Способ сооружения тоннеля и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к горному делу и строительству и может быть использована при сооружении тоннелей различного назначения с предварительной прокладкой направляющего трубопровода. Обеспечивает снижение поперечных нагрузок на направляющий трубопровод. Способ включает расширение направляющего трубопровода путем разработки грунта вокруг него с помощью проходческого щита с роторным рабочим органом. Грунт разрабатывают до величины, превышающей наружный диаметр щитовой оболочки. Образующееся кольцевое пространство внутри тоннельной выработки уплотняют с задней стороны и непрерывно заполняют жидкостью. Одновременно отсасывают из нижней части забоя осадок разработанного грунта. Продвижение проходческого оборудования относительно направляющего трубопровода производят по мягкой траектории. Агрегат включает устройство для прокладки направляющего трубопровода и проходческий щит с роторным рабочим органом. Роторный рабочий орган смонтирован на корпусе проходческого щита. Лобовая поверхность рабочего органа с резцами выступает за внешний контур щитовой оболочки, оснащенной задним торцевым уплотнением. Агрегат снабжен жидкостной насосной установкой. Нагнетательный шланг насосной установки выведен сверху за внешний контур щитовой оболочки. Устройство для отгрузки разработанного грунта из забоя выполнено в виде отсасывающего шланга, соединенного с насосной установкой и с нижней частью кольцевого пространства за роторным рабочим органом. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Группа изобретений относится к горному делу и строительству и может быть использована, например, при сооружении тоннелей различного назначения и при большом разнообразии горно-геологических условий, а также при изготовлении проходческих агрегатов для сооружения таких тоннелей.

Одним из множества методов сооружения тоннелей является метод с предварительной прокладкой микротоннеля или опережающей скважины по заданной трассе тоннеля и последующим расширением полученной выработки до размеров основного тоннеля, применяемый в основном при прокладке тоннелей под автодорожными и железнодорожными путями, а также при строительстве тоннелей мелкого заложения в условиях плотной городской застройки, требующих особо строгого соблюдения точности прокладки трассы тоннеля и чистоты окружающей среды при исключении поверхностных просадок грунта в зоне строительства.

Известны способ сооружения тоннеля и устройство для его осуществления, практически исключающие деформации грунтового массива над строящимся тоннелем благодаря разработке грунта при расширении опережающей скважины с помощью рабочего органа избирательного действия только книзу от скважины и при постоянном креплении свода тоннеля и скважины (см., например, патент РФ № 2209978, М.Кл.⁷ E 21 D 9/00, опублик. 2003г.).

К недостаткам указанной группы технических решений можно отнести ограниченность области их применения из-за нетрадиционного поперечного сечения строящегося тоннеля, а именно - близкого к треугольному.

Известен также способ сооружения тоннеля, включающий прокладку направляющего трубопровода с обсадной гильзой в направлении, обратном направлению прокладки основного тоннеля, последующее расширение трубопровода путем разработки грунта вокруг обсадной гильзы с помощью роторного рабочего органа и под защитой цилиндрической щитовой оболочки, отгрузку разработанного грунта с помощью шнекового транспортера по направляющему трубопроводу в направлении проходки тоннеля, продвижение щитовой оболочки и рабочего органа относительно гильзы и выдавливание последней из направляющего трубопровода одновременно с продвижением вперед щитовой оболочки с рабочим органом под воздействием усилия, приложенного к гильзе от домкратной установки, при этом разработку грунта вокруг обсадной гильзы осуществляют до величины в радиальном направлении, не превышающей внутренний диаметр щитовой оболочки, а продвижение щитовой оболочки с рабочим органом по трассе тоннеля осуществляют по жесткой траектории, обусловленной постоянным жестким контактом щитовой оболочки и рабочего органа с обсадной гильзой направляющего трубопровода под воздействием силы тяжести щита с рабочим органом, а также неравномерно распределенного давления на щитовую оболочку от окружающего грунта (см., например, авторское свидетельство СССР № 291065, М.Кл.³ Е 21 D 9/00, опублик. 1971г.). Данный способ является наиболее близким аналогом заявленного способа.

Для осуществления указанного способа применяют агрегат для сооружения тоннеля, включающий устройство для прокладки направляющего трубопровода с обсадной гильзой и породоразрушающим органом, проходческий щит с цилиндрической оболочкой и упором для взаимодействия с хвостовой частью обсадной гильзы трубопровода, кольцевой роторный рабочий орган, смонтированный на обсадной гильзе направляющего трубопровода и имеющий на лобовой поверхности резцы, не выступающие в радиальном направлении за пределы внутреннего контура цилиндрической щитовой оболочки, домкратную установку для взаимодействия с задним торцем щитовой оболочки и устройство для отгрузки из забоя разработанного грунта, выполненное в виде шнекового транспортера, размещенного внутри направляющего трубопровода и связанного с породоразрушающим органом (см. последний из вышеуказанных источников информации). Данный агрегат является наиболее близким аналогом заявленного устройства.

Основным недостатком последних из вышеуказанных способа и устройства для его осуществления является то, что при разработке грунта вокруг обсадной гильзы направляющего трубопровода с одновременной отгрузкой его по трубопроводу с помощью шнекового транспортера и перемещением щита с рабочим органом вдоль гильзы по жесткой траектории не исключается воздействие силы тяжести щита и неравномерного горного давления в радиальном направлении на направляющий трубопровод, что неизбежно приведет к просадкам грунта над тоннелем, прогибам трубопровода и, следовательно, к искажению траектории проходки, ограничивающему возможности такой проходки в отношении протяженности тоннеля, и дополнительным энерго- и трудозатратам. Кроме того, указанные технические решения не позволяют совмещать процессы прокладки направляющего трубопровода и проведения других строительных работ по сооружению тоннеля, что отрицательно сказывается на сроках строительства.

Задачей предлагаемой группы изобретений является создание способа сооружения тоннеля и устройства для его осуществления, применение которых обеспечивает устранение отмеченных выше недостатков известных технических решений путем исключения силового воздействия в радиальном направлении на обсадную гильзу направляющего трубопровода и избыточного давления на массив грунта за пределами внешнего контура тоннеля за счет установки проходческого щита с кольцевым рабочим органом в плавающее положение.

Поставленная задача решается тем, что в способе сооружения тоннеля, включающем прокладку направляющего трубопровода с обсадной гильзой, расширение скважины трубопровода путем разработки грунта вокруг обсадной гильзы с помощью роторного рабочего органа и под защитой щитовой оболочки, отгрузку разработанного грунта из забоя, продвижение щитовой оболочки и роторного рабочего органа вдоль обсадной гильзы направляющего трубопровода и выдавливание обсадной гильзы из трубопровода одновременно с продвижением щитовой оболочки, разработку грунта вокруг обсадной гильзы направляющего трубопровода производят до величины в радиальном направлении, превышающей наружный диаметр щитовой оболочки, уплотняют со стороны хвостовой части щитовой оболочки образующийся зазор между ней и цилиндрической поверхностью тоннельной выработки и непрерывно заполняют жидкостью кольцевое пространство, ограниченное лобовой поверхностью роторного рабочего органа, поверхностью тоннельной выработки, внешней цилиндрической поверхностью щитовой оболочки и внешней цилиндрической поверхностью обсадной гильзы, при этом отгрузку разработанного грунта из забоя осуществляют одновременно с заполнением жидкостью указанного кольцевого пространства путем отсасывания с помощью насоса осадка, образующегося в нижней части тоннельной выработки, а продвижение щитовой оболочки и роторного рабочего органа вдоль обсадной гильзы направляющего трубопровода осуществляют по мягкой траектории. В агрегате для сооружения тоннеля, включающем устройство для прокладки направляющего трубопровода с породоразрушающим органом и обсадной гильзой, проходческий щит с щитовой оболочкой и упором для взаимодействия с хвостовой частью обсадной гильзы трубопровода, роторный рабочий орган, на лобовой поверхности которого закреплены резцы и корпус которого установлен с возможностью вращения и продольного перемещения относительно гильзы направляющего трубопровода, домкратную установку для взаимодействия с задним торцом щитовой оболочки и устройство для отгрузки разработанного грунта из забоя, корпус роторного рабочего органа смонтирован на корпусе щита, а его лобовая поверхность с резцами выступает в радиальном направлении за внешний контур щитовой оболочки, оснащенной задним торцевым уплотнением, при этом агрегат снабжен жидкостной насосной установкой с нагнетательным шлангом, подведенным в верхнюю часть кольцевого пространства, ограниченного внешней поверхностью роторного рабочего органа, поверхностью щитовой оболочки с уплотнением, внешней цилиндрической поверхностью обсадной гильзы направляющего трубопровода и поверхностью тоннельной выработки, а устройство для отгрузки разработанного грунта из забоя выполнено в виде отсасывающего шланга, соединенного с насосной установкой и с нижней частью указанного кольцевого пространства.

Сущность предложенной группы изобретений, а также отмеченные выше и другие свойства и преимущества этих изобретений станут более понятными и очевидными из нижеследующего примера их осуществления со ссылкой на графическую иллюстрацию.

На чертеже схематично и в продольном разрезе изображен агрегат для сооружения тоннеля после внедрения проходческого щита с роторным рабочим органом в грунт и установки их в плавающее положение.

Сооружение тоннеля начинают с отрывки и обустройства стартового котлована 1, в котором размещают домкратную установку 2 с силовыми гидроцилиндрами 3.

Из стартового котлована 1 по трассе сооружаемого тоннеля прокладывают направляющий трубопровод путем бурения опережающей скважины 4 с помощью породоразрушающего органа 5 и введения в нее из стартового котлована в направлении проходки обсадной гильзы 6, до совмещения заднего торца последней с передней стенкой котлована 1 или с оставлением заднего конца обсадной гильзы 6 выступающим.

После этого в стартовом котловане 1 соосно с направляющим трубопроводом устанавливают проходческий щит с концентрично расположенными относительно друг друга цилиндрической щитовой оболочкой 7, оснащенной упором 8 для взаимодействия с хвостовой частью обсадной гильзы 6, и кольцевым роторным рабочим органом 9.

Корпус роторного рабочего органа 9 смонтирован внутри корпуса проходческого щита посредством подшипника качения 10 с возможностью вращения (привод не показан) и продольного перемещения относительно обсадной гильзы 6 и щитовой оболочки 7. Жесткая связь щитовой оболочки 7 с роторным рабочим органом 9 в радиальном направлении необходима для их совместного вывешивания в плавающее положение. Для обеспечения возможности изменения величины и усилия подачи роторного рабочего органа 9 независимо от продольного перемещения щитовой оболочки 7 они связаны между собой посредством шлицевого соединения 11.

На лобовой поверхности роторного рабочего органа 9 неподвижно закреплены резцы 12. При этом лобовая поверхность с резцами 12 выступает в радиальном направлении за внешний контур щитовой оболочки 7 на величину порядка 30 мм для образования зазора между внешней цилиндрической поверхностью щитовой оболочки 7 и поверхностью тоннельной выработки. Хвостовая часть щитовой оболочки 7 оснащена внешним торцовым кольцевым уплотнением 13, установленным с возможностью его размещения в упомянутом зазоре.

На поверхности земли в районе стартового котлована 1 размещена жидкостная насосная установка 14 с нагнетательным шлангом 15, выведенным за внешний контур щитовой оболочки 7 в верхней ее части, и с отсасывающим шлангом 16, выведенным в нижнюю часть кольцевого пространства между щитовой оболочкой 7 и роторным рабочим органом 9 вблизи груди забоя. Нагнетательный шланг 15 от насосной установки 14 служит в качестве средства для непрерывного заполнения свежей рабочей жидкостью замкнутого кольцевого пространства между элементами конструкции агрегата и поверхностью выработки тоннеля. В качестве рабочей жидкости может быть применен глинистый тиксотропный раствор.

Отсасывающий шланг 16 совместно с насосной установкой 14 служит в качестве устройства для отгрузки разработанного грунта из забоя.

После установки проходческого щита соосно со скважиной 4 направляющего трубопровода включают роторный рабочий орган 9 и начинают процесс его внедрения в грунт и расширения скважины 4 путем разработки грунта вокруг обсадной гильзы и осуществления подачи роторного рабочего органа либо с помощью автономного привода подачи (на чертеже не показан), либо с помощью домкратной установки 2, гидроцилиндры 3 которой при выдвижение их штоков упираются в задний торец щитовой оболочки 7 через напорное кольцо 17.

Процесс внедрения в грунт щитовой оболочки 7 вслед за роторным рабочим органом 9 осуществляют до перекрытия со стороны котлована 1 зазора 18 уплотнением 13 и соприкосновения упора 8 щитовой оболочки 7 с хвостовой частью обсадной гильзы 6 направляющего трубопровода. В этом положении агрегата начинают непрерывное заполнение через нагнетательный шланг 15 насосной установки 14 рабочей жидкостью кольцевого пространства, ограниченного лобовой поверхностью с резцами 12 роторного рабочего органа, поверхностью тоннельной выработки, внешней цилиндрической поверхностью щитовой оболочки 7 с уплотнением 13 и внешней цилиндрической поверхностью обсадной гильзы 6 направляющего трубопровода. Указанное кольцевое пространство заполняют жидкостью непрерывно до полного завершения проходки тоннеля.

В результате произведенных действий создаются условия для возникновения подъемной силы, и проходческий щит с кольцевым роторным рабочим органом 9 устанавливается в тоннельной выработке в плавающее положение относительно обсадной гильзы 6 направляющего трубопровода.

После этого осуществляют основной процесс сооружения тоннеля. Напорное кольцо 17 с помощью гидроцилиндров 3 отводят назад и в освободившееся пространство в стартовом котловане 1 подают секцию 19 тоннельной обделки, состыковывают эту секцию с задним торцем щитовой оболочки 7 и при подпирании со стороны напорного кольца 17 продолжают процесс расширения скважины 4 направляющего трубопровода с одновременным выдавливанием из скважины обсадной гильзы 6 и проходкой опережающей скважины.

Снятая при разработке грунта стружка перемешивается с рабочей жидкостью и оседает в нижней части упомянутого выше ограниченного кольцевого пространства. Накапливающийся осадок вместе с частью рабочей жидкости отгружают из забоя путем транспортирования по отсасывающему шлангу 16 насосной установки 14 за пределы строительной площадки. Частичный отвод жидкости из указанного кольцевого пространства компенсируется в процессе непрерывного заполнения его сверху свежей жидкостью, поддерживая тем самым плавающее положение щита с рабочим органом.

Количество рабочей жидкости, подаваемой по нагнетательному шлангу 15, зависит от скорости разработки грунта в забое, скорости транспортирования разработанного грунта из забоя и горно-геологических условий прокладки тоннеля.

Таким образом, продвижение проходческого щита с роторным рабочим органом 9 по трассе тоннеля осуществляют во взвешенном (плавающем) их состоянии, обеспечивающем мягкую траекторию перемещения, практически исключающую силовое воздействие с их стороны на обсадную гильзу 6, которая выполняет функцию направляющего элемента в зоне работы проходческого щита с рабочим органом и функцию крепления стенок опережающей скважины в зоне прокладки направляющего трубопровода.

В дополнение к основной функции вывешивания проходческого щита с рабочим органом в плавающее положение применяемая рабочая жидкость постоянно поддерживает поверхность выработки, предохраняя ее от обрушения и, следовательно, практически исключая деформации и просадки массива грунта над сооружаемым тоннелем.

Разгрузка обсадной гильзы 6 от радиального давления позволяет также поддерживать точность ведения проходческого агрегата по заданной трассе тоннеля и увеличить плечо прокладки направляющего трубопровода перед проходческим щитом без ограничения общей протяженности сооружаемого тоннеля.

Образующийся за тоннельной обделкой зазор заполняют тампонажным (например, бетонитовым) раствором, который также поддерживает поверхность тоннельной выработки и снижает усилие проталкивания всей конструкции вдоль трассы тоннеля.

Процесс сооружения тоннеля осуществляют заходками на величину выдвижения штоков силовых гидроцилиндров 3 до вывода проходческого агрегата в приемный котлован (на чертеже не показан), где он демонтируется.

Как следует из вышеизложенного, в результате использования всех без исключения признаков предложенных технических решений, перечисленных в формуле изобретения, возникает новый и неожиданный для специалистов в данной области технический эффект, заключающийся в прокладке тоннеля с помощью проходческого оборудования, установленного в плавающее положение относительно направляющего трубопровода, который не может быть получен от использования любого из этих признаков по отдельности. Например, щитовая оболочка в данном случае не является элементом крепления поверхности тоннельной выработки, а служит частично для создания условий исключения поперечного воздействия на направляющий трубопровод.

Положительный эффект от использования вышеописанной группы изобретений по сравнению с известными аналогами заключается в расширении области применения технологии и оборудования данного вида, снижении энергоемкости процесса и повышении точности ведения проходческого агрегата по заданной трассе тоннеля благодаря исключению силового воздействия в поперечном направлении на направляющий трубопровод со стороны проходческого оборудования, сокращении продолжительности процесса за счет обеспечения возможности совмещения процессов прокладки направляющего трубопровода и основного тоннеля, а также в практическом исключении просадок грунта над строящимся тоннелем благодаря гидравлическому подпору поверхности тоннельной выработки в течение всего процесса проведения проходческих работ. Кроме того, данная группа изобретений обеспечивает осуществление процесса в условиях безлюдного рабочего пространства под землей.

1. Способ сооружения тоннеля, включающий прокладку направляющего трубопровода с обсадной гильзой, расширение скважины трубопровода путем разработки грунта вокруг обсадной гильзы с помощью роторного рабочего органа и под защитой щитовой оболочки, отгрузку разработанного грунта из забоя, продвижение щитовой оболочки и роторного рабочего органа вдоль обсадной гильзы трубопровода и выдавливание обсадной гильзы из направляющего трубопровода одновременно с продвижением щитовой оболочки, отличающийся тем, что разработку грунта вокруг обсадной гильзы направляющего трубопровода производят до величины, в радиальном направлении превышающей наружный диаметр щитовой оболочки, уплотняют со стороны хвостовой части щитовой оболочки образующийся зазор между ней и цилиндрической поверхностью тоннельной выработки и непрерывно заполняют жидкостью кольцевое пространство, ограниченное лобовой поверхностью роторного рабочего органа, поверхностью тоннельной выработки, внешней цилиндрической поверхностью щитовой оболочки и внешней цилиндрической поверхностью обсадной гильзы, при этом отгрузку разработанного грунта из забоя осуществляют одновременно с заполнением жидкостью указанного кольцевого пространства путем отсасывания с помощью насоса осадка, образующегося в нижней части тоннельной выработки, а продвижение щитовой оболочки и роторного рабочего органа вдоль обсадной гильзы направляющего трубопровода осуществляют по мягкой траектории.

2. Агрегат для сооружения тоннеля, включающий устройство для прокладки направляющего трубопровода с породоразрушающим органом и обсадной гильзой, проходческий щит с щитовой оболочкой и упором для взаимодействия с хвостовой частью обсадной гильзы трубопровода, роторный рабочий орган, на лобовой поверхности которого закреплены резцы и корпус которого установлен с возможностью вращения и продольного перемещения относительно гильзы, домкратную установку для взаимодействия с задним торцом щитовой оболочки и устройство для отгрузки разработанного грунта из забоя, отличающийся тем, что корпус роторного рабочего органа смонтирован на корпусе щита, а его лобовая поверхность с резцами выступает в радиальном направлении за внешний контур щитовой оболочки, оснащенной задним торцовым уплотнением, при этом агрегат снабжен жидкостной насосной установкой с нагнетательным шлангом, подведенным в верхнюю часть кольцевого пространства, ограниченного внешней поверхностью роторного рабочего органа, поверхностью щитовой оболочки с уплотнением, внешней цилиндрической поверхностью обсадной гильзы направляющего трубопровода и поверхностью тоннельной выработки, а устройство для отгрузки грунта из забоя выполнено в виде отсасывающего шланга, соединенного с насосной установкой и с нижней частью указанного кольцевого пространства.