Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Проходческие щиты являются эффективным средством для проходки туннеля, имеют большое значение при сооружении железнодорожных и автомобильных туннелей, городского метро, коммуникационных туннелей, подземных переходов, штрека угольной шахты, подводящих туннелей и других инженерных объектов. Развитие технологий проходческих щитов в Китае за более 60 лет прошла этапы рассвета, инновации и превосходства и сформировала комплексную техническую систему. В настоящее время в Китае уже реализован полный цикл производства проходческих щитов, но существует определенное отставание ключевых компонентов и системы от международных современных передовых технологий. В данной главе приводиться описание системы проходческих щитов и восьми ключевых компонентов с точки зрения функций основных систем, основных технических аспектов, тенденции развития и передовые технологии проходческих щитов.

6.1. РЕЗЦЫ РЕЗЦОВОЙ ГОЛОВКИ

6.1.1. Виды и формы резцов

Резцы, используемые в проходческих щитах, в основном делятся на дробящие и вспомогательные резцы. Название дробящих резцов главным образом связано с их механическим действием на породы. Они подразделяются на три вида: вращающиеся фрезы (шарошки), скалывающие (пластинчатые резцы), прорезывающие (стержневые). Вспомогательные резцы названы по их основной функции: зачищающие или расширяющие резцы. Все виды представлены на рис. 6-1.

Рис. 6-1. Виды резцов проходческих щитов

В настоящее время в Китае существует путаница в названиях резцов. Особенно часто путают скалывающие и зачищающие. Скалывающие резцы выполняют функцию основного резца для дробления породы. Зачищающие резцы выравнивают поверхность забоя и не рассчитаны на активное бурение. Поэтому в ходе работы проходческого щита предъявляются строгие требования к замене дробящих резцов, несоблюдение чего может привести к заклиниванию щита.

Также существует много названий для стержневых резцов, обычно связанных с его формой: ракушка, квадратный. Основной функцией стержневых резцов является разрезание породы на отдельные куски, что создает более благоприятные условия для работы скалывающих резцов. Его основной принцип работы заключается в использовании бокового удара резцов, создаваемого при вращении вместе с резцовой головкой, для дробления или разрезания породы.

1) Вращающиеся фрезы

(1) Виды вращающихся фрез

Вращающиеся фрезы по форме режущей кромки разделяются на зубчатые и дисковые. Среди зубчатых вращающихся фрез выделяют два вида: со сферическими зубьями и клиновидными (рис. 6-2).

Рис. 6-2. Зубчатые и дисковые вращающиеся фрезы: a) зубчатые; b) дисковые

По количеству дисков на оси дисковые вращающиеся фрезы разделяются на три вида: одно-, двух- и многодисковые. Двухдисковые вращающиеся фрезы обычно используют при работе в породе выветренного песчаника и глинистых грунтах, однодисковые – для более твердых пород (рис. 6-3).

Рис. 6-3. Вращающиеся фрезы с разным количеством дисков: a) однодисковые, b) двухдисковые и c) трехдисковые

По материалу кромки дисковые вращающиеся фрезы подразделяются на износостойкие, из стандартной стали, из сверхпрочной стали, с пластинами из твердых сплавов и другие. Кроме того, их применение зависит от типа пласта:

1. Износостойкие: подходят для проходки плотных пластов прочностью 40 МПа, гравелистых, песчаных, запесоченных глинистых и других пластов прочностью 80 – 100 МПа;

2. Из стандартной стали: подходят для проходки гравелистых пород прочностью 50 – 150 МПа, мраморных, песчаных и известняковых пластов;

3. Из сверхпрочной стали: подходят для проходки твердых пород прочностью 120 – 250 МПа, высокоабразивногй породы прочностью 80 – 150 МПа, например, гранита, диорита, порфира, серпентина и базальта;

4. С пластинами из твердых сплавов: подходят для проходки гранитной, базальтовой, порфировой, кварцитовой и других пластов прочностью 150 – 250 МПа.

(2) Форма сечения кромки резцов

На рис. 6-4 показаны различные формы сечения кромки дисковых вращающихся фрез, начиная от самых первых заостренных клиновидных форм (угол при вершине резца составляет 60°, 75°, 90° и 120°) и притупленных клиновидных форм (с аналогичной величиной угла) до близких к кромке постоянного сечения (угол при вершине резца ?0 20°, в том числе зауженная с плоским острием, зауженная с закругленным острием и широкая со сферическим острием), зазубренных, сварных и многих других форм. По сравнению с клиновидными формами вращающихся фрезы с кромками постоянного сечения (Constant cross section (CCS)) обладают хорошим соотношением частоты замены резцов, их стоимостью и глубиной врезания, а также подходящей шириной, что обеспечивает сохранение эффективной резки при возникновении абразивного износа.

2) Скалывающие резцы