Для решения вопроса с нестабильностью была разработана система управления динамическим балансом давления для повышения устойчивости сопряжения и эффективного предотвращения обрушения грунта; для решения проблемы с разрушением был разработан метод проектирования соответствия нагрузки для снижения воздействия нагрузки на оборудование; для исправления отклонения оси была разработана технология прогнозирования и коррекции положения щита для повышения точности оси туннеля.

В рамках разработки экспериментальной платформы был разработан ряд научно-исследовательских приборов и оборудования в области щитовых технологий с независимыми правами интеллектуальной собственности. Были созданы две государственные ключевые лаборатории в области передового производства щитовой техники, включая «Государственную лабораторию щитовой конструкции и туннельной техники» (рис. 1-53) и «Государственную лабораторию полнопрофильных туннельных бурильных машин» (рис. 1-54).

В щитовой промышленности были достигнуты значительные успехи в индустриализации щитов с грунтопригрузом, щитов сгидропригрузом, профилированных щитов и буровых станков (ТВМ), а китайские производители щитов быстро развиваются, что обусловлено огромным рыночным спросом на щиты в Китае. В настоящее время в Китае около 30 предприятий: Китайская корпорация железнодорожных инженерных оснащений, Китайская корпорация тяжелой промышленности железнодорожного строительства, Корпорация северной тяжелой промышленности, филиал машиностроения Шанхайского АОО строительства туннелей, ООО машиностроения Чжунцзяо Тянхэ, ООО Промышленности Саньсань провинции Ляонин, Тяжелая промышленность Саньи, Тяжелая промышленность Чжунсинь, Тяжелая промышленность по судостроению, Тяжелое оснащение Китайского судостроения, Жуйчжэн провинции Цзянсу, Дачжун, Дачи, Гуанчжун, Хуасуйтун г. Пекин, Металлургический завод в столице, Тяжелая промышленность Тяньди, Котельный завод г. Ханчжоу, Завод Худун г. Шанхай, Завод тяжелых машин г. Шанхай, Южная корпорация машин г. Чжиян, Туннель Кайгун провинции Цзянсу, Тяжелая промышленность Кайшэн провинции Анхуй, Жуйань г. Чунцин и другие имеют причастность к обрабатывающей промышленности проходческих щитов.

Рис. 1-51. Проходческий щит «Цзинь Юэ» успешно реализовал проект по перекладке туннеля шанхайской дороги Дапу

Рис. 1-52. Ключевые технологические достижения

Рис. 1-53. Государственная лаборатория щитовой конструкции и туннельной техники

Рис. 1-54. Государственная лаборатория полнопрофильных туннельных бурильных машин

Среди них наиболее конкурентоспособными являются шесть отличных предприятий по разработке и производству щитов, такие как Китайская корпорация железнодорожных инженерных оснащений, Китайская корпорация тяжелой промышленности железнодорожного строительства, Корпорация северная тяжелой промышленности, филиал машиностроения Шанхайского АОО строительства туннелей, ООО Машиностроения Чжунцзяо Тянхэ, ООО Промышленности Саньсань провинции Ляонин и т. д. Показатели эффективности производимых ими щитов соответствуют или превышают показатели международных аналогов, замещают импорт и экспортируются в Сингапур, Малайзию, Израиль, Индию и другие страны.

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.