УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДЗЕМНОЙ ПРОХОДКИ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 2000 года по МПК E21D11/08 E21D9/06 

Предлагаемое изобретение относится к подземному строительству, а именно к прокладке трубопроводов.

Известны два основных способа прокладки трубопроводов: открытый, при котором трубопровод укладывают в предварительно отрытую траншею, и закрытый, при котором трубопроводы проводят подземным способом без разрытия траншей. Такой способ является предпочтительным, а в определенных условиях, например, в условиях плотной городской застройки, и единственно возможным. Применение подземного способа проведения трубопроводов в таких условиях является наиболее экономичным, так как сохраняет нетронутой земную поверхность, позволяет не прерывать движение по транспортным магистралям.

Известны способы и устройства для прокладки тоннелей под трубопроводы, например минитоннельная установка фирмы "ХЕРРЕНКНЕХТ" (Рекламный проспект фирмы "Хоренкнехт"). Установка включает в себя силовой контейнер с гидростанцией, технологическим и электрическим оборудованием, силовые коммуникации, минищит, включающий корпус щита с ножевой секцией, гидроцилиндры управления, рабочий орган для разработки грунта, транспортирующее устройство для выдачи грунта из тоннеля, секции обделки, с которыми взаимодействует с одной стороны нажимная рама и домкраты проталкивающей установки (установленной в технологической шахте) и с другой стороны - опорные башмаки гидроцилиндров минищита.

Однако данное устройство обеспечивает проведение только строго прямолинейных трубопроводов, так как ширина секций обделки для таких устройств, как правило, составляет 2-3 диаметра, что не позволяет при проталкивании этих секций из шахты проводить криволинейные трубопроводы. Гидродомкраты, установленные на минищите, используются только для корректировки направления и обеспечения прямолинейности трубопровода.

Кроме того, в данном устройстве не предусматривается место для оператора, что практически требует применения сложного автоматического управления, из-за чего стоимость таких минищитов на порядок выше простого щитового комплекса.

Большая длина секций обделки и, следовательно, габариты проталкивающей установки увеличивают размеры стартового колодца, что приводит к неоправданному увеличению объема земляных работ и к нарушению окружающей среды. Кроме того, из-за большой длины проталкиваемого из колодца трубопровода необходимы большие усилия, что увеличивает мощность привода, а также требует повышенной прочности секций обделки.

Для подземной проходки тоннелей широко используются также щитовые комплексы, как правило, диаметром более 2-х метров, включающие корпус щита с ножевой секцией, опорной частью и юбкой; гидроцилиндры с гидравлической насосной станцией для их привода, рабочий орган для разработки грунта, а также секции блочной обделки, установленные внутри корпуса щита, с которыми взаимодействуют щитовые гидроцилиндры.

Использование таких щитов при проведении тоннелей для дальнейшей прокладки в них трубопроводов малого диаметра не обеспечивает возможной эффективности, так как большая часть свободного пространства тоннеля при этом не используется. Вместе с тем применение подобных щитов для проведения тоннелей меньшего диаметра требует применения специальных устройств и механизмов, обеспечивающих проведение криволинейных выработок, так как для щитов малого диаметра (менее 2-х метров) отношение длины корпуса щита к его диаметру (коэффициент маневренности) становится крайне неблагоприятным (более 1,5) (см. "Горнопроходческие щиты и комплексы", Клорикьян В.X. и Ходош В.А., изд. Недра, 1977 г.). Это подтверждается рассмотрением конструкции щитов по патенту N 4 420188, США, НКИ 299-31, МКИ E 21 D 9/08, публикация 83.12.13 Т. 1037 N 2, "Двухщитовая машина для бурения тоннелей", а также по японской заявке N 59-16638 МКИ E 21 D 9/06, публикация 84.04.17 N 4-416 "Способ продвижения по кривой проходческого щита и устройство для обеспечения этого движения".

В этих патентах предлагается соответственно выполнение корпуса щита из двух, связанных шарнирно частей, оснащенных управляющими гидроцилиндрами, или оснащение ножевой секции специальными устройствами для одностороннего удаления грунта. В обоих случаях их реализация приводит к существенному усложнению конструкции, снижению ее надежности и не обеспечивает достаточной маневренности.

Для повышения маневренности щита при проведении тоннелей малого диаметра, упрощения его конструкции и повышения надежности предлагается конструктивная увязка основных параметров минищита с антропометрическими параметрами человека, что позволит решить указанную проблему.

Предлагаемое устройство для прокладки трубопроводов малого диаметра включает в себя силовой блок, минищит с ножевой секцией, юбкой и напорными гидродомкратами, взаимодействующими с секциями крепи. Ширина секций обделки выбрана ранее в зависимости от диаметрального размера рабочего пространства, определяемого антропометрическими размерами оператора, что позволяет повысить управляемость минищита и проводить криволинейные выработки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид устройства с наземной и подземной частями; на фиг. 2 - минищит в забое.

Предлагаемое устройство включает в себя силовой контейнер 1 (фиг. 1), внутри которого размещены: гидрооборудование Г, электрооборудование Э, технологическое оборудование Т и компрессор К. Коммуникации 2 соединяют оборудование контейнера 1 с минищитом 3. Транспортирующее устройство выполнено, например, в виде вагонетки 4, установленной на рельсовом пути 5 и выдаваемой на поверхность из технологической шахты подъемным устройством 6. Минищит (место 1, фиг.2) диаметром D имеет длину L. Минищит выполнен в виде оболочки щита 7, толщиной S, в передней части которой размещена ножевая секция 8 длиною l_н, на которой закреплены гидроцилиндры 9 диаметром D_ц и длиною (в сжатом состоянии) - l_ц со штоками 10 и ходом - h, установленные внутри оболочки (юбки) щита 7 секции обделки 11 тоннеля, шириной b. На передней части оболочки щита 8 закреплен рабочий орган 12, а также конвейер 13.

В свободном пространстве внутри щита находится оператор 14, который в зависимости от принятого рабочего положения, исходя из его антропометрических параметров, занимает высоту h_р.

При работе предлагаемого устройства из силового контейнера 1 от установленных в нем гидравлического, электрического, технологического оборудования и компрессора K по коммуникациям 2 к минищиту подаются соответственно гидравлическая и электрическая энергия для приведения в действие оборудования, технологические растворы для возведения обделки тоннеля, а также воздух для вентиляции забоя. Оператор 14, управляя рабочим органом 12, производит разработку грунта и погрузку его в конвейер 13, перегружающий грунт в вагонетку 3, которая по рельсовому пути 4 доставляется в технологическую шахту и подъемным устройством 6 выдается на поверхность. Оператор 14, управляя домкратами 9, выдвигает штоки 10 на величину хода h. При этом штоки 10 за счет опоры на секции обделки 11 перемещают корпус минищита 7 вперед. Затем штоки 10 гидроцилиндров 9 перемещают внутрь гидроцилиндра 9. В пространство, образующееся между штоками 10 и секциями обделки 11 тоннеля, оператор устанавливает новые секции обделки 14 шириною b.

При этом ширина "b" секции 11 выбирается в зависимости от высоты рабочего пространства оператора исходя из принятого рабочего положения и его антропометрических параметров из выражения:
b≤1/2K_зх(D_ц+1,5h_р+ -l_н),
где K_зх - коэффициент запаса хода гидродомкратов (K_зх=1,2 - 2,2);
D_ц - наружный диаметр гидродомкратов;
h_р - высота рабочего пространства оператора для принятого рабочего положения и его антропометрических параметров;
l_н - длина ножевой секции.

Управление направлением подачи щита осуществляется при этом за счет управления давлением в щитовых гидроцилиндрах для получения одностороннего (несимметричного) усилия подачи щита на забой.

Известно, что для проведения криволинейных выработок с помощью щитов с радиусом поворота меньше 60 м коэффициент маневренности:
K_м - отношение длины корпуса щита к диаметру должен быть не более 1,5:
K_м = L/D≤1,5 (1)
Диаметр связан с антропометрическими параметрами человека - работника в забое (см. фиг. 2) соотношением:
D = 2D_ц + h_р + 2S,
где D_ц - диаметр щитовых гидроцилиндров;
h_р - рост человека в рабочем положении;
S - толщина корпуса щита (из-за малой величины относительно диаметра щита ее значением можно пренебречь).

Тогда D = 2D_ц + h_р (2).

Длина корпуса щита (фиг. 2) определяется из соотношения:
L=l_н+l_ц+h, (3)
где l_н - длина ножевой части;
l_ц - длина гидроцилиндра в сжатом состоянии;
h - ход гидроцилиндра
l_ц = h + L_мп,
где L_мп - величина мертвого пространства (конструктивный элемент гидроцилиндра). С большой степенью точности можно принять L_мп = 2D_ц.

Практически ход цилиндров выбирают в зависимости от ширины секции обделки b и конструкции замка блока с запасом, который можно характеризовать коэффициентом запаса хода: - K_зх= h/b.

Тогда h = K_зхb, и l_ц=K_зхb + 2D_ц
Практически K_зх = 1,2 - 2,2
Следовательно, L = l_н + 2K_зхb + 2D_ц (4).

В выражение (1) L≤1,5 D подставим значения L и D из выражений (2) и (4) соответственно:
l_н + 2K_зхb + 2D_ц≤1,5(2D_ц+h_р)
и после преобразования получим:
b≤1/2K_зх(D_ц + 1,5h_р + -l_н)
Таким образом, выбор ширины секции обделки b в соответствии с предложенной зависимостью обеспечивает проведение выработок с минимально возможным радиусом поворота.

Кроме того, присутствие оператора в забое позволяет эффективно управлять процессом проведения трубопроводов, что значительно упрощает конструкцию минищита и при этом обеспечивает проведение криволинейных выработок со сложной траекторией без специальных средств автоматики.

Таким образом, выбор основных конструктивных элементов щита из предложенного соотношения позволяет при минимальном диаметре тоннеля и с учетом рабочего положения оператора иметь корпус щита оптимальным по длине, что в свою очередь позволяет значительно уменьшить размеры стартового колодца, а, следовательно, и минимизировать нарушение поверхности.

Изобретение относится к подземному строительству и может использоваться при прокладке трубопроводов подземным способом, при проведении криволинейных выработок малого диаметра. Устройство для подземной прокладки трубопроводов включает силовой блок, минищит с ножевой секцией, юбкой и щитовыми гидроцилиндрами подачи и управления, взаимодействующими с секциями обделки крепи. Ширина секции обделки крепи выбрана в зависимости от диаметрального размера рабочего пространства для принятого положения оператора с учетом его антропометрических данных из соотношения
b ≤ 1/2K_3x(D_ц + 1,5h_р - I_н),
где K_3x = 1,2 - 2,2 - коэффициент запаса хода гидроцилиндров;
D_ц - диаметр гидроцилиндров;
h_р - диаметральный размер рабочего пространства для принятого положения оператора с учетом антропометрических данных;
I_н - длина ножевой секции.

Изобретение позволяет повысить маневренность щита при проведении тоннелей малого диаметра, упростить его конструкцию и повысить надежность. 2 ил.

Устройство для подземной прокладки трубопроводов, включающее силовой блок, минищит с ножевой секцией, юбкой и напорными гидродомкратами, взаимодействующими с секциями обделки крепи, отличающееся тем, что ширина секции обделки крепи выбрана в зависимости от диаметрального размера рабочего пространства для принятого положения оператора с учетом его антропометрических данных из соотношения
b ≤ 1/2K_зx(D_ц + 1,5h_p - I_н),
где K_зx = 1,2 - 2,2 - коэффициент запаса хода гидроцилиндров;
D_ц - диаметр гидроцилиндров;
h_p - диаметральный размер рабочего пространства для принятого положения оператора с учетом антропометрических данных;
I_н - длина ножевой секции.