Тип 1-й: шламовая жидкость практически не просачивается, лишь формирует на поверхности глинистую пленку.

Тип 2-й: при больших порах в почве шламовая жидкость полностью проникает внутрь, не формируя на поверхности глинистую пленку.

Тип 3-й: является средним между типом 1-м и типом 2-м: шламовая жидкость частично проникает в почву, формируя при этом на поверхности глинистую пленку.

Тип 1-й в основном встречается в вязком грунте с малым коэффициентом проницаемости; тип 2-й – в песчано-гравийном грунте с большим коэффициентом проницаемости; тип 3-й – в песчаном грунте.

Рис. 3-5. Фильтрационное состояние глинистой воды в грунте забоя

В почвах с высокой водопроницаемостью из-за способности мелкодисперсных частиц заполнять поры грунта, скорость образования глинистой пленки тесно связана с максимальным размером частиц песка и количеством песка (вес песчинки / вес частиц глины). Как правило, имеет место следующая закономерность:

a. При коэффициенте проницаемости грунта равном k=5 × 10-3 м/с, если максимальный размер песчаной фракции достигает 0.84 мм, происходит проникновение в почву; только при максимальном размере песчаной фракции равном 2.0 мм за примерно 10 с, просачиваемость стабилизируется и происходит формирование глинистой пленки.

b. При увеличении содержания песчаных фракций S/c формирование глинистой пленки происходит все лучше и лучше. При k=5 × 10-3 м/с и ds >0.42 мм, для формирования глинистой пленки и уменьшения количества проникновения воды, достаточно значения S/c больше 0.1.

3. Вязкость глинистой воды.

Шламовая жидкость оптимальной вязкости имеет следующие эффекты воздействия:

а. Не допускает оседания песчаных и глинистых фракций на дне шламового призабойного отсека и обеспечивает стабилизацию забоя.

b. При повышении степени вязкости увеличивается сила сопротивления и предотвращаются потери глинистой воды.

с. Позволяет транспортировать экскаваруемый грунт в текучем виде, а шламовую жидкость разделять при помощи специального оборудования на глину и воду.

Во время работы на площадке значение вязкости Ваннера определяется количеством времени, затраченным на полное вытекание глинистой воды из воронкообразного контейнера для оценки его вязкости, получая подобие эквивалента вязкости. Значения вязкости Ваннера, часто используемые для стабилизации забоя, приведены в таблице 3-3.

Таблица 3-3. Величина вязкости Ваннера, требуемая для стабилизации забоя

4. Давление глинистой воды.

Несмотря на то, что при повышении давления глинистой воды увеличивается объем просачиваемости, его увеличение значительно меньше по сравнению с увеличением давления, таким образом щит с гидропригрузом посредством нагнетания давления глинистой воды повышает эффективность опорного давления, действующего на забой. Особенно при использовании высококачественной глинистой воды повышение ее давления может увеличить стабильность забоя. При определении давления глинистой воды нужно учитывать следующие факторы: давление воды забоя, давление грунта, а также резервное давление.

5. Скорость проходки.

В обычном режиме работы проходки щита с гидропригрузом режущий инструмент разрезает грунт не напрямую, а разрезает глинистую пленку, образовавшуюся на передней части резцовой головки. Сразу после разрезания образуется новый слой глинистой пленки. Поскольку скорость вращения резцовой головки щита является определенной величиной, а максимальная скорость продвижения щита ограничена, скорость проходки зависит только от глубины грунта и не имеет отношения к глинистой пленке. Однако, когда щит с гидропригрузом находится в ненормальных условиях работы, особенно когда качество глинистой воды и ее давление не соответствуют требованиям проекта, для образования глинистой пленки требуется много времени, что ограничивает скорость проходки. Время, требуемое для формирования глинистой пленки при использовании высококачественной глинистой воды, составляет 1 – 2 секунды.

2) Выбор модели щита

Основой для выбора щита являются инженерно-геологические и гидрогеологические условия, размер отдельных минеральных частиц (зерен) грунта, коэффициент проницаемости и давление грунтовых вод, а процесс выбора сочетается с практическими аспектами конкретного проекта (т. е. концепция «Три принципа и три практических аспекта») для обеспечения того, чтобы выбранный щит отвечал общим целям «стабильности (балансировки забоя), экскавации (фрезерование забоя грунта) и выгрузки (выгрузки грунта)».

(1) Выбор на основе размера частиц пласта

Взаимосвязь между типом щита и размером частиц пласта для проходческого щита с балансом давления грунта без улучшения остатков почвы и щитов с балансом глинистой воды без дополнительных компонентов показана на рис. 3-6.

Рис. 3-6. Кривая зависимости размера частиц в пласте от типа щита

Как видно из рис. 3-6, проходческий щит с балансом давления грунта без улучшения остатков почвы наиболее подходит для диапазона размеров частиц менее 0.2 мм (синяя область) и приблизительно до 1.5 мм (серая область). Диапазон размеров частиц для щитов с балансом глинистой воды начинается от 0.01 мм до 80 мм (желтая область).

Щит с балансом давления грунта в основном подходит для строительства в глинистых слоях почвы, таких как мел, меловая глина, кремнистый мел, меловой песок и т. д. При рытье в глинистых слоях почвы, грунт, срезанный фрезой, попадает в отсек для грунта и затем выводится шнековой машиной, в шнековой машине образуется градиент давления для поддержания стабильного давления в отсеке для грунта.

В сущности, мелкозернистые остатки грунта легко образуют водонепроницаемые пластомеры, которые могут легко заполнить каждую часть грунтового отсека и сформировать эффект почвенной пробки в спиральной машине, которая может создать давление в грунтовом отсеке, чтобы сбалансировать давление почвы и воды на поверхности забоя.

Вообще говоря, когда общее количество порошковых и глинистых частиц в почве достигает более 40%, обычно целесообразно использовать щит с балансом давления грунта; в противном случае более подходящим является щит с балансом глинистой воды; абсолютный размер частиц порошка обычно определяется как 0.075 мм.

В частности, следует отметить, что при выборе щита на основе размера зерна пласта необходимо учитывать конкретные условия проекта. Хотя размер зерна пласта отличается для щитов с балансом давления грунта и щитов с балансом глинистой воды, как показано на рис. 3-7, щит баланса давления грунта подходит для глинистых, иловых, песчаных пластов с размером зерна 1.5 мм или менее без улучшения остатков грунта. Подходящий диапазон размера частиц пласта составляет от 0.01 до 0.80 мм.

При отсутствии добавок подходящий диапазон размеров грунта для щитов с балансом глинистой воды составляет от 0.01 до 0.80 мм для ила, песка, гравия, гальки и других пластов. Однако, если щит с балансом давления грунта модифицирован или в щите с балансом глинистой воды используютсясоответствующие добавки, то данные щиты подходят для одного и того же диапазона.

(2) Выбор на основе коэффициента проницаемости

Как показано на рис. 3-8, согласно европейскому и американскому опыту, когда коэффициент проницаемости пласта меньше 10-7 м/с, следует использовать щит с балансом давления грунта. Когда коэффициент проницаемости пласта больше 10-4 м/с, следует использовать щиты с балансом глинистой воды; когда коэффициент проницаемости находится между 10-7~10-4 м/с, то можно использовать как щиты с балансом глинистой воды, так и щит с балансом давления грунта.