Щит для проходки тоннелей в слабоустойчивых грунтах Советский патент 1990 года по МПК E21D9/04 E21D9/06 

10

фиг. фиг. фиг.

15

Изобретение относится к тоннелестроение в сыпучих и слабоустойчивых грунтах.

Цель изобретения - повышение маневренности щита при изменяющихся свойствах грунта в забое.

На фиг. 1 схематически изображен щит с ножевым кольцом, продольный разрез; на фиг. 2 - головная (забойная) часть щита с площадками; на

3- разрез А-А на фиг, 2; на

4- разрез В-Б на фиг. 2; на

5- разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 6 - схема площадки верхнего Яруса щита.

Щит включает корпус 1 с ножевым кольцом 2, в котором установлены щитовые гидродомкраты 3 с опорными башмаками 4, опирающимися о тоннельную 20 обделку 5. В головной части щита, обращенной к забою 6, установлены неподвижные горизонтальные площадки , жестко закрепленные в корпусе 1. С ними с помощью гидроцилиндров 8 25 Соединены подвижные площадки 9. В нижней части корпуса 1 расположена породопогрузочная машина 10.

Подвижные площадки 9 разделены по ширине и состоят из отдельных -JQ Секций 11, которые соединены с неподвижными площадками самостоятельными Гидроцилиндрами 8, но одному на каждую секцию 11. Секции 11 соединены ; неподвижными площадками с помощью Направляющих 12. Направляющие 12 Жестко закреплены к неподвижным площадкам 7. К секциям 11 могут крепиться роликовые опоры (не показаны). К секциям 11 прикреплены защитные козырьки 13 и 14 с возможностью перекрытия зазора между ними.

В процессе проходки тоннелей в слабоустойчивых грунтах забой 6 удерживается от обрушения призмами грунта, расположенными на горизонтальных площадках 7, а величина этих призм регулируется выдвижением подвижных площадок 9 из отдельных секций 11. Эти секции площадки верхнего яруса 15 выдвинуты в осевом направлении внутрь щита на величину, изменяющуюся по ширине площадки по следующей зависимости

15413894

сторону хвостовой части щита (фиг.З, 6), а секции подвижных площадок остальных ярусов (фиг. 4) выдвинуты на величину

35

40

45

50

h - R(1 - Л

1L.

- R2

)

К

Ъ0.(1)

55

- - h К D°

(2)

где h - расстояние между ножевым

кольцом и верхней площадкой по оси щита;

R - радиус ножевого кольца;

Z - расстояние от плоскости симметрии щита до середины площадки ;

Ь0- ширина неподвижной площадки;

Ъ - расстояние между площадками.

Щит работает следующим образом.

Проходческий щит своим корпусом 1 с ножевым кольцом 2 и неподвижными горизонтальными площадками 7 внедряется в забой 6 с помощью гидродомкратов 3 и опорных башмаков 4, опираясь о уложенную тоннельную обделку 5. При этом происходит осыпание грунта на площадки 7 и 9 под углом естественного откоса U .

Для удержания забоя 6 от обрушения подвижные секции 11 подвижных площадок 9 выдвигают в осевом направлении внутрь щита на величины b и b определяемые по формулам (1) и (2).

Подвижные секции 1 площадки верхнего яруса перемещают на величину, которую изменяют в направлении от плоскости симметрии к его контуру в следующей зависимости

К

- Ь„

(D

Подвижные секции площадок 11 остальных ярусов перемещают на величину

b

где h

к ь

(2)

расстояние между ножевым кольцом и верхней площадкой по оси щита; радиус ножевого кольца; расстояние от плоскости симметрии щита до середины площадки;

К - коэффициент, равный tg(- тангенс угла естественного откоса грунта (0,7-1,1);

и образуют в плане криволинейную форму, выпуклой стороной обращенную в

- - h К D°

(2)

0 5

Q

5

где h - расстояние между ножевым

кольцом и верхней площадкой по оси щита;

R - радиус ножевого кольца;

Z - расстояние от плоскости симметрии щита до середины площадки ;

Ь0- ширина неподвижной площадки;

Ъ - расстояние между площадками.

Щит работает следующим образом.

Проходческий щит своим корпусом 1 с ножевым кольцом 2 и неподвижными горизонтальными площадками 7 внедряется в забой 6 с помощью гидродомкратов 3 и опорных башмаков 4, опираясь о уложенную тоннельную обделку 5. При этом происходит осыпание грунта на площадки 7 и 9 под углом естественного откоса U .

Для удержания забоя 6 от обрушения подвижные секции 11 подвижных площадок 9 выдвигают в осевом направлении внутрь щита на величины b и b , определяемые по формулам (1) и (2).

Подвижные секции 1 площадки верхнего яруса перемещают на величину, которую изменяют в направлении от плоскости симметрии к его контуру в следующей зависимости

К

- Ь„

(D

Q

5

0

5

Подвижные секции площадок 11 остальных ярусов перемещают на величину

b

где h

к ь

(2)

расстояние между ножевым кольцом и верхней площадкой по оси щита; радиус ножевого кольца; расстояние от плоскости симметрии щита до середины площадки;

К - коэффициент, равный tg(- тангенс угла естественного откоса грунта (0,7-1,1);

Ь0- ширина неподвижной площадки;

h - расстояние между площадками.

5

При этом суммарная ширина неподвижной 7 и подвижной 9 площадок в каждом вертикальном сечении шита получается равной основанию призмы грунта, лежащего на площадке. При дальнейшем движении щита грунт пересыпается через площадки и затем грузится в вагонетки с помощью породопогрузочной машины 10.

При изменении физико-механических свойств грунта в забое 6 подвижные секции 1 площадок 9 перемещают в осевом направлении на величины, определяемые по формулам (1) и (2) при подстановке в них соответствующих значений К (тангенса угла естесвенного откоса Lf).

Интервал значений величины К определяется областью применения щита в грунтах, для которых величина К находится в пределах от 0,7 до 1,1. При значениях К 0,7 будет неоправданно увеличена ширина площадок, что повлечет за собой увеличение размеров и массы металлоконструкции щита. При значениях К 1,1, ширина площадок будет слишком мала для того, чтобы имелась возможность обеспечить необходимое перекрытие площадок.

Выдвижение секций 11 площадок 9 происходит с помощью гидроцилиндров приданных каждой секции 11. Выдвижение секций 11 осуществляется по направляющим 12; причем опирание секций 11 на направляющие 12 может осуществляться с помощью роликовых опор При выдвижении секций 11 козырьки 13 и 14 перекрывают зазор между соседними секциями обеспечивают взаимное опирание секций 11 в выдвинутом положении.

Удержание забоя от обрушения производится образованием призмы грунта на площадках, в которой величины катетов призмы варьируются в зависимости от физико-механических свойств грунта. При этом учитывается и круглая форма площади забоя, свойственная щитовой проходке, при которой размеры катетов призмы, расположенной на верхней площадке, имеют переменную величину: в плоскости симметрии тоннеля катет максимальный, а по мере удаления от нее в обе стороны размер катета уменьшается (призма образует как бы тело равного сопротивления обрушению забоя).

10

15

20

25

30

35

3896

Ширина основания bn призмы грунта, лежащего на площадках, прямо пропорциональна высоте открытой зоны забоя над рассматриваемым сечением и обратно пропорциональна К (тангенсу угла естественного откоса if )

к Н ьп к

где Н - высота открытой зоны забоя над площадкой.

Так как основание призмы грунта bu больше ширины неподвижной площадки , подвижную площадку выдвигают на величину Ь, равную разности bn - bQ.

Для всех площадок, кроме верхней, высота Н постоянная и равна h , она определяется конструкцией щита. Для верхней площадки величина Н меняется от максимального значения на вертикальном диаметре ножевого кольца до нуля в точке соединения площадки с ножевым кольцом.

Высота Н на расстоянии Z от плоскости симметрии щита определяется по формуле

Г

Н h - R(1 - -TJ1 R2) j

где R - радиус ножевого кольца;

h - максимальная высота участка забоя, расположенного между ножевым кольцом и верхней площадкой.

Последняя формула выводится с помощью фиг. 6

Н h - (R - R cosy);

Я

sin -

Z R

cos

J

-fT

Јi

R2

5

0

5

где У - угловая координата точки

периметра ножевого кольца. В качестве примера рассматривается проходка перегонного тоннеля метрополитена щитом диаметром 5800 мм (радиус R 2900 мм), имеющим три яруса площадок, каждая из которых имеет по семь выдвижных секций. Максимальная высота участка забоя, расположенного между ножевым кольцом и площадкой верхнего яруса h 1240 мм, расстояние между остальными площадками h 850 мм. Величина выдвижения подвижных площадок верхнего яруса определяется на расстояниях 0; 1; 1,5; 2м от вертикальной плоскости симметрии щита.

715413898

Проходка осуществляется в песках выдвижения подвижных площадок по фор- с углом естественного откоса ср 36 мулам (1) и (2).

и ср 47°, при этом ширина неподвиж- Случай 1. Для песчаного грунта ных площадок Ъ0 0,3 м. Перед нача- ,- с углом естественного откоса Ср 36 лом проходки определяется величина для площадок верхнего яруса (размеры в мм)

Изобретение относится к тоннелестроению в сыпучих и слабоустойчивых грунтах. Цель - повышение маневренности щита при изменяющихся свойствах грунта в забое. Щит включает корпус 1 с ножевым кольцом 2, в котором установлены гидродомкраты (ГД) 3 с опорными башмаками 4, опирающимися в тоннельную обделку 5. В головной части щита, обращенной к забою 6, установлены неподвижные горизонтальные площадки (П) 7, жестко закрепленные в корпусе 1. С П 7 с помощью ГД соединены подвижные П 9. Последние разделены по ширине и состоят из отдельных секций, которые соединены с неподвижными П 7 самостоятельными ГЦ. Секции соединены с неподвижными П 7 посредством направляющих с возможностью выдвижения внутрь посредством ГЦ. Верхняя неподвижная П 7 выполнена в плане ступенчатой формы с удлинением ступеней от периферии щита к центру. Подвижные П 9 выдвинуты в осевом направлении внутрь щита на величину, изменяющуюся по ширине П для верхнего яруса по заданной зависимости. Щит корпусом 1 с ножевым кольцом 2 и неподвижными П 7 внедряется в забой с помощью ГД 3 и опорных башмаков 4. При этом происходит осыпание грунта на П 7 и 9 под углом естественного откоса. Удержание забоя от обрушения производится образованием призмы грунта на П, в которой величины катетов призмы варьируются в зависимости от физико-механических свойств грунта. 6 ил.

1240 - 2900(1 - |1 - 29ЩГ-)

Ь . fZiiii300 1400 (при Z Ом);

k tg 36°

1240 - 2800(1 - Jl- l™g)

b .1 - 300 1170 (при Z 1 м);

tg 36°

1240 - 2900(1 Ч1

)

b e .1tZ L300 830 (при Z 1,5 м);

U5)tg 36°

1250 - 2900(1 - Jl -§°o°0V)

b . 300 310 (при Z 2 M), ,

tg 36°

для площадок остальных ярусовСлучай 2. Для песчаного грунта

«SOc углом естественного откоса и 47

к - ° и inn 870

D. .ддд площадок верхнего яруса

tg J6

1240 - 2900(1 --|l - )

О 2900

tg 47е

Ь(о) 86° ПРИ Z 0 м);

1240 - 2900(1 )

2Q002 b 1™±- . 300 690 (при Z 1 м);

tg 47°

1240 - 2900( - ) b 300 470 (при Z 1,5 м);

; т о

tg 47

29002 1240- 2900( )

Ь(11 -- - 300 110 (при Z 2 м),

tg 47°

для площадок остальных ярусовДалее осуществляют внедрение щита

оспв забой, при этом грунт обрушивается

b ,--. - 300 490.на площадки под углом естественного

t р 47эи „ v

. откоса. При дальнейшем движении щита

Проходка осуществляется следующимпроисходит осыпание грунта с площаобразом.док. При изменении грунта в забое

Вначале внутрь щита выдвигаютследуфг изменить положение подвижных

секции подвижных площадок верхнегоплощадок в соответствии с расчетом

яруса в соответствии с расчетом длядля случая 2.

случая 1 на величины Ъ ; Ъи1; Ъ,,; Предлагаемые формулы для определеЬ,ач, затем выдвигают подвижные пло-ния оптимальной ширины секций площа- щадки остальных ярусов на величину Ь. док могут быть использованы для различных проходческих щитов с площадка- ми и для разных сыпучих грунтов. Граничные значения ширины секций определяются по технологическим требованиям к площадкам, по которым ширина площадки не может быть менее 0,4 м (по конструктивным соображениям) и не может быть более 2,0 м (по условиям ведения щита и разработки забоя) В случае, если при подстановке конкретных значений величин в формулы (1) и (2) ширина площадки выходит за указанные пределы, то следует отказаться от данного способа разработки забоя.

Следует отметить, что формулы (1) и (2) служат для определения оптимальной ширины секций площадок, поэтому при подстановке любых конкретных зна- чений величины в формулы (1) и (2) полученные величины выдвижения секций будут оптимальны.

Предлагаемое изобретение позволит повысить приспособляемость щита к из- меняющимся свойствам грунта в забое, что повысит эффективность и маневренность его работы.

Формула изобретения

Р{ит для проходки тоннелей в слабо- устойчивых грунтах, включающий корпус, разделенное площадками на ярусы ножевое кольцо, на котором жестко закреплены горизонтальные площадки и соединены с ними при помощи гидроцилиндров двустороннего действия с

возможностью перекрытия подвижные площадки, отличающийся тем, что, с целью повышения маневренности щита при изменяющихся свойствах грунта в забое, подвижные площадки разделены по ширине на секции, каждая из которых соединена с неподвижной площадкой посредством направляющих с возможностью выдвижения внутрь щита посредством гидроцилиндров, причем верхняя неподвижная площадка выполнена в плане ступенчатой формы с удлинением ступеней от периферии щита к центру, а подвижные площадки выдвинуты в осевом направлении внутрь щита на величину, в изменяющуюся по ширине площадки для верхнего яруса по зависимости

b

К

- b

о

тальных площадок по зависи

ь-Ь -ь..

расстояние между ножевым

кольцом и верхней площадкой по оси щита;

радиус ножевого кольца;

расстояние от плоскости симметрии щита до середины площадки;

ширина неподвижной площадки;

расстояние между площадками;

коэффициент, равный 0,7-1,1.

SI

68eivsi

6-6

Фиг. Ц

Фиг. 5

Фиг. 6