Навигация по таблицам
- Технические характеристики тоннелепроходческих щитов
- Категории грунтов и скорость проходки
- Расчет давления домкратов
- Мощность приводов щитов
- Факторы, влияющие на скорость проходки
Технические характеристики тоннелепроходческих щитов
| Диаметр щита, м | Назначение | Вес комплекса, т | Длина щита, м | Количество домкратов, шт |
|---|---|---|---|---|
| 3,2-4,0 | Коллекторные тоннели | 150-250 | 8-12 | 8-12 |
| 5,6-6,2 | Перегонные тоннели метро | 400-600 | 12-18 | 16-24 |
| 8,0-9,5 | Станционные тоннели | 800-1200 | 18-25 | 24-32 |
| 10,0-12,0 | Двухпутные тоннели | 1200-1800 | 25-35 | 32-48 |
| 13,0-17,6 | Автодорожные тоннели | 1800-3000 | 35-70 | 48-80 |
Категории грунтов и скорость проходки
| Категория грунта | Тип грунта | Коэффициент крепости | Скорость проходки, м/сут | Скорость проходки, м/мес |
|---|---|---|---|---|
| I | Песок, супесь | 0,3-0,6 | 35-50 | 1050-1500 |
| II | Суглинок, глина мягкая | 0,6-1,0 | 25-35 | 750-1050 |
| III | Глина плотная | 1,0-2,0 | 15-25 | 450-750 |
| IV | Моренные отложения | 2,0-4,0 | 10-15 | 300-450 |
| V | Слабые скальные породы | 4,0-6,0 | 8-12 | 240-360 |
| VI | Скальные породы средней крепости | 6,0-8,0 | 5-8 | 150-240 |
Расчет давления домкратов
| Диаметр щита, м | Общее усилие домкратов, кН | Рабочее давление, МПа | Максимальное давление, МПа | Удельное давление на забой, кПа |
|---|---|---|---|---|
| 3,2 | 8000-12000 | 20-25 | 30-35 | 995-1492 |
| 5,6 | 20000-30000 | 25-30 | 35-40 | 811-1217 |
| 8,0 | 40000-60000 | 25-35 | 35-45 | 796-1194 |
| 10,0 | 60000-90000 | 30-35 | 40-45 | 764-1146 |
| 12,0 | 80000-120000 | 30-40 | 40-50 | 707-1061 |
Мощность приводов щитов
| Диаметр щита, м | Мощность главного привода, кВт | Мощность вспомогательных приводов, кВт | Общая установленная мощность, кВт | Тип привода |
|---|---|---|---|---|
| 3,2-4,0 | 250-400 | 100-150 | 350-550 | Электрический |
| 5,6-6,2 | 500-800 | 200-300 | 700-1100 | Электрический |
| 8,0-9,5 | 1000-1500 | 400-600 | 1400-2100 | Электрический |
| 10,0-12,0 | 2000-3000 | 800-1200 | 2800-4200 | Электрический |
| 13,0-17,6 | 3000-5000 | 1500-2000 | 4500-7000 | Электрический/Гибридный |
Факторы, влияющие на скорость проходки
| Фактор | Благоприятные условия | Коэффициент влияния | Неблагоприятные условия | Коэффициент влияния |
|---|---|---|---|---|
| Обводненность грунта | Сухие грунты | 1,0-1,2 | Высокая обводненность | 0,6-0,8 |
| Абразивность грунта | Низкая абразивность | 1,0-1,1 | Высокая абразивность | 0,7-0,9 |
| Глубина заложения | До 20 м | 1,0 | Более 50 м | 0,8-0,9 |
| Температура грунта | +5...+15°C | 1,0 | Ниже 0°C или выше +25°C | 0,8-0,95 |
| Организация работ | Круглосуточная работа | 1,0 | Односменная работа | 0,4-0,5 |
Содержание статьи
Основы щитовой проходки тоннелей
Тоннелепроходческие механизированные комплексы (ТПМК) представляют собой высокотехнологичные инженерные системы, предназначенные для безопасного и эффективного строительства подземных сооружений. Принцип работы современных щитов основан на непрерывном цикле разработки грунта в забое с одновременным возведением постоянной обделки тоннеля.
Основными преимуществами щитового метода являются высокая степень механизации всех процессов, минимальное воздействие на окружающую застройку, возможность работы в сложных геологических условиях и обеспечение стабильного качества строительства. Современные щиты способны работать в грунтах различной крепости от мягких глин до скальных пород средней прочности.
Классификация тоннелепроходческих щитов
Современные тоннелепроходческие щиты классифицируются по нескольким основным признакам. По степени механизации различают немеханизированные и механизированные комплексы. Немеханизированные щиты применяются преимущественно для коротких тоннелей длиной до 1,5 километров в слабых породах, где разработка грунта производится вручную или с помощью отбойных молотков.
Механизированные щиты подразделяются на несколько типов в зависимости от способа стабилизации забоя. Щиты с открытым забоем применяются в устойчивых грунтах естественной влажности. Для работы в сложных геологических условиях используются щиты с активным пригрузом забоя:
Типы стабилизации забоя:
Воздушный пригруз: Применение сжатого воздуха под давлением 2-5 атмосфер для предотвращения притока грунтовых вод.
Грунтопригруз: Создание давления разработанным грунтом в герметичной призабойной камере.
Гидропригруз: Использование бентонитового раствора под давлением до нескольких десятков атмосфер.
Расчет скорости проходки в различных грунтах
Скорость проходки тоннелепроходческих щитов определяется множеством факторов, главным из которых является категория разрабатываемого грунта. Согласно действующим нормативным документам, грунты классифицируются на категории от I до VI по степени трудности разработки.
Формула расчета скорости проходки:
V = V₀ × K₁ × K₂ × K₃ × K₄
где:
V₀ - базовая скорость для данной категории грунта
K₁ - коэффициент обводненности (0,6-1,2)
K₂ - коэффициент абразивности (0,7-1,1)
K₃ - коэффициент глубины заложения (0,8-1,0)
K₄ - коэффициент организации работ (0,4-1,0)
Практический опыт показывает, что в благоприятных условиях современные щиты способны достигать значительных скоростей проходки. Рекордная скорость 1250 метров в месяц была достигнута в Санкт-Петербурге при строительстве метрополитена в кембрийских глинах. В 2021 году был установлен новый мировой рекорд для щитов диаметром 13-14 метров - 455,4 метра в месяц при строительстве железнодорожного тоннеля в Турции комплексом Robbins. Средние показатели современных ТПМК в Москве составляют 250-350 метров в месяц.
Определение давления грунта и домкратов
Расчет давления является критически важным аспектом проектирования щитовой проходки. Давление домкратов должно обеспечивать преодоление сопротивления грунта на забое, трения оболочки щита о грунт и создание необходимого усилия для продвижения комплекса.
Основные составляющие расчета давления:
P_общее = P_забой + P_трение + P_резерв
P_забой = σ_сж × S_забоя - давление на преодоление сопротивления грунта
P_трение = μ × N × L_щита - давление на преодоление трения
P_резерв = 1,2 × P_расчетное - коэффициент запаса
Рабочее давление в гидравлической системе домкратов современных щитов составляет 20-40 МПа, что обеспечивает создание усилий от нескольких тысяч до сотен тысяч килоньютонов в зависимости от диаметра комплекса. Удельное давление на забой варьируется от 700 до 1500 кПа в зависимости от размеров щита и характеристик грунта.
Энергетические характеристики ТПМК
Энергопотребление тоннелепроходческих комплексов является важным техническим и экономическим параметром. Общая установленная мощность современных щитов варьируется от 350 кВт для малых коллекторных комплексов до 5500 кВт для крупных автодорожных тоннелей диаметром до 15 метров.
Главный привод ротора потребляет основную долю электроэнергии и обеспечивает разрушение грунта режущими инструментами. Мощность главного привода определяется диаметром щита, типом грунта и требуемой скоростью вращения ротора. Для щитов диаметром 5,6 метра мощность составляет 500-800 кВт, а для крупных комплексов диаметром 12-15 метров может достигать 3000-4000 кВт.
Пример расчета мощности для щита диаметром 8 метров:
Главный привод ротора: 1200 кВт
Гидравлические насосы: 300 кВт
Конвейерный транспорт: 150 кВт
Блокоукладчик: 100 кВт
Вспомогательные системы: 250 кВт
Общая мощность: 2000 кВт
Факторы эффективности щитовой проходки
Эффективность работы тоннелепроходческих щитов зависит от множества взаимосвязанных факторов. Геологические условия оказывают определяющее влияние на производительность комплекса. Наиболее благоприятными являются однородные грунты средней плотности без значительного содержания крупных включений и грунтовых вод.
Техническое состояние режущего инструмента критически важно для поддержания высокой скорости проходки. Износ резцов приводит к снижению эффективности разрушения грунта и увеличению энергопотребления. Современные щиты оснащаются системами автоматической замены резцов без остановки проходки.
Организационные факторы также существенно влияют на общую производительность. Эффективная логистика подачи тюбингов, вывоза грунта и обеспечения расходных материалов может повысить скорость проходки на 20-30 процентов. Современные проекты предусматривают автоматизированные системы управления всеми процессами щитовой проходки.
Современные тенденции развития технологии
Современное тоннелестроение характеризуется внедрением инновационных технологий и повышением уровня автоматизации процессов. Новейшие тоннелепроходческие комплексы оснащаются системами искусственного интеллекта для оптимизации параметров проходки в режиме реального времени.
Значительное развитие получили технологии навигации и контроля траектории движения щита. Современные системы обеспечивают точность позиционирования до 8 миллиметров, что критически важно при строительстве тоннелей в плотной городской застройке. Лазерные системы навигации интегрированы с автоматическими системами управления домкратами для коррекции направления движения.
Инновационные решения в современных щитах:
Адаптивные режущие головки: Автоматическое изменение конфигурации инструмента в зависимости от свойств грунта.
Системы мониторинга: Непрерывный контроль параметров проходки, состояния оборудования и геологических условий.
Роботизированные системы: Автоматическая замена резцов и обслуживание оборудования без участия человека.
Экологические аспекты также становятся все более важными. Современные щиты проектируются с учетом минимизации воздействия на окружающую среду, включая снижение шума, вибраций и качественную очистку грунтовых вод. Технологии рециркуляции бентонитового раствора позволяют значительно сократить объемы отходов при гидрощитовой проходке.
Часто задаваемые вопросы
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер. Представленная информация не может использоваться для принятия проектных решений без дополнительных инженерных расчетов и консультаций со специалистами. Автор не несет ответственности за возможные последствия использования материалов статьи в практической деятельности.
Источники информации и нормативная база
При подготовке статьи использовались современные технические данные ведущих производителей тоннелепроходческого оборудования (Herrenknecht AG, Robbins, Lovat), актуальные нормативные документы (ГОСТ 25100-2020 "Грунты. Классификация"), материалы научно-исследовательских институтов тоннелестроения и данные из практики строительства метрополитенов и транспортных тоннелей по состоянию на 2024-2025 годы.
Классификация грунтов I-VI категории приведена в соответствии с практикой тоннелестроения и может отличаться от общепринятой классификации ГОСТ. Технические характеристики щитов основаны на данных современных проектов строительства метрополитенов в Москве, Санкт-Петербурге и других крупных городах.
