Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Хун Кайжун

3) Рекогносцировка и геоизыскания

Цель рекогносцировки и геологических изысканий состоит в предоставлении необходимых базовых материалов для осуществления планирования, проектирования, производства работ и защитного управления. Геологические изыскания для щитовой проходки главным образом используются для выбора маршрута туннеля, подтверждения возможности использования щитовой проходки, предоставления доказательств для осуществления мероприятий по охране окружающей среды, вынесения решения по масштабу, характеру строительства, также они являются материалом по защитному управлению по окончании производства работ. Обычно в себя данный вид изысканий включает состав рельефа и геологических слоев, геологию, подземные воды, недостаток

кислорода, содержание вредных веществ и др. Поскольку топографические и геологические условия являются решающим фактором, который определяет степень затруднения производства работ и проектирования щитовой проходки, то к данному процессу стоит отнестись крайне скрупулезно.

(1) Поскольку рельеф местности часто отражает подземные вмещающие породы, то первым шагом будет осмотр и овладение рельефом. Если на изучаемом месте холмы и возвышенности, то под землей обычно не будет аллювиальных отложений, поэтому редко встречаются слабые грунты. Кроме этого даже при наличии таких отложений можно, благодаря тщательным исследованиям топографических условий и условий окружающей среды, установить, в какой-то степени состав слоев подземных вмещающих пород. При некоторых геологических условиях, когда трасса туннеля в местах пересечений с плоскогорьем и равнинной местностью наклоняется или параллельна им, то может возникнуть очевидный уклон.

(2) Вместе с топографическими изысканиями накапливаются и исследуются документы, овладевая составом геологических слоев, которые находятся вдоль трассы. В районе, где производится щитовая проходка, обычно много полезных материалов. Наиболее представительными являются геологические карты, схемы пригодного грунта и т. д. Одновременно с этим с помощью бурения скважины стандартным пенетрационным испытанием проводятся основные изыскания, по результатам которых получается геологический разрез с пометкой всех слоев. Таким образом можно определить грунтовые проблемы во время производства работ щитовой проходкой и тем самым внимательно изучить эти самые проблемы.

(3) Обычно можно выполнять строительство проходческим щитом для любых оснований из вмещающих пород с применением проходческих щитов с закрытой лицевой стороной. Но при применении щита с нагнетанием глинистой воды, связный грунт будет приставать к резцовой головке и барокамере, что приводит к засорению и влияет на проходку; в рыхлом песчаном пласте будет возникать обвал забоя из-за трудности образования целостной глинистой пленки, что приведет к оседанию основания и провалу земли; а на гравийном пласте может возникнуть выкрашивание галек, что приведет к развалу забоя, износу, излому ножей или засорению грунторазгрузочной трубы. Поэтому надо производить расследование состава зерен, коэффициент фильтрации и т. д. (для гравийного пласта особенно расследовать форму, размер, содержание, твердость и неравномерность). И также при применении щита с грунтопригрузом, чтобы проектировать условие пластической текучести в барокамере, материал, форму режущей головки, форму прореза резцовой головки, винтового выбрасывателя и т. д., параметры требуют расследования формы, размера, твердости и состава зерна (в частности, содержания мелкозернистых), коэффициента фильтрации крупных галек.

В соответствии с условиями производства работ при применении сжатого воздуха на рыхлых песчаных слоях ниже уровня воды и снижении давления воздуха снизу рабочей поверхности могут одновременно выливаться вода и высыпаться песок; если повысить давление, то песок в верхней части рабочей поверхности может пересохнуть, может быть потеряна глинистость, тем самым на мизерных аллювиях могут возникнуть зыбучие пески. Особенно когда слой вскрышной породы очень тонок, то совсем сложно достичь идеального эффекта по сжатому воздуху и может возникнуть утечка воздуха. При возникновении вышеупомянутых рисков, помимо измерения значения N-стандартного испытания на пенетрацию грунта, также нужно провести гранулометрический анализ, определить коэффициент пористости, на месте провести испытание водопроницаемости и определить минимальный коэффициент пористости и т. д. При производстве работ на слабых грунтах (пылеватый,

глинистый), где значение N 1-2 и ниже, возникает риск снижения прочности из-за понижения уровня грунтовых вод, нужно проводить испытание на прочность. Говоря о достаточно слабых глинистых слоях, помимо вышеуказанных испытаний, лучше всего также определить содержание песка, влажность, коэффициент густоты, силу сцепления и т. д.

(4) При исследовании скважины необходимо определить местоположение подземных вод, но поскольку давление грунтовых вод, содержащихся в водянистых слоях, необязательно будет гидростатическим, нужно по отдельности определить поровое давление вод в каждом слое, где они содержатся. Рядом с районами, где есть горы и возвышенности или в слоях с гравием в пролювиальном веерообразном конусе, часто присутствуют артезианские напоры с излишком гидростатического давления. Наоборот, в городских и других районах часто по причине чрезмерной откачки воды давление в напоре воды будет ниже гидростатического, а иногда даже не бывает напора.

Такие уровни подземных вод и артезианские напоры воды могут меняться из-за человеческого фактора или вместе с сезонными изменениями, поэтому необходимо определить, при каких условиях происходит напор. Несмотря на то, что c помощью анализа гранулометрического состава можно примерно определить коэффициент фильтрации, лучше по месту провести испытание на водопроницаемость. Кроме этого, одновременно с исследованием подземных вод и артезианского напора, важным является исследование физических свойств подземных вод (содержание соли).

(5) Кроме того, часто возникают опасности, связанные с выбросом и взрывом биогаза, чтобы обеспечить безопасность строительной среды, необходимо выяснить, нет ли утечки вредного газа. Среди других видов вредных газов есть сероводород и газообразный оксид азота. Убедившись в наличии сероводорода, обратите внимание на проблему коррозии футеровки. Следовательно, когда ожидается наличие вышеупомянутых газов, надо исследовать состав вредных газов в порах. Если действительно есть газы с дефицитом кислорода или вредные газы, необходимо рассмотреть меры вентиляции и даже меры взрывозащиты.

В процессе строительства щита изыскания на этапе предварительного проектирования основаны на бурении с испытаниями на месте, инженерно-геологическими испытаниями и геофизическими исследованиями для приблизительного определения геологии пласта проходного участка щита и ориентировочного определения основных физико-механических свойств каждого слоя. На стадии строительного чертежа геологическое исследование должно дополнительно изучить литологию и физико-механические параметры поверхности выемки защитного туннеля и обеспечить основу для строительного чертежа и выбора щита. Требования к топографии и геологическим изысканиям для проекта защитного туннеля показаны в таблице 3-1.

Таблица 3-1. Топографо-геологические изыскания щитового туннелестроения

При проведении геологических изысканий для щитовой проходки необходимо использовать комплексный подход, детально изучив геологическую ситуацию районов, через которые проложена трасса. Главным методом данного способа является бурение скважин. Количество шурфов должно быть определено степенью сложности геологических условий. Скважины должны располагаться по обеим сторонам трассы, их местоположение должно быть за границей трассы 2 – 5 м. Все скважины не должны располагаться внутри трассы туннеля, соединительных каналах и других долговечных конструкциях. По завершению испытаний необходимо ликвидировать скважины обратной засыпкой. Интервал скважин можно определить в соответствии с таблицей 3-2.