Несмотря на большое разнообразие типов проходческих щитов, их корпус проектируют по идентичным схемам, в виде ребристой конструкции кругового очертания, монтируемой из отдельных сегментов.
Основными элементами корпуса сборно-литого щита являются ножевое кольцо, опорное кольцо и оболочка. В щитах сборно-сварной конструкции вместо ножевого и опорного колец проектируют одно ножеопорное кольцо [1, с. 213–217].
Внутри корпуса немеханизированного щита устанавливают горизонтальные и вертикальные перегородки. В механизированных щитах вместо перегородок предусматривают опорные площадки для установки на них станин исполнительного рабочего органа.
Каждый щит должен быть оснащен системой щитовых гидроцилиндров, а немеханизированный щит, кроме того, системами забойных и платформенных гидроцилиндров.
Основные положения расчета щитов приведены в [1, с. 222–225].
Определение геометрических размеров щита. Поперечные размеры проходческого щита должны соответствовать, прежде всего, конфигурации и размерам конструкции обделки.
Наружный диаметр щита определяется по формуле:
D щ = D н+ dз + 2dо, (5.1)
| где D н – наружный диаметр обделки, м; |
| dз = (0,008…0,01) D н – строительный зазор между внутренней поверх- ностью оболочки щита и наружной поверхностью обделки, м; |
| dо – толщина оболочки, принимаемая в зависимости от диаметра щита по табл. 5.2. |
Таблица 5.2
Размеры элементов корпуса щита
| Внутренний диаметр по оболочке D н+ dз, м | ||||||
| Толщина оболочки dо, мм | ||||||
| Высота сечения сегмента h о, мм |
Полная длина щита по верху L щ складывается из длины ножевого кольца L н, длины опорного кольца L ок и длины свободной части оболочки L о:
L щ =L н + L ок +L о. (5.2)
Длина ножевого кольца определяется геологическими условиями (чем слабее грунт, тем больше L н), но должна быть не менее 1 м из условия размещения проходчиков в призабойной зоне. Длина ножевого кольца по низу 
= L н– а, где а = 0,4…0,5 м – аванбек. При курсовом проектировании можно принять L н = 1…1,2 м – в устойчивых грунтах; L н = 1,4…1,7 м – в неустойчивых грунтах.
Длина опорного кольца определяется по условиям размещения и надежного закрепления в нем щитовых гидроцилиндров и назначается в пределах удвоенной величины хода щитового гидроцилиндра или – ширины кольца обделки b к, т. е. L ок = 1,6...2,0 b к.
Длина свободной (хвостовой) части оболочки щита определяется как сумма:
L о = m 1 + m 2 + m 3, (5.3)
| где m 1 – | длина перекрытия обделки, м; m 1= 1,2…2,2 b к в зависимости от числа колец обделки, собираемых под оболочкой щита; |
| m 1 = 1,45...1,65 l секц; | |
| l секц – | ширина секции опалубки монолитно-прессованной обделки, м; |
| m 2 – | длина свободного промежутка между опорной площадкой плунжера и торцевой плоскостью смонтированного кольца обделки; m 2= 0,15 м – при отсутствии уплотнительного кольца, m 2= 0,45 м – при наличии уплотнительного кольца; |
| m 3= 0,6...0,7 м – длина выступающей за пределы опорного кольца части гидроцилиндра. |
Внутренний диаметр щита – по оболочке 
= D н + dз; в пределах опорного кольца 
= D щ – 2 h о, где h о – высота сечения сегмента опорного (ножевого) кольца, определяемая по табл. 5.2.
Перегородки размещают с учетом удобства ведения проходческих работ, а также для придания жесткости конструкции щита. Расстояние между вертикальными перегородками составляет 1,2…1,9 м, а высота ярусов – 1,7…2,0 м.
Управляемость щита характеризует коэффициент маневренности, определяемый как отношение длины щита к его диаметру: M = L щ/ D щ. Для немеханизированных щитов малых диаметров рекомендуемый коэффициент М > 0,95...1,0; для средних щитов – М = 0,8...1,0; для больших щитов – М = 0,45...0,6. У механизированных щитов величина коэффициента, как правило, больше.
Определение сопротивлений, преодолеваемых щитом. Расчет сопротивлений производится с целью установления необходимой мощности щитовых и забойных гидроцилиндров. Полное сопротивление, преодолеваемое щитовыми гидроцилиндрами, определяется как сумма сопротивлений:
W = W 1 + W 2 + W 3 + W 4,(5.4)
| где W 1 – | сопротивления трения между наружной поверхностью оболочки щита и грунтовым массивом; |
| W 2 – | лобовое сопротивление грунта в забое; |
| W 3 – | сопротивление трения между внутренней поверхностью оболочки щита и наружной поверхностью обделки или сила защемления оболочки монолитно-прессованным бетоном; |
| W 4 – | сопротивление трения от веса перемещаемых вместе со щитом конструкций технологического комплекса. |
Воздействие вышеуказанных усилий на проходческий комплекс при его передвижке условно показано на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема к определению сопротивлений, преодолеваемых
при передвижке щита
Сопротивление трения наружной поверхности щита по грунту:
W 1 = [2(q + p а) L щ D щ + P щ]μ1, (5.5)
| где q = γ(h в + D щ/2) – | интенсивность вертикального горного давления грунта, кН/м2; | |
| h в – высота свода обрушения грунта, или толща вышележащих грунтов (при невозможности сводообразования); | ||
p a – интенсивность активного горизонтального горного давления грун-
та, кН/м2,  ;
| ||
| D щ– | наружный диаметр щита, м; | |
| P щ– | вес щита, кН; принимаемый по данным табл. 2 Приложения; при отсутствии данных можно определить по формуле P щ = = 35  – 100;
| |
| μ1 – | коэффициент трения стали по грунту, можно принять μ1= = 0,3…0,5. | |
Лобовое сопротивление грунта в забое W 2 определяется в зависимости от технологии проходки тоннеля. Так, например, при сплошном или частичном креплении забоя:
W 2 = P заб n заб > p а F заб, (5.6)
| где P заб – | усилие, развиваемое забойным гидроцилиндром, P заб = 50…70 кН; |
| n заб – | число забойных гидроцилиндров, используемых для крепления забоя; |
| F заб – | площадь забоя, закрепляемая при помощи забойных гидроцилиндров, м2. |
При проходке методом вдавливания в грунт щитов с закрытой головной частью:
, (5.7)
| где pn – | интенсивность пассивного горизонтального горного давления грунта, кН/м2; |
.
При проходке в устойчивых грунтах без временного крепления забоя и без врезания ножевого кольца либо при проходке механизированным щитом можно принять W 2= 0.
При проходке щитами с активным пригрузом забоя:
, (5.8)
| где pw – | гидростатическое давления, кН/м2. |
Другие примеры расчета W 2 приведены в [1, с. 224].
Сопротивление трения обделки по оболочке щита для сборной обделки:
W 3 = P обд μ2, (5.9)
| где P обд – вес обделки, лежащей на оболочке, кН; |
| μ2 – коэффициент трения материала обделки по оболочке (принимать для чугунной и стальной обделки – 0,18; для бетонной или железо- бетонной обделки – 0,56). |
Сопротивление от веса перемещаемых вместе со щитом конструкций технологического комплекса:
W 4 = K м P кμ2, 
(5.10)
| где P к – вес части комплекса, передвигающейся совместно со щитом, кН; |
| K м = 2 – коэффициент местных сопротивлений. |
Следует иметь в виду, что сопротивление W 3следует учитывать только при монтаже обделки на оболочке щита, W 4– когда технологический комплекс конструктивно связан с проходческим щитом.
Для обеспечения передвижения щита необходимо выполнение следующего условия:
, (5.11)
| где Р – расчетное значение усилия передвижения щита; |
| gс и gп – коэффициенты, соответственно условий работы и надежности. Для песков и невыветренных скальных грунтов gс = 1 и gп = = 0,95, для глин и выветренных скальных грунтов gс = 1,15 и gп = 0,9. |
Полное расчетное усилие щитовых гидроцилиндров с коэффициентом запаса k = 1,3…1,5, учитывающим необходимость отключения части гидроцилиндров при движении на кривой и при корректировке движения, составляет:
P щ = kР, (5.12)
а усилие одного гидроцилиндра:
,
| где n – | число щитовых гидроцилиндров, назначаемое с учетом равномерной передачи давления от опорной площадки плунжера на блоки тоннельной обделки. |
Обычно число щитовых гидроцилиндров назначают таким, чтобы на каждый элемент обделки (не считая ключевых) приходилось не менее двух. Для щитов малых диаметров n = 12…16 штук, для щитов средних диаметров n = 16…24 штуки, для щитов больших диаметров n = 24…36 штук. Усилие одного щитового гидроцилиндра не должно превышать P д≤ 2500 кН.
