Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

В августе 2007 года Министерство науки и техники Китайской Народной Республики учредило проект по разработке ключевых технологий и прототипов для крупномасштабных проходческих щитов с гидропригрузом в рамках государственного плана «863» 11-й пятилетки. Используя опыт, полученный от щита «Совершенный», Шанхайская туннельная компания совместно с Чжэцзянским университетом и Китайской корпорацией железнодорожных туннелей успешно разработала сбалансированный проходческий щит с гидропригрузом большого диаметра с полным независимым правом интеллектуальной собственности.

Щит совершил значительный прорыв в основных технологиях, таких как синхронная система цементирования, машина для сборки тюбинга, система подачи воды и глинистой воды, электрическая система управления, а также добавил эргономичный дизайн, что делает щит более надежным, долговечным, стабильным и простым в эксплуатации, а также имеет хорошие показатели стоимости и отличное постпродажное обслуживание. На практике колебания давления глинистой воды и воды успешно контролировались в пределах 0.01 МПа, что было лучше международного стандарта того времени, обеспечивая стабильность поверхности котлована в процессе щитовой проходки и удовлетворяя особым требованиям по защите окружающей среды.

Благодаря исследованиям, ключевые технологии оборудования для прокладки проходческих щитов большого диаметра с гидропригрузом внесли значительные инновации в испытательную платформу для моделирования проходки щита, ящик для грунта для моделирования проходки щита, машину для хранения и транспортировки частей щита, машину для сборки частей щита с шестью степенями свободы, приемное устройство, устройство для уплотнения дверей входной и выходной полости, метод выбора коррекции отклонения частей туннельного тюбинга, систему измерения отношения проходки щита в реальном времени и т. д.

Было выдано 12 национальных патентов на изобретения и один патент на полезную модель. Компания разработала 4 основных программных обеспечения, таких как программное обеспечение для сбора общих данных щита V1.0, программное обеспечение для визуализации и анализа информации о конструкции щита V1.0, система автоматического измерения проходки щита V1.0, система выбора коррекции прогиба куска трубы щита V1.0 и т. д., зарегистрировала авторские права на 4 программных обеспечения и заняла первое место в номинации «Золотая награда» на Китайской международной промышленной выставке 2010 года.

В качестве знакового достижения независимых инноваций и скачкообразного развития, достижения проходческих щитов большого диаметра с гидропригрузом были успешно отобраны для участия в Национальной выставке основных научно-технических достижений «11-й пятилетки», что ознаменовало собой крупный прорыв в независимых инновациях проходческих щитов большого диаметра с гидропригрузом в Китае и создало еще одну новую главу в области строительства щитов в Китае. Основные инновационные достижения следующие:

(1) Система уплотнения хвостовой части щита: 22 контрольные точки установлены для мониторинга давления смазки в хвостовой части щита в режиме реального времени, обеспечивая безопасность строительства, а также надежное уплотнение хвостовой части щита и экономию расхода смазки.

(2) Синхронизированная система цементирования: автоматический мониторинг потока и давления цементирования в реальном времени, синхронизированный с движителем. Эффективный контроль оседания грунта и стабилизация формирующегося тоннеля.

(3) Машина для сборки тюбинга: вакуумные присоски используются для захвата частей труб для повышения безопасности сборочной машины; инновационная конструкция присосок может быть демонтирована для удовлетворения потребностей различных ширин и размеров частей труб с 6 степенями свободы управления для повышения качества частей труб.

(4) Система очистки и подачи глинистой воды и воды: научная конфигурация комплекта насосов для подачи грязи и воды, интеллектуальное управление шламовым насосом с переменной скоростью и комплектом клапанов для контроля глинистой воды и воды.

(5) Программное обеспечение системы управления: оснащена самостоятельно разработанной и созданной системой управления проходческого щита с гидропригрузом.

(6) Электрическая система: предусмотрены два типа коммуникационных сетей – связь через электрические шины и промышленная коммуникация через локальную компьютерную сеть; реализованы сбор, отображение, хранение, анализ и дистанционная передача данных в реальном времени, интуитивно понятная и простая в понимании система; оснащена пультом управления электрической системой с сенсорным экраном, простым и быстрым в управлении.

(7) Самоходная приемная машина: впервые оригинальная рама самоходного приемного локомотива применяется к проходческому щиту с гидропригрузом, чтобы обеспечить стабильное давление воды в разрезе при приемке и значительно улучшить эффективность строительства.

Проект реконструкции туннеля на дороге Дапу, начинающийся от пересечения Южной дороги Чжуншань – Восточной дороги Руйхуэй в Пуси и заканчивающийся на пересечении дороги Яохуа – дороги Чанцин в Пудуне, общей протяженностью 2969 км, расположен на западной стороне первого поперечного туннеля реки Хуанпу, туннеля дороги Дапу. Построенный туннель имеет 2 полосы и вместе с туннелем Дапу Роуд образует двухполосную 4-полосную дорогу, причем двухполосная дорога будет односторонним каналом из Пуси в Пудун, а 2 полосы первоначального тоннеля Дапу Роуд – односторонним каналом из Пудуна в Пуси.

Проект предусматривал пересечение реки Хуанпу шириной 700 м, с глубокой вскрышной породой туннеля и высоким давлением подземных вод, что предъявляло чрезвычайно высокие требования к процессу производства и безопасности щита. Кроме того, туннель имеет достаточно малый радиус поворота (радиус поворота 380 м) – около 442 м, что является наименьшим радиусом поворота среди всех туннелей, построенных с использованием большого проходческого щита с гидропригрузом.

В процессе строительства отечественный проходческий щит с гидпригрузом диаметром 22 м была разработана интеллектуальная система управления эксплуатацией для мониторинга и управления в режиме реального времени, успешно преодолевая трудности, связанные с пересечением затопленного участка туннеля дороги Дапу, большого расстояния между рекой Хуанпу и южной канализационной магистралью большого диаметра, а также участка кривой малого радиуса 380 м. Щит успешно преодолел трудности, связанные с пересечением карстового участка туннеля Дапу, большого расстояния между рекой Хуанпу и южной магистралью канализации большого диаметра и участка кривой малого радиуса 380 м, продемонстрировав технические преимущества отечественного щита.

Первый в Китае проходческий щит с гидропригрузом, изготовленный в рамках государственного плана «863», использованный в туннеле Дапу, был настолько эффективен, что в процессе прокладки туннеля «Цзинь Юэ» прошел через старый туннель Дапу с вертикальным зазором всего 4.8 мм, пересек южную магистральную канализационную линию длиной 500 м в средней части реки с максимальным уклоном 4.8%, приземлился в Пукси и прошел через противопаводковую стену порта Рихуэй. После приземления в Пукси он пересек противопаводковую стену порта Риюй и прошел через скопление свайных фундаментов и сложных подземных трубопроводов, достигнув радиуса поворота 380 м на дне реки Хуанпу, установив рекорд по наименьшему радиусу поворота проходческого щита с гидропригрузом в Китае на тот момент.

Среднемесячное продвижение «Цзинь Юэ» составляет 244 м, уровень точности контроля водно-шламового баланса равен 0.01 МПа, интенсивность аварийного отключения составляет всего 3.6%. Кроме того, многие технические показатели, такие как колебание давления, осадка поверхности и осевая точность, опережают зарубежные аналоги, а комплексные показатели по удобству эксплуатации и стабильности достигли передового международного уровня.

9 сентября 2009 года щит «Цзинь Юэ» завершил свою первую работу – плавное открытие дуплексного туннеля шанхайской дороги Дапу, восполнив пробел в китайской технологии проектирования и производства проходческих щитов с гидропригрузом большого диаметра, изменив ситуацию, когда щиты большого диаметра полностью зависели от импорта.

Китайский самостоятельно разработанный и изготовленный проходческий щит с гидропригрузом большого диаметра «Цзинь Юэ» с независимыми правами интеллектуальной собственности успешно реализовал проект по перекладке туннеля шанхайской дороги Дапу (рис. 1-51), и с тех пор Китай вошел в число стран с независимыми технологиями проектирования, производства и строительства проходческого щита с гидропригрузом большого диаметра.

1.4.3. Период скачка для китайской щитовой технологии

С 2009 года Китай взял курс на «создание лучшего щита в мире», а китайские технологии производства щитов выросли из отличных в выдающиеся и вышли на международный уровень. За этот период Китай значительно улучшил свои независимые инновационные возможности и сделал значительный прорыв в ключевых технологиях, разработке экспериментальной платформы и развитии индустрии щитов.

Что касается ключевых технологий, то на основе проекта «Ключевые технологии для независимой разработки и производства щитового оборудования и индустриализации» были применены три ключевые технологии – стабильности, соответствия и координации, сосредоточенные на трех основных международных проблемах строительства щитов, таких как нестабильность, неисправность и отклонение оси (рис. 1-52).

Для решения вопроса с нестабильностью была разработана система управления динамическим балансом давления для повышения устойчивости сопряжения и эффективного предотвращения обрушения грунта; для решения проблемы с разрушением был разработан метод проектирования соответствия нагрузки для снижения воздействия нагрузки на оборудование; для исправления отклонения оси была разработана технология прогнозирования и коррекции положения щита для повышения точности оси туннеля.

В рамках разработки экспериментальной платформы был разработан ряд научно-исследовательских приборов и оборудования в области щитовых технологий с независимыми правами интеллектуальной собственности. Были созданы две государственные ключевые лаборатории в области передового производства щитовой техники, включая «Государственную лабораторию щитовой конструкции и туннельной техники» (рис. 1-53) и «Государственную лабораторию полнопрофильных туннельных бурильных машин» (рис. 1-54).

В щитовой промышленности были достигнуты значительные успехи в индустриализации щитов с грунтопригрузом, щитов сгидропригрузом, профилированных щитов и буровых станков (ТВМ), а китайские производители щитов быстро развиваются, что обусловлено огромным рыночным спросом на щиты в Китае. В настоящее время в Китае около 30 предприятий: Китайская корпорация железнодорожных инженерных оснащений, Китайская корпорация тяжелой промышленности железнодорожного строительства, Корпорация северной тяжелой промышленности, филиал машиностроения Шанхайского АОО строительства туннелей, ООО машиностроения Чжунцзяо Тянхэ, ООО Промышленности Саньсань провинции Ляонин, Тяжелая промышленность Саньи, Тяжелая промышленность Чжунсинь, Тяжелая промышленность по судостроению, Тяжелое оснащение Китайского судостроения, Жуйчжэн провинции Цзянсу, Дачжун, Дачи, Гуанчжун, Хуасуйтун г. Пекин, Металлургический завод в столице, Тяжелая промышленность Тяньди, Котельный завод г. Ханчжоу, Завод Худун г. Шанхай, Завод тяжелых машин г. Шанхай, Южная корпорация машин г. Чжиян, Туннель Кайгун провинции Цзянсу, Тяжелая промышленность Кайшэн провинции Анхуй, Жуйань г. Чунцин и другие имеют причастность к обрабатывающей промышленности проходческих щитов.

Рис. 1-51. Проходческий щит «Цзинь Юэ» успешно реализовал проект по перекладке туннеля шанхайской дороги Дапу

Рис. 1-52. Ключевые технологические достижения

Рис. 1-53. Государственная лаборатория щитовой конструкции и туннельной техники

Рис. 1-54. Государственная лаборатория полнопрофильных туннельных бурильных машин

Среди них наиболее конкурентоспособными являются шесть отличных предприятий по разработке и производству щитов, такие как Китайская корпорация железнодорожных инженерных оснащений, Китайская корпорация тяжелой промышленности железнодорожного строительства, Корпорация северная тяжелой промышленности, филиал машиностроения Шанхайского АОО строительства туннелей, ООО Машиностроения Чжунцзяо Тянхэ, ООО Промышленности Саньсань провинции Ляонин и т. д. Показатели эффективности производимых ими щитов соответствуют или превышают показатели международных аналогов, замещают импорт и экспортируются в Сингапур, Малайзию, Израиль, Индию и другие страны.

ГЛАВА 2. МЕТОД ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ И ЩИТОВЫЕ ТУННЕЛИ

2.1. О ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ

2.1.1. Базовые понятия о щитовой проходке

Метод щитовой проходки – это один из видов технологии подземного землеройного туннельного строительства, при котором прохождение под землей осуществляется с помощью специальной конструкции под названием «щит», который, предотвращая обвал и создавая стабильную поверхность забоя, одновременно производит внутри конструкции безопасную выемку грунта и облицовку внутренних стенок шахты, тем самым формируя готовый туннель.

Согласно этому определению, щитовой метод состоит из трех основных элементов: стабилизации поверхности забоя, выкапывания (выемки) грунта и облицовки (обделки) при помощи конструкции – щита. При выкапывании грунта с помощью щита необходимо решить три главных задачи: выбор рабочей режущей поверхности, способа уравновешивания давления на рабочую поверхность и выгрузки шлаковой почвы из шахты. При выборе режущей поверхности, в одинаковых конструктивных условиях пласта и режущей головки, принципиальной разницы нет, остается решить вопрос балансировки и удаления шлака. Что касается обделки туннеля: во время продвижения щита в грунтовом пласте, окружающие породы поддерживаются защитной оболочкой корпуса щита и тюбингами (сегментами туннельного кольца), таким образом предотвращая обрушение почвы и песчаных масс во время строительства туннеля. Щит закрытого типа с помощью компрессии глины, либо компрессии шламовой жидкости, создает сопротивление давлению земляных пород и давлению воды, тем самым обеспечивая удерживание и стабильность забоя. Щит открытого типа может применяться в случае, если забой является самонесущим, в противном случае требуются дополнительные вспомогательные меры.

Главный принцип щитопроходной технологии – это завершение работ с минимальным, насколько это возможно, колебанием окружающих пород, тем самым максимально снижая воздействие на наземные строения и фундаментные коммуникации.

Первоначально метод щитовой проходки применялся с использованием ручной, либо механической силы при проведении землеройных работ с применением сжатого воздуха для создания устойчивости забоя и выемки грунта. Если окружающие породы были крайне текучими, то для укрепления и предотвращения протечек применялся метод цементирования, при котором в условиях мягких земляных пластов могли проводиться работы закрытого типа.

История щитопроходной технологии началась в Великобритании, созрела в Германии и Японии, а затем получила широкое развитие в Китае. С момента появления первой в мире щитопроходной машины в 1825 году, спустя более ста лет научно-исследовательских разработок и эксплуатации, данный метод эволюционировал, и на сегодняшний день широко применяются жидкошламовые проходческие щиты и щиты с компенсацией давления земляных пород. Самым большим преимуществом этих двух видов машин является то, что в процессе проведения землеройных работ предусмотрена возможность стабилизации забоя, таким образом, два из трех основных элементов метода щитовой проходки, а именно стабилизация забоя и выемка грунта, интегрировались в один элемент, тем самым повышая способность адаптироваться к пластам с изменяющимися геологическими условиями, исключая необходимость в проведении дополнительных вспомогательных работ.

2.1.2. Механический анализ производственных работ по методу щитовой проходки

Процесс строительства туннеля щитовым методом – это сложный механический процесс, в ходе которого исходная почва подвергается разрушению, дроблению и последующей трансформации. На грунтовые массы забоя воздействует режущее усилие резцов, установленных на рабочем инструменте щита, прокатывающее и трамбующее усилие, а также удерживающее усилие среды внутри камеры давления. Действующее на грунтовые массы удерживающее усилие снаружи щита почти такое же, как внутри камеры давления. На грунтовые массы в хвостовой зоне щита воздействует сила давления блока синхронной цементации. После того как грунтовые массы подверглись манипуляциям на предыдущих этапах, они будут преобразовываться в течение очень длительного промежутка времени.

В настоящее время наука механического анализа щитопроходческих работ, основываясь на механике сплошной среды, помогла получить множество ценных сведений и получила широкое использование в сфере туннелестроительного проектирования. Однако, вследствие многих неопределенностей в процессе щитовой проходки и неоднородности почвенной среды, между результатами анализа с помощью традиционных методов и фактической ситуацией в ходе строительных работ существует довольно большая разница. Чтобы обеспечить успешное проведение щитопроходческих работ, необходимо объединять данные испытаний и опыт персонала, производящего работы. Вследствие этого необходимо подбирать наиболее оптимальные решения при руководстве работами.

Проходческий щит осуществляет экскавационное продвижение в естественной почвенной массе, формируя туннель, и естественная почва в пределах движения замещается туннельным пространством с облицовочной обделкой. По мере продвижения резцы рабочего органа щита прорезают земельный пласт перед ним, и он посредством выдвижения гидравлических цилиндров, оказывающих давящее усилие на предварительно смонтированную облицовочную обделку, осуществляет движение вперед. При каждом цикле продвижения вперед на ширину одного тюбинга, персонал, оперируя тюбингоукладочной установкой, осуществляет монтаж тюбингов в хвостовой части щита, формируя постоянную опору для туннеля. Во время продвижения вперед зазор между тюбингом и земляным слоем заполняется цементирующей жидкостью, завершая процесс формирования туннеля. В итоге процесс строительства туннеля обычно включает в себя 4 механических этапа (рис. 2-1).

Рис. 2-1. Четыре этапа туннелестроительных работ щитопроходным методом

Этап 1: резцы рабочего инструмента выкапывают фронтальную почвенную массу, а также с помощью шлаковой земли либо жидкой глинистой воды удерживают окружающие почвенные массы.

Этап 2: щит продвигается вперед, при этом внутри щита происходит монтаж облицовочных тюбингов.

Этап 3: после того как сформируется строительный зазор в хвостовой части щита, снаружи облицовочной обделки происходит заливка цементной суспензии.

Этап 4: окружающий земляной слой постепенно твердеет и преобразуется.

Во время вышеперечисленных четырех стадий земляной слой вокруг щита подвергается сдавливанию, разрезанию, сдвиганию, преобразованию и серии прочих воздействий. Строительная практика показывает, что в процессе проходки щита вышеуказанные этапы оказывают довольно большое влияние на окружающие земляные слои.

1. Экскавация и укрепление почвы перед резцовой головкой

Разрезание земляного пласта вращающейся резцовой головкой является первым шагом щитопроходных работ. На этом этапе щит медленно продвигается вперед, а земля перед ним режется вращающейся резцовой головкой и попадает в землеприемный призабойный отсек (в случае жидкошламовой проходки – попадает в шламовый призабойный отсек), затем по шнеку щита (либо по трубопроводу) выводится на поверхность земли. Успешное прохождение данного этапа играет ключевую роль в сохранении стабильности фронтального земляного пласта. На рис. 2-2 показан силовой анализ воздействия на забой. H – высота уровня подземных вод, С – глубина земляного покрова над щитом, D – диаметр щита, Pw – давление воды, Ps – латеральное (боковое) давление, Pc – давление земляных масс в землеприемном призабойном отсеке (либо давление шламовой жидкости в шламовом призабойном отсеке). Для обеспечения стабильности забоя необходимо обеспечивать достаточное удерживающее усилие.

В процессе продвижения щита вперед картина воздействующих на земляную массу сил достаточно сложная. Сдавливание (экструзия) и разрезание резцами, сдавливание среды в кессонной камере, – это многофакторный динамический процесс. В условиях более-менее стабильной фронтальной почвенной массы, как правило, обсуждается только смещение почвы на открытой части, игнорируя контакт поверхности резцовой головки с фронтальной почвенной массой по всему сечению разрезания. Во время продвижения вперед эффективное удерживание фронтальных земляных масс достигается с помощью установки соответствующего давления в землеприемном призабойном отсеке (либо шламовом отсеке).

2. Формирование и заполнение хвостового зазора

Во время продвижения щита, для обеспечения достаточной поворотной способности, между оболочкой щита и смонтированной обделкой внутри хвостовой части щита, как правило, остается определенный конструктивный зазор. Когда домкрат толкает щит вперед, со смонтированной обделки, располагающейся внутри хвостовой части щита, сдергивается хвостовая защита, и между периферией обделки и окружающей почвой образуется конструктивный зазор, который обычно называют хвостовым зазором.

На рис. 2-3 показано, как после удаления корпуса щита от обделки туннеля, вследствие образования зазора в хвостовой части, окружающая грунтовая масса теряет опору и приходит в несбалансированное состояние. В результате естественная регуляция возникшей нагрузки может привести к обвалу окружающих грунтовых масс и деформации туннеля. Поэтому хвостовой зазор необходимо заполнить цементной суспензией.

Рис. 2-2. Силовой анализ воздействия на забой

Рис. 2-3. Схема хвостового зазора

После заполнения суспензией образованная при помощи обделки и суспензии структура укрепления служит защитой при сбросе напряжения окружающими грунтовыми массами, тем самым помогая держать под контролем деформацию окружающих пластов и просадку грунта. Технологию заполнения хвостового зазора суспензией обычно подразделяют на два типа: синхронная заливка и застенная заливка. Синхронная заливка означает непрерывную подачу суспензии под давлением с помощью специального трубопровода, расположенного в хвостовой части щита, одновременно с формированием хвостового зазора. Застенная заливка означает заливку суспензии через специальные отверстия в тюбингах; такой способ заполнения можно осуществлять и одновременно с продвижением щита вперед, и для вторичной заливки. Синхронный способ заливки является более актуальным при заполнении конструктивного хвостового зазора для щитопроходной технологии, так как достигается более полный контроль смещения окружающих земляных пластов. Данный способ на сегодняшний день является самым распространенным в строительной технологии.

3. Консолидация и переустройство (преобразование) окружающих грунтовых слоев

В ходе проведения туннелестроительных работ щитовым методом окружающие грунтовые массы подвергаются нарушению различной степени. С одной стороны, структура грунтовых масс вокруг щита в определенной степени разрушается и реструктуризуется, с другой стороны, меняется водяное давление в поровом пространстве земли. В целях сохранения либо восстановления естественного баланса почвы после нарушения происходит регуляция напряжения и деформации грунтовых масс вокруг туннеля; в конечном итоге достигается новый баланс и происходит их переустройство.

Вопросы обстановки сил, действующих на окружающие земляные пласты и вызываемой ими деформации пластов при туннельном строительстве щитовым методом, широко обсуждаемы в инженерной среде, данный вопрос представляется особенно важным, когда при строительстве приходится сталкиваться с расположенными рядом подземными туннельными сооружениями, подвальными помещениями и фундаментом высотных зданий, трубопроводом, коммуникациями и прочими чувствительными к воздействиям сооружениями. Ученые и инженеры по всему миру выдвинули на повестку ряд вопросов из области механики и начали соответствующие исследования в сфере взаимодействия щита и грунта в процессе трех вышеупомянутых этапов проходки в надежде установить закономерности влияния щитопроходных работ на земляные пласты.