ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА

Основные положения

Рабочие нагрузки, возникающие при эксплуатации по назначению проходческих щитов, создаются лобовым сопротивлением пере­мещению щита и силами трения окружающих пород по на­ружной поверхности оболочки щита.

Усилие F передвижения щита в общем виде определя­ется из условия [2, 3, 6]

F · K_н ≥ R · K_y, (6.1)

где R – общее расчетное сопротивление перемещению щита; K_н – коэффициент надежности системы по обеспе­чению напорного усилия, K_н = 0,9 ÷ 0,95; K_у – коэффициент условий работы (для песков и невыветренных скальных пород
K_у=1,0; для глин и выветренных скальных пород K_у =1,15). Общее расчётное сопротивление перемещению щита включает в себя следующие составляющие

R = R₁ + R₂ + R₃ + R₄, (6.2)

где R₁– лобовое сопротивление или усилие внедрения головной части щита, кН; R₂ – сопротивление перемещению по наружной по­верхности корпуса щита, кН; R₃ – сопротивление перемещению по внутренней поверхности оболочки щита, кН; R₄ – усилие перемещения вместе со щитом части проходческого технологического комплекса, кН.

Лобовое сопротивление зависитот параметров щита и технологии проходки.

1. При внедрении ножевого кольца в сыпучие грунты

, кН, (6.3)

где N_oc – безразмерное число, принимаемое по табл.6.1, в зависимости от угла внутреннего трения φ и показателя S сжатия сечения ножевого кольца;

,

D_щ – диаметр щита, м; d_вн – внутренний диаметр ножевого кольца, м; с – удельное сцепление грунта, кН/м²; q – пригрузка на забой, кН/м².

При временном креплении забойными домкратами

, кН/м², (6.4)

где F_з.д.1– усилие забойного домкрата, приложенное к временной крепи забоя, кН; п_з.д – количество включенных в работу домкратов.

Таблица 6.1

j, град	S	Nос
	0,1 0,2 0,3	2,5 5,5 7,0
	0,1 0,2 0,3	2,6 6,7 12,3
	0,1 0,2 0,3	7,8 14,0 40,0

 

2. При частичном врезании ножевого кольца в устойчивые глинистые грунты

R₁ = р_уд · t · L, кН, (6.5)

где р_уд – удельное усилие врезания, равное в суглинках 500 ÷ 600 кН/м² в глинах 1200 ÷ 1600 кН/м²; L – длина кромки ножевого кольца; t – средняя толщина кромки ножевого кольца.

Сопротивление перемещению по наружной поверх­ности щита определяется горным давление на оболочку щита, трением и сцеплением грунта по наружной поверх­ности.

При прямолинейном движении щита R₂ определяется как сумма сил трения от вертикального и бокового давле­ния и сил сцепления:

R₂ = [2q_уд · (1 + ξ) · D_щ · L_щ + G_щ] · f_mp + 1000 · π ·D_щ · L_щ · c_уд, кН, (6.6)

где f_mp – коэффициент трения грунта по стали (см. табл.6.2);

Таблица 6.2

Вид грунта	tgφтр	fтр
Песок,супеси	0,85-0,50	0,75-0,50
Суглинки*	0,55-0,40	0,85-0,75
Глины*	0,42-0,25	0,85-0,95

* С учетом налипания

q_уд – расчетное вертикальное удельное горное дав­ление, кН/м; ξ– коэффициент бокового давления пород (для песков плотного сложения всех фракций ξ= 0,30 ÷ 0,32, для нормально уплотненных глинистых грунтов в зависимости от плотности и состава, ξ =0,30 ÷ 0,80);D_щ (м),L_щ (м), G_щ (тонн) – соответственно диаметр, длина и вес щита, м; c_уд – удельное сцепление грунта с оболочкой щита. Для сыпучих и скальных грунтов c_уд= 0, для глинистых c_уд = 0,005 ÷ 0,01 МПа.

Расчетное вертикальное удельное горное давление определяется при наличии свода обрушения по выраже­нию

, МПа,(6.7)

где g – плотность вышележащих пород, МН/м³ (см. табл.6.3);

Таблица 6.3

Категория и вид грунта	Плотность грун­та g, кН/м3	Коэффициент крепостиf
V Крепкий глинистый сланец, некрепкий песчаник и известняк, мягкий конгломерат
Va Разнообразные некрепкие сланцы, плотный мергель
VI Мягкие сланцы, известняк; мел, гипс, обыкновенный мергель
VIa Разрушенный сланец, отвердевшая глина	18-20	1,5
VII Плотная глина, глинистый грунт		1,0
VIla Легкая песчаная глина, лесс		0,8
VIII Легкий суглинок, песок сырой	15; 17	0,6; 0,5
IX Песок, мелкий гравий		0,5
Х Плывун, разжиженные грунты	15-18	0,3

 

= В, м – ширина свода обрушения;

h – высота свода обрушения,

, м; (6.8)

f– коэффициент крепости пород по шкале проф. Протодьяконова (см. табл.6.3);
φ – угол внутреннего трения.

Если глубина заложения тоннеля меньше высоты сво­да обрушения, то принимается

, МПа, (6.9)

где H – глубина заложения тоннеля до верхней образующей оболочки щита, м.

Сопротивление перемещению по внутренней повер­хности оболочки щита

, кН, (6.10)

где – коэффициент трения обделки по оболочке щита (чугун по стали –
= 0,18; бетон по стали – = 0,5); G_o6 – вес участка обделки, расположенной в оболоч­ке щита, кН.

При возведении обжатой сборной обделки, разжима­емой внутри оболочки, или монолитно-прессованной бе­тонной обделки

, кН, (6.11)

где D_o6,L_o6 – соответственно внешний диаметр обделки и длина обделки в оболочке щита; р_r – радиальное давление на оболочку возво­димого кольца обделки, МПа, зависящее от давления щитовых домкратов на бетон­ную смесь.

Сопротивление перемещению части проходческого комплекса, перемещающегося вместе со щитом

,(6.12)

где к_м – коэффициент местных сопротивлений, к_м = 2,0; G_к – вес перемещаемой части комплекса.

 

Вычислив общее сопротивление R и усилие пере­движки F, определяют суммарное усилие забойных дом­кратов

F_зд = к_щ · F, кН, (6.13)

где

, кН, (6.14)

к_щ – коэффициент, учитывающий отключение части щитовых домкратов при движении щита на кривой и при корректировке его положения, к_щ = 1,3 ÷ 1,5.

Затем проверяется условие

F_зд ≤ ∑P_д.н,

где ∑P_д.н – суммарное напорное усилие домкратов по технической характеристике, кН.

При перемещении щита его напорные домкраты опи­раются опорными башмаками на блоки кольца обделки, что может привести к раздавливанию (выкалыванию) блоков. Это особенно возможно при корректировке поло­жения щита, когда часть домкратов отключается, а другие развивают максимальное напорное усилие.

Поэтому возникает необходимость определения до­пустимого давления домкратов на обделку.

Для этого определяется напорное усилие одного дом­крата

Р_д =F_зд/n_з.д, кН, (6.15)

где п_з.д – количество щитовых домкратов.

При заданной величине рабочего давления рв домк­рате диаметр его цилиндра d_д будет равен

. (6.16)

Условие нераздавления блока обделки запишется в виде /16/:

Р_д ≤ к_н ·S_б [s_сж], кН, (6.17)

где S_б – площадь контакта башмака домкрата с обдел­кой; [s_сж]– допустимое напряжение сжатия обделки; к_н – коэффициент неравномерности распределения нагрузки, принимается к_н = 0,75.

Задание. Определить усилия передвижения проходческого щита на основании исходных данных в табл.6.4.

Пример.

Исходные данные:

тип щита – КЩ-2,1Б; диаметр щита D = 2,1 м; длина щита L_щ= 3,7 м; вес щита G = 254 кН; внутренний диаметр ножевого кольца d_вн = 2,0 м; количество забойных домкратов n_зд = 12.

для песков и супесей с = 10 кН/м²; φ = 30º; F_зд = 2,3 кН; f_mp = 0,60; f = 0,5;
ξ = 0,30; c_уд= 0; g = 0,017 МН/м³; p = 10 МПа;

для глин и суглинков р_уд = 1400 кН/м²; t = 0,03м; φ = 20º; f_mp = 0,90; f = 1,0;
ξ = 0,60; c_уд= 0,01 МПа; g = 0,018 МН/м³; p = 10 МПа.

1.Эксплуатация щита в условиях сыпучих грунтов.

Определим общее расчётное сопротивление перемещению щита по формуле (6.2). Вначале определим значение R₁, исходя из формулы (6.3). Для щита КЩ-2,1Б

.

Исходя из данных табл.1 при φ = 30º величина N_ос = 2,5.

Определим значение q по формуле (4), задавшись значением

кН/м².

Таким образом,

кН.

Значение R₂ определим исходя из формулы (6.6). При этом величина
f_mp = 0,60 (см. табл.6.2); f = 0,5; ξ = 0,30; c_уд= 0 g = 0,017 МН/м³. Значение q_уд в формуле (6.6) определим исходя из выражения (6.7)

МПа.

Таким образом

R₂ = [2 · 0,0769 · (1 + 0,30) · 2,1 · 3,7 + 254] · 0,60 + 1000 · 3,14 · 2,1 · 3,7 · 0 = 1084кН.

Значения R₃иR₄ в формуле (6.2) равны 0.

Окончательно получим, что

R = 542 + 1084 + 0 + 0 = 1626 кН.

Значение F определим по формуле (6.14)

кН.

Значение F определим по формуле (6.13)

F_зд = 1,4 · 1712 = 2397 кН.

Напорное усилие одного дом­крата исходя из формулы (6.15)

Р_д = 2397/12 = 199,8 кН.

Необходимый диаметр гидроцилиндра найдём по формуле (6.16) из расчёта, что рабочее давление в гидросистеме p = 10 Мпа

м.

Условие нераздавления блока обделки исходя из формулы (6.17) запишется (при к_н = 0,75, S_б = , где d – диаметр штока, d = 0,16 м; S_б =
= м²; [s_сж] = 20 МПа)

Р_д ≤ 0,75 · 0,015 · 20 · 10³ = 301,4 кН.

 

2.Эксплуатация щита при частичном врезании ножевого кольца в устойчивые глинистые грунты

Определим общее расчётное сопротивление перемещению щита R₁по формуле (5). Вначале определим длину кромки ножевого кольца

L = π · D = 3,14 · 2,1 = 6,594 м.

Таким образом, при р_уд = 1400 кН/м² и t = 0,03 м

R₁ = 1400 · 0,03 · 6,594 =277 кН.

Значение R₂ определим исходя из формулы (6.6). При этом величина
φ = 20º; f = 1,0; f_mp = 0,90 (см. табл.2); ξ = 0,60; c_уд= 0,01; g = 0,018 МН/м³. Значение q_уд в формуле (6.6) определим исходя из выражения (6.7)

МПа.

Таким образом

R₂ = [2 · 0,0453 · (1 + 0,60) · 2,1 · 3,7 + 254] · 0,90 + 1000 · 3,14 · 2,1 · 3,7 · 0,01 = = 1487кН.

Значения R₃иR₄ в формуле (6.2) равны 0.

Окончательно получим, что

R = 277 + 1487 + 0 + 0 = 1764 кН.

Значение F определим по формуле (6.14)

кН.

Значение F определим по формуле (6.13)

F_зд = 1,4 · 1857 = 2600 кН.

Напорное усилие одного дом­крата исходя из формулы (6.15)

Р_д = 2600/12 = 216,7 кН.

Необходимый диаметр гидроцилиндра найдём по формуле (6.16) из расчёта, что рабочее давление в гидросистеме p = 10 МПа

м.

Условие нераздавления блока обделки исходя из формулы (6.17) запишется (при к_н = 0,75, S_б = , где d – диаметр штока, d = 0,17 м;
S_б = м²; [s_сж] = 20 МПа)

Р_д ≤ 0,75 · 0,023 · 20 · 10³ = 340,3 кН.

 

Варианты заданий для расчёта усилий передвижения проходческого щита.

 

Таблица 6.4

№	Тип щита	D, м	Lщ, м	G, кН	dвн, м	nзд	Для песков и супесей
с, кН/м2	φ, град	Fзд, кН	fmp	f
	ПЩМР-3,2Р	3,200	4,275		3,100				3,4	0,60	0,5
	ПЩМР-3,6Р	3,620	4,670		3,400				4,0	0,60	0,5
	КТ1-5,6	5,630	4,500		5,410				6,0	0,60	0,5
	ЩМР-1М	5,624	4,620		5,404				5,9	0,60	0,5
	ТЩБ-3	5,624	4,510		5,404				5,9	0,60	0,5
	КПЩМ-4Э	4,020	5,360		3,820				4,2	0,60	0,5
	КПЩМ-3,6Э	3,620	5,254		3,420				3,8	0,60	0,5
	КПЩМ-2,6Э	2,590	4,500		2,390				2,8	0,60	0,5
	КТ1-5,6Э	5,630	6,000		5,310				5,9	0,60	0,5
	КМ-4,2М1	5,624	6,335		5,304				5,8	0,60	0,5
	КТ1-5,6Б2	5,630	6,300		5,310				5,9	0,60	0,5
	ПЩМР-3,2Р	3,200	4,275		3,100				3,4	0,75	0,5
	ПЩМР-3,6Р	3,620	4,670		3,400				4,0	0,75	0,5
	КТ1-5,6	5,630	4,500		5,410				6,0	0,75	0,5
	ЩМР-1М	5,624	4,620		5,404				5,9	0,75	0,5
	ТЩБ-3	5,624	4,510		5,404				5,9	0,75	0,5
	КПЩМ-4Э	4,020	5,360		3,820				4,2	0,75	0,5
	КПЩМ-3,6Э	3,620	5,254		3,420				3,8	0,75	0,5
	КПЩМ-2,6Э	2,590	4,500		2,390				2,8	0,75	0,5
	КТ1-5,6Э	5,630	6,000		5,310				5,9	0,75	0,5
	КМ-4,2М1	5,624	6,335		5,304				5,8	0,75	0,5
	КТ1-5,6Б2	5,630	6,300		5,310				5,9	0,75	0,5
	ПЩМР-3,2Р	3,200	4,275		3,100				3,4	0,75	0,5
	ПЩМР-3,6Р	3,620	4,670		3,400				4,0	0,75	0,5
	КТ1-5,6	5,630	4,500		5,410				6,0	0,75	0,5
	ЩМР-1М	5,624	4,620		5,404				5,9	0,75	0,5
	ТЩБ-3	5,624	4,510		5,404				5,9	0,75	0,5
	КПЩМ-4Э	4,020	5,360		3,820				4,2	0,75	0,5
	КПЩМ-3,6Э	3,620	5,254		3,420				3,8	0,75	0,5
	КПЩМ-2,6Э	2,590	4,500		2,390				2,8	0,75	0,5

Продолжение табл.6.4

№	Тип щита	Для песков и супесей	Для глин и суглинков
ξ	cуд, МПа	g, МН/м3	p, МПа	руд, кН/м2	t, м	φ, град	fmp	f	ξ	cуд, МПа	g, МН/м3	p, МПа
	ПЩМР-3,2Р	0,30		0,017			0,04		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	ПЩМР-3,6Р	0,30		0,017			0,04		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	КТ1-5,6	0,30		0,017			0,06		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	ЩМР-1М	0,30		0,017			0,06		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	ТЩБ-3	0,30		0,017			0,06		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	КПЩМ-4Э	0,30		0,017			0,05		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	КПЩМ-3,6Э	0,30		0,017			0,04		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	КПЩМ-2,6Э	0,30		0,017			0,03		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	КТ1-5,6Э	0,30		0,017			0,06		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	КМ-4,2М1	0,30		0,017			0,05		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	КТ1-5,6Б2	0,30		0,017			0,06		0,90	1,0	0,50	0,010	0,018
	ПЩМР-3,2Р	0,32		0,017			0,04		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	ПЩМР-3,6Р	0,32		0,017			0,04		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	КТ1-5,6	0,32		0,017			0,06		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	ЩМР-1М	0,32		0,017			0,06		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	ТЩБ-3	0,32		0,017			0,06		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	КПЩМ-4Э	0,32		0,017			0,05		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	КПЩМ-3,6Э	0,32		0,017			0,04		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	КПЩМ-2,6Э	0,32		0,017			0,03		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	КТ1-5,6Э	0,32		0,017			0,06		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	КМ-4,2М1	0,32		0,017			0,05		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	КТ1-5,6Б2	0,32		0,017			0,06		0,90	0,8	0,60	0,010	0,018
	ПЩМР-3,2Р	0,32		0,017			0,04		0,75	1,0	0,70	0,005	0,018
	ПЩМР-3,6Р	0,32		0,017			0,04		0,75	1,0	0,70	0,005	0,018
	КТ1-5,6	0,32		0,017			0,06		0,75	1,0	0,70	0,005	0,018
	ЩМР-1М	0,32		0,017			0,06		0,75	1,0	0,70	0,005	0,018
	ТЩБ-3	0,32		0,017			0,06		0,75	1,0	0,70	0,005	0,018
	КПЩМ-4Э	0,32		0,017			0,05		0,75	1,0	0,70	0,005	0,018
	КПЩМ-3,6Э	0,32		0,017			0,04		0,75	1,0	0,70	0,005	0,018
	КПЩМ-2,6Э	0,32		0,017			0,03		0,75	1,0	0,70	0,005	0,018