Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

2.1.3. Принципы механики стабилизации забоя

Экскавация грунта – это начало туннелепроходческой работы и самое главное звено. Стабилизация фронтального грунта – ключевой момент для успешного проведения экскавации. Обычно балансировка суммы давления фронтального грунта и давления подземных вод достигается регулировкой давления внутри землеприемного отсека (либо давление глинистой воды шламоприемного отсека), с помощью чего достигается стабилизация состояния фронтального грунта и обеспечивается стабильность хода работ.

1) Принципы механики стабилизации забоя

Экскавация щита – это процесс, включающий в себя разрезание, смещение, сжатие и укрепление грунта забоя. Картина деформации фронтальных грунтовых масс вследствие воздействия различных сил довольно сложная, на рис. 2-4 показано состояние деформации при воздействии сил.

Рис. 2-4. Состояние деформации при воздействии сил

Находящиеся перед плоскостью резцовой головки грунтовые массы подвергаются сдавливающему и разрезающему усилию режущего инструмента щита, при этом может возникать определенная компрессия и переход масс в моментно-пассивное состояние. Однако все грунтовые массы поверхности экскавации могут находиться в разных состояниях в зависимости от разных удерживающих сил во время проходки, так как экскавационный процесс щита – это отслаивание грунтовых масс забоя от их первоначального расположения с помощью режущего инструмента и перемещение их в землеприемный отсек щита с грунтопригрузом (либо в шламоприемный отсек щита с гидропригрузом). В процессе прорезания может возникать временно свободная поверхность, потому что соприкосновение естественной почвы забоя и вырезаемых грунтовых масс не постоянно; на данный момент пока что не удалось найти идеальный способ анализа, кроме создания предположения гипотетически постоянного состояния.

Поэтому в щите обычно установлены датчики давления грунта, но устанавливаются они не на резцовой головке, где измерение давления грунтовой массы перед ним происходило бы напрямую, а размещаются в нескольких местах на перегородках землеприемного либо шламоприемного отсека и измеряют распределение грунтового либо шламового давления в разных точках. В щите с грунтопригрузом опорное (встречное) давление грунта в землеприемном отсеке контролируется посредством регулировки скорости продвижения и скорости шнекового отвода грунта, тем самым достигая стабильности поверхности забоя. В щите с гидропригрузом шламоприемный отсек постоянно заполнен глинистой водой, и там опорное (встречное) давление контролируется посредством регулировки подачи и отвода количества жидкости, также достигая стабильной поверхности забоя. И в щитах с грунтопригрузом, и в щитах с гидропригрузом, и в других видах щитов стабильность забоя обеспечивается с помощью использования давления шламовой жидкости либо давления грунта, так предотвращается обрушение забоя, контролируется деформация забоя и, как следствие, предотвращается излишнее нарушение земляных слоев.

2) Давление в забое

При регулировании давления забоя подразумеваются и устанавливаются параметры давления подземных вод, давления земляных масс и давления самого оборудования. В условиях хорошей самостабилизации грунта иногда можно не учитывать давление грунта при установке давления шламовой жидкости, однако, в случае вероятной деформации забоя и проседания фундамента давление грунта все же принимают во внимание. С помощью данных буровой разведки можно с достаточной точностью определить давление грунтовых вод, тем не менее, когда имеет место сезонная изменчивость либо расположение вблизи рек, то на показатели может влиять изменение уровня воды в реке, поэтому также следует учитывать данные факторы при установке давления грунтовых вод.

Давление грунта подразделяется на: активное давление грунта, давление грунта в покое и пассивное давление грунта; установки разнятся и строго соблюдаются в зависимости от требований к ситуативным требованиям забоя. Давление грунта в покое – это идеальное давление без деформации забоя. Активное давление грунта – это предельное давление грунта без обвала в забое, оно является минимальным значением в регулируемых пределах. Пассивное давление грунта – это предельное давление, при котором создается тенденция смещения грунтовых масс забоя в направлении движения проходки, является максимально допустимым значением в регулируемых пределах.

Резервное давление – это давление, компенсирующее потерю во время работы; как правило, область значений находится в пределах 10 ~ 20 кН·м2 (0.1~0.2 кгс/см2).

Регулируемое давление забоя – это давление, рассчитываемое в отношении грунтовых масс сечения забоя в рамках верхнего и нижнего пределов. При учете условий проведения работ регулируемые значения устанавливаются в этом диапазоне. В условиях хорошей самостабилизации грунта берется достаточно низкое значение давления, а в случае, когда деформацию земляных пластов необходимо контролировать в крайне малых пределах, берется достаточно высокое значение давления, а именно:

верхнее предельное значение Pmax = давление грунтовых вод + пассивное давление грунта + резервное давление;

нижнее предельное значение Pmin = давление грунтовых вод + (активное давление, либо давление свободного хода грунта) + резервное давление.

2.1.4. Особенности щитопроходной технологии

При применении щита в туннелепроходческих работах наблюдается высокий уровень автоматизации, экономия рабочей силы, высокая скорость работ, единоразовое формирование шахты, благодаря контролируемому оседанию и выпячиванию поверхности грунта, представляется возможным максимально снизить влияние на находящиеся выше строения и подземные сооружения. В случае необходимости прокладывания шахты на большое расстояние и на большой глубине, щитопроходный способ является наиболее экономически целесообразным. Поскольку стоимость производства щита достаточно высока, то щитопроходный метод чаще всего наиболее подходит для строительства особо длинных туннелей. Применение щита для строительства туннеля на короткой дистанции, как правило, считается экономически не выгодным.

Щитопроходный метод имеет следующие технологические особенности:

1) Влияние на функционирование городской инфраструктуры и окружающей среды крайне низкое. Кроме необходимости создания определенной площадки вокруг котлована для спуска щита, территория вдоль линии строительства не требует создания рабочей площадки на поверхности земли, не требуется снос и редислокация, поэтому влияние на торговую, транспортную и жилую инфраструктуру является минимальным. Представляется возможным прохождение на глубине через области расположения строений и рек, подземных сооружений и туннельных коммуникаций без какого-либо воздействия на них. Производственные работы, как правило, проходят без применения таких мер как понижение уровня грунтовых вод и т. д., не создают шумовых, вибрационных и прочих строительных помех.

2) Под определенный туннелестроительный объект создается уникальный щит. Несмотря на то, что щиты, в условиях схожих земляных пластов и природных условий, обладают определенными сходными параметрами, тем не менее большинство из них снабжены отличающимся специальным оборудованием, подходящим исключительно для использования на определенном строительном объекте (по так называемому индивидуальному крою). Они разрабатываются, изготавливаются либо модифицируются в соответствии с размером сечения туннеля, условиями глубины пролегания и определяющими факторами окружающих пород. Когда предполагается применять один и тот же щит на других участках либо туннельных проходах, необходимо учитывать размер сечения, механику стабилизации забоя, размер фракции окружающих пород и прочие основополагающие факторы окружающих условий на предмет совпадения, в случае отличий необходимо провести соответствующую модификацию для использования в отличающихся геологических условиях. Производство щита должно происходить с опорой на предполагаемый проект использования и в тесной связи с инженерной геологией данного проекта.

3) Высокие требования к точности работы. В отличие от других видов земляных строительных технологий щитовая проходка крайне требовательна к точности проведения работ. Точность изготовления тюбингов примерно такая же, как при изготовлении оборудования, так как нет возможности регулировки плоскости сечения, то к отклонению осевой линии шахты, тюбингам и точности установки применяются очень высокие требования.

4) Щитопроходные работы могут проводиться только в одну сторону, потому что внутренний диаметр тюбингового кольца меньше внешнего диаметра щита, то после начала работ нет возможности обратного хода. В случае необходимости возвратного движения щита пришлось бы разбирать установленные тюбинговые кольца, а это крайне опасно. Также обратное движение щита может вызвать дестабилизацию забоя, поломку хвостовых щеток щита и серию других проблем. Поэтому огромное значение имеет предварительно проделанная работа, ведь при встрече препятствия, поломке режущего инструмента и прочих проблемах, решить их представляется возможным только после проведения особых вспомогательных работ посредством открытия специального люка на разделительной перегородке, через который рабочий персонал может попасть из кессонной камеры в землеприемный призабойный отсек и устранить неполадку.

2.1.5. Преимущества и недостатки метода щитовой проходки

При сравнении метода щитовой проходки с традиционными методами строительства туннелей метро, первый обладает такими преимуществами как малая площадь проведения работ над землей, низкий уровень влияния на окружающую среду, высокий уровень автоматизации, безопасность, экологичность и т. д. Сталкиваясь с задачами строительства туннелей больших диаметров, на длинных дистанциях и больших глубинах, метод щитовой проходки развивался и созревал, постепенно приобретая все большее доверие и количество сторонников; на сегодняшний день он становится основным методом туннельного метростроительства.

Метод щитовой проходки имеет следующие основные преимущества:

1) Высокая скорость. Щит является особым комплексным специализированным оборудованием для туннелестроительных работ, объединяющим в себе механические, электрические, гидравлические, сенсорные и информационные технологии. При щитопроходном методе экскавация земляных пластов, транспортировка грунта, установка обделки, спайка водонепроницаемых швов, заполнение хвостового зазора цементной суспензией и прочие работы проходят под защитой конструкции щита. При таком промышленном масштабе проведения работ, скорость экскавации сравнительно высока.

2) Высокое качество. В щитовом методе применяется тюбинговая обделка, это легко контролируемое качество конструкции и эстетичный внешний вид.

3) Высокая эффективность. Скорость работ щитовым методом сравнительно высокая; так как сроки работ легко контролируемы, ощутимо повышается экономический и социально-инфраструктурный коэффициент полезности; при этом требуется малое количество персонала при низкой трудозатратности.

4) Высокий уровень безопасности. С применением щитового метода улучшились условия персонала, выполняющего работы в шахте. Проведение работ внутри корпуса щита позволяет избежать травм и снизить количество чрезвычайных происшествий.

5) Высокая экологичность. Малая площадь наземной рабочей площадки, сокрытая от глаз рабочая зона, малое шумовое и вибрационное воздействие на окружающую среду, прохождение наземных комплексных сооружений и зон, насыщенных подземными трубопроводными и кабельными коммуникациями, без нарушающего воздействия на окружающую инфраструктуру.

6) Стоимость и технологическая сложность работ в основном не зависит от глубины строительства, т.о. данная технология подходит для строительства туннелей на большой глубине. Сравнивая щитовой метод с открытым котлованным методом, с экономической и временной точки зрения, чем глубже шахта, чем хуже фундамент, чем больше коммуникаций и сооружений, создающих помеху для подземных работ, тем выгоднее применение щитового метода.

7) Проходя под реками или морями, туннелепроходные работы не влияют на судоходный фарватер; климатические условия также не создают никаких помех для строительства.

8) Высокий уровень автоматизации и информатизации. В щите применяются технологии компьютерного управления, лазерной навигации, опережающего геологического зондирования, сенсорные, измерительные и информационные технологии. Щит – это комплексное оборудование для производства туннелестроительных работ, объединяющее в себе сборочные, оптические, электрические, пневматические, гидравлические и информационные технологии, тем самым достигается преимущество высокой степени автоматизации. В нем также применяются такие возможности, как функция сбора данных о ходе работ, функция управления положением в пространстве, функция управления данными о ходе работ, функция передачи данных о ходе работ в реальном времени, тем самым достигается высокая степень информатизации работ.

Метод щитовой проходки обладает следующими недостатками:

1) Стоимость оборудования достаточно высокая, значит, подходит не для всех проектов.

2) Щит сложно приспособить к условиям с изменением проходного сечения.

3) Сложно производить экскавацию при работах в условиях малого радиуса закругления (≤ 80 м).

2.1.6. Область применения метода щитовой проходки

1) Относительно взаимодействия с теми или иными геологическими условиями и условиями окружающей среды существует множество различных способов туннельного строительства, однако, использование метода щитовой проходки при строительстве подземных туннелей все же обладает своими уникальными особенностями.

XXI век – это век подземных пространств, а щит – это основной инструмент в подземном строительстве, он играет ключевую роль в процессе разработки подземных пространств, особенно в условиях плотной населенности и загруженной транспортной инфраструктуры больших городов. Метод щитовой проходки является неотъемлемой частью современного строительства, и с постоянным развитием технологии строительства подземных сооружений, подземных трубо-кабельных коммуникаций, подземного железнодорожного сообщения он также идет в ногу со временем.

За последние полвека щитопроходный метод получил стремительный рост. Начав свой путь с ручной экскавации сжатым воздухом, он развился до современных, разнообразных щитов с гидро- и грунтопригрузом, с возможностью работать на больших диаметрах, на проектах высокой сложности, на высоких скоростях, с применением «умных» технологий и получил широкое применение в различных передовых областях. Можно сказать, метод щитовой проходки подходит для всех типов экскавационных туннелестроительных работ в условиях мягких грунтовых пластов и мягких горных пород.

Существует много видов туннельного строительства. На стадиях изыскания, планирования и проектирования, при выборе способа проведения работ необходимо исходить из принципов применяемости, экономичности, безопасности, качества и краткосрочности каждого способа для конкретных геологических условий и условий окружающей среды и проводить полное обоснование и сравнительный анализ. Применимость метода щитовой проходки для геологических условий и условий окружающей среды приведена в таблице 2-1.

2) Область применения щитов большого диаметра

Щиты диаметром более 10 м применяются в основном при строительстве подводных автомагистральных туннелей. Так, в Японии в 1998 году при строительстве автомагистрали через Токийский залив, использовались 8 щитовых установок с гидропригрузом диаметром 14.14 м; в немецком городе Гамбург четвертый автомобильный туннель на реке Эльба был построен с использованием щита с гидропригрузом от компании «Herrenknecht» диаметром 14.2 м; высокоскоростной железнодорожный туннель «Green Heart Tunnel», проходящий через район Green Heart в Нидерландах, построен французской компанией NFM с применением щита диаметром 14.87 м; в строительстве туннеля через реку Чонгминг в Шанхае использовался немецкий щит производства фирмы «Herrenknecht» с грунтопригрузом диаметром 15 м и длиной 44 м; два щитопроходных комплекта диаметром 11 м и длиной 38 м были использованы при строительстве автомагистрального туннеля в г. Ухань на реке Янцзы; туннель Shiziyang пассажирской железнодорожной магистрали, соединяющей Шеньчжень и Гонконг, был построен с применением четырех установок с гидропригрузом диаметром 11.18 м; при строительстве пересекающей ветки метро в Пекине применялся щит диаметром 11.97 м.

Таблица 2-1. Применимость метода щитовой проходки для геологических условий и условий окружающей среды

Щиты больших диаметров также могут применяться для строительства подземных станций метро. Щитопроходный метод хорошо подходит для строительства трехсводчатых станций метро. Так, в Москве с помощью щита диаметром 9 ~ 10 м были построены три параллельных станционных туннеля и проходы между центральным и боковыми туннелями, формирующие трехсводчатую станцию (рис. 2-5). В Японии с помощью щита построили две параллельные туннельные линии станций метро и проходы между ними, формируя биноклеобразную форму станций.

Рис. 2-5. Трехсводчатая станция метро щитопроходным методом

Применение щитового метода в водонасыщенных мягких слоях для строительства станций метро является более затратным по сравнению с методом строительства сплошных стен, поэтому в данных случаях щитопроходная технология применяется только в случае отсутствия возможности рытья котлована на поверхности земли. При этом, в благоприятных геологических условиях, таких как московская кембрийская глинистая почва и т. п., щитопроходный метод при строительстве глубоко пролегающих станций метро будет иметь преимущество.

3) Область применения щитов среднего диаметра

Щиты среднего диаметра 6.25 ~ 7 м применяются для строительства межзонных туннельных переходов подземных железнодорожных путей.

4) Область применения щитов малого диаметра

Щиты малого диаметра около 3 м используются в строительстве комплексных трубопроводов для отвода воды, канализации, прокладки кабелей, линий связи и других коммунальных сооружений. Так, для строительства газопровода «Запад-Восток», проходящего через реку Янцзы в районе Ченлинцзи, была применена щитопроходная установка с гидропригрузом диаметром 3.24 м.

2.2. РАЗВИТИЕ МЕТОДА ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ В КИТАЕ И ЗА ЕГО ПРЕДЕЛАМИ

В конце XVIII века британцы предложили идею строительства туннеля, пересекающего реку Темзу под Лондоном, и устроили обсуждение конкретных методов проведения раскопок, использования техники и т. д. В 1798 году была предпринята попытка воплощения этой идеи, но, вследствие того, что не удалось вырыть котлован на определенную глубину, план потерпел неудачу. Однако идея построить туннель через Темзу крепла день ото дня. Четыре года спустя Тревитик (Torevix) решил построить туннель, соединяющий две стороны пролива в другом месте, и развернул строительные работы. Однако работы не увенчались успехом: когда оставалось прокопать последние 30 м, забой стремительно заполнился водой, и туннель был затоплен, – идея туннеля под Темзой снова провалилась. Проектные работы продолжались пять лет с момента начала и до их вынужденного прекращения. За 10 лет после рождения плана пересечь Темзу существенного прогресса достигнуто не было.

В 1818 году Марк Брюнель увидел, как корабельные черви разъедают днище деревянного корабля, образуя отверстия, и на него снизошло озарение. Основываясь на этом, он выдвинул метод щитовой проходки и получил на него патент. Так появился прототип так называемого щита «открытого типа» с ручным способом копания. Брюнель был уверен в своем методе строительства и в 1823 году представил план еще одного туннеля между обоими берегами Темзы в Лондоне. Впоследствии этот план был утвержден Конгрессом, и в 1825 году проект стартовал. Общая протяженность туннеля составляла почти 458 м, а ширина туннеля – 11.4 м × 6.8 м. На начальном этапе проект продвигался гладко; 12 января 1828 года произошло первое затопление и остановка работ, тогда один из директоров компании лондонского метрополитена (Callodam ) выдвинул Брюнелю предложение использовать сжатый воздух в строительстве, однако оно не получило одобрения Брюнеля.

После вынужденной остановки проекта Брюнель не потерял надежду; он учел уроки поражений и в течение 7 лет продолжал совершенствовать конструкцию щита. В 1834 году работы возобновились, и в 1841 году шахта туннеля достигла другого берега, а в 1843-м работы были окончательно завершены, и туннель был сдан в эксплуатацию. В ходе работ Брюнель использовал прямоугольную чугунную каркасную конструкцию щита. С того момента, как Брюнель принял вызов, и до полного завершения проекта прошло более 20 лет. После многих лет упорной работы Брюнель преодолел многочисленные трудности и наконец одержал окончательную победу. На тот момент он уже был 72-летним стариком. Вклад Брюнеля в создание метода щитовой проходки оказался огромным, в этом единодушны все последующие поколения.

2.2.1. Развитие метода щитовой проходки в мире

С момента создания прямоугольного щита Брюнелем прошло еще 23 года усовершенствований, и в 1869 году был построен второй туннель под Темзой. Впервые использовалась круглая форма сечения, диаметр туннеля составил 2.18 м, а длина 402 м. Руководили этим проектом двое ученых – Барлоу и Грейтхед. Грейтхед применил новые разработки круглого щита с использованием чугунных веерообразных сегментов, и проходческие работы были успешно завершены без каких-либо происшествий. Впоследствии при строительстве Южно-лондонского железнодорожного туннеля в 1886 году, Грейтхед успешно объединил метод щитовой проходки и работы сжатым воздухом, это стало фундаментом для щитопроходной технологии в ее нынешнем виде. От первых неудач и разочарований Тревитика до изобретения Брюнелем щита с ручной экскавацией и последующего его усовершенствования и применения круглого щита Грейтхедом прошло долгих 80 лет. Применение сжатого воздуха в щитовой проходке ознаменовало собой крупный прогресс в прокладке туннелей в условиях напорных грунтовых вод, заполнило пробел в конструкции щитов и способствовало дальнейшему распространению щитопроходной технологии во всем мире.

С конца XIX века до середины XX века метод щитовой проходки последовательно проник в США, Францию, Германию, Японию, Советский Союз и другие страны, где получил развитие в разной степени. США первыми разработали щит закрытого типа в 1892 году; в том же году во Франции в Париже использовали бетонные кольцевые сегменты для строительства канализационного туннеля; в 1896–1899 годах Германия построила Берлинский туннель с использованием стальных тюбингов; а в 1913 году Германия построила под Эльбой туннель с сечением подковообразной формы; в 1917 году Япония применила метод щитовой проходки при строительстве Национальной железной дороги Хэцу, но из-за плохих геологических условий его пришлось приостановить; в 1931 году Советский Союз использовал английский щит при строительстве туннеля Московского метрополитена, в работах применялся метод химического бетонирования и застывания; в 1939 году Япония использовала круглый щит с ручной экскавацией для строительства туннеля Канмон диаметром 7 м; в 1948 году в Советском Союзе был построен туннель Ленинградского метрополитена; в 1957 году Япония применила щит закрытого типа для строительства туннеля токийского метро.

В период 60–80-х годов XX века метод щитовой проходки продолжил свое развитие, добившись значимых результатов. В 1960 году в Лондоне начали применять проходческую машину барабанного типа; в том же году в Нью-Йорке впервые были применены гидравлические домкраты для проходки щита; в 1967 году при строительстве туннеля Сайтама в Японии впервые использовался щит с гидропригрузом от компании «Мицубиси», в котором впервые была осуществлена технология нагнетания глинистой воды; в 1963 году японская компания «Satto Kogyo» представила щит с грунтопригрузом, и в 1974 году он был успешно применен в Токио, а в 1975 году был запущен щит с гидропригрузом. В 1978 году Япония представила разработку щита с гидропригрузом высокой концентрации; в 1981 году в Японии вышел в свет пузырьковый щит; в 1982 году Япония изобрела щитопроходный метод ECL (Extruded Concrete Lining – экструдированная бетонная обделка); в 1988 году там же был изобретен метод парнокольцевой проходки шламового типа; в 1989 году Япония представила разработку метода H&V и метода бетонирующей проходки. Таким образом, характерной особенностью данного периода стало изобретение множества новых типов щитовой проходки и широкое применение щитов с гидро- и грунтопригрузом.