Проходческие щиты: описание, назначение. Горизонтальное бурение

Человечество уже не первое столетие с успехом осваивает подземное пространство. Речь идет не только о метрополитенах, которые присутствуют во всех крупных городах мира, но и о горных выработках, создаваемых для добычи полезных ископаемых. В обоих случаях применяется специальное оборудование – проходческие щиты, гарантирующие безопасность оборудованию и обслуживающему персоналу во время проведение земляных работ.

Впервые проходческий щит был применен в 1825 году при сооружении тоннеля под рекой Темзой. С тех пор этот тип оборудования неоднократно применялся при строительстве метрополитенов в таких крупных городах, как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург и в других мегаполисах.

Проходческий щит

Проходческий щит представляет собой подвижную сборную металлическую конструкцию в виде полого цилиндра. Он сооружается на месте горной выработки или при строительстве метрополитена для защиты прокладываемых в горизонтальном направлении шахт от обрушения. Иногда его также называют временной или передвижной крепью – специальной конструкцией, которая сооружается для защиты стенок тоннеля от обрушения.

Конструктивно проходческие щиты представляют собой сложный комплекс оборудования, в состав которого входят три основные части:

1. Ножевая. В ней происходит сам процесс бурения, разработки горной породы.
2. Опорная. Служит для размещения вспомогательного оборудования, а также гидравлических домкратов, заставляющих двигаться щит вперед.
3. Хвостовая. Обеспечивают защиты персонала при воздвижении постоянной крепи.

В состав проходческого щита может входить разнообразное оборудование, которое необходимо для упрощения работ по разработке забоя, транспортировке земляных масс, укреплению и защите стенок от обрушения.

Конструкция проходческого щита

Главными элементами щита являются оболочка и ножевое кольцо, на котором расположены режущие элементы проходческого щита. В некоторых моделях «резцы» выполнены в виде твердосплавных вставок, расположенных под определенным углом друг к другу на рабочей поверхности ротора, а также опорное кольцо.

Вперед, в пространство перед ножами, щит продвигается при помощи гидравлических цилиндров, которые опираются на последнее кольцо обделки. После этого в процесс вовлекаются забойные гидроцилиндры, которые прижимают сборные деревянные панели к горной породе, дабы та не обрушилась.

Свободное пространство между опорным и ножевым кольцом разбито на ячейки вертикальными перегородками и на ярусы горизонтальными переборками. Внутри этих «отсеков» располагается необходимое оборудование. Горизонтальные переборки могут выдвигаться гидравлическими домкратами.

Классификация проходческих щитов по форме поперечного сечения

Как правило, проходческие щиты собираются непосредственно на месте проведения работ. Из стальных сегментов конструируются опорное и ножевое кольцо, а из стальных листов, изогнутых по цилиндрической поверхности, формируют оболочку.

Оборудование для горизонтального бурения отличается формой поперечного сечения, габаритами, способом разработки и по области применения. Наиболее распространенной формой поперечного сечения является круг. Реже встречаются машины прямоугольного, арочного и иного очертания.

Виды щитов согласно длине диаметра

Опираясь на диаметры проходческих щитов, выделяют следующие виды конструкций:

1. Малые (до 3200 мм) – используются в городских службах для прокладки коллекторных тоннелей.
2. Средние (до 5200 мм) – применяются для прокладки гидротехнических коммуникаций и разработки горных ископаемых.
3. Большие (свыше 5200 мм) – практикуются при создании железнодорожных тоннелей, линий метрополитенов, крупных горных выработок.

Площадь поперечного сечения рабочей поверхности варьируется от 10 до 16 и более квадратных метров, в зависимости от диаметра рабочей поверхности.

Типы оборудования по способу разработки забоя

При разработке полезных ископаемых или создании подземных путей сообщения горизонтальное бурение проводят различными видами проходческих щитов.

Они отличаются между собой степенью механизации исполнительных органов:

1. Полностью механизированные. Для разрушения породы в таких конструкциях используется специальное оборудование – экскаваторные, планетарные, штанговые рабочие органы, а также установки гидромеханического воздействия.
2. Частично механизированные. Отсутствие специального устройства для разработки слоев грунта является их исключительной особенностью. Для разрушения пород здесь применяют отбойные молотки, проводят взрывные работы или вдавливают переднюю заостренную часть щита в грунт.
3. Специальные проходческие щиты. У таких конструкций головная часть закрыта. Они используются для создания тоннелей в особо сложных геологических условиях.

При этом конструкции делят на типы, предназначенные для работы в различных условиях – увлажнённых грунтах, для разработки забоев в сыпучих и малоустойчивых породах и для проходки в земли с крепостью от 0,5 до 5 и выше.

Назначение оборудования

Проходческие щиты применяются для создания шахт в горизонтальном направлении. Такой вид работ именуется как «горизонтальное бурение» и применяется в различных отраслях человеческой деятельности. Чаще всего он используется для создания и расширения существующих метрополитенов, разработки полезных ископаемых.

В последнее время широкое распространение получили работы по прокладке различных коммуникационных линий под автомобильными дорогами, трассами и прочими путями сообщения, именуемые как горизонтально направленное бурение, или ГНБ.

Горизонтально направленное бурение

Повсеместное применение данной технологии обусловлено высокой экономической эффективностью. В частности:

• исчезает необходимость ремонта дорог по завершении мероприятий;
• отпадает потребность в перекрытии автомобильного потока и создании объездных путей;
• возможна прокладка новых линий без нарушения целостности уже существующих.

При применении метода горизонтально направленного бурения оператор проходческого щита создает пилотную скважину, которая затем расширяется риммером – расширителем обратного действия. Через готовый тоннель протягивается плеть трубопровода.

В качестве последнего нередко используется полимерный рукав, который затем наполняется бетоном. После затвердевания цементной смеси (около 21 дня) новая коммуникационная линия готова.

Проходческие щиты сегодня

Живым примером применения проходческого щита может стать строительство участка тоннеля по «Фрунзенскому радиусу» длиной 3760 метров между станциями «Проспект Славы» и «Южная» в Санкт-Петербургском метрополитене.

В проекте участвует компания из Германии Herrenknecht AG, которая обязуется изготовить проходческий щит. «Метрострой» - компания-участник с российской стороны, сотрудники которого разработали проект по созданию первого на постсоветском пространстве двухпутного тоннеля.

Ранее отечественная фирма уже сотрудничала с немецким производителем. Предоставленный им щит «Аврора» активно используется для сооружения наклонных ходов на станции «Спасская».