CC BY
27
- © Б.И. Федунец, Ф.А. Бойко, 2014
УЛК 69.035.4
Б.И. Федунец, Ф.А. Бойко
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ПЕРЕГОННЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ ТОННЕЛЕПРОХОЛЧЕСКИМИ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ
Повышение эффективности строительства перегонных тоннелей метрополитенов можно достичь при широком применении конвейерного транспорта разработанной породы ТПМК, взамен существующего в отечественной практике рельсового транспорта. Приводится методика расчетов для конвейерного транспорта и показан положительный эффект от его применения. Отражен экономический эффект ускорения строительства перегонных тоннелей
Ключевые слова: эффективность строительства, перегонные тоннели, конвейерный транспорт.
В соответствии с Генеральным планом города Москвы, определены основные необходимости в ликвидации сложившегося отставания в развитии сети метрополитена от потребностей города, в улучшении транспортного обслуживания населения города Москвы, в повышении надежности работы метрополитена и в существенном увеличении темпов метростроения.
По состоянию на январь 2014 г., на 150 строительных площадках Московского метро задействовано 40000 метростроителей и 20 тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК). По темпам метростроения в 2013 г. Москва вышла на первое место в Мире.
Текущие планы развития сети Московского метрополитена были определены Постановлением правительства Москвы № 194-ПП от 04.05.2012 «Об утверждении Перечня объектов перспективного строительства Московского метрополитена в 2012-2020 гг.».
В дальнейшем постановлением правительства Москвы № 282-ПП от 30.04.2013 «О внесении изменения в постановление Правительства Москвы № 194-ПП от 04.05.2012» был определен только итоговый план объема строительства на период до 2020 г., а ежегодные планы объемов строительства были исключены с формулировкой: «Очередность и сроки строительства объектов определяются протокольными решениями совещаний у Мэра Москвы по реализации Государственной программы города Москвы «Градостроительная политика» на 2012-2016 гг». Таким образом, последующая информация о ежегодных планах строительства является неофициальной (неутвержденной соответствующими постановлениями Правительства Москвы). Тем не менее, по информации с общественных слушаний о развитии метрополитена в Москве на 2013-2020 гг. с учетом Адресной инвестиционной программы города Москвы на 2014-2016 гг. № 591-ПП ежегодные планы строительства на ближайшее время определены следующим образом:
В 2014 г. столичные строители планируют проложить 45,3 км тоннелей метрополитена. При этом, 28 км - механизированным способом (с помощью ТПМК), 5,7 км - горным способом, а остальное - открытым способом. В 2013 г. было введено в эксплуатацию 12,3 км тоннелей, а пройдено - 27 км.
Год Количество станций Длина, км
2014 12 21,3
2015 11 19,5
2016 13 23,8
2017 12 22,1
2018 10 21,2
2019 11 19,6
2020 14 30,0
Итого 83 157,5
В среднем 12 22,5
Повышение эффективности строительства перегонных тоннелей метрополитенов обуславливается в основном ускорением темпов проходки и снижением трудозатрат.
Важным аспектом при повышении темпов проведения перегонных тоннелей является сокращение затрат времени на основные операции системы комбинированного транспорта с использованием рациональных конструктивно - технологических решений, а также технических и организационных мер. Система комбинированного транспорта - совокупность оборудования, способов и методов использования рельсового и конвейерного транспорта, обеспечивающая оптимальное функционирование работ по перемещению разработанной ТПМК породы по цепи «забой - транспорт - подъем».
Технология проведения перегонных тоннелей с использованием отечественных тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) характеризуется невысокими скоростями строительства этих тоннелей (60-80 м в месяц). Многочисленные примеры применения зарубежных ТПМК показывают, что эти скорости возрастают до 400-700 м в месяц. Это обусловливает необходимость обновления технологий и средств механизации подземного строительства.
Анализ зарубежных объектов проведения перегонных тоннелей убедительно подтверждает эффективность применения конвейерного транспортирования разработанной ТПМК породы, по сравнению с рельсовым. Впервые конвейерное транспортирование разработанной породы в России было применено в Москве в 2006-2007 гг. ОАО «Трансинжстрой» на строительстве перегонных тоннелей от реконструируемой ст. Кунцевская до действующей ст. Парк Победы Митинско-Строгинской линии метрополитена с ТПМК «Херренкнехт». Максимальная скорость проходки на левом перегонном тоннеле составила 635 м в месяц (30,8 м в сутки). Правый перегонный тоннель длиной 1114 м был пройден за 2,5 месяца. Максимальная скорость при проведении этого тоннеля составила 704 м в месяц, что является рекордом отечественного тоннелестроения при проходке перегонных тоннелей в сложных гидрогеологических условиях.
Увеличение производительности зарубежных ТПМК вызвано в первую очередь использованием конвейерного транспорта, взамен рельсового. При рельсовом транспорте, до 50 процентов от общего времени погрузо-разгрузочных работ затрачивается на транспорт.
Электровозная откатка не может обеспечить нормального функционирования проходческого щита, если его производительность равна 0щ = 60 т/ч и более.
В этом случае экономически целесообразным видом транспорта становится ленточный конвейер.
Для определения основных параметров ленточного конвейера применительно к отечественным ТПМК и уточнения параметров оборудования фирмы «H+E Logistik» выполнены современные расчеты по методике, позволившей проектировать конвейер с более высокими технико - экономическими показателями и получить данные о необходимости снижения завышенных показателей оборудования фирмы. Это, в первую очередь, относится к современному тяговому расчету. Величина получаемого при расчете тягового усилия влияет на тип ленты, мощность привода, параметры натяжного устройства и т.д.
При заданной производительности 0щ = 60 т/ч, ширину ленты конвейера (B) определяем по формуле:
B = 1,1 х
Q- ^
Q + 0,05
Кп х V х у
м, (1)
где КП = 625 - коэффициент производительности; у - насыпная плотность груза, т/м3; V = 1,6 м/с - скорость движения ленты конвейера.
Скорость движения ленты конвейера выбирается минимально допустимой при условии ее разгрузки на приводном барабане. Для предотвращения скольжения груза при его прохождении через головной (разгрузочный) барабан, его скорость не должна быть менее 1,2 м/с, поэтому принимаем ближайшую большую скорость из ряда скоростей И10, т.е. 1,6 м/с.
I 60 ^
В = 1,1 х
60 +
+ 0,05
= 0,25 м = 250 мм.
1625 х 1,6 х 1,6
/
Затем определяем ширину ленты по кусковатости транспортируемого груза: В = 2 а'шах + 200, (2)
где а'шах = 200 мм - максимальный размер куска транспортируемого груза. В = 2 х 200 + 200 = 600 мм,
следовательно, принимаем типовую ленту шириной В = 0,65 м.
В настоящее время существует два метода тягового расчета: ориентировочный, с использованием общего коэффициента сопротивления движению и уточненный, основанный на изучении сил сопротивления движению, возникающих на отдельной роликоопоре. Первый метод рекомендуется для расчета конвейеров небольшой длины и производительности, второй - для конвейеров значительной длины и со сложной трассой движения ленты. При использовании первого метода в коэффициенте сопротивления движению ж могут быть учтены условия эксплуатации конвейера и место его работы (карьер, шахта, обогатительная фабрика и т.д.). При использовании второго метода, возможен учет гораздо большего числа факторов: натяжение ленты и ее скорость, тип подшипниковых узлов, температура окружающей среды, ширина и тип ленты, угол наклона боковых роликов и угол установки конвейера, тип груза и пр. Расчеты и обоснования параметров конвейерного транспорта выполнены на примере строительства левого перегонного тоннеля от ст. «Кунцевская» до ст. «Парк Победы» Митинско - Строгинской линии Московского метрополитена, длиной в одном направлении, равной 3000 м, который установлен под углом к горизонту. Для тягового расчета такого конвейера принят уточненный метод расчета. Определены необходимые для расчета константы и коэффициенты.
Трасса конвейера
4—
0.003
г
0.0043
м
1400и
Диаграмма натяжения
50---
43 — ЛО
36 —!— 30
25 ¿4
Ж #
15 —;— 10 5
• ■
э5
№
4
ей
5
5 10
У..
го
6 • -
2
»--Л
»
И
-Ф—
1 *
8,
Рис. 1. Диаграмма натяжения конвейерной ленты в характерных точках по трассе конвейера
С использованием полученного выражения для изменения натяжения по длине конвейера и метода обхода по контуру, определены распределенные сопротивления движению на грузовой и порожняковой ветвях (рис. 1).
Выполнен тяговый расчет, определена мощность привода конвейера и необходимая прочность конвейерной ленты. Уточненный метод тягового расчета ленточного конвейера выполнен с использованием современного подхода, основанного на рассмотрении суммы отдельных сил, возникающих на единичной роликоопоре - Цр, с последующим интегрированием этой суммарной силы по длине конвейера. Основными составляющими общей силы Цр являются:
• сила сопротивления от вращения трех роликов:
Цвр = Цвр1 + 2Цвр2 = «С1 + С2^ + 1,6 X 10-501 + 2((С1 + ^У) +
159
+ 1,6х10-501]} Ке 159, н, (3)
р
где С1 = 1, С2 = 0,15 - константы, зависящие от типа подшипника; V - скорость движения конвейерной ленты, м/с; 01 = 0,6 - радиальная нагрузка на средний ролик, Н; - диаметр ролика, мм; Ке - температурный коэффициент;
• сила сопротивления от вдавливания роликов в ленту:
Цвд = Свд Ч + Ч) 1'р X ^ н, (4)
где Свд - константа вдавливания; Гр - расстояние между роликоопорами, м; у(9) - температурный коэффициент; чг, - погонные нагрузки от груза и ленты, Н/м;
• сила сопротивления от деформирования груза и ленты:
Цдеф = Сдеф (Чг + Ч) X вхр(-5/е)), н, (5)
где Сдеф - константа деформирования, зависящая от ширины и скорости ленты, типа груза, угла наклона боковых роликов и пр.; е - константа, зависящая от типа ленты, Н; S - натяжение ленты, Н.
Таким образом, суммарная сила сопротивления на единичной роликоопоре равна:
Ср = UBP + ивл + идеф = С1+ C2 X exp(-S/e), Н. (6)
Как видно из данной формулы, сила сопротивления движению зависит от натяжения ленты S, поэтому для определения характера его изменения по длине конвейера в работе выполнено интегрирование и получена следующая формула: S(x) = Sr + С1 x + eln[1 + С2/С1 x exp(-S0/e)(1- exp(-C1 x/е)], (7)
где S0 - начальное натяжение на ветви.
Поскольку натяжение S(x) зависит от начального натяжения на ветви S0, расчет выполнен в два этапа: ориентировочный и уточненный.
Для конкретных условий перегона выполнены числовые расчеты основных параметров ленточных конвейеров. Отражено, что для конвейера фирмы «H+E Logistik» при работе его с ТПМК «Herrenknecht» мощность приводов завышена примерно в 2,5 раза. Рассчитанный отечественный конвейер для тех же условий эксплуатации имеет аналогичную ширину ленты, а мощность привода -почти в 2 раза меньшую по сравнению с конвейером фирмы «H+E Logistik».
Американская фирма Goodyear, имеющая 30-летний опыт эксплуатации ленточных конвейеров, для определения срока службы тканевых лент подземных конвейеров рекомендует следующую формулу:
D535 х L K
T _ _ min_ _
_ ,Д5 „ s6,27 TZ4.12 _ /77
v х5Е х Kp VV (8)
где Dmin - диаметр наименьшего барабана; 5^- толщина ленты.
T _ к T _ _к_ 1 _V3o; 2 _71б
TL_ к : к _ K xjb6 T2
T1 = 0,7 х T2, или T2 = 1,5T1.
Таким образом, срок службы конвейерной ленты (T) обратно пропорционален квадратному корню из скорости ее движения (VV).
Принимаем ленту с количеством прокладок, равным 3-м. В этом случае определяющим показателем является величина прочности а. вр = B х а х i, Н, (9)
где вр - разрывное усилие (усилие, при котором происходит разрыв ленты); i = 3- число прокладок.
Q
S ^^^, Н, (10)
max 11 4 '
n
где Smax = S7 = 48 546Н - максимальное усилие, действующее на ленту конвейера (получено на основании тягового расчета).
S х n = B х а х i; (11)
B x i
48546x10 650 x 3
, H/MM;
(12)
а =
= 249 H/MM; а =
48546 x 10 650 x 4
= 187 H/MM.
При заданном типе ленты и максимальном натяжении, действующим в ленте конвейера, можно определить число прокладок ленты или, если задано число прокладок в ленте, можно определить ее тип. В качестве примера - для i = 3 -лента ТА-300, для i = 4 - лента ТА-200. По вышеприведенным расчетам можно определить потребный тип ленты или проверить пригодность имеющейся на складе ленты.
Таким образом, проведены исследования двух схем конвейерного транспорта для разработанного грунта ТПМК:
• схема строительства перегонного тоннеля от ст. «Кунцевская» до ст. «Парк Победы» Митинско - Строгинской линии Московского метрополитена с обоснованием и расчетами параметров оборудования фирмы "H+E Logistik";
• схема строительства аналогичного перегонного тоннеля с обоснованиями и расчетами параметров типового отечественного оборудования.
В результате исследований, выполнены обоснования параметров конвейерного транспорта грунта к ТПМК:
• ширина ленты конвейера - 650 мм;
• применительно к типовому отечественному оборудованию, мощность двигателей приводных барабанов двухбарабанного привода N = 70 кВт;
• применительно к оборудованию фирмы "H+E Logistik", мощность двигателей приводных барабанов двухбарабанного привода N = 126 кВт;
• срок службы конвейерной ленты (в относительных единицах);
• прочностные характеристики принятой конвейерной ленты.
Строительство перегонных тоннелей метрополитенов, оборудованных магистральными конвейерами, осуществляется в России с помощью зарубежных ТПМК. Применение аналогичного оборудования к отечественным ТПМК позволит:
• ускорить строительство перегонных тоннелей в аналогичных гидрогеологических условиях как минимум в 2 раза;
• исключить из работы рельсового транспорта 20 вагонеток УВГ-1,6 и два электровоза;
• использовать для рельсового транспорта только один путь 900 мм большой грузоподъемности, взамен двухколейных путей по 600 мм;
• применить дизельные локомотивы, перемещающиеся по тоннелю по одному пути 900 мм со скоростью до 35 км/час, вместо контактных электровозов, перемещающихся со скоростью 10 км/час;
• использовать для крепления тоннелей обделку шириной до 1500 мм, взамен применяемой обделки шириной 1000 мм, что позволит увеличить скорость ее монтажа, а также повысить надежность сооружения за счет сокращения количества стыков.
Оценка стоимости и трудоемкости тоннельного строительства сопровождается учетом показателей всей номенклатуры операций, входящих в технологию сооружения тоннеля.
Сокращение сроков строительства перегонных тоннелей, которые являются основными сооружениями метрополитенов, повышает эффективность капиталовложений, способствует ускорению темпов экономического развития и
быстрой окупаемости капиталовложений, при этом более эффективно используется оборудование и уменьшаются накладные расходы. При определении расчетной стоимости необходимо учитывать влияние фактора времени.
В качестве наглядного примера оценки возможного экономического эффекта от ускорения проведения перегонных тоннелей следует рассмотреть проведение тоннеля на перегоне ст. Новогиреево - ст. Новокосино Калининской линии Московского метрополитена.
В рабочем проекте установлена скорость проведения тоннеля Vpn = 300 м/мес. Фактическая скорость проведения тоннеля V^ = 600 м/мес.
Ожидаемый экономический эффект Э = (К .п. • L - Кф • L) + Эсс., млн руб., (13)
где К п = 1,5 млн руб. - установленная рабочим проектом стоимость 1 м тоннеля; Кф = 0,952 млн руб. - фактическая стоимость 1 м тоннеля; L = 1600 м -длина перегонного тоннеля; Эсс - дополнительный эффект от сокращения строительства (прибыль от досрочной сдачи в эксплуатацию), млн руб.: Э = Q • П • Т , млн руб., (14)
с.с. ^-п.п. доп.1 1 -7 1 х '
где Qnii = 105 тыс. чел. в сутки - посадка пассажиров на перегон по рабочему проекту; П = 14 руб. - прибыль за счет проезда пассажиров (при стоимости одного билета в среднем 28 руб., 50% идет на эксплуатационные расходы, поэтому прибыль с одного билета составляет 14 руб.); Тдоп - дополнительный эффект от ускорения строительства, сут.:
Т = Т - Тф, сут., (15)
доп. р.п. ф
где Трп = 160 сут. - установленное рабочим проектом время проведения перегонного тоннеля; Тф = 80 сут. - фактическое время проведения перегонного тоннеля; Т = 160 - 80 = 80 сут.
доп.
Дополнительный эффект от сокращения строительства Эс.с. = 105 000 • 14 • 80 = 117,6 млн руб.
Таким образом, ожидаемый экономический эффект за счет ускорения проведения тоннеля на перегоне ст. Новогиреево - ст. Новокосино Калининской линии Московского метрополитена Э = (1,5 • 1600 - 0,952 • 1600) + 117,6 = 994,4 млн руб.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Федунеи Борис Иванович - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, e-mail: ud@msmu.ru, Бойко Филипп Анатольевич - кандидат технических наук, ОАО «Мосинжпроект».
UDC 69.035.4
INCREASE OF EFFICIENCY OF BUILDING DRIVING TUNNELS OF UNDERGROUNDS WITH TUNNEL BORING MACHINES
Fedunetz B.I., Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State Mining University, JSC «Mosinzhproekt», Boyko F.A., Candidate of Engineering Sciences.
Increase of efficiency of building driving tunnels of undergrounds can be carried out with wide application of conveyor transport for developed breed with tunnel boring machines, instead of rail transport existing in domestic practice. The technique of calculations for conveyor transport is resulted and the positive effect from its application is shown. Economic benefit of carrying out building acceleration of driving tunnels is reflected.
Key words: efficiency of building, driving tunnels, conveyor transport.
