Строительство тоннелей, коллекторов и каналов методом щитовой проходки

Щит — это металлическая крепь, под защитой которой производится разработка грунта и сооружение обделки инженерных конструкций. Щит состоит из трех основных частей: передней —режущей, средней — опорной (где размещаются домкраты) и задней — хвостовой. Своей режущей частью щит домкратами вдавливается в грунт, разрабатываемый ручным или механическим способом. Обделку стенок коллектора выполняют в хвостовой части щита, используя для этого сборные железобетонные и чугунные тюбинги, блоки или монолитный бетон.

По способу разработки грунта в забое щиты подразделяются на немеханизированные и механизированные.

У немеханизированного щита, обычно цилиндрической формы (иногда прямоугольной), ножевое кольцо (передняя — режущая часть щита) служит для частичного срезания грунта по контуру проходки и одновременно защитным козырьком для рабочих, работающих в забое (рис. 8.1, а). В опорном кольце (средняя часть щита) размещаются забойные и щитовые домкраты, с помощью которых щит перемещается, отталкиваясь от последнего кольца ранее собранной обделки. Хвостовая часть щита — гладкая оболочка, под прикрытием которой производится сборка колец обделки коллектора. Грунт в забое разрабатывается преимущественно отбойными молотками и грузится ковшовой погрузочной машиной или конвейерным перегружателем в вагонетки. Скорость проходки немеханизированного щита составляет 0,8... 1,2 м в смену.

щитовая проходка
Рис. 8.1. Щитовая проходка
а — устройство немеханизированного щита: 1 — оболочка щита; 2 — щитовые домкраты; 3 — забойные домкраты; 4 — платформенные домкраты; 5 — выдвижные платформы; 6 — опорное кольцо; 7 — ножевое кольцо; 8 — вертикальные перегородки; 9 — горизонтальные перегородки; б — механизированный щит с плоской планшайбой: 1 — корпус щита; 2 — планшайба: 3 — упорные ролики; 4 — привод; 5 — подвижная станина; 6 — отвальный мост; 7 — неподвижная станина; 8 — домкрат подачи; 9 — транспортер; 10 — резцовые окна; в — общая схема щитовой проходки: 1 — щит; 2 — блокоукладчик; 3 — ленточный перегружатель; 4 — обделка тоннеля; 5 — вагонетка; 6 — электровоз; 7 — ствол; 8 — раздаточный бункер-накопитель грунта

Вследствие индивидуального проектирования и изготовления проходческих щитов для строительства подземных коммуникаций в различных городах было разработано большое количество типоразмеров щитов.В настоящее время Госстроем СССР утвержден оптимальный по технико-экономическим показателям параметрический ряд коллекторных тоннелей с внутренним диаметром 1,8; 2,25; 2,8; 3,56 и 4,5 м. Для их сооружения предусматривается использование высокомеханизированных комплексов щитов KITI-2,1 Б, КЩ-2,6Б, КЩ-3.2Б, КЩ-4Б и КЩ-5.2Б с наружным диаметром соответственно 2,1; 2,6; 3,2; 4 и 5,2 мм. Длина кольца сборной обделки принята 0,7; 0,8; 0,9 и 1 м, количество блоков на кольцо — 6...8. Скорость проходки вышеуказанных комплексов щитов до 3,8 м в смену.

Последовательность работ при щитовой проходке следующая. После геодезической разбивки трассы коллектора и сооружений на нем приступают к устройству вертикальных стволов шахт для спуска и подъема проходческих щитов, рабочих, подъема грунта, подачи материалов обделки, обеспечения вентиляции, водоотлива и др. Диаметр ствола шахты должен быть приблизительно в 2 раза больше диаметра щита.

Проходку шахтных стволов (круглых или прямоугольных в плане) производят поярусно либо с помощью механизированных щитов, малогабаритного землеройного оборудования и других средств с выдачей грунта на поверхность скипами, бадьями, грейферами либо с применением буровзрывных работ. По мере отрывки грунта устойчивость вертикальных стенок ствола обеспечивается крепью: деревянной, деревометаллической, из железобетонных или чугунных тюбингов, монолитного железобетона. При наличии водоносного слоя мощностью 3...5 м устраивают опускную крепь, которую наращивают сверху и по мере разработки грунта опускают под действием силы тяжести крепи или дополнительной пригрузки.

После устройства шахтного ствола приступают к сооружению тоннеля. Для ввода щита в забой в шахтном стволе устраивают проем, а с противоположной стороны — упорную стенку. В проем устанавливают щит, который и разрабатывает грунт, отталкиваясь от упорной стенки. При входе хвостовой части щита в тоннель начинают устройство обделки.

Обделку тоннеля диаметром до 2 м выполняют из мелких блоков, укладываемых вручную. В тоннелях большего диаметра специальными блокоукладчиками устанавливают крупные блоки и тюбинги. Вслед за обделкой с отставанием не более чем на пять колец по длине тоннеля в пространство между наружной поверхностью обделки и грунтом производят первичное нагнетание цементного раствора (состав от 1:1 до 1:5) под давлением 0,4...0,5 МПа. Повторно-контрольное нагнетание выполняют через 30...40 мин под давлением 0,7...0,8 МПа. Работы ведут с помощью растворонасосов или растворонагнетателей (типа РНЩ).

В канализационных коллекторах в целях дополнительной герметизации и защиты сборной обделки от разрушения выполняют вторичную обделку из монолитного железобетона.

Трудоемкость возведения обделки тоннелей сокращается на 25...30% при устройстве ее из монолитного пресс-бетона. Сущность способа состоит в том, что в хвостовой части щита вместо сборных блоков устанавливают внутреннюю металлическую опалубку, состоящую из трех сегментов, соединенных между собой болтами. Циклично через 0,5 м с помощью пневмоподатчиков бетонируют по периметру пространство между внутренней опалубкой и хвостовой частью щита. Далее реактивным усилием щитовых домкратов через пресс-кольцо, передвигающееся между опалубкой и оболочкой щита, производят прессование бетона. После очередного цикла разработки грунта отводят пресс-кольцо, устанавливают следующий ряд опалубки и далее процесс повторяют. Опалубку разбирают при достижении бетоном требуемой прочности.

Для откатки грунта из тоннеля и подачи материалов обделки используют одно- и двухпутевые схемы движения вагонеток. Одно-путевую схему применяют при проходке щитами диаметром до 2,6 м, двухпутевую — при диаметре щитов 2,6 м и выше. По первой схеме одновременно одна вагонетка находится под загрузкой, другая разгружается на поверхности земли. По второй схеме устраивают два разъезда: один у щита для разъезда блоковозок с вагонетками, второй — на расстоянии 10...15 м от шахтного ствола. Вагонетки с грунтом по вертикальному стволу шахты поднимают на поверхность кранами или специальной подъемной установкой и выгружают в раздаточный бункер, откуда отвозят самосвалами к месту отвала. Общая схема щитовой проходки приведена на рис. 8.1, в.