Прохідницькі щити: опис, призначення. Горизонтальне буріння

Людство вже не перше сторіччя з успіхом освоює підземний простір. Мова йде не тільки про метрополітенах, які присутні у всіх великих містах світу, але і про гірничих виробках, створюваних для видобутку корисних копалин. В обох випадках застосовується спеціальне обладнання – прохідницькі щити, які гарантують безпеку обладнання та обслуговуючого персоналу під час проведення земляних робіт. Вперше прохідницький щит був застосований у 1825 році під час спорудження тунелю під річкою Темзою. З тих пір цей тип обладнання неодноразово застосовувався при будівництво метрополітенів у таких великих містах, як Москва, Санкт-Петербург, Єкатеринбург і в інших мегаполісах.

Прохідницький щит

Прохідницький щит являє собою рухливу збірну металеву конструкцію у вигляді порожнистого циліндра. Він споруджується на місці гірничої виробки або при будівництві метрополітену для захисту прокладаються в горизонтальному напрямку шахт від обвалення. Іноді його також називають тимчасової або пересувний кріпленням – спеціальною конструкцією, яка споруджується для захисту стінок тунелю від обвалення. Конструктивно прохідницькі щити являють собою складний комплекс обладнання, до складу якого входять три основні частини:

Ножова. В ній відбувається сам процес буріння, розробки гірської породи.

Опорна. Служить для розміщення допоміжного обладнання, а також гідравлічних домкратів, які змушують рухатися щит вперед.

Хвостова. Забезпечують захисту персоналу при спорудженні постійного кріплення.

До складу прохідницького щита може входити різноманітне обладнання, яке необхідно для спрощення робіт з розробки забою, транспортування земляних мас, зміцнення і захисту стінок від обвалення.

Конструкція прохідницького щита

Головними елементами щита є оболонка і ножове кільце, на якому розташовані ріжучі елементи прохідницького щита. У деяких моделях «різці» виконані у вигляді твердосплавних вставок, розташованих під певним кутом один до одного на робочій поверхні ротора, а також опорне кільце. Вперед, у простір перед ножами, щит просувається за допомогою гідравлічних циліндрів, які спираються на останнє кільце оброблення. Після цього в процес втягуються забійні гідроциліндри, які притискають збірні дерев'яні панелі до гірської породі, щоб та не впала. Вільний простір між опорним і ножовим кільцем розбито на клітинки вертикальними перегородками і на яруси горизонтальними перегородками. Всередині цих «відсіків» розташовується необхідне обладнання. Горизонтальні перегородки можуть висуватися гідравлічними домкратами.

Класифікація прохідницьких щитів за формою поперечного перерізу

Як правило, прохідницькі щити збираються безпосередньо на місці проведення робіт. З сталевих сегментів конструюються опорне і ножове кільце, а з сталевих листів, вигнутих по циліндричній поверхні, формують оболонку. Обладнання для горизонтального буріння відрізняється формою поперечного перерізу, габаритами, способом розробки і по області застосування. Найбільш поширеною формою поперечного перерізу є коло. Рідше зустрічаються машини прямокутного, арочного та іншого обриси.

Види щитів згідно довжині діаметра

Спираючись на діаметри прохідницьких щитів, виділяють наступні види конструкцій:

Малі (до 3200 мм) – використовуються в міських службах для прокладки колекторних тунелів.

Середні (до 5200 мм) – застосовуються для прокладки гідротехнічних комунікацій і розробки гірських копалин.

Великі (понад 5200 мм) – практикуються при створенні залізничних тунелів, ліній метрополітенів, великих гірських виробок.

Площа поперечного перерізу робочої поверхні варіюється від 10 до 16 і більше квадратних метрів, залежно від діаметра робочої поверхні.

Типи обладнання за способом розробки забою

При розробці корисних копалин або створення підземних шляхів сполучення горизонтальне буріння проводять різними видами прохідницьких щитів. Вони відрізняються між собою ступенем механізації виконавчих органів:

Повністю механізовані. Для руйнування породи в таких конструкціях використовується спеціальне обладнання – екскаваторні, планетарні, штангові робочі органи, а також установки гідромеханічного впливу.

Частково механізовані. Відсутність спеціального пристрою для розробки шарів ґрунту є їх виключною особливістю. Для руйнування порід тут застосовують відбійні молотки, проводять вибухові роботи або вдавлюють передню загострену частину щита в грунт.

Спеціальні прохідницькі щити. У таких конструкцій головна частина закрита. Вони використовуються для створення тунелів в особливо складних геологічних умовах.

При цьому конструкції поділяють на типи, призначені для роботи в різних умовах – зволожених грунтах, для розробки вибоїв в сипучих і малоустойчивих породах і для проходки в землі з фортецею від 05 до 5 і вище.

Призначення обладнання

Прохідницькі щити застосовуються для створення шахт в горизонтальному напрямку. Такий вид робіт іменується як «горизонтальне буріння» і застосовується в різних галузях людської діяльності. Найчастіше він використовується для створення і розширення існуючих метрополітенів, розробки корисних копалин.
Останнім часом широкого поширення набули роботи з прокладання різних комунікаційних ліній під автомобільними дорогами, трасами та іншими шляхами сполучення, іменовані як горизонтально направлене буріння, або ГНБ.

Горизонтально спрямоване буріння

Повсюдне застосування даної технології обумовлено високою економічною ефективністю. Зокрема:

зникає необхідність ремонту доріг по завершенні заходів;

відпадає потреба в перекритті автомобільного потоку і створення об'їзних шляхів;

можлива прокладка нових ліній без порушення цілісності вже існуючих.

При застосуванні методу горизонтально направленого буріння оператор прохідницького щита створює пілотну свердловину, яка потім розширюється риммером – розширювачем зворотної дії. Через готовий тунель простягається батіг трубопроводу. В якості останнього нерідко використовується полімерний рукав, який потім заповнюється бетоном. Після затвердіння цементної суміші (близько 21 дня) нова комунікаційна лінія готова.

Прохідницькі щити сьогодні

Живим прикладом застосування прохідницького щита може стати будівництво ділянки тунелю по «Фрунзенського радіусу» довжиною 3760 метрів між станціями «Проспект Слави» і «Південна» в Санкт-Петербурзькому метрополітені. У проекті бере участь компанія з Німеччини Herrenknecht AG, яка зобов'язується виготовити прохідницький щит. «Метробуд» - компанія-учасник з російської сторони, співробітники якого розробили проект по створенню першого на пострадянському просторі двоколійного тунелю. Раніше вітчизняна фірма вже співпрацювала з німецьким виробником. Наданий їм щит «Аврора» активно використовується для спорудження похилих ходів на станції «Спаська».