RU2302529C1

RU2302529C1 - Complex for tunnel excavation in weak ground

Info

Publication number: RU2302529C1
Application number: RU2006100404/03A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Алексеевич Юнгмейстер (RU); Дмитрий Алексеевич Юнгмейстер; Андрей Ярославович Бурак (RU); Андрей Ярославович Бурак; Дмитрий Владимирович Смирнов (RU); Дмитрий Владимирович Смирнов; Александр В чеславович Иванов (RU); Александр Вячеславович Иванов
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-07-10

Abstract

FIELD: mining, particularly to excavate Metro tunnels in instable rock with ground structure keeping in undamaged state.

SUBSTANCE: complex comprises working tool made as removable faceplate 10 with cutters 11 arranged over faceplate surface, protective shell made as cantilever 14 fixedly secured to faceplate 10 perimeter, working tool advancing mechanism 13 and block laying means. Removable faceplate 10 is provided with windows 17 for preliminary face weakening and cut rock removal and with two hydraulic cylinders for faceplate 10 retention. The hydraulic cylinders have extendible stops 15 and is fastened to rotary lever 5 installed on load-bearing frame 2 of block laying means connected to advancing mechanism 13. One end of rotary lever 5 is provided with grip 6 for tubing 7, which may be substituted for hydraulic hammer 8.

EFFECT: increased tunnel excavation rate and operational safety, decreased time of prior tunnel lining, improved tunnel shaping accuracy and increased advancing speed.

7 dwg

Description

Комплекс предназначен для проведения выработок в неустойчивых породах в подземном пространстве под городскими застройками большой интенсивности и представляющими архитектурные или исторические ценности.The complex is designed to conduct workings in unstable rocks in the underground space under urban buildings of high intensity and representing architectural or historical values.

Известен способ [по патенту РФ №2209978, МПК E21D 9/00, публ. 2003 г.] сооружения тоннелей мелкого заложения с помощью проходческого щита. Способ сооружения тоннеля включает строительство входного и выходного котлованов, проходку из выходного котлована по трассе сооружаемого тоннеля направляющей скважины с прокладкой в ней крепежной трубы, размещение во входном котловане домкратной станции, расширение скважины при одновременном осуществлении процессов выдавливания из скважины крепежной трубы под действием домкратной станции, разработки грунта в забое и его отгрузки, возведение обделки тоннеля. Выдавливание крепежной трубы производят путем введения в скважину закрепленного на переднем торце щита нажимного цилиндра и последующего воздействия через него на нее. Расширение направляющей скважины осуществляют за нажимным цилиндром в нижней части щита в забое, имеющем в поперечном сечении форму арки, ширина основания которой превышает диаметр направляющей скважины и в вершину которой вписан контур направляющей скважины. Устройство для сооружения тоннеля включает щит с ножеупорной секцией и гидроцилиндрами управления, домкратную станцию и установку для разработки и транспортирования грунта. Щит снабжен нажимным цилиндром, неподвижно прикрепленным одним торцом к переднему торцу ножеупорной секции. Его оболочка выполнена в поперечном сечении в виде арки, ширина основания которой превышает наружный диаметр нажимного цилиндра, а внешний контур последнего в его поперечном сечении вписан во внешний контур вершины оболочки. Установка для разработки и транспортирования грунта размещена за нажимным цилиндром в нижней части щита. Однако проведение выработок с помощью такого проходческого щита невозможно при проходке тоннелей и камер, особенно вспомогательного назначения незначительной длины, так как стоимость и время проведения выработок увеличиваются из-за сложности проведения монтажно-демонтажных работ, также данный способ требует большого объема буровых работ и высокой трудоемкости обслуживания.The known method [according to the patent of Russian Federation No. 2209978, IPC E21D 9/00, publ. 2003] construction of shallow tunnels using a tunnel shield. A method of constructing a tunnel includes the construction of an input and output pits, sinking from the output pit along the route of the constructed tunnel of a guide well with laying a fastening pipe in it, placing a jack station in the input pit, expanding the well while carrying out the processes of extruding a fastening pipe from the well under the influence of a jack station, development of soil in the face and its shipment, construction of the lining of the tunnel. Extrusion of the mounting pipe is carried out by introducing a pressure cylinder fixed to the front end of the shield into the well and then exposing it through it. The extension of the guide well is carried out behind the pressure cylinder in the lower part of the shield in the bottom having a cross-section in the form of an arch, the width of the base of which exceeds the diameter of the guide well and at the top of which the contour of the guide well is inscribed. The device for the construction of the tunnel includes a shield with a knife section and hydraulic control cylinders, a jacking station and an installation for the development and transportation of soil. The shield is equipped with a pressure cylinder fixedly attached with one end to the front end of the knives. Its shell is made in cross section in the form of an arch, the width of the base of which exceeds the outer diameter of the pressure cylinder, and the outer contour of the latter in its cross section is inscribed in the outer contour of the top of the shell. Installation for the development and transportation of soil is placed behind the pressure cylinder in the lower part of the shield. However, mine workings with the help of such a tunnel shield are not possible when driving tunnels and chambers, especially for auxiliary purposes of insignificant length, since the cost and time of mine workings increase due to the complexity of installation and dismantling works, this method also requires a large amount of drilling work and high laboriousness service.

Известен также способ проходки тоннеля [по патенту РФ №2167300, МПК E21D 9/00, публ. 2001 г.] в слабоустойчивых грунтах. Способ включает установку защиты экранов из труб и выемку породы под защитой этих экранов. Трубы с нарезанными на торцах зубьями вдавливают параллельно оси тоннеля из проходческого щита по периметру тоннеля с одновременными периодическими поворотами по часовой и против часовой стрелки или вращением вокруг оси, а при проходке тоннеля в глинистых грунтах перед вдавливанием труб защитного экрана разгружают массив пород впереди забоя скважинами, которые проходят по контуру тоннеля. Устройство для реализации способа содержит проходческий щит, буровую машину для ослабления массива и защитные экраны. Использование такого способа проведения выработок позволяет снизить стоимость отделки тоннеля, однако такой способ требует чрезмерно большого объема буровых работ, возникают сложности при перемещении буровой машины в пределах проходческого комплекса и производительность низкая.There is also known a method of tunneling [according to the patent of Russian Federation No. 2167300, IPC E21D 9/00, publ. 2001] in weakly stable soils. The method includes the installation of the protection of the screens from the pipes and the excavation of the rock under the protection of these screens. Pipes with teeth cut at the ends are pressed parallel to the axis of the tunnel from the tunneling shield along the perimeter of the tunnel with simultaneous periodic turns clockwise and counterclockwise or rotation around the axis, and when tunneling in clay soils, before dumping the pipes of the protective screen, unload the mass of rocks in front of the bottom of the wells, which pass along the contour of the tunnel. A device for implementing the method includes a tunneling shield, a drilling machine for loosening the array and protective shields. Using this method of conducting workings allows you to reduce the cost of finishing the tunnel, however, this method requires an excessively large amount of drilling work, difficulties arise when moving the drilling machine within the tunnel complex and low productivity.

Известно устройство [по патенту РФ №2096622, МПК E21D 9/00, публ. 1997 г.], в котором для сооружения тоннелей глубокого заложения в слабоустойчивых грунтах предлагается использовать метод опережающей крепи. Сущность изобретения: устройство для сооружения тоннелей глубокого заложения в слабоустойчивых грунтах методом опережающей крепи имеет самоходную портальную раму, на которой смонтированы передняя и задняя дуговые направляющие одного диаметра, в которых с каждой стороны тоннеля установлена подвижная каретка с консолью и приводом перемещения, шарнирно соединенная с продольной рамой с пазами, в которых установлена подрезочная машина, снабженная гидроцилиндрами продольного перемещения, соединенными с продольной рамой, на каждой каретке установлен подъемный цилиндр, одним концом опертый на консоль каретки, а другим связанный с продольной подъемной рамой с возможностью качания, каждая подрезочная машина выполнена с возможностью поворота режущего органа в плоскости резания под прямым углом и прорезания штробы в подошве тоннеля вдоль его стенки. Однако такое устройство обладает следующими недостатками: защита только верхней части тоннеля, сложность вписания в габариты сечения выработок врубовой машины, цикличность работы.A device is known [according to the patent of the Russian Federation No. 2096622, IPC E21D 9/00, publ. 1997], in which it is proposed to use the advanced support method for the construction of deep-hole tunnels in weakly stable soils. The inventive device for the construction of deep tunnels in weakly resistant soils using the advanced support method has a self-propelled portal frame on which front and rear arc guides of the same diameter are mounted, in which on each side of the tunnel there is a movable carriage with a console and a movement drive, pivotally connected to the longitudinal frame with grooves in which a trimmer is installed, equipped with hydraulic cylinders of longitudinal movement connected to the longitudinal frame on each carriage e there is a lifting cylinder mounted at one end supported on the carriage bracket, and at the other connected with a longitudinal lifting frame with a possibility of swinging, each cutting machine is arranged to rotate the cutting body in the cutting plane at right angles and cut the strobes at the base of the tunnel along its wall. However, such a device has the following disadvantages: protection of only the upper part of the tunnel, the difficulty of fitting into the dimensions of the cross section of the workings of the cutting machine, and the cyclic nature of the work.

Известно устройство [по патенту РФ №2211925, МПК E21D 9/06, публ. 2003 г.], принятое за прототип, в котором для сооружения тоннелей большой протяженности под морским или речным дном предлагается использовать проходческий механизированный щит без выемки грунта при условии мелкого залегания щита от дна моря или реки до свода, высота которого колеблется от 1-10 м в зависимости от типа грунта и профиля дна. Задачей изобретения является повышение функциональности и эффективности работы щита. Механизированный щит состоит из элемента разрушения породы, оболочки щита для безопасного ведения работ и размещения механизмов передвижения, установленных на опорном кольце, уплотняющего устройства для предотвращения попадания породы в тоннель и содержит глухую, отделяющую рабочую зону от забоя, перегородку, по периметру которой смонтированы брандспойты. Элемент разрушения породы выполнен в виде конусной планшайбы реверсивного вращения с элементами резания и лопастными ячейками, которые подают разжиженный грунт к сводчатой части щита и создают условия растекания грунта за тоннельное и водное пространства. Диаметр конусной планшайбы может превышать диаметр щита, причем в этом варианте выполнения ось щита смещена на величину разницы диаметров. Недостатками данного устройства являются большая металлоемкость проходческого щита, сложность монтажно-демонтажных работ и невысокая производительность.A device is known [according to the patent of the Russian Federation No. 2211925, IPC E21D 9/06, publ. 2003], adopted as a prototype, in which for the construction of long tunnels under the sea or river bottom it is proposed to use a mechanized tunneling shield without excavation provided that the shield is shallow from the bottom of the sea or river to the arch, the height of which ranges from 1-10 m depending on soil type and bottom profile. The objective of the invention is to increase the functionality and efficiency of the shield. A mechanized shield consists of a rock destruction element, a shield sheath for safe work and placement of movement mechanisms installed on the support ring, a sealing device to prevent rock from entering the tunnel and contains a blind partition separating the working area from the bottom, and water canisters are mounted around the perimeter. The rock destruction element is made in the form of a conical faceplate of reverse rotation with cutting elements and blade cells that feed the liquefied soil to the vaulted part of the shield and create conditions for the spreading of soil beyond the tunnel and water spaces. The diameter of the conical faceplate may exceed the diameter of the shield, and in this embodiment, the axis of the shield is offset by the difference in diameter. The disadvantages of this device are the large metal consumption of the tunnel shield, the complexity of installation and dismantling works and low productivity.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков устройства, а именно упрощение конструкции и монтажно-демонтажных работ комплекса.The technical result of the invention is the elimination of these disadvantages of the device, namely the simplification of the design and installation and dismantling of the complex.

Технический результат достигается тем, что в комплексе для проведения выработок в слабоустойчивых породах, содержащем рабочий орган в виде съемной планшайбы с резцами по всей ее поверхности, защитную оболочку, механизм передвижения рабочего органа и блокоукладчик, согласно изобретению защитная оболочка выполнена в виде консоли, жестко закрепленной с возможностью удержания кровли, боковых зон и самого забоя на планшайбе, которая выполнена с окнами для предварительного ослабления забоя и уборки разрушенной породы, снабжена двумя удерживающими ее гидроцилиндрами с выдвижными стопорами и закреплена на поворотном рычаге, установленном на несущей раме блокоукладчика, связанного с механизмом передвижения, причем на одном из концов поворотного рычага расположен захват для тюбинга, выполненный с возможностью замены его гидромолотом,The technical result is achieved by the fact that in a complex for conducting workings in weakly stable rocks, containing a working body in the form of a removable faceplate with cutters over its entire surface, a protective shell, a mechanism for moving the working body and a block layer, according to the invention, the protective shell is made in the form of a console, rigidly fixed with the possibility of retaining the roof, side zones and the face itself on the faceplate, which is made with windows for preliminary weakening of the face and cleaning of the destroyed rock, is equipped with two retainers hydraulic cylinders with retractable stops that are fixed to it and is mounted on a swing arm mounted on a support frame of the block layer associated with the movement mechanism, and at one end of the swing arm there is a grip for tubing made with the possibility of replacing it with a hydraulic hammer,

Применение более простой конструкции комплекса для проведения выработок в слабоустойчивых породах позволит снизить затраты времени и объем на предварительное крепление.The use of a simpler design of the complex for workings in weakly stable rocks will reduce the time and volume required for preliminary fastening.

Предлагаемый комплекс поясняется чертежами. На фиг.1 показан продольный разрез комплекса; на фиг.2 показан вид по А комплекса по фиг.1; на фиг.3 показано ослабление массива ударами долота гидромолота комплекса; на фиг.4 и 5 показано разрушение забоя рабочим органом на ширину кольца обделки; на фиг.6 - крепление выработанного пространства тюбингами; на фиг.7 - временное удержание планшайбы телескопическими трубами с досками и штырями.The proposed complex is illustrated by drawings. Figure 1 shows a longitudinal section of the complex; figure 2 shows a view along A of the complex of figure 1; figure 3 shows the attenuation of the array by impacts of the bit of the hydraulic hammer of the complex; 4 and 5 show the destruction of the face by the working body to the width of the lining ring; figure 6 - fastening of the worked-out space with tubing; in Fig.7 - temporary retention of the faceplate by telescopic pipes with boards and pins.

Комплекс состоит из стоек 1, несущей рамы 2, раскос 3, усиливающих балок 4. Блокоукладчик снабжен поворотным рычагом 5 с захватом 6 для тюбингов 7 (фиг.6) или для гидромолота 8 (фиг.3). На поворотном рычаге 5 с помощью креплений 9 установлен рабочий орган в виде съемной планшайбы 10, на которой со стороны забойной части расположены резцы 11 по всей поверхности планшайбы так, что весь набор резцов осуществляет одновременное разрушение забоя. На несущей раме 2 установлены привод 12 вращения поворотного рычага 5, механизм перемещения 13 блокоукладчика, гидрооборудование, электрооборудование и выдвижные платформы (не показаны). Удержание кровли, боковых зон и самого забоя осуществляется защитной оболочкой в виде консоли 14, жестко закрепленной на съемной планшайбе 10, а удержание самой планшайбы 10 от опрокидывания осуществляется выдвижными стопорами 15 гидроцилиндров 16, жестко закрепленных на съемной планшайбе 10. Предварительное ослабление забоя осуществляется ударами долота гидромолота 8 через предусмотренные в планшайбе 10 окна 17 (фиг.2), через которые также происходит уборка разрушенной породы.The complex consists of racks 1, a supporting frame 2, a brace 3, reinforcing beams 4. The block layer is equipped with a rotary lever 5 with a gripper 6 for tubing 7 (Fig.6) or for a hydraulic hammer 8 (Fig.3). A working body in the form of a removable faceplate 10 is mounted on the pivot arm 5 using fasteners 9, on which cutters 11 are located on the face side of the face plate so that the entire set of cutters simultaneously destroys the face. On the supporting frame 2, a rotary lever 5 rotation drive 12, a blocking mechanism 13, a hydraulic equipment, electrical equipment and sliding platforms (not shown) are mounted. The retention of the roof, side zones and the face itself is carried out by a protective shell in the form of a console 14, rigidly fixed to the removable faceplate 10, and the faceplate 10 is kept from tipping over by the retractable stoppers 15 of the hydraulic cylinders 16, rigidly fixed to the removable faceplate 10. Preliminary weakening of the face is carried out by impacts of the bit a hydraulic hammer 8 through the windows 17 provided in the faceplate 10 (FIG. 2), through which the destroyed rock is also cleaned.

Для удержания съемной планшайбы 10 от опрокидывания в конце рабочего цикла также может использоваться временное крепление планшайбы с помощью телескопически раздвигаемых металлических труб 18 (фиг.7) с досками и штырями. Доски закладываются вплотную к планшайбе 10 за телескопически раздвигаемые металлические трубы 18, которые устанавливают в четыре-пять рядов на металлических штырях, вставляемых в предварительно пробуренные через окна 17 планшайбы в забой шпуры. Концы металлических труб 18 заводят в лунки, разработанные в боках выработки.To keep the removable faceplate 10 from tipping over at the end of the operating cycle, temporary fastening of the faceplate using telescopically extendable metal pipes 18 (Fig. 7) with boards and pins can also be used. The boards are laid close to the faceplate 10 for telescopically extendable metal pipes 18, which are installed in four to five rows on metal pins inserted into the hole in the face hole previously drilled through the window 17 of the faceplate. The ends of the metal pipes 18 lead into the holes developed in the sides of the mine.

Работа комплекса осуществляется следующим образом (фиг.3-7). На захват 6 поворотного рычага 5 блокоукладчика закрепляют гидромолот 8 (фиг.3). При помощи механизма перемещения 13 блокоукладчик подвигают на ширину кольца обделки (ширину тюбинга) и ударами долота (пики) гидромолота 8 производят предварительное ослабление забоя через предусмотренные для этого окна 17 в планшайбе 10 (фиг.3). Далее отсоединяют гидромолот 8 от поворотного рычага 5 и креплениями 9 закрепляют планшайбу 10 на поворотном рычаге 5 (фиг.4). После закрепления планшайбы 10 на поворотном рычаге 5 выдвижные стопоры 15 гидроцилиндров 16, удерживающие планшайбу 10 от опрокидывания, возвращают в исходное положение. Включают привод 12 вращения поворотного рычага 5 и планшайбы 10 с установленными на ней резцами 11, осуществляют разрушение породы забоя, причем разрушение породы осуществляют вращающими движениями поворотного рычага при повороте на 180° первоначально в одну, затем в другую сторону. При этом разрушение породы осуществляется одновременно с удержанием кровли по всему сечению выработки с помощью консоли 14, жестко закрепленной на съемной планшайбе 10. По мере отработки забоя планшайбу 10 вдавливают в забой выработки усилием подачи блокоукладчика, перемещение которого осуществляют механизмом передвижения 13. После прохождения забоя (фиг.5) комплексом на ширину кольца обделки (ширину тюбинга) планшайбу 10 отсоединяют от поворотного рычага 5 блокоукладчика, предварительно выдвинув стопоры 15 гидроцилиндров 16 планшайбы 10, и на поворотный рычаг 5 при помощи установленного на нем захвата 6 крепят тюбинг 7 (фиг.6) для крепления выработанного пространства. После установки тюбингов 7 по всему сечению выработки к захвату 6 поворотного рычага 5 крепят гидромолот 8 (фиг.3). Затем цикл повторяется. По окончании каждого цикла временное удержание планшайбы 10 от опрокидывания помимо выдвижных стопоров 15 гидроцилиндров 16 планшайбы 10, также может осуществлятся с помощью телескопически раздвигаемых металлических труб 18 (фиг.7) с досками и штырями.The work of the complex is as follows (Fig.3-7). To capture 6 of the rotary lever 5 of the block layer, a hydraulic hammer 8 is fixed (Fig. 3). Using the movement mechanism 13, the blocker is moved to the width of the lining ring (the width of the tubing) and impacts of the bit (peaks) of the hydraulic hammer 8 pre-weaken the face through the holes 17 provided for this in faceplate 10 (Fig. 3). Next, the hydraulic hammer 8 is disconnected from the pivot arm 5 and the fasteners 9 attach the faceplate 10 to the pivot arm 5 (Fig. 4). After securing the faceplate 10 on the pivot arm 5, the retractable stoppers 15 of the hydraulic cylinders 16 holding the faceplate 10 overturned are returned to their original position. The rotation drive 12 of the pivot arm 5 and the faceplate 10 with cutters 11 mounted on it is turned on, the rock of the face is destroyed, and the rock is destroyed by the rotational movements of the pivot arm when turning 180 °, initially in one direction, then in the other direction. In this case, the destruction of the rock is carried out simultaneously with the retention of the roof over the entire cross section of the excavation using the console 14, rigidly mounted on the removable faceplate 10. As the face is mined, the faceplate 10 is pressed into the face of the mine by the feed force of the block layer, the movement of which is carried out by the movement mechanism 13. After passing the face ( 5) a complex on the width of the lining ring (the width of the tubing), the faceplate 10 is disconnected from the rotary lever 5 of the block layer, having previously extended the stoppers 15 of the hydraulic cylinders 16 of the faceplate 10, and the rotary lever 5 with the help of a gripper 6 mounted on it fix the tubing 7 (Fig. 6) for fixing the worked-out space. After installing the tubing 7 over the entire cross section of the working out to capture 6 of the pivot arm 5, a hydraulic hammer 8 is attached (Fig. 3). Then the cycle repeats. At the end of each cycle, the temporary holding of the faceplate 10 from tipping over, in addition to the retractable stoppers 15 of the hydraulic cylinders 16 of the faceplate 10, can also be carried out using telescopically extendable metal pipes 18 (Fig. 7) with boards and pins.

Применение более простой конструкции комплекса для проведения выработок в слабоустойчивых породах позволит снизить затраты времени и объем на предварительное крепление и решить проблемы эффективного проведения выработок в слабоустойчивых породах с большей производительностью.The use of a simpler design of the complex to conduct workings in weakly stable rocks will reduce the time and volume required for preliminary fastening and solve the problems of effective workings in weakly stable rocks with higher productivity.

Claims

A complex for carrying out workings in weakly stable rocks, containing a working body in the form of a removable faceplate with cutters over its entire surface, a protective shell, a mechanism for moving the working body and a block layer, characterized in that the protective shell is made in the form of a console rigidly fixed with the possibility of holding the roof, the side zones and the bottom itself on the faceplate, which is made with windows for preliminary attenuation of the bottom and cleaning the destroyed rock, is equipped with two hydraulic cylinders holding it with retractable stops frame and mounted on a swing arm mounted on the carrier frame of the block layer associated with the movement mechanism, and at one end of the swing arm there is a grip for tubing, made with the possibility of replacing it with a hydraulic hammer.