ПРОХОДЧЕСКИЙ ЩИТ (а. tunnelling shield; н. Vortriebsschield; ф. bouclier d"avancement; и. escudo) — временная передвижная металлическая призабойная крепь , под защитой которой проводятся основные процессы проходческого цикла. Впервые проходческий щит применён в 1825 при строительстве транспортного тоннеля под рекой Темза в Лондоне. Наиболее эффективно использование проходческого щита при проведении выработок в слабоустойчивых обводнённых породах.

Современные проходческие щиты имеют, как правило, круговую (цилиндрическую), реже прямоугольную, арочную и другие формы поперечного сечения. В конструкции проходческого щита различают ножевую (переднюю), опорную (основную) и хвостовую части. В ножевой части осуществляется разработка породы; в опорной — размещается оборудование и щитовые домкраты для передвижения щита. Под защитой хвостовой части производится возведение постоянной крепи выработки. Передвигаются проходческие щиты по мере выемки породы в забое чаще всего путём отталкивания от ранее установленной постоянной крепи гидродомкратами, расположенными по периметру опорной части щита. В проходческий щит могут монтироваться: механизм разработки забоя (рабочий орган); устройство для погрузки горной массы на внутрищитовой перегружатель для последующей перегрузки в вагонетки , на конвейер либо иные средства внутришахтного (тоннельного) транспорта; механизм установки постоянной, как правило, блочной (тюбинговой) крепи или подачи за опалубку бетонной смеси.

В зависимости от способа разработки забоя проходческие щиты подразделяют на механизированные и немеханизированные. К механизированным относят щиты, оснащённые различными рабочими органами, разрушающими породу (рис.), чаще всего штанговыми, экскаваторными, планетарными, с гидромеханическим разрушением , активными горизонтальными площадками.

Применяют также специальные проходческие щиты, в т.ч. с закрытой головной частью для сооружения горных выработок в особо сложных горно-геологических условиях. Отличительная особенность немеханизированных проходческих щитов — отсутствие какого-либо специального породоразрушающего органа. В этом случае для разработки забоя используют отбойные молотки, другой ручной инструмент или заострённую головную часть щита, вдавливаемую в породную толщу.

По размерам поперечного сечения различают 3 группы щитов: малые — до 10 м 2 , средние — 10-16 м 2 ; большие — свыше 16 м 2 . Деление проходческих щитов по этому показателю в определённой степени соответствует и их классификации по назначению выработок. Малые щиты чаще всего используют при строительстве городских коллекторов (коллекторные щиты); средние — для шахтных выработок (горные щиты) и для гидротехнической целей; большие — при строительстве железнодорожных, автодорожных тоннелей и метрополитенов , капитальных выработок шахт , а также крупных гидротехнических тоннелей . На строительстве шахт в Подмосковном угольном бассейне проходческим щитом пройдено в сложных гидрогеологических условиях свыше 20 км магистральных штреков (1987). Протяжённость возводимых с помощью проходческих щитов коллекторных тоннелей в , как правило, в обводнённых песчаных и глинистых породах покровных отложений около 70 км в год. Щиты используют при строительстве участков перегонных, эскалаторных и станционных тоннелей в сложных горно-геологических условиях (до 10 км в год). Средние темпы проведения коллекторных тоннелей малых размеров 70-90 м в месяц, рекордные скорости превышают 700 м/месяц. Соответствующие значения этих же показателей для больших проходческих щитов на проходке перегонных тоннелей более 60-70 м в месяц и 1240 м (готового тоннеля) в месяц (Ленинградский метрополитен).

Для проходки в песчаных грунтах щиты стали оснащаться в головной части горизонтальными рассекающими площадками, удерживающими забой от осыпания Такой щит вдавливается в породу домкратами, грунт ссыпается вниз и собирается погрузчиком.

Следующим шагом стало практически полное исключение ручного труда, за счет механизации процесса разработки породы в забойной части. Как правило, на оси щита устанавливается мощный стальной ротор с резцами, который разрабатывает породу в забое. Дальше порода подается на конвейер, откуда пересыпается в вагонетки и вывозится по уже построенному тоннелю. Существуют щиты и с ковшовым рабочим органом - для более мягких пород.

Впервые в СССР опытный механизированный щит работал в 1949 году на строительстве Кольцевой линии в Москве и построил несколько сотен метров тоннеля на участке "Киевская" - "Парк Культуры". Широкое применение механизированных щитов началось со второй половины 50-х в на Рижском радиусе (механизированный щит т.н. московской конструкции), в Ленинграде по всей трассе (т.н. ленинградский щит) и в Киеве (соответственно, киевский щит). Разная конструкция обуславливалась разными грунтами: в Москве - "бутерброд" из известняков/юрских глин/сухих супесей и суглинков, в Петербурге - плотные сухие кембрийские глины, в Киеве - мягкие пластичные глины.

Для проходки в сложных водонасыщенных грунтах стало применяться кессонирование (работа под давлением сжатого воздуха) забойной части. Труд проходчика превратился в квалифицированную работу оператора. Современные средства навигации - гироскопы и лазерные теодолиты позволяют щиту точно выдерживать проектные значения трассы, как в плане, так и в профиле. Ручной труд сохранился только при необходимости замены изношенных резцов. Мировой рекорд скорости проходки - 1250 метров тоннеля в месяц - поставлен серийным щитом КТ-1-5,6 на участке строительства перегонного тоннеля в Ленинграде на участке от "Пионерской" до "Удельной" в 1981 году. В 70-х - 80-х годах эти щиты считались одними из самых совершенных в мире.

При сооружении тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах требовалось применение сложных специальных методов - водопонижение, замораживание грунта, что значительно снижало скорость и увеличивало стоимость строительства. Все больше ужесточались требования, случавшиеся в прошлом просадки поверхности ныне недопустимы, ведь вблизи поверхности земли пролегла огромнейшая сеть водо- и газопроводов, электрических кабелей, линий связи, обеспечивающих жизнь крупного города.

Всех этих недостатков лишены щиты с так называемым "грунтопригрузом" (EPB, Earth Pressure Balance).

При работе щита разрабатываемая порода подается сначала в герметичную камеру грунтопригруза. Из этой камеры грунт удаляется с помощью шнекового конвейера (как в мясорубке:) только тогда, когда его давление в камере сравняется с давлением в забое, за этим следят специальные датчики. Таким образом, обеспечивается постоянное поддержание давления на забой, как при движении щита вперед, так и при отводе щитовых домкратов для монтажа очередного кольца обделки.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях. В плывунных неустойчивых грунтах, при значительном давлении грунтовых вод, при недопустимости даже незначительных просадок поверхности используются проходческие комплексы с гидропригрузом ("Slurry Shield"). В таких комплексах в призабойную часть, под необходимым давлением (речь может идти о десятке атмосфер) нагнетается бентонитовый раствор, что позволяет поддерживать забой в стабильном положении даже в самых тяжелых плывунных грунтах. Разработанная порода, измельченная до состояния пульпы, отводится вместе с бентонитом по трубопроводу. В сепарационной камере происходит отделение породы и рекультивация бентонитового раствора. Отделенный от бентонита грунт вывозится по уже построенному тоннелю, а бентонитовый раствор возвращается в камеру гидропригруза. В зависимости от условий проходки и характеристик грунтов, рецептура бентонитового раствора постоянно корректируется. В составе комплекса действует химическая лаборатория, исследующая состав грунта и вносящая соответствующие изменения в рецептуру раствора.

При необходимости проведения работ в призабойной области - замены резцов ротора и т.д. (кстати, все эти работы можно выполнять из камеры грунтопригруза, то есть, находясь "внутри" щита), бентонитовый раствор в камере гидропригруза вытесняется сжатым воздухом. Остатки бентонита в виде пленки и подушка сжатого воздуха удерживают забой, в то время как специалисты получают доступ к исполнительным органам щита.

С помощью тоннелепроходческих комплексов с гидропригрузом построены тоннели в самых сложных инженерно-геологических условиях, подобный комплекс "Виктория" использовался при проходке новых тоннелей через зону "Размыва" в Санкт Петербурге. В Москве тоннелепроходческий комплекс Херренкнехт диаметром 14,2 метра успешно завершил проходку автодорожного тоннеля под рекой Яузой и Лефортовским парком по трассе третьего транспортного кольца. Сейчас этот комплекс ведет проходку совмещенного авто-метротоннеля по трассе будущего Краснопресненского проспекта под Серебряноборским лесничеством.

Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ Святой Барбары. С его легкой руки берет свое начало романтическая традиция. Теперь красивые имена есть не только у щитов с маркой "LOVAT" но и у комплексов других производителей. Поэтому в Москве трудятся "Клавдия", "Катюша", "Полина" и "Ольга", в Казани - "Сююмбике" и "Алтынчяч" (Златовласка), а тяжелейшие условия "Размыва" в Санкт Петербурге героически преодолела "Виктория".

Здесь мы охватили лишь небольшую часть из огромного количества щитовых проходческих комплексов. Существуют щиты для сооружения тоннелей с монолитной прессобетонной обделкой, щиты для обделки, разжимаемой в грунт, щиты для строительства тоннелей из труб, микрощиты и даже щитовые комплексы для открытого способа работ!

Инженерная мысль не стоит на месте и сегодня строятся комбинированные тоннелепроходческие комплексы, которые могут работать в режиме как гидро- так и грунтопригруза, для более полного соответствия геологическим условиям, встречающимся на трассе тоннеля.

Спасибо Олегу Макарову, Russos-у и Штурману за помощь в подготовке материала и предоставленные иллюстрации.

Тяжкий ручной труд - в далеком прошлом. Сегодня для прокладки тоннелей метро используются полностью автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Наверное, ее можно сравнить со «стальным червем», который просверливает путь в толще породы, оставляя за собой готовый тоннель. Тяжкий ручной труд - в далеком прошлом. Сегодня для прокладки тоннелей метро используются полностью автоматизированную сверхпрочную конструкцию под названием «проходческий щит». Наверное, ее можно сравнить со «стальным червем», который просверливает путь в толще породы, оставляя за собой готовый тоннель.

Кстати, по легенде, изобретатель первого в мире «проходческого щита» англичанин Марк Брунель действительно придумал такую конструкцию после того, как пригляделся к «работе» обыкновенного корабельного червя, когда служил на флоте. Он заметил, что голова моллюска покрыта жесткой раковиной, помощью зазубренных краев которой червь буравил дерево, оставляя за собой на стенках хода гладкий защитный слой извести

Идея машины, которая в разы упростила прокладку тоннелей, оформилась в конструкцию в 1817 году, когда русский император Александр I обратился к Брунелю с просьбой спроектировать тоннель под Невой в Санкт-Петербурге. Правда, в России инженеру поработать так и не удалось - император в конечном итоге решил возвести в намеченном месте мост

Тем не менее, в 1818 году первый щит Брунеля был запатентован, а в 1825 году с его помощью началось строительство тоннеля под Темзой.

В первой машине грунт выбирали сразу 36 шахтёров, располагавшихся каждый в своей ячейке. После выемки грунта на несколько сантиметров щит сдвигали немного вперёд. Это была непростая работа, учитывая постоянно просачивающуюся воду (дно реки располагалось всего в нескольких метрах выше сводов этого двойного тоннеля). Несколько наводнений в забое унесли жизни семи рабочих, а однажды чуть не погиб сын Брунеля. Более того, на подземной стройке не раз вспыхивал болотный газ. И всё же работа завершилась триумфом. В первый же день после открытия удивительного сооружения через туннель прошли 15 тысяч человек. С тех пор Великобритания заслуженно считается пионером щитовой проходки, а сам щитовой метод в специальной литературе получил название "лондонский".

В нашей стране в метростроении проходческий щит был впервые использован в 1934 году для проходки сложного участка первой очереди московского метро между Театральной площадью и Лубянкой

А при строительстве второй очереди московского метро на трассах одновременно уже работало 42 щита - рекорд по объему используемой техники. С тех пор по этой технологии сооружено более 70% метротоннелей столицы, то есть все станции неглубокого заложения. Московские строители первыми в мире с помощью тоннелепроходческих щитов стали прокладывать наклонные тоннели.

На первых щитах, как уже отмечалось, грунт выбирался рабочими вручную с помощью отбойного молотка и удалялся через уже построенный тоннель на вагонетках. Для движения щита вперед использовались винтовые домкраты, которые упирались в готовый участок тоннельной обделки и толкали машину вперед.

Размеры тоннелей росли, совершенствовалась и конструкция «червя»: в передней его части появились горизонтальные площадки, которые позволили рабочим разрабатывать грунт одновременно с двух (а иногда и более) ярусов. Однако из-за большого количества ручного труда и частых аварий скорость проходки оставляла желать лучшего.

Значительно ускорило процесс использование сборной обделки из крупных элементов - первоначально - чугунных тюбингов. Гигантские кольца, формирующие тоннели, стали собирать из нескольких элементов

Следующим этапом «эволюции» тоннелепроходческих комплексов стала разработка конструкций с так называемым "грунтопригрузом". При работе такого щита порода подается сначала в герметичную камеру, из которой грунт по принципу «мясорубки» удаляется с помощью шнекового конвейера.

Сегодня тоннели строятся в самых сложных инженерно-геологических условиях, и современные щиты рассчитаны на проходку тоннелей в различных грунтах, в том числе и в неустойчивых. Комплексы работают в два цикла: сначала разрабатывают грунт, затем возводят обделку, производя монтаж блоков. Средняя скорость «проходки» щитов сегодня - 80-100 м в месяц, средняя стоимость - 20 млн евро.

В метро нужны и наклонные тоннели - для эскалаторных зон. По заказу Мосметростроя канадская фирма Lovat разработала и изготовила тоннелепроходческий комплекс с наружным диаметром 11 м для прокладки эскалаторных тоннелей. Используя агрегат, столичные метростроевцы первыми в мире совершили щитовую проходку тоннеля для эскалаторов. Это произошло на станции «Марьина Роща».

Кстати, будни метростроителей вовсе не лишены романтики: когда-то Ричард Ловат, основатель всемирно известной фирмы-изготовителя тоннелепроходческих щитов LOVAT, решил, что все комплексы, произведенные его компанией, будут носить женские имена в честь покровительницы подземных работ Святой Барбары. С его легкой руки родилась традиция - присваивать щитам женские имена. Вот почему в Москве трудятся «Клавдия», «Катюша», «Полина» и «Ольга».

Немного о «щитовых» рекордах: самый большой в мире тоннелепроходческий комплекс - это машина диаметром 19 метров, которая за месяц может прокладывать 250-300 метров тоннеля в два яруса, вмещающих четыре полосы автодороги и линию метро. Стоит такое гигантское чудо техники 60-100 млн. евро.

И все же лидерство в использовании тоннелепроходческих комплексов принадлежит Москве. В столице щит компании Herrenknecht диаметром 14,2 м успешно завершил проходку первого в России совмещенного автометротоннеля по трассе Звенигородского проспекта под Серебряным Бором. Из 2,5 км трассы 1,5 пройдены щитовым способом.

Сегодня подземная Москва превратилась в огромную стройку - уже к 2015 году в мегаполисе планируется построить более 70 км линий метро. Тоннели для нового московского метро роют более 20 огромных комплексов - «кротов», обеспечивая высокую скорость и качество работы - и армия этих незаменимых машин будет пополняться, чтобы к 2020 году протяженность линий метрополитена выросла в 1,5 раза - до 451,2 км.

При подготовке материала использованы фотографии блогеров livejournal: Александра "Russos" Попова, Вадима Махорова и Николая «Stomaster».

Проходческий щит , или Тоннелепроходческий комплекс (ТПК) - устройство, предназначенное для строительства подземных тоннелей.

История щитов

Примерно так выглядел щит Брунеля

Первый проходческий щит придумал английский инженер Марк Исамбард Брунель в начале XIX века, взяв за основу принцип морского червя-древоточца. В 1814 году Брунель предложил русскому императору Александру I построить при помощи свежепридуманного дивайса тоннель под Невой, но отсталый тиран предпочел банальный мост. Марк Исамбард расстроился, но не сильно: в 1818 году он запатентовал свой щит, а в 1825-м началось строительство тоннеля под Темзой. С тех пор Великобритания заслуженно считается пионером щитовой проходки. Более того, сам щитовой метод в специальной литературе получил название "лондонский" .

Советская копия английского щита на Театральной площади в Москве

В Советском союзе щит был впервые построен в 1934 году для проходки сложного участка первой очереди московского метро между Театральной площадью и Лубянкой. Несмотря на то, что советские пропагандисты преподносили этот факт как победу социалистической индустрии, на самом деле советский щит был копией английского щита фирмы "Маркхэм и Ко" , который был ранее куплен за валюту и уже работал на том же участке.

Что любопытно - английский щит прибыл на стройплощадку в разобранном, разумеется, виде, но без чертежей и документов. Поскольку вероятность того, что их проебали англичане, является абсурдной, современные ксенобиологи считают, что с чертежей в это самое время снимали копии пытливые советские инженеры. В результате собирать английский щит пришлось комсомольцам-ударникам при помощи кувалд, народной смекалки, такой-то матери и иностранного консультанта. Советский щит вступил в строй буквально в считанные месяцы - совершенно очевидно, что создать "с нуля" устройство такой сложности, не имея в этой области ни малейшего опыта, невозможно физически - даже если товарищ Каганович очень попросит.

Устройство щитов

Классический проходческий щит состоит из рабочего органа (это то, чем копают), трубы (чтобы сверху песок и земля не сыпались), эректора (это то, чем укладывают блоки, а не то, что вы подумали) и домкратов, которыми щит отталкивается от построенного тоннеля.

Классификация щитов

С точки зрения любителей полазить под землей, щиты делятся на четыре категории:

Ржавая труба с домкратами, некогда гнившая на пути из Строгино в Митино

Ржавая труба с домкратами

Старый советский щит серии Щ или ЩН. В качестве рабочего органа используются рабочие с отбойными молотками и лопатами. Особой ценности для эксплуатирующей организации не представляет, поэтому, как только кончаются деньги на строительство, бросается, как есть.

Под просторами нашей родины гниют десятки устройств этой категории. Еще больше их гниет на секретных складах метростроя. Как только стоимость нефти достигает 130 баксов за баррель, денег на строительство метрополитенов становится много, а заграничных щитов катастрофически не хватает, метрострой извлекает со складов десяток ржавых труб и отправляет их работать.

Метровентиляторы и другие интересующиеся товарищи с нетерпением ждали, когда же наконец из загашников появится тот самый щит 1934-го года, но тут наступил кризис и бабло иссякло.

Популярным щитом КТ-1-5,6 в нашей стране построили хер его знает сколько километров тоннелей

Обычно серия КТ, производства Ясиноватского завода (Украина). Одно время (в 70-е годы) считались лучшими щитами в мире, но за прошедшие годы скатились в сраное говно. Так, последний, купленный московским метростроем КТ (с компьютерным управлением и другими прибамбасами), прошел порядка 100 метров перегона "Улица Академика Янгеля" - "Анино" и сдох совсем. Метрострой оказался перед выбором - копать демонтажную камеру, вытаскивать щит и сдавать по гарантии или делать что-то еще. Сделали что-то еще: выломали из щита все компьютерное управление, рабочий орган, поставили перед ним рабочих с лопатами и отбойными молотками. Вобщем, получилась ржавая труба с домкратами. Некоторое количество таких щитов тоже гниет под просторами, несколько штук используется.

Российский щит Топаз-М. Компьютерное управление, лазерный теодолит, роторный рабочий орган, все дела.

Российский щит

Собранный на коленке девайс, обычно используемый при проходке коллекторов. Выпущен, чаще всего, той же организацией, которая его использует. Надо отметить, что существуют довольно продвинутые, даже по сравнению с западными, модели. Однако, российские производители по неизвестным причинам являются фанатами прессобетонной обделки тоннелей. После эпического фэйла, случившегося с такой отделкой в нижегородском метрополитене, ее применение в метростроении запретили.

Кроме того, сколько-нибудь серийное производство щитов в России отсутствует и все известные модели являются штучными изделиями, собранными десятком Левшей и Кулибиных. Поэтому в природе российские щиты встречаются крайне редко.

Заграничный щит

Продвинутый девайс производства фирм Херренкнехт, Ловат, Вирт и еще миллиона японских компаний (в Японии практически каждая крупная компания выпускает щиты, кроме шуток!). Весь в компьютерах, датчиках, лазерных теодолитах и тому подобных устройствах. Может копать, может не копать, может делать еще кучу полезных вещей, приносить кофе и рассказывать сказку на ночь. А вот крестиком не вышивает. Упс. Хотя нет, постойте. Говорят, что некоторые японские щиты вышивают.

Заграничный щит. Где-то за границей. Судя по надписи US AIR FORCE, он еще и летать умеет.

Такой щит (и отдельные его части) представляют собой серьезную ценность для владельца. Поэтому застревают они редко. Если вдруг кончаются деньги, подрядчик копает сверху шахту, извлекает через нее щит и увозит его туда, где деньги есть. Ввиду наличия перечисленных недешевых девайсов, без присмотра находятся редко - обычно на щите тусуется пара монтеров, вне зависимости от времени суток. Тоннели, заканчивающиеся заграничным щитом, обычно охраняются лучше, чем тоннели без оного.

Впрочем, один из навороченных заграничных щитов - Lovat "Полина" на строительстве станции "Борисово" Люблинской линии Московского метрополитена - торчал под землёй без движения чуть более чем два года, практически без охраны. То, что он сохранился, можно объяснить только предельно малой распространённостью диггерства в те далёкие, но прекрасные годы.

В начале 2004 года владелец "Полины" - компания "Протонтоннельстрой" - сообразила, что в Казани, где в те времена олимпийскими темпами строили метро, есть столь необходимое им бабло. Не согласовав это ни с московской Дирекцией строящегося метрополитена, ни вообще с кем бы то ни было, "Протонтоннельстрой" отгородил площадку во дворе жилого дома на ул. Борисовские пруды, вырыл на ней шахту, извлек через нее щит и отправил в Казань.

Наивные метровентиляторы восторженно написали о прибытии щита на своих метрофорумах . Оттуда информация перетекла на многочисленные сайты, посвященные строительству казанского метро. Тут Протонтоннельстрой спохватился: сотрудники службы безопасности оного стали писать и звонить владельцам сайтов, предлагать встретиться, требовать убрать информацию и фотографии, угрожать, предлагать деньги. В итоге они ничего не добились, но вся эта история доставила участникам массу лулзов.

В 2008 году компания Lovat была поглощена международным монстром Caterpillar, и уже через пять лет было объявлено, что выпуск проходческой техники на заводе в Торонто будет прекращен. Боссы Caterpillar в заявлениях для прессы о причинах остановки производства щитов отделывались бессмысленной маркетинговой хуйней в стиле "Lovat больше не представляет собой стратегическую возможность для роста" - глобализация экономики рулит, ога. Все оборудование продали китайской компании Liaoning (мы не знаем, как это правильно транскрибировать, попытайтесь сами), пообещав сохранить сервисное обслуживание ранее купленной техники до 2016 года.

Факты

Наклейка с предупреждением.

Щит Клавдия. Можно просто Клава.

• Средняя скорость среднего заграничного щита - 500-600 метров в месяц, зависит от грунтов.

• Мировой рекорд скорости проходки - 1240 метров в месяц - установлен в 1981 году щитом КТ-1-5,6 на строительстве перегонного тоннеля в Ленинграде от "Пионерской" до "Удельной". Щит гнали на убой и по завершении проходки утилизировали.

• Самый большой в мире щит произведен компанией Херренкнехт и имеет диаметр 15,2 метра.

• Щит диаметром 20 метров был спроектирован, но так никогда и не выпущен компанией Херренкнехт по заказу правительства Москвы. Техническим заказчиком выступало ЗАО "Инфраструктура", принадлежащее на паях Абрамовичу (тому самому) и Абрамсону. Проект щита отложен в долгий ящик и предполагается, что к нему вернутся, когда Москва дорастёт до строительства автомобильного тоннеля из Коломенского в Печатники по трассе 5-го автомобильного кольца.

• Многие детали заграничных щитов имеют противокражную маркировку, наподобие кода, наносимого на детали автомобилей. Данные по этой маркировке у производителей щитов сведены в единую базу, поэтому всегда можно узнать, с какого именно щита был украден купленный вами в подворотне за пару бутылок водки лазерный теодолит. Очень удобно.

• Фирма Lovat с легкой руки ее основателя Ричарда Ловата любит давать щитам женские имена в честь покровительницы горняков Святой Варвары (в католичестве также считается, будто она предохраняет от внезапной смерти, что кагбы намекаэ). Подхватили эту традицию и

ВВЕДЕНИЕ

Горнопроходческий щит (рисунок 1) - это подвижная конструкция, находящаяся в голове строящегося туннеля и обеспечивающая безопасную разработку породы в забое, погрузку ее на внутритуннельный транспорт и возведение крепи (обделки). Проходческие щиты бывают немеханизированные (разработка породы ведется вручную) и механизированные. Проходческие щиты все в большей степени превращаются в проходческие комплексы. Они обычно имеют круглое поперечное сечение, но бывают прямоугольными, эллиптическими, подковообразными, в т. ч. незамкнутыми. По размеру щиты условно разделяют на щиты большого (более 7 м), среднего (от 7 до 5 ж) и малого сечения (менее 5м). Выполняются проходческие щиты, как правило, металлическими и могут использоваться в любых горногеологических условиях, однако наиболее эффективны они в мягких грунтах. Проходческие щиты для лучшей управляемости должны обладать необходимой маневренностью, характеризуемой, в частности, отношением длины к поперечному размеру.

Рисунок 1 - Горнопроходческий комплекс Herrenknecht-10690

Впервые проходческий щит был применен в Великобритании М.И. Брюнелем при сооружении тоннеля под рекой Темзой (1825). С их помощью сооружено большинство тоннелей метрополитенов в Москве, Петербурге, Киеве и других городах.

Диаметр получаемых тоннелей может варьироваться от 1 до 19 м. Самый большой диаметр, 19 м, у четырёх проходческих щитов, используемых в настоящее время на строительстве железнодорожного Готардского тоннеля в Швейцарии.

Для создания тоннелей малого диаметра применяется горизонтальное бурение - длина до 2 км, диаметр до 1,2 м

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ

Рабочие органы существующих проходческих щитов воздействуют на забой в основном способами вдавливания, резания или комбинированным способом. Способ вдавливания эффективен в сыпучих (песчаных) и мягокопластичных связных (глинистых и илистых) грунтах.

Вдавливание выполняется головной частью, состоящей из ножевого кольца и режущих полос или диафрагмы с окнами, через которые грунт в виде осыпей или брикетов поступает внутрь проходческого щита. При проходке в сыпучих грунтах режущие полосы делаются в виде горизонтальных и наклонных полок, объединенных между собой вертикальными ребрами. Применение проходческих щитов среднего сечения с горизонтальными полками снижает стоимость 1 пог. м туннеля и позволяет проходить в месяц до 400 пог.м. Способ резания в забое эффективен в устойчивых связных грунтах, особенно в плотных глинах и сланцах. Для резания применяются в основном роторные, планетарные и фрезерные рабочие органы. Наиболее часто используются роторные органы, режущие породу по круговым траекториям с помощью резцов, закрепленных на радиальных лучах. Пространство между лучами используется для направления срезаемой породы внутрь проходческого щита среднего сечения с горизонтальными полками и доступа политена в Москве и Киеве. Основной вал рабочего органа самостоятельно перемещается на забой со скоростью 5-7 мм/мин.

Для улучшения доступа к забою и получения высокого крутящего момента в некоторых проходческих роторный орган выполняется в виде цилиндрического корпуса с шестерней большого диаметра и радиальными лучами. В Англии успешно применяются при проходке в кембрийских глинах Лондонского метрополитена щиты диаметром 4,27 и 3,9 м с роторным рабочим органом в виде цилиндрического корпуса (барабана), оснащенного шестью внешними радиальными и внутренними диаметральными лучами, снабженными резцами.

Роторный орган был успешно применен в машинах США при проходке туннеля диаметром 7,5-7,9 м в мягких трещиноватых глинистых сланцах. При проходке Ленинградского метрополитена в кембрийских глинах успешно использован проходческий щит с планетарным рабочим органом из 6 дисков, размещенных на крестообразном водиле, к кольцу которого прикреплены 12 ковшей, захватывающих грунт. Другой щит с планетарным органом мощностью 110 кет в виде 2 дисков, закрепленных на водиле, применен при проходке туннеля Московского метрополитена в перемежающихся карбонных глинах и известняках с пределом прочности при сжатии до 300 кг /см2. С таким же щитом строится Тбилисский метрополитен в песчаниках и аргиллитах с пределом прочности при сжатии 450-630 кг/см2.

Для выборочной разработки забоя Проходческие щиты снабжаются фрезерным рабочим органом, основным элементом которого является головка, смонтированная на штанге и снабженная резцами. В Проходческом щите ПЩМ-4 диаметром 4,09 м головка включает 2 резцовые коронки диаметром 350 и 600 мм, вращающиеся в разные стороны. Штанга с рабочей головкой, закрепленная шарнирно в диафрагме, установленной перед опорным кольцом проходческого щита, с помощью гидравлических домкратов перемещается и по вертикали, и по горизонтали, а головка, кроме того, выдвигается относительно корпуса штанги. Разработанный грунт падает вниз и с помощью загребающих лап грузится на пластинчатый питатель, проходящий через центральное отверстие вала блокоукладчика.

При фрезерном органе иногда может быть применен комбинированный способ воздействия на забой, с разработкой центральной части забоя рабочим органом, а периферийной - ножевым кольцом проходческого щита. В чистом виде комбинированный способ заложен в проходческий щит диаметром 2,56 м, снабженном фрезерной головкой, вращающейся от двигателя в 20 кет со скоростью 10 об/мин и обладающей, одной степенью свободы в направлении продольной оси щита.

В водонасыщенных песках при условии водопонижения или применения сжатого воздуха используются проходческие щиты с горизонтальными полками.

При гидростатическом давлении, превышающем 3 aтм., могут применяться герметические проходческие щиты с диафрагмой, пространство перед которой заполнено водой, выполняющей роль гидропригрузки.

Отбор грунта в виде пульпы из забоя осуществляется гидроэлеваторами или землесосными установками.

Разработка забоя может производиться гидроструей, которая подается из насадки, или с помощью рабочего органа, напр. в виде однолучевого бара, снабженного цепью с режущими зубьями. Особенностью щита является создание крепи из монолитного прессованного бетона. Помимо поступательно перемещающихся проходческих щитов, известны так называемые вращающиеся щиты.

Проходческие щиты в последнее время начали применять и для открытого способа проходки. В частности, открытый щит шириной 9,02 м, высотой 8,2 м и длиной 13,8 ж был использован при проходке в глинистых грунтах двухпутного перегонного туннеля Фрунзенского радиуса Московского метрополитена. Головная часть щита образована двумя боковыми вертикальными стенками и лобовой стенкой ломаного очертания.

Отбор грунта из пределов головной части на глубину до 7,3 м осуществлялся с помощью экскаватора, оборудованного обратной лопатой и ковшом емкостью 1,4 м3, а установка замкнутых секций обделки в хвостовой части велась козловым краном.

Все механизированные проходческие щиты являются специализированными и каждый из них имеет достаточно узкую область наиболее эффективного использования в определенных горногеологических условиях.

В то же время необходимо создать универсальные механизированные проходческие щиты для проходки в широком диапазоне мягких грунтов (от рыхлых песчаных до плотных глинистых) с быстро изменяющимся способом воздействия на забой, обеспечивающим устойчивость забоя при изменении угла естественного откоса грунта от 90 до 40°, минимальное усилие для внедрения щита в грунт и свободный доступ к забою.