Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Среди них механический щит с резцовой головкой панельного типа предназначен для поддержания стабилизации забоя через панель, а также для решения вопроса разгрузки камней и гальки через степень открытости. Механический щит с резцовой головкой спицевидного типа обычно используется для стабилизации забоя у щитов с малым поперечным сечением в скальных и галечных образованиях.

Механический щит обладает следующими характеристиками:

(1) Помимо улучшения условий эксплуатации и экономии рабочей силы, он также значительно повышает скорость продвижения и сокращает срок строительства.

(2) В отличие от щитов ручной разработки и полумеханических стоимость механического щита дороже, и он не применяется для коротких туннелей.

(3) Механических щит в отличие от щитов с ручной разработкой и полумеханических щитов в основном применяется в аллювиальных отложениях, где забой легко стабилизировать. В аллювиальные образованиях, в которых нелегко стабилизировать забой, следует сочетать методы сжатия воздуха, понижения воды, укрепление цементом и т. д. В настоящее время практически не используются.

4) Экструзионный щит можно разделить на следующие типы: перекрывающий (накладная пластина), спиральный, экструзии сетки

Экструзионный щит накладной пластины. Данный тип использует перекрывающую пластину для закрытия большей части забоя, оставляя только часть отверстия для установки площади регулируемого перекрытия для отвала грунта. Передняя проникающая порода этого щита продвигается вперед, так что почва и песок в проникающей части превращаются в пласты и продвигаются, а грунт выгружается через перекрытие. Стабилизация забоя зависит от регулировки размера отверстия крышки и сопротивления выгрузке грунта, а также способствует достижению равновесия между тягой домкрата и давлением почвы в забое. На рис. 1-7 показан японский экструзионный щит Мицубиси с 32-метровой перекрывающей пластиной.

Рис. 1-6. Механический щит

Рис. 1-7. Щит экструзионный с перекрывающей пластиной

Экструзионный щит в виде винтового грунтоотвода. С помощью уплотнительной пластины забой закрывается. При таком типе щита вмещающие породы продвигаются вперед. При продвижении песчаные почвы пластифицируются и вытекают, затем выгружаются через винтовой конвейер. Стабильность забоя достигается за счет регулировки скорости вращения винтового конвейера и открытия шлюза отвода грунта, чтобы тяга домкрата и давление грунта в забое достигали равновесия. Схема принципа работы показана на рис. 1-8.

Когда сетчатый экструзионный щит функционирует в подходящих пластах, осадка поверхности может контролироваться в средней или небольшой степени, поэтому он часто применяется в мягких слоях почвы. Сетчатый экструзионный щит обладает следующими характеристиками:

Рис.1-8. Принципиальная схема работы экструзионного щита в виде винтового грунтоотвода

1. Объем выемки грунта близок или равен объему выемки во всех туннелях, а также для него часто характерно местное сжатие.

2. Щит оснащен решеткой из стальной пластины спереди. В процессе продвижения срез решетки используется для сжатия и разрезки переднего грунта на мелкие куски. Сила трения между боковой областью разреза, уплотнительной пластиной, сетчатой решеткой и земляными массами уравновешивает боковое давление переднего пласта, чтобы достичь цели стабилизации забоя. Для него характерна простая конструкция, легкость в эксплуатации и несложность в удалении препятствий.

3. Срезанный грунт можно транспортировать при помощи поворотного диска, ленточного конвейера, шахтной тележки или гидравлического оборудования.

4. В передней решетке сетчатого экструзионного щита площадь отверстия небольшая. Он подходит для эксплуатации в мягких слоях глины и частично в алевритовых слоях. Метода локального давления может использоваться в шламовом призабойном отсеке для стабилизации передней части земляных масс или в водоносных пластах в сочетании с методами осушения пластов.

В сочетании с различными методами выемки грунта сетчатый экструзионный щит можно разделить на два вида: для сухой и водяной выемки. На рис. 1-9 показан механический щит с водяной выемкой сетчатого экструзионного типа.

1.2.2. Проходческий щит с воздушным пригрузом

Проходческий щит с воздушным пригрузом, или проходческий щит с балансом атмосферного давления (Air Pressure Balance) сокращенно называют проходческий щит APB. Но атмосферное давление не может прямо противостоять давлению почвы. Под воздействием атмосферного давления с естественной или механической поддержкой может косвенно уравновешиваться гидростатическое давление грунтовых вод и давление почвы. Способ выемки можно выбрать ручной или механический, а поперечное сечение может быть частичным или полным.

Рис. 1-9. Механический щит экструзионного типа

В соответствии с принципом работы проходческий щит с воздушным пригрузом должен иметь отсек под рабочим давлением. В более ранних проходческих щитах с воздушным пригрузом был закрыт длинный отсек под рабочим давлением между туннельным забоем и туннелем для остановки воды. Поэтому большинство работников часто находились в среде сжатого воздуха. Современный проходческий щит с воздушным пригрузом оснащен опорным давлением только в кабине экскаватора. Его также называют проходческим щитом с локальным атмосферным давлением (в Японии его называют «проходческим щитом с предельно сжатым воздухом»). Этот вид щита оснащен уплотнительным сепаратором, который может герметизировать забой и изолировать его от завершенного участка туннеля. Поэтому он может обеспечить безопасную эксплуатацию под атмосферным давлением. На рис. 1-10 показан японский 25-метровый проходческий щит с воздушным пригрузом Мицубиси диаметром 5.25 м, который отводит грунт через вращающуюся воронку шарового клапана и одновременно обеспечивает стабилизацию давления в забое. На рис. 1-11 показана фотография места выброса грунта с вращающейся воронки шарового клапана.

Рис. 1-10. Щит сжатого воздуха Ø 5.25 м

Рис. 1-11. Дренаж с поворотной воронкой с шаровым клапаном

Проходческий щит сжатого воздуха подходит для глины, вязких песчаных почв и заполненных водой мягких слоев. При работе в непригодных пластах частицы грунта теряют равновесие из-за воздушного потока, и тонкий слой земляных масс в туннельном забое по причине утечки может спровоцировать «извержение». Проходческий щит сжатого воздуха из-за крайне неудовлетворительных условий работы заменен на проходческий щит с гидропригрузом.

1.2.3. Проходческий щит с грунтопригрузом

Передняя часть проходческого щита с грунтопригрузом (Earth Pressure Balance), сокращенно щит EPB, снабжена сепаратором, а отсек для выемки грунта отделен резцовой головкой, срезным кольцом, сепаратором и винтовым конвейером, как показано на рис. 1-12. Его принцип работы заключается в следующем: резцовая головка вращается, чтобы разрезать забой, а разбитый грунт попадает в отсек для грунта через отверстие в резцовой головке. Когда грунт попадает на дно грунтового отсека, он при помощи винтового конвейера транспортируется на ленточный конвейер, а затем к шлаковозу, припаркованному на трассе. Грунтовой отсек и винтовой конвейер заполнены срезанным грунтом и полагаются на тягу гидравлического цилиндра для создания давления в грунтовом отсеке при выемке шлака для того, чтобы грунтовое давление влияло на стабилизацию забоя. Кроме того, корпус щита выполняет временную защитную роль в вырытом без футеровки туннеле, выдерживает давление окружающего слоя грунта и грунтовых вод, а также изолирует подземные воды.

Рис. 1-12. Принцип работы щита с грунтопригрузом

Рис. 1-13. Щит с грунтопригрузом

Проходческий щит с грунтопригрузом состоит из корпуса, рабочего органа, приводного механизма рабочего органа, винтового конвейера, ленточного конвейера, машины для установки тюбинга, отсека для людей, гидравлической системы и т. д., как показано на рис. 1-13.

(1) Винтовой конвейер

Винтовой конвейер состоит из цилиндрической части, приводного устройства, винтового вала и затвора для выпуска шлака. Винтовой конвейер разделен в соответствии со структурой привода. И имеет, как правило, две структурные формы: периферийного привода и центрального привода, то есть – осевой винтовой конвейер и ленточный винтовой конвейер (рис. 1-14). Его характеристики заключаются в следующем:

Осевой винтовой конвейер имеет компактную структуру, которая удобна для расположения смежных элементов. Отверстие для выхода шлака у ленточного винтового конвейера находится на задней части, положение выхода также повышено. Когда грунтовой шлак проходит через безосевой участок, он накапливается и уплотняется под воздействием собственной силы тяжести и образует грунтовой засор. Таким образом, грунтовой шлак в некоторой степени обладает определенной непрерывностью и может выполнять функцию закрытия воды.

Основная функция винтового конвейера заключается в непрерывной выгрузке грунта из грунтового отсека проходческого щита наружу; земляные массы образуют герметичный почвенный засор во время выгрузки грунта наружу, предотвращая обезвоживание почвы и поддерживая стабилизацию давления грунта в грунтовом отсеке; путем автоматического сравнения значения давления грунта в отсеке проходческого щита с заданным значением давления грунта, в любое время можно отрегулировать скорость выгрузки грунта наружу, проконтролировать непрерывный динамический процесс баланса давления грунта в отсеке щита, чтобы обеспечить непрерывный процесс проходки щита.

Рис. 1-14. Винтовой конвейер

(2) Ленточный конвейер

Ленточный конвейер (рис. 1-15) состоит из кронштейна ленточного конвейера, переднего ведомого колеса, заднего ведущего колеса, верхнего и нижнего опорного колеса, ленты, устройства для натяжения ленты, устройства для очистки ленты и приводного двигателя с редуктором и т. д. Ленточный конвейер установлен и расположен на заднем опорном соединительном мосту и прицепе, который используется для вывода шлака из винтового конвейера в опорную вагонетку, расположенную за щитом. Ленточный конвейер оснащен электроприводом или гидравлическим приводом. По соображениям безопасности на нем установлено три выключателя аварийной остановки.

Рис. 1-15. Ленточный конвейер

(3) Защитное хвостовое уплотнение и его система смазки

1. Защитное хвостовое уплотнение

В хвостовом уплотнении щита используется уплотнительное устройство с кордощеткой (рис. 1-16), представляющее собой конструкцию, объединяющую пружинную сталь, кордощетку и металлическую сетку из нержавеющей стали. Насос для смазки хвостового щитка подает смазку между каждым уплотнением проволочной щетки для повышения эффективности закрытия воды.

Рис. 1-16. Применение системы уплотнения хвостовой части с тремя кордощетками

2. Система смазки для уплотнения хвостовой части щита

Неисправность хвостового уплотнения щита является одной из основных причин несчастных случаев при использовании проходческого щита в туннельных работах. Являясь одной из ключевых подсистем обеспечения нормальной проходки щита, система смазки для уплотнения хвоста щита использует пневматические насосы для впрыскивания смазки в каждую ветвь через каждый шунтирующий клапан, чтобы уплотнить хвост щита. Полость между щетками для уплотнения хвоста щита заполняется смазкой для уплотнения, чтобы предотвратить попадание воды и грязи внутрь щита. Методы управления подразделяются на ручной и автоматический, а автоматическое управление подразделено на контроль давления и контроль времени.

1.2.4. Проходческий щит с гидропригрузом

Проходческий щит с гидропригрузом (Slurry Pressure Balance Shield), сокращенно проходческий щит SPB, используется в качестве опорного материала смешанную суспензию из грязи (известна как глинистый раствор). Как показано на рис. 1-17, принцип работы заключается в следующем: глинистый раствор подается в грязевую камеру, образуя непроницаемую грязевую пленку на поверхности забоя, через которую грязевая пленка уравновешивает давление воды и почвы, действующее на забой. Извлеченный шлак транспортируется на землю в виде глинистого раствора, отделяется оборудованием для обработки грязи, а отделенная грязь и вода повторно измельчаются, а затем транспортируются к забою. Щит с гидропригрузом подходит для широкого геологического диапазона почв, от слабых слоев песчаного грунта до сложных формаций.

Рис. 1-17. Схема щита с гидропригрузом (немецкая система)

1) Классификация щитов с гидропригрузом

Щиты с гидропригрузом можно разделить на щиты с непосредственным контролем и щиты с косвенным контролем.

(1) Проходческие щиты с гидропригрузом прямого контроля

Как показано на рис. 1-18, система глинистой воды щита прямого контроля использует режим баланса глинистой воды. Передняя часть данного механического щита снабжена уплотнительным сепаратором, резцовой головкой и приводным гидроцилиндром; между сепаратором и забоем образован резервуар для глинистой воды, а внутренняя часть заполнена глинистым раствором. Принцип работы заключается в использовании объема циркулирующей суспензии для регулировки и контроля давления глинистого раствора. Глинистый раствор используется в качестве опорного материала; глинистый раствор подается в камеру для грязи и используется для образования непроницаемой пленки грязи на забое. Давление поддерживается за счет натяжения пленки, чтобы сбалансировать давление почвы и воды в забое (стабилизация забоя).

После того, как извлеченный шлак и глинистый раствор смешиваются, глинистый раствор транспортируется шламовым насосом на станцию отделения глинистой воды. После этого она входит в резервуар для регулировки глинистой воды. Наконец отправляется в резервуар щита с помощью шламового насоса для повторного использования. Объем циркулирующей суспензии в вышеупомянутом шламовом резервуаре может быть выполнен путем регулировки скорости грязевого насоса или регулировки открытия регулирующего клапана.

Рис. 1-18. Щит с гидропригрузом прямого контроля (японская система)

(2) Щит с гидропригрузом с косвенным контролем

На рис. 1-19 показан щит с гидропригрузом с косвенным контролем. Шламовая система состоит из двух контуров глинистого раствора и воздуха, поэтому ее также называют комбинированным режимом. На рисунке щит с грунтопригрузом с косвенным контролем вставлен с полуотделителем в резервуар для глинистой воды. Глинистый раствор под давлением заполняется перед полуотделителем, а сжатый воздух заполняется выше линии оси щита полуотделителя для образования воздушного буферного слоя. Давление воздуха действует на поверхность контакта с глинистым раствором за полуотделителем. Поскольку газ и жидкость на контактной поверхности имеют одинаковое давление, поэтому до тех пор, пока давление воздуха регулируется, можно поддерживать соответствующее давление глинистого раствора в забое.

При проходе щита из-за потери глинистого раствора или изменения скорости движения, количество отправляемой и выгружаемой глинистого раствора теряет равновесие, и поверхность контакта с воздухом-жидкостью будет колебаться вверх и вниз. В это время с помощью датчика уровня жидкости скорость бурового насоса регулируется в соответствии с изменением уровня жидкости, так что уровень жидкости восстанавливается до заданного положения, чтобы поддерживать гидравлическую стабильности забоя. Производительность бурового насоса увеличивается с уменьшением уровня жидкости и уменьшается с увеличением уровня жидкости. На самом высоком и самом низком уровнях жидкости имеется ограничитель. Буровой насос останавливается, когда жидкость снижается до самого низкого уровня или достигает самого высокого уровня. Из-за воздушного буферного слоя уровень жидкости колеблется, это не оказывает очевидного влияния на изменение давления поддерживающего раствора.

Рис. 1-19. Щит с гидропригрузом с косвенным контролем (немецкая система)

(3) Анализ различий

1. По сравнению с однокабинной конструкцией щита с гидропригрузом прямого контроля щит с гидропригрузом косвенного контроля в резервуаре для глинистой воды имеет резервуар для воздушного балласта с двухкабинной конструкцией, в которой земляной резервуар заполнен глинистым раствором под давлением и соединен с резервуаром на воздушной подушке через погружную стенку внизу, чтобы сбалансировать внешнее давление воды и почвы. Можно увидеть, что управление щитом с гидропризрузом прямого контроля стало намного проще, упрочнение почвенного защитного слоя в забое стало еще надежнее, а контроль деформации поверхности стал эффективнее.

2. В щите с гидропригрузом прямого контроля колебания давления глинистой воды в кабине экскаватора довольно велико, как правило, в пределах ± (0.5 ~ 1.0) бар (рис. 1-20a), а щит с гидропригрузом косвенного контроля может точно контролировать и регулировать давление через систему сжатого воздуха, поэтому колебания давления в кабине экскаватора невелики, как правило, ± (0.1 ~0.2) бар (рис. 1-20b).

Рис. 1-20. График колебания давления щита с гидропригрузом

1) Образование системы щита с гидропригрузом

Щит с гидропригрузом состоит из следующих пяти систем: система проходки щита, которая использует резцовую головку для выемки на всей поверхности забоя во время продвижения; система циркуляции глинистой воды, которая может регулировать физические свойства глинистого раствора, направлять ее к забою для поддержания его стабильности; интегрированная система управления, которая комплексно управляет состоянием подачи и вывода глинистой воды, давлением глинистой воды и состоянием работы оборудования по очистке глинистой воды; система разделения и очистки глинистой воды; синхронная система цементной затирки швов на стенах.

Взяв в качестве примера щит с гидропригрузом прямого контроля, кратко представим типичный системный состав щита с гидропригрузом.

(1) Система циркуляции глинистой воды используется для регулировки физических свойств глинистого раствора, поддержания стабильности забоя и транспортировки глинистой воды из резервуара на станцию разделения с помощью бурового насоса. Система состоит из отправляющего (выгружающего) бурового насоса, отправляющей (выгружающей) буровой трубы, удлинительного трубопровода, вспомогательного оборудования и т. д. Среди них трубопровод подачи глинистой воды, ведущий в переднюю кабину в щите, разделен на пять секций (две, ведущие к резервуару для глинистой воды в верхней части; две, ведущие к резервуару на воздушной подушке в нижней части; и одна, ведущая к резервуару для глинистой воды в середину через центральное поворотное соединение); трубопровод для сброса грязи (трубопровод в нижней части щита) оснащен P2.1 насосом, промежуточным бустерным насосом P2.i и промежуточным бустерным насосом P3, а также другими насосами для выброса глинистой воды; плотность и расход глинистой воды измеряются гамма-плотномером и электромагнитным расходомером, установленными на каждом трубопроводе, соответственно, положительное количество глинистой воды контролируется шламовым насосом.

Основным рабочим механизмом системы циркуляции глинистой воды является: буровой насос P1.1 и промежуточный насос Р1.i, транспортирующие новый глинистый раствор, приготовленный в шламовом резервуаре, в шламовый отсек по трубе; шламовый насос P2.1, который выносит шлак из глинистой воды и оборудования для очистки глинистой воды, транспортируемого на землю по трубе, отделены.

Методы управления системой циркуляции глинистой воды подразделяются на ручное управление, полуавтоматическое и автоматическое. Режим автоматического управления включает в себя пять видов режима: раскопка, байпасирование, изоляция (при захвате), обратный цикл (также известный как регрессивный режим) и выключение (рис. 1-21).

Рис. 1-21. Режимы автоматического управления

(2) Система комплексного управления

Данная система используется для комплексного управления состоянием подачи и выброса глинистой воды, давлением глинистой воды, а также состоянием работы оборудования для его очистки.

(3) Система разделения и очистки глинистой воды

Система очистки глинистой воды используется для отделения воды и почвы от глинистой воды, сбрасываемой со щита. Система расположена на земле и состоит из двух частей: станции разделения глинистой воды и оборудования для подготовки глинистого раствора. Среди них станция разделения в основном состоит из вибрационного грохота, циклона, фильтра-пресса (или центрифуги), резервуара для хранения глинистой воды, регулировочного бака, шламового насоса и т. д.; оборудование для подготовки глинистой воды состоит из отстойника, резервуара для смешивания глинистой воды, системы пульпирования и т. д. Ниже представлено краткое введение в основные компоненты системы разделения и очистки глинистой воды.

1) Станция разделения глинистой воды

Мощность станции разделения глинистой воды обычно делится на три уровня, среди которых: объектом обработки глинистой воды первого уровня являются песок и гравий с размером частиц более 74 мк. Процесс относительно прост. Отделенные частицы почвы просеиваются с помощью оборудования, такого как вибрационный грохот или циклон, и транспортируются на автомобиле; объектом обработки глинистой воды второго уровня являются в основном мелкие частицы ила и глина размером менее 74 мк, которые не могут быть отделены на первом этапе обработки; обработка третьего уровня должна отрегулировать значение рН оставшейся глинистой воды, подлежащей выгрузке. При необходимости следует использовать фильтр-пресс (или центрифугу) для дальнейшего разделения глинистой воды и воды, чтобы можно было выгрузить оставшуюся глинистую воду и воду. Выбросы соответствуют национальным требованиям по охране окружающей среды и используемые материалы в основном представляют собой разбавленную серную кислоту или соответствующее количество углекислого газа.

Рис. 1-22. Технологический процесс производства раствора: FV – изменение вязкости воронки; YV – контроль значения вязкости

2) Оборудование для подготовки глинистого раствора

Оборудование используется для развертывания глинистого раствора, отвечающего требованиям использования щита. Оно в основном включает резервуар для остаточного раствора, резервуар для растворения глины, резервуар для чистой воды, регулировочный резервуар, резервный резервуар CMC (очиститель), перемешивающее устройство и т. д. Процесс производства глинистой воды показан на рис. 1-22. На рисунке глина и бентонит (порошковая глина) могут быть использованы для увеличения плотности, а CMC может быть добавлен для увеличения вязкости.

1.2.5. Двухрежимный и гибридный проходческий щиты

Когда туннель проходит через композитный пласт, любая из вышеперечисленных форм не может полностью соответствовать требованиям строительства туннелей. Одним из решений является выбор двух или более щитов в соответствии с определенными условиями формирования слоя, но это решение не только дорогостоящее, но и сложное для размещения нескольких щитов из-за ограничений площадки. Поэтому если позволяет пространство, необходимо расположить функциональные компоненты проходческого щита с грунтопригрузом, гидропригрузом на щите одновременно, чтобы сформировать двухрежимный или гибридный щит. Во время проходки туннелей такой щит может переключаться и корректировать свою функцию или режим работы в соответствии с геологическими и гидрологическими условиями; или выполнять аналогичное преобразование модульной конструкции различных форм функциональных компонентов щита.