Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

(2) При выборе щита закрытого типа необходимо в соответствии с коэффициентом фильтрации, давлением подземных вод, вспомогательных методов по производству работ, окружающей средой, безопасностью и другими факторами выбрать щит с гидропригрузом или грунтопригрузом.

(3) Если щит с гидропригрузом и грунтопригрузом не может удовлетворить требованиям забоя, то нужно подумать о выборе щита комплексного типа.

(4) В соответствии с материалами геологических изысканий необходимо произвести расчет и выбор главных функциональных агрегатов щита, спроектировать (например, вид привода и тип конструкции резцовой головки, количество забоя, виды режущих устройств и их расположение, вид и габариты шнекового транспортера, конструкцию призабойной стены и вид шламовой двери, расположение и вид дробильной установки и т. д.) и утвердить в соответствии с геологическими условиями главные технические параметры, при выборе которых необходимо провести точный расчет (диаметр резцовой головки, скорость оборотов, крутящий момент, мощность привода, скорость проходки и толкания, мощность, диаметр, длина шнека и т. д.).

(5) В соответствии с геологическими условиями выбрать оборудование для «хвоста» комплекса, которое будет совпадать по параметрам со скоростью проходки.

3.2.3. Теория и практика выбора щитовых комплексов

Способы выбора проходческого щита главным образом придерживаются теории треугольника.

Общие принципы теории треугольника – это «центром является устойчивость забоя, основной частью являются инженерно-геологические и гидрометеорологические условия; доказательной базой являются фракции, коэффициент фильтрации, давление подземных вод , также необходимо комплексно продумать актуальную ситуацию производства работ; гарантировать, что выбранный комплекс будет отвечать общей цели по устойчивости, проходке и выбросу». Вкратце это можно сказать следующим образом: «один центр, две основы, три доказательства и три действительности, три большие цели» (рис. 3-1).

1) Стабильность забоя.

При туннельном строительстве щитопроходным способом необходимо решить три основных вопроса: режущая поверхность (экскавация), давление уравновешивающей поверхности (стабилизация), вывод шлакового грунта из призабойного отсека (вывод).

Рис. 3-1. Схема треугольной теории выбора проходческого щита

Касательно режущей поверхности (экскавации) при одинаковых условиях пласта и резцовой головки, все виды щитов примерно одинаковы, отличается лишь давление уравновешивающей поверхности (стабилизация) и способ выведения шлакового грунта (вывод).

Конструкция стабилизации забоя в щитопроходческом комплексе подразделяется на два вида: открытого типа и закрытого типа. В обоих видах вопрос стабилизации забоя решается по-разному. Открытый тип подразумевает опору на твердость грунтовой поверхности забоя, а в закрытом типе – при помощи давления грунтовой массы (щит с грунтопригрузом), либо давления глинистой воды (щит с гидропригрузом) оказывается сопротивление стремящейся к высвобождению нагрузке поверхности забоя, тем самым сохраняется его стабильность.

(1) Стабильность забоя при использовании щита открытого типа.

При использовании щита открытого типа, стабильность поверхности забоя во время прохождения вперед осуществляется посредством установленной в щите грунтосдерживающего механизма и улучшения состояния грунтовой массы.

1. Грунтосдерживающий механизм

Грунтосдерживающий механизм щита открытого типа состоит из подвижной стрехи, передвижной грунтосдерживающей плиты и толкающих гидроцилиндров. Сначала установленная в передней части щита грунтосдерживающая стреха врезается в грунт, одновременно предотвращая обрушение забоя и осуществляя проходку вперед, затем передвижная грунтосдерживающая плита, расположенная в экскавируемой зоне, с помощью гидроцилиндров осуществляет опорное сдерживание с одновременной проходкой вперед.

2. Улучшение грунта забоя

Существует несколько способов улучшения грунта забоя: пневматический (нагнетание воздуха), способ осаждения воды, способ химического цементирования и др. В зависимости от условий конкретного проекта, могут применяться несколько комбинированных способов.

а. Пневматический способ использует гидростатичность и эффект нагнетания воздуха в грунтовом основании в качестве объекта, с помощью грунтосдерживающего эффекта отвода воды сжатым воздухом предотвращается затопление и обвал забоя. В данном способе применяется сравнительно простое оборудование, позволяющее с легкостью осуществлять управление параметрами давления, благодаря чему он чаще всего используется в щитах открытого типа. Однако, поскольку работы выполняются в условиях высокого давления, возникают проблемы, связанные с окружающей средой работ, эффективностью работ и т. д., к тому же, вследствие различия грунтовых слоев, приходится прибегать к мерам, противодействующим утечке воздуха, извержению наружу и переполнению бескислородного воздуха, поэтому данный способ на сегодняшний день применяется нечасто.

b. Способ понижения уровня подземных вод применяется по вектору расположения туннеля, с помощью метода создания скважинно-точек и метода создания глубоких скважин на поверхности грунта, удаляются подземные воды в зоне забоя с целью укрепления основание грунта. Метод скважинно-точек и другие способы для понижения уровня подземных вод применяются также и внутри туннеля.

c. Метод химического цементирования – это еще один способ обеспечения стабильности забоя путем принудительной закачки химической бетонирующей суспензии, который применяется в зоне грунтового зазора с целью повышения водонепроницаемости и прочности. Данный метод обладает хорошей технологичностью, достаточно часто используется для улучшения зон в ограниченных областях. Применяется два вида работ по закачке суспензии: первый вид применяется перед осуществлением проходки щита, второй вид применяется по мере осуществления проходки путем закачки суспензии внутри туннеля.

(2) Принцип уравновешивания давления забоя при проходке щитом закрытого типа.

При проходке щитом закрытого типа уравновешивание давления забоя чаще всего происходит с помощью гидропригруза и грунтопригруза. Прежде всего, стоит понять, что такое грунтопригруз и что такое гидропригруз.

На рис. 3-2 показан принцип уравновешивания с помощью грунтопригруза, из которого видно, как посредством регулировки скорости проходки и скорости вращения шлакоотводящего шнека регулируется объем скапливающегося в призабойном отсеке грунта, тем самым производится уравновешивание давления грунта и жидкости в забое. В целях достижения наилучшего уравновешивания забоя, шлаковый грунт в призабойном отсеке должен обладать достаточной вязкостью и текучестью. Однако, вследствие того, что медиаторной средой регулировки давления выступает шлаковый грунт в призабойном отсеке, то имеется определенная задержка, поэтому степень точности регулировки давления обычно достигает лишь 0.1 МПа.

На рис. 3-3 показан принцип уравновешивания с помощью гидропригруза, из которого видно, как посредством сжатого воздуха в кессонном отсеке щита уравновешивается давление грунта и вод забоя. В целях достижения наилучшего уравновешивания забоя шлаковый грунт в призабойном отсеке должен обладать достаточной вязкостью и текучестью. Так как воздушное давление можно регулировать с достаточной скоростью и точностью, то в процессе стабилизации забоя щит с гидропригрузом имеет естественное преимущество перед щитом с грунтопригрузом.

Рис. 3-2. Принцип грунтопригруза

Рис.3-3. Принцип гидропригруза

(3) Стабилизация забоя при использовании щита с грунтопригрузом.

Механизм стабилизации забоя при использовании щита с грунтопригрузом имеет следующие особенности:

1. В вынутый шлаковый грунт добавляются определенные добавки, посредством принудительного перемешивания резцовой головкой и лопастями миксера достигается улучшение его пластичности, текучести и водоотталкивающих свойств.

2. Когда шлаковый грунт заполняет призабойный отсек и полости шнека, с помощью толкающего усилия гидроцилиндров продвижения щита производится давление на шлаковый грунт, тем самым создается уравновешивание давления грунта и грунтовых вод забоя.

Поэтому в целях обеспечения стабилизации давления грунта в забое можно, при условии обеспечения стабильного состояния забоя, успешно осуществить вывод шлакового грунта. В то же время необходимо произвести улучшение шлакового грунта, обеспечив пластичность, текучесть и водоотталкивающие свойства.

Когда в вынимаемом шлаковом грунте мелкодисперсные частицы составляют около 30% объема, то перемешивание при хорошем гранулометрическом составе обеспечивает его пластичность и текучесть. Однако когда содержание песка и гравия относительно высокое, а гранулометрический состав не очень хороший, необходимо в шлаковый грунт добавить бентонит либо глинистые добавки и перемешать, регулируя тем самым гранулометрический состав. Для улучшения характеристик шлака при экскавации иногда добавляют пенистые либо полимерные материалы. В ситуациях, когда гранулометрический состав плохой, добавления пенистых или полимерных материалов бывает недостаточно; в таких случаях для достижения наилучшего эффекта добавляют также бентонит, глину и другие глиноформовочные материалы.

1. Стабилизация забоя в условиях вязких грунтовых слоев.

В вязких слоях грунта, таких как алевритовый песок, песчаный ил и др., шлак, срезанный режущим инструментом, как правило, имеет меньшую прочность, чем исходный слой, и обладает пластичностью и текучестью. Даже у почвы с большой адгезией, благодаря перемешиванию с помощью резцовой головки и шнекового транспортера, а также добавлению воды в грунтовый отсек и т. д., можно повысить текучесть. Что касается водонепроницаемости, то, поскольку коэффициент водопроницаемости вязкого грунта невысокий, водоотталкивающие свойства хорошие.

Шлак в бункере должен иметь определенное давление, чтобы конкурировать с давлением воды и грунта забоя. В соответствии со скоростью проходки, посредством регулировки крутящего момента и скорости вращения шнека, а также степени открытия заслонки шлакового грунта, достигается баланс между количеством грунта в забое и количеством отводимого грунта, обеспечивая стабилизацию забоя. Как правило, для контроля давления в забое используются датчики давления грунта, расположенные на внутренних стенках призабойного отсека. Однако стоит обратить внимание, что иногда вследствие плохой текучести, невозможно точно измерить давление грунта в призабойном отсеке.

Кроме того, если количество грунта в призабойном отсеке будет чрезмерным, вязкий грунт может начать уплотняться и застывать, что приведет к невозможности его экскавации и отвода, в таких случаях в грунт следует ввести добавки.

2. Стабилизация забоя в условиях песчаных грунтовых слоев.

Вследствие того, что сопротивление, угол внутреннего трения и сила трения песчанистных и гравийных грунтовых слоев высоки, сложно добиться хорошей текучести. Когда вынутый грунт заполняет призабойный отсек и полости шнека, крутящий момент резцовой головки и шнека, а также толкающее усилие гидроцилиндров щита увеличиваются, при этом произведение экскавации и отвод грунта не представляется возможным. Кроме того, коэффициент проницаемости в грунтовых слоях такого типа высокий, а эффект сжатия в призабойном отсеке и шнековом конвейере не может полностью остановить воду: при высоком давлении воды в забое, высока вероятность извержения материала через заслонку. Поэтому в слоях данного типа обычно используются такие методы, как введение добавок в забое или призабойном отсеке, установка дополнительных лопастей для принудительного перемешивания и другие способы придания шлаковому грунту текучести и водоотталкивающих свойств.

Как и в случае вязких грунтовых слоев, при помощи регулирования объема экскавации и количества отводимого грунта, можно добиться баланса между давлением воды и давлением грунта забоя, что способствует стабилизации забоя.

3. Три режима работы щита с грунтопригрузом.

Щит с грунтопригрузом обычно имеет три режима работы: открытый режим, режим локального давления воздуха и режим грунтопригруза (EPB). Как показано на рис. 3-4, Каждый из этих режимов проходки соответствует разным механизмам стабилизации забоя и геологическим условиям.

Рис.3-4. Три режима проходки щита с грунтопригрузом

а. Открытый тип.

Если забой достаточно стабилен, а грунтовых вод мало, щит с грунтопригрузом может использовать открытый режим работы, нет необходимости регулировать давление в призабойном отсеке, также можно гарантировать отсутствие деформации забоя и разрушения грунта в течение определенного отрезка времени. В этом режиме работы, срезаемый грунт сразу же отводится из призабойного отсека шнековым конвейером, поэтому призабойный отсек, в основном, находится в пустом состоянии, а резцовая головка и шнековый конвейер подвергаются относительно небольшому обратному воздействию крутящего момента. В таком случае, в основном при дроблении горных пород роликовыми резцами, проходка происходит с высокой скоростью, низким крутящим моментом и подходящей скоростью шнекового конвейера. Во время синхронного цементирования, бетонирующая суспензия может просачиваться в зазор между оболочкой щита и окружающим грунтовым массивом, и даже попадать в зону резцовой головки; избежать появления подобных ситуаций можно следующими способами: повышением вязкости бетонирующей суспензии до соответствующих значений, сокращением времени застывания суспензии, регулировкой давления бетонирующей суспензии, дополнительным цементированием несущей поверхности тюбингов и другими способами.

b. Полуоткрытый тип («режим локального воздушного давления»).

Скоростная проходка полуоткрытым способом применяется в случаях, когда забой обладает высокой степенью самостабильности, например, когда прилегающие грунтовые слои стабильны, но содержат грунтовые воды, либо когда большая часть прилегающего грунта стабильна, за исключением локальной потери давления и обрушения. При использовании данного режима временно останавливается шнек, закрывается шнековая заслонка, нижняя часть призабойного отсека заполняется шлаковым грунтом; в то же время в забой и призабойный отсек вводится необходимое количество присадочных материалов (таких как бентонит, глинистые материалы, присадки) и сжатый воздух, чтобы повысить водоотталкивающие свойства шлака в призабойном отсеке, а также под давлением в забой добавляются присадочные материалы для создания на поверхности забоя глинистой пленки. Посредством воздушного давления и глинистой пленки предотвращается затопление и обрушение туннеля, а также на малой скорости вращения в полости шнека образуется «грунтовая пробка», что позволяет безопасно и быстро пройти неблагоприятные участки грунта. Во время экскавации в призабойном отсеке остается определенное количество свободного места (шлаковый грунт заполняет призабойный отсек примерно на 2/3), что позволяет ввести в отсек сжатый воздух, который совместно со шлаковым грунтом будет выполнять функцию поддержки забоя и предотвращать проникновение подземных вод.

Помимо этого, данный тип также часто используется при работе в условиях мягких верхних и твердых нижних слоев. Во время работы, дробление твердых пород производится роликовыми резцами, а разрезание грунтовых слоев осуществляется с помощью зубчатых и скребковых резцов. При проходке в области дна реки, необходимо добавить пенообразователь, полимеры, бентонит и др., для улучшения водоотталкивающих свойств шлака и создания стабильного уравновешивающего давления в призабойном отсеке.

c. Режим грунтопригруза.

При экскавации в условиях плохой стабилизации грунта, либо мягких горных пород с высоким содержанием грунтовых вод, применяют режим грунтопригруза (EPB). В этом режиме, с помощью зубчатых и ножеобразных резцов происходит разрезание грунта и продвижение на низкой скорости с большим крутящим моментом, а также заполнение призабойного отсека шлаком, выходящего из резцовой головки. Шлак в призабойном отсеке принудительно перемешивается специальными лопастями, приваренными к обратной стороне резцовой головки и к различным зонам разделительной перегородки, при этом с помощью толкающего усилия гидроцилиндров, воздействующих на разделительную перегородку, создавая дополнительное давление глинистого грунта. Данное давление может измеряться датчиками давления грунта и контролироваться путем регулировки толкающего усилия, скорости продвижения и скорости шнека, обеспечивая равенство количества экскавируемого грунта и отводящегося шлака, а также уравновешенное состояние между давлением шлака в призабойном отсеке и давлением грунта и воды в забое.

4. Факторы, влияющие на стабилизацию забоя.

а. Давление грунта в призабойном отсеке, грунтового слоя и воды.

Щит должен поддерживать необходимое давление грунта в призабойном отсеке и непрерывно регулировать количество отводящегося грунта для того, чтобы сбалансировать давление грунта и давление воды в забое. Этот процесс можно разделить на следующие виды состояний: когда давление грунта в призабойном отсеке превышает давление грунта и давление воды в забое, поверхность земли поднимается; когда давление грунта в призабойном отсеке меньше давления грунта и давления воды в забое, поверхность земли оседает; когда давление грунта в призабойном отсеке совпадает с давлением грунта и давлением воды в забое, поверхность земли остается в покое.

b. Количество отводимого шнеком грунта.

Количество отводимого грунта обычно регулируется путем изменения скорости вращения шнека и степени открытия грунтовыводящей заслонки.

с. Текучесть глинистого грунта.

Для обеспечения стабильности забоя, срезанный грунт должен обладать текучестью и водоотталкивающими свойствами, а также в достаточной степени заполнять призабойный отсек.

5. Добавки для улучшения шлакового грунта.

Существуют следующие виды добавок, улучшающих шлаковый грунт при использовании щита с грунтопригрузом:

а. Глинистые материалы.

Для того чтобы шлаковый грунт обладал хорошей текучестью и водоотталкивающими свойствами, в его составе должно содержаться около 30% мелкодисперсных частиц. Если в вынутом грунте содержится недостаточное количество мелкодисперсных частиц, необходимо ввести бентонит, глину, прочие глиноформирующие материалы, для восполнения нехватки мелкодисперсных частиц. Концентрацию и необходимый объем введения глинистых материалов определяют исходя из гранулометрического состава, коэффициента неравномерности шлака и др.

b. Вспенивающий агент.

Для повышения текучести и водоотталкивающих свойств шлака, в забой или призабойный отсек добавляют специальную пену на основе особого вспенивающего агента. В песчанистых и гравийных грунтовых слоях текучесть шлака повышается за счет вспомогательной роли пузырьков пены; в вязких грунтовых слоях, пузырьки пены играют роль активной среды, препятствующей налипанию шлака на стенки призабойного отсека. С другой стороны, поскольку мелкие пузырьки пены вытесняют поровую воду во фракциях грунта, повышаются водоотталкивающие свойства. Количество вводимой пены, как и в случае с глинистыми материалами, определяется гранулометрическим составом, коэффициентом неравномерности шлака и др.

c. Вода.

Введение воды в шлаковый грунт большой вязкости может помочь увеличить текучесть и, вместе с тем, понизить его вязкость, предотвращая налипание шлака на резцовую головку и стенки призабойного отсека.

(4) Стабилизация забоя при использовании щита с гидропригрузом.

Существуют следующие особенности стабилизации забоя при использовании щита с гидропригрузом:

1. На поверхности забоя образуется труднопроницаемая глинистая пленка, которая позволяет давлению глинистой воды более эффективно воздействовать на поверхность забоя.

2. По мере проникновения глинистой воды в почву, ее мелкодисперсные частицы заполняют пустоты почвы, увеличивая прочность грунта.

3. При помощи регулировки скорости вращения подающего насоса, создается необходимое давление глинистой воды в призабойном отсеке, что позволяет контролировать давление грунта и воды в забое.

Значит, для обеспечения стабильности забоя необходимо установить оптимальный напор глинистой воды, и в то же время для достижения наибольшего эффекта этого напора нужно обращать внимание на ее качество. Среди важных качественных характеристик глинистой воды выделяют: плотность, коэффициент проницаемости, вязкость, особенности фильтрации, содержание песка и др.

1. Плотность глинистой воды.

Теоретически, увеличение плотности глинистой воды может увеличить ее ДНС (динамическое напряжение сдвига) и в то же время может усилить стабильность глинистой пленки. Как показывает практика, высокая плотность глинистой воды помогает создавать высококачественную глинистую пленку; лучше всего, когда плотность глинистой воды достигает плотности грунта забоя. Однако ее высокая плотность может привести к перегрузке шламового насоса и затруднительной переработке; а низкая плотность глинистой воды, несмотря на то, что помогает снизить нагрузку шламового насоса, из-за увеличения просачивания способствует замедлению образования глинистой пленки, что негативно сказывается на стабильности забоя. Следовательно, при определении плотности глинистой воды необходимо в полной мере учитывать структуру почвы, а также учитывать мощность оборудования при стабилизации забоя. Обычно плотность глинистой воды составляет 1.05 ~ 1.30 гр/см3.

2. Содержание песка и коэффициент проницаемости.

Как показано на рис. 3-5, Мюллер (Muller) и др., разделяют проницаемость глинистой воды на следующие три типа:

Тип 1-й: шламовая жидкость практически не просачивается, лишь формирует на поверхности глинистую пленку.

Тип 2-й: при больших порах в почве шламовая жидкость полностью проникает внутрь, не формируя на поверхности глинистую пленку.

Тип 3-й: является средним между типом 1-м и типом 2-м: шламовая жидкость частично проникает в почву, формируя при этом на поверхности глинистую пленку.

Тип 1-й в основном встречается в вязком грунте с малым коэффициентом проницаемости; тип 2-й – в песчано-гравийном грунте с большим коэффициентом проницаемости; тип 3-й – в песчаном грунте.

Рис. 3-5. Фильтрационное состояние глинистой воды в грунте забоя

В почвах с высокой водопроницаемостью из-за способности мелкодисперсных частиц заполнять поры грунта, скорость образования глинистой пленки тесно связана с максимальным размером частиц песка и количеством песка (вес песчинки / вес частиц глины). Как правило, имеет место следующая закономерность:

a. При коэффициенте проницаемости грунта равном k=5 × 10-3 м/с, если максимальный размер песчаной фракции достигает 0.84 мм, происходит проникновение в почву; только при максимальном размере песчаной фракции равном 2.0 мм за примерно 10 с, просачиваемость стабилизируется и происходит формирование глинистой пленки.

b. При увеличении содержания песчаных фракций S/c формирование глинистой пленки происходит все лучше и лучше. При k=5 × 10-3 м/с и ds >0.42 мм, для формирования глинистой пленки и уменьшения количества проникновения воды, достаточно значения S/c больше 0.1.

3. Вязкость глинистой воды.

Шламовая жидкость оптимальной вязкости имеет следующие эффекты воздействия:

а. Не допускает оседания песчаных и глинистых фракций на дне шламового призабойного отсека и обеспечивает стабилизацию забоя.

b. При повышении степени вязкости увеличивается сила сопротивления и предотвращаются потери глинистой воды.

с. Позволяет транспортировать экскаваруемый грунт в текучем виде, а шламовую жидкость разделять при помощи специального оборудования на глину и воду.

Во время работы на площадке значение вязкости Ваннера определяется количеством времени, затраченным на полное вытекание глинистой воды из воронкообразного контейнера для оценки его вязкости, получая подобие эквивалента вязкости. Значения вязкости Ваннера, часто используемые для стабилизации забоя, приведены в таблице 3-3.