3.2.1. Принципы выбора щитовой проходки

Выбор щитовой проходки является одним из ключевых факторов, обеспечивающим безопасную, экологичную, качественную, экономичную эксплуатацию щитовой проходки туннелей.

Среди принципов выбора можно выделить безопасность, технологичность, экономичность, которые связаны друг с другом. Главным принципом является безопасность, основной составляющей которого является гарантия стабильности забоя. При этом необходимо обращать внимание на геологические условия (классификация, прочность, коэффициент фильтрации, гранулометрический состав, фракции) и условия подземных вод, также необходимо полноценно указать условия строительной площадки, условия окружающей среды около вертикального шурфа, условия строительных подземных и надземных сооружений, располагающихся вдоль трассы, особенные условия площадки и др. На этой базе необходимо учитывать технологичность и экономичность, чтобы выбрать подходящий туннелепроходческий комплекс. При ошибочном решении необходимо будет использовать много вспомогательных решений, и возможно приведет это к невозможности туннельной проходки или даже возникновению серьезных неполадок во время производства работ. При выборе щита необходимо следовать следующим правилам:

(1) Необходимо адаптироваться под инженерно-геологические и гидрометеорологические условия, прежде всего, нужно отвечать требованиям безопасности на объекте.

(2) Необходимо объединить безопасность, передовые технологии и экономичность, в условиях надежного обеспечения безопасности необходимо всецело учитывать технологичность и экономичность.

(3)Необходимо удовлетворить требованиям внешнего диаметра туннеля, его длины, глубины залегания, строительной площадке, окружающей среды и т. д.

(4) Необходимо отвечать требованиям безопасности, качества, сроков производства работ, экологичности и формирования стоимости выполнения работ.

(5) Мощности вспомогательного оборудования должны подходить главному оборудованию щита, производственные мощности должны совпадать со скоростью проходки, одновременно с этим необходимо обладать такими особенностями, как: безопасность производства работ, несложная конструкция, рациональное расположение оборудования, легкость в ТО.

(6) Известность, уровень доверия, обеспечение техсервиса завода-производителя щита.

В соответствии с вышеуказанными принципами необходимо провести анализ основных технических параметров и типа туннелепроходческого комплекса, чтобы гарантировать безопасность и надежность щитовой проходки, тем самым определить наиболее подходящий щит и наилучшие методы производства работ. Выбор щита является ключевым звеном при производстве работ, это напрямую влияет на безопасность, качество, технологию и себестоимость производства работ щитовой проходкой. Необходимо крайне внимательно отнестись к выбору щита, чтобы обеспечить оптимальный ход производства работ и их завершение.

3.2.2. Шаги при выборе проходческого комплекса

(1) Основываясь на изучении инженерно-геологических, гидрометеорологических условий, окружающей среды, требований сроков производства работ, экономичности и т. д., выбрать тип проходческого щита. В соответствии с устойчивостью вмещающих пород, необходимо выбрать щит открытого или закрытого типа. В соответствии с геологическими условиями необходимо выбрать щит для слабых пород или комплексного типа.

(2) При выборе щита закрытого типа необходимо в соответствии с коэффициентом фильтрации, давлением подземных вод, вспомогательных методов по производству работ, окружающей средой, безопасностью и другими факторами выбрать щит с гидропригрузом или грунтопригрузом.

(3) Если щит с гидропригрузом и грунтопригрузом не может удовлетворить требованиям забоя, то нужно подумать о выборе щита комплексного типа.

(4) В соответствии с материалами геологических изысканий необходимо произвести расчет и выбор главных функциональных агрегатов щита, спроектировать (например, вид привода и тип конструкции резцовой головки, количество забоя, виды режущих устройств и их расположение, вид и габариты шнекового транспортера, конструкцию призабойной стены и вид шламовой двери, расположение и вид дробильной установки и т. д.) и утвердить в соответствии с геологическими условиями главные технические параметры, при выборе которых необходимо провести точный расчет (диаметр резцовой головки, скорость оборотов, крутящий момент, мощность привода, скорость проходки и толкания, мощность, диаметр, длина шнека и т. д.).

(5) В соответствии с геологическими условиями выбрать оборудование для «хвоста» комплекса, которое будет совпадать по параметрам со скоростью проходки.

3.2.3. Теория и практика выбора щитовых комплексов

Способы выбора проходческого щита главным образом придерживаются теории треугольника.

Общие принципы теории треугольника – это «центром является устойчивость забоя, основной частью являются инженерно-геологические и гидрометеорологические условия; доказательной базой являются фракции, коэффициент фильтрации, давление подземных вод , также необходимо комплексно продумать актуальную ситуацию производства работ; гарантировать, что выбранный комплекс будет отвечать общей цели по устойчивости, проходке и выбросу». Вкратце это можно сказать следующим образом: «один центр, две основы, три доказательства и три действительности, три большие цели» (рис. 3-1).

1) Стабильность забоя.

При туннельном строительстве щитопроходным способом необходимо решить три основных вопроса: режущая поверхность (экскавация), давление уравновешивающей поверхности (стабилизация), вывод шлакового грунта из призабойного отсека (вывод).

Рис. 3-1. Схема треугольной теории выбора проходческого щита

Касательно режущей поверхности (экскавации) при одинаковых условиях пласта и резцовой головки, все виды щитов примерно одинаковы, отличается лишь давление уравновешивающей поверхности (стабилизация) и способ выведения шлакового грунта (вывод).

Конструкция стабилизации забоя в щитопроходческом комплексе подразделяется на два вида: открытого типа и закрытого типа. В обоих видах вопрос стабилизации забоя решается по-разному. Открытый тип подразумевает опору на твердость грунтовой поверхности забоя, а в закрытом типе – при помощи давления грунтовой массы (щит с грунтопригрузом), либо давления глинистой воды (щит с гидропригрузом) оказывается сопротивление стремящейся к высвобождению нагрузке поверхности забоя, тем самым сохраняется его стабильность.

(1) Стабильность забоя при использовании щита открытого типа.

При использовании щита открытого типа, стабильность поверхности забоя во время прохождения вперед осуществляется посредством установленной в щите грунтосдерживающего механизма и улучшения состояния грунтовой массы.

1. Грунтосдерживающий механизм

Грунтосдерживающий механизм щита открытого типа состоит из подвижной стрехи, передвижной грунтосдерживающей плиты и толкающих гидроцилиндров. Сначала установленная в передней части щита грунтосдерживающая стреха врезается в грунт, одновременно предотвращая обрушение забоя и осуществляя проходку вперед, затем передвижная грунтосдерживающая плита, расположенная в экскавируемой зоне, с помощью гидроцилиндров осуществляет опорное сдерживание с одновременной проходкой вперед.

2. Улучшение грунта забоя

Существует несколько способов улучшения грунта забоя: пневматический (нагнетание воздуха), способ осаждения воды, способ химического цементирования и др. В зависимости от условий конкретного проекта, могут применяться несколько комбинированных способов.

а. Пневматический способ использует гидростатичность и эффект нагнетания воздуха в грунтовом основании в качестве объекта, с помощью грунтосдерживающего эффекта отвода воды сжатым воздухом предотвращается затопление и обвал забоя. В данном способе применяется сравнительно простое оборудование, позволяющее с легкостью осуществлять управление параметрами давления, благодаря чему он чаще всего используется в щитах открытого типа. Однако, поскольку работы выполняются в условиях высокого давления, возникают проблемы, связанные с окружающей средой работ, эффективностью работ и т. д., к тому же, вследствие различия грунтовых слоев, приходится прибегать к мерам, противодействующим утечке воздуха, извержению наружу и переполнению бескислородного воздуха, поэтому данный способ на сегодняшний день применяется нечасто.