Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Хун Кайжун

Строительство Северного моста Южного туннеля по проекту Шанхайского туннеля через устье реки Янцзы (также известного как Шанхайский туннель Хучонг) происходило с 2004 по 2006 год, в проекте применялся крупнокалиберный щит с гидропригрузом диаметром 15.44 м.

В 2007 году при строительстве туннеля Шицзыян пассажирской железнодорожной линии Гуанчжоу – Шэньчжэнь – Гонконг использовались 4 щитопроходных комплекса с гидропригрузом диаметром 11.18 м.

В 2008 году при строительстве подземной части пекинской железной дороги был использован щит с гидропригрузом диаметром 11.97 м.

В 2008 году Китайская корпорация железнодорожных туннелей самостоятельно разработала и выпустила комбинированный щит диаметром 6.39 м, с помощью которого был построен метрополитен г. Тяньцзинь.

2.3. ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ МЕТОДОМ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ

2.3.1. Производство работ с помощью щита с грунтопригрузом

На рис. 2-6 показан

рабочий процесс туннельного строительства методом щитовой проходки с помощью щита с грунтопригрузом. Как видно на рисунке, грунт, срезанный резцовой головкой, поступает в землеприемный призабойный отсек и выводится из него шнековым способом, образуя перепад давления; по мере продвижения щита вперед, шнековый конвейер выгружает грунт с такой скоростью, чтобы количество выгружаемого грунта было равным объему экскавации, чтобы грунтовые слои поверхности забоя всегда сохраняли стабильность. Количество выгружаемого грунта регулируется путем регулировки скорости шнека и открытия заслонки выемки; шлаковый грунт поступает со шнека на ленточный конвейер, а затем с ленты падает в расположенную ниже транспортировочную вагонетку, на которой грунт транспортируется лебедочным способом к начальному котловану; затем установленный над котлованом портальный кран поднимает вагонетку на поверхность и выгружает шлаковый грунт в зону временного хранения, откуда грунт с помощью экскаватора загружается в самосвал и увозится.

2.3.2. Производство работ с помощью щита с гидропригрузом

На рис. 2-7 показан процесс работ с помощью проходческого щита с гидропригрузом. Насос подачи выкачивает суспензию (смесь воды и бентонита) из смесительного резервуара, установленного на поверхности, и направляет по трубопроводу в шламоприемный призабойный отсек щита; в заполненном шламоприемном отсеке суспензия под давлением проникает в грунт на несколько сантиметров. Таким образом бентонит внедряется в промежутки между частицами грунта, образуя «корковый» слой, тем самым слой грунта на поверхности выемки становится более стабильным и водонепроницаемым; посредством вращения рабочего органа, ставшая «коркообразной» поверхность выемки разрушается и содержимое смешивается с бентонитовой суспензией, а затем отводится выводящим насосом и перегонным насосом по выводящему трубопроводу в расположенную на поверхности сепараторную станцию; сепараторная станция отделяет шлаковый грунт от бентонитовой суспензии; отделенная от грунта суспензия попадает в смеситель, где проходит определенные качественные преобразования, после которых она может использоваться повторно, а затем вновь направляется подающим насосом в шламоприемный отсек щита.

По своей сути, метод щитовой проходки с гидропригрузом представляет собой способ экскавации, в котором в качестве медиаторной среды используется шламовая мембрана, уравновешивающая давление грунта давлением шламовой суспензии. Насос подачи суспензии транспортирует ее по трубопроводу непосредственно с поверхности земли на поверхность забоя, которая, в свою очередь, остается полностью изолированной, что обеспечивает высокий уровень безопасности работ и хорошие условия проходки. Другими словами, щит с гидропригрузом не оказывает чрезмерного давления на окружающие слои и не подвергается их обратному давлению, тем самым уменьшая негативное влияние на окружающие грунтовые массы. Как правило, данный метод не требует проведения вспомогательных мероприятий (за исключением работы в условиях пластов с высокой водопроницаемостью и галечных пластов, при которых трудно поддерживать стабильность поверхности забоя). Данный метод особенно актуален при большом сечении забоя, так как с точки зрения проседания грунта во время работ он наиболее применим, нежели метод проходки с грунтопригрузом.

Рис. 2-6. Схема проходки щита с грунтопригрузом

Рис. 2-7. Схема проходки щита с гидропригрузом

2.3.3. Технологические методы разнообразных сечений проходческих щитов

Перечисленные выше методы проходческих щитов используются для сооружения однопутных туннелей круглого сечения. Метод отличается устойчивостью и прекрасными эксплуатационными характеристиками, но в определенных областях коэффициент использования невысок, является неэкономичным или может ограничить эффективное использование подземного пространства. В последние годы постепенно набирают популярность проходческие щиты со специальным инженерно-техническим подходом к сооружению туннелей некругового сечения (технические методы щитовой проходки для разнообразных сечений). Принципы работы будут описаны ниже.

1)

Проходческий щит свободного сечения

На рис. 2-8 показано, что у распространенного проходческого щита круглого сечения, как и у проходческого щита свободного сечения, также есть основная фреза, но на ее наружной части находятся планетарные фрезы меньшего сечения. Во время вращения основной фрезы, планетарные совершают движение по своей оси, огибая основную, как планеты в солнечной системе. Колея вращения планетарных фрез определяется углом колебаний их лап. Регулируя положение лапы, можно углубить туннель нестандартной (некруглой) формы. Другими словами, подобрав колею вращения планетарных фрез, можно добиться прямоугольного сечения, овального, эллиптического, подковообразного и других форм сечений. Проходческий щит свободного сечения пригоден для случаев ограниченных подземных пространств, примером является прокладка туннелей малого и среднего типа, лежащих между трубопроводными путями и водными каналами.

Рис. 2-8. Схема устройства проходческого щита свободного сечения

Данный инженерно-технический подход помогает углублять многочисленные туннели нестандартной формы. Туннель с узким и длинным сечением можно эффективно расширить или углубить ограниченное подземное пространство в нем. Для достижения разнообразных целей, можно рационально выбрать подходящее сечение. Например, для коммуникационных туннелей.

2) Эксцентрический многоосный проходческий щит

В данном инженерно-техническом подходе используется эксцентрический многоосный проходческий щит, особенностями которого являются: применение многочисленных ведущих валов, перпендикулярно к которым устанавливается набор коленчатых валов. На коленчатых валах монтируются фрезодержатели. Во время вращения ведущих валов, фрезодержатели образуют вращающуюся дугу. Сечение раскопанного участка принимает форму фрезодержателя. Таким образом, в соответствии с требованиями к форме поперечного сечения, форма фрезодержателя может быть круглой, куполообразной, овальной или подковообразной. Схематическое изображение принципов строительных работ эксцентрического многоосного проходческого щита по созданию круглого и квадратного сечения показано на рис. 2-9. На рис. 2-10 показано натуральное изображение описанного проходческого щита.

Эксцентрический многоосный проходческий щит обладает нижеследующими преимуществами:

1. Позволяет выбрать меньший крутящий момент привода благодаря минимальному радиусу поворота фрезодержателя. Так как несколько осей вращения приводят в движение фрезодержатель, проходческий щит кажется компактным, легко собирается, разбирается и перемещается. Применяется для прокладки туннелей с большой площадью сечения.

Рис. 2-9. Схематическое изображение принципов строительных работ эксцентрического многоосного проходческого щита

Рис. 2-10. Натуральное изображение многоосного проходческого щита

2. Из-за минимального радиуса вращения фрезодержателя, фрезы проходят меньшее расстояние. Рассмотрим данный параметр с точки зрения износа лезвий. По сравнению с обычным проходческим щитом данный тип пройдет расстояние как минимум в три раза большее. Применяется для прокладки протяженных туннелей. Эксцентрический многоосный проходческий щит обладает нижеследующими преимуществами: 1. Позволяет выбрать меньший крутящий момент привода благодаря минимальному радиусу поворота фрезодержателя. Так как несколько осей вращения приводят в движение фрезодержатель, проходческий щит кажется компактным, легко собирается, разбирается и перемещается. Применяется для прокладки туннелей с большой площадью сечения. 2. Из-за минимального радиуса вращения фрезодержателя, фрезы проходят меньшее расстояние. Рассмотрим данный параметр с точки зрения износа лезвий. По сравнению с обычным проходческим щитом данный тип пройдет расстояние как минимум в три раза большее. Применяется для прокладки протяженных туннелей. 3. Из-за миниатюрного привода фрезодержателя, пространство для осуществления строительных работ больше, что позволяет по мере необходимости размещать внутри проходческого щита оборудование по улучшению грунта для осуществления данной процедуры в любой точке туннеля. Применяется для прокладки туннелей с минимальным радиусом кривизны, в условиях расположения туннелей на небольшом расстоянии друг от друга, при неблагоприятных условиях проведения работ (плохое качество грунта) и т. д.