Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Таблица 3-3. Величина вязкости Ваннера, требуемая для стабилизации забоя

4. Давление глинистой воды.

Несмотря на то, что при повышении давления глинистой воды увеличивается объем просачиваемости, его увеличение значительно меньше по сравнению с увеличением давления, таким образом щит с гидропригрузом посредством нагнетания давления глинистой воды повышает эффективность опорного давления, действующего на забой. Особенно при использовании высококачественной глинистой воды повышение ее давления может увеличить стабильность забоя. При определении давления глинистой воды нужно учитывать следующие факторы: давление воды забоя, давление грунта, а также резервное давление.

5. Скорость проходки.

В обычном режиме работы проходки щита с гидропригрузом режущий инструмент разрезает грунт не напрямую, а разрезает глинистую пленку, образовавшуюся на передней части резцовой головки. Сразу после разрезания образуется новый слой глинистой пленки. Поскольку скорость вращения резцовой головки щита является определенной величиной, а максимальная скорость продвижения щита ограничена, скорость проходки зависит только от глубины грунта и не имеет отношения к глинистой пленке. Однако, когда щит с гидропригрузом находится в ненормальных условиях работы, особенно когда качество глинистой воды и ее давление не соответствуют требованиям проекта, для образования глинистой пленки требуется много времени, что ограничивает скорость проходки. Время, требуемое для формирования глинистой пленки при использовании высококачественной глинистой воды, составляет 1 – 2 секунды.

2) Выбор модели щита

Основой для выбора щита являются инженерно-геологические и гидрогеологические условия, размер отдельных минеральных частиц (зерен) грунта, коэффициент проницаемости и давление грунтовых вод, а процесс выбора сочетается с практическими аспектами конкретного проекта (т. е. концепция «Три принципа и три практических аспекта») для обеспечения того, чтобы выбранный щит отвечал общим целям «стабильности (балансировки забоя), экскавации (фрезерование забоя грунта) и выгрузки (выгрузки грунта)».

(1) Выбор на основе размера частиц пласта

Взаимосвязь между типом щита и размером частиц пласта для проходческого щита с балансом давления грунта без улучшения остатков почвы и щитов с балансом глинистой воды без дополнительных компонентов показана на рис. 3-6.

Рис. 3-6. Кривая зависимости размера частиц в пласте от типа щита

Как видно из рис. 3-6, проходческий щит с балансом давления грунта без улучшения остатков почвы наиболее подходит для диапазона размеров частиц менее 0.2 мм (синяя область) и приблизительно до 1.5 мм (серая область). Диапазон размеров частиц для щитов с балансом глинистой воды начинается от 0.01 мм до 80 мм (желтая область).

Щит с балансом давления грунта в основном подходит для строительства в глинистых слоях почвы, таких как мел, меловая глина, кремнистый мел, меловой песок и т. д. При рытье в глинистых слоях почвы, грунт, срезанный фрезой, попадает в отсек для грунта и затем выводится шнековой машиной, в шнековой машине образуется градиент давления для поддержания стабильного давления в отсеке для грунта.

В сущности, мелкозернистые остатки грунта легко образуют водонепроницаемые пластомеры, которые могут легко заполнить каждую часть грунтового отсека и сформировать эффект почвенной пробки в спиральной машине, которая может создать давление в грунтовом отсеке, чтобы сбалансировать давление почвы и воды на поверхности забоя.

Вообще говоря, когда общее количество порошковых и глинистых частиц в почве достигает более 40%, обычно целесообразно использовать щит с балансом давления грунта; в противном случае более подходящим является щит с балансом глинистой воды; абсолютный размер частиц порошка обычно определяется как 0.075 мм.

В частности, следует отметить, что при выборе щита на основе размера зерна пласта необходимо учитывать конкретные условия проекта. Хотя размер зерна пласта отличается для щитов с балансом давления грунта и щитов с балансом глинистой воды, как показано на рис. 3-7, щит баланса давления грунта подходит для глинистых, иловых, песчаных пластов с размером зерна 1.5 мм или менее без улучшения остатков грунта. Подходящий диапазон размера частиц пласта составляет от 0.01 до 0.80 мм.

При отсутствии добавок подходящий диапазон размеров грунта для щитов с балансом глинистой воды составляет от 0.01 до 0.80 мм для ила, песка, гравия, гальки и других пластов. Однако, если щит с балансом давления грунта модифицирован или в щите с балансом глинистой воды используютсясоответствующие добавки, то данные щиты подходят для одного и того же диапазона.

(2) Выбор на основе коэффициента проницаемости

Как показано на рис. 3-8, согласно европейскому и американскому опыту, когда коэффициент проницаемости пласта меньше 10-7 м/с, следует использовать щит с балансом давления грунта. Когда коэффициент проницаемости пласта больше 10-4 м/с, следует использовать щиты с балансом глинистой воды; когда коэффициент проницаемости находится между 10-7~10-4 м/с, то можно использовать как щиты с балансом глинистой воды, так и щит с балансом давления грунта.

Согласно японскому опыту, когда содержание глины в грунте составляет менее 10%, трудно сформировать глинистую пленку и поверхность забоя склонна к обрушению, поэтому не рекомендуется использовать щит с балансом глинистой воды.

(3) Выбор на основе давления грунтовых вод

Размер частиц пласта и коэффициент проницаемости пласта являются более ограничивающими для щитов с балансом давления грунта, чем для щитов с балансом глинистой воды. Основополагающей причиной этого является то, что выравнивающей средой для давления в щите с балансом давления грунта является шлак, а способом выгрузки шлака – шнековый механизм. Если размер частиц шлака слишком велик, а коэффициент проницаемости слишком высок, возникают два основных последствия: во-первых, потеря воды с поверхности забоя и невозможность установления выравнивания давления; во-вторых, шнековый механизм не может правильно выгружать шлак.

В щите с балансом давления грунта для выгрузки шлака используется винтовой конвейер (рис. 3-9). Давление земли постепенно ослабляется грунтовой камерой и винтовым конвейером и должно быть снижено до атмосферного давления, прежде чем оно достигнет шлакового окна винтового конвейера, иначе произойдет фонтанирование. Щит с балансом глинистой воды имеет глинистую пленку для предотвращения потери воды из пласта и шламовый насос для поддержания шлака под давлением, поэтому щит с балансом глинистой воды имеет преимущества, которых нет у щита с балансом давления грунта для высокого давления воды и высокопроницаемых пластов.

Рис. 3-7. Кривая зависимости типа щита от размера зерна пласта (фактическая)

Рис. 3-8. Взаимосвязь между типом щита и коэффициентом проницаемости пласта

Рис. 3-9. Схематическое изображение снижения давления в щите с балансом давления грунта

В общем, когда давление грунтовых вод меньше 0.3 МПа, предпочтительны щиты с балансом давления грунта; когда давление грунтовых вод больше 0.3 МПа, предпочтительны щиты с балансом глинистой воды.

В частности, следует отметить, что при выборе щита на основе давления грунтовых вод необходимо учитывать конкретные инженерно-геологические условия. Во-первых, когда давление воды превышает 0.3 МПа, следует увеличить длину винтового конвейера или использовать вторичный винтовой конвейер, если по геологическим причинам требуется щит с балансом давления на грунт. Во-вторых, когда эффект улучшения почвы не может удовлетворить эффект закупорки почвы и когда есть обильные грунтовые воды, даже если давление грунтовых вод менее 0.3 МПа, щит с балансом давления на грунт не подходит для использования.

При проведении строительства щитовых туннелей в этом типе пласта, хотя давление подземных вод составляет менее 0.3 МПа, если используется под пластом щит с балансом давления на грунт, шлак и вода находятся в раздельном состоянии и не могут перемещаться по шнековому конвейеру. Шлак в винтовом конвейере не может блокировать декомпрессию, не может сформировать эффект закупорки почвы, даже если использовать двойной винтовой конвейер. Поскольку как только люк винтовой машины откроется для выгрузки шлака, под действием давления воды винтовой конвейер будет вибрировать, в результате чего давление на поверхности забоя не может быть стабилизировано. Если используется насос для удержания давления, хотя давление на поверхности забоя может быть стабилизировано, шлак из шнековой машины содержит большое количество крупнозернистых камней, с которыми не может справиться насос для удержания давления, и шлак не может быть удален.

3) Краткий итог по выбору щита

Щит должен быть выбран на основе устойчивости поверхности забоя, инженерной и гидрологической геологии, размера зерен пластов, коэффициента проницаемости и давления грунтовых вод, а также с учетом практических особенностей конкретного проекта, чтобы гарантировать, что выбранный щит отвечает общим целям «стабильности (балансировки забоя), экскавации (фрезерование забоя грунта) и выгрузки (выгрузки грунта)».

В соответствующих пластах эффективны как щиты c балансом давления на грунт, так и щиты с балансом глинистой воды.

Преимуществами щита с балансом давления грунта являются высокая производительность выгрузки шлака, интуитивный баланс давления в грунтовом отсеке, относительно простое оборудование и эксплуатация; недостатком является то, что он плохо приспособлен к высокому давлению воды, и с его помощью трудно поддерживать стабильность неустойчивых поверхностей забоя и предотвращать потерю воды в высокопроницаемых пластах.

Щит с балансом глинистой воды имеет очевидные преимущества перед щитом с балансом давления грунта в контроле оседания и предотвращении потери воды в пластах, и может работать в пластах с высоким давлением воды и высокой проницаемостью. Недостатки заключаются в том, что он легко образует глинистую корку в глинистой горной породе, легко засоряется и трудно отделяется, легко срывается и разгружается в пластах с большим количеством крупногабаритных объектов, и легко ограничивается мощностью и сроком службы камнедробилки. Кроме того, по сравнению со щитом с балансом давления земли, щит с балансом глинистой воды имеет более высокую стоимость закупки, требования к площадке и уровень строительства.

Однако конкретный выбор должен быть сделан в соответствии с конкретными условиями проекта, и противоречие между теоретической рациональностью и практической возможностью должно быть разрешено. Он должен основываться на размере и распределении размеров грунта, коэффициенте проникновения грунта, давлении грунтовых вод, диаметре отверстия, стабильности поверхности забоя, глубине, стоимости, продолжительности, месте и т. д.

Несмотря на то, что некоторые крупные частицы могут быть отделены от отработанного шлама с помощью просеивания, вихревого потока и седиментации, а отработанный шлам может транспортироваться автотранспортными средствами и лодками, мелкие частицы грунта, находящиеся во взвешенном или полувзвешенном состоянии в шламе, не могут быть полностью отделены, и эти материалы не могут быть свободно утилизированы, что создает основные трудности при использовании щита с балансом глинистой воды.

Снижение загрязнения для защиты окружающей среды является очень важным вопросом, стоящим перед выбором щита с балансом глинистой воды, и необходимо решить, как предотвратить сброс этих шламов в водные объекты: реки, озера и моря, чтобы не вызвать масштабное и серьезное загрязнение. В той мере, в какой утилизируемый шлам может быть тщательно обработан как твердые материалы для транспортировки, это также возможно, и есть много успешных примеров как в стране, так и за рубежом, но это нелегко сделать, потому что: во-первых, оборудование для обработки является дорогостоящим и увеличивает инвестиции в проект; во-вторых, участок, используемый для установки этого оборудования, должен быть больше; и в-третьих, время обработки больше.

Участки щитового строительства обычно длинные, и сложность инженерной геологии в основном отражается в изменчивости свойств окружающих пород и инженерно-геологических характеристик. На участке строительства щита или на участке подряда на строительство щита условия строительства некоторых участков подходят для щита с балансом давления грунта, но некоторые участки подходят для щита с балансом глинистой воды. Выбор щита должен быть обдуманным, а наилучший вариант должен быть выбран после анализа рисков различных вариантов.

В соответствии с механизмом балансировки забоя котлована, использование щитов с балансом глинистой воды более эффективно, чем щиты с балансом давления грунта, с точки зрения поддержания стабильности забоя котлована и контроля осадки грунта, особенно при работе под водоемами, под зданиями или сооружениями, а также в мягких и твердых пластах. В этих особых условиях безопасность строительного процесса является чрезвычайно важным выбором при выборе щита, а использование грязевых и водяных щитов может также снизить строительные риски, вызванные большими колебаниями геологии.

В случаях, когда ни щиты с балансом давления грунта, ни щиты с балансом глинистой воды не могут удовлетворить требованиям устойчивости поверхности забоя, следует рассмотреть возможность применения многорежимных щитов.

3.2.4. Расчет нагрузки на щит

Расчет механических параметров для щитовой проходки является очень сложным вопросом, на который влияет целый ряд факторов, таких как геологические факторы, методы улучшения грунта и параметры проходки. В процессе выбора щита очень важен расчет основных технических параметров, таких как крутящий момент фрезы и тяга двигательной установки.

1) Давление грунта

Давление грунта является одной из важных нагрузок, которые необходимо учитывать при проектировании оболочки щита, при этом необходимо учитывать как статическое, так и динамическое давление грунта. В процессе выемки грунта возникает очень сложное динамическое давление грунта из-за выемки и опоры, в то же время существуют различные степени перекопа (избыточной экскавации) и криволинейные участки забоя. Давление грунта, действующее на оболочку щита, является сложным и трудно поддается точному расчету, но расчеты могут быть выполнены обычным способом. Влияние воды должно учитываться следующим образом в зависимости от условий окружающей породы, то есть почва и вода должны быть разделены или вода должна рассчитываться как часть почвы.

Вертикальное давление грунта можно рассматривать как равномерную нагрузку, действующую на верхнюю часть оболочки щита. Величина вертикального давления грунта связана с толщиной обделки туннеля, формой поперечного сечения туннеля, внешним диаметром и состоянием породы. Горизонтальное давление грунта действует на обе стороны оболочки щита и может рассматриваться как распределенная нагрузка, действующая горизонтально. Величина горизонтального давления грунта рассчитывается на основе коэффициентов вертикального давления грунта и бокового давления грунта. Устойчивость фундамента к деформации может не учитываться при проектировании оболочки щита.

2) Гидравлическое давление

Уровень грунтовых вод следует определять с учетом его изменений во время строительства при проектировании щитового корпуса. Гидравлическое давление в вертикальном направлении можно рассматривать как равномерно распределенную нагрузку. Давление воды, действующее на верхнюю часть щита, равно гидростатическому давлению, действующему на его вершину; давление воды, действующее на нижнюю часть щита, равно гидростатическому давлению, действующему в самой нижней точке щита. Гидравлическое давление в горизонтальном направлении можно рассматривать как распределенную нагрузку. Величина давления воды в горизонтальном направлении равна вертикальному гидростатическому давлению в соответствующей точке.

3) Собственный вес щита В дополнение к собственному весу основного корпуса щита при проектировании оболочки щита следует также учитывать силы реакции грунта, создаваемые собственным весом основного корпуса щита. Сила реакции на грунт, создаваемая собственным весом корпуса щита, может быть рассчитана по формуле 3-1:

(3-1),

где: P g – сила реакции грунта, создаваемая собственным весом корпуса щита (кH/м2);

W – сила тяжести корпуса щита (кН);

D – внешний диаметр корпуса щита (м);

L – длина корпуса щита (м).

Собственный вес – это вертикальная нагрузка, распределенная вдоль оси корпуса щита.

4) Нагрузка вскрышных пород

Нагрузка вскрышных пород – это напряжение на почву, вызванное нагрузкой, действующей на поверхность земли или силой реакции фундамента здания и т. д. Влияние нагрузки вскрышных пород на конструкцию щитовой оболочки уменьшается с увеличением глубины. Можно предположить, что влияние нагрузки от вскрышных пород на давление грунта, действующее на оболочку щита, также уменьшается по мере увеличения расстояния от точки приложения нагрузки.

Влияние нагрузки от вскрышных пород на давление на грунт может меняться в зависимости от величины нагрузки, формы фундамента, толщины вскрышных пород от нижней границы фундамента здания и характеристик грунта, что затрудняет точное определение. Влияние нагрузки вскрышных пород на щит может быть рассчитано по формуле Буссинеска в механике упругости или численно с использованием метода конечных элементов.

5) Переменная нагрузка

Когда щитовая машина прокладывает туннель или корректирует направление в криволинейной части туннеля, щитовая оболочка подвергается сопротивлению фундамента со стороны окружающей породы в равновесии с эксцентриковой тягой, что называется переменной нагрузкой. Величина и распределение переменной нагрузки зависят от условий, но максимальное значение обычно имеет сопротивление фундамента, когда пассивное давление грунта приложено к половине щитовой оболочки или когда силовой цилиндр используется для продвижения только половины щитовой оболочки. Диаграмма переменной нагрузки показана на рис. 3-10. Пример расчета переменной нагрузки показан на рис. 3-11. Для щита с балансом давления грунта давление перед забоем является давлением грунта; для щита с балансом глинистой воды с высокой концентрацией глинистого раствора давление перед забоем – это давление глинистого раствора. Для щита с балансом глинистой воды давлением глинистого раствора перед забоем является давление глинистого раствора (пены) и давление грунта. Для щитов с ручной выемкой или щитов закрытого типа давление перед забоем – это силовой гидравлический цилиндр подпорной пластины на решетке. Противодействующей силой является гидравлический цилиндр фиксатора на решетке.

Давление перед забоем – это нагрузка, действующая на стенку земляной камеры (барокамера) (поперечное уплотнение между срезным кольцом и опорным кольцом), а также на арматурные балки опорного кольца, колонны, рабочей платформы и т. д.

Тяга гидроцилиндров, необходимая для поддержания устойчивости поверхности забоя, передается через стенки грунтового отсека рабочей среде (воздух, грунтовый раствор, грунт) внутри отсека. Максимальное избыточное давление рабочей среды в грунтовом отсеке обычно составляет 3 × 105 Па, и может быть больше 3 × 105 Па, если существуют специальные требования, но когда ремонтный персонал должен проводить работы с газом под давлением в грунтовом отсеке, следует использовать подходящее значение избыточного давления согласно соответствующим требованиям. Расчетная нагрузка перегородки под давлением отражена в таблице 3-4.

Рис. 3-10. Диаграмма нагрузки при общем методе расчета

Рис.3-11. Пример расчета переменных нагрузок

p1 – вертикальное давление на грунт;

p g – сила реакции собственного веса щита;

Q 1 – горизонтальное давление на грунт, равнодействующее гидростатическое давление в верхней части туннеля;

Q 2 – горизонтальное давление на грунт, равнодействующее гидростатическое давление в нижней части туннеля

q – переменная нагрузка;

q1 , q2 – переменная нагрузка на обоих концах рассчитываемой детали, равнодействующее гидростатическое давление;

Примечание: q = (q1 + q2 ) / 2.

Таблица 3-4. Расчетные нагрузки для напорных земляных перемычек

3.2.5. Проектирование основных параметров

1) Внешний диаметр оболочки щита D

Наружный диаметр оболочки щита равен наружному диаметру основного корпуса щитового блока, за исключением выступающих частей (например, инструментов для избыточной экскавации, трубопровод для послестенной цементации и т. д.). Диапазон экскавации инструментов для избыточной экскавации показан на рис. 3-12.

Рис. 3-12. Диапазон экскавации инструментов для избыточной экскавации

Наружный диаметр оболочки щита (D) должен быть рассчитан на основе наружного диаметра кольца футерованного тюбинга (D0), толщины хвостовой пластины щита (t) и зазора (b) между внутренней поверхностью стенки хвостовой пластины щита и внешней поверхностью стенки кольца футерованного тюбинга, то есть:

(3-2),

Минимальное допустимое отклонение, необходимое для контроля ориентации при прокладке туннелей в изогнутых щитовых конструкциях, можно рассчитать по следующему уравнению:

(3-3)

где: δ – см. рис. 3-13. Значение отклонения δ может быть рассчитано по следующему уравнению:

(3-4),

Рис. 3-13. Схематическое изображение отклонения δ: R – радиус кривой на осевой линии изогнутого туннеля; β – угол врезания кольца облицовки изогнутого туннеля в хвостовую пластину щита; R + Д0/2 – внешний диаметр кольца футерованного тюбинга, образующий изогнутый туннель; R-Д0/2 – внутренний диаметр кольца футерованного тюбинга, образующий изогнутый туннель; l – длина изогнутого кольца футерованного тюбинга, врезающегося в пластину хвостовой части оболочки щита

Если толщина крепежной пластины уплотнительного устройства между внутренней стенкой пластины оболочки хвостовика щита и внешней поверхностью стенки кольца вкладыша равна b2, то b = b 1 + b2.Для значения b в основном используются фактические данные от 20 до 45 мм, или D0/125. Для щитовых корпусов с композитными пластами или щитовых корпусов для туннелей с малым радиусом кривой (R < 250 м) и шириной трубы B ≤ 1.5 м, целесообразно использовать большее значение b.

2) Диаметр щитовой выемки

Следует учитывать диаметр выемки фрезы, чтобы обеспечить правильный диаметр выемки даже после износа наружного кольца фрезы. При строительстве на мягком грунте диаметр выемки режущей пластины обычно больше внешнего диаметра переднего щита на 0~10 мм; при строительстве на песчано-галечном грунте или твердом скальном грунте износ режущей пластины более серьезен, и диаметр выемки режущей пластины обычно должен быть больше внешнего диаметра переднего щита на 30 мм.

3) Общая длина корпуса щита (L)

Общая длина корпуса щита L, для щитов с уравновешенным давлением земли – это общая длина от лопасти передней стороны режущего инструмента до конца винтового конвейера, для щитов с балансом глинистой воды – это общая длина от лопасти передней стороны режущего инструмента до торцевой поверхности щита.

Длина корпуса щита LM равна сумме длины срезного кольца, опорного кольца и хвостовой части щита.