способ сооружения тоннеля и устройство для его осуществления

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.