Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

(1) Вертикальное давление на грунт

В зависимости от расположения туннеля и условий основания вертикальное давление грунта может быть либо полным давлением вскрышных пород, либо давлением рыхлого грунта. Как правило, толщина вскрышных пород больше наружного диаметра туннеля, поэтому в случае песчаных или твердых вязких грунтов используется давление рыхлого грунта; в других пластах, где невозможно получить арочный эффект грунта, используется общее давление вскрышных пород. Для расчета давления рыхлого грунта обычно используются размеры, показанные на рис. 4.10, и формула Терзаги.

(4-2a)

(4-2b),

где: σ v давление рыхлого грунта по формуле Терзаги;

H – высота релаксации почвы;

K 0 – отношение горизонтального и вертикального давления грунта (часто принимается как K0 – 1);

φ – угол внутреннего трения почвы;

p0 – вышележащая нагрузка;

γ – тяжесть грунта;

c – адгезия грунта.

Если p0 / γ меньше, чем h0, используется следующая формула:

(4-3a)

(4-3b)

В случае, если p0/ γменьше H, то используется следующая формула:

(4-4),

где: H1 – пересчитанная толщина вскрышных пород, H1 = H + p0 / γ

(2) Горизонтальное давление грунта

Горизонтальное давление грунта такое же, как и вертикальное давление грунта, и его сложнее точно экстраполировать. Значения горизонтального давления грунта при проектировании обычно рассчитываются путем умножения вертикального давления грунта на коэффициент бокового давления грунта.

При отсутствии сопротивления основания в качестве коэффициента бокового давления грунта можно выбрать статическое давление грунта, учитывающее условия строительства.

Коэффициент активного давления грунта используется в качестве коэффициента бокового давления грунта, если имеется сопротивление основания или коэффициент статического давления грунта соответствующим образом дисконтируется для расчета. Коэффициент бокового давления грунта следует определять не только с учетом характера грунта, но и в зависимости от метода расчета конструкции и метода строительства. Однако очень трудно установить их должным образом, и их можно определить, обратившись к таблице 4-5.

Таблица 4-5. Коэффициент бокового давления грунта (λ), коэффициент сопротивления основания (k)

Расчетные напряжения в сечении тюбинга будут меняться из-за тонкого баланса между вертикальными и горизонтальными нагрузками. Коэффициент бокового давления грунта (λ) и коэффициент сопротивления основания (k) должны определяться тщательно с полным учетом условий заложения основания и назначения туннеля.

(3) Гидравлическое давление

Гидравлическое давление дается при расчете давления грунта, учитывая разделение давления воды и грунта, а разница в вертикальном давлении воды действует как сила плавучести, поэтому подъем необходимо изучать с учетом других нагрузок и состояния фундаментов поверх облицовки.

Гидравлическое давление может быть определено в соответствии с изменениями уровня грунтовых вод на этапе строительства, а также во время длительной эксплуатации, различая всевозможные стратиграфические условия и рассчитывая его как гидростатическое давление или включая воду как часть грунта.

Гидравлическое давление, действующее на обделку туннеля, использует давление поровой воды, но давление поровой воды очень трудно определить, с практической точки зрения и с учетом безопасности, гидравлическое давление обычно определяется гидростатическим давлением.

Как правило, гидравлическое давление в вертикальном направлении рассчитывается в соответствии с равномерной нагрузкой. Давление воды, действующее на верхнюю часть футеровки, равно гидростатическому давлению, действующему на ее вершину, а давление воды, действующее на дно, равно гидростатическому давлению, действующему на нижнюю точку футеровки. Гидравлическое давление в горизонтальном направлении используется в качестве трапециевидной распределенной нагрузки, и его размер совпадает с гидростатическим давлением.

Кроме того, при длительном использовании туннеля из-за влияния природных или техногенных факторов уровень грунтовых вод будет меняться, и также бывает достаточно сложно определить уровень грунтовых вод. При расчетах конструкции кольцевого щитового туннеля использование более высокого уровня грунтовых вод не обязательно означает, что он смещен в сторону безопасной конструкции; напротив, использование более низкого уровня грунтовых вод может быть наиболее неблагоприятным сочетанием условий работы с нагрузкой. Поэтому при определении уровня грунтовых вод он должен быть рассчитан в соответствии с самым высоким уровнем воды и самым низким уровнем воды соответственно.

3) Сопротивление грунтовой массы

Сопротивление грунтовой массы также известно как сопротивление образованию или сопротивление основания. Существует два способа определения сопротивления пласта: один предполагает, что сопротивление пласту не имеет ничего общего с деформацией (смещением) пласта, которая представляет собой силу реакции, уравновешенную действующей нагрузкой; другой предполагает, что сопротивление пласту связано с деформацией (смещением) пласта, которая подчинена смещению основания; под действием нагрузки часть конструкции облицовки будет деформирована в направлении вмещающей породы, поскольку вмещающая порода вокруг туннеля имеет определенную жесткость, она неизбежно создаст силу реакции на конструкцию облицовки (то есть сопротивление пласту), чтобы противостоять его деформации. В настоящее время определено большинство теорий локальной деформации, основанных на гипотезе Винкеля. Сопротивление пласту будет варьироваться в зависимости от используемой расчетной модели и метода расчета, среди которых наиболее часто используемые методы:

(1) Традиционный японский метод расчета

Предполагается, что вертикальное сопротивление основания не зависит от смещения основания, и в качестве сопротивления основания принимается равномерная сила реакции, уравновешенная вертикальной нагрузкой. Учитывая деформацию облицовки в направлении вмещающей породы, определено, что сопротивление основания в горизонтальном направлении действует в диапазоне центрального угла 45° выше и ниже горизонтального диаметра облицовки и предполагается распределенным в треугольнике с горизонтальным диаметром в качестве вершины. Сопротивление основания на горизонтальном диаметре является наибольшим, и его величина может быть рассчитана пропорционально горизонтальной деформации облицовки по отношению к вмещающей породе. Коэффициент сопротивления основания может быть принят в соответствии со стратиграфическими условиями.

(4-5),

где: K – коэффициент реакции основания (коэффициент горизонтального сопротивления грунтовой массы) (кН·м3).

δ – величина горизонтального смещения облицовки (м).

(2) Метод пружинной модели

Предполагая, что сопротивление пласта распределено радиально вдоль кольца облицовки, взаимодействие между облицовкой и пластом эквивалентно пружине, а сопротивление основания рассматривается как сила реакции, возникающая при деформации тюбинга в направлении основания.

В Европе и США используется пружинная модель основания по всему периметру. В Японии в основном используется пружинную модель частичного основания, при этом большинство пружин в тангенциальном направлении не рассматриваются, а в качестве эффективных пружин используются только пружины радиусного направления.

В зависимости от метода строительства целесообразно определить стоит ли учитывать сопротивление основания, возникающее в результате деформации собственного веса тюбинга. Если тампонажный материал за стеной имеет лучшую первоначальную прочность или истинная округлость листа трубы после того, как он выступает из хвостовой части щита, остается лучшей (в конструкции щита используется истинное круглое устройство или лучше управление тягой движительного гидроцилиндра), можно учитывать сопротивление основания, создаваемое деформацией собственного веса листа трубы. Особенно когда наружный диаметр туннеля велик, напряжение в поперечном сечении, вызванное собственным весом, намного больше по сравнению с напряжением в поперечном сечении, создаваемым давлением почвы и воды (при D≥12 м оно составляет от 60% до 80%).

4) Вес тюбингового кольца

Нагрузка собственного веса тюбинга представляет собой вертикальную нагрузку, распределенную вдоль оси футеровки, и обычно рассчитывается по следующей формуле:

(4-6),

где: g – нагрузка собственного веса тюбига (кПа);

W – сила тяжести на единицу длины облицовки (кН·м);

Rc – радиус футеровочного кольца (м).

5)Внутренняя нагрузка

Внутренняя нагрузка включает нагрузку, действующую в процессе строительства, и нагрузку, действующую после завершения строительства туннеля. В качестве внутренней нагрузки, действующей в процессе строительства, используются различные строительные машины и оборудование, такие как задний опорный прицеп и шлаковоз с защитной конструкцией. Когда эти нагрузки действуют на кольцо тюбинга, в котором материал для затирки за стеной еще не затвердел, необходимо проверить устойчивость кольца из тюбинга. Однако после того, как материал для затирки за стеной полностью затвердеет можно считать, что эти нагрузки поддерживаются окружающим основаниемоснованием, поэтому на практике эти внутренние нагрузки не изучаются, но берется метод не размещения этих устройств на кольце тюбинга, где тампонажный материал еще не затвердел за стенкой.

Кроме того, внутренние нагрузки, действующие при завершении строительства туннеля, варьируются в зависимости от цели использования туннеля, например, реакции железнодорожного транспорта, дорожного полотна, подвесных сооружений внутри туннеля и внутреннего давления воды. Из них нагрузки, действующие на дно туннеля, как в случае с железнодорожным транспортом, можно считать непосредственно передающимися на основание вокруг туннеля, как и внутренние нагрузки во время строительства; другие внутренние нагрузки, однако, оказывают влияние на обделку, поэтому нагрузки должны быть установлены и надлежащим образом изучены в соответствии с реальной ситуацией.

6) Строительная нагрузка

Строительная нагрузка на щит – это общий термин для обозначения временных нагрузок, действующих на обделку туннеля с момента сборки тюбингов до затвердевания материала после цементации в строительной пустоте в конце щита. Нагрузки на конструкцию щита включают тягу силовых цилиндров, давление при цементации задней стенки, рабочую нагрузку машины для сборки труб и другие строительные нагрузки. Строительные нагрузки зависят от вмещающих пород и условий строительства, поэтому важно минимизировать воздействие строительных нагрузок на трубный лист и обоснованно отразить строительные нагрузки в проекте. Кроме того, уровень технологии строительства является важным фактором при проектировании обделки туннеля.

(1) Тяга для гребного гидроцилиндра

Сила реакции тяги для гребного гидроцилиндра щитовой проходки, действующая на обделку туннеля при щитовой проходке, оказывает наибольшее воздействие на обделку из всех строительных нагрузок. Эксцентриситет упорного цилиндра следует определять в соответствии с нетрадиционными условиями проходки щита (плоская кривая, вертикальная кривая, серпантин и т. д.) с соответствующим запасом. Однако для щитов малого и среднего диаметра с наружным диаметром около 2 – 3 м существует много случаев, когда эксцентриситет фактически составляет 30 – 40 мм.

Если эксцентриситет гидроцилиндра слишком велик, то эксцентрический изгибающий момент, создаваемый тягой силового цилиндра, вызовет растягивающее напряжение в кольцевой части тюбинга, и тюбинг легко треснет. Кроме того, когда щит прокладывает туннель на изогнутом участке, эксцентрическая нагрузка, создаваемая гидроцилиндром тяги щита, вызовет временный дисбаланс давления с обеих сторон туннеля, что приведет к сложному состоянию продольного изгибающего напряжения; соединительные болты между кольцом и кольцом, несущим изгибающее напряжение, будут склонны к сдвиговому повреждению; а чрезмерное сжимающее напряжение, действующее на облицовку трубы, вызовет локальное повреждение тюбинга. Вышеуказанные нагрузки на конструкцию должны быть тщательно учтены при проектировании.

Сила реакции тяги для гребного гидроцилиндра щитовой проходки, действующая на обделку туннеля при щитовой проходке, оказывает наибольшее воздействие на обделку из всех строительных нагрузок. Эксцентриситет упорного цилиндра следует определять в соответствии с нетрадиционными условиями проходки щита (плоская кривая, вертикальная кривая, серпантин и т. д.) с соответствующим запасом. Однако для щитов малого и среднего диаметра с наружным диаметром около 2 – 3 м существует много случаев, когда эксцентриситет фактически составляет 30 – 40 мм.

Если эксцентриситет гидроцилиндра слишком велик, то эксцентрический изгибающий момент, создаваемый тягой силового цилиндра, вызовет растягивающее напряжение в кольцевой части тюбинга, и тюбинг легко треснет. Кроме того, когда щит прокладывает туннель на изогнутом участке, эксцентрическая нагрузка, создаваемая гидроцилиндром тяги щита, вызовет временный дисбаланс давления с обеих сторон туннеля, что приведет к сложному состоянию продольного изгибающего напряжения; соединительные болты между кольцом и кольцом, несущим изгибающее напряжение, будут склонны к сдвиговому повреждению; а чрезмерное сжимающее напряжение, действующее на облицовку трубы, вызовет локальное повреждение тюбинга. Вышеуказанные нагрузки на конструкцию должны быть тщательно учтены при проектировании.

Поскольку испытание тяги отдельной части тюбинга трудно отразить общую работу кольца тюбинга, особое внимание следует уделять тем случаям, когда расчетная тяга гребного гидроцилиндра отличается от фактической тяги щитовой сборки.

(2) Давление цементирования

При цементировании строительного зазора хвостовой части щита вокруг отверстия для цементирования тюбинга будет образоваться временная эксцентрическая нагрузка. Эта нагрузка легко деформирует или даже разрушает лист трубы, например, неправильный этап укупорочного блока типа радиальной вставки (блок K), разрушение соединительного болта, деформация облицовочного кольца и т. д.

Давление цементации обычно определяется давлением воды и грунта, рассчитанным по вмещающей породе и глубине заглубления забоя котлована, но также необходимо определить давление цементации в соответствии с фактическими условиями строительства щита и проверить структуру трубного листа под этим давлением цементации.

(3) Рабочая нагрузка машины для сборки тюбинга

Помимо подъемного кольца, во время сборки тюбинга на него действуют силы реакции монтажной оснастки. Проектирование должно основываться на номинальной мощности и динамическом эффекте монтажной оснастки для расчета конструктивных усилий в процессе сборки. Для бетонных тюбингов в качестве подъемных колец часто используются отверстия для болтов или отверстия для цементации. Кроме того, если отверстия для болтов или отверстия для цементации оснащены стяжными шпильками в качестве противовесов для подъема оборудования и материалов во время строительства или для предотвращения деформации кольца трубного листа, следует проанализировать и проверить предварительно заглубленные части и их сопротивление вытаскиванию.

(4) Другие строительные нагрузки

В качестве строительной нагрузки, в дополнение к вышесказанному, следует учитывать некоторые нагрузки, такие как влияние собственного веса заднего опорного прицепа, нагрузка на домкрат, фиксатор полного круга, влияние силы вращения ножевого круга, тип щита и различное оборудование на поверхности земляных работ и т. д., а иногда нагрузка на шлаковоз и держатель трубного листа также оказывает влияние на трубный лист. Кроме того, в слоях мягкой глины и рыхлого песка, когда лист трубы выступает из хвостовой части щита, верхняя вмещающая порода разрушается до верхней части кольца листа трубы, образуя эксцентрическую нагрузку. Если эти нагрузки оказывают большое влияние на конструкцию, следует установить соответствующую нагрузку в соответствии со строительной ситуацией и проанализировать силу конструкции.

7) Специальная нагрузка

Специальные нагрузки – это нагрузки, которые должны быть специально учтены с учетом окружающих условий основания, условий строительства и условий эксплуатации туннеля, включая воздействие землетрясений, воздействие параллельных или поперечных туннелей, воздействие строительства вблизи, воздействие осадки основания и т. д.

Когда туннель строится параллельно на близком расстоянии, взаимное вмешательство и взаимное влияние во время строительства и эксплуатации должны быть продемонстрированы в соответствии с положением друг друга, геологическими условиями, внешним диаметром туннеля, типом щита, сроками строительства и другими условиями, и при необходимости должны быть приняты защитные меры.

(1) Влияние параметров параллельного или поперечного туннеля

В последние годы появляется все больше примеров, когда несколько туннелей, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга параллельно, имеют смещения и напряжения в поперечном или продольном направлении, значительно отличающиеся от смещений и напряжений в одиночном туннеле. Необходимо проанализировать влияние релаксации основания или строительных нагрузок, возникающих в результате взаимного влияния нескольких туннелей, и при необходимости принять меры, такие как укрепление обделки или основания, или предотвратить деформацию туннеля.

1. Взаиморасположение туннелей

Необходимо проанализировать расположение параллельных туннелей, как по горизонтали, так и по вертикали, пока расстояние между ними меньше внешнего диаметра последующего туннеля (1D), и чем меньше расстояние, тем больше воздействие, особенно если расстояние между ними меньше 0.5D. Необходим детальный анализ. Когда туннели проложены параллельно в верхнем и нижнем направлениях, строительная нагрузка последующего щита и разгрузка, сопровождающая выемку грунта, оказывают большее воздействие на предыдущий туннель. В частности, при строительстве последующего туннеля в нижней части туннеля, верхняя часть туннеля будет испытывать увеличение вертикальных нагрузок и неравномерную осадку из-за ослабления основания во время выемки грунта. Затем необходимо продемонстрировать поперечные и продольные силы и деформации в предшествующем туннеле.

2. Геологические условия

Помехи, создаваемые параллельными туннелями, и влияние строительных нагрузок зависят от состояния вмещающих пород.

Эффект наиболее выражен в связных пластах с высокой чувствительностью или в рыхлых песчаных пластах с плохими самонесущими свойствами. Именно здесь необходимо тщательное изучение изменения нагрузки вследствие релаксации основания.

Даже если грунт хороший или был укреплен, влияние строительных нагрузок может быть значительным, если расстояние между туннелями небольшое, тем более, если используется проходческий щит с закрытым забоем.

3. Наружный диаметр туннеля

В случае параллельной проходки влияние внешнего диаметра последующего туннеля является доминирующим по сравнению с внешним диаметром предыдущего туннеля, чем больше внешний диаметр последующего туннеля, тем больше влияние.

4. Тип проходческого щита

При параллельном строительстве туннелей воздействие последующего щита на предыдущий туннель сильно различается в зависимости от типа щита.

Когда туннели проложены параллельно в горизонтальном направлении, влияние щита с закрытым забоем на туннель заключается в эксцентрическом давлении, создаваемом упором щита при прохождении выработанного забоя, тогда как открытый щит обычно не оказывает влияния на упор, в основном из-за временного бокового давления грунта и снижения сопротивления основания, возникающего при открытом забое. В отличие от них, открытые щиты обычно не оказывают влияния на надвиг, а лишь временно снижают боковое давление на грунт и сопротивление основания из-за открытого забоя котлована. Таким образом, щитовые туннели с закрытым забоем обычно оказывают выталкивающее воздействие последующего туннеля на предыдущий туннель, в то время как туннели с открытым забоем обычно оказывают приблизительно втягивающее воздействие последующего туннеля на предыдущий туннель.

Поэтому при рассмотрении влияния параллельной проходки требуется детальный и тщательный анализ геологических условий, взаимосвязи между туннелями и различий, обусловленных типом щита.

5. Сроки строительства межтуннельного пространства

Как правило, строительство туннелей следует подождать пока вмещающая порода туннеля не стабилизируется перед строительством, но это трудно сделать при фактическом строительстве. Когда влияние более раннего строительства туннеля не исчезло и осуществляется последующее строительство туннеля, влияние строительства туннеля друг на друга более значительно. В это время необходимо полностью изучить сроки строительства межтуннельного пространства.

6. Нагрузки во время строительства

Основными факторами, влияющими на строительство передовых туннелей, являются нагрузки при строительстве последующих туннелей, включая тягу, давление забойной цементации, давление глинистой воды и давление грунта, которые действуют на передовые туннели через прижимную грунтовую массу. При эксцентрическом давлении в поперечном и продольном направлениях передового туннеля возникают аномальные смещения и напряжения. Хотя строительные нагрузки носят временный характер, нагрузки на межтуннельный грунт, вызванные тягой щитовой проходки, трудно быстро уменьшить даже после прохождения щита, а иногда они сохраняются в течение длительного времени, поэтому рассмотрению строительных нагрузок необходимо уделять должное внимание.

(2) Влияние близкого строительства

Строительство других сооружений в непосредственной близости от завершенных туннелей приведет к возникновению возмущения на вмещающую породу на окрестности туннеля и изменению нагрузок, действующих на туннель. Из-за этого необходимо применять соответствующие защитные меры по укреплению обделки, основания и т. д. При наличии условий, эти меры должны быть учтены по возможности при проектировании туннеля по планировочной ситуации.

Влияние близости конструкции относительно велико, поэтому при разумной оценке нагрузки необходимо использовать метод расчета, который может учитывать изменение нагрузки с течением времени (история нагрузки и история напряжений в облицовке). Кроме того, если вторичная облицовка рассматривается как структурный компонент для изменений нагрузки, которые произойдут в будущем, необходимо полностью продемонстрировать структурную модель.

1. Новые сооружения строятся в верхней части туннеля или вблизи нее, и верхняя нагрузка сильно меняется.

2. Выемка грунта проводится в нижней части туннеля или вблизи нее, и условия нагрузки, такие как вертикальное давление грунта и горизонтальное давление грунта, а также свойства вмещающих пород, такие как коэффициент сопротивления основания, сильно изменились.

3. Боковое основание туннеля нарушается, и боковое давление грунта и сопротивление основания сильно изменяются.

4. Большие изменения гидравлического давления, действующего на туннель. Различие между временными и долгосрочными последствиями вышеупомянутых ситуаций должно быть тщательно проведено при выдвижении этого аргумента.

(3) Влияние осадков основания

При строительстве туннелей в мягких или сильно изменчивых пластов, помимо просадки основания, вызванной строительством туннеля, необходимо также учитывать просадку самого исходного пласта. Последствия просадки основания ощущаются в основном в самом туннеле и в соединении туннеля с другими сооружениями, и поэтому должны быть полностью изучены.

1. Субстанция туннеля

Когда туннель строится в основании, находящемся в процессе консолидации, место расположения туннеля будет иметь разную величину консолидационной осадки по сравнению с окружающим основанием для части грунта, соответствующей высоте секции туннеля, так что туннель будет испытывать вынужденное смещение, эквивалентное этой дифференциальной осадке.