1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ

Выделяют следующие типы проходческих щитов: с открытым забоем, с воздушным пригрузом, с грунтопригрузом, гидропригрузом, многофункциональный и другие.

1.2.1. Проходческий щит с открытым забоем

Проходческие щиты открытого типа подразделяются на щиты полностью открытого типа и частично открытого типа. В том числе, проходческие щиты полностью открытого типа также можно называться щитом с открытым забоем (Open Face Shield, сокращенно – щит OF), в туннельном забое которых нет системы компенсации давления закрытого типа. Он не может противостоять давлению почвы и грунтовых вод. Обычно подходит для вмещающих пород с хорошей устойчивостью к забою (например, разнообразные невязкие и нелипкие пласты). Его преимущество заключается в том, что щит OF также можно использовать, даже когда часть или вся поверхность туннельного забоя представлена скальным грунтом или валунами. Кроме того, некруглую плоскость сечения камней можно вынимать при помощи ручного метода или частично механизированного.

Однако при недостаточной стабильности строительного пласта необходимо использовать вспомогательные средства для упрочнения пластов. Например, при выемке в пластах ниже уровня грунтовых вод или в просачивающихся пластах уровень грунтовых вод должен понижаться при помощи системы скважин-иглофильтров, а основание обрабатываться методом цементирования или замораживания. В соответствии с различными способами разработки, щиты полностью открытого типа подразделяются на щиты ручной разработки, полумеханической разработки, механической разработки и экструзионные.

1) Щиты ручной разработки

Они задействуют лопату, пневматический молоток, камнедробилку и другие инструменты для выемки грунта, при помощи которых ручным способом разрабатывается туннельный забой, относятся к основной форме проходческих щитов. Поскольку передняя часть проходческого щита ручной разработки открыта, то основным условием использования этого типа щита является недопущение разрушения забоя, по крайней мере, на этапе раскопок. Например, такой щит хорошо применим в средних слоях почвы, а также в пласте гравия с галечном. В зависимости от различных геологических условий забой может быть полностью открыт для искусственной выемки, используя только естественное давление почвы для поддержания поверхности выемки. Также может полностью или частично использоваться переднее крепление, базируясь на забое, земляные массы извлекаются отдельными пластами, грунтовые пласты поддерживаются во время выемки грунта. В водоносных пластах необходимо осуществить водопонижение, увеличить атмосферное давление или укрепить грунтовые массы.

Как правило, делювиальный (паводковый) пласт образован из слоев гравия, песка, консолидированного алеврита и глины, которые сами стабилизируются. В данном случае отлично подходит использование проходческого щита с ручной выемкой. Аллювиальные пласты, образованные из песка, ила и глины, не могут сами собой стабилизироваться, поэтому необходимо прибегать к дополнительным мерам.

На рис. 1-3 показан японский проходческий щит ручной выемки Мицубиси диаметром 10.92 м. Данный щит имеет гидравлическую, подвижную рабочую полку и нагрудную пластину для механической поддержки рабочей поверхности, при помощи них можно производить выемку сверху вниз, а также последовательно заменять опорные домкраты. Выкопанный грунт загружается в экскаватор с помощью ленточного конвейера с нижней половины. Объем выкопанного грунта соответствует объему грунта, выгруженного из туннеля. Поперечное сечение щита ручной разработки может быть круглым, прямоугольным или подковообразным.

Рис. 1-3. Щит с ручной разработкой Мицубиси ø 10.92 м

Проходческий щит с ручной разработкой обладает следующими особенностями:

(1) Широкая область применения к пластам от песчаной до глинистой почвы.

(2) Поскольку передняя часть открыта, это облегчает устранение препятствий и способствует наблюдению за пластами грунта. Обвал передней части представляет угрозу как для рабочих, так и для техники.

(3) Стоимость изготовления такого щита невысокая, неполадки случаются редко, но скорость проходки и эффективность низкие, интенсивность труда высокая, высокий уровень шума, и стоимость рабочей силы велика. В настоящее время проходческие щиты с закрытой лицевой стороной, которые не опираются на вспомогательные конструкции, широко используются, за исключением отдельных особых случаев, таких как использование механизированных или полумеханизированных щитов для рытья неэкономичных туннелей с коротким расстоянием; забой с большим гравием и другие сложные случаи.

2) Полумеханический проходческий щит (выемка с частичным поперечным сечением)

Из-за низкой скорости проходки щита с ручной выемкой, а также плохих рабочих условий был разработан малозатратный и высокопроизводительный полумеханический щит, показанный на рис. 1-4.

Полумеханизированный щит является переходной моделью (между немеханизированным и механизированным), но он имеет больше сходств с немеханизированным проходческим щитом. Ниже приведены отличия полумеханического и немеханического проходческих щитов:

(1) Полумеханический щит предназначен для благоприятных пластов пород, в которых преобладают пролювиальные отложения песка, гравия, консолидированного алеврита и глины. Несмотря на то, что полумеханический щит также может применяться в мягких аллювиальных отложениях, его необходимо сочетать с методами сжатия воздуха или применять вспомогательную меру по понижению уровня грунтовых вод и улучшению грунтового основания.

Рис. 1-4. Полумеханические проходческие щиты

(2) Полумеханический щит представляет собой проходческий щит открытого типа, который оснащен специальными механическими приспособлениями для выемки грунта (например, ленточный или винтовой конвейер) или землеройной техникой с функциями проходки туннеля и выемки шлака вместо ручного труда. В том числе механическое копательное устройство может перемещаться вперед-назад, влево-вправо, вверх-вниз. Помимо этого, оснащено обратной лопатой экскаваторного исполнительного органа (ИО), фрезерной головкой, которые взаимозаменяемы либо каждая может сочетать обе функции.

(3) Верхняя часть полумеханического щита такая же, как и у щита с ручной разработкой. Она оснащена подвижным передним карнизом для предотвращения обрушения забоя, опорным домкратом и другими инструментами. Также часто применяется гидравлическое управление нагрудной пластиной. Нагрудная пластина размещается в отдельной области или на периферии корпуса щита, чтобы поддерживать забой туннеля.

(4) Полумеханический щит также подходит для прокладки туннеля с некруглым сечением. Щит, показанный на рис. 1-5, является щитом ECL (Extruded Concrete Lining) – экструдированная бетонная футеровка, которую использует японская железнодорожная компания Такасаки при строительстве линии высокоскоростных железных дорог Хокурику-синкансэн. То есть вместо традиционной футеровки из трубного листа заливается бетон. Экструдированная бетонная футеровка выполняется одновременно с прокладкой щита. Поперечное сечение данного туннеля имеет подковообразную форму. Длина туннеля составляет 3580 м, почва состоит из мягких и среднетвердых пород

Рис. 1-5. Щит с ручной разработкой Мицубиси ø 10.92 м