В зависимости от места установки оборудования для выемки грунта полумеханические щиты можно разделить на следующие типы:

(1) Нижняя часть забоя щита оснащена ковшом, фрезерной головкой и другими инструментами.

(2) Верхняя часть забоя щита оснащена ковшом, а нижняя часть – фрезерной головкой.

(3) Центр щита оснащен фрезерной головкой.

(4) В центре щита расположен ковш.

Среди них форма (1) подходит для пластов, которые необходимо поддерживать забоем. Формы (2) ~ (4) подходят для устойчивых пластов. Форма (2) в основном подходит для прослоек субглины и гравия. Форма (3) подходит для слоев консолидированной глины, твердого песка. Форма (4) – для смешанных слоев из глины и гравия. К настоящему времени полумеханический щит уже практически не применяется.

3) Механический (полнопрофильный) щит

Когда грунтовый слой устойчив или может стать устойчивым после применения вспомогательных средств, в надрезной части устанавливается резцовая головка, адаптированная диаметру щита, для открытой механической разработки. Как показано на рис. 1-6, механический щит (также называется механический щит полностью открытого типа) представляет собой использование вращающегося рабочего органа вблизи поверхности забоя для полносекционной выемки. Резцовая головка подразделяется на одноосный, двуосный, многоосный и другие типы. Среди них наиболее широкое применение получил одноосный тип, поскольку почва и песок, извлеченные с помощью этого типа щита, загружаются на ленточный конвейер при помощи вращающегося ковша и желоба, которые непрерывно выполняют выемку и выгрузку грунта. Резцовую головку механического щита можно разделить на два типа: панельная и спицевидная (лучевая).

Среди них механический щит с резцовой головкой панельного типа предназначен для поддержания стабилизации забоя через панель, а также для решения вопроса разгрузки камней и гальки через степень открытости. Механический щит с резцовой головкой спицевидного типа обычно используется для стабилизации забоя у щитов с малым поперечным сечением в скальных и галечных образованиях.

Механический щит обладает следующими характеристиками:

(1) Помимо улучшения условий эксплуатации и экономии рабочей силы, он также значительно повышает скорость продвижения и сокращает срок строительства.

(2) В отличие от щитов ручной разработки и полумеханических стоимость механического щита дороже, и он не применяется для коротких туннелей.

(3) Механических щит в отличие от щитов с ручной разработкой и полумеханических щитов в основном применяется в аллювиальных отложениях, где забой легко стабилизировать. В аллювиальные образованиях, в которых нелегко стабилизировать забой, следует сочетать методы сжатия воздуха, понижения воды, укрепление цементом и т. д. В настоящее время практически не используются.

4) Экструзионный щит можно разделить на следующие типы: перекрывающий (накладная пластина), спиральный, экструзии сетки

Экструзионный щит накладной пластины. Данный тип использует перекрывающую пластину для закрытия большей части забоя, оставляя только часть отверстия для установки площади регулируемого перекрытия для отвала грунта. Передняя проникающая порода этого щита продвигается вперед, так что почва и песок в проникающей части превращаются в пласты и продвигаются, а грунт выгружается через перекрытие. Стабилизация забоя зависит от регулировки размера отверстия крышки и сопротивления выгрузке грунта, а также способствует достижению равновесия между тягой домкрата и давлением почвы в забое. На рис. 1-7 показан японский экструзионный щит Мицубиси с 32-метровой перекрывающей пластиной.

Рис. 1-6. Механический щит

Рис. 1-7. Щит экструзионный с перекрывающей пластиной

Экструзионный щит в виде винтового грунтоотвода. С помощью уплотнительной пластины забой закрывается. При таком типе щита вмещающие породы продвигаются вперед. При продвижении песчаные почвы пластифицируются и вытекают, затем выгружаются через винтовой конвейер. Стабильность забоя достигается за счет регулировки скорости вращения винтового конвейера и открытия шлюза отвода грунта, чтобы тяга домкрата и давление грунта в забое достигали равновесия. Схема принципа работы показана на рис. 1-8.

Когда сетчатый экструзионный щит функционирует в подходящих пластах, осадка поверхности может контролироваться в средней или небольшой степени, поэтому он часто применяется в мягких слоях почвы. Сетчатый экструзионный щит обладает следующими характеристиками:

Рис.1-8. Принципиальная схема работы экструзионного щита в виде винтового грунтоотвода

1. Объем выемки грунта близок или равен объему выемки во всех туннелях, а также для него часто характерно местное сжатие.

2. Щит оснащен решеткой из стальной пластины спереди. В процессе продвижения срез решетки используется для сжатия и разрезки переднего грунта на мелкие куски. Сила трения между боковой областью разреза, уплотнительной пластиной, сетчатой решеткой и земляными массами уравновешивает боковое давление переднего пласта, чтобы достичь цели стабилизации забоя. Для него характерна простая конструкция, легкость в эксплуатации и несложность в удалении препятствий.

3. Срезанный грунт можно транспортировать при помощи поворотного диска, ленточного конвейера, шахтной тележки или гидравлического оборудования.

4. В передней решетке сетчатого экструзионного щита площадь отверстия небольшая. Он подходит для эксплуатации в мягких слоях глины и частично в алевритовых слоях. Метода локального давления может использоваться в шламовом призабойном отсеке для стабилизации передней части земляных масс или в водоносных пластах в сочетании с методами осушения пластов.

В сочетании с различными методами выемки грунта сетчатый экструзионный щит можно разделить на два вида: для сухой и водяной выемки. На рис. 1-9 показан механический щит с водяной выемкой сетчатого экструзионного типа.

1.2.2. Проходческий щит с воздушным пригрузом

Проходческий щит с воздушным пригрузом, или проходческий щит с балансом атмосферного давления (Air Pressure Balance) сокращенно называют проходческий щит APB. Но атмосферное давление не может прямо противостоять давлению почвы. Под воздействием атмосферного давления с естественной или механической поддержкой может косвенно уравновешиваться гидростатическое давление грунтовых вод и давление почвы. Способ выемки можно выбрать ручной или механический, а поперечное сечение может быть частичным или полным.

Рис. 1-9. Механический щит экструзионного типа

В соответствии с принципом работы проходческий щит с воздушным пригрузом должен иметь отсек под рабочим давлением. В более ранних проходческих щитах с воздушным пригрузом был закрыт длинный отсек под рабочим давлением между туннельным забоем и туннелем для остановки воды. Поэтому большинство работников часто находились в среде сжатого воздуха. Современный проходческий щит с воздушным пригрузом оснащен опорным давлением только в кабине экскаватора. Его также называют проходческим щитом с локальным атмосферным давлением (в Японии его называют «проходческим щитом с предельно сжатым воздухом»). Этот вид щита оснащен уплотнительным сепаратором, который может герметизировать забой и изолировать его от завершенного участка туннеля. Поэтому он может обеспечить безопасную эксплуатацию под атмосферным давлением. На рис. 1-10 показан японский 25-метровый проходческий щит с воздушным пригрузом Мицубиси диаметром 5.25 м, который отводит грунт через вращающуюся воронку шарового клапана и одновременно обеспечивает стабилизацию давления в забое. На рис. 1-11 показана фотография места выброса грунта с вращающейся воронки шарового клапана.