром 15,2 метра используется для прокладки автотуннеля через центр Мадрида, проходит за сутки до 22 метров. Тоннель (=туннель) длиной 3650 метров должен избавить столицу Испании от пробок.
Проходческий щит компании “Херренкнехт АГ”, Германия
Компания “Херренкнехт АГ” (Германия) производит тоннелепроходческую технику для прокладки тоннелей различного назначения в любых гидрогеологических условиях. По всему миру продано более 1000 микротоннелепроходческих установок Herrenknecht диаметром до 4,2 м, а также около 350 тоннелепроходческих комплексов диаметром более 4,2 м.
В Москве эксплуатируется около 35 микротоннелепроходческих установок компании “Херренкнехт АГ” диаметром от 400 до 2 000 мм, а также ~15 установок в других городах России. Кстати, в Москве на строительстве двухъярусного Серебряноборского тоннеля работает немецкий проходческий щит Herrenknecht S-250 диаметром 14,2 м.
Самые длинные тоннели:
- Готардский базовый тоннель (Gotthard Base Tunnel , GBT, Швейцария) - железнодорожный тоннель. По проекту его длина равна 57 км (полная длина, включая служебные и пешеходные ходы, - 153,5 км). После завершения строительства в 2016-2017 гг. GBT будет длиннейшим железнодорожным тоннелем в мире. Для прорубки скальных пород используют 6 мощных проходческих щитов, способных проходить до 25-30 метров в сутки.
- Самым длинным на сегодня является японский тоннель “Сейкан” (Seikan Tunnel ), соединяющий японские острова Хонсю и Хоккайдо. Протяженность тоннеля, открытого для движения 13 марта 1988 года, составляет 53,9 км.
История проходческих щитов началась в позапрошлом веке в Англии. Первый щит был построен инженером Брюнелем для прокладки тоннеля под Темзой.
Чтобы понять устройство современных щитовых проходческих комплексов, сначала разберемся, откуда пришло само понятие "щит", ведь с рыцарским доспехом то, что мы видим на фотографиях, не имеет ничего общего:-). Щитом (от англ. "shield") это устройство стали называть потому, что основной задачей была защита проходчиков в забое от обрушения породы на коротком участке между забоем и местом, где постоянная обделка тоннеля уже готова. Постепенно, конструкции щитов усложнялись - от просто замкнутой стальной конструкции (кстати, первые щиты вовсе не были круглыми), до современных сложнейших тоннелепроходческих комплексов.
На первых щитах грунт в забое выбирался рабочими вручную с помощью лопаты, кирки, позже отбойного молотка, и удалялся через построенный тоннель на вагонетках. Для продвижения щита вперед использовались винтовые домкраты, которые упирались в готовый участок тоннельной обделки и толкали щит вперед. Впоследствии, вместо винтовых домкратов стали применяться гидравлические. Это был уже колоссальный шаг вперед, значительно повысивший скорость проходки. Мощные домкраты и сейчас остаются одним из основных узлов современных проходческих комплексов. Следующим шагом стало почти повсеместное использование сборной обделки из крупных элементов - первоначально - чугунных тюбингов. Такая конструкция обделки обладает рядом замечательных качеств - помимо способности выдерживать гигантское давление и герметичности, немаловажным является именно возможность сборки кольца из небольшого количества крупных элементов. Использование механизмов, позволяющих сразу устанавливать тюбинги в требуемое положение (тюбингоукладчиков), значительно повысило скорость возведения обделки.
В водонасыщенных грунтах работа зачастую шла с применением кессона. Тоннель позади щита перегораживался герметичной переборкой, устанавливался шлюз для прохода людей к забою. Компрессором в забой нагнетался сжатый воздух. Повышенное до нескольких атмосфер давление позволяло буквально отжимать воду в глубину породы и исключало ее поступление в забой. Однако работа проходчиков при высоком давлении накладывала серьезные ограничения - продолжительность смены была не более 2-х часов, потом проводилось длительное шлюзование. Часто у строителей возникала кессонная болезнь, требовавшая многочасового нахождения в барокамере.
Так как размеры тоннелей все время росли, в передней части щита появились горизонтальные площадки, которые позволили рабочим разрабатывать грунт одновременно с двух (а иногда и более) ярусов. Однако скорость проходки все равно была очень невысокой из-за большого количества ручного труда, стесненности пространства, нередких аварий, выбросов породы и прорывов грунтовых вод в забой. Первый в СССР проходческий щит работал при строительстве тоннеля на перегоне "Площадь Дзержинского" ("Лубянка") - "Охотный ряд". Там впервые в мире была применена сборная бетонная обделка. При строительстве второй очереди на трассах одновременно работало 42 щита - это абсолютный мировой рекорд. Щитовыми комплексами большого диаметра строились и станционные тоннели.
Для проходки в песчаных грунтах щиты стали оснащаться в головной части горизонтальными рассекающими площадками, удерживающими забой от осыпания Такой щит вдавливается в породу домкратами, грунт ссыпается вниз и собирается погрузчиком.
Следующим шагом стало практически полное исключение ручного труда, за счет механизации процесса разработки породы в забойной части. Как правило, на оси щита устанавливается мощный стальной ротор с резцами, который разрабатывает породу в забое. Дальше порода подается на конвейер, откуда пересыпается в вагонетки и вывозится по уже построенному тоннелю. Существуют щиты и с ковшовым рабочим органом - для более мягких пород.
Впервые в СССР опытный механизированный щит работал в 1949 году на строительстве Кольцевой линии в Москве и построил несколько сотен метров тоннеля на участке "Киевская" - "Парк Культуры". Широкое применение механизированных щитов началось со второй половины 50-х в на Рижском радиусе (механизированный щит т.н. московской конструкции), в Ленинграде по всей трассе (т.н. ленинградский щит) и в Киеве (соответственно, киевский щит). Разная конструкция обуславливалась разными грунтами: в Москве - "бутерброд" из известняков/юрских глин/сухих супесей и суглинков, в Петербурге - плотные сухие кембрийские глины, в Киеве - мягкие пластичные глины.
Для проходки в сложных водонасыщенных грунтах стало применяться кессонирование (работа под давлением сжатого воздуха) забойной части. Труд проходчика превратился в квалифицированную работу оператора. Современные средства навигации - гироскопы и лазерные теодолиты позволяют щиту точно выдерживать проектные значения трассы, как в плане, так и в профиле. Ручной труд сохранился только при необходимости замены изношенных резцов. Мировой рекорд скорости проходки - 1250 метров тоннеля в месяц - поставлен серийным щитом КТ-1-5,6 на участке строительства перегонного тоннеля в Ленинграде на участке от "Пионерской" до "Удельной" в 1981 году. В 70-х - 80-х годах эти щиты считались одними из самых совершенных в мире.
При сооружении тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах требовалось применение сложных специальных методов - водопонижение, замораживание грунта, что значительно снижало скорость и увеличивало стоимость строительства. Все больше ужесточались требования, случавшиеся в прошлом просадки поверхности ныне недопустимы, ведь вблизи поверхности земли пролегла огромнейшая сеть водо- и газопроводов, электрических кабелей, линий связи, обеспечивающих жизнь крупного города.
Всех этих недостатков лишены щиты с так называемым "грунтопригрузом" (EPB, Earth Pressure Balance).
При работе щита разрабатываемая порода подается сначала в герметичную камеру грунтопригруза. Из этой камеры грунт удаляется с помощью шнекового конвейера (как в мясорубке:) только тогда, когда его давление в камере сравняется с давлением в забое, за этим следят специальные датчики. Таким образом, обеспечивается постоянное поддержание давления на забой, как при движении щита вперед, так и при отводе щитовых домкратов для монтажа очередного кольца обделки.
Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях. В плывунных неустойчивых грунтах, при значительном давлении грунтовых вод, при недопустимости даже незначительных просадок поверхности используются проходческие комплексы с гидропригрузом ("Slurry Shield"). В таких комплексах в призабойную часть, под необходимым давлением (речь может идти о десятке атмосфер) нагнетается бентонитовый раствор, что позволяет поддерживать забой в стабильном положении даже в самых тяжелых плывунных грунтах. Разработанная порода, измельченная до состояния пульпы, отводится вместе с бентонитом по трубопроводу. В сепарационной камере происходит отделение породы и рекультивация бентонитового раствора. Отделенный от бентонита грунт вывозится по уже построенному тоннелю, а бентонитовый раствор возвращается в камеру гидропригруза. В зависимости от условий проходки и характеристик грунтов, рецептура бентонитового раствора постоянно корректируется. В составе комплекса действует химическая лаборатория, исследующая состав грунта и вносящая соответствующие изменения в рецептуру раствора.
При необходимости проведения работ в призабойной области - замены резцов ротора и т.д. (кстати, все эти работы можно выполнять из камеры грунтопригруза, то есть, находясь "внутри" щита), бентонитовый раствор в камере гидропригруза вытесняется сжатым воздухом. Остатки бентонита в виде пленки и подушка сжатого воздуха удерживают забой, в то время как специалисты получают доступ к исполнительным органам щита.
С помощью тоннелепроходческих комплексов с гидропригрузом построены тоннели в самых сложных инженерно-геологических условиях, подобный комплекс "Виктория" использовался при проходке новых тоннелей через зону "Размыва" в Санкт Петербурге. В Москве тоннелепроходческий комплекс Херренкнехт диаметром 14,2 метра успешно завершил проходку автодорожного тоннеля под рекой Яузой и Лефортовским парком по трассе третьего транспортного кольца. Сейчас этот комплекс ведет проходку совмещенного авто-метротоннеля по трассе будущего Краснопресненского проспекта под Серебряноборским лесничеством.
Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ Святой Барбары. С его легкой руки берет свое начало романтическая традиция. Теперь красивые имена есть не только у щитов с маркой "LOVAT" но и у комплексов других производителей. Поэтому в Москве трудятся "Клавдия", "Катюша", "Полина" и "Ольга", в Казани - "Сююмбике" и "Алтынчяч" (Златовласка), а тяжелейшие условия "Размыва" в Санкт Петербурге героически преодолела "Виктория".
Здесь мы охватили лишь небольшую часть из огромного количества щитовых проходческих комплексов. Существуют щиты для сооружения тоннелей с монолитной прессобетонной обделкой, щиты для обделки, разжимаемой в грунт, щиты для строительства тоннелей из труб, микрощиты и даже щитовые комплексы для открытого способа работ!
Инженерная мысль не стоит на месте и сегодня строятся комбинированные тоннелепроходческие комплексы, которые могут работать в режиме как гидро- так и грунтопригруза, для более полного соответствия геологическим условиям, встречающимся на трассе тоннеля.
Спасибо Олегу Макарову, Russos-у и Штурману за помощь в подготовке материала и предоставленные иллюстрации.
Проходческий щит
Прохо́дческий щит - подвижная сборная металлическая конструкция, обеспечивающая безопасное проведение горной выработки и сооружение в ней постоянной крепи (обделки). Проходческий щит применяется при сооружении тоннелей различного назначения, при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом. Проходческий щит является элементом конструкции некоторых видов тоннелепроходческих комплексов (ТПК).
Впервые проходческий щит был применён в Великобритании Марком Брюнелем при сооружении тоннеля под рекой Темзой (). С их помощью сооружено большинство тоннелей метрополитенов в Москве , Петербурге , Екатеринбурге , Киеве , Харькове и других городах.
Диаметр получаемых тоннелей может варьироваться от 1 до 19 метров. Самый большой диаметр, 19 м , у четырёх проходческих щитов, используемых на строительстве железнодорожного Готардского тоннеля в Швейцарии .
Для создания тоннелей малого диаметра применяется горизонтальное бурение - длина до 2 км, диаметр до 1,2 м.
Применение проходческих щитов
- при сооружении тоннелей различного назначения
- при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом
Рабочие инструменты проходческих щитов
- ножевое кольцо
- опорное кольцо
- щитовые домкраты
- забойные домкраты
- платформенные домкраты
- трубы
- пускорегулирующая аппаратура
- горизонтальные и вертикальные перегородки
Виды щитов
Немеханизированные щиты
- Немеханизированный щит - щит, используемый лишь для защиты забоя от обрушения, пока рабочий вручную или с помощью отбойного молотка производит из него выемку грунта.
- Немеханизированный щит с кессоном - щит, применяемый для проходки в водонасыщенных грунтах, когда забой сзади щита перегораживается переборкой, а в образовавшееся пространство с помощью компрессора накачивается воздух (до давления в 2-5 атм), что «отжимает» грунтовые воды вглубь пород и защищает забой от их поступления. Способ весьма эффективен с инженерной точки зрения, но чрезвычайно вреден для здоровья рабочих, поскольку вызывает кессонную болезнь .
Механизированные щиты
Резец механизированного щита
- Механизированный щит - щит (вернее, уже комплекс), на котором почти исключён ручной труд, и практически все операции выполняются оператором с пульта управления. Разработка грунта производится за счёт вращающегося на оси щита стального ротора с резцами, после чего грунт подаётся на конвейер, а с него - на вагонетки. В СССР этот тип щитов был впервые применён в 1949 году .
- Механизированный щит с кессоном - механизированный щит с применением кессонирования забоя.
- Механизированный щит с грунтопригрузом - механизированный щит, в котором разработанный грунт сначала подается в герметичную камеру грунтопригруза (в которой давление равно давлению в забое), а из неё удаляется шнековым конвейером. Этот вид щитов применяется в ситуациях, когда нельзя допустить малейшей просадки вышележащих слоев грунта, а специальные методы проходки туннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах (замораживание, водопонижение) не оправдывают себя.
- Механизированный щит с гидропригрузом - механизированный щит, в котором разработанный грунт сначала подаётся в камеру гидропригруза, в которую, в свою очередь, под давлением (до нескольких десятков атм) подаётся бентонитовый раствор. Смешиваясь с ним, измельчённый разработанный грунт отводится по трубопроводу на поверхность, где в сепараторе отделяется от бентонита, который возвращается обратно в камеру гидропригруза. Это весьма дорогой, но наиболее современный вид щитов, который в отношении отсутствия просадок вышележащих слоев грунта ещё более совершенен, чем щит с грунтопригрузом.
Производители
К крупнейшим мировым производителям механизированных щитов относятся следующие компании:
- Herrenknecht
- LOVAT
- Robbins
- Wirth
- Palmieri
Существует легенда, что изобретателю проходческого щита Марку Брюнелю пришла в голову идея этого устройства, когда он наблюдал, как корабельный червь прокладывает дорогу в твердой дубовой щепке. Брюнель заметил, что только лишь голова маленького моллюска покрыта жесткой раковиной. С помощью ее зазубренных краев червь буравил дерево. Углубляясь, он оставлял на стенках хода гладкий защитный слой извести.
