b. Полуоткрытый тип («режим локального воздушного давления»).

Скоростная проходка полуоткрытым способом применяется в случаях, когда забой обладает высокой степенью самостабильности, например, когда прилегающие грунтовые слои стабильны, но содержат грунтовые воды, либо когда большая часть прилегающего грунта стабильна, за исключением локальной потери давления и обрушения. При использовании данного режима временно останавливается шнек, закрывается шнековая заслонка, нижняя часть призабойного отсека заполняется шлаковым грунтом; в то же время в забой и призабойный отсек вводится необходимое количество присадочных материалов (таких как бентонит, глинистые материалы, присадки) и сжатый воздух, чтобы повысить водоотталкивающие свойства шлака в призабойном отсеке, а также под давлением в забой добавляются присадочные материалы для создания на поверхности забоя глинистой пленки. Посредством воздушного давления и глинистой пленки предотвращается затопление и обрушение туннеля, а также на малой скорости вращения в полости шнека образуется «грунтовая пробка», что позволяет безопасно и быстро пройти неблагоприятные участки грунта. Во время экскавации в призабойном отсеке остается определенное количество свободного места (шлаковый грунт заполняет призабойный отсек примерно на 2/3), что позволяет ввести в отсек сжатый воздух, который совместно со шлаковым грунтом будет выполнять функцию поддержки забоя и предотвращать проникновение подземных вод.

Помимо этого, данный тип также часто используется при работе в условиях мягких верхних и твердых нижних слоев. Во время работы, дробление твердых пород производится роликовыми резцами, а разрезание грунтовых слоев осуществляется с помощью зубчатых и скребковых резцов. При проходке в области дна реки, необходимо добавить пенообразователь, полимеры, бентонит и др., для улучшения водоотталкивающих свойств шлака и создания стабильного уравновешивающего давления в призабойном отсеке.

c. Режим грунтопригруза.

При экскавации в условиях плохой стабилизации грунта, либо мягких горных пород с высоким содержанием грунтовых вод, применяют режим грунтопригруза (EPB). В этом режиме, с помощью зубчатых и ножеобразных резцов происходит разрезание грунта и продвижение на низкой скорости с большим крутящим моментом, а также заполнение призабойного отсека шлаком, выходящего из резцовой головки. Шлак в призабойном отсеке принудительно перемешивается специальными лопастями, приваренными к обратной стороне резцовой головки и к различным зонам разделительной перегородки, при этом с помощью толкающего усилия гидроцилиндров, воздействующих на разделительную перегородку, создавая дополнительное давление глинистого грунта. Данное давление может измеряться датчиками давления грунта и контролироваться путем регулировки толкающего усилия, скорости продвижения и скорости шнека, обеспечивая равенство количества экскавируемого грунта и отводящегося шлака, а также уравновешенное состояние между давлением шлака в призабойном отсеке и давлением грунта и воды в забое.

4. Факторы, влияющие на стабилизацию забоя.

а. Давление грунта в призабойном отсеке, грунтового слоя и воды.

Щит должен поддерживать необходимое давление грунта в призабойном отсеке и непрерывно регулировать количество отводящегося грунта для того, чтобы сбалансировать давление грунта и давление воды в забое. Этот процесс можно разделить на следующие виды состояний: когда давление грунта в призабойном отсеке превышает давление грунта и давление воды в забое, поверхность земли поднимается; когда давление грунта в призабойном отсеке меньше давления грунта и давления воды в забое, поверхность земли оседает; когда давление грунта в призабойном отсеке совпадает с давлением грунта и давлением воды в забое, поверхность земли остается в покое.

b. Количество отводимого шнеком грунта.

Количество отводимого грунта обычно регулируется путем изменения скорости вращения шнека и степени открытия грунтовыводящей заслонки.

с. Текучесть глинистого грунта.

Для обеспечения стабильности забоя, срезанный грунт должен обладать текучестью и водоотталкивающими свойствами, а также в достаточной степени заполнять призабойный отсек.

5. Добавки для улучшения шлакового грунта.

Существуют следующие виды добавок, улучшающих шлаковый грунт при использовании щита с грунтопригрузом:

а. Глинистые материалы.

Для того чтобы шлаковый грунт обладал хорошей текучестью и водоотталкивающими свойствами, в его составе должно содержаться около 30% мелкодисперсных частиц. Если в вынутом грунте содержится недостаточное количество мелкодисперсных частиц, необходимо ввести бентонит, глину, прочие глиноформирующие материалы, для восполнения нехватки мелкодисперсных частиц. Концентрацию и необходимый объем введения глинистых материалов определяют исходя из гранулометрического состава, коэффициента неравномерности шлака и др.

b. Вспенивающий агент.

Для повышения текучести и водоотталкивающих свойств шлака, в забой или призабойный отсек добавляют специальную пену на основе особого вспенивающего агента. В песчанистых и гравийных грунтовых слоях текучесть шлака повышается за счет вспомогательной роли пузырьков пены; в вязких грунтовых слоях, пузырьки пены играют роль активной среды, препятствующей налипанию шлака на стенки призабойного отсека. С другой стороны, поскольку мелкие пузырьки пены вытесняют поровую воду во фракциях грунта, повышаются водоотталкивающие свойства. Количество вводимой пены, как и в случае с глинистыми материалами, определяется гранулометрическим составом, коэффициентом неравномерности шлака и др.

c. Вода.

Введение воды в шлаковый грунт большой вязкости может помочь увеличить текучесть и, вместе с тем, понизить его вязкость, предотвращая налипание шлака на резцовую головку и стенки призабойного отсека.

(4) Стабилизация забоя при использовании щита с гидропригрузом.

Существуют следующие особенности стабилизации забоя при использовании щита с гидропригрузом:

1. На поверхности забоя образуется труднопроницаемая глинистая пленка, которая позволяет давлению глинистой воды более эффективно воздействовать на поверхность забоя.

2. По мере проникновения глинистой воды в почву, ее мелкодисперсные частицы заполняют пустоты почвы, увеличивая прочность грунта.

3. При помощи регулировки скорости вращения подающего насоса, создается необходимое давление глинистой воды в призабойном отсеке, что позволяет контролировать давление грунта и воды в забое.

Значит, для обеспечения стабильности забоя необходимо установить оптимальный напор глинистой воды, и в то же время для достижения наибольшего эффекта этого напора нужно обращать внимание на ее качество. Среди важных качественных характеристик глинистой воды выделяют: плотность, коэффициент проницаемости, вязкость, особенности фильтрации, содержание песка и др.

1. Плотность глинистой воды.

Теоретически, увеличение плотности глинистой воды может увеличить ее ДНС (динамическое напряжение сдвига) и в то же время может усилить стабильность глинистой пленки. Как показывает практика, высокая плотность глинистой воды помогает создавать высококачественную глинистую пленку; лучше всего, когда плотность глинистой воды достигает плотности грунта забоя. Однако ее высокая плотность может привести к перегрузке шламового насоса и затруднительной переработке; а низкая плотность глинистой воды, несмотря на то, что помогает снизить нагрузку шламового насоса, из-за увеличения просачивания способствует замедлению образования глинистой пленки, что негативно сказывается на стабильности забоя. Следовательно, при определении плотности глинистой воды необходимо в полной мере учитывать структуру почвы, а также учитывать мощность оборудования при стабилизации забоя. Обычно плотность глинистой воды составляет 1.05 ~ 1.30 гр/см3.

2. Содержание песка и коэффициент проницаемости.

Как показано на рис. 3-5, Мюллер (Muller) и др., разделяют проницаемость глинистой воды на следующие три типа: