Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей
Шрифт:
История щитопроходной технологии началась в Великобритании, созрела в Германии и Японии, а затем получила широкое развитие в Китае. С момента появления первой в мире щитопроходной машины в 1825 году, спустя более ста лет научно-исследовательских разработок и эксплуатации, данный метод эволюционировал, и на сегодняшний день широко применяются жидкошламовые проходческие щиты и щиты с компенсацией давления земляных пород. Самым большим преимуществом этих двух видов машин является то, что в процессе проведения землеройных работ предусмотрена возможность стабилизации забоя, таким образом, два из трех основных элементов метода щитовой проходки, а именно стабилизация забоя и выемка грунта, интегрировались в один элемент, тем самым повышая способность адаптироваться к пластам с изменяющимися геологическими условиями, исключая необходимость
2.1.2. Механический анализ производственных работ по методу щитовой проходки
Процесс строительства туннеля щитовым методом – это сложный механический процесс, в ходе которого исходная почва подвергается разрушению, дроблению и последующей трансформации. На грунтовые массы забоя воздействует режущее усилие резцов, установленных на рабочем инструменте щита, прокатывающее и трамбующее усилие, а также удерживающее усилие среды внутри камеры давления. Действующее на грунтовые массы удерживающее усилие снаружи щита почти такое же, как внутри камеры давления. На грунтовые массы в хвостовой зоне щита воздействует сила давления блока синхронной цементации. После того как грунтовые массы подверглись манипуляциям на предыдущих этапах, они будут преобразовываться в течение очень длительного промежутка времени.
В настоящее время наука механического анализа щитопроходческих работ, основываясь на механике сплошной среды, помогла получить множество ценных сведений и получила широкое использование в сфере туннелестроительного проектирования. Однако, вследствие многих неопределенностей в процессе щитовой проходки и неоднородности почвенной среды, между результатами анализа с помощью традиционных методов и фактической ситуацией в ходе строительных работ существует довольно большая разница. Чтобы обеспечить успешное проведение щитопроходческих работ, необходимо объединять данные испытаний и опыт персонала, производящего работы. Вследствие этого необходимо подбирать наиболее оптимальные решения при руководстве работами.
Проходческий щит осуществляет экскавационное продвижение в естественной почвенной массе, формируя туннель, и естественная почва в пределах движения замещается туннельным пространством с облицовочной обделкой. По мере продвижения резцы рабочего органа щита прорезают земельный пласт перед ним, и он посредством выдвижения гидравлических цилиндров, оказывающих давящее усилие на предварительно смонтированную облицовочную обделку, осуществляет движение вперед. При каждом цикле продвижения вперед на ширину одного тюбинга, персонал, оперируя тюбингоукладочной установкой, осуществляет монтаж тюбингов в хвостовой части щита, формируя постоянную опору для туннеля. Во время продвижения вперед зазор между тюбингом и земляным слоем заполняется цементирующей жидкостью, завершая процесс формирования туннеля. В итоге процесс строительства туннеля обычно включает в себя 4 механических этапа (рис. 2-1).
Рис. 2-1. Четыре этапа туннелестроительных работ щитопроходным методом
Этап 1: резцы рабочего инструмента выкапывают фронтальную почвенную массу, а также с помощью шлаковой земли либо жидкой глинистой воды удерживают окружающие почвенные массы.
Этап 2: щит продвигается вперед, при этом внутри щита происходит монтаж облицовочных тюбингов.
Этап 3: после того как сформируется строительный зазор в хвостовой части щита, снаружи облицовочной обделки происходит заливка цементной суспензии.
Этап 4: окружающий земляной слой постепенно твердеет и преобразуется.
Во время вышеперечисленных четырех стадий земляной слой вокруг щита подвергается сдавливанию, разрезанию, сдвиганию, преобразованию и серии прочих воздействий. Строительная практика показывает, что в процессе проходки щита вышеуказанные этапы оказывают довольно большое влияние на окружающие земляные слои.
1. Экскавация и укрепление
Разрезание земляного пласта вращающейся резцовой головкой является первым шагом щитопроходных работ. На этом этапе щит медленно продвигается вперед, а земля перед ним режется вращающейся резцовой головкой и попадает в землеприемный призабойный отсек (в случае жидкошламовой проходки – попадает в шламовый призабойный отсек), затем по шнеку щита (либо по трубопроводу) выводится на поверхность земли. Успешное прохождение данного этапа играет ключевую роль в сохранении стабильности фронтального земляного пласта. На рис. 2-2 показан силовой анализ воздействия на забой. H – высота уровня подземных вод, С – глубина земляного покрова над щитом, D – диаметр щита, Pw – давление воды, Ps – латеральное (боковое) давление, Pc – давление земляных масс в землеприемном призабойном отсеке (либо давление шламовой жидкости в шламовом призабойном отсеке). Для обеспечения стабильности забоя необходимо обеспечивать достаточное удерживающее усилие.
В процессе продвижения щита вперед картина воздействующих на земляную массу сил достаточно сложная. Сдавливание (экструзия) и разрезание резцами, сдавливание среды в кессонной камере, – это многофакторный динамический процесс. В условиях более-менее стабильной фронтальной почвенной массы, как правило, обсуждается только смещение почвы на открытой части, игнорируя контакт поверхности резцовой головки с фронтальной почвенной массой по всему сечению разрезания. Во время продвижения вперед эффективное удерживание фронтальных земляных масс достигается с помощью установки соответствующего давления в землеприемном призабойном отсеке (либо шламовом отсеке).
2. Формирование и заполнение хвостового зазора
Во время продвижения щита, для обеспечения достаточной поворотной способности, между оболочкой щита и смонтированной обделкой внутри хвостовой части щита, как правило, остается определенный конструктивный зазор. Когда домкрат толкает щит вперед, со смонтированной обделки, располагающейся внутри хвостовой части щита, сдергивается хвостовая защита, и между периферией обделки и окружающей почвой образуется конструктивный зазор, который обычно называют хвостовым зазором.
На рис. 2-3 показано, как после удаления корпуса щита от обделки туннеля, вследствие образования зазора в хвостовой части, окружающая грунтовая масса теряет опору и приходит в несбалансированное состояние. В результате естественная регуляция возникшей нагрузки может привести к обвалу окружающих грунтовых масс и деформации туннеля. Поэтому хвостовой зазор необходимо заполнить цементной суспензией.
Рис. 2-2. Силовой анализ воздействия на забой
Рис. 2-3. Схема хвостового зазора
После заполнения суспензией образованная при помощи обделки и суспензии структура укрепления служит защитой при сбросе напряжения окружающими грунтовыми массами, тем самым помогая держать под контролем деформацию окружающих пластов и просадку грунта. Технологию заполнения хвостового зазора суспензией обычно подразделяют на два типа: синхронная заливка и застенная заливка. Синхронная заливка означает непрерывную подачу суспензии под давлением с помощью специального трубопровода, расположенного в хвостовой части щита, одновременно с формированием хвостового зазора. Застенная заливка означает заливку суспензии через специальные отверстия в тюбингах; такой способ заполнения можно осуществлять и одновременно с продвижением щита вперед, и для вторичной заливки. Синхронный способ заливки является более актуальным при заполнении конструктивного хвостового зазора для щитопроходной технологии, так как достигается более полный контроль смещения окружающих земляных пластов. Данный способ на сегодняшний день является самым распространенным в строительной технологии.