Читать книгу Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей - - Страница 5

2.1. О ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ

2.1.1. Базовые понятия о щитовой проходке

Метод щитовой проходки – это один из видов технологии подземного землеройного туннельного строительства, при котором прохождение под землей осуществляется с помощью специальной конструкции под названием «щит», который, предотвращая обвал и создавая стабильную поверхность забоя, одновременно производит внутри конструкции безопасную выемку грунта и облицовку внутренних стенок шахты, тем самым формируя готовый туннель.

Согласно этому определению, щитовой метод состоит из трех основных элементов: стабилизации поверхности забоя, выкапывания (выемки) грунта и облицовки (обделки) при помощи конструкции – щита. При выкапывании грунта с помощью щита необходимо решить три главных задачи: выбор рабочей режущей поверхности, способа уравновешивания давления на рабочую поверхность и выгрузки шлаковой почвы из шахты. При выборе режущей поверхности, в одинаковых конструктивных условиях пласта и режущей головки, принципиальной разницы нет, остается решить вопрос балансировки и удаления шлака. Что касается обделки туннеля: во время продвижения щита в грунтовом пласте, окружающие породы поддерживаются защитной оболочкой корпуса щита и тюбингами (сегментами туннельного кольца), таким образом предотвращая обрушение почвы и песчаных масс во время строительства туннеля. Щит закрытого типа с помощью компрессии глины, либо компрессии шламовой жидкости, создает сопротивление давлению земляных пород и давлению воды, тем самым обеспечивая удерживание и стабильность забоя. Щит открытого типа может применяться в случае, если забой является самонесущим, в противном случае требуются дополнительные вспомогательные меры.

Главный принцип щитопроходной технологии – это завершение работ с минимальным, насколько это возможно, колебанием окружающих пород, тем самым максимально снижая воздействие на наземные строения и фундаментные коммуникации.

Первоначально метод щитовой проходки применялся с использованием ручной, либо механической силы при проведении землеройных работ с применением сжатого воздуха для создания устойчивости забоя и выемки грунта. Если окружающие породы были крайне текучими, то для укрепления и предотвращения протечек применялся метод цементирования, при котором в условиях мягких земляных пластов могли проводиться работы закрытого типа.

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 в проведении дополнительных вспомогательных работ.

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 почвы перед резцовой головкой

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.

3. Консолидация и переустройство (преобразование) окружающих грунтовых слоев

В ходе проведения туннелестроительных работ щитовым методом окружающие грунтовые массы подвергаются нарушению различной степени. С одной стороны, структура грунтовых масс вокруг щита в определенной степени разрушается и реструктуризуется, с другой стороны, меняется водяное давление в поровом пространстве земли. В целях сохранения либо восстановления естественного баланса почвы после нарушения происходит регуляция напряжения и деформации грунтовых масс вокруг туннеля; в конечном итоге достигается новый баланс и происходит их переустройство.

Вопросы обстановки сил, действующих на окружающие земляные пласты и вызываемой ими деформации пластов при туннельном строительстве щитовым методом, широко обсуждаемы в инженерной среде, данный вопрос представляется особенно важным, когда при строительстве приходится сталкиваться с расположенными рядом подземными туннельными сооружениями, подвальными помещениями и фундаментом высотных зданий, трубопроводом, коммуникациями и прочими чувствительными к воздействиям сооружениями. Ученые и инженеры по всему миру выдвинули на повестку ряд вопросов из области механики и начали соответствующие исследования в сфере взаимодействия щита и грунта в процессе трех вышеупомянутых этапов проходки в надежде установить закономерности влияния щитопроходных работ на земляные пласты.

2.1.3. Принципы механики стабилизации забоя

Экскавация грунта – это начало туннелепроходческой работы и самое главное звено. Стабилизация фронтального грунта – ключевой момент для успешного проведения экскавации. Обычно балансировка суммы давления фронтального грунта и давления подземных вод достигается регулировкой давления внутри землеприемного отсека (либо давление глинистой воды шламоприемного отсека), с помощью чего достигается стабилизация состояния фронтального грунта и обеспечивается стабильность хода работ.

1) Принципы механики стабилизации забоя

Экскавация щита – это процесс, включающий в себя разрезание, смещение, сжатие и укрепление грунта забоя. Картина деформации фронтальных грунтовых масс вследствие воздействия различных сил довольно сложная, на рис. 2-4 показано состояние деформации при воздействии сил.

Рис. 2-4. Состояние деформации при воздействии сил

Находящиеся перед плоскостью резцовой головки грунтовые массы подвергаются сдавливающему и разрезающему усилию режущего инструмента щита, при этом может возникать определенная компрессия и переход масс в моментно-пассивное состояние. Однако все грунтовые массы поверхности экскавации могут находиться в разных состояниях в зависимости от разных удерживающих сил во время проходки, так как экскавационный процесс щита – это отслаивание грунтовых масс забоя от их первоначального расположения с помощью режущего инструмента и перемещение их в землеприемный отсек щита с грунтопригрузом (либо в шламоприемный отсек щита с гидропригрузом). В процессе прорезания может возникать временно свободная поверхность, потому что соприкосновение естественной почвы забоя и вырезаемых грунтовых масс не постоянно; на данный момент пока что не удалось найти идеальный способ анализа, кроме создания предположения гипотетически постоянного состояния.

Поэтому в щите обычно установлены датчики давления грунта, но устанавливаются они не на резцовой головке, где измерение давления грунтовой массы перед ним происходило бы напрямую, а размещаются в нескольких местах на перегородках землеприемного либо шламоприемного отсека и измеряют распределение грунтового либо шламового давления в разных точках. В щите с грунтопригрузом опорное (встречное) давление грунта в землеприемном отсеке контролируется посредством регулировки скорости продвижения и скорости шнекового отвода грунта, тем самым достигая стабильности поверхности забоя. В щите с гидропригрузом шламоприемный отсек постоянно заполнен глинистой водой, и там опорное (встречное) давление контролируется посредством регулировки подачи и отвода количества жидкости, также достигая стабильной поверхности забоя. И в щитах с грунтопригрузом, и в щитах с гидропригрузом, и в других видах щитов стабильность забоя обеспечивается с помощью использования давления шламовой жидкости либо давления грунта, так предотвращается обрушение забоя, контролируется деформация забоя и, как следствие, предотвращается излишнее нарушение земляных слоев.

2) Давление в забое

При регулировании давления забоя подразумеваются и устанавливаются параметры давления подземных вод, давления земляных масс и давления самого оборудования. В условиях хорошей самостабилизации грунта иногда можно не учитывать давление грунта при установке давления шламовой жидкости, однако, в случае вероятной деформации забоя и проседания фундамента давление грунта все же принимают во внимание. С помощью данных буровой разведки можно с достаточной точностью определить давление грунтовых вод, тем не менее, когда имеет место сезонная изменчивость либо расположение вблизи рек, то на показатели может влиять изменение уровня воды в реке, поэтому также следует учитывать данные факторы при установке давления грунтовых вод.

Давление грунта подразделяется на: активное давление грунта, давление грунта в покое и пассивное давление грунта; установки разнятся и строго соблюдаются в зависимости от требований к ситуативным требованиям забоя. Давление грунта в покое – это идеальное давление без деформации забоя. Активное давление грунта – это предельное давление грунта без обвала в забое, оно является минимальным значением в регулируемых пределах. Пассивное давление грунта – это предельное давление, при котором создается тенденция смещения грунтовых масс забоя в направлении движения проходки, является максимально допустимым значением в регулируемых пределах.

Резервное давление – это давление, компенсирующее потерю во время работы; как правило, область значений находится в пределах 10 ~ 20 кН·м2 (0.1~0.2 кгс/см2).

Регулируемое давление забоя – это давление, рассчитываемое в отношении грунтовых масс сечения забоя в рамках верхнего и нижнего пределов. При учете условий проведения работ регулируемые значения устанавливаются в этом диапазоне. В условиях хорошей самостабилизации грунта берется достаточно низкое значение давления, а в случае, когда деформацию земляных пластов необходимо контролировать в крайне малых пределах, берется достаточно высокое значение давления, а именно:

верхнее предельное значение Pmax = давление грунтовых вод + пассивное давление грунта + резервное давление;

нижнее предельное значение Pmin = давление грунтовых вод + (активное давление, либо давление свободного хода грунта) + резервное давление.

2.1.4. Особенности щитопроходной технологии

При применении щита в туннелепроходческих работах наблюдается высокий уровень автоматизации, экономия рабочей силы, высокая скорость работ, единоразовое формирование шахты, благодаря контролируемому оседанию и выпячиванию поверхности грунта, представляется возможным максимально снизить влияние на находящиеся выше строения и подземные сооружения. В случае необходимости прокладывания шахты на большое расстояние и на большой глубине, щитопроходный способ является наиболее экономически целесообразным. Поскольку стоимость производства щита достаточно высока, то щитопроходный метод чаще всего наиболее подходит для строительства особо длинных туннелей. Применение щита для строительства туннеля на короткой дистанции, как правило, считается экономически не выгодным.

Щитопроходный метод имеет следующие технологические особенности:

1) Влияние на функционирование городской инфраструктуры и окружающей среды крайне низкое. Кроме необходимости создания определенной площадки вокруг котлована для спуска щита, территория вдоль линии строительства не требует создания рабочей площадки на поверхности земли, не требуется снос и редислокация, поэтому влияние на торговую, транспортную и жилую инфраструктуру является минимальным. Представляется возможным прохождение на глубине через области расположения строений и рек, подземных сооружений и туннельных коммуникаций без какого-либо воздействия на них. Производственные работы, как правило, проходят без применения таких мер как понижение уровня грунтовых вод и т. д., не создают шумовых, вибрационных и прочих строительных помех.

2) Под определенный туннелестроительный объект создается уникальный щит. Несмотря на то, что щиты, в условиях схожих земляных пластов и природных условий, обладают определенными сходными параметрами, тем не менее большинство из них снабжены отличающимся специальным оборудованием, подходящим исключительно для использования на определенном строительном объекте (по так называемому индивидуальному крою). Они разрабатываются, изготавливаются либо модифицируются в соответствии с размером сечения туннеля, условиями глубины пролегания и определяющими факторами окружающих пород. Когда предполагается применять один и тот же щит на других участках либо туннельных проходах, необходимо учитывать размер сечения, механику стабилизации забоя, размер фракции окружающих пород и прочие основополагающие факторы окружающих условий на предмет совпадения, в случае отличий необходимо провести соответствующую модификацию для использования в отличающихся геологических условиях. Производство щита должно происходить с опорой на предполагаемый проект использования и в тесной связи с инженерной геологией данного проекта.

3) Высокие требования к точности работы. В отличие от других видов земляных строительных технологий щитовая проходка крайне требовательна к точности проведения работ. Точность изготовления тюбингов примерно такая же, как при изготовлении оборудования, так как нет возможности регулировки плоскости сечения, то к отклонению осевой линии шахты, тюбингам и точности установки применяются очень высокие требования.

4) Щитопроходные работы могут проводиться только в одну сторону, потому что внутренний диаметр тюбингового кольца меньше внешнего диаметра щита, то после начала работ нет возможности обратного хода. В случае необходимости возвратного движения щита пришлось бы разбирать установленные тюбинговые кольца, а это крайне опасно. Также обратное движение щита может вызвать дестабилизацию забоя, поломку хвостовых щеток щита и серию других проблем. Поэтому огромное значение имеет предварительно проделанная работа, ведь при встрече препятствия, поломке режущего инструмента и прочих проблемах, решить их представляется возможным только после проведения особых вспомогательных работ посредством открытия специального люка на разделительной перегородке, через который рабочий персонал может попасть из кессонной камеры в землеприемный призабойный отсек и устранить неполадку.

2.1.5. Преимущества и недостатки метода щитовой проходки

При сравнении метода щитовой проходки с традиционными методами строительства туннелей метро, первый обладает такими преимуществами как малая площадь проведения работ над землей, низкий уровень влияния на окружающую среду, высокий уровень автоматизации, безопасность, экологичность и т. д. Сталкиваясь с задачами строительства туннелей больших диаметров, на длинных дистанциях и больших глубинах, метод щитовой проходки развивался и созревал, постепенно приобретая все большее доверие и количество сторонников; на сегодняшний день он становится основным методом туннельного метростроительства.

Метод щитовой проходки имеет следующие основные преимущества:

1) Высокая скорость. Щит является особым комплексным специализированным оборудованием для туннелестроительных работ, объединяющим в себе механические, электрические, гидравлические, сенсорные и информационные технологии. При щитопроходном методе экскавация земляных пластов, транспортировка грунта, установка обделки, спайка водонепроницаемых швов, заполнение хвостового зазора цементной суспензией и прочие работы проходят под защитой конструкции щита. При таком промышленном масштабе проведения работ, скорость экскавации сравнительно высока.

2) Высокое качество. В щитовом методе применяется тюбинговая обделка, это легко контролируемое качество конструкции и эстетичный внешний вид.

3) Высокая эффективность. Скорость работ щитовым методом сравнительно высокая; так как сроки работ легко контролируемы, ощутимо повышается экономический и социально-инфраструктурный коэффициент полезности; при этом требуется малое количество персонала при низкой трудозатратности.

4) Высокий уровень безопасности. С применением щитового метода улучшились условия персонала, выполняющего работы в шахте. Проведение работ внутри корпуса щита позволяет избежать травм и снизить количество чрезвычайных происшествий.

5) Высокая экологичность. Малая площадь наземной рабочей площадки, сокрытая от глаз рабочая зона, малое шумовое и вибрационное воздействие на окружающую среду, прохождение наземных комплексных сооружений и зон, насыщенных подземными трубопроводными и кабельными коммуникациями, без нарушающего воздействия на окружающую инфраструктуру.

6) Стоимость и технологическая сложность работ в основном не зависит от глубины строительства, т.о. данная технология подходит для строительства туннелей на большой глубине. Сравнивая щитовой метод с открытым котлованным методом, с экономической и временной точки зрения, чем глубже шахта, чем хуже фундамент, чем больше коммуникаций и сооружений, создающих помеху для подземных работ, тем выгоднее применение щитового метода.

7) Проходя под реками или морями, туннелепроходные работы не влияют на судоходный фарватер; климатические условия также не создают никаких помех для строительства.

8) Высокий уровень автоматизации и информатизации. В щите применяются технологии компьютерного управления, лазерной навигации, опережающего геологического зондирования, сенсорные, измерительные и информационные технологии. Щит – это комплексное оборудование для производства туннелестроительных работ, объединяющее в себе сборочные, оптические, электрические, пневматические, гидравлические и информационные технологии, тем самым достигается преимущество высокой степени автоматизации. В нем также применяются такие возможности, как функция сбора данных о ходе работ, функция управления положением в пространстве, функция управления данными о ходе работ, функция передачи данных о ходе работ в реальном времени, тем самым достигается высокая степень информатизации работ.

Метод щитовой проходки обладает следующими недостатками:

1) Стоимость оборудования достаточно высокая, значит, подходит не для всех проектов.

2) Щит сложно приспособить к условиям с изменением проходного сечения.

3) Сложно производить экскавацию при работах в условиях малого радиуса закругления (≤ 80 м).

2.1.6. Область применения метода щитовой проходки

1) Относительно взаимодействия с теми или иными геологическими условиями и условиями окружающей среды существует множество различных способов туннельного строительства, однако, использование метода щитовой проходки при строительстве подземных туннелей все же обладает своими уникальными особенностями.

XXI век – это век подземных пространств, а щит – это основной инструмент в подземном строительстве, он играет ключевую роль в процессе разработки подземных пространств, особенно в условиях плотной населенности и загруженной транспортной инфраструктуры больших городов. Метод щитовой проходки является неотъемлемой частью современного строительства, и с постоянным развитием технологии строительства подземных сооружений, подземных трубо-кабельных коммуникаций, подземного железнодорожного сообщения он также идет в ногу со временем.

За последние полвека щитопроходный метод получил стремительный рост. Начав свой путь с ручной экскавации сжатым воздухом, он развился до современных, разнообразных щитов с гидро- и грунтопригрузом, с возможностью работать на больших диаметрах, на проектах высокой сложности, на высоких скоростях, с применением «умных» технологий и получил широкое применение в различных передовых областях. Можно сказать, метод щитовой проходки подходит для всех типов экскавационных туннелестроительных работ в условиях мягких грунтовых пластов и мягких горных пород.

Существует много видов туннельного строительства. На стадиях изыскания, планирования и проектирования, при выборе способа проведения работ необходимо исходить из принципов применяемости, экономичности, безопасности, качества и краткосрочности каждого способа для конкретных геологических условий и условий окружающей среды и проводить полное обоснование и сравнительный анализ. Применимость метода щитовой проходки для геологических условий и условий окружающей среды приведена в таблице 2-1.

2) Область применения щитов большого диаметра

Щиты диаметром более 10 м применяются в основном при строительстве подводных автомагистральных туннелей. Так, в Японии в 1998 году при строительстве автомагистрали через Токийский залив, использовались 8 щитовых установок с гидропригрузом диаметром 14.14 м; в немецком городе Гамбург четвертый автомобильный туннель на реке Эльба был построен с использованием щита с гидропригрузом от компании «Herrenknecht» диаметром 14.2 м; высокоскоростной железнодорожный туннель «Green Heart Tunnel», проходящий через район Green Heart в Нидерландах, построен французской компанией NFM с применением щита диаметром 14.87 м; в строительстве туннеля через реку Чонгминг в Шанхае использовался немецкий щит производства фирмы «Herrenknecht» с грунтопригрузом диаметром 15 м и длиной 44 м; два щитопроходных комплекта диаметром 11 м и длиной 38 м были использованы при строительстве автомагистрального туннеля в г. Ухань на реке Янцзы; туннель Shiziyang пассажирской железнодорожной магистрали, соединяющей Шеньчжень и Гонконг, был построен с применением четырех установок с гидропригрузом диаметром 11.18 м; при строительстве пересекающей ветки метро в Пекине применялся щит диаметром 11.97 м.

Таблица 2-1. Применимость метода щитовой проходки для геологических условий и условий окружающей среды

Щиты больших диаметров также могут применяться для строительства подземных станций метро. Щитопроходный метод хорошо подходит для строительства трехсводчатых станций метро. Так, в Москве с помощью щита диаметром 9 ~ 10 м были построены три параллельных станционных туннеля и проходы между центральным и боковыми туннелями, формирующие трехсводчатую станцию (рис. 2-5). В Японии с помощью щита построили две параллельные туннельные линии станций метро и проходы между ними, формируя биноклеобразную форму станций.

Рис. 2-5. Трехсводчатая станция метро щитопроходным методом

Применение щитового метода в водонасыщенных мягких слоях для строительства станций метро является более затратным по сравнению с методом строительства сплошных стен, поэтому в данных случаях щитопроходная технология применяется только в случае отсутствия возможности рытья котлована на поверхности земли. При этом, в благоприятных геологических условиях, таких как московская кембрийская глинистая почва и т. п., щитопроходный метод при строительстве глубоко пролегающих станций метро будет иметь преимущество.

3) Область применения щитов среднего диаметра

Щиты среднего диаметра 6.25 ~ 7 м применяются для строительства межзонных туннельных переходов подземных железнодорожных путей.

4) Область применения щитов малого диаметра

Щиты малого диаметра около 3 м используются в строительстве комплексных трубопроводов для отвода воды, канализации, прокладки кабелей, линий связи и других коммунальных сооружений. Так, для строительства газопровода «Запад-Восток», проходящего через реку Янцзы в районе Ченлинцзи, была применена щитопроходная установка с гидропригрузом диаметром 3.24 м.

2.2. РАЗВИТИЕ МЕТОДА ЩИТОВОЙ ПРОХОДКИ В КИТАЕ И ЗА ЕГО ПРЕДЕЛАМИ

В конце XVIII века британцы предложили идею строительства туннеля, пересекающего реку Темзу под Лондоном, и устроили обсуждение конкретных методов проведения раскопок, использования техники и т. д. В 1798 году была предпринята попытка воплощения этой идеи, но, вследствие того, что не удалось вырыть котлован на определенную глубину, план потерпел неудачу. Однако идея построить туннель через Темзу крепла день ото дня. Четыре года спустя Тревитик (Torevix) решил построить туннель, соединяющий две стороны пролива в другом месте, и развернул строительные работы. Однако работы не увенчались успехом: когда оставалось прокопать последние 30 м, забой стремительно заполнился водой, и туннель был затоплен, – идея туннеля под Темзой снова провалилась. Проектные работы продолжались пять лет с момента начала и до их вынужденного прекращения. За 10 лет после рождения плана пересечь Темзу существенного прогресса достигнуто не было.

В 1818 году Марк Брюнель увидел, как корабельные черви разъедают днище деревянного корабля, образуя отверстия, и на него снизошло озарение. Основываясь на этом, он выдвинул метод щитовой проходки и получил на него патент. Так появился прототип так называемого щита «открытого типа» с ручным способом копания. Брюнель был уверен в своем методе строительства и в 1823 году представил план еще одного туннеля между обоими берегами Темзы в Лондоне. Впоследствии этот план был утвержден Конгрессом, и в 1825 году проект стартовал. Общая протяженность туннеля составляла почти 458 м, а ширина туннеля – 11.4 м × 6.8 м. На начальном этапе проект продвигался гладко; 12 января 1828 года произошло первое затопление и остановка работ, тогда один из директоров компании лондонского метрополитена (Callodam ) выдвинул Брюнелю предложение использовать сжатый воздух в строительстве, однако оно не получило одобрения Брюнеля.

После вынужденной остановки проекта Брюнель не потерял надежду; он учел уроки поражений и в течение 7 лет продолжал совершенствовать конструкцию щита. В 1834 году работы возобновились, и в 1841 году шахта туннеля достигла другого берега, а в 1843-м работы были окончательно завершены, и туннель был сдан в эксплуатацию. В ходе работ Брюнель использовал прямоугольную чугунную каркасную конструкцию щита. С того момента, как Брюнель принял вызов, и до полного завершения проекта прошло более 20 лет. После многих лет упорной работы Брюнель преодолел многочисленные трудности и наконец одержал окончательную победу. На тот момент он уже был 72-летним стариком. Вклад Брюнеля в создание метода щитовой проходки оказался огромным, в этом единодушны все последующие поколения.

2.2.1. Развитие метода щитовой проходки в мире

С момента создания прямоугольного щита Брюнелем прошло еще 23 года усовершенствований, и в 1869 году был построен второй туннель под Темзой. Впервые использовалась круглая форма сечения, диаметр туннеля составил 2.18 м, а длина 402 м. Руководили этим проектом двое ученых – Барлоу и Грейтхед. Грейтхед применил новые разработки круглого щита с использованием чугунных веерообразных сегментов, и проходческие работы были успешно завершены без каких-либо происшествий. Впоследствии при строительстве Южно-лондонского железнодорожного туннеля в 1886 году, Грейтхед успешно объединил метод щитовой проходки и работы сжатым воздухом, это стало фундаментом для щитопроходной технологии в ее нынешнем виде. От первых неудач и разочарований Тревитика до изобретения Брюнелем щита с ручной экскавацией и последующего его усовершенствования и применения круглого щита Грейтхедом прошло долгих 80 лет. Применение сжатого воздуха в щитовой проходке ознаменовало собой крупный прогресс в прокладке туннелей в условиях напорных грунтовых вод, заполнило пробел в конструкции щитов и способствовало дальнейшему распространению щитопроходной технологии во всем мире.

С конца XIX века до середины XX века метод щитовой проходки последовательно проник в США, Францию, Германию, Японию, Советский Союз и другие страны, где получил развитие в разной степени. США первыми разработали щит закрытого типа в 1892 году; в том же году во Франции в Париже использовали бетонные кольцевые сегменты для строительства канализационного туннеля; в 1896–1899 годах Германия построила Берлинский туннель с использованием стальных тюбингов; а в 1913 году Германия построила под Эльбой туннель с сечением подковообразной формы; в 1917 году Япония применила метод щитовой проходки при строительстве Национальной железной дороги Хэцу, но из-за плохих геологических условий его пришлось приостановить; в 1931 году Советский Союз использовал английский щит при строительстве туннеля Московского метрополитена, в работах применялся метод химического бетонирования и застывания; в 1939 году Япония использовала круглый щит с ручной экскавацией для строительства туннеля Канмон диаметром 7 м; в 1948 году в Советском Союзе был построен туннель Ленинградского метрополитена; в 1957 году Япония применила щит закрытого типа для строительства туннеля токийского метро.

В период 60–80-х годов XX века метод щитовой проходки продолжил свое развитие, добившись значимых результатов. В 1960 году в Лондоне начали применять проходческую машину барабанного типа; в том же году в Нью-Йорке впервые были применены гидравлические домкраты для проходки щита; в 1967 году при строительстве туннеля Сайтама в Японии впервые использовался щит с гидропригрузом от компании «Мицубиси», в котором впервые была осуществлена технология нагнетания глинистой воды; в 1963 году японская компания «Satto Kogyo» представила щит с грунтопригрузом, и в 1974 году он был успешно применен в Токио, а в 1975 году был запущен щит с гидропригрузом. В 1978 году Япония представила разработку щита с гидропригрузом высокой концентрации; в 1981 году в Японии вышел в свет пузырьковый щит; в 1982 году Япония изобрела щитопроходный метод ECL (Extruded Concrete Lining – экструдированная бетонная обделка); в 1988 году там же был изобретен метод парнокольцевой проходки шламового типа; в 1989 году Япония представила разработку метода H&V и метода бетонирующей проходки. Таким образом, характерной особенностью данного периода стало изобретение множества новых типов щитовой проходки и широкое применение щитов с гидро- и грунтопригрузом.

После 1990 года технический прогресс метода щитовой проходки был чрезвычайно значительным и получил следующие характерные особенности:

1) Увеличение дистанции и диаметра проходки.

Туннель под Ла-Маншем (также известный как Евротуннель) между г. Дувр в Великобритании и г. Сангатт во Франции, соединивший две страны, состоит из двух однолинейных железнодорожных веток диаметром 7.6 м и одной вспомогательной ветки диаметром 4.8 м. В настоящее время является одним из трех крупнейших подводных туннелей в мире. Его строительство началось в декабре 1987 года, вспомогательный туннель был сдан 1 декабря 1990 года, северная ветка была завершена 22 мая 1991 года, а строительство южной ветки завершилось 28 июня 1991 года. Туннель под Ла-Маншем был завершен и сдан в эксплуатацию в июне 1993 года. Протяженность однополосной железнодорожной линии туннеля под проливом составила более 49 км, из которых 38 км составил участок, проходящий по морскому дну, а максимальная глубина туннеля составила 100 м. Туннель под Ла-Маншем был разделен на 12 строительных секций по всей линии; на французской стороне использовались пять щитопроходных установок с грунтопригрузом диаметром 8.8 м, а со стороны Великобритании использовали шесть сдвоенных проходческих машин.

При строительстве туннеля через Токийский залив в Японии были применены восемь щитопроходных установок диаметром 14.14 м, работы закончились в 1996 году, а в 1998 году туннель протяженностью 15.1 км был сдан в эксплуатацию.

При строительстве туннеля через пролив Сдоберт в Дании использовались четыре щита с грунтопригрузом диаметром 8.782 м, 18-километровый проект объединил берега пролива туннелем протяженностью 7.9 км и был успешно завершен в 1996 году.

Проект строительства четвертого туннеля через Эльбу в Германии был выполнен с применением одной шламовой щитопроходной установки диаметром 14.2 м и успешно завершен в 2003 году.

В 2004 году при прохождении туннеля Green Heart Tunnel в Нидерландах использовался щит с гидропригрузом диаметром 14.87 м.

2) Разнообразие видов сечения проходки.

Что касается формы поперечного сечения, появилось множество щитов самой разной формы поперечного сечения, таких как: прямоугольные, прямоугольновидные, подковообразные, эллиптические и многокруглые (двухкруглые, трехкруглые). С функциональной стороны использования появились такие виды как: сферические щиты, материнские щиты (MSShield), расширяющиеся щиты, щиты переменного диаметра, разнонаправленные щиты (H&V), щиты с заменяющимися резцами в процессе проходки (бескотлованные), щиты напрямую удаляющие препятствия на пути и другие особые щиты; со стороны способа экскавации появились такие, как щиты со встряхивающей и качающей экскавацией, оставившие традиционные методы вращательной экскавации в прошлом.

3) Свобода проведения работ.

В щитопроходных комплексах появилось такое оборудование, как автоматические установки подачи, перемещения и монтажа тюбингов; системы автоматического контроля направления движения и местоположения во время проходки; системы управления автоматизацией и информатизацией, а также системы определения неполадок.

2.2.2. История развития щитопроходной технологии в Китае

1) Начальный этап развития щитопроходной технологии в Китае

В 1953 году для строительства северо-восточной угольной шахты Фусинь использовали щит с ручной экскавацией диаметром 2.6 м и предварительно изготовленные небольшие бетонные блоки для формирования стоков дренажных вод. Этот туннель стал первым в Китае, построенным с помощью метода щитовой проходки. В 1957 году при строительстве пекинского канализационного туннеля применили щит диаметром 2.6 м.

2) Прогресс и развитие технологии щитовой проходки в 60–70-е годы XX века

В 1962 году компания туннельных работ Управления городского строительства г. Шанхай провела систематические испытания щитопроходной установки в условиях шанхайских мягких грунтовых слоев. Для этого был изготовлен простой щит открытого типа с ручной экскавацией диаметром 4.16 м. Испытания проводились на двух показательных видах пластов. Для стабилизации алевритных и мягких глинистых пластов использовали водное осаждение и воздушную компрессию. После проведения многократных процедур обоснования и наземных испытаний, в качестве облицовки туннеля были выбраны однослойные железобетонные тюбинги, соединенные между собой болтами, а в качестве гидроизоляционного материала швов использовалась каменноугольная эпоксидная смола. Длина туннеля составила 68 м, испытания прошли успешно, было собрано большое количество полезных данных о туннельном строительстве щитопроходным методом.

В мае 1966 года был построен первый подводный автомобильный туннель в Китае – главный туннель трансазиатского шоссе Шанхай – Дапу, в котором был применен сетевой экструзионный щит диаметром 10.22 м. Стабилизация забоя осуществлялась с помощью воздушной компрессии. Туннель проходил по дну реки Хуанпу на глубине 16 м, а общая протяженность экскавации составила 1322 м. Автомагистральный туннель Дапу был завершен и открыт для движения в конце 1970 года. Используемый на этот раз сетевой щит был улучшен, и открытая конструкция теперь могла преобразовываться в конструкцию закрытого типа.

В 1973 году при строительстве одного туннеля для отвода сточных вод и двух водоприемных туннелей на Шанхайском нефтехимическом заводе в Цзиньшане использовалась одна сетевая щитопроходная машина с гидравлической механикой вывода земли диаметром 3.6 м и два экструзионных сетевых щита диаметром 4.3 м. В общей сложности протяженность проходки подводного туннеля составила 3926 м. Так впервые была применена технология строительства водозаборных и дренажных туннелей с использованием вертикальных домкратов.

3) Прогресс и развитие технологии щитовой проходки в 80-х годах XX века

В 1980 году в Шанхае был построен испытательный участок первой линии метро, был разработан и изготовлен щит экструзионного сетевого типа диаметром 6412 м, в котором применялась технология гидропригруза и частичного воздушного пригруза. Туннель был проложен в глинисто-илистых пластах, и его протяженность сотавила 1130 м. В 1982 году при строительстве 1476-метровой главной кольцевой северной линии проекта Yan’an East Road – North Line в прибрежном районе Вайтань в Шанхае был спроектирован компанией «Shanghai Tunnel Co., Ltd» и изготовлен на Цзяннаньском судостроительном заводе сетевой экструзионный щит с гидравлическим способом отведения земли диаметром 11.3 м.

В 1985 году в рамках проекта по строительству дренажного туннеля Shanghai Furongjiang Road был представлен щит с грунтопригрузом и малоразмерным резцовой головкой производства японской компании «Kawasaki Heavy Industries», диаметр которого составил 4.33 м. Длина экскавации составила 1500 м, выполнялась она механизированным способом, а выведение грунта осуществлялось с помощью шнекового механизма, что увеличивало эффективность работы, уменьшало негативное влияние на поверхность земли и имело ряд прочих особенностей.

В 1986 году Китайская корпорация железнодорожных туннелей разработала и выпустила полусекционный щит с резцовой головкой вилочного типа, который успешно использовался при строительстве поворотной линии Фусинмэнь пекинского метро.

В 1987 году компания «Shanghai Tunnel Co., Ltd» успешно разработала и выпустила первый в стране щит с грунтопригрузом шламокомпрессионного типа диаметром 4.35 м, который использовался в строительстве кабельного туннеля через реку на железнодорожной станции Шинань. Туннель прошел через алевритный слой дна реки Хуанпу, длина экскавации составила 583 м. Такое технологическое достижение для 80-х годов стало прецедентом международного уровня, и проект получил главную награду Национальной премии за научно-технический прогресс в 1990 году.

4) Прогресс и развитие технологии щитовой проходки в 90-х годах XX века.

В 1990 году началось строительство главной линии Шанхайского метрополитена и для строительства 18-километрового туннельного отрезка ветки № 1 использовались семь щитопроходных комплексов с грунтопригрузом диаметром 6.34 м, спроектированных компанией «Shanghai Tunnel Co., Ltd» и Шанхайским институтом туннельного проектирования совместно с французской компанией FCB и произведенных Шанхайским судостроительным заводом. Длина проходки каждого щита составила более 200 м в месяц, а просадка поверхности контролировалась на уровне +1 ~ –3 см.

В 1996 году при строительстве ветки № 2 Шанхайского метрополитена снова использовались эти семь щитопроходных комплексов с грунтопригрузом, также французской компанией FMT были предоставлены два щита с грунтопригрузом; протяженность экскавации данного участка туннеля составила 24 км. Компания «Shanghai Tunnel Co., Ltd» также самостоятельно спроектировала и изготовила десятый щит для проходки данной ветки.

В 90-е годы XX века компания «Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd» самостоятельно разработала и изготовила шесть щитопроходных установок с грунтопригрузом, диаметрами от 3.8 м до 6.34 м, которые использовались для строительства туннелей метро, водозаборных и дренажных туннелей, кабельных туннелей и т. д. Общая протяженность проходческих работ составила около 10 км.

Также в период 90-х годов в ходе трубоукладочных работ использовались грунтопригрузные трубопротяжные машины диаметром от 1.5 м до 3.0 м с малой и большой резцовыми головками. В районах Шанхая было использовано более 10 установок, а длина протяжки труб составила около 20 км. В 1998 году в рамках проекта строительства туристического туннеля через реку Хуанпу был куплен подержанный иностранный щитопроходный комплекс шарнирного типа с грунтопригрузом, диаметр которого составлял 7.65 м. После реставрации машина показала хорошие рабочие характеристики и успешно произвела проходку на дистанцию 644 м.

В 1996 году для строительства южной ветки 1300-метрового кольцевого главного туннеля проекта «Шанхай – Яньань ист-роуд» была использована щитопроходная установка с гидропригрузом диаметром 11.22 м, импортированная из Японии.

В 1996 году участок туннеля ветки № 1 метрополитена Гуанчжоу длиной 8.8 км был построен компанией «Japan Aoki Company» с использованием двух установок с гидропригрузом диаметром 6.14 м и одной установки с грунтопригрузом такого же диаметра. В мае 1999 года компания «Shanghai Tunnel Co., Ltd» успешно разработала и выпустила первую в стране комбинированную трубопротяжную проходческую установку с грунтопригрузом, которая обладала резцовой головкой квадратной формы размером 3.8 м × 3.8 м и использовалась для прохождения 120 м туннеля при строительстве станции метро Pudong Lujiazui и двух пешеходных переходов.

В феврале 2000 года при строительстве второй ветки метрополитена Гуанчжоу от площади Хайчжу до района Цзяннань Синьцунь применялись два щитопроходных комплекса комбинированного типа с грунтопригрузом диаметром 6.14 м, модифицированных компанией «Shanghai Tunnel Co., Ltd», которые осуществили проходку через слои выветренной горной породы дня реки Чжуцзян.

В 2001 году при строительстве ветки № 2 метрополитена г. Гуанчжоу, ветки № 1 метрополитена г. Нанкин, ветки № 1 метрополитена г. Шэньчжэнь, ветки № 5 метрополитена г. Пекин и ветки № 1 метрополитена г. Тяньцзинь, применялись 14 единиц щитопроходных установок с грунтопригрузом и комбинированных установок из Германии и Японии, диаметр которых составлял от 6.14 до 6.39 м, с помощью которых была осуществлена проходка длиной в 50 км.

В 2003 году при строительстве ветки № 8 Шанхайского метрополитена впервые была применена технология туннеля в форме сдвоенного кольца. При этом применялись два щитопроходных комплекса с грунтопригрузом и формой сдвоенной окружности ø 6520 × W11120, которые были доставлены из Японии. Протяженность отрезка от станции Huangxing Road до станции Kailu Road составила 2.6 км.

В 2004 году в рамках проекта Shanghai Shangzhong Road при строительстве туннеля, проходящего через реку, был использован щит с гидропригрузом большого диаметра 14.87 м, с помощью которого удалось проложить два туннеля вдоль реки Хуанпу. Конструкция туннеля вместила две 4-полосные автомагистрали.

Щитовые туннели стали основным методом строительства городских туннелей метро в Китае. К примеру, ветка № 1 метро г. Гуанчжоу была построена с использованием 2 щитов с гидропригрузом и 1 щита с грунтопригрузом; ветка № 2 – с использованием 6 щитов с грунтопригрузом; ветка № 3 – с использованием 13 щитов с грунтопригрузом и 2 установок с гидропригрузом; ветка № 4 – с использованием 10 щитов с грунтопригрузом; ветка № 5 – с использованием 24 щитов с грунтопригрузом и 2 щитов с гидропригрузом; ветка № 6 – с использованием 14 щитов с грунтопригрузом и 1 установки с гидропригрузом; особо длинные участки веток № 2 и № 8 были построены с помощью 8 щитов с грунтопригрузом и 2 щитов с гидропригрузом; северный отрезок ветки № 2 – с использованием 12 щитов с грунтопригрузом и 2 щитов с гидропригрузом; туристическая обзорная ветка была построена с помощью 6 щитов с грунтопригрузом; ветка Гуанфо – с использованием 12 щитов с грунтопригрузом и 2 щитов с гидропригрузом.

В 2005 году началось строительство ветки № 1 метрополитена г. Ченду, ветки № 2 метрополитена г. Сиань, ветки № 1 метрополитена г. Шэньян, ветки № 1 метрополитена г. Ханчжоу и других туннелестроительных объектов, в которых также использовался метод щитовой проходки. Вскоре после этого развернулось строительство метрополитенов в городах Ухань, Чунцин и Сучжоу.

Шанхайский автомобильный туннель Сянинь был построен в 2006 году с использованием щита с гидропригрузом диаметра 11.58 м.

Строительство автомагистрального туннеля через реку Янцзы началось в 2004 году, в 2006 году щит был погружен в шахту, и уже к 2008 году строительство было завершено. В проекте применялись два щита с гидропригрузом диаметром 11.38 м.

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.

3) Проходческий щит MF (проходческий щит с несколькими рабочими частями)

Состоит из нескольких совмещенных частей кругового сечения соединенных вместе, способен создать несколько круговых сечений (рис. 2-11). Эффективная площадь нескольких круговых сечений будет больше в сравнении с разработанной площадью одиночного сечения, что делает данный тип экономически целесообразным. Два и более круглых сечения различного диаметра складываются по определенным принципам и обеспечивают желаемую форму сечения туннеля. При планировании линии туннеля существует большое разнообразие в выборе его формы. Например, в условиях ограниченного сверху и снизу пространства можно выбрать сложенный поперек тип, как показано на рис. 2-12. Проходческий щит MF подходит для разработки станций метро, коммуникационных туннелей, подземных автостоянок и других туннелей с масштабными сечениями.

Рис. 2-11. Проходческий щит MF

Рис. 2-12. Схематическое изображение практического применения проходческого щита MF

Важные преимущества проходческого щита MF:

1. Основное конструктивное исполнение всех строящихся туннелей по-прежнему – круглое, поэтому механическая особенность кругового сечения была сохранена. Упомянутый туннель формируется несколькими независимыми, контролируемыми мелкими круглыми секциями, соединенными между собой. Коэффициент использования малого сечения при разработке выше. Кроме того, исходя из различных геологических условий, производится управление процессом углубления грунта.

2. При планировании линии туннеля доступна большая гибкость при выборе формы его сечения. Например, по мере необходимости можно выбрать горизонтальный или вертикальный проходческий щит MF.

3. Для проведения работ может быть выбран проходческий щит с гидропригрузом или грунтопригрузом.

4. При регулировке скорости и направления вращения каждой из фрез противодействующая сила, действующая на корпус проходческого щита, стабилизирует его положение во время работы, легко исправляя ошибочный уклон.

4) Горизонтально-вертикальный проходческий щит (проходческий щит H&V)

Так называемый проходческий щит H&V ( полное название на английском языке – горизонтальное и вертикальное изменение) представляет собой несколько круглых сечений, которые по мере необходимости комбинируются между собой. Благодаря разработке многочисленных форм сечения туннелей, является особым методом строительства. Проходческий щит H&V можно использовать в строительных работах, как показано на рис. 2-13, спиральный и бифуркационный типы могут одновременно прорывать несколько линий туннелей. Данный способ применения проходческого щита используется в соответствии с условиями строительства и целями применения туннеля, с его помощью, из-за свободного прохождения в толще грунта, можно изменять форму сечения туннеля и его направление. Основной принцип устройства – применение шарнирного соединения вилочного типа, изменяющего направление движения механизма. Механизм позволяет передней части тела проходческого щита самостоятельно вращаться в противоположном направлении. Применение данного вида шарнирного соединения позволяет проходческому щиту создавать крутящий момент, позволяя достигнуть спирального движения вперед.

Проходческий щит H&V имеет следующие преимущества:

1. Специальное шарнирное сочленение изменяет направление механизма, что облегчает контроль над положением и направлением проходческого щита. Приводной механизм и механизм разработки туннеля являются автономными, что позволяет при разном качестве грунта раздельно управлять процессом забоя. Для проведения работ может быть выбран проходческий щит с гидропригрузом или грунтопригрузом.

2. В туннеле под землей можно свободно передвигаться и менять траекторию движения. Благодаря отсутствию необходимости сооружать рабочую шахту, сокращается срок работ и снижается себестоимость.

3. Исходя из необходимости выбора формы сечения, сохранены прекрасные механические свойства проходческого щита моносечения.

Рис. 2-13. Схема устройства проходческого щита H&V

4. При формировании сечения линии туннеля можно не принимать во внимание окружающие препятствия.

5) Сферический проходческий щит

Данный метод использует сферический проходческий щит для ведения строительных работ, как показано на рис. 2-14. Особенностью данного проходческого щита является самовращение сферического тела. Сферическое тело спрятано внутри впереди идущей основной части проходческого щита, внутри сферического тела спроектирован еще один дополнительный проходческий щит. После того, как основной проходческий щит завершает первичные работы по расчищению грунта, вращение сферы изменяет направление туннеля, таким образом осуществляя последующий этап его разработки. Сферический проходческий щит подразделяется на непрерывно движущийся в двух плоскостях сферический проходческий щит (рис. 2-15) и на непрерывно горизонтально движущийся на дальние расстояния сферический проходческий щит (рис. 2-16).

Рис. 2-14. Сферический проходческий щит

Рис. 2-15. Непрерывно движущийся в двух плоскостях сферический проходческий щит

Рассмотрим в краткие основные преимущества данного типа на примере продольно-поперечного сферического проходческого щита:

1. Из-за вертикального расположения рабочей шахты и горизонтального типа проходческого щита, туннель непрерывно разрабатывается дальше. Причина выбора такого типа щита – отсутствие необходимости обдумывать такие технические проблемы как придание жесткости грунту во время погружения и извлечения проходческого щита, утечка воды. При таком методе многократно увеличивается глубина рабочей шахты, повышается безопасность и темпы строительства. Данный тип щита оказывает значительное влияние на сокращение сроков строительства. 2. Влияние вертикально расположенной рабочей шахты на окружающую среду и проседание грунта меньше, по сравнению со стандартным методом проведения строительных работ.

Рис. 2-16. Непрерывно горизонтально движущийся на дальние расстояния сферический проходческий щит

3. Внутреннее пространство и толщина стенок вертикально расположенной рабочей шахты уменьшены, что позволяет сэкономить на ее строительных затратах. 4. Удобный ремонт и замена фрез в процессе разработки туннелей, подходят для сооружения протяженных туннелей. 6) Проходческий щит DOT Бициклический проходческий щит (Double-O-Tube-Metod, сокращенно DOT) относится к одной из разновидностей инженерно-технического метода MF, показан на рис. 2-17. В отличие от метода MF, при данном методе для шламового проходческого щита применяются фрезы в форме спиц. Зубчатое колесо, на котором расположены две фрезы в одной плоскости, образуют проходческий щит для строительства туннелей при помощи бициклического метода. Находящиеся рядом фрезы не соприкасаются и не препятствуют друг другу в проведении работ, каждая из фрез вращается в противоположную сторону, таким образом, осуществляется синхронный контроль.

Рис. 2-17. Бициклический проходческий щит

Площадь выемки бициклического проходческого щита небольшая, поэтому глубина и ширина шахты могут быть уменьшены в процессе строительных работ. Сечения туннеля получаются разнообразными, круговые сечения могут выполняться слева, справа, сверху и снизу в соответствии с окружающими условиями и инженерными требованиями.

7) Проходческий щит с локальным расширением пространства

Данный проходческий щит изображен на рис. 2-18. Проходческий щит с локальным расширением пространства способен провести производственные работы по локальному расширению сечения туннеля в любой его точке. Основные этапы строительного процесса включают нижеследующее:

1. Строительные работы на обычном участке. Вначале проводятся работы, характерные для сооружения туннеля, затем на участке, нуждающемся в расширении, устанавливают специальный тюбинг, между обычным и специальным тюбингами устанавливается направляющее кольцо.

2. Сооружение противодействующих опор для проходческого щита с локальным расширением пространства. Демонтаж ранее сооруженной нижней секторальной отделки блоками на особом участке. После установки ограждающей конструкции приступают к извлечению грунта. При необходимости можно прибегать к укреплению грунта на особом участке. При проходке щита заливаются противодействующие опоры.

3. Создание противодействующей несущей плиты для проходческого щита с локальным расширением пространства. При расширении значительных площадей в тюбинг направляющего кольца устанавливается круглый проходческий щит, который по мере проходки укрупняет тюбинг, в конце концов создавая противодействующую несущую плиту для проходческого щита (исходное основание).

Рис. 2-18. Основные принципы проходческого щита с компрессионным сжатием грунта

4. Установка и проходка для проходческого щита с локальным расширением пространства. На исходном основании устанавливают проходческий щит с локальным расширением пространства, затем проводят значительную выемку грунта для расширения туннеля. Метод позволяет частично расширить туннель в любом месте и на любую длину в зависимости от применения, форма частично расширенного участка остается круглой, поэтому его механические свойства сохраняют лучшие характеристики круглого сечения. Доступно всестороннее нецентральное расширение участков в разных направлениях: сверху, снизу, справа, слева. Если сравнивать данный способ расширения участков со способом открытого котлована или другими, он позволяет в относительной степени снизить затраты и ускорить процесс строительства. Нет необходимости в создании строительной площадки и рабочего колодца, поэтому давление на окружающую среду является минимальным.

2. 4. РИСКИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИНЖЕНЕРНЫХ РАБОТ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА

2.4.1. Краткий обзор несчастных случаев при проведении инженерных работ с помощью проходческого щита

Щитовая проходка является одним из самых передовых методов строительства подземных туннелей. С тех пор, как в 1825 году в Великобритании под рекой Темзой Марком Брюнелем был прорыт с помощью неавтоматического проходческого щита прямоугольного сечения первый туннель, по состоянию на 2018 год история применения и развития проходческих щитов насчитывает 193 года. В настоящее время метод щитовой проходки может применяться при строительстве практически в любых гидрогеологических условиях, в мягких или твердых грунтах, при содержании или отсутствии грунтовых вод в почвах, и даже в карстовых образованиях. Обычно в таких случаях допустимо применение проходческих щитов при проведении подземных работ (в особых случаях необходимо применение сопутствующих методов).

Для прокладки первого в мире туннеля с помощью щита, разработанного Брюнелем, потребовалось 18 лет (1825–1843 гг.), длина туннеля составила всего 458 м, при этом во время его строительства произошло пять крупных прорывов воды, во время которых погибло шесть человек. В настоящее время технология строительства туннелей с помощью щитов непрерывно развивается во многих странах мира, но при ее продвижении и применении произошел ряд производственных аварий, которые не только повлияли на график реализации проекта, но и привели к большим экономическим потерям и ненужным жертвам.

Щиты – это специальное оборудование, изготовленное «на заказ» с учетом конкретных особенностей, таких как инженерная геология, гидрогеология, геоморфология, поверхностные сооружения и подземные трубопроводы и сооружения. Данное оборудование является специализированным и отличается от обычного. Ключевыми характеристиками является не только электротехнический дизайн, но и адаптация к различным типам инженерной геологии, почвы являются основой туннельных работ с помощью проходческого щита. Успех строительства с помощью щита зависит в первую очередь от выбора типа щита и уровня квалификации персонала. Правильный выбор типа щита – залог успеха строительства, уровень квалификации персонала – источник успеха строительства.

В 1996 году во время строительства первой ветки метро Гуанчжоу произошло значительное оседание грунта и образование глинистой корки из-за низкой скорости и продвижения, а также сильного истирания фрез, неадаптированость щита к работе в выветрившихся породах привела к обрушению 3–4 зданий.

В 2000 году во время строительства тестового участка второй линии метро в Гуанчжоу пришлось заменить метод щитовой проходки. Из-за первоначально неразумного распределения фрез, фрезы выступали за орган рабочего щита, нарушая последовательность распределения, которое приводило к низкой скорости продвижения, вследствие недостаточного крутящего момента, а также к образованию глинистой корки.

20 ноября 2007 года в Нанкине при проведении работ на линии метро № 2 на участке ТАО4 между станциями Хэцунь и Юаньтун во время подхода проходческого щита к южной оконечности правой ветки, при заходе в шахту, на расстоянии двух метров от рабочего органа щита образовались четыре большие воронки с водой и песком, быстро увеличивающиеся в размерах. Персонал, работающий около входа в шахту, в срочном порядке эвакуировали. В результате был обрушен большой участок земли к югу от станции Юаньтун, зона продольного обрушения составила около 150 м, ширина зоны обрушения – около 20 м, максимальная глубина обрушения – около 6 м, щит остался в обрушенной почве.

6 мая 2011 года на участке между станциями Цзянгодао и Тяньцзинь второй линии метро в Тяньцзине шнековый механизм левой линии был выведен из строя скоплением цемента, на который наткнулся. Когда смотровое отверстие было открыто для проверки, из щели шнекового механизма хлынул поток воды с песком, что привело к обрушению грунта. Результатом явилась локальная деформация и растрескивание листов тюбингов обеих линий, оба проходческих щита были завалены грунтом. С обеих сторон участка Цзяньтянь строительные работы были возобновлены с изменением направления прокладки туннеля, обошлось без человеческих жертв.

Примерно в 23:00 1 января 2015 года в Ухане на 19-м участке третьей линии метро между станциями Шимин чжицзя и Лунту дадао щит продвигался к кольцу 1122 на левой ветке, детектор газов щита подал сигнал о наличии ядовитых газов. После того, как руководитель строительных работ с помощью переносного детектора подтвердил наличие ядовитого газа, руководителями была организована полная эвакуация людей из туннеля. После этого руководитель строительных работ и оператор проходческого щита повторно зашли в туннель с целью выявления дополнительных скрытых угроз. 1 января в 2.20 утра в туннеле прогремел взрыв, в результате которого погибли два человека.

12 февраля 2017 года в Сямыне во время проведения работ на второй линии в районе Хайдун в компрессионной камере понизилось давление и произошло возгорание щита. Троих пострадавших во время инцидента доставили в госпиталь, спасти их не удалось.

7 февраля 2018 года при строительстве первой очереди на 2 линии метро в городе Фошань на одном из участков между станциями Людаоху и Хуюн на правой линии произошел прорыв воды, что вызвало обрушение туннеля и дорожного покрытия, в результате чего 12 человек погибли и 8 получили ранения.

Подводя итоги, заметим, что несчастные случаи при строительстве с помощью проходческого щита происходят постоянно, поэтому необходимо провести анализ рисков работ, проводимых с помощью проходческих щитов. После проведения анализа необходимо разработать меры по предотвращению и контролю рисков при строительстве.

2.4.2. Классификация рисков при строительстве с помощью проходческих щитов

При анализе рисков строительства с помощью проходческого щита принимаются во внимание «сложность геологии», «приспособляемость проходческого щита», «ограниченные знания кадров», иррациональность методов и мер и другие составляющие. Слабые звенья становятся часто причиной несчастных случаев. Поэтому риски при строительстве щитов делятся на три основные категории: геологические риски, риски, связанные с оборудованием и антропогенные риски.

Причины основных рисков, влияющих на строительство с помощью проходческого щита:

(1) Геологические риски – 40%. Подробная геогидрологическая информация является определяющим фактором успеха строительного проекта. С помощью геогидрологической информации определяется целесообразность использования щита, выбор типа щита, его основные характеристики, выбор вспомогательного строительного оборудования и разработка планов действий в чрезвычайных ситуациях.

(2) Риски, связанные с оборудованием, – 30%. Ключевым фактором успеха строительства с использованием проходческого щита является специализирующийся на производстве щитов поставщик, обладающий передовыми технологиями, значительным опытом и надежностью продукции. Щиты требуют профессионального изготовления и обслуживания. Специализированное производство включает в себя передовые технологии и надежное качество. Только при условии использования передовых технологий в производстве, строительство может считаться наиболее безопасным, производительность высокой, что является решающими факторами при соблюдении сроков строительства. Профессиональный сервис включает в себя богатый опыт и специализированное обслуживание. Рискам при строительстве туннелей противостоит богатый опыт, поэтому производители проходческих щитов должны им обладать. Сервисное обслуживание подразумевает техническую поддержку и своевременную поставку запчастей.

(3) Антропогенные риски – 30%. Опытная, грамотно управляемая, профессиональная и эффективная строительная команда является основополагающим фактором успеха строительства методом щитовой проходки. Рискам при строительстве туннелей противостоит богатый опыт, поэтому главным требованием к команде строителей является обладание им. Сжатые сроки реализации проекта строительства с помощью щита требуют управления на научной основе, чтобы в полной мере использовать его эффективность, уменьшить затраты и получить максимальную пользу. Именно поэтому необходимо управление на научной основе. График этапов строительства распланирован очень плотно, эффективные передовые проходческие щиты требуют кадров соответствующего уровня. Кадры являются одним из основных факторов, гарантирующих безопасность, качество и соблюдение сроков строительства, поэтому требуется профессиональная и эффективная команда строителей.

1) Классифицируются три вида рисков при строительстве с помощью проходческих щитов:

(1) Геологические риски.

Основные геологические риски при строительстве с помощью проходческих щитов следующие:

1) Композитные пласты (в основном распространены в Гуанчжоу, Шэньчжэне, Нанкине и т. д.).

2) Богатые водой зоны разломов и дробления (в основном распространены в Гуанчжоу и Нанкине).

3) Карстовые пещеры и земляные гроты (в основном распространены в северной части Гуанчжоу, Фошане, северной части Шэньчжэня и т. д.).

4) Крайне абразивные кремнистые и железистые обломочные породы; (в основном распространены в Гуанчжоу, Нанкине и других районах).

5) Пласты мелкого песка, содержащие водонапорные пласты (в основном распространены в Гуанчжоу, Фошане, Шанхае, Нанкине, Сучжоу, Ханчжоу и т. д.).

6) Почвы с содержанием угля и газа(в основном распространены в Гуанчжоу, западной и южной частях, Ханчжоу, Ухане и т. д.).

7) Сфероидальные, решетчатые или твердые породы с эрозией (в основном распространены в восточной части Гуанчжоу, Шэньчжэне, Нанкине и Пекине).

8) Песчано-гравийные пласты (в основном распространены в районах Шэньяна, Пекина, Чэнду, Наньнина, Наньчана, Сианя и Гуанчжоу).

9) Вязкие почвы и аргиллиты с глинистой коркой, чередование слоев песчаников и аргиллитов – рыхлая почва(в основном в Чунцине, Гуанчжоу, Шэньчжэне, Наньчане, Хэфэе и других районах).

(2) Риски, связанные с оборудованием.

Основные риски, связанные с оборудованием при строительстве с помощью проходческих щитов следующие:

1) Нерациональный выбор типа щита или его функциональные дефекты, в основном возникающие из-за ошибки в выборе типа. При неправильной конфигурации фрез и выборе их формы, остатки почвы застревают в установке, сразу же блокируют систему, под давлением просачиваются в тело щита.

2) Имеются повреждения коренного подшипника или герметизации.

3) Повреждения забойного органа щита (поломка, трещина, износ), износ фрез.

4) Повреждение коробки редуктора или системы зубчатой передачи.

(3) Антропогенные риски.

Основные антропогенные риски при строительстве с помощью проходческих щитов следующие:

1) Ограниченность сознания, проявляющаяся в невозможности всесторонне понять изменчивый характер почвы и рабочие характеристики щита.

2) Слабая организация строительства и низкое чувство ответственности.

3) Нерациональный проект строительных работ и проводимых мероприятий.

2) Из всего перечисленного можно выделить 11 основных рисков щитового строительства:

(1) Точность геологического исследования.

Точность геологического исследования особенно важна при строительстве туннелей с помощью проходческих щитов. Точное геологическое исследование строительного участка туннеля является решающим фактором при выборе типа щита. Горизонт почвенных вод, прочность горной породы при сжатии и физические свойства почвенного слоя определяют выбор типа и конфигурацию щита. В настоящее время при проведении геологоразведочных работ чаще всего через каждые 30 м производится наметка под отверстие, но в зависимости от требований интервал может быть сокращен до 10 м (геологические риски).

(2) Геологическая пригодность щита.

Геологическая пригодность щита оценивается экспертами до начала строительства, чтобы убедиться, что щит соответствует требованиям проекта. Выбирается тип щита с гидропригрузом или грунтопригрузом, конструкция рабочего органа щита и фрез, двигательная система, возможности маневрирования и т. д. Выбор типа щита является ключевым вопросом в строительстве с помощью проходческого щита (риски, связанные с оборудованием).

(3) Вход и выход проходческого щита.

Вход и выход щита является вопросом, требующим решения в первую очередь в процессе строительства. Входную область необходимо укрепить арматурой согласно требованиям проекта, после этого необходимо проверить результаты укрепления и его равность через скважину. Только после удовлетворения необходимых требований можно приступать к операциям с входом щита. При входе щита (достижении определенной точки ил приеме) процедура та же. Если же результаты укрепления не удовлетворительные, не стоит проводить операции по входу и выходу щита, это может провести к обрушению отверстия. Входное и выходное отверстия для щита должны быть усилены так, чтобы соответствовать проектным требованиям по прочности, ширине, длине и глубине. Контроль за положением щита также необходим для плавного входа и выхода щита (на первый взгляд – геологический риск, но на самом деле это антропогенный риск).

(4) Устойчивость забоя.

Важным показателем того, насколько хорошо построен туннель, является степень его воздействия на окружающую среду, и это особенно проявляется при прокладке туннелей в городских районах, где контроль за выемкой грунта в процессе строительства является ключевой технологией, влияющей на его качество. Если опорное давление слишком низкое, большое количество грунта забоя попадет в камеру давления, вызывая чрезмерное оседание грунта и даже его обрушение. Если опорное давление слишком высокое, оно легко вызовет поднятие поверхности, что негативно повлияет на сооружения в округе. В то же время среда в напорной камере подвержена колебаниям опорного давления из-за ранее существовавших стратиграфических условий, происходит дополнительное влияние на устойчивость забоя (геологический риск + антропогенный риск).

(5) Нарушение герметизации в хвостовой части щита.

Вероятность возникновения риска разрушения при нарушении герметизации в хвостовой части щита считается низкой, но если нарушение произойдет, то может иметь серьезные последствия, если своевременно не принять меры. Если глинистая вода проникнет в туннель через щель в уплотнении хвостовой части щита, произойдет сильная осадка грунта из-за вымывания. Если работы будут проводиться под рекой, произошедший обвал дна может повлиять на строительства всего туннеля. Поэтому, если такой риск возникает, необходимо принять эффективные контрмеры для его устранения. Если строительство ведется под водой, то при необходимости применяют метод замораживания для восстановления герметичности (риски, связанные с оборудованием).

(6) Проходка на твердых и слабых грунтах.

Крайне трудно контролировать расположение туннелепроходческого щита при выполнении работ в твердых и слабых грунтах, которые разнятся между собой по различным характеристикам. В соответствии с геологическими особенностями можно контролировать работу гидроцилиндра, в твердых участках добавить давление, в участках со слабым грунтом, наоборот, убавить.

(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.