Курсовой проект по дисциплине

«Щиты и щитовые комплексы»

1. Введение.

 

Щитовой способ сооружения тоннелей основан на применении в забое специального агрегата – проходческого щита, под защитой которого выполняются все операции проходческого цикла, включая возведение обделки. Основные особенности щитового способа проходки тоннелей по сравнению с горным способом это, прежде всего, использование специального проходческого агрегата – щита, в пределах которого происходит выполнение всех операций проходческого цикла, включая возведение обделки, а также максимальное приближение места возведения обделки к забою. Использование щита обеспечивает высокую степень безопасности ведения проходческих работ, особенно в неустойчивых и слабоустойчивых грунтах. Щитовой способ можно применять в весьма широком диапазоне инженерно-геологических условий: от неустойчивых обводнённых грунтов до крепких скальных пород, причём с применением механизированных агрегатов для разработки грунта в забое щита. Возможность получения ровного контура выработки обеспечивает широкое применение сборных обделок индустриального изготовления. Современные проходческие щиты обеспечивают полную механизацию всех операций проходческого цикла.

 

 

2. Выбор типа механизированного проходческого щита.

В грунтах средней крепости с f = 3,0 – 6,0 хорошо проявил себя щит со стреловым исполнительным органом.

 

3. Определение основных размеров щита

 

Основные геометрические размеры щита определяются в зависимости от диаметра и ширины кольца обделки, инженерно-геологических условий и вида проходческого механизированного оборудования.

 

Геометрические параметры щита

 

Наружный диаметр щита (Dщ) определяется по следующей формуле:

 

Dщ = d + e + 2t

где: d - наружный диаметр тоннельной обделки;

e – строительный зазор между обделкой и оболочкой щита.

t – толщина хвостовой оболочки щита.

Dщ = 6 + 0,008*6+ 2*0,1 = 6,248 (м)

Полная длина щита состоит из суммарной длины ножевого, опорного колец и хвостовой оболочки.

При проходке в устойчивых грунтах рекомендуется принимать ширину ножевого кольца в пределах 1,0 – 1,2 метра.

Принимаем lн = 1,0 (м)

Ширина опорного кольца (lоп.к.) определяется длиной цилиндра щитового домкрата без его головной части. Ширина опорного кольца должна быть равна двум размерам рабочего хода штока щитового домкрата, а длина рабочего хода, в свою очередь, равна ширине кольца обделки, т. е.

lоп.к. = 2bр.х. или lоп.к. = 2b

где: b – ширина кольца обделки.

lоп.к. = 2*1= 2 (м)

Длина хвостовой оболочки складывается из трёх составляющих lоб = l1 + l2 + l3,

где: l1 – длина участка обделки, перекрытого хвостовой оболочкой. Как правило, размер этого участка находится в пределах 1,2 – 2,2 ширины кольца обделки

l1 = (1,2 - 2,2)b.

Меньший размер соответствует условиям проходки тоннеля в устойчивых грунтах, больший – в неустойчивых.

Принимаем l1 = 2,2*1= 2,2(м)

Размер l2 характеризует длину свободного промежутка между опорной частью домкрата и торцом собираемой обделки. Обычно в щитах средних диаметров этот промежуток принимается равным 15 – 20 сантиметрам. Принимаем l2 = 0,15 (м)

Третья составляющая длины хвостовой оболочки представляет собой длину головной и опорной частей щитового домкрата, выступающих из опорного кольца в пределы хвостовой оболочки. Этот размер обычно равен 60 -70-ти сантиметрам

Принимаемl3 = 0,60 (м)

lоб = l1 + l2 + l3 = 2,2+0,15+0,60 = 2,95 (м)

Таким образом, полная длина щита будет равна:

Lщ = lн + lоп.к. + lоб = 1+1,5+2,95 = 5,45(м)

Возможность щита вписываться в криволинейные участки трассы характеризуется отношением полной длины щита к его диаметру. Этот параметр называется степенью маневренности щита и в нашем случае равен 1,02

 

 

4. Определение сил сопротивления движению щита и грузоподъёмности щитовых домкратов

Суммарное усилие сопротивления движению щита (Wобщ.) складывается из трёх составляющих (: силы трения поверхности корпуса щита о грунт (W1); силы трения внутренней поверхности оболочки щита по обделке (W2) и лобовое сопротивление со стороны забоя (W3).

 

Силы сопротивления движению щита

 

Wобщ. = W1 +W2 +W3

 

Величину каждой составляющей суммарного усилия можно определять по упрощённым формулам, дающим завышенные значения, что обеспечивает более высокую степень надежности.

Для определения сил трения между корпусом щита и породой можно пользоваться следующей формулой:

 

W1 = f1[2(q + p)LщDщ + Gщ]

где: f1 – коэффициент трения поверхности корпуса щита по породе, в зависимости от характеристики грунта его величина изменяется от 0,2 до 0,6;

q и p - вертикальная и горизонтальная нагрузки от горного давления соответственно;

Lщ, Dщ и Gщ - полная длина, наружный диаметр и вес щита соответственно.

Выветрившийся песчаник обладает высоким коэффициентом крепости f= 4,5, выработка в таком грунте устойчива и горного давления нет, поэтому p и q равны нулю.

W1 = f1[Gщ]= 0,5*450=225(т)

Силы трения внутренней поверхности хвостовой оболочки щита по обделке определяются по формуле:

W2 = f2Gоб

где: Gоб – вес колец обделки лежащих на оболочке;

f2 - коэффициент трения стальной оболочки щита по чугунной (0,15 - 0,20) или железобетонной (0,40 - 0,50) обделке.

W2 = f2Gоб = 0,45*1*(6²-5,60²)*3,14*2,5=16,391(т)

Величина лобового сопротивления продвижению щита на забой (W3) зависит от технологии разработки грунта в забое.

В устойчивых грунтах, где забой разрабатывается на весь профиль и отсутствует необходимость в креплении лба забоя, проходческий щит перемещается в разработанное перед ним пространство не испытывая сопротивления со стороны забоя. В этом случае W31=0.

Определив суммарную величину сил сопротивления перемещению щита, можно легко определить грузоподъёмность щитового домкрата.

P = k Wобщ/n

где: P –грузоподъёмность одного щитового домкрата;

P = 1,3*(225+16,391)/20 =15,691т

k – коэффициент надёжности, учитывающий возможность работы не всеми домкратами одновременно, или непредвиденное увеличение сопротивления движению щита в процессе проходки.

k = 1,25 – 1,50

n – количество щитовых домкратов.

 

 

В грунтах средней крепости с f = 3,0 – 6,0 хорошо проявил себя щит модификации КТ1 - 5,6Д2 со стреловым исполнительным органом (рис. 9.1.).

Рис. 9.1. Конструкция проходческого щита со стреловым фрезерным исполнительным органом:

1- стрела; 2-фреза; 3-выдвижной козырёк; 4-домкрат козырька; 5-опорное кольцо; 6-пульт управления;

7-хвостовая оболочка; 8-щитовой домкрат; 9-горизонтальная перегородка; 10-турель; 11-элерон;

12-породопогрузочная машина

 

Данный щит выпускается со сменным оборудованием, позволяющим переоборудовать его с экскаваторного исполнительного органа на стреловой и обратно. Телескопическая стрела 1 исполнительного органа оснащена фрезерной резцовой головкой 2, вращение которой обеспечивается приводом, расположенным в корпусе стрелы. Стрела закреплена на турели, установленной в пределах опорного кольца, и может быть подведена к любой точке забоя для избирательной разработки грунта.

Некоторые современные щиты с фрезерно-стреловым исполнительным органом имеют более сложные конструкции режущей головки, подобные режущим головкам горнопроходческих комбайнов.

Роторные исполнительные органы механизированных проходческих щитов для крепких скальных грунтов оснащаются более мощным породоразрушающим инструментом. Как правило, это шарошки различных типов (рис. 9.2.).

 

Рис. 9.2. Типы шарошек:

а-зубчатая шарошка; б-штыревая шарошка; в-дисковая шарошка; г-диски со штырями

 

При проходке тоннелей в крепких скальных грунтах, практически не требующих временного крепления контура выработки, механизированная тоннелепроходческая машина может не иметь хвостовой оболочки, а ножевое и опорное кольцо выполняют только ограждающие функции. Однако если по трассе проходки ожидается встреча с зонами нарушенных грунтов, целесообразно вести проходку с помощью щита.

Конструкция механизированного проходческого щита для сооружения тоннелей в крепких скальных грунтах представлена на рисунке 9.3.