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.