Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

(7) Замена ножей под сооружениями.

Замена ножевой части под сооружениями составляет определенную сложность. При преодолении нижней части сооружений по правилам необходимо быстро пройти проходческому щиту о своевременно бетонировать, чтобы снизить возможность обвала сооружений.

(8) Стратиграфический перерыв и неравномерная седиментация.

При проходке щитом риски стратиграфического перерыва и неравномерной седиментации главным образом вызваны избыточной экскавации. Контролируя количество разрабатываемого грунта, можно снизить возможность возникновения данных рисков, контролируя улучшение остатков почвы, уменьшая эрозию почвы, контролируя неравномерную седиментацию пластов (искусственные риски).

(9) Наличие преграждений во время забоя (валуны и т. д.).

Наличие подземных преград может негативно повлиять на проходку щита: во-первых, может быть доставлен ущерб резцовой головке и ножевой части, поэтому невозможно производить забой, что повлияет на строительные сроки. Если резцовая головка сломается, то для его замены нужно будет тратить дополнительные средства, а также из-за особенных подземных условий добавляет трудностей произвести данную замену; во-вторых, появление преграждений может привести к внезапному увеличению крутящего момента, что повлечет за собой поломку главного привода. Причинами таких поломок являются неполнота проведенных изысканий, не до конца собранные материалы.

(10) При производстве работ в речных условиях земляное покрытие маленькое, давление воды большое, возможность поднятия самого туннеля большая, необходимо предотвратить излишнюю приподнятость. Это можно сделать, увеличив вес в самом туннеле или надавить на поверхность земли (геологические риски + риски человеческого фактора).

Факторами всплытия тюбинга является положение щита и тюбинга, движущаяся сила гребного гидроцилиндра, состав и давление при синхронной цементации, характеристики соединения тюбинга и т. д.

1. Положение щита: ось щита относительно оси туннеля наклоняется, тюбинг подвергнется большой эксцентричной нагрузке и усилию вверх из хвоста щита, преимущественно принимать на себя воздействие характеристики пластов, уровня эксплуатации щита, продольного уклона туннеля и т. д.

2. Продольная жесткость туннеля: продольная жесткость тюбинга и тип соединения тюбинга, способ сборки и др.

3. Длина не затвердевшего участка суспензии и плавучесть суспензии на сегменте: длина не затвердевшего участка суспензии зависит от времени затвердевания суспензии и скорости строительства. Плавучесть суспензии на на сегмент в основном влияют свойства жидкого навоза (вязкость, осадка и т. д.) и условия грунтовых вод. В соответствии с реальной ситуацией очень сложно определить время затвердевания суспензии и величину плавучести суспензии на сегменте.

4. Свойства пласта и состояние грунтовых вод: чем слабее пласт, тем меньше коэффициент сопротивления пласта, тем легче сегменту деформироваться; чем слабее пласт, тем хуже водопроницаемость и избыточное давление поровой воды вероятно, и сегмент выдержит большую плавучесть. Если богатый водой пласт имеет высокую водопроницаемость, грунтовые воды будут разбавлять суспензию, влияя на время ее гелеобразования и свойства суспензии.

Принятые меры:

1. Использование раствора с регулируемым временем гелеобразования или затвердевающего раствора с большим содержанием песка (при синхронной затирке обычно используется инертный раствор, который имеет большой объем утечки и не обладает прочностью, что приведет к всплыванию сегмента и в последующем этапе строительства туннеля образуется большой осадок, трещины в грунте дома и другие последствия).

2. Соответствующая форма стыка должна быть принята в соответствии с условиями пласта.

3. Контролируйте положение щита.

4. В соответствии с измеренным подъемом туннеля во время процесса продвижения, чтобы гарантировать, что отклонение оси туннеля контролируется в пределах допустимого диапазона, ось выемки туннеля может быть соответственно ниже проектной средней линии туннеля.

5. Затемнение трех сегментов кольца в задней части хвостовика экрана (двойной жидкий раствор каждые 3–5 колец) используется для уменьшения плавучести туннеля.

(11) Застревание щита.

В процессе проходки щита из-за изменений пластового давления грунт вокруг щита сжимается, вызывая чрезмерное трение между кожухом щита и почвой и заторы щита (геологический риск + риск оборудования).

Наиболее часто встречающиеся феномены застревания щита это застревание хвоста. Можно проектировать комплект контуров нагнетания для шарнирной системы щита, чтобы увеличивать растяжение гидроцилиндра к хвосту щита.

2.4.3. Система предотвращения рисков «Три начала и четыре умения»

При производстве работ туннелепроходческим щитом необходимо придерживаться концепта «Три начала и четыре умения», под которым подразумевается: «начинать работы с геологических изысканий и контролировать риски при производстве работ щитовой проходкой; начинать c раскрытия потенциала щита и спланировать ключевые позиции щитовой проходки; начинать содействие эффективному результату с научного менеджмента и раскрывать передовые особенности щитовой проходки». Это делается с целью обеспечить «умение проникнуть, устоять, выйти и выдержать» щитовой проходки при производстве работ. Данный принцип описан на рис. 2-19.

Рис. 2-19. Концепция «Три начала и четыре умения»

При производстве работ бывают риски геологические, производственные и связанные с человеческим фактором. Необходимо усиливать геологические изыскания и проводить дополнительные работы, чтобы «уйти» от геологических рисков; с помощью геологической адаптации проходческого оборудования спрогнозировать риски; с помощью профессиональных контрольных мер и научного менеджмента обойти риски, вызванные человеческим фактором. Другими словами «Три начала» ключевых технологий проходки означают: «начинать работы с геологических изысканий, начинать c раскрытия потенциала щита, начинать содействие эффективному результату с научного менеджмента».

Помимо вышесказанного, щитовая проходка – это особенное оборудование, а проектирование геологической адаптации данного устройства является ключевым фактором при выполнении или невыполнении работ. Выбор проходческого щита должен быть детально спроектирован в соответствии с конкретными инженерно-геологическими и гидрометеорологическими условиями. Ключевой является способность адаптации к геологическим условиям проходческого щита, необходимо удостовериться, чтобы спроектированное оборудование при производстве работ отвечало требованиям «умение проникнуть, устоять, выйти и выдержать», что и является принципом «четырех умений» ключевых технологий проходки.

1) Умение проходить.

Режущее устройство и головная часть щита должны обладать геологической направленность, при проектировании головной части, выборе и расположении ножей необходимо подходить с рационализмом.

Структура ротора (рабочего органа) и компоновка ножей должны быть четко спроектированы. В песочных, гравийный грунтах и слоях с галькой малой фракции лучше применять режущие головки спицевидного типа (лучевого), как показано на рис. 2-20а. Степень открытости для такого вида режущих головок достаточно большая (70–75%), это удобно для контроля грунтопригруза и это уменьшает износ режущих головкок; расположение режущих головок по уровня, увеличивает размер сплава, чтобы усилить его устойчивость удару. В глинистых грунтах лучше использовать лучевые режущие головки малого диаметра, как показано на рис. 2-20b. В глинистых слоях возможно образование глинистой корки, а режущие головки лучевого типа малого диаметра обладают в центре опорной конструкцией из труб, что помогает в снижении формирования глинистой корки. В слоях с гравием больших фракций лучше использовать комплексные режущие головки лучевого типа, как показано на рис. 2-20с. Износ резцовой головке от таких геологических слоев большой, поскольку гравии большого диаметра непросто промолоть, а лучевые конструкции способствуют уменьшению крутящего момента, большая степень открытости помогает выбросу гравия. Применение вращающихся фрез может сыграть перемалывающую роль (перемалывание вместе с выбросом), одновременно с этим добавляет износоустойчивость режущим головкам. В скальных слоях лучше использовать комплексную резцовую головку, как показано на рис. 2-20d, поскольку она обладает достаточно большой перемалывающей способностью.

Китай – это страна с обширной территорией и со сложной геологической системой. Потому через классификацию геологических перегонов строительства проходческим щитом, обобщение типичных вопросов в части «возможности проходки» при строительстве проходческим щитом, через анализ характеристики различных земляных пластов и в сочетании с типичными вопросами при проходке эффективность работ имеет большую зависимость от разных компоновок ножей для разных пластов.

В соответствии с геологическими материалами, районы в Китае по разрушаемости рабочего органа проходческого щита делятся на четыре группы: чрезвычайно повышенного урона, повышенного урона, среднего урона и низкого урона, как показано на рис. 2-21. Крайне легкоразрушаемые районы включают в себя: Пекин, Гуанчжоу, Чэнду, Шэньчжэнь. Легкоразрушаемые: Шэньян, Сямэнь, Ухань, Фучжоу, Харбин, Далянь, Чанша, Наньнин, Куньмин, Нанкин, Дунгуан, Урумчи. Средней степени разрушаемости: Наньчан, Сиань, Тайюань, Нинбо, Ланьчжоу, Хэфэй; низкого уровня разрушаемости: Шанхай, Тяньцзинь, Чжэнчжоу, Чанчунь, Сучжоу, Ханчжоу, Шицзячжуан, Уси, Гуйян, Чанчжоу, Вэньчжоу, Сюйчжоу, Цзинань.

Рис. 2-20. Рабочие органы для различных слоев

Районы с высоким содержанием окатанного гравия, верхние слои которых слабые, нижнетвердые, крайнетвердый слой и выветрелый пласт со сферической формы гранитом и другие сложные геологические слои относятся к зонам чрезвычайно повышенного урона. В данных районах содержание гравия превышает 50%, внутренний угол трения превышает или равняется 35°, содержание кварца высокое, находятся валуны с большими фракциями и высокой прочностью, предельная прочность при одноосном сжатии превышает 150 МПа. Среди потерь эффективности резцовой головки можно выделить следующие: повреждение вращающихся фрез, резцов, скребков, зазубренных ножей и центрального ножа. На резцовой головке должны быть вращающиеся фрезы, резцы, боковые скребковые установки и передние ножи, необходимо увеличить степень открытости, чтобы гравий после перемалывания проходил через резцовую головку, тем самым снизить износ режущих головок.

Зоны повышенного урона включают в себя широко распространенные гальку и круглую гальку, содержание гравия ниже 50%, внутренний угол трения 30–35°, высокое содержание кварца, с прослойками валунов, достаточно высокая предельная прочность при одноосном сжатии горных пород (больше или равно 100 МПа). Резцовой головке, снабженной вращающимися фрезами или резцами, необходимо увеличить степень открытости, тем самым позволяя проходить через кольцо породам с большими фракциями, чтобы снизить износ ножей.

В зонах со средним уровнем содержания гравия средней фракции 20–30%; высокое содержание глинистых частиц в пылеватом глинистом слое, поэтому легко может образоваться глиняная корка в центре рабочего органа, тем самым подвергнуть оборудование клинообразному износу. Среди потерь эффективности резцовой головки в таких районах можно выделить следующие: клинообразный износ вращающихся фрез, разрыв ножевого кольца, опадение скребковой установки. В данных районах на резцовой головке должны быть главным образом резцы и скребки, иногда вращающиеся резцы, благодаря корректировке степени открытости можно осуществить проход гравия больших фракций через резцовую головку, тем самым снизить урон режущим головкам.

В районах с низким износом содержатся главным образом глинистые грунты, которые очень часто однородны и редко содержат или вообще не содержат крупнозернистый грунт, галька может быть заложена очень глубоко. Проходческий щит в таких грунтах легко разрабатывает породы и продвигается вперед, его нагрузки равномерно распределены. В этом районе возникают глинистые корки в центре резцовой головки, клинообразные износы ножей. Главным образом среди ножей встречаются скребки. Часто при производстве работ применяются материалы, улучшающие свойства грунтов, чтобы избежать формирования глинистой корки и потери стабильности при разработке пород, тем самым снижая риск возможного урона режущим ножам.

Одновременно с контролем производства работ необходимо отрегулировать параметры проходки в соответствии с геологическими условиями. При «слепой» или «своевольной» проходке возможно нанесение ущерба оборудованию, а также возникновение поломок.

2) Умение выбросить.

При осуществлении проходки необходимо рационально спроектировать винтовой конвейер (для ТПМК с грунтопригрузом) и системы разделения бетонного раствора (ТПМК с гидропригрузом). Эффективность производства работ проходкой не только заключается в эффективности разработки пород резцовой головкой, но также обретает ключевую важность и возможность быстро вывести разработанный грунт, поэтому при проектировании щита необходимо полноценно продумать способ шлакоудаления. Например, в водонасыщенных слоях лучше применять шнековый транспортер осевого типа (в нижней части или в хвосте находится затворка, откуда выбрасывается разработанный грунт). При большом количестве разработанного грунта можно не использовать ленточный конвейер для выброса, а взамен применять систему перекачки разработанного грунта с поддержкой давления; в слабых и песчаных грунтах использовать лучше шнековый транспортер осевого типа (в нижней части находится затворка, откуда выбрасывается разработанный грунт); в слоях с гравием больших фракций можно применять ленточный шнек для выброса грунта. С этой точки зрения улучшение разработанного грунта, циркуляция глиняной смеси и смыв будут играть ключевую роль.

3) Умение устоять.

При производстве работ щитовой проходкой главными условиями являются устойчивость забоя и обеспечение согласованности между давлением пригруза и давлением воды в геологических слоях. Недостаток и колебания давления пригруза часто являются причинами обрушения забоя. Чтобы обеспечить устойчивость забоя, необходимо обладать системой улучшения разработанного грунта, в которую входят система пеногенерирования, система бентонитовой глины, система добавления глинистого раствора, система полимеров.

Система пенного впрыскивания часто используется на грунтах с повышенным содержанием мелкозернистых частиц, например, на глинистых породах. Целью данного метода является повышение текучести, водоудерживающей способности разработанного грунта; если выражаться более точно, то разработанный грунт после улучшения собственных свойств обладает более надежным текучим свойством, снижаются при этом риски формирования глинистой корки и утекания воды в геологических слоях, а также уменьшается крутящий момент резцовой головки.

Система впрыскивания бентонитовой глины обычно используется в грунтах с сравнительно небольшим содержанием мелкозернистых частиц, например, в породах с окатанным гравием. Целью данного метода является увеличение отношения содержания мелкозернистых частиц, улучшая тем самым текучесть и водонепроницаемость грунта; также данный способ помогает разработанному грунту обладать более надежным текучим свойством, снижаются при этом утекание воды в слоях и крутящий момент. При впрыскивании необходимо применять достаточно хорошие материалы, четко определить время разбухания, чтобы достичь нужного эффекта.

Система добавления глины используется при проходке водонасыщенных пластов. Особенно при производстве работ в речных и морских районах для улучшения адаптации туннелепроходческого комплекса применяется система, которая направлена на трансформацию функциональности щита с гидропригрузом, может использоваться для улучшения выброса грунта и предотвращения обильного фонтанирования.

Система впрыскивания полимеров пригодна для неглинистых грунтов, часто применяется в водонасыщенных породах с окатанным гравием. Целью данного метода является схватывание водных компонентов, снижение разделения воды и грунта, увеличение сцепления. Также данный способ помогает разработанному грунту обладать более надежным текучим свойством, снижаются при этом утекание воды в слоях и крутящий момент.

4) Умение сдерживать.

Долгосрочная перспектива туннеля основывается главным образом на качестве тюбинга, обработке сварного соединения и сборки тюбинга. При производстве работ качество сборки тюбинга должно быть на высоте, необходимо строго контролировать вертикальное смещение, одновременно с этим нужно избежать появления трещин и нанесения урона тюбингу из-за большой нагрузки. Что касается сварного соединения, то необходимо предотвратить ущерб гидрошпонки или ее выход из строя, например, необходимо предотвратить разбухание гидрошпонки на раннем этапе; необходимо точно смонтировать ее, при проходке туннеля необходимо обладать достаточной силой толкания и кольцевой силой сжатия, чтобы гарантировать оптимальную водосдерживающую способность гидрошпонки.

2.5. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ

Техника щитовой проходки стремительно развивается, ниже приведены основные тенденции развития:

(1) Максимум вызовов.

1. Еще больший диаметр: диаметр туннелепроходческого щита становится все больше и больше. Территория Китая обширна, различные реки текут вдоль и поперек, во многих городах ведутся работы вдоль течения, а иногда и через реки. Вместе с бурным развитием китайской экономики в геометрической прогрессии растет спрос на городские и железнодорожные коммуникации, коммуникационные туннели для пересечения рек и морей, но одновременно с этим все сложнее в городских условиях найти пространство для постройки мостов. Со временем на железной дороге увеличивается скорость поездов, чтобы уменьшить занимаемую территорию, двухпутные туннели являются направлением развития; автомобильные дороги: повышается категория дорог, поток машин все больше и больше, что влечет за собой постоянное увеличение сечения туннелей; при таких тенденциях появляется все больше и больше работ, где задействован проходческий щит большого диаметра.

2. Туннели еще длиннее: длина туннелей со временем увеличивается.

3. Еще более высокое давление воды: возникает все больше и больше туннелей, которые преодолевают водное пространство, поэтому требования к герметизации и водному давлению, которое несет проходческая установка, все выше и выше.

4. Еще глубже: необходимо избегать прокладывания маршрута на перекрещевании грунтов и скальных пород, трудно выполнять работы при условиях, когда верхние слои – мягкие грунты, а нижние – твердые. Необходимо по максимуму применять проходку в однородных породах, поэтому при выборе маршрута глубина заложения становится все больше.

5. Еще более высокая скорость проходки: скорость проходки становится все выше и выше.

6. Более запутанные геологические условия: возникают требования к адаптации все более сложных геологических условий.

(2) Более безопасно и экологично.

При производстве работ щитовой проходке все больше внимания уделяется экологии и безопасности.

(3) Более сложные функции, простое управления, проектирование более гуманно.

Требования к трудоемкости все ниже; все выше требования к качествам операторов.

(4) Более продолжительный срок эксплуатации.

Продвижение вперед технологий, надежный и долгий срок эксплуатации щита являются одним из ключевых факторов при гарантировании сроков строительства, а также ключевым фактором успеха производства.

(5) Повышенная адаптация к геологическим условиям.

В сложных условиях проходческий щит может преодолевать как скальные грунты, так и мягкие грунты и породы с гравием. При проектировании требуется от резцовой головки адаптация к различным слоям.

(6) Цифровизация проектирования проходческого щита, модулизация производства, интеллектуализация управления и повышение знаний сервиса услуг.

Подобно автомобилям без водителя, развитие технологий щитовой проходки идет в сторону цифровизации, интеллектуализации и управления без человека, осуществляется автоматическая интеллектуальная проходка и менеджмент. В дальней перспективе китайские технологии проходки – это оцифрованное проектирование, интеллектуализированная проходка, менеджмент удаленного типа. То есть введя геологические данные и параметры конструкции туннеля можно спроектировать туннелепроходческий комплекс, подходящий под инженерно-геологические и гидрометеорологические условия; производство работ реализуется через интеллектуальную проходку без операторов, это делается удаленно в офисе, контролируя производственный процесс. В офисе можно получить прямо на экране компьютера изображение с места производства работ и технические параметры щита, а также отдать приказ для управления проходкой. Технические специалисты нужны лишь в офисе, чтобы управлять всеми комплексами, распространенными по всему миру.

ГЛАВА 3. КЛЮЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПО МЕТОДУ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ

3.1. ТЕХНОЛОГИИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

Цель геологических изысканий заключается в исследовании инженерно-геологических и гидрометеорологических условий там, где будет располагаться туннель, а также в определении влияния производства работ и эксплуатации туннеля на сохранность окружающей среды. Это делается, чтобы предоставить необходимые изыскательские материалы для планирования, проектирования и производства работ, а также чтобы провести анализ существующих горных пород и окружающей среды и выдать рациональные проект проектирования и меры производства работ, тем самым обеспечив экономичное, безопасное и надежное производство работ. Этап изысканий должен быть совмещен с этапом проектирования, обычно изыскания подразделяются на три этапа: ТЭО, первоначальные изыскания и подробные изыскания.

3.1.1. Способы туннельных изысканий

Туннельные изыскания главным образом включают в себя коллекционирование и исследование имеющихся материалов; исследования, съемку и изыскания; испытания и длительное наблюдение и другие виды. Вместе с развитием науки применяются все новые технологии в изыскательских работах. Целью изысканий является обеспечение безопасного, быстрого и экономичного производства работ методом щитовой проходки. Изыскания можно разделить на общие исследования, исследования преград, изыскания рельефа и геологические изыскания. Благодаря изысканиям можно получить основную документацию, которая понадобится на каждом этапе планирования, проектирования, производства работ и менеджмента эксплуатации. Результаты изысканий также необходимы для выбора местоположения туннеля и маршрута, являются доказательной базой для проведения МОС и способов осуществления работ, определяют масштаб производства. Поэтому при изыскательских работах необходимо полноценно продумать и реализовать вышеуказанные пункты.

1) Общие исследования

Главным образом под общими исследованиями понимается исследование текущей обстановки и планирования грунтов, дорожных коммуникаций, защиты окружающей среды и архитектурных находок, подземных вод, производственной площадки, электричества и воды и других условий окружающей среды. Общие исследования ориентированы на изыскания окружающих мест, которые находятся вблизи от проходящего маршрута, главным образом изыскания проводятся для прокладывания маршрута, проведения технически-экономического обоснования и утверждения масштабов строительства.

Исследования текущей обстановки и планировки территории подразумевают под собой использование и планирование с/х земель, горных лесов и водоемов в соответствии с имеющимися картами и проведением изысканий по месту. В городских районах необходимо обратить особое внимание на планирование территории в изучаемом районе (жилые здания, бизнес, индустрия), текущей обстановки, имущественных прав, масштабы производства, ограничительные условия. Необходимо полноценно овладеть различными подземными и надземными факторами, а также хорошо продумать маршрут, проектирование и производство работ.

При производстве работ под землей проходческим щитом необходимо провести изыскания по интенсивности движения, полосе отведения, ограничениям во время обратной засыпки, разработке дорожной одежды. При производстве работ велико влияние расположения вертикальных шахт на дорожные коммуникации. При выборе расположения необходимо полностью продумать функциональность шахты, проходимость потока транспортных средств, расположение площадки, транспортировку и обработку шлака, транспортировку материалов и оборудования и других условий. Изыскания поверхностных воды подразумевают изыскания профилей водоемов (рек, озер и т. д.), конструкции защитных дамб, геологических условий, мостов, водной охранной зоны, водного транспорта и т. д.