ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТ ЩИТОВЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ (2021 год)

1. Назначение, область применения и классификация

проходческих комплексов

Щитовые проходческие комплексы предназначены для про-

ведения коллекторов, тоннелей и других горных выработок в

грунтах и породах, требующих частичного или сплошного креп-

ления выработки.

Щитовые проходческие комплексы применяются в большом

диапазоне горно-геологических условий и подразделяются на три

основные группы:

- для проведения тоннелей в водонасыщенных неустойчи-

вых грунтах, где требуется герметизация призабойной зоны вы-

работки;

- для проведения тоннелей в устойчивых грунтах и породах

с f = 0,5-6;

- для проведения тоннелей в породах с f = 6-7.

Щитовые проходческие комплексы классифицируются по

следующим основным признакам:

- по типу исполнительного органа (непрерывного, цикличе-

ского, комбинированного действия);

- по форме поперечного сечения тоннеля, выработки (круг-

лая, овальная, прямоугольная);

- по диаметру щита (малого до 3,2 м, среднего 3,2-5,2 м,

большого > 5,2 м);

- по типу погрузочного органа (непрерывного и периодиче-

ского действия);

- по типу механизма возведения постоянной крепи (с крепе-

укладчиками для сборной крепи, с пневмобетоноподатчиками для

монолитной крепи).

Признанными лидерами в области создания щитовой про-

ходческой техники являются фирмы «Herrenknecht AG», «Wirth»

(Германия); «LOVAT» (Канада); «Robbins» (США); «Фест Аль-

пине Бергтехник» (Австрия); «Framatone Mechanical Engineering»

(NFM), «Fives-Cail Babcock» (FCB) и «CSM Bessac» (Франция),

«Мицубиси», «Ишикавадзима-Харима», «Кавасаки» и «Хитачи»

(Япония), а также ПКБ «ЦНИИподземмаш», «КРОТ инжини-

ринг» (Россия). Этими же фирмами предлагаются инженерные

услуги по оптимальной подготовке проекта, организации управ-

ления стройплощадкой и с самого начала сопровождение строи-

тельства тоннеля. Уровень механизации в щитовых проходческих

комплексах в настоящее время достигает 90-95 %.

Современное тоннелестроение демонстрирует стремление

использовать механизированные тоннелепроходческие комплек-

сы диаметром свыше 13 м. Получаемое при этом большое попе-

речное сечение тоннеля позволяет разместить в нем несколько

транспортных полос. Самыми большими в мире являются ком-

плексы выпускаемые фирмой «Herrenknecht AG» (Германия), ко-

торая уже более 20 лет присутствует на рынке России и планиру-

ет изготовление щитовых машин диаметром до 19 м. Хорошо за-

рекомендовали себя щитовые комплексы при проходке тоннелей

диаметром 13,21 м (г. Сочи); 14,2 м (г. Москва); 15,2 м (г. Мад-

рид); 15,43 м (г. Шанхай). Щитовыми комплексами этой фирмы

успешно пройдены в мире тоннели диаметрами 5,86; 6,15; 6,5;

8,83; 12,6; 13,21; 14,2; 15,2 и 15,43 м.

В настоящее время в рамках уникального проекта «НИАТ»

строится тоннель «Готтард» (от Цюриха до Милана) длиной

57 км, на который давит горный массив до 2300 м высотой. Рабо-

та осуществляется четырьмя тоннелепроходческими комплекса-

ми «Herrenknecht AG» диаметром от 8,83 до 9,58 м.

Вторая фирма, присутствующая на рынке России более 25

лет, - канадская фирма «LOVAT». Щитовыми комплексами этой

фирмой в мире успешно пройдены тоннели диаметром 2,92; 3,15;

3,3; 4,24; 5,5; 5,63; 6,0; 6,56; 9,5; 9,8; 11,0 м, в том числе в Москве

(3,3 и 11 м), на БАМе (4,24 и 9,5 м), в Нижнем Новгороде (6,0 м),

в Казани (6,0 м), в Челябинске (5,5 м). В России создана компа-

ния ООО «LOVAT Tunneling Systems». За последние 10-15 лет

только в Европе протяженность тоннелей увеличилась на

1860 км.

В ближайшей перспективе тоннелепроходческими комплек-

сами в России будут построены тоннели под проливами на остров

Сахалин, на Аляску (США) длиной 30-60 км.

Параметры щитовых проходческих комплексов представле-

ны в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Фирма/

Herrenknecht

Мицубиси

Бессак

Роббинс

параметр

Диаметр щита, м

15,2

2,67

4,36

7,63

Длина комплекса, м

Мощность привода, кВт

1000

270

250

3000

Усилие подачи, МН

25,6

7,8

12,0

15,2

Скорость вращения

исполнительного органа,

0-4

0-1,8

0-3

0-2

об/мин

Крутящий момент, кН·м

2500

1436

1800

2800

Масса, т

350

115

280

Производительность, м/мес

500

450

350

380

2. Проходческие щиты, их конструкция и классифика-

ция

Проходческий щит (рис. 2.1.) представляет собой передвиж-

ную временную крепь в виде оболочки, под прикрытием которой

в призабойной зоне выполняются следующие операции: разру-

шение, погрузка и транспортировка за пределы щита породы

(грунта); возведение постоянной крепи; передвижка щита.

I - I

L_щ

Рис. 2.1. Конструкция проходческого щита:

1, 2, 3 - соответственно головная, опорная и хвостовая части щи-

та; 4 - домкраты передвижки щита; V - направление движения

щита; D_щ - диаметр щита; L_щ - длина щита

Щиты малого и среднего диаметра применяются в основном

для строительства коллекторов, тоннелей для размещения в них

различных коммуникаций. Щиты большого диаметра использу-

ются для сооружения транспортных тоннелей.

Вторым элементом механизированного щита является ис-

полнительный орган. Наибольшее распространение получили

роторный, барабанный, планетарный, стреловидный, экскава-

торный исполнительные органы.

Тип исполнительного органа щита определяется состоянием

породы, грунта забоя. При проведении тоннеля в водонасыщен-

ных, неустойчивых грунтах исполнительный орган должен гер-

метизировать призабойную часть тоннеля (рис. 2.2).

Для герметизации призабойной зоны исполнительный орган

оснащается перегородкой (диафрагмой), в которой предусмотрен

герметичный люк для прохода машиниста при выполнении ре-

монтных работ, замены резцов на исполнительном органе.

Для повышения устойчивости от обрушения забоя необхо-

димо создать противодавление на забой, уравновешивающее гор-

ное давление грунта и гидростатическое давление грунтовых вод.

Эта операция носит название «активный пригруз забоя» - регу-

лируемое давление на всю площадь забоя, действующее постоян-

но в процессе проходки тоннеля.

Известные и широко применяемые в настоящее время тон-

нельные щитовые машины для проходки в сложных инженерно-

геологических условиях (ТЩМ) в зависимости от вида активного

пригруза забоя разделяются на 4 типа:

- ТЩМ c суспензионным (бентонитовым) пригрузом;

- ТЩМ c грунтовым пригрузом (рис. 2.3);

- ТЩМ c воздушным пригрузом;

- ТЩМ c комбинированным пригрузом.

Вид А

Рис. 2.2. Схема герметичного щита диаметром 3 м:

1 и 2 - резцы и лопатки рабочего органа; 3 - четырехлучевой ро-

торный рабочий орган; 4 - головка рабочего органа; 5 - забурник;

6 - вал рабочего органа; 7 - редуктор; 8 - электродвигатель; 9 -

рычажный блокоукладчик; 10 - шнековый конвейер; 11 - щито-

вой домкрат; 12 - герметичная перегородка (диафрагма); 13 - от-

верстия в планшайбе для подачи суспензии

Рис. 2.3. Режимы работы щита с грунтовым пригрузом:

а - со свободным выпуском грунта; б - с пригрузом; 1 - рабочий

орган щита; 2 - привод рабочего органа; 3 - гидродомкраты щи-

та; 4 - шнековый конвейер; 5 - конический барабан рабочего ор-

гана

Принцип действия. Бентонитовая суспензия, заполняющая

призабойную камеру и находящаяся под давлением, через про-

резки в планшайбе или окна рабочего органа лучевого типа про-

никает к забою и покрывает его по всей площади. При этом твер-

дые частицы суспензии входят в поры грунта забоя и уже через

1-2 с образуют на его поверхности сплошную глинистую водо-

непроницаемую корку. Сама суспензия оказывает активное дав-

ление на забой, уравновешивая давление грунтовой воды и дав-

ление, оказываемое взвешенным в воде грунтом.

Принцип действия герметической щитовой машины с грун-

топригрузом (рис. 2.3) заключается в том, что в призабойной ка-

мере ее, благодаря интенсивному силовому перемешиванию,

происходит изменение качества разработанного грунта, а именно

повышение пластичности и понижение его проницаемости. В ре-

зультате этого обеспечивается эффективное крепление забоя.

В случае с воздушным пригрузом в призабойную камеру щи-

товой машины нагнетается сжатый воздух, давление которого

уравновешивает давление грунтовой воды и грунта забоя.

В устойчивых породах необходимость в «активной пригруз-

ке забоя» отпадает.

2.1. Щиты с роторным исполнительным органом

Щиты с роторным исполнительным органом (рис. 2.2, 2.3,

2.4) получили наибольшее распространение вследствие некоторо-

го преимущества по сравнению со щитами, имеющими другие ти-

пы исполнительных органов. Главные из них: более широкая об-

ласть применения; возможность в случае необходимости гермети-

зации забоя; непрерывность воздействия на забой; регулирование

частоты вращения и подачи ротора для получения оптимальной

толщины стружки; сплошное разрушение породы по всему сече-

нию забоя и высокие скорости строительства тоннелей.

Вместе с тем эти щиты имеют ряд недостатков: сложность

исполнительного органа, большая его масса; трудность замены

инструмента; большая мощность двигателей исполнительного

органа, а также напорного механизма; наличие реактивного мо-

мента, стремящегося поворачивать щит вокруг продольной оси.

Щиты с роторным исполнительным органом изготовляются

диаметром от 1,22 до 15,43 м и более. Область применения этих

щитов колеблется по крепости пород от f = 0,5 до f ≤ 5-6 при рез-

цовом инструменте и f = 5-7 при шарошечном.

На рис. 2.4. представлены роторные исполнительные орга-

ны тоннелепроходческих комплексов различных фирм.

На рис. 2.4, а представлен тоннелепроходческий комплекс

S 300 «Herrenknecht AG» с роторным исполнительным органом

диаметром 15,2 м с грунтовым пригрузом забоя для строитель-

ства автодорожного тоннеля в Мадриде. Исполнительный орган

состоит из внутренней и внешней планшайб с независимыми

друг от друга приводами и оснащен дисковыми шарошками и

резцами. Внутренняя приводится в действие 10 двигателями

суммарной мощностью 2000 кВт, а внешняя - с помощью 50 дви-

гателей в 12000 кВт.

Рис. 2.4. Роторные исполнительные органы

тоннелепроходческих комплексов

На рис. 2.4, б представлен тоннелепроходческий комплекс

S 320 «Herrenknecht AG» мощностью 1252 кВт длиной 65 м с ро-

торным исполнительным органом диаметром 5,86 м с активным

грунтовым пригрузом для метрополитена г. Алматы. Щит осна-

щен дисковыми шарошками и резцами.

На рис. 2.4, в представлен тоннелепроходческий комплекс

RME242SE канадской фирмы «LOVAT» с грунтовым пригрузом

забоя для проведения тоннеля Бутовской линии Московского

метрополитена наружным диаметром 6 м и длиной 1004 м. Пара-

метры комплекса: диаметр щита 6,13 м; длина щита 8,36 м; длина

комплекса 90 м. Щит оснащен дисковыми шарошками и резцами.

На рис. 2.4, г представлен тоннелепроходческий комплекс

RME 129 SE серии 23500 канадской фирмы «LOVAT» с грунто-

вым пригрузом забоя и режущим инструментом. Комплекс пред-

назначен для проходки тоннеля диаметром 3,3 м и длиной 700 м в

г. Москва.

На рис. 2.4, д представлен комбинированный щит диамет-

ром 14,2 м «Herrenknecht AG». Отличительной особенностью щи-

та является полуоткрытый привод с подвижным креплением ра-

бочего органа. Благодаря этому появилась возможность работы в

различных режимах. Впервые задействована система SSP - си-

стема сейсмической разведки, которая позволяет увидеть харак-

тер грунта на расстояние до 40 м впереди щита. Возможны все

комбинации в концепции щита: бентонитовый, грунтовый и воз-

душный пригруз; щит с открытым забоем; шарошечным или

режущим инструментом.

На рис. 2.4, е представлен тоннелепроходческий комплекс

S-534 «Herrenknecht AG» диаметром 13,21 м для скальных пород

для проходки автодорожного тоннеля № 3 на участке Адлер -

Красная Поляна.

На рис. 2.4, ж представлен тоннелепроходческий комплекс

TBM S-211 (S-210) «Herrenknecht AG» диаметром 8,83 м.

Последние два щита оснащены дисковыми шарошками.

2.2. Щиты с барабанным исполнительным органом

Цель разработки: обеспечение возможности сооружения

тоннелей прямоугольного сечения методом MMST (Muli-Micro

Shield Tunneling).

Проходческий щит (рис. 2.5) состоит из шарнирного щито-

вого корпуса 1, щитовых гидроцилиндров 2, двух исполнитель-

ных органов барабанного типа 3, питательного трубопровода 4

для подачи суспензии, транспортного трубопровода 5 для выдачи

шламового раствора в тоннель и блокоукладчика 6.

Корпус щита включает герметическую диафрагму 7, на ко-

торой крепятся гидроприводы 8 исполнительных органов.

Исполнительный орган барабанного типа включает две

крайних секции, которые оснащены резцами, и среднюю секцию,

содержащую два роторных барабана 9 малого диаметра, также

оснащенных резцами.

Рис. 2.5. Конструктивная схема щита

с исполнительным органом барабанного типа

При продвижении щита исполнительные органы своими

резцами ведут разработку забоя. Разработанный грунт падает

внутрь барабанов, где он смешивается с суспензией. По транс-

портному трубопроводу с помощью насоса шламовый раствор

выдается в тоннель и поступает на поверхностную сепарацион-

ную установку.

После изготовления и проведения демонстрационных испы-

таний первый образец щита с барабанными исполнительными ор-

ганами (рис. 2.6) был применен в 1997 г. при проходке в г. Токио

двух расположенных друг над другом тоннелей квадратного се-

чения с наружными размерами 2,7×2,7 м и длиной по 163,7 м.

В 1997-1998 гг. при сооружении вблизи экспресс-линии

«Кавасаки» трех вентиляционных тоннелей общей длиной

213,1 м применялись щитовые машины (см. рис. 2.7) с рабочими

органами барабанного типа, осуществляющие проходку горизон-

тально ориентированных частей тоннелей высотой 3,0 м и шири-

ной 7,5 м.

Рис. 2.6. Первый образец

Рис. 2.7. Горизонтально-

щита с рабочими органами

ориентированный щит

барабанного типа

с рабочими органами

барабанного типа

2.3. Щиты со стреловидным исполнительным органом

Из этого типа щитов преимущественное распространение

получили щиты с исполнительным органом в виде выдвижной

резцовой коронки на подвижной стреле (рис. 2.8-2.12). Щиты с

таким исполнительным органом изготовляются в основном диа-

метром от 3,2 до 5,2 м, но могут быть и для других сечений тонне-

лей, например арочного сечения (рис. 2.11) с коронкой D = 1,3 м.

Недостатком таких щитов является трудность управления

исполнительным органом, особенно при разработке породы в пе-

риферийной части забоя - требуются большие навыки машини-

ста. Кроме того, забой обязательно должен быть устойчивым, что

ограничивает область применения таких щитов. Щиты с таким

исполнительным органом предназначены для строительства тон-

нелей в породах с f ≤ 6.

Механизированный щит ПЩМ-5,2 (рис. 2.8) диаметром

5,2 м входит в комплекс КЩ-5,2Б конструкции института

ЦНИИПодземмаш и предназначен для строительства штреков в

шахтах и тоннелей в сложных горно-геологических условиях, в

породах от малоустойчивых песчаных до средней крепости, в том

числе магистральных штреков в строящихся шахтах большой

производительности в Подмосковном угольном бассейне.

Стреловидный исполнительный орган заимствован от про-

ходческого комбайна. Щит состоит из корпуса 9 сварной кон-

струкции, коронки 5 с резцами 6 типа РПП, закрепленной на

стреле 4, что дает возможность разрушать породы с f = 5-6.

Стрела совершает повороты вверх на 35°, вниз на 45° гидро-

домкратами 3, вправо и влево на 33° гидродомкратами 14. Ко-

ронка выдвигается гидродомкратами 2 на 600 мм и приводится во

вращение с частотой 28,0 или 45,0 об/мин от электродвигателя 1

мощностью 93 кВт.



20 19

17 16

5660

Рис. 2.8. Схема щита ПЩМ-5,2 комплекса КЩ-5,2Б

Диаметр коронки по резцам составляет 800 мм, длина ко-

ронки - 600 мм. Исполнительный орган закреплен на основной

горизонтальной раме 12. На случай пылеобразования при разра-

ботке забоя предусмотрен подвод воды под резцы.

При малоустойчивых и сыпучих песчаных породах щит

оснащается рабочей площадкой 10, которая домкратами 11 уста-

навливается в горизонтальное положение для разрушения породы

забоя ручным инструментом.

Головная часть щита состоит из девяти сегментов, стыкуе-

мых между собой болтами и снабженных выдвижными козырь-

ками 8 с гидравлическим приводом.

Погрузочный орган 19 представляет собой двухчелюстной

наклонный грейфер с ходом перемещения 1350 мм по наклонно-

му приемному столу 20. Порода грузится на скребковый погру-

зочный конвейер 18. Крепление тоннеля восемью железобетон-

ными блоками толщиной 200 мм производится кольцевым крепе-

укладчиком 15 с зубчатым венцом 13 и двумя направляющими

стойками. Блоки крепи перемещаются по рольгангу 16. Щит пе-

редвигается в сторону забоя восемнадцатью щитовыми домкра-

тами 17.

Рис. 2.9. Щит M-941M МHSM2

Рис. 2.10. Щит «CSM Bessac»

«Herrenknecht AG» d = 3,68 м

d = 4,36 м

Рис. 2.11. Щит «Мицубиси»

Рис. 2.12. Щит

S = 10,7×9,92 м

с воздушным пригрузом

Фирма «Гринсайд Мак Алпайн» (Англия) изготовляет щиты

со стреловидным исполнительным органом с одной, двумя и че-

тырьмя коронками, смонтированными на одной или двух стрелах

и оснащенными резцами. Машины с одной коронкой монтируют-

ся в щитах диаметром 3,0-4,0 м, с двумя коронками - диаметром

4,0-5,5 м, с четырьмя коронками - диаметром более 5,5 м.

Исполнительные органы избирательного действия, приме-

няемые в щитах, как правило, заимствованы из проходческих

комбайнов. Компания «Wirth» (Германия) предлагает тоннеле-

проходчик Mobile Tunnel Miner (MTM 550) с установленной

мощностью N = 800 кВт и комбайны со стреловидным исполни-

тельным органом серии Т1, Т2, Т3 и Т4 (N = 100-200; 200-300;

300 и 400 кВт) (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Комбайны «Wirth»

В щитах с исполнительным органом избирательного дей-

ствия, как правило, отбитая порода падает в нижнюю часть го-

ловной части щита, откуда погрузочным органом попадает на

конвейер.

В щитах наибольшее распространение получил исполни-

тельный орган с одной резцовой коронкой на стреле. Наиболь-

ший диаметр коронки колеблется от 0,6 до 1,0 м, число резцов -

от 16 до 40, максимальная скорость резания - от 1,17 до 3,4 м/с.

Перемещение коронки производится, как правило, гидравличе-

скими домкратами.

На рис. 2.14 показан исполнительный орган механизирован-

ного проходческого щита ПЩМ-3,2 комплекса КЩ-3,2Б. Он за-

имствован от получившего широкое распространение комбайна

4ПУ и состоит из резцовой коронки 4, укрепленной на стреле 3 и

вращающейся от электродвигателя 10 через планетарный редук-

тор 11. Исполнительный орган установлен в поворотной раме

(турели) 9 с помощью цапф 6, относительно которых он повора-

чивается в вертикальной плоскости с помощью двух гидро-

домкратов вертикальной подачи 1. Поворот исполнительного ор-

гана в горизонтальной плоскости происходит вместе с турелью с

помощью гидродомкратов 7. Турель может поворачиваться отно-

сительно вертикальной оси прикрепленной через подшипнико-

вую опору к неподвижной раме 8. Исполнительный орган имеет

телескопическое устройство для выдвижения коронки на забой на

длину 500 мм со стрелой, редуктором и электродвигателем. Для

этого редуктор 11 соединен с подвижной рамой 12, которая с по-

мощью гидродомкратов может перемещаться по направляющим

брусьям 2, где она закрепляется клиньями 5. Брусья соединяются

между собой соединительной балкой 13 образуя жесткую рамную

конструкцию.

2 1

Рис. 2.14. Исполнительный орган механизированного

проходческого щита ПЩМ-3,2 комплекса КЩ-3,2Б

Гидравлические домкраты исполнительного органа питают-

ся от одного из насосов насосной станции с двумя маслонасосами

типа Н-403, приводимого электродвигателем мощностью 13 кВт.

В контакте с породой одновременно находятся одиннадцать

резцов.

Коронка исполнительного органа имеет литой корпус. Шаг

между линиями резания спирально располагаемых на ней резцов

составляет 20-30 мм. Коронка закрепляется на валу стрелы за-

бурником с левой резьбой.

2.4. Щиты с экскаваторным исполнительным органом

Щиты с экскаваторным исполнительным органом

(рис. 2.15-2.17) изготовляются диаметром от 1,22 до 8,0 м и бо-

лее. Вместимость ковша изменяется от 0,05 до 1,14 м³. В щитах

очень большого диаметра могут быть применены ковши большей

вместимости. Область применения экскаваторного исполнитель-

ного органа ограничивается возможностями разрушения ковшом

породы с f ≤ 1,5.

Рис. 2.15. Щит

Рис. 2.16. Щит

Рис. 2.17. Щит

«CSM Bessac»

«Малахит»

«АГАТ»

На рис. 2.15 представлен щит T009 AC «Bessac» для про-

ходки тоннеля d = 4,33 м и длиной 870 м (г. Москва). При необ-

ходимости вместо экскаваторной лопаты может быть использо-

вана фрезерная головка с собственным приводом на выдвижной

стреле рабочего органа.

Тоннелепроходческий комплекс «МАЛАХИТ» (ООО «Крот

инжиниринг», РФ) (рис. 2.16) с проходческим щитом диаметром

3,6 м предназначен для строительства тоннелей из неармирован-

ного монолитно-прессованного, водонепроницаемого бетона в

мягких грунтах, в том числе водонасыщенных с гидростатиче-

ским давлением до 0,2 МПа.

Разработка забоя осуществляется с пневмопригрузом в без-

людной, герметичной призабойной камере. Управляемая голов-

ная часть щита, как видно из рисунка, оснащена экскаваторными

исполнительными органами - шестью периферийными и одним

центральным.

Проходческий комплекс «АГАТ» («Крот инжиниринг», РФ)

(рис. 2.17) предназначен для прокладки подземным способом

прямоугольных железобетонных секций методом продавливания

для инженерных коллекторов различного назначения в городских

условиях сечением S = 2,5×2,5 м.

Существуют комплексы с экскаваторными щитами кон-

струкции ОАО «НТЦ»: КПЩМ-2,6Э (d = 2,6 м); КПЩМ-3,6Э

(d = 3,6 м) и КПЩМ-4,0Э (d = 4,0 м) конструкции ЦНИИподзем-

маш.

Фирмой «Крот инжиниринг» был изготовлен щитовой про-

ходческий комплекс «Гранит» с экскаваторным щитом диамет-

ром 4,02 м предназначенный для строительства тоннелей из мо-

нолитно-прессованного бетона в устойчивых грунтах с открытым

забоем, оснащенный механизмом разработки грунтов экскава-

торного типа с верхней подвеской и пресс-бетонным оборудо-

ванием скользящего типа.

Щиты с экскаваторным исполнительным органом, как пра-

вило, имеют выдвижные или поворотные секционные козырьки,

занимающие в зависимости от степени устойчивости породы в

забое от 90 до 210 ° периметра головной части щита. Исполни-

тельный орган размещается в нижней части забоя. Во многих щи-

тах большого диаметра исполнительный орган смонтирован на

мощных площадках, которыми щит разделен на ярусы от одного

до трех. Ковшей с манипуляторами на каждой площадке бывает

один или два. Щиты диаметром от 3,9 до 12,2 м изготовляются

фирмами «Перини», «Мемко» (США), «Тирисима», «Комацу»

(Япония) и др.

Основными преимуществами щитов с экскаваторным ис-

полнительным органом являются: возможность без каких-либо

демонтажных работ в случае необходимости (удаление включе-

ний, валунов, частичное или полное крепление забоя), свободное

проникновение людей к забою; высокая надежность в работе;

возможность унификации исполнительного органа и других ма-

шин и механизмов для щитов близких размеров; относительная

простота конструктивного исполнения. Кроме того, в подавляю-

щем большинстве случаев исполнительный орган является одно-

временно погрузочным, вследствие чего часто отпадает необхо-

димость в погрузочном конвейере. В щитах большого диаметра

порода грузится ковшом непосредственно в вагон большой вме-

стимости.

3. Тоннельные щитовые машины

3.1. Щитовые машины с шарнирным корпусом

Щитовые машины с шарнирным корпусом предназначены

для проходки тоннелей с криволинейными участками трасс и со-

стоят по длине из двух и более частей, которые при двухслойном

диафрагмовом соединении с помощью дополнительно устанав-

ливаемых управляющих гидроцилиндров поворачиваются друг

относительно друга на определенный угол.

В настоящее время создано три вида щитовых машин с

шарнирным корпусом.

Щитовые машины с одношарнирным корпусом первого вида

(рис. 3.1, 3.2, 3.3) обеспечивают проходку тоннелей за счет пово-

рота частей корпуса относительно друг друга. Одной из таких

машин с одношарнирным корпусом (рис. 3.1) диаметром 2,89 м,

изготовленной фирмой «Комацу» (г. Иокогама) пройден тоннель

длиной 740 м, имеющий криволинейные участки с радиусом 10 и

20 м.

Рис. 3.1. Щитовая

Рис. 3.2. Щитовая

Рис. 3.3. Щитовая

машина фирмы

«Комацу» d = 2,89 м

«Ишикавадзима-

«Мицубиси»

Харима» d = 5,8 м

d = 4,45 м

В последние годы японские фирмы начали не только изго-

тавливать, но и применять герметические щитовые машины

с двухшарнирным корпусом (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Щитовые машины фирмы «Компакт Шилд»:

а - d = 3,09 м; б - d = 4,1 м

Щитовые машины с шарнирным корпусом второго вида

(рис. 3.5) обеспечивают более плавное движение щитовой маши-

ны за счет изменения положения оси вращения роторного испол-

нительного органа и использования копир-резца.

Рис. 3.5. Конструктивная схема щитовой машины

c шарнирным корпусом второго вида

Щитовая машина включает шарнирный корпус, состоящий

из передней 1 и задней 2 частей, его герметическую диафрагму 3,

жестко закрепленную в передней части корпуса, щитовые гидро-

цилиндры 4, закрепленные в задней части корпуса, управляющие

гидроцилиндры 5, шарнирно соединяющие части корпуса, ротор-

ный исполнительный орган 6 с выдвижным копир-резцом 7 и

приводом 8, а также блокоукладчик 9.

Несущая обойма 10 оси исполнительного органа закреплена

в сухаре 11, который установлен с возможностью передвижения в

направляющих, жестко прикрепленных сзади к герметической

диафрагме передней части щитового корпуса. Сзади и внутри

ножевого кольца 12 передней части щитового корпуса, имеющего

спереди конический козырек 13, установлены поперечные управ-

ляющие гидроцилиндры 14.

Когда внешний диаметр щитовой машины является значи-

тельным, а заданный радиус криволинейного участка трассы про-

ходимого тоннеля очень мал, то с помощью поперечных управ-

ляющих гидроцилиндров 14 весь исполнительный орган смеща-

ется на некоторую величину внутрь кривой. При одновременном

выдвижении копир-резца 7 по заданной программе щитовая ма-

шина получает возможность устойчивого движения.

Щитовые машины с шарнирным корпусом третьего вида

позволяют одновременно выполнять при щитовой проходке опе-

рации по разработке забоя и монтажу сегментов тоннельной об-

делки и, как следствие, повысить скорость проходки тоннеля

большой протяженности и снизить стоимость строительства.

3.2. Многороторные (многоочковые) щитовые машины

3.2.1. Двухочковые щитовые машины

Главным назначением двухочковых щитовых машин явля-

ется обеспечение возможности сооружения за один проход одно-

го тоннеля с площадью сечения, эквивалентной сумме площадей

сечения двух отдельно сооружаемых тоннелей и с существенно

меньшей площадью по сравнению с одиночным тоннелем, име-

ющим одинаковую пропускную способность.

Двухочковые щитовые машины делятся на:

- машины горизонтальной ориентации (рис. 3.6);

- машины вертикальной ориентации (рис. 3.7);

- поворотные машины (рис. 3.8).

Поворотные двухочковые щитовые машины (рис. 3.8) во

время работы изменяют свою ориентацию в сечении по длине

трассы тоннеля от горизонтальной до вертикальной и наоборот.

Главными элементами щитовой машины (рис. 3.8) являются

две отдельные части 1 и 2 щитового корпуса, два независимых

друг от друга исполнительных органа с роторами 3 и 4, укреп-

ленных в герметических диафрагмах 5 и 6 соответствующих го-

ловных частей щитового корпуса, единая задняя часть щитового

корпуса 7, шарнирный узел 8 сочленения передних частей щито-

вого корпуса, щитовые 9 и управляющие 10 гидроцилиндры, пи-

тательный трубопровод 11 подачи бентонитовой суспензии в

единую призабойную камеру щитовой машины и транспортный

трубопровод 12 выдачи шламового раствора из призабойной ка-

меры в тоннель.

Передние 1 и 2 и задняя 7 части щитового корпуса соедине-

ны шарнирно, при этом задняя часть оснащена хвостовым уплот-

нением.

Поворот щитовой машины в процессе ее продвижения по

трассе достигается за счет изменения взаимного положения от-

дельных передних частей 1 и 2 щитового корпуса относительно

друг друга, осуществляемого путем поворота их в шарнирном

узле 8 с помощью управляющих гидроцилиндров 10.

Более точному ведению щитовой машины может помочь от-

ключение некоторых щитовых гидроцилиндров, а также измене-

ние направления и скорости вращения исполнительных органов.

3.2.2. Многоочковые щитовые машины

Кроме двухочковых щитовых машин в последнее время

нашли применение многоочковые (рис. 3.9).

С помощью многоочковых щитовых машин прокладывают-

ся тоннельные сооружения, наружная поверхность которых в се-

чении имеет вид трех и более окружностей, частично перекрыва-

ющих друг друга.

Многоочковые щитовые машины условно разделяются на:

- единые щитовые машины, имеющие единый в сечении

корпус, в котором установлены все роторные рабочие органы;

- блочные щитовые машины, состоящие из отдельных бло-

ков, каждый из которых имеет собственный рабочий орган.

Рис. 3.9. Щитовые машины:

а - единая трехочковая щитовая машина фирмы «Мицубиси»

(d_центр = 8,846 м; d_бок = 8,14 м; B_маш = 17,44 м);

б - четырехочковая щитовая машина с суспензионным пригрузом

(d_max = 6,56 м; d_min = 1,72 м; B_маш = 13,18 м; H_маш = 7,06 м);

в - блочная трехочковая щитовая машина (B_маш = 15,8 м;

H_маш = 10,1 м)

3.3. Щитовые машины некруглого сечения

До последнего времени единственной формой поперечного

сечения тоннеля при использовании щитовых машин роторного

типа была круглая. Однако с эксплуатационной точки зрения она

имеет ряд определенных недостатков.

На рис. 3.10. представлены щитовые машины некруглого

сечения.

Рис. 3.10. Щитовая машина: а - вертикально-овального сечения с

роторно-планетарным рабочим органом (H = 4,66 м и B = 3,16 м)

фирмы «Мицубиси», работающая в режиме грунтопригруза;

б - с 3-мя центральными и 4-мя периферийно-угловыми ротор-

ными исполнительными органами (H = 2,88 м и B = 7,27 м)

фирмы «Ишикавадзима-Харима»; в - горизонтально-овального

сечения с вертикальными гранями (H = 3,8 м; В = 4,2 м)

с многоосным роторным рабочим органом и глинисто-грунтовым

пригрузом фирмы «Ишикавадзима-Харима»

Необходимость повышения пропускной способности кол-

лекторов, а также автодорожных тоннелей заставляет проекти-

ровщиков заменять их круглое сечение на вертикально-овальное

(первое слово в этом наименовании означает положение оси,

проходящей по наиболее длинному размеру сечения), прямо-

угольное, арочное, горизонтально-овальное, горизонтально-

прямоугольное, горизонтально-эллиптическое, горизонтально-

несимметричное овальное.

Фирма «Robbins» изготовила несколько образцов щитов для

проведения тоннеля площадью S = 50-80 м² арочной формы с го-

ризонтальной подошвой. Имеют место разработки других фирм

по созданию новых типов многороторных комбайнов для прове-

дения выработок с некруглым поперечным сечением.

4. Исполнительные органы щитовых машин

Роторный исполнительный орган (рис. 4.1) наиболее уни-

версальный, поскольку щитами с таким исполнительным органом

можно строить тоннели практически в любых горно-

геологических условиях от обводненных песчаных до пород, ко-

торые разрушаются шарошечным инструментом. Роторными ис-

полнительными органами оснащены однороторные щиты, много-

роторные щитовые машины, поворотные щитовые машины, щи-

товые машины некруглого сечения.

Рис. 4.1. Исполнительный орган щита с электрическим приводом

Ротор исполнительного органа оснащается породоразру-

шающим инструментом, закрепляемым на его рабочей поверхно-

сти. Роторные исполнительные органы бывают с плоской план-

шайбой (диском) со щелями для выхода породы; с винтовой

планшайбой; с радиальными лучами; c кольцевой или комбини-

рованной планшайбами. Исполнительные органы могут осна-

щаться как резцами, так и дисковыми шарошками.

Исполнительный орган (рис. 4.1) механизированного щита

ПЩМ-3,6 имеет планшайбу 2 с плоской рабочей поверхностью и

состоит из кольца и секторов. Планшайба 2 вращается с частотой

2,1 об/мин от привода, состоящего из двух асинхронных электро-

двигателей 7, уравнительных муфт 6, редукторов (PM-500-1V) 5,

муфт предельного момента 4, редукторов 3, вращающих ротор-

ный исполнительный орган посредством зубчатой передачи, со-

держащей две приводные шестерни и зубчатый венец, состоящий

из сборных секций.

На планшайбе 2 закреплены два основных 1 и 9 и два вспо-

могательных пластинчатых резца, разрушающих породу с f ≤ 1,2

и подающих ее во внутреннюю полость щита. Весь исполнитель-

ный орган собран на раме 8, которая выдвигается двумя гидрав-

лическими домкратами вдоль оси щита.

С целью расширения области применения исполнительный

орган щита может быть переделан на лучевой с радиальными

резцами. Это дает возможность разрабатывать забой с породами с

f ≤ 6. На боковой поверхности планшайбы имеются дополнитель-

ные ножи 10 для очистки внутренней поверхности ножевой части

щита.

Плоская планшайба (рис. 4.2) состоит из центральной ча-

сти 3 с пластинчатыми резцами 12, забурником 7 и кольцевой ча-

сти из двух сегментов 2 с люками 1, двух сегментов 6 для уста-

новки пластинчатых резцов 5 и двух рядов резцедержателей 9 с

резцами 8 типа ШБМ.

Порода падает во внутреннюю полость щита через щели, за-

крываемые заслонками 4 и 11. Резцедержатели 10 закреплены

также в центральной части планшайбы и на забурнике. Общее

число стержневых резцов - 83. Планшайба вращается с частотой

1-3,5 об/мин от четырех гидравлических двигателей, питающих-

ся от общей насосной станции с электродвигателями суммарной

мощностью 120 кВт.

Рис. 4.2. Плоская планшайба щита ПЩМ-3,2

комплекса КЩ-3,2БР

Лучевые планшайбы для породы крепостью f = 6-7 осна-

щаются дисковыми шарошками (рис. 4.3, б и 4.4), а при f < 6 -

резцами (рис. 4.3, а).

S-221

Рис. 4.3. Лучевые планшайбы фирмы «Herrenknecht AG»:

а - d = 14,2 м; б - d = 12,6 м

Планшайба типа ММЩ-1 (рис. 4.4) комплекса ТЩБ-3 со-

стоит из ротора, на пяти лучах 1 которого закреплены в разных

положениях по два ряда сорок два комбинированных породораз-

рушающих инструмента 2, две оконтуривающие дисковые ша-

рошки 3, три центральные дисковые шарошки 6, копир-шарошки,

а также поворотные подгребающие 4 и неподвижные 5 лопасти.

Ротор посредством зубчатого колеса вращается с частотой 0,5-

3,0 об/мин от четырех двигателей постоянного тока типа ДП-82А

мощностью 140 кВт каждый.

Породоразрушающий инструмент имеет оригинальную кон-

струкцию, заключающуюся в том, что на каждой опоре смонти-

рованы дисковая шарошка 8 и резец 7. Лезвие шарошки несколь-

ко выступает относительно режущей кромки резца.

Крепкие породы разрушаются в основном шарошками,

а стержневые резцы срезают оставшиеся гребни. На исполни-

тельном органе могут быть установлены также пластинчатые

резцы, лезвия которых выступают еще меньше, чем лезвия

стержневых резцов. Они предназначены для разрушения мягких

пород и предохранения шарошек от налипания.

Рис. 4.4. Планшайбы щита ММЩ-1 комплекса ТЩБ-3

5. Рабочий инструмент исполнительных органов

Эффективность исполнительного органа проходческого щи-

та во многом зависит от правильного подбора типа инструмента и

его качества. Инструмент исполнительных органов проходческих

щитов можно подразделить на три группы: для разрушения грун-

тов с f = 0,5-1,2; и горных пород с f ≤ 5-6 и пород f = 6-7.

Для исполнительных органов щитов применяются стержне-

вые резцы. В щитах могут применяться резцы, используемые на

проходческих комбайнах. Хорошо показали себя резцы ШБМС-1-

1-04 (рис. 5.1, а), РК-8Б и РБ-243 (рис. 5.1, б), имеющие конусные

державки, угол резания - соответственно 90 и 100°, вылет - 40 мм.

Резец РПП (рис. 5.1, в), эффективно работающий при f ≤ 5-6

и абразивности до 15 мг. Вылет резца - 70 мм, посадочный диа-

метр конусной (1:20) державки из стали 35ХГСА - 45 мм, длина

резца - 130 мм. Твердый сплав марки ВК-8ВК имеет толщину

10 мм. Угол заострения - 90°, максимальное усилие резания -

20,0 кН. Целесообразно для этих резцов принять скорость реза-

ния 1,5-2 м/с при разрушении пород с f = 4-5 и 0,8-1 м/с при

f = 6. Много различных типов резцового инструмента с различ-

ными наплавками и характеристиками применяются на проход-

ческих щитах за рубежом.

Для разрушения пород средней крепости, крепких применя-

ется шарошечный инструмент (рис. 5.2). Шарошки бывают

зубчатые, штыревые и дисковые с разной геометрией и схемами

расстановки на исполнительном органе (рис. 5.3).

Рис. 5.2. Общий вид шарошек:

а - «Herrenknecht AG»; б, в, г - «Wirth»; д - «Guangzhou

Jiansui Machinery Co., Ltd»

Рис. 5.3. Схемы расстановки рабочего инструмента:

а, б - шарошки; в - резцы

6. Погрузочное оборудование

Проходческие щиты оборудуются механизмами, обеспечи-

вающими отбор разработанной в забое породы и погрузку ее на

конвейеры или непосредственно в вагонетки. В механизирован-

ных щитах погрузочные органы выполняют в виде различных

конструкций роторных грузчиков, нагребающих, шнековых ме-

ханизмов или пластинчатых питателей.

В щитах с роторным исполнительным органом погрузку по-

роды на конвейер осуществляют непосредственно вращающимся

ротором, внутри которого имеются лопасти, подающие породу по

направляющим течкам на конвейер (рис. 6.1, а). Внутрь ротора

разработанная порода попадает через окна в его лобовой части 1,

вырезанные сзади породоразрушающего инструмента, а в нижней

части забоя захватывается скребками 2 и грузится на конвейер.

В большинстве щитов с роторным исполнительным органом

для выдачи разработанной породы из забоя применяют вместо

скребков ковши.

В целом ряде конструкций щитов со стреловым исполни-

тельным органом находят применение шнековые погрузочные

органы (рис.

6.1, б) или органы с нагребающими лапами

(рис. 6.1, в). Последние выполняют в основном двух типов - с

двумя лапами, каждая из которых закреплена на консольной оси,

эксцентрично расположенной относительно центра вращения,

или в виде совершающей возвратно-поступательное движение

рамы с двумя шарнирами, вокруг которых принудительно пово-

рачиваются лапы (рис. 6.1, г). В обоих случаях погрузочные ор-

ганы устанавливаются в ножевой части щита под углом к гори-

зонту, причем лапы движутся по плоским «постелям». Шнеки

или лапы перемещают породу на конвейер.

Рис. 6.1. Конструктивные схемы погрузочных устройств

При проходке тоннелей в обводненных условиях хорошо за-

рекомендовали себя пластинчатые питатели (см. рис. 6.1, д), вы-

полненные в виде двух бесконечных цепей с пластинами, огиба-

ющих приводные звездочки в плоскости движения породы. Такие

питатели позволяют регулировать угол сектора погрузки породы

в плоскости разрушения забоя.

Для приема породы от погрузочных органов щиты обору-

дуют ленточными или скребковыми конвейерами, которые пере-

гружают ее на конвейеры проходческого комплекса за щитом,

а те, в свою очередь, грузят в нерасцепленные составы вагонеток.

Предпочтительнее в щитах устанавливать ленточные конвейеры,

особенно для транспортирования песчаных пород. Однако при

больших углах наклона тоннеля (более 18 °) в щитах устанавли-

вают скребковые конвейеры.

На рис. 6.2 показана конструкция погрузочного органа

с попеременно действующими нагребающими лапами, закреп-

ленными на эксцентриках. Лапы 4 закреплены на осях 6, жестко

соединенных с поворотными кругами 5, крутящий момент на ко-

торые передается от мотор-редукторов 3 карданной передачей 2

и коническим редуктором 1. Синхронизация работы лап со сме-

щением положения их консольных осей на 180° осуществляется

с помощью редуктора 9, соединяющего звездочки 7 и 11 на валах

мотор-редукторов через цепные передачи 8 и 10.

Рис. 6.2. Погрузочный орган с нагребающими лапами

Для погрузки на конвейер песчаной и глинисто-песчаной

породы более совершенной конструкцией является орган че-

люстного типа с нагребающими лапами (рис. 6.3), установлен-

ными на совершающей возвратно-поступательное движение ра-

ме. Рама 3 движется по направляющей 5, прикрепленной к крон-

штейну щита, опираясь на нее через съемные захваты

с текстолитовыми прокладками 4. Корпус домкрата 1 продольно-

го перемещения рамы присоединен к направляющей через сфе-

рический шарнир 2, а его шток также через сферический шарнир

к поводку 12, прикрепленному болтами к раме.

4 5 6

Рис. 6.3. Погрузочный орган челюстного типа

для щитов диаметром 4,0 и 5,9 м

Орган включает опорные рычаги 9, присоединенные гори-

зонтальными осями 8 к подвижной раме и вертикальными осями

13 с роликовыми сферическими подшипниками к нагребающим

лапам 10. Поворот лап осуществляется домкратами 14, соединен-

ными с лапами и с опорными рычагами через съемные головки 7,

также оборудованные роликовыми сферическими подшипника-

ми. На внешней стороне лап установлены сменные зубья 11 для

рыхления породы.

Для самостоятельного изучения назначения, области при-

менения, классификации, принципа работы и конструкции щито-

вых проходческих комплексов и проходческих щитов, включая

их рабочий инструмент для строительства горных выработок раз-

личного назначения и формы поперечного сечения; тенденции и

перспективы развития щитовых проходческих комплексов, а

также для подготовки к защите работы, рекомендуется использо-

вать предлагаемый ниже список литературы.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щитовые проходческие комплексы : учебное пособие /

В. А. Бреннер, А. Б. Жабин, М. М. Щеголевский [и др.]. -

Москва : Изд-во «Горная книга», Изд-во Моск. гос. горного ун-та,

2009. - 447 с.

2. Самойлов, В. П. Новейшая японская техника щитовой

проходки тоннелей : справочно-информационное издание / В. П.

Самойлов, В. С. Малицкий. - Москва : Империум Пресс, 2004. -

232 с.

3. Современные щитовые машины с активным пригрузом

забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-

геологических условиях : справочное издание / А. Г. Валиев,

С. Н. Власов, В. П. Самойлов; под ред. В. П. Самойлова. -

Москва : ТА Инжиниринг, 2003. - 70 с.

4. Шахтное и подземное строительство : учебник для вузов :

в 2 т. / Б. А. Картозия, Б. И. Федунец, М. Н. Шуплик [и др.]. -

3-е изд., перераб. и доп. - Москва : Изд-во Моск. гос. горного ун-

та, 2003. - Т. 2. - 815 с.

5. Клорикьян, В. Х. Горнопроходческие щиты и комплексы /

В. Х. Клорикьян, В. А. Ходош. - Москва : Недра, 1977. - 326 с.

6. Крапивин, М. Г. Горные инструменты / М. Г. Крапивин,

И. Я. Раков, Н. И. Сысоев. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва :

Недра, 1990. - 256 с.

7. Худин, Ю. Л. Разрушение горных пород комбинирован-

ными исполнительными органами / Ю. Л. Худин, Л. Д. Маркман,

Ж. П. Вареха. - Москва : Недра, 1978. - 224 с.

8. Разрушение горных пород проходческими комбайнами.

Разрушение агрегированными инструментами : коллективная мо-

нография / Л. И. Барон, Л. Б. Глатман, Ю. Н. Козлов [и др.]. -

Москва : Наука, 1977. - 160 с.

9. Барон, Л. И. Разрушение горных пород проходческими

комбайнами. Разрушение шарошками / Л. И. Барон, Л. Б. Глат-

ман, С. Л. Загорский. - Москва : Наука, 1969. - 152 с.

10. Разрушение горных пород шарошечным инструментом /

Л. И. Барон, Л. Б. Глатман, С. Л. Загорский [и др.]. - Москва :

Наука, 1966. - 139 с.

11. Укшебаев, М. Т. Сооружение тоннелей метрополитена

г. Алматы тоннелепроходческим комплексом с активным грунто-

вым пригрузом / М. Т. Укшебаев, И. О. Акатов, В. Л. Коротков //

Подземное пространство мира. - 2006. - № 4-5. - С. 3-7.