Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Например, согласно статистике у вулканизированного этиленпропилендиенового каучука коэффициент остаточного напряжения в течение 100 лет составляет 65%. Эти данные можно учитывать на начальном этапе проектирования, но на этапе реализации следует опираться на результаты испытаний.

4) Проектирование размера и формы прокладки

Проектирование размера и формы прокладки включает непрерывный процесс оптимизации. На ход разработки влияют два фактора:

1. Достижение расчетных требований по гидроизоляции в самых неблагоприятных условиях работы.

2. Максимальное снижение давления при сборке с соблюдением условий водонепроницаемости. Это связано с тем, что увеличение усилия прижатия тюбингов, по меньшей мере, может повлиять на темп строительных работ. В худшем случае это может привести к выдавливанию или обрыванию прокладки, а также трещинам в бетоне тюбинга, что нарушит гидроизоляцию.

В настоящее время в Китае и других странах отмечается недостаток теоретических данных о проектировании размера и формы прокладки. В ходе испытаний трудно получить данные о величине и распределении внутреннего и контактного напряжения прокладки. Поэтому для проектирования используют цифровое моделирование с применением данных конечных элементов. При получении данных о величине и распределении внутреннего и контактного напряжения определяют предварительные размеры и форму прокладки путем соотношения величины напряжения. Для подтверждения эффективности гидроизоляции позже проводят опыты с нагнетанием воды.

Ключи проектирования размера и формы уплотнительной прокладки:

(1) Ширина прокладки Ширина прокладки влияет на путь протекания воды под давлением. Согласно международному опыту для соответствия требованиям гидроизоляции ширина контактной площадки прокладки должна составлять три степени наибольшей величины уступа по следующей формуле:

(4-9),

где b – ширина прокладки (мм);

s – величина наибольшего разбега (мм).

Например, при наибольшей величине разбега 15 мм прокладка шириной 45 мм будет соответствовать требованиям гидроизоляции. Кроме того, в практическом сравнении при соединении кольцевых и продольных стыков тюбингов по типу «шип – паз» образование уступа незначительно. После полного соединения двух сторон стыка при использовании соединения типа «шип – паз» ширина прокладки меньше, чем без такого соединения в аналогичных условиях. Таким образом, для стыков тюбингов в проходческом щите большого диаметра рекомендуется использовать соединение типа «шип – паз».

(2) Высота прокладки

При расчете высоты прокладки следует учитывать максимальный размер раскрытия стыков, а также снижение напряжения прокладки, ослабление и износ материала. Форма прокладки должна подходить к форме пазов на торцах тюбингов (выемка, полость и др.). Глубина паза и высота прокладки рассчитывается по следующей формуле (обозначения, использованные в формуле, показаны на рис. 4-12):

Рис. 4-12. Схема формы и пазов уплотнительной прокладки

(4-10),

где: ε max – максимальный коэффициент сжатия уплотнительной про кладки, при котором размер зазора составляет 0 мм. После проведения расчетов и испытаний его значение обычно составляет не менее 40%;

εmin – минимальный коэффициент сжатия уплотнительной прокладки с учетом размера уступа и раскрытия стыков. Его значение обычно составляет не менее 30%;

Δ – допустимое раскрытие стыков;

d – глубина паза;

h – высота уплотнительной прокладки;

E – модуль упругости уплотнительной прокладки.

На рис. 4-13 показана кривая деформации сжатия уплотнительной прокладки. До определенной степени увеличение сжатия приводит к нелинейному увеличению давления. Далее небольшое усиление сжатия может привести к экспонентному росту давления. Таким образом, не следует устанавливать слишком большой показатель максимального сжатия упругой уплотнительной прокладки. В процессе монтажа степень сжатия уплотнительной прокладки не должна превышать ее показатель при максимальном коэффициенте сжатия. Превышение силы сжатия может привести к ускорению износа материала, усилению релаксации напряжения, тем самым повлияв на срок службы уплотнительной прокладки. Также нельзя допускать снижения степени сжатия ниже значения при минимальном коэффициенте сжатия, что может привести к недостаточному сопротивлению расчетному давлению воды и протечкам в туннеле.

Рис. 4-13. Кривая деформации сжатия резиновой уплотнительной прокладки

(3) Проектирование формы уплотнительной прокладки

Сжимаемость уплотнительной прокладки зависит от ее формы и строения. При проектировании формы уплотнительной прокладки основными вопросами являются:

1. Контроль деформируемости внутренних отверстий;

2. Расчет концентрации напряжения и пластичности в местах уплотнительной прокладки, ослабленных формированием отверстий;

3. Расположение отверстий с учетом требуемого контактного напряжения при сжатии уплотнительной прокладки и давления при монтаже;

4. Определение количества и расположения отверстий на основании результатов теоретических расчетов распределения и величины контактного напряжения при максимальном размере разбега и раскрытия стыков;

5. Определение концентрации напряжения при различных вариантах расположения отверстий;

6. Расчет влияния долгосрочной релаксации напряжения и ползучести на гидроизоляцию.

В последние 10 лет в Китае проводилось большое количество исследований о количестве и размере отверстий в прокладках, форме отверстий и прокладки (зубчатая или незубчатая). Однако построение теоретической системы еще не завершено, и при проектировании в основном используют имеющийся инженерный опыт, цифровое моделирование и результаты практических испытаний. Наиболее часто используемые формы уплотнительной прокладок в Китае представлены на рис. 4-14.

Рис. 4-14. Наиболее часто используемые формы уплотнительных прокладок в Китае

(4) Проектирование размеров уплотнительного паза Уплотнительную прокладку следует полностью вдавить в уплотнительный паз на торцах тюбингов. Согласно «Стандартам гидроизоляции при проведении подземных строительных работ» (GB50108), если раскрытие стыков составляет 0, площадь поперечного сечения уплотнительного паза должна быть больше или равна площади поперечного сечения уплотнительной прокладки, что выражается следующей формулой:

(4-11),

где A – площадь поперечного сечения паза;

A 0 – площадь поперечного сечения прокладки.

При проектировании уплотнительного паза размеры не должны быть слишком большими. Слишком большой уплотнительный паз снижает действие бокового ограничителя, и боковая поверхность уплотнительной прокладки деформируется, что снижает контактное напряжение уплотнительной прокладки между стыками, и не обеспечивает гидроизоляционный эффект. В то же время паз не должен быть слишком маленьким, как A/A0 < 1.0. Чтобы достичь требуемого уровня гидроизоляции необходимо увеличить силу давления при монтаже тюбингов. Однако это может сильно повлиять на точность сборки тюбингов, а также увеличивает энергопотребление, усложняет сборку и может привести к выдавливанию уплотнительных прокладок из паза, пластической деформации выдавленной части уплотнительной прокладки, формированию канала протечки и потере герметичности соединения.

4.2.3. Выбор материала уплотнительной прокладки

В качестве материала уплотнительной прокладки обычно используют клейкий водостойкий невулканизированный бутилкаучук, самовосстанавливающийся этиленпропилендиеновый каучук и водонабухающую резину.

Невулканизированный бутилкаучук является распространенным гидроизолирующим материалом, но по причине высокой цены и уступающей этиленпропилендиеновому каучуку термостойкости в настоящее время редко используется с тенденцией к постепенному исключению из работы.

Водонабухающая резина в основном используется в Японии, Южной Корее и других азиатских странах. В Китае также часто используется в качестве гидроизолирующего материала в проходческих щитах. По сравнению с упругой уплотнительной прокладкой гидроизолирующая уплотнительная прокладка из водонабухающей резины применяется в Китае и других странах недавно. Она относится к сравнительно новой продукции. Направление ее разбухания, степень разбухания и долговечность вызывают сомнения. Кроме того, различия в характеристиках гигроскопичности полимеров и других набухающих материалов, снижение долгосрочной прочности и деформационных свойств хлоропренового каучука и других материалов основы после набухания, а также уменьшение распада и сопротивления давлению и другие причины приводят к тому, что при практическом применении материалов из водонабухающей резины сложно достигнуть ожидаемого результата. Постепенно этот материал все чаще используют в качестве вспомогательного материала.

Этиленпропилендиеновый каучук в странах Европы и Америки используется около пятьдесяти – шестьдесяти лет. За последние десять лет в Китае также постепенно увеличилось его применение. Исследование его характеристик долгосрочного напряжения и долговечности показали хорошие результаты, и он стал предпочтительным материалом для гидроизоляции стыков в проходческих щитах. В последние годы для проходческих щитов большого диаметра часто используется комбинированная упругая уплотнительная прокладка из этиленпропилендиенового каучука и водонабухающей резины. Однако в ходе испытаний неоднократно отмечалось явление выдавливания водонабухающей резины с поверхности уплотнительной прокладки. Причиной является существующие в настоящее время технологии производства резины. Большинство производителей отдельно вулканизируют этиленпропилендиеновый каучук и водонабухающую резину, а затем ручным способом вставляют водонабухающая резину в этиленпропилендиеновый каучук, что не объединяет их в одно целое. Таким образом, водонабухающая резина при объемном расширении отделяется от этиленпропилендиенового каучука. В настоящее время в Китае и других странах существуют производители, которые разработали технологию совместной вулканизации этиленпропилендиеновый каучука и водонабухающей резины, что обеспечивает целостность комбинированного материала. Возможно, такой тип материалов в будущем будет широко использоваться.

4.3. ОДНО- И ДВУХСЛОЙНАЯ ОБДЕЛКА ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ

В отрасли продолжается постоянная дискуссия об использовании одно- или двухслойной обделки для туннелей. При болтовом соединении проходческий щит создает гибкую систему. Если использовать двухслойную обделку, то из-за ровной и гладкой внутренней поверхности тюбингов два слоя с трудом объединяются в одну структуру и соединяются между собой, а также создают в целом больше несущего давления.

С точки зрения координации деформации вторичная обделка невозможна аналогичной конструкции тюбингов. Он создает большое количество деформационного шва, что приведет к координации деформации структуры тюбингов и концентрации напряжения. Кроме того, учитывая задачи по сокращению сечения туннеля и финансовых затрат на строительство, сложно оставить второй слой соответствующим требованиям к его толщине для выдерживания давления. При рассмотрении существующих туннелей с двухслойной обделкой можно отметить, что у большинства из них толщина второго слоя составляет 200 – 300 мм. Такой толщины недостаточно для выдерживания давления воды, которое возникнет в случае протекания конструкции тюбингов. Если возникнет концентрация напряжения и давления воды, в более тонком втором слое могут появиться трещины и протечки. Второй слой в подводном туннеле токийского залива в Японии, установленном с целью гидроизоляции, малоэффективен.

За исключением водопроводных туннелей (несущее давление и использование пространства внутри автомобильных туннелей отличается) в Китае и других странах большинство проходческих щитов используют один слой обделки с тюбингами в качестве постоянной конструкции. В случае возникновения локальной проблемы в тюбинге в настоящее время широко используется метод армирования стальным кольцом, что позволяет избежать полного нарушения устойчивости из-за излишней деформации. Распространенным методом устранения серьезных протеканий является укрепление конструкции тюбингов, затем их наружная цементация, что создает упрочняющее кольцо и водонепроницаемый слой, что снижает коэффициент проницаемости слоя, усиливает сдерживающую способность конструкции, повышает физико-механические характеристики слоя, а также снижает прямую внешнюю нагрузку на тюбинги и контролирует деформацию. Кроме того, организуется дренажная система и централизованный выброс воды.

ГЛАВА 5. ПЛАТФОРМА БОЛЬШИХ ДАННЫХ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ

Проходческий щит, известный как «царь инженерных машин» в мире строительных технологий, является самым прогрессивным модернизированным оборудованием для строительства туннелей и обладает всеми характеристиками новейшей техники, такими как автоматизация, цифровизация и использование искусственного интеллекта, которые позволяют получать данные о щитовой проходке. Традиционно под такими данными принято понимать цифровые сигналы и сведения о цифровом управлении туннелепроходческим комплексом. Данные о щитовой проходке, в основном, включают: показатели контрольного переключателя, его аналоговые переменные и измерения импульса, а также показатели переключателя фаз, его аналоговые переменные и измерения импульса и т. д. Данные о щитовой проходке нужны для контроля работы оборудования, они отображают состояние техники в режиме реального времени, тем самым облегчая взаимодействие человека с компьютером и процесс поиска неисправностей.

В последние годы с развитием информационных технологий, особенно интернета, всемирной компьютерной сети, GPS, облачного хранилища, облачных вычислений, искусственного интеллекта и др. метод щитовой проходки стал автоматизированным, и современные проходческие щиты стали умнее. В настоящее время ТПК представляет собой полностью компьютерный терминал, функционирующий в сети интернет. ТПК совместно с другими строительными инструментами подключены к базе данных, в которой хранится информация о инженерно-геологических условиях строительства туннеля проходческими щитами, строительной конструкции, оседании поверхности земли, координатах направления туннеля, организации строительства, ходе строительства и др. Все это, в общем и целом, формирует большие данные. Таким образом, наступила эра больших данных щитовой проходки.

5.1. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ БОЛЬШИХ ДАННЫХ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ

Мировая экономика быстро подстраивается под отрасль сетевых информационных технологий, которая уже играет важную роль в экономической деятельности. Китай должен воспользоваться этой исторической возможностью, чтобы с помощью информационных технологий создать правильный импульс и направить его на развитие новых разработок. Необходимо увеличивать инвестиции, укреплять строительство информационной инфраструктуры, способствовать глубокой интеграции интернета в сектор реальной экономики, развивать цифровые технологии и использование ИИ в традиционных отраслях, приумножать и укреплять цифровую экономику и расширять новые возможности для экономического развития. 36-я встреча Генерального секретаря Си Цзиньпина и Политбюро ЦК КПК была посвящена теме развития и укрепления цифровой экономики, тем самым было определено ведущее направление – глубокая интеграция интернета в сектор реальной экономики и расширение нового пространства для экономического развития, что также выдвинуло новые требования к щитовому методу.

(1) Создание платформы больших данных щитовой проходки имеет большое значение для развития промышленного производства Китая и реализации цели «головой подпирать небо, ногами стоять на земле».

«План действий по содействию развитию больших данных», изданный Государственным советом (далее именуемый «План»), устанавливает развитие больших данных в качестве национальной стратегии. По итогам пятого пленарного заседания ЦК КПК 18-го созыва было предложено реализовать план «Интернет +», развивать экономику совместного использования и осуществить национальную стратегию о больших данных. Активно развивать большие данные в промышленности и новых отраслях, а также с помощью больших данных содействовать глубокой интеграции информатизации и индустриализации, тем самым продвигая использование беспроводных технологий, сети и искусственного интеллекта в производственной отрасли, которые становятся ведущими направлениями в промышленной сфере. Бесспорно, промышленность является главным фокусом внимания больших данных, а большие данные в промышленности играют большую роль в производственной цепочке и увеличивают добавленную стоимость промышленного производства. Конечная цель больших данных заключается в развитии промышленности, а также модернизации промышленных предприятий. Чтобы успешно реализовать стратегию «Сделано в Китае-2025», китайские промышленные компании должны придерживаться двух задач: «головой подпирать небо» – освоить большие данные в промышленности и полностью наладить интеллектуальное производство Китая в высокотехнологичных секторах; «ногами стоять на земле» – освоить большие данные в китайской производственной отрасли, а также за счет использования больших данных повысить эффективность китайских промышленных предприятий, сократить расходы и энергопотребление и вывести качество китайской продукции на новый уровень. Чтобы реализовать цель «головой подпирать небо, ногами стоять на земле», Китай должен привлекать таланты, знания и инструменты. В настоящее время в США не хватает около 190 тыс. специалистов по киберфизическим системам, в Китае нехватка талантов ощущается еще больше. Кроме того, среди неотложных задач стоит необходимость получения дополнительных знаний о больших данных и обновления инструментов. Большие данные щитовой проходки являются одним из многочисленных интеллектуальных продуктов и национальным производственно-стратегическим продуктом. Сбор больших данных для щитового метода – важная составляющая часть использования больших данных в промышленности. Необходимо уделять особое внимание сбору больших данных, поскольку это имеет важное значение для развития промышленного производства Китая и реализации цели «головой подпирать небо, ногами стоять на земле».

(2) Создание платформы больших данных щитовой проходки является предпосылкой для внедрения ИИ в работу оборудования и строительный процесс.

Благодаря быстрому развитию информационных и интернет технологий, строительное оборудование и технологии постоянно совершенствуются. Щитовая проходка является важным методом проведения подземных строительно-монтажных работ. Оборудование щитовой проходки прошло эпоху автоматизации и вошло в новую цифровую эру. С развитием информационных и интернет технологий традиционные методы сбора, хранения и сводки строительных данных не удовлетворяют темпам технического прогресса и нуждам строительства. В целях содействия технологическому развитию щитового метода сбор, хранение и анализ данных стали главными направлениями интеллектуализации в производстве и строительстве.

(3) Строительство щитовым методом быстро развивается, оборудование для щитовой проходки используется повсеместно, что приводит к очень важной задаче – реализовать централизованное управление и единое планирование.

В связи с устойчивым развитием метрополитенов в Китае, все более осваивается подземное пространство городов и строятся новые туннели, при этом основным методом строительства является щитовая проходка. Возьмем, к примеру, Китайскую корпорацию железнодорожных туннелей. В настоящее время компании в общей сложности принадлежит более 80 проходческих щитов и ТПК, в том числе более 50 проходческих щитов с грунтопригрузом, 15 жидкошламовых проходческих щитов, 12 ТПК и 2 проходческих прямоугольных щита. Таким образом, в компании используются практически все известные строительные модели. Что касается строительно-технических объектов, это в основном железные дороги, шоссе, городской транспорт, ГЭС и др. объекты на востоке, юге, севере, северо-востоке, юго-западе и северо-западе Китая, а также в Израиле, Сингапуре и Малайзии и некоторых других странах. Широкое региональное распространение проходческих щитов создает трудности для управления оборудованием и строительством. Создание единой системы, которая сможет стабильно и эффективно осуществлять единый мониторинг ТПК в различных регионах и облегчит контроль строительства на местах, принятие управленческих решений и сбор строительно-технических данных, а также обмен информацией, регулирование всестороннего планирования и интегрированного управления, является первостепенной задачей современного предприятия.

(4) Сбор и анализ данных для щитовой проходки, эффективное снижение рисков в строительстве, комплексный контроль и оценка рисков.

Феномен «информационных островов» широко распространен в производстве оборудования для щитовой проходки и в строительной отрасли в целом. Ведется множество подземных и скрытых строительных работ, существуют разные неизвестные риски и непредсказуемые ошибки оборудования. Таким образом, технология применения анализа больших данных может собирать данные о строительных работах и оборудовании в разных областях и регионах и затем анализировать эти данные в интерактивном режиме. Совместный обмен большими данными щитового метода стал реальностью и принес большой вклад в развитие данной отрасли.

Тот, кто может контролировать данные, может контролировать рынок. Анализ и обработка больших данных очень важны для предприятий. Благодаря сбору и анализу данных предприятие получает информацию о его развитии, а затем прогнозирует потребности потребителей и рынка и проводит более точный анализ принятия решений. Внедрение передовых математических методов для проведения сбора и анализа больших данных при щитовом методе может не только повысить эффективность данного метода, снизить риски строительства и принести пользу экологическому развитию индустрии, но также восполнить пробелы в отношении автоматизации и интеллектуализации управления проходческими щитами и улучшить конкурентоспособность оборудования на международном рынке. Для строительных компаний применение метода управления большими данными может повысить уровень корпоративного менеджмента и эффективность принятия решений, снизить вероятность выхода из строя проходческих щитов, увеличить коэффициент использования и срок службы оборудования, а также снизить затраты на строительство.

(5) Стандартизация больших данных щитового метода станет предпосылкой для будущего развития платформы анализа данных и принесет успех отрасли.

Количественная оценка и совместное использование данных является основой больших данных. Анализ больших данных щитового метода включает сбор данных о производителях, инженерно-геологических условиях, моделях ТПК, данные о строительстве и местоположении, а также их упорядочивание для создания единого стандарта данных для метода щитовой проходки. Создается словарь данных для щитового метода. Сведения о строительстве, состоянии оборудования, неисправностях и научных исследованиях записываются на стандартизированной национальной платформе больших данных щитового метода, они накапливаются и используются в открытом доступе. Все это может принести успех отрасли.

5.2. КОНЦЕПЦИЯ И СОЗДАНИЕ ПЛАТФОРМЫ БОЛЬШИХ ДАННЫХ

Создание единой платформы для использования больших данных щитовой проходки должно быть ориентировано на щитовой метод и обеспечивать доступ к данным о производителях, инженерно-геологических условиях, моделях ТПК и работах на объектах. Строительство платформы больших данных щитовой проходки должно соответствовать следующим требованиям:

(1) Платформа должна устанавливаться на строительной площадке щитовой проходки, обслуживать данную проектную площадку и осуществлять контроль и оценку рисков проекта;

(2) Создание платформы предназначено для отрасли технологии проходческих щитов и проходки, необходимо построить связующее звено между сферой оснащения проходческими щитами и сферой щитовой проходки, чтобы реально решить проблему «адаптации» оборудования;

(3) Создание платформы должно быть направлено на улучшение принятия управленческих решений, реализацию информационного обмена и комплексных сфер услуг, и усиление влияния китайских проходческих щитов на международной арене;