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.