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 · Kн ≥ R · Ky, (6.1)
где R – общее расчетное сопротивление перемещению щита; Kн – коэффициент надежности системы по обеспечению напорного усилия, Kн = 0,9 ÷ 0,95; Kу – коэффициент условий работы (для песков и невыветренных скальных пород
Kу=1,0; для глин и выветренных скальных пород Kу =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 Noc – безразмерное число, принимаемое по табл.6.1, в зависимости от угла внутреннего трения φ и показателя S сжатия сечения ножевого кольца;
,
Dщ – диаметр щита, м; dвн – 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 Fз.д.1– усилие забойного домкрата, приложенное к временной крепи забоя, кН; пз.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 = руд · t · L, кН, (6.5)
где руд – 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 = [2qуд · (1 + ξ) · Dщ · Lщ + Gщ] · fmp + 1000 · π ·Dщ · Lщ · cуд, кН, (6.6)
где fmp – 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
qуд – 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);Dщ (м),Lщ (м), Gщ (тонн) – соответственно диаметр, длина и вес щита, м; cуд – удельное сцепление грунта с оболочкой щита. Для сыпучих и скальных грунтов cуд= 0, для глинистых cуд = 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); Go6 – 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 Do6,Lo6 – соответственно внешний диаметр обделки и длина обделки в оболочке щита; рr – 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 км – коэффициент местных сопротивлений, км = 2,0; Gк – вес перемещаемой части комплекса.
Вычислив общее сопротивление R и усилие передвижки F, определяют суммарное усилие забойных домкратов
Fзд = кщ · F, кН, (6.13)
где
, кН, (6.14)
кщ – коэффициент, учитывающий отключение части щитовых домкратов при движении щита на кривой и при корректировке его положения, кщ = 1,3 ÷ 1,5.
Затем проверяется условие
Fзд ≤ ∑Pд.н,
где ∑Pд.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
Рд =Fзд/nз.д, кН, (6.15)
где пз.д – количество щитовых домкратов.
При заданной величине рабочего давления рв домкрате диаметр его цилиндра dд будет равен
. (6.16)
Условие нераздавления блока обделки запишется в виде /16/:
Рд ≤ кн ·Sб [sсж], кН, (6.17)
где Sб – площадь контакта башмака домкрата с обделкой; [sсж]– допустимое напряжение сжатия обделки; кн – коэффициент неравномерности распределения нагрузки, принимается кн = 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 Lщ= 3,7 м; вес щита G = 254 кН; внутренний диаметр ножевого кольца dвн = 2,0 м; количество забойных домкратов nзд = 12.
для песков и супесей с = 10 кН/м2; φ = 30º; Fзд = 2,3 кН; fmp = 0,60; f = 0,5;
ξ = 0,30; cуд= 0; g = 0,017 МН/м3; p = 10 МПа;
для глин и суглинков руд = 1400 кН/м2; t = 0,03м; φ = 20º; fmp = 0,90; f = 1,0;
ξ = 0,60; cуд= 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 Nос = 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
fmp = 0,60 (см. табл.6.2); f = 0,5; ξ = 0,30; cуд= 0 g = 0,017 МН/м3. Значение qуд 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)
Fзд = 1,4 · 1712 = 2397 кН.
Напорное усилие одного домкрата исходя из формулы (6.15)
Рд = 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 кн = 0,75, Sб = , где d – диаметр штока, d = 0,16 м; Sб =
= м2; [sсж] = 20 МПа)
Рд ≤ 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 руд = 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; fmp = 0,90 (см. табл.2); ξ = 0,60; cуд= 0,01; g = 0,018 МН/м3. Значение qуд 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)
Fзд = 1,4 · 1857 = 2600 кН.
Напорное усилие одного домкрата исходя из формулы (6.15)
Рд = 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 кн = 0,75, Sб = , где d – диаметр штока, d = 0,17 м;
Sб = м2; [sсж] = 20 МПа)
Рд ≤ 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 |