CC BY
80
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА CIVIL ENGINEERING BUILDING AND ARCHITECTURE
УДК 624.195, 624.19, 625.7/8 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-3-63-70
СТРОИТЕЛЬСТВО ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ
КОМБАЙНОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
CONSTRUCTION OF ROAD TUNNELS CONTINUOUS HEADING MACHINE TECHNOLOGIES APPLICATION
© 2016 г. А.С. Носенко, А.А. Домницкий, Е.А. Шемшура
Носенко Алексей Станиславович - д-р техн. наук, профес- Nocenko Alexej Stanislavovich - Doctor of Technical Sciences,
сор, Шахтинский институт Южно-Российского государст- professor, Shakhty Institute (branch) Platov South-Russian
венного политехнического университета (НПИ) имени State Polytechnic University (NPI), Shakhty, Russia. E-mail:
М.И. Платова, г. Шахты, Россия. E-mail: asnosenko@mail.ru asnosenko@mail.ru
Домницкий Алексей Александрович - канд. техн. наук, до- Domnitskij Alexej Alexandrovich - Candidate of Technical
цент, Шахтинский институт Южно-Российского государст- Sciences, assistant professor, Shakhty Institute (branch) Platov
венного политехнического университета (НПИ) имени South-Russian State Polytechnic University (NPI), Shakhty,
М.И. Платова, г. Шахты, Россия. E-mail: dom-a-a@mail.ru Russia. E-mail: dom-a-a@mail.ru
Шемшура Елена Анатольевна - канд. техн. наук, доцент, Shemshura Elena Anatol'evna - Candidate of Technical Sci-
Шахтинский институт Южно-Российского государственного ences, assistant professor, Shakhty Institute (branch) Platov
политехнического университета (НПИ) имени М.И. Плато- South-Russian State Polytechnic University (NPI), Shakhty,
ва, г. Шахты, Россия. E-mail: aleshkastyle@gmail.com Russia. . E-mail: aleshkastyle@gmail.com
Рассмотрены аспекты применения комбайновой технологии строительства транспортных тоннелей с механизированной разработкой горной породы с учетом разработанного стандарта, устанавливающего признаки и порядок классификации тоннелей на автомобильных дорогах общего пользования. Предложено применение перегружателей с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов в комплекте с горнопроходческими комбайнами избирательного действия.
Ключевые слова: горнопроходческий комбайн; транспортный тоннель; классификация; способ строительства; конструктивно-технологические решения; перегружатель.
This article reviews application aspects of continuous mining technology for road tunnels construction using machine mining considering characteristics and classification procedure established by standard which is being developed. Selective heading machine is proposed to use along with loading elevator with seesaw traction-transporting unit and variable geometry of transporting elements.
Keywords: tunneling machine; road tunnel; classification; construction method; structural-technological solution; loading elevator.
В настоящее время, при участии авторов, строительным материалам и изделиям, применяе-
разработан стандарт, устанавливающий признаки мым при их сооружении, а также к устройствам и
и систему классификации тоннелей на автомо- системам, обеспечивающим безопасную эксплуа-
бильных дорогах общего пользования. Стандарт тацию. Рекомендованная к применению класси-
регламентирует требования к типовым конструк- фикация служит для обозначения тоннелей при
тивно-технологическим решениям тоннелей, их проектировании, строительстве и эксплуатации.
Система классификации транспортных тоннелей
Транспортные тоннели согласно разработанной системе классификации различают по характерным показателям, объединенным в три группы: общие, конструктивного исполнения и технические. К общим характеристикам относят: расположение по отношению к рельефу земной поверхности, сейсмичность района строительства, глубину заложения, способ строительства, организацию движения. Характеристиками конструктивного исполнения являются: количество ярусов и пролетов, форма поперечного сечения; вид обделки и въезда-выезда. Показателями технических характеристик выступают: площадь поперечного сечения, длина, продольный профиль, профиль в плане, ширина полосы и общее число полос движения.
Система классификации включает в себя категории, выделяемые по следующим признакам: расположение по отношению к рельефу земной поверхности определяет тип тоннеля; сейсмичность района строительства определяет его класс; по глубине заложения - вид и группа зависят от конструктивного исполнения. Типоразмеры тоннелей определяют по основным параметрам технической характеристики: длине и габариту приближения по ширине. В зависимости от длины тоннели делятся на короткие и длинные. По размерам поперечного сечения различают тоннели: малого сечения - до 20 м , среднего -от 20 до 50 м и большого - свыше 50 м .
Типовые конструктивные решения обделок тоннелей
Горно-геологические условия определяют способ сооружения тоннелей и конструкцию обделки. При сооружении тоннелей горным способом применяют обделки сводчатого очертания из на-брызг-бетона, монолитного железобетона, сборных элементов или комбинированные (рис. 1 - 5).
а
Рис. 1. Конструкции монолитных обделок сводчатого очертания: а - в виде пологого свода, опирающегося на породу; б - со стенами криволинейного внутреннего очертания и обратным сводом; Н - высота по оси тоннеля; ^ - высота свода; h2 - высота стен; ^ - высота обратного свода; В -ширина тоннеля; R1 - радиус свода внутренний; R2 - радиус свода внешний; R3 - радиус стен криволинейного внутреннего очертания; R4 - радиус обратного свода; 1 - монолитный бетон;
2 - проезжая часть
а
б
Рис. 2. Конструкции комбинированных обделок: а - двухслойная обделка замкнутого очертания, усиленная анкерами или стальными арками; б - ребристая обделка тоннеля из набрызг-бетона с решетчатыми арками; Н - высота по оси тоннеля; ^ - высота свода; ^ - высота стен; ^ -высота обратного свода; В - ширина тоннеля; Rl - радиус свода внутренний; 1 - монолитный бетон; 2 - проезжая часть; 3 - набрызг-бетон; 4 - анкеры; 5 - решетчатые арки;
6 - внутренние ребра
Двухсводчатые конструкции (рис. 3) с общей средней опорой применяют при числе полос движения четыре и более.
Рис. 3. Обделка из монолитного бетона двухсводчатой конструкции: И - высота по оси тоннеля; Н1 - высота свода; к2 - высота стен; к3 - высота обратного свода; В - ширина тоннеля; R1 - радиус свода внутренний; R2 - радиус обратного свода; 1 - свод; 2 - проезжая часть; 3 - прогон;
4 - колонна
В этом случае также целесообразно устройство двухъярусной обделки в виде подъемистого свода (рис. 4), высота которого превышает пролет.
Рис. 4. Обделка из монолитного бетона двухъярусной конструкции: И - высота по оси тоннеля; Н1 - высота свода; к2 - высота обратного свода; В - ширина тоннеля; R1 - радиус свода внутренний; R2 - радиус стен криволинейного внутреннего очертания верхнего яруса; R3 - радиус стен криволинейного внутреннего очертания нижнего яруса; R4 - радиус обратного свода; 1 - свод; 2 - проезжая часть;
3 - перекрытие из железобетонных плит
2 3
Преимущества применения комбайновой технологии строительства тоннелей
При сооружении транспортных тоннелей наиболее широкое применение получила механизированная разработка широкого диапазона горных пород проходческими комбайнами. Известен опыт применения отечественных комбайнов избирательного действия КП-25 и КП-200Т в ООО «Тоннельдорстрой» при строительстве тоннелей в г. Сочи. В породах с прочностью на одноосное сжатие осж = 60 МПа возможно применение способа нижнего уступа, при котором плотный профиль проходят с опережением нижней части на длину 30 - 50 м. Технологические процессы транспортировки разрушенной горной массы, устройства временной крепи, возведения обделки производятся по аналогии с традиционным горным способом работ.
При комбайновой технологии в значительно меньшей степени, чем при буровзрывном способе, нарушается устойчивость окружающего массива, это связано с тем, что в процессе резания при механическом разрушении пород исполнительным органом комбайна динамические воздействия уменьшаются. В этом случае практически устраняется опасность вывалов и осадок поверхности земли, обеспечивается создание достаточно ровного контура выработки с минимальными переборами, что приводит к сокращению количества погрузочных и транспортных операций и расхода бетона на возведение обделки. Уступный способ также используется при сооружении тоннелей сечением более 120 - 130 м2 и высотой более 10 м в крепких скальных породах с прочностью на одноосное сжатие 80 - 100 МПа [1, 2].
Проходческие комбайны со стреловым исполнительным органом применяются при строительстве транспортных тоннелей, проведении подготовительных выработок угольных шахт и рудников.
Рис. 5. Конструкции сборных обделок сводчатого очертания: И - высота по оси тоннеля; к1- высота свода; к2 - высота стен; В - ширина тоннеля; Rl - радиус свода внутренний; а - суммарный угол блоков; 1 - набрызг-бетон; 2 - ключевой блок; 3 - смежный блок; 4 - нормальный блок; 5 - опорный блок; 6 - проезжая часть
1
При эксплуатации комбайнов возможность совмещения основных и наиболее трудоемких операций по разрушению забоя и погрузке отбитой горной массы дает повышение темпов проведения выработок, снижение стоимости проходческих работ и обеспечивает безопасность труда [1, 3].
Проходческие комбайны избирательного действия для строительства транспортных тоннелей
Разнообразие выпускаемых в мире проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом базируется на наличии в их конструкциях общих основных элементов. Структурно-компоновочная схема имеет практически один и тот же состав для большинства моделей рассматриваемого класса машин. Среди комбайнов избирательного действия, выпускаемых российскими производителями, наибольшее применение нашли серийные проходческие комбайны 1ГПКС, 1ГПКС-Р^ КП21, СМ130, а также опытные образцы КП200, КП200Т, КПЮ-50.
Комбайны в зависимости от конструктивных особенностей делятся на три класса: легкие, средние (рис. 6 а) и тяжелые (рис. 6 б), их основные характеристик на примере комбайнов, выпускаемых ОАО «Копейский машиностроительный завод» [4, 5], приведены в таблице.
На базе комбайна КП200 был создан комбайн КП200Т тяжелого класса, который предназначен для механизации отбойки и погрузки горной массы при проведении горизонтальных и наклонных (± 12 °) горных выработок арочной, трапециевидной и прямоугольной форм сечением от 18 до 52 м2 по углю и породам с верхним пределом прочности при одноосном сжатии осж < 120 МПа и показателем абразивности до 18 мг.
Транспортные средства, применяемые при строительстве тоннелей
Рациональная организация работы транспортных машин, используемых для своевременного перемещения горной массы и доставки в забой необходимого количества вспомогательных материалов, играет основную роль в повышении скорости проведения выработок. Существенной особенностью процесса погрузки и транспортирования горной массы при строительстве выработок рудников и тоннелей является цикличность, что приводит к увеличению затрат времени на обмен транспортных средств периодического действия, в частности автомобилей. Ограниченное количество автотранспортных средств и значительная длина транспортирования приводит к вынужденным простоям горнопроходческой машины в ожидании следующего автомобиля.
Показатель Класс горнопроходческих комбайнов
Легкий Средний Тяжелый
Марка комбайна 1ГПКС КП21 КП200
Угол наклона проходимой выработки, град ± 12° ± 12° ± 12°
Площадь сечения, м2 7 - 17 10 - 28 14 - 39
Форма сечения Любая (кроме круглой) Арочная, трапециевидная, прямоугольная Арочная, трапециевидная, прямоугольная
Предел прочности на одноосное сжатие, МПа < 70 100 < 120
Абразивность пород, мг до 15 15 до 18
а б
Рис. 6. Проходческие комбайны КП21 и КП200 Характеристики комбайнов ОАО «Копейский машиностроительный завод»
Однако увеличение численности автомобилей приводит к повышению себестоимости работ и возможности появления непроизводственных потерь времени на маневровые операции при их обмене. В этих условиях применение обычных призабойных перегружателей не эффективно. Решение сложившейся проблемы возможно применением бункера-перегружателя. Его конструктивные особенности позволяют выступать во время ожидания автомобиля в качестве аккумулятора горной массы, поступающей от проходческого комбайна, а при загрузке автомобиля - одновременно и накопителем, и перегружателем, что в свою очередь обеспечивает непрерывность процесса погрузки и повышение эффективности производства работ.
В настоящее время для обеспечения непрерывной эксплуатации комбайновых комплексов в качестве доставочного оборудования периодического действия созданы конструкции бункер-перегружателей, их примером может служить бункер-перегружатель БП-15 грузоподъемностью 15 т, разработанный ОАО «Копейский машиностроительный завод».
Базовыми для бункер-перегружателя в составе горнопроходческого оборудования при проходке тоннелей могут выступить конструкции перегружателей [6 - 11] с возвратно-поступательным движением тягово-транспортирующего органа и изменяемой геометрией транспортирующих элементов (ТЭ). В результате анализа [12] приоритетными принято считать конструктивные решения перегружателей:
- с подвижным днищем, неподвижными клиновыми стопорными элементами и транспортирующими элементами, изменяющими свою высоту относительно днища;
- с транспортирующими элементами, изменяющими свое положение относительно подвижных бортов;
- с изменяемой геометрией транспортирующих элементов и совмещением рабочего и холостого хода.
Последняя из указанных конструкций обеспечивает непрерывный грузопоток за счет разнонаправленного возвратно-поступательного движения днища и бортов, совмещённого во времени (рис. 7).
6 7
\ \
8 9 10
4 3 2 1
8 4
1
9 1
10
б
Рис. 7. Перегружатель с изменяемой геометрией транспортирующих элементов и совмещением рабочего и холостого хода: а - общий вид; б - вид сверху секции перегружателя; 1 - ТЭ I группы; 2, 8 - коленчатые валы; 7 - днище; 4 - борта; 3, 6 - направляющие; 5, 10 - тяги; 9 - ТЭ II группы
5
а
7
5
Тяги каждой группы ТЭ соединены с приводом. ТЭ I и II групп состоят из двух жёстко соединённых между собой частей - дугообразной и прямолинейной. Прямолинейная часть ТЭ I и II групп шарнирно закреплена на днище или бортах соответственно, а дугообразная часть ТЭ I и II групп изменяет своё положение соответственно относительно подвижного днища или подвижных бортов.
Перегружатели предназначены для транспортирования горной массы от горнопроходческой машины, находящейся в призабойном пространстве, в состав вагонеток, подаваемых под погрузку без дополнительных маневровых операций на обменном пункте [12]. Преимуществами предложенных конструкций перегружателей является легкость обслуживания, которая обеспечивается отсутствием редукторных групп, воз-
можность транспортировки крепких, крупных, абразивных пород.
Необходимо отметить, что разработка конструкции и выбор параметров перегружателя невозможны без исследования закономерностей формирования производительности всех машин технологического процесса строительства тоннеля: горнопроходческого комбайна, бункер-перегружателя и автотранспортного средства.
Анализ процессов транспортировки разрушенной горной массы при строительстве тоннелей установил, что в качестве транспортных средств наибольшее распространение получили автосамосвалы. При этом выявлено отсутствие данных о возможности применения перегружателей при строительстве тоннелей в сочетании с транспортными средствами периодического действия.
в
Рис. 8. Варианты схем размещения бункер-перегружателя в забое
Создание бункер-перегружателя, адаптированного к многообразным изменяющимся условиям проведения выработок, ставит задачу моделирования работы комплектов горнопроходческого оборудования, требующую в свою очередь разработки: технологических схем проведения подготовительных выработок с использованием бункер-перегружателя; конструктивных схем бункер-перегружателя и методики выбора его основных параметров.
При строительстве тоннелей могут быть реализованы следующие технологические схемы загрузки горной массы в автосамосвал с помощью бункер-перегружателя: расположение бункер-перегружателя по оси выработки с установкой его на монорельсе (рис. 8 а); расположение бункер-перегружателя по оси выработки с установкой его на раме (рис. 8 б); расположение бункер-перегружателя у стенки выработки с установкой его на раме (рис. 8 в).
Выбор варианта размещения бункер-перегружателя в забое следует выполнять по условию вписывания применяемого проходческого оборудования в сечение тоннеля, при этом на выбор конструктивной схемы бункер-перегружателя будут оказывать влияние горнотехнические условия проведения выработки и технологическая схема размещения оборудования в забое.
Задачи дальнейших исследований
Повышение эффективности строительства транспортных тоннелей с применением проходческих комбайнов избирательного действия основано на проведении дальнейших исследований по следующим направлениям:
- уточнение связей между классификацией транспортных тоннелей по сечению и горногеологическим условиям с конструкциями проходческих комбайнов избирательного действия, последующих транспортных средств;
- разработка инженерной методики выбора рациональных комплектов горнопроходческого оборудования на основе оптимизации технологических процессов с учетом особенностей, присущих горно-геологическим условиям возведения объекта;
- параметрическая оптимизация горнопроходческого оборудования, принимаемого при строительстве транспортных тоннелей в соответствии с разрабатываемой классификацией;
- разработка методики модульной компоновки горнопроходческого оборудования с учетом максимальной эффективности его применения при реализации процедур строительства транспортных тоннелей.
Литература
1. Носенко А.С., Домницкий А.А., Каргин Р.В., Шемшура Е.А. К вопросу о выборе комплектов оборудования для строительства транспортных тоннелей комбайновым способом // ДОРОГИ И МОСТЫ: сб. науч. тр. / ФГБУ «РОСДОРНИИ». М., 2014. № 32/2. С. 40 - 54.
2. Шахтное и подземное строительство: учебник для вузов: В 2 т. 3-е изд., перераб. и доп. (Высшее горное образование). Т. 2 / Б.А. Картозия, Б.И. Федунец, М.Н. Шуплик [и др.] М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та. 2003. 815 с.
3. Козлов С.В. Развитие производства современного оборудования для угольной промышленности Российской Федерации // Горные машины и электромеханика. М.: Машиностроение, 2000. № 1.
4. Калашников С.А., Гюбнер Г.Э., Лобанова Т.Б. Знакомим с продукцией нашего завода // Горное оборудование и электромеханика. 2000. № 3.
5. Калашников С.А., Малкин О.А., Левченко А.Н. Основные направления совершенствования горнопроходческой техники // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 8. С. 27 - 33.
6. А.с. 1684184 СССР, МКИ В65 G25/00, 25/08. Конвейер для транспортирования сыпучих и кусковых материалов / В.Г. Сильня, Г.Ш. Хазанович, А.А. Остановский (СССР). № 4753039/03; Заявл. 07.09.89; Опубл. 15.10.91. Бюл. № 38.
7. Патент RU 2102304 МКИ В65 G25/00, 25/08. Конвейер для транспортирования кусковых и сыпучих материалов / Г.Ш. Хазанович, Ю.М. Ляшенко, И.В. Ляшенко, А.С. Носенко, В.Н. Чирков, Р.В. Каргин. Заявл. 16.01.96. Опубл. 20.01.98. Бюл. № 2.
8. Патент RU 2108954 МКИ В65 G25/08. Конвейер для транспортирования кусковых и сыпучих материалов / Г.Ш. Хазанович, Ю.М. Ляшенко, А.С. Носенко, Р.В. Каргин. Заявл. 31.01.96. Опубл. 20.04.98, Бюл. № 11.
9. Каргин Р.В., Хазанович Г.Ш., Носенко А.С. Перегружатели для крепких сыпучих материалов: монография. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2005. 141 с.
10. Хазанович Г.Ш., Каргин Р.В., Носенко А.С. Исследования проходческого перегружателя с изменяемой высотой транспортирующих элементов // Горный информационно-аналитический бюллетень (науч.-техн. журн.). 2001. № 11. С. 204 - 207.
11. Хазанович В.Г. Развитие конструкций и классификация рабочих органов горнопроходческих машин с клиновыми погрузочными и транспортирующими элементами // Горное оборудование и электромеханика. 2013. № 4. С. 31 - 37.
12. Каргин Р.В., Носенко А.С., Хазанович В.Г., Филоненко А.А. Средства призабойного транспорта для крепких сыпучих материалов // Горное оборудование и электромеханика. 2010. № 1. С. 23 - 28.
References
1. Nosenko A.S., Domnitskii A.A., Kargin R.V., Shemshura E.A. [Revisiting a choice of equipment configuration for road tunnel construction with combine systems]. Dorogi i mosty: sbornik nauchnykh trudov [Roads and Bridges: collection of research papers]. Moscow, 2014, no. 32/2, pp. 40-54. [In Russ.]
2. Kartoziya B.A., Fedunets B.I., Shuplik M.N. i dr. Shakhtnoe i podzemnoe stroitel'stvo [Mine construction]. Moscow, Izd-vo Mosk. gos. gorn. un-ta, 2003, vol. 2, 815 p.
3. Kozlov S.V. Razvitie proizvodstva sovremennogo oborudovaniya dlya ugol'noi promyshlennosti Rossiiskoi Federatsii [Production development of modern mining equipment of Russian Federation]. Gornye mashiny i elektromekhanika, 2000, no. 1. [In Russ.]
4. Kalashnikov S.A., Gyubner G.E., Lobanova T.B. Znakomim s produktsiei nashego zavoda [Introducing our factory product]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2000, no. 3. [In Russ.]
5. Kalashnikov S.A., Malkin O.A., Levchenko A.N. Osnovnye napravleniya sovershenstvovaniya gornoprokhodcheskoi tekhniki [Mainstreams of mining equipment technological advancements]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2008, no. 8, pp. 2733. [In Russ.]
6. Sil'nya V.G., Khazanovich G.Sh., Ostanovskii A.A. Konveier dlya transportirovaniya sypuchikh i kuskovykh materialov [Friable and lump material load conveyor]. Patent USSR, no. 1684184, 1991.
7. Khazanovich G.Sh., Lyashenko Yu.M., Lyashenko I.V., Nosenko A.S., Chirkov V.N., Kargin R.V. Konveier dlya transportirovaniya kuskovykh i sypuchikh materialov [Friable and lump material load conveyor]. Patent RF, no. 2102304. 1998.
8. Khazanovich G.Sh., Lyashenko Yu.M., Nosenko A.S., Kargin R.V. Konveier dlya transportirovaniya kuskovykh i sypuchikh materialov [Friable and lump material load conveyor]. Patent RF, no. 2108954. 1998.
9. Kargin R.V., Khazanovich G.Sh., Nosenko A.S. Peregruzhateli dlya krepkikh sypuchikh materialov [Reloading conveyor for solid friable materials]. Novocherkassk, YuRGTU (NPI), 2005, 141 p.
10. Khazanovich G.Sh., Kargin R.V., Nosenko A.S. Issledovaniya prokhodcheskogo peregruzhatelya s izmenyaemoi vysotoi trans-portiruyushchikh elementov [The researches of Reloading conveyor with variable heights of transporting units]. Gornyi infor-matsionno-analiticheskii byulleten' (nauchno-tekhnicheskii zhurnal), 2001, no. 11, pp. 204-207. [In Russ.]
11. Khazanovich V.G. Razvitie konstruktsii i klassifikatsiya rabochikh organov gornoprokhodcheskikh mashin s klinovymi pogru-zochnymi i transportiruyushchimi elementami [The development of constructions and working unit classification of heading machines working unit with wedge loading and transporting elements]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2013, no. 4, pp. 31-37. [In Russ.]
12. Kargin R.V., Nosenko A.S., Khazanovich V.G., Filonenko A.A. Sredstva prizaboinogo transporta dlya krepkikh sypuchikh materialov [The means of preface transport for solid friable materials]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2010, no. 1, pp. 23-28. [In Russ.]
Поступила в редакцию 15 апреля 2016 г.
