Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Щитовая проходка предъявляет достаточно высокие требования к строительной площадке, использованию воды и электричества. Необходимо провести полноценное исследование по поводу условий поставки.

Изыскания охраны окружающей среды направлены на изучение всевозможных влияний щитовой проходки на окружающую среду, перед началом и в процессе производства работ необходимо провести различные изыскания.

При возникновении потребности на некоторых объектах по окончанию работ все еще проводятся дополнительные проверки, чтобы овладеть влиянием на окружающую среду, которое включает в себя: шумные звуки и вибрация, деформация фундамента, содержание вредных веществ в болотных газах и газах с недостатком кислорода, химическое бетонирование, обработка и транспортировка шлака.

2) Объект изысканий

Геологические изыскания должны включать в себя наземные и подземные сооружения, подземные установки, водные скважины и старые скважины, остатки строительных и временных зданий и сооружений и другие объекты.

(1) Что касается наземных сооружений, то нужно провести изыскания формы строения (если квартирная постройка, то необходимо проверить материал, из которого выполнена данная конструкция; если мостовая конструкция, то нужно проверить статически определимая или статически неопределимая и т. д.), тип фундамента, заложен ли под землей фундамент, есть ли подвальное или цокольное помещение. Что касается подземных сооружений (подземная парковка, подземный ТЦ, метро и т. д.), то необходимо исследовать тип конструкции, глубину заложения фундамента сооружения и др. Также важным фактором является исследование условий эксплуатации данных сооружений, особенно нужно провести детальные изыскания в отношении сооружений, снабженных точными приборами.

(2) Что касается наземных и подземных водопроводов, электрических кабелей, кабелей связи и других подземных предметов, то необходимо провести предварительное исследование о том, как проложены те или иные коммуникации, нужно полноценно изучить все о будущем месте заложения вертикальной скважины. Помимо прочтения необходимых технических документов, имеющихся у руководства, также нужно по месту с помощью пробного шурфа или геологических радаров и других поисковых устройств проверить актуальное местоположение, масштаб, глубину заложения, состояние и другие условия коммуникаций.

(3) Что касается водных скважин и старых колодцев, то необходимо удостовериться, не будут ли возникать в процессе щитовой проходки такие риски, как извержение, недостаток кислорода и др. По сравнению с другими видами щитовой проходки при использовании щита со сжатым воздухом гораздо больше сфера изысканий, которая может содержать расположение водной скважины, ее глубину и использование; наличие недостатка кислорода, степень недостатка и др. При наличии возможности загрязнения или недостаточно высокого уровня воды необходимо проверить изменения уровня воды за год и физические свойства воды. При исследовании старых скважин нужно, опираясь на материалы от владельца, проверить, нет ли несоответствий.

Как правило, проводить исследования, нацеленные на сооружения и остатки ВСиЗ, достаточно сложно. Но чтобы избежать внезапных препятствий, которые могут встретиться на пути проходки, необходимо прояснить всю ситуацию у владельца земель. Кроме этого нужно исследовать уровень загрязнения грунта и подземных вод, качество обратной засыпки, количество остатков. Например, при планировании постройки сооружения или подземных коммуникаций необходимо проверить масштаб, глубину и т. д., чтобы избежать взаимовлияния щитовой проходки и этих зданий, необходимо полностью проговорить конструкцию, способ производства работ и сроки.

3) Рекогносцировка и геоизыскания

Цель рекогносцировки и геологических изысканий состоит в предоставлении необходимых базовых материалов для осуществления планирования, проектирования, производства работ и защитного управления. Геологические изыскания для щитовой проходки главным образом используются для выбора маршрута туннеля, подтверждения возможности использования щитовой проходки, предоставления доказательств для осуществления мероприятий по охране окружающей среды, вынесения решения по масштабу, характеру строительства, также они являются материалом по защитному управлению по окончании производства работ. Обычно в себя данный вид изысканий включает состав рельефа и геологических слоев, геологию, подземные воды, недостаток кислорода, содержание вредных веществ и др. Поскольку топографические и геологические условия являются решающим фактором, который определяет степень затруднения производства работ и проектирования щитовой проходки, то к данному процессу стоит отнестись крайне скрупулезно.

(1) Поскольку рельеф местности часто отражает подземные вмещающие породы, то первым шагом будет осмотр и овладение рельефом. Если на изучаемом месте холмы и возвышенности, то под землей обычно не будет аллювиальных отложений, поэтому редко встречаются слабые грунты. Кроме этого даже при наличии таких отложений можно, благодаря тщательным исследованиям топографических условий и условий окружающей среды, установить, в какой-то степени состав слоев подземных вмещающих пород. При некоторых геологических условиях, когда трасса туннеля в местах пересечений с плоскогорьем и равнинной местностью наклоняется или параллельна им, то может возникнуть очевидный уклон.

(2) Вместе с топографическими изысканиями накапливаются и исследуются документы, овладевая составом геологических слоев, которые находятся вдоль трассы. В районе, где производится щитовая проходка, обычно много полезных материалов. Наиболее представительными являются геологические карты, схемы пригодного грунта и т. д. Одновременно с этим с помощью бурения скважины стандартным пенетрационным испытанием проводятся основные изыскания, по результатам которых получается геологический разрез с пометкой всех слоев. Таким образом можно определить грунтовые проблемы во время производства работ щитовой проходкой и тем самым внимательно изучить эти самые проблемы.

(3) Обычно можно выполнять строительство проходческим щитом для любых оснований из вмещающих пород с применением проходческих щитов с закрытой лицевой стороной. Но при применении щита с нагнетанием глинистой воды, связный грунт будет приставать к резцовой головке и барокамере, что приводит к засорению и влияет на проходку; в рыхлом песчаном пласте будет возникать обвал забоя из-за трудности образования целостной глинистой пленки, что приведет к оседанию основания и провалу земли; а на гравийном пласте может возникнуть выкрашивание галек, что приведет к развалу забоя, износу, излому ножей или засорению грунторазгрузочной трубы. Поэтому надо производить расследование состава зерен, коэффициент фильтрации и т. д. (для гравийного пласта особенно расследовать форму, размер, содержание, твердость и неравномерность). И также при применении щита с грунтопригрузом, чтобы проектировать условие пластической текучести в барокамере, материал, форму режущей головки, форму прореза резцовой головки, винтового выбрасывателя и т. д., параметры требуют расследования формы, размера, твердости и состава зерна (в частности, содержания мелкозернистых), коэффициента фильтрации крупных галек.

В соответствии с условиями производства работ при применении сжатого воздуха на рыхлых песчаных слоях ниже уровня воды и снижении давления воздуха снизу рабочей поверхности могут одновременно выливаться вода и высыпаться песок; если повысить давление, то песок в верхней части рабочей поверхности может пересохнуть, может быть потеряна глинистость, тем самым на мизерных аллювиях могут возникнуть зыбучие пески. Особенно когда слой вскрышной породы очень тонок, то совсем сложно достичь идеального эффекта по сжатому воздуху и может возникнуть утечка воздуха. При возникновении вышеупомянутых рисков, помимо измерения значения N-стандартного испытания на пенетрацию грунта, также нужно провести гранулометрический анализ, определить коэффициент пористости, на месте провести испытание водопроницаемости и определить минимальный коэффициент пористости и т. д. При производстве работ на слабых грунтах (пылеватый, глинистый), где значение N 1-2 и ниже, возникает риск снижения прочности из-за понижения уровня грунтовых вод, нужно проводить испытание на прочность. Говоря о достаточно слабых глинистых слоях, помимо вышеуказанных испытаний, лучше всего также определить содержание песка, влажность, коэффициент густоты, силу сцепления и т. д.

(4) При исследовании скважины необходимо определить местоположение подземных вод, но поскольку давление грунтовых вод, содержащихся в водянистых слоях, необязательно будет гидростатическим, нужно по отдельности определить поровое давление вод в каждом слое, где они содержатся. Рядом с районами, где есть горы и возвышенности или в слоях с гравием в пролювиальном веерообразном конусе, часто присутствуют артезианские напоры с излишком гидростатического давления. Наоборот, в городских и других районах часто по причине чрезмерной откачки воды давление в напоре воды будет ниже гидростатического, а иногда даже не бывает напора.

Такие уровни подземных вод и артезианские напоры воды могут меняться из-за человеческого фактора или вместе с сезонными изменениями, поэтому необходимо определить, при каких условиях происходит напор. Несмотря на то, что c помощью анализа гранулометрического состава можно примерно определить коэффициент фильтрации, лучше по месту провести испытание на водопроницаемость. Кроме этого, одновременно с исследованием подземных вод и артезианского напора, важным является исследование физических свойств подземных вод (содержание соли).

(5) Кроме того, часто возникают опасности, связанные с выбросом и взрывом биогаза, чтобы обеспечить безопасность строительной среды, необходимо выяснить, нет ли утечки вредного газа. Среди других видов вредных газов есть сероводород и газообразный оксид азота. Убедившись в наличии сероводорода, обратите внимание на проблему коррозии футеровки. Следовательно, когда ожидается наличие вышеупомянутых газов, надо исследовать состав вредных газов в порах. Если действительно есть газы с дефицитом кислорода или вредные газы, необходимо рассмотреть меры вентиляции и даже меры взрывозащиты.

В процессе строительства щита изыскания на этапе предварительного проектирования основаны на бурении с испытаниями на месте, инженерно-геологическими испытаниями и геофизическими исследованиями для приблизительного определения геологии пласта проходного участка щита и ориентировочного определения основных физико-механических свойств каждого слоя. На стадии строительного чертежа геологическое исследование должно дополнительно изучить литологию и физико-механические параметры поверхности выемки защитного туннеля и обеспечить основу для строительного чертежа и выбора щита. Требования к топографии и геологическим изысканиям для проекта защитного туннеля показаны в таблице 3-1.

Таблица 3-1. Топографо-геологические изыскания щитового туннелестроения

При проведении геологических изысканий для щитовой проходки необходимо использовать комплексный подход, детально изучив геологическую ситуацию районов, через которые проложена трасса. Главным методом данного способа является бурение скважин. Количество шурфов должно быть определено степенью сложности геологических условий. Скважины должны располагаться по обеим сторонам трассы, их местоположение должно быть за границей трассы 2 – 5 м. Все скважины не должны располагаться внутри трассы туннеля, соединительных каналах и других долговечных конструкциях. По завершению испытаний необходимо ликвидировать скважины обратной засыпкой. Интервал скважин можно определить в соответствии с таблицей 3-2.

Таблица 3-2. Интервалы между скважинами (м)

Обыкновенная глубина бурения H1, определяется по формуле H1=H+D+5 (m); подконтрольная глубина бурения H2 определяется по формуле H2=H+D+2D (m), где Н – высота земляного покрова, D – внешний диаметр туннеля. Физические изыскания также являются важным методом изысканий. На месте с подходящим рельефом, геологическими условиями надо выявлять назначение разнообразных физических разведок, чтобы производить комплексную разведку. Из-за ограниченности физической разведки и многих вариантов результатов, в сочетании с бурением, разведкой канавами или выработками, дешифрированием и др. геологическими данными, необходимо производить определение физических механических показателей, разделение стратификаций породного грунта, обоснование зондирования подземных коммуникации, сооружений. Количество отверстий для выборочного испытания и испытание на месте не должно быть меньше чем 1/2 общих отверстий. Для участка контроля и влияния на проект маршрута щита надо производить аналитическое испытание по характеру, требованию конкретного объекта и со сбором образца породы, грунта и воды. Содержание испытания определяется на основании конкретного геологического условия и требуемых параметров породы, грунта и воды для проектирования.

3.1.2. Методы обследования туннелей

При инженерных изысканиях в туннелях, когда необходимо установить характер и распределение горных пород и грунта, образцы горных пород и грунта берутся из-под земли для проведения испытаний в помещении с целью определения физических и механических свойств горных пород и грунта. Методы разведки, такие как выемка грунта, бурение, и геофизические исследования.

1) Копка

(1) Исследование котлована – грунтовый котлован, который вырывается вертикально вниз с помощью машин или рабочей силы или называется испытательным котлованом, а глубокий – разведочным колодцем. Участок разведки карьера можно разделить на круглые, овальные, квадратные, прямоугольные и т. д. По форме проема, а его площадь поперечного сечения составляет 1 м х 1 м, 5 м х 1 м. Выбор размера зависит от характера, назначения и глубины почвенного слоя. Глубина котлована обычно составляет от 2 до 3 м.

(2) Исследование траншеи – выкапывают длинный и узкий желоб, ширина которого обычно равна 0. 6 ~ 1. 0 м, длина зависит от потребности, глубина обычно меньше 2 м, рытье траншей подходит для мест, где коренная порода не является толстой, ее часто используют для отслеживания линии конструкции, для определения толщины и характера уклона слоя и остаточного слоя, и обнажения стратиграфической последовательности. Как правило, рытье траншеи следует устраивать перпендикулярно простиранию пласта или структурной линии.

2) Простое бурение

Простое бурение – метод, часто используемый в инженерно-геологических изысканиях, преимуществами которого являются легкий инструмент, небольшие размеры, удобство в эксплуатации, более быстрая съемка и низкая трудоемкость. Недостаток заключается в том, что с его помощью нельзя брать пробы почвы или пробы в ненарушенном состоянии, а также нелегко пробурить плотные или твердые породы. Обычно используемые простые буровые инструменты включают небольшие резьбовые сверла, сверла и лоянскую лопату.

(1) Изыскания винтовым буром

Конструкция бурового инструмента небольшого резьбового сверла включает в себя резьбовые буровые коронки и буровые штанги, которые просверливаются ручным роторным бурением под давлением, что подходит для связного грунта и субпесчаных слоев грунта. Можно получить образцы нарушенного грунта и глубину бурения меньше 6 м.

(2) Зонд для сверления

Буровой зонд, также называемый конусным зондом, заключается в использовании бурового инструмента, который устремляется вниз в почву, чтобы определить толщину рыхлой покрывающей породы или глубину заглубленной коренной породы на ощупь. Глубина разведки обычно до 10 м. Его часто используют для определения мощности лессовых пещер, болот, слабых грунтов и уклона их подошв.

(3) Лоянская лопата

Лоянская лопата для разведки заключается в том, чтобы использовать силу тяжести лоянской лопаты, врезаться в почву и просверлить круглое отверстие малого диаметра и большой глубины, в которое могут быть взяты тревожные пробы почвы. Глубина проникновения обычно составляет 10 м, а в лессовом слое она может достигать около 30 м.

3) Бурение

В инженерно-геологоразведочных работах бурение – один из важнейших и широко используемых методов разведки, позволяющий получить достоверные геологические данные о глубоких пластах. Обычно он используется при копании, потому что простое бурение не может достичь этой цели. Чтобы обеспечить качество инженерно-геологических буровых работ и избежать пропуска или неправильного обнаружения важных геологических границ, во время процесса бурения не следует оставлять подозрительных мест, а также следует проводить точный анализ и оценку полученных геологических данных. Используйте геологические данные, полученные в результате наземных наблюдений, для руководства буровыми работами и проверки результатов бурения. По способу разрушения горных пород бурение можно разделить на: ударное бурение, вращательное бурение, ударно-вращательное бурение и вибрационное бурение.

4) Геофизические исследования

Любой метод, основанный на различии физических свойств различных геотехнологий и использующий специальные инструменты для наблюдения естественных или искусственных изменений в физическом поле для оценки подземных геологических условий, в совокупности называется геофизической разведкой.

Геофизические исследования можно разделить на электроразведку, электромагнитную разведку, сейсморазведку, акустическое обнаружение, гравиметрическую разведку, магниторазведку и радиоактивную разведку. В туннельной инженерной геологии чаще используются электроразведка, сейсморазведка и геологоразведка.

Электроразведка – это оценка подземной геологии путем измерения разницы в электропроводности породы и почвы. Между слоями грунта существует определенная разница в проводимости, а измеренный слой имеет определенную длину, ширину и толщину, а относительная глубина заглубления не слишком велика; когда местность относительно плоская и факторы помех, такие как плавающий ток и промышленные мощности переменного тока не велики, с помощью электрических исследований можно добиться лучших результатов.

Сейсмическая разведка – это метод геофизических исследований для обнаружения подземных геологических условий путем распространения искусственно возбужденных упругих волн, основанных на различии упругих свойств горных пород и грунта. Сейсмическая разведка напрямую использует внутренние свойства (плотность и упругость) горных пород, является более точной, чем другие геофизические методы, и может обнаруживать большие глубины. В инженерно-геологических изысканиях сейсморазведка в основном используется для определения толщины перекрывающих отложений, заглубленной глубины и толщины горной породы, местоположения и возникновения зоны разлома и т. д.; для изучения упругости породы и для определения коэффициента упругости породы.

Геологический радар (электромагнитный метод разведки) – это электромагнитное устройство, которое использует отражение высокочастотных электромагнитных импульсных волн для обнаружения пластовых структур и заглубленных объектов в грунте. Поэтому его также называют георадиолокацией. Он излучает широкополосные импульсные волны под землей через передающую антенну. При обнаружении различий в диэлектрической проницаемости и проводимости различных сред они будут отражаться на их поверхности раздела, а электромагнитные волны, возвращающиеся на поверхность, будут приниматься приемной антенной. Цель определяется на основе полученного эхо-сигнала, и рассчитываются ее расстояние и положение. Может использоваться для обнаружения с воздуха, земли и скважин, но в основном на земле.

3.2. КЛЮЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ВЫБОРЕ ЩИТА

Щитовой метод является одним из самых передовых методов строительства подземных туннелей. С тех пор, как Брюнель впервые использовал выкопанную вручную технологию прямоугольного щита для рытья первого щитового туннеля под Темзой в 1825 году, технология щита прошла много испытаний. Более чем 190 лет сделали метод проходки защитных туннелей подходящим для строительства в любых гидрогеологических условиях, будь то мягкие, твердые, с грунтовыми водами или без них, проходка защитных туннелей может использоваться при строительстве подземных тоннелей.

Изобретение Брюнеля первого в мире щита – проложило только 370-метровый туннель и просуществовало 18 лет. Во время строительства он испытал пять огромных потоков воды, и шесть жизней были принесены в жертву. В настоящее время технология строительства защитных туннелей непрерывно совершенствуется во многих странах мира, но при продвижении и применении было несколько несчастных случаев. Около 70% этих несчастных случаев вызваны ошибками при выборе и проектировании защитных ограждений, которые повлияли на период строительства всего проекта, но также привели к большим экономическим потерям и ненужным человеческим жертвам.

Щиты изготавливаются «на заказ» в соответствии с конкретными особенностями, такими как инженерная геология, гидрогеология, формы рельефа, наземные здания, а также подземные трубопроводы и сооружения.

3.2.1. Принципы выбора щитовой проходки

Выбор щитовой проходки является одним из ключевых факторов, обеспечивающим безопасную, экологичную, качественную, экономичную эксплуатацию щитовой проходки туннелей.

Среди принципов выбора можно выделить безопасность, технологичность, экономичность, которые связаны друг с другом. Главным принципом является безопасность, основной составляющей которого является гарантия стабильности забоя. При этом необходимо обращать внимание на геологические условия (классификация, прочность, коэффициент фильтрации, гранулометрический состав, фракции) и условия подземных вод, также необходимо полноценно указать условия строительной площадки, условия окружающей среды около вертикального шурфа, условия строительных подземных и надземных сооружений, располагающихся вдоль трассы, особенные условия площадки и др. На этой базе необходимо учитывать технологичность и экономичность, чтобы выбрать подходящий туннелепроходческий комплекс. При ошибочном решении необходимо будет использовать много вспомогательных решений, и возможно приведет это к невозможности туннельной проходки или даже возникновению серьезных неполадок во время производства работ. При выборе щита необходимо следовать следующим правилам:

(1) Необходимо адаптироваться под инженерно-геологические и гидрометеорологические условия, прежде всего, нужно отвечать требованиям безопасности на объекте.

(2) Необходимо объединить безопасность, передовые технологии и экономичность, в условиях надежного обеспечения безопасности необходимо всецело учитывать технологичность и экономичность.

(3)Необходимо удовлетворить требованиям внешнего диаметра туннеля, его длины, глубины залегания, строительной площадке, окружающей среды и т. д.

(4) Необходимо отвечать требованиям безопасности, качества, сроков производства работ, экологичности и формирования стоимости выполнения работ.

(5) Мощности вспомогательного оборудования должны подходить главному оборудованию щита, производственные мощности должны совпадать со скоростью проходки, одновременно с этим необходимо обладать такими особенностями, как: безопасность производства работ, несложная конструкция, рациональное расположение оборудования, легкость в ТО.

(6) Известность, уровень доверия, обеспечение техсервиса завода-производителя щита.

В соответствии с вышеуказанными принципами необходимо провести анализ основных технических параметров и типа туннелепроходческого комплекса, чтобы гарантировать безопасность и надежность щитовой проходки, тем самым определить наиболее подходящий щит и наилучшие методы производства работ. Выбор щита является ключевым звеном при производстве работ, это напрямую влияет на безопасность, качество, технологию и себестоимость производства работ щитовой проходкой. Необходимо крайне внимательно отнестись к выбору щита, чтобы обеспечить оптимальный ход производства работ и их завершение.

3.2.2. Шаги при выборе проходческого комплекса

(1) Основываясь на изучении инженерно-геологических, гидрометеорологических условий, окружающей среды, требований сроков производства работ, экономичности и т. д., выбрать тип проходческого щита. В соответствии с устойчивостью вмещающих пород, необходимо выбрать щит открытого или закрытого типа. В соответствии с геологическими условиями необходимо выбрать щит для слабых пород или комплексного типа.