В современном смысле взаимодействие технологий и широкое применение техники строительства туннелей повлияло на объединение некоторых технических особенностей проходческих щитов и ТБМ. Например, движущая сила ТБМ с одним экраном обеспечивается при помощи туннельных тюбингов. Наряду с этим существуют также многофункциональные проходческие комбайны, которые представляют собой гибрид проходческого щита и ТБМ с двухрежимной системой. Вопрос о классификации проходческого щита открытого типа остается открытым (в этом пособии его классифицируют как проходческий щит). В общем, вышесказанные отличия относятся больше к «форме», требуя принять во внимание адаптацию к характеру почвы, и на основе этих данных провести классификацию проходческих щитов и ТБМ.

Главное же отличие состоит в специфике работы ТБМ и проходческих щитов. Работа проходческих щитов основана на стабилизации забоя и контроле осадков туннеля. Таким образом, основная техническая функция проходческого щита заключается в сохранении стабильности забоя, контроле осадки конструкции туннеля, безопасном и эффективном удалении шлака, тем самым обеспечивает безопасность и успешность производства строительных работ. Основные функции работы ТБМ – высокоэффективное разрушение горных пород, поэтому главный технический вопрос ТВМ состоит в том, как эффективно разрушить горные породы, тем самым обеспечив высокую эффективность проходки. В XXI веке в Китае активно развивается подземное строительство, в частности метро, поэтому противоречия между стабилизацией пластов и способностью проходки слагаются в один объект с двумя важными аспектами, получив название «композитный проходческий щит».

Кроме того, способ выпуска шлака современных щитов основан на применении винтовых конвейеров и систем циркуляции для его удаления. Как правило, при этом производительность при проходке ниже, чем у ТБМ и потребляется больше энергии. Метод выпуска шлака у ТБМ заключается в том, что центральный ленточный конвейер погружается в отсек для выпуска шлака. Самая главная особенность заключается в том, что в слоях с хорошей устойчивостью вмещающей породы скорость вращения рабочего органа и эффективность труда при проходке обычно высокие, а расход электроэнергии меньше.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ

Выделяют следующие типы проходческих щитов: с открытым забоем, с воздушным пригрузом, с грунтопригрузом, гидропригрузом, многофункциональный и другие.

1.2.1. Проходческий щит с открытым забоем

Проходческие щиты открытого типа подразделяются на щиты полностью открытого типа и частично открытого типа. В том числе, проходческие щиты полностью открытого типа также можно называться щитом с открытым забоем (Open Face Shield, сокращенно – щит OF), в туннельном забое которых нет системы компенсации давления закрытого типа. Он не может противостоять давлению почвы и грунтовых вод. Обычно подходит для вмещающих пород с хорошей устойчивостью к забою (например, разнообразные невязкие и нелипкие пласты). Его преимущество заключается в том, что щит OF также можно использовать, даже когда часть или вся поверхность туннельного забоя представлена скальным грунтом или валунами. Кроме того, некруглую плоскость сечения камней можно вынимать при помощи ручного метода или частично механизированного.

Однако при недостаточной стабильности строительного пласта необходимо использовать вспомогательные средства для упрочнения пластов. Например, при выемке в пластах ниже уровня грунтовых вод или в просачивающихся пластах уровень грунтовых вод должен понижаться при помощи системы скважин-иглофильтров, а основание обрабатываться методом цементирования или замораживания. В соответствии с различными способами разработки, щиты полностью открытого типа подразделяются на щиты ручной разработки, полумеханической разработки, механической разработки и экструзионные.

1) Щиты ручной разработки

Они задействуют лопату, пневматический молоток, камнедробилку и другие инструменты для выемки грунта, при помощи которых ручным способом разрабатывается туннельный забой, относятся к основной форме проходческих щитов. Поскольку передняя часть проходческого щита ручной разработки открыта, то основным условием использования этого типа щита является недопущение разрушения забоя, по крайней мере, на этапе раскопок. Например, такой щит хорошо применим в средних слоях почвы, а также в пласте гравия с галечном. В зависимости от различных геологических условий забой может быть полностью открыт для искусственной выемки, используя только естественное давление почвы для поддержания поверхности выемки. Также может полностью или частично использоваться переднее крепление, базируясь на забое, земляные массы извлекаются отдельными пластами, грунтовые пласты поддерживаются во время выемки грунта. В водоносных пластах необходимо осуществить водопонижение, увеличить атмосферное давление или укрепить грунтовые массы.

Как правило, делювиальный (паводковый) пласт образован из слоев гравия, песка, консолидированного алеврита и глины, которые сами стабилизируются. В данном случае отлично подходит использование проходческого щита с ручной выемкой. Аллювиальные пласты, образованные из песка, ила и глины, не могут сами собой стабилизироваться, поэтому необходимо прибегать к дополнительным мерам.

На рис. 1-3 показан японский проходческий щит ручной выемки Мицубиси диаметром 10.92 м. Данный щит имеет гидравлическую, подвижную рабочую полку и нагрудную пластину для механической поддержки рабочей поверхности, при помощи них можно производить выемку сверху вниз, а также последовательно заменять опорные домкраты. Выкопанный грунт загружается в экскаватор с помощью ленточного конвейера с нижней половины. Объем выкопанного грунта соответствует объему грунта, выгруженного из туннеля. Поперечное сечение щита ручной разработки может быть круглым, прямоугольным или подковообразным.

Рис. 1-3. Щит с ручной разработкой Мицубиси ? 10.92 м

Проходческий щит с ручной разработкой обладает следующими особенностями:

(1) Широкая область применения к пластам от песчаной до глинистой почвы.

(2) Поскольку передняя часть открыта, это облегчает устранение препятствий и способствует наблюдению за пластами грунта. Обвал передней части представляет угрозу как для рабочих, так и для техники.