b. Способ понижения уровня подземных вод применяется по вектору расположения туннеля, с помощью метода создания скважинно-точек и метода создания глубоких скважин на поверхности грунта, удаляются подземные воды в зоне забоя с целью укрепления основание грунта. Метод скважинно-точек и другие способы для понижения уровня подземных вод применяются также и внутри туннеля.

c. Метод химического цементирования – это еще один способ обеспечения стабильности забоя путем принудительной закачки химической бетонирующей суспензии, который применяется в зоне грунтового зазора с целью повышения водонепроницаемости и прочности. Данный метод обладает хорошей технологичностью, достаточно часто используется для улучшения зон в ограниченных областях. Применяется два вида работ по закачке суспензии: первый вид применяется перед осуществлением проходки щита, второй вид применяется по мере осуществления проходки путем закачки суспензии внутри туннеля.

(2) Принцип уравновешивания давления забоя при проходке щитом закрытого типа.

При проходке щитом закрытого типа уравновешивание давления забоя чаще всего происходит с помощью гидропригруза и грунтопригруза. Прежде всего, стоит понять, что такое грунтопригруз и что такое гидропригруз.

На рис. 3-2 показан принцип уравновешивания с помощью грунтопригруза, из которого видно, как посредством регулировки скорости проходки и скорости вращения шлакоотводящего шнека регулируется объем скапливающегося в призабойном отсеке грунта, тем самым производится уравновешивание давления грунта и жидкости в забое. В целях достижения наилучшего уравновешивания забоя, шлаковый грунт в призабойном отсеке должен обладать достаточной вязкостью и текучестью. Однако, вследствие того, что медиаторной средой регулировки давления выступает шлаковый грунт в призабойном отсеке, то имеется определенная задержка, поэтому степень точности регулировки давления обычно достигает лишь 0.1 МПа.

На рис. 3-3 показан принцип уравновешивания с помощью гидропригруза, из которого видно, как посредством сжатого воздуха в кессонном отсеке щита уравновешивается давление грунта и вод забоя. В целях достижения наилучшего уравновешивания забоя шлаковый грунт в призабойном отсеке должен обладать достаточной вязкостью и текучестью. Так как воздушное давление можно регулировать с достаточной скоростью и точностью, то в процессе стабилизации забоя щит с гидропригрузом имеет естественное преимущество перед щитом с грунтопригрузом.

Рис. 3-2. Принцип грунтопригруза

Рис.3-3. Принцип гидропригруза

(3) Стабилизация забоя при использовании щита с грунтопригрузом.

Механизм стабилизации забоя при использовании щита с грунтопригрузом имеет следующие особенности:

1. В вынутый шлаковый грунт добавляются определенные добавки, посредством принудительного перемешивания резцовой головкой и лопастями миксера достигается улучшение его пластичности, текучести и водоотталкивающих свойств.

2. Когда шлаковый грунт заполняет призабойный отсек и полости шнека, с помощью толкающего усилия гидроцилиндров продвижения щита производится давление на шлаковый грунт, тем самым создается уравновешивание давления грунта и грунтовых вод забоя.

Поэтому в целях обеспечения стабилизации давления грунта в забое можно, при условии обеспечения стабильного состояния забоя, успешно осуществить вывод шлакового грунта. В то же время необходимо произвести улучшение шлакового грунта, обеспечив пластичность, текучесть и водоотталкивающие свойства.

Когда в вынимаемом шлаковом грунте мелкодисперсные частицы составляют около 30% объема, то перемешивание при хорошем гранулометрическом составе обеспечивает его пластичность и текучесть. Однако когда содержание песка и гравия относительно высокое, а гранулометрический состав не очень хороший, необходимо в шлаковый грунт добавить бентонит либо глинистые добавки и перемешать, регулируя тем самым гранулометрический состав. Для улучшения характеристик шлака при экскавации иногда добавляют пенистые либо полимерные материалы. В ситуациях, когда гранулометрический состав плохой, добавления пенистых или полимерных материалов бывает недостаточно; в таких случаях для достижения наилучшего эффекта добавляют также бентонит, глину и другие глиноформовочные материалы.

1. Стабилизация забоя в условиях вязких грунтовых слоев.

В вязких слоях грунта, таких как алевритовый песок, песчаный ил и др., шлак, срезанный режущим инструментом, как правило, имеет меньшую прочность, чем исходный слой, и обладает пластичностью и текучестью. Даже у почвы с большой адгезией, благодаря перемешиванию с помощью резцовой головки и шнекового транспортера, а также добавлению воды в грунтовый отсек и т. д., можно повысить текучесть. Что касается водонепроницаемости, то, поскольку коэффициент водопроницаемости вязкого грунта невысокий, водоотталкивающие свойства хорошие.

Шлак в бункере должен иметь определенное давление, чтобы конкурировать с давлением воды и грунта забоя. В соответствии со скоростью проходки, посредством регулировки крутящего момента и скорости вращения шнека, а также степени открытия заслонки шлакового грунта, достигается баланс между количеством грунта в забое и количеством отводимого грунта, обеспечивая стабилизацию забоя. Как правило, для контроля давления в забое используются датчики давления грунта, расположенные на внутренних стенках призабойного отсека. Однако стоит обратить внимание, что иногда вследствие плохой текучести, невозможно точно измерить давление грунта в призабойном отсеке.

Кроме того, если количество грунта в призабойном отсеке будет чрезмерным, вязкий грунт может начать уплотняться и застывать, что приведет к невозможности его экскавации и отвода, в таких случаях в грунт следует ввести добавки.

2. Стабилизация забоя в условиях песчаных грунтовых слоев.

Вследствие того, что сопротивление, угол внутреннего трения и сила трения песчанистных и гравийных грунтовых слоев высоки, сложно добиться хорошей текучести. Когда вынутый грунт заполняет призабойный отсек и полости шнека, крутящий момент резцовой головки и шнека, а также толкающее усилие гидроцилиндров щита увеличиваются, при этом произведение экскавации и отвод грунта не представляется возможным. Кроме того, коэффициент проницаемости в грунтовых слоях такого типа высокий, а эффект сжатия в призабойном отсеке и шнековом конвейере не может полностью остановить воду: при высоком давлении воды в забое, высока вероятность извержения материала через заслонку. Поэтому в слоях данного типа обычно используются такие методы, как введение добавок в забое или призабойном отсеке, установка дополнительных лопастей для принудительного перемешивания и другие способы придания шлаковому грунту текучести и водоотталкивающих свойств.

Как и в случае вязких грунтовых слоев, при помощи регулирования объема экскавации и количества отводимого грунта, можно добиться баланса между давлением воды и давлением грунта забоя, что способствует стабилизации забоя.

3. Три режима работы щита с грунтопригрузом.

Щит с грунтопригрузом обычно имеет три режима работы: открытый режим, режим локального давления воздуха и режим грунтопригруза (EPB). Как показано на рис. 3-4, Каждый из этих режимов проходки соответствует разным механизмам стабилизации забоя и геологическим условиям.

Рис.3-4. Три режима проходки щита с грунтопригрузом

а. Открытый тип.

Если забой достаточно стабилен, а грунтовых вод мало, щит с грунтопригрузом может использовать открытый режим работы, нет необходимости регулировать давление в призабойном отсеке, также можно гарантировать отсутствие деформации забоя и разрушения грунта в течение определенного отрезка времени. В этом режиме работы, срезаемый грунт сразу же отводится из призабойного отсека шнековым конвейером, поэтому призабойный отсек, в основном, находится в пустом состоянии, а резцовая головка и шнековый конвейер подвергаются относительно небольшому обратному воздействию крутящего момента. В таком случае, в основном при дроблении горных пород роликовыми резцами, проходка происходит с высокой скоростью, низким крутящим моментом и подходящей скоростью шнекового конвейера. Во время синхронного цементирования, бетонирующая суспензия может просачиваться в зазор между оболочкой щита и окружающим грунтовым массивом, и даже попадать в зону резцовой головки; избежать появления подобных ситуаций можно следующими способами: повышением вязкости бетонирующей суспензии до соответствующих значений, сокращением времени застывания суспензии, регулировкой давления бетонирующей суспензии, дополнительным цементированием несущей поверхности тюбингов и другими способами.