Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Кайжун Хун

Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

ПРЕДИСЛОВИЕ

Щитовые проходки в настоящее время являются супергигантскими специальными инженерными вооружениями, которые широко применяются в строительстве рельсового транспорта в городах, подземных комплексах галерей трубопроводов и при строительстве таких подземных пространств, как железнодорожные и шоссейные туннели, водоотводные туннели, военные оборонительные крупногабаритные сооружения.

На протяжении долгого времени рынок проходческих щитов в Китае был монополизирован иностранными компаниями. Только после десятого и одиннадцатого пятилетних планов в качестве и технологии строительства проходческих щитов был достигнут очевидный прогресса. Доля отечественных щитов на рынке превысила 85%. Используя новые идеи государственной инициативы «Один пояс – один путь», китайские специалисты в отрасли щитов продолжают внедрять инновации и продвигать национальную промышленность высокотехнологичного оборудования в строительстве крупномасштабных туннелей, непрерывно укрепляя имидж «сделано в Китае».

Эта книга появилась в эпоху великого строительства, бурного развития и больших возможностей современного Китая. Данное пособие является инновационным, всеобъемлющим, интегрирующим китайские и европейские достижения. Помимо полного представления отечественных и зарубежных технологических особенностей в развитии щитовых проходок в этой книге научно представлены обобщения и выводы по туннельному строительству в Китае. В том числе довольно большой объем в книге занимают технические результаты, достигнутые специалистами в области проходческих щитов за последние годы.

Во время выхода книги был опубликован профессиональный норматив «Развитие производства проходческих машин /ТБМ/ до 2025 года и на тринадцатую пятилетку». Поэтому в книгу включены новейшие данные по изготовлению проходческого щита, которые согласуются с поставленными задачами. Я уверен, что эта книга внесет вклад в стандартизацию производства проходческих щитов, приведет к росту потребления изделия и будет способствовать продолжительному развитию индустрии изготовления щитов.

Данная книга создана на основе труда многочисленных авторитетных специалистов в отрасли проходческих щитов, является комплексной энциклопедией о щитовой проходке, которая соответствует требованиям по строительству социализма с китайской спецификой и поможет найти ответы на сложные вопросы проектирования и строительства проходческих щитов в Китае. Энциклопедия содержит прекрасные тексты и иллюстрации, а информация представлена подробно и точно. Я искренне рекомендую данную книгу специалистам и студентам, которые занимаются проектированием, строительством, преподаванием и инженерным менеджментом в области проходческих щитов.

«Предшественники сажают деревья, преемники пользуются их тенью» – гласит народная мудрость. Надеюсь, что эта энциклопедия сыграет важную роль в деле проектирования и строительства проходческих щитов.

Член китайской академии инженерных наук Ван Мэншу

2017 год, декабрь

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вследствие бурного развития в Китае транспорта и водоотводных построек, протяженность железных дорог достигла 121 000 км, среди которых протяженность высокоскоростных железных дорог составляет 19 000 км. По предварительным подсчетам к 2020 году общая протяженность железных дорог в Китае достигнет 150 000 км. Общий масштаб городского рельсового транспорта превысит 4000 км, объем строительства скоростной автотрассы составит около 85 000 км, строительство гидротехнических и гидроэнергетических туннелей составит около 1000 км. Строительство по методу щитовой проходки станет основным методом строительства из-за его безопасности, экологичности и скорости строительства. В отличие от других методов ключевым пунктом в успехе строительства проходческого щита является рациональное использование щита и геологическая адаптация с учетом сложных условий границы вмещающих пород.

Поэтому особенно важно глубоко понимать структурные характеристики, принципы работы и взаимодействия строительной техники щитового оборудования.

«Ключевые технологии в проходческих щитах» – первая академическая монография, изданная в Китае, по строительству и проектированию проходческих щитов в сложных пластах, включающая в себя как проектирование оборудования, так и ключевые методы строительства. Автор предложил теорию выбора модели проходческого щита по трем углам, создал теоретическую систему проектирования в сложных пластах «три принципа и четыре качества» (избегает геологических рисков с помощью геологической разведки; избегает риска оборудования через планирование и адаптацию потенциала щитовых проходок; избегает антропогенных рисков через специальный контроль и управление; проектирование щита должно соответствовать принципам земляных работ, дренажа, устойчивости и долговечности). Также автор создал метод строительства щитовых проходок для подводных туннелей, основанный на принципе «снижать давление, ограничивать выбросы», и получил национальный патент на изобретение; впервые применил метод сварки и резки под давлением и получил провинциальный и государственный патент на изобретение; разработал технологию быстрой проверки и замены режущих инструментов в условиях сверхвысокого давления, за что тоже получил государственный патент на изобретение.

Редакторы данного пособия являются опытными техническими специалистами, занимающимися проектированием и изготовлением оборудования. Они накопили богатый опыт и множество примеров строительства, тесно связанных теоретической частью. Инженерно-технические задачи в сочетании с большим количеством примеров строительства являются отправной точкой при возникновении технических вопросов. Инженерные задачи относятся к техническим задачам, которые решаются посредством синтеза теоретического анализа и инженерной практики. Пособие всесторонне знакомит читателя с историей развития технологий проходческих щитов в стране и за рубежом; включает в себя проектирование проходческих щитов, технологии строительства и примеры строительства. Пособие предназначено как для практической работы, так и для углубления знаний в сфере проектирования и строительства проходческих щитов. При этом оно имеет глубоко научный характер.

Что вселяет надежду, что издание данного пособия будет способствовать дальнейшему развитию технологий проходческих щитов в Китае, а также сыграет свою роль в деле улучшения строительства туннелей проходческого щита.

Член китайской академии

инженерных наук

Ян Хуаюн

2017 год, декабрь

ПЕРВЫЙ РАЗДЕЛ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В первых пяти главах данной книги излагается теория по строительству проходческих щитов, а также их история развития в Китае, методы щитовых проходок, туннели щитовых проходок, ключевые техники при строительстве по методу щитовой проходки, проектирование туннельной обделки проходческого щита, создание больших данных проходческих щитов. В первой главе излагается общее понятие проходческих щитов, их классификации; представлены основные инновации в широкомасштабном инженерном строительстве. А также в ней предложены и определены три стадии развития щитовых технологий в Китае. Во второй главе представлены особенности метода щитовой проходки, область применения, текущая ситуация развития, тенденции в развитии, классические технологические приемы, риски и профилактика в строительных работах, на которых основана теоретическая система профилактики и контроля «три начала и четыре умения».

Третья глава знакомит читателя с геологоразведочными работами, выбором модели проходческого щита, технологией контроля осадки, а также представляет теоретический способ выбора модели проходческого щита по трем углам. В четвертой главе представлен проект туннельной обделки. В пятой главе содержится создание больших данных проходческого щита. Настоящий раздел на основе практики строительства по методу щитовой проходки упорядочил кластер основных результатов в разнообразных сложных стратиграфических условиях, создал техническую систему строительства по методу щитовой проходки, имеет важное значение руководства и справки при проектировании по выбору модели и строительстве по методу щитовой проходки.

Глава 1. Проходческие щиты и их развитие в Китае

Глава 2. Метод щитовой проходки и щитовые туннели

Глава 3. Ключевые технологии в строительстве по методу щитовой проходки

Глава 4. Проектирование обделки щитового туннеля

Глава 5. Создание больших данных для проходческого щита

ГЛАВА 1. ПРОХОДЧЕСКИЕ ЩИТЫ И ИХ РАЗВИТИЕ В КИТАЕ

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

1.1.1. Определение щитовой проходки

Щитовая проходка (Shield Machine) – оборудование для строительства туннелей, использующееся для закрытой проходки туннеля, имеющее металлический корпус. Корпус внутри оснащен целостным механизмом и вспомогательным оборудованием. Под прикрытием корпуса проходческого щита осуществляется выемка грунта, выгрузка грунтового шлака, продвижение целостного механизма и установка сегментов и другие работы, тем самым однократно формируя туннель, как показано на рис. 1-1.

Рис. 1-1. Внешний вид проходческого щита

Проходческий щит является специализированным механизмом строительства туннелей, используется для осуществления индустриальной работы по быстрому, безопасному и экологическому строительству. Современный проходческий щит соединяет в себе механические, электрические, гидравлические, сенсорные и информационные технологии, а также выполняет функции выемки и разрезки грунта, транспортировки грунтового шлака, собирания туннельной обделки, измерения и исправления неточностей и другие функции. Проходческие щиты уже широко используются при прокладке туннелей в метро, на железных дорогах, автомагистралях, в городском строительстве, гидроэнергетике и в других сферах.

Принцип работы проходческого щита заключается в том, что элемент стальной конструкции продвигается вдоль оси туннеля, продвигая за собой землю. Корпус этого элемента стальной конструкции называется корпусом проходческого щита. Он выполняет функции временной опоры для вырытого участка туннеля, также может выдержать давление почвенного слоя, подземных вод, изолирует подземные воды от внутренней части корпуса. Под прикрытием корпуса проходческого щита осуществляется прокладывание туннелей, отвал грунта, футеровка и другие операции.

1.1.2. Различие между щитовой проходкой и ТБМ (тоннельной бурильной машиной)

Проходческие щиты и проходческие машины также называют туннелепроходческими щитами. У английского названия «Tunnel Boring Machine» есть аббревиатура ТБМ. В странах Европы и США ТБМ относится к проходческим комбайнам в мягких грунтах и горных слоях. В Японии и Китае проходческие щиты обычно подразумевают проходческие комбайны в мягких слоях почвы, способные укреплять структуру пласта при рытье мягких слоев почвы, тогда как ТБМ обычно относят к проходческим комбайнам, предназначенным для работы с горными породами (рис. 1-2). Такие различия и неопределенность классификации в инженерных кругах, специализирующихся на прокладке туннелей, часто порождают недопонимание и путаницу, поэтому необходимо четко объяснить различие между щитовыми проходками и ТБМ.

Согласно китайскому привычному представлению, можно выделить три основных отличия проходческих щитов от ТБМ:

Рис. 1-2. Форма ТБМ

Первое отличие заключается в способе стабилизации забоя туннеля. Данный метод является важным аспектом в принципе работы проходческого щита, а также главным аспектом, отличающим щит от ТБМ. Метод щитовой проходки включает в себя следующие условия: стабилизация поверхности забоя, проходка туннеля и футеровка. Различие современных проходческих щитов и ТБМ заключается в том, что проходческий щит обладает такими функциями защиты забоя, как стабилизация давления в глине, земле. ТБМ, главным образом, применяется в горных породах, где вмещающая порода может быть самоустойчивой. Объектом проходки являются горные породы. ТБМ в отличие от проходческого щита не обладает функциями защиты забоя, такими как стабилизация давления в глине, земле, также не имеет механизма активной стабилизации поверхности забоя.

Второе отличие заключается в способе обеспечения движущей силы. Движущая сила в проходческом щите обеспечивается при помощи туннельных тюбингов. В то время как движущая сила ТБМ в основном достигается за счет силы трения в туннеле между опорной пятой и вмещающей породой.

Третье отличие состоит в форме резцовой головки. При вращении резцовая головка проходческого щита может вращаться в обоих направлениях, а у ТБМ обычно вращается только в одном направлении. В резцовой головке ТБМ не установлены отверстия, за исключением проходов для выкапывания и сбора горного шлака, а на его передней стороне установлены отверстия для удаления шлака с рабочей поверхности.

В современном смысле взаимодействие технологий и широкое применение техники строительства туннелей повлияло на объединение некоторых технических особенностей проходческих щитов и ТБМ. Например, движущая сила ТБМ с одним экраном обеспечивается при помощи туннельных тюбингов. Наряду с этим существуют также многофункциональные проходческие комбайны, которые представляют собой гибрид проходческого щита и ТБМ с двухрежимной системой. Вопрос о классификации проходческого щита открытого типа остается открытым (в этом пособии его классифицируют как проходческий щит). В общем, вышесказанные отличия относятся больше к «форме», требуя принять во внимание адаптацию к характеру почвы, и на основе этих данных провести классификацию проходческих щитов и ТБМ.

Главное же отличие состоит в специфике работы ТБМ и проходческих щитов. Работа проходческих щитов основана на стабилизации забоя и контроле осадков туннеля. Таким образом, основная техническая функция проходческого щита заключается в сохранении стабильности забоя, контроле осадки конструкции туннеля, безопасном и эффективном удалении шлака, тем самым обеспечивает безопасность и успешность производства строительных работ. Основные функции работы ТБМ – высокоэффективное разрушение горных пород, поэтому главный технический вопрос ТВМ состоит в том, как эффективно разрушить горные породы, тем самым обеспечив высокую эффективность проходки. В XXI веке в Китае активно развивается подземное строительство, в частности метро, поэтому противоречия между стабилизацией пластов и способностью проходки слагаются в один объект с двумя важными аспектами, получив название «композитный проходческий щит».

Кроме того, способ выпуска шлака современных щитов основан на применении винтовых конвейеров и систем циркуляции для его удаления. Как правило, при этом производительность при проходке ниже, чем у ТБМ и потребляется больше энергии. Метод выпуска шлака у ТБМ заключается в том, что центральный ленточный конвейер погружается в отсек для выпуска шлака. Самая главная особенность заключается в том, что в слоях с хорошей устойчивостью вмещающей породы скорость вращения рабочего органа и эффективность труда при проходке обычно высокие, а расход электроэнергии меньше.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ

Выделяют следующие типы проходческих щитов: с открытым забоем, с воздушным пригрузом, с грунтопригрузом, гидропригрузом, многофункциональный и другие.

1.2.1. Проходческий щит с открытым забоем

Проходческие щиты открытого типа подразделяются на щиты полностью открытого типа и частично открытого типа. В том числе, проходческие щиты полностью открытого типа также можно называться щитом с открытым забоем (Open Face Shield, сокращенно – щит OF), в туннельном забое которых нет системы компенсации давления закрытого типа. Он не может противостоять давлению почвы и грунтовых вод. Обычно подходит для вмещающих пород с хорошей устойчивостью к забою (например, разнообразные невязкие и нелипкие пласты). Его преимущество заключается в том, что щит OF также можно использовать, даже когда часть или вся поверхность туннельного забоя представлена скальным грунтом или валунами. Кроме того, некруглую плоскость сечения камней можно вынимать при помощи ручного метода или частично механизированного.

Однако при недостаточной стабильности строительного пласта необходимо использовать вспомогательные средства для упрочнения пластов. Например, при выемке в пластах ниже уровня грунтовых вод или в просачивающихся пластах уровень грунтовых вод должен понижаться при помощи системы скважин-иглофильтров, а основание обрабатываться методом цементирования или замораживания. В соответствии с различными способами разработки, щиты полностью открытого типа подразделяются на щиты ручной разработки, полумеханической разработки, механической разработки и экструзионные.

1) Щиты ручной разработки

Они задействуют лопату, пневматический молоток, камнедробилку и другие инструменты для выемки грунта, при помощи которых ручным способом разрабатывается туннельный забой, относятся к основной форме проходческих щитов. Поскольку передняя часть проходческого щита ручной разработки открыта, то основным условием использования этого типа щита является недопущение разрушения забоя, по крайней мере, на этапе раскопок. Например, такой щит хорошо применим в средних слоях почвы, а также в пласте гравия с галечном. В зависимости от различных геологических условий забой может быть полностью открыт для искусственной выемки, используя только естественное давление почвы для поддержания поверхности выемки. Также может полностью или частично использоваться переднее крепление, базируясь на забое, земляные массы извлекаются отдельными пластами, грунтовые пласты поддерживаются во время выемки грунта. В водоносных пластах необходимо осуществить водопонижение, увеличить атмосферное давление или укрепить грунтовые массы.

Как правило, делювиальный (паводковый) пласт образован из слоев гравия, песка, консолидированного алеврита и глины, которые сами стабилизируются. В данном случае отлично подходит использование проходческого щита с ручной выемкой. Аллювиальные пласты, образованные из песка, ила и глины, не могут сами собой стабилизироваться, поэтому необходимо прибегать к дополнительным мерам.

На рис. 1-3 показан японский проходческий щит ручной выемки Мицубиси диаметром 10.92 м. Данный щит имеет гидравлическую, подвижную рабочую полку и нагрудную пластину для механической поддержки рабочей поверхности, при помощи них можно производить выемку сверху вниз, а также последовательно заменять опорные домкраты. Выкопанный грунт загружается в экскаватор с помощью ленточного конвейера с нижней половины. Объем выкопанного грунта соответствует объему грунта, выгруженного из туннеля. Поперечное сечение щита ручной разработки может быть круглым, прямоугольным или подковообразным.

Рис. 1-3. Щит с ручной разработкой Мицубиси ø 10.92 м

Проходческий щит с ручной разработкой обладает следующими особенностями:

(1) Широкая область применения к пластам от песчаной до глинистой почвы.

(2) Поскольку передняя часть открыта, это облегчает устранение препятствий и способствует наблюдению за пластами грунта. Обвал передней части представляет угрозу как для рабочих, так и для техники.

(3) Стоимость изготовления такого щита невысокая, неполадки случаются редко, но скорость проходки и эффективность низкие, интенсивность труда высокая, высокий уровень шума, и стоимость рабочей силы велика. В настоящее время проходческие щиты с закрытой лицевой стороной, которые не опираются на вспомогательные конструкции, широко используются, за исключением отдельных особых случаев, таких как использование механизированных или полумеханизированных щитов для рытья неэкономичных туннелей с коротким расстоянием; забой с большим гравием и другие сложные случаи.

2) Полумеханический проходческий щит (выемка с частичным поперечным сечением)

Из-за низкой скорости проходки щита с ручной выемкой, а также плохих рабочих условий был разработан малозатратный и высокопроизводительный полумеханический щит, показанный на рис. 1-4.

Полумеханизированный щит является переходной моделью (между немеханизированным и механизированным), но он имеет больше сходств с немеханизированным проходческим щитом. Ниже приведены отличия полумеханического и немеханического проходческих щитов:

(1) Полумеханический щит предназначен для благоприятных пластов пород, в которых преобладают пролювиальные отложения песка, гравия, консолидированного алеврита и глины. Несмотря на то, что полумеханический щит также может применяться в мягких аллювиальных отложениях, его необходимо сочетать с методами сжатия воздуха или применять вспомогательную меру по понижению уровня грунтовых вод и улучшению грунтового основания.

Рис. 1-4. Полумеханические проходческие щиты

(2) Полумеханический щит представляет собой проходческий щит открытого типа, который оснащен специальными механическими приспособлениями для выемки грунта (например, ленточный или винтовой конвейер) или землеройной техникой с функциями проходки туннеля и выемки шлака вместо ручного труда. В том числе механическое копательное устройство может перемещаться вперед-назад, влево-вправо, вверх-вниз. Помимо этого, оснащено обратной лопатой экскаваторного исполнительного органа (ИО), фрезерной головкой, которые взаимозаменяемы либо каждая может сочетать обе функции.

(3) Верхняя часть полумеханического щита такая же, как и у щита с ручной разработкой. Она оснащена подвижным передним карнизом для предотвращения обрушения забоя, опорным домкратом и другими инструментами. Также часто применяется гидравлическое управление нагрудной пластиной. Нагрудная пластина размещается в отдельной области или на периферии корпуса щита, чтобы поддерживать забой туннеля.

(4) Полумеханический щит также подходит для прокладки туннеля с некруглым сечением. Щит, показанный на рис. 1-5, является щитом ECL (Extruded Concrete Lining) – экструдированная бетонная футеровка, которую использует японская железнодорожная компания Такасаки при строительстве линии высокоскоростных железных дорог Хокурику-синкансэн. То есть вместо традиционной футеровки из трубного листа заливается бетон. Экструдированная бетонная футеровка выполняется одновременно с прокладкой щита. Поперечное сечение данного туннеля имеет подковообразную форму. Длина туннеля составляет 3580 м, почва состоит из мягких и среднетвердых пород

Рис. 1-5. Щит с ручной разработкой Мицубиси ø 10.92 м

В зависимости от места установки оборудования для выемки грунта полумеханические щиты можно разделить на следующие типы:

(1) Нижняя часть забоя щита оснащена ковшом, фрезерной головкой и другими инструментами.

(2) Верхняя часть забоя щита оснащена ковшом, а нижняя часть – фрезерной головкой.

(3) Центр щита оснащен фрезерной головкой.

(4) В центре щита расположен ковш.

Среди них форма (1) подходит для пластов, которые необходимо поддерживать забоем. Формы (2) ~ (4) подходят для устойчивых пластов. Форма (2) в основном подходит для прослоек субглины и гравия. Форма (3) подходит для слоев консолидированной глины, твердого песка. Форма (4) – для смешанных слоев из глины и гравия. К настоящему времени полумеханический щит уже практически не применяется.

3) Механический (полнопрофильный) щит

Когда грунтовый слой устойчив или может стать устойчивым после применения вспомогательных средств, в надрезной части устанавливается резцовая головка, адаптированная диаметру щита, для открытой механической разработки. Как показано на рис. 1-6, механический щит (также называется механический щит полностью открытого типа) представляет собой использование вращающегося рабочего органа вблизи поверхности забоя для полносекционной выемки. Резцовая головка подразделяется на одноосный, двуосный, многоосный и другие типы. Среди них наиболее широкое применение получил одноосный тип, поскольку почва и песок, извлеченные с помощью этого типа щита, загружаются на ленточный конвейер при помощи вращающегося ковша и желоба, которые непрерывно выполняют выемку и выгрузку грунта. Резцовую головку механического щита можно разделить на два типа: панельная и спицевидная (лучевая).