Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Согласно этому определению, щитовой метод состоит из трех основных элементов: стабилизации поверхности забоя, выкапывания (выемки) грунта и облицовки (обделки) при помощи конструкции – щита. При выкапывании грунта с помощью щита необходимо решить три главных задачи: выбор рабочей режущей поверхности, способа уравновешивания давления на рабочую поверхность и выгрузки шлаковой почвы из шахты. При выборе режущей поверхности, в одинаковых конструктивных условиях пласта и режущей головки, принципиальной разницы нет, остается решить вопрос балансировки и удаления шлака. Что касается обделки туннеля: во время продвижения щита в грунтовом пласте, окружающие породы поддерживаются защитной оболочкой корпуса щита и тюбингами (сегментами туннельного кольца), таким образом предотвращая обрушение почвы и песчаных масс во время строительства туннеля. Щит закрытого типа с помощью компрессии глины, либо компрессии шламовой жидкости, создает сопротивление давлению земляных пород и давлению воды, тем самым обеспечивая удерживание и стабильность забоя. Щит открытого типа может применяться в случае, если забой является самонесущим, в противном случае требуются дополнительные вспомогательные меры.

Главный принцип щитопроходной технологии – это завершение работ с минимальным, насколько это возможно, колебанием окружающих пород, тем самым максимально снижая воздействие на наземные строения и фундаментные коммуникации.

Первоначально метод щитовой проходки применялся с использованием ручной, либо механической силы при проведении землеройных работ с применением сжатого воздуха для создания устойчивости забоя и выемки грунта. Если окружающие породы были крайне текучими, то для укрепления и предотвращения протечек применялся метод цементирования, при котором в условиях мягких земляных пластов могли проводиться работы закрытого типа.

История щитопроходной технологии началась в Великобритании, созрела в Германии и Японии, а затем получила широкое развитие в Китае. С момента появления первой в мире щитопроходной машины в 1825 году, спустя более ста лет научно-исследовательских разработок и эксплуатации, данный метод эволюционировал, и на сегодняшний день широко применяются жидкошламовые проходческие щиты и щиты с компенсацией давления земляных пород. Самым большим преимуществом этих двух видов машин является то, что в процессе проведения землеройных работ предусмотрена возможность стабилизации забоя, таким образом, два из трех основных элементов метода щитовой проходки, а именно стабилизация забоя и выемка грунта, интегрировались в один элемент, тем самым повышая способность адаптироваться к пластам с изменяющимися геологическими условиями, исключая необходимость в проведении дополнительных вспомогательных работ.

2.1.2. Механический анализ производственных работ по методу щитовой проходки

Процесс строительства туннеля щитовым методом – это сложный механический процесс, в ходе которого исходная почва подвергается разрушению, дроблению и последующей трансформации. На грунтовые массы забоя воздействует режущее усилие резцов, установленных на рабочем инструменте щита, прокатывающее и трамбующее усилие, а также удерживающее усилие среды внутри камеры давления. Действующее на грунтовые массы удерживающее усилие снаружи щита почти такое же, как внутри камеры давления. На грунтовые массы в хвостовой зоне щита воздействует сила давления блока синхронной цементации. После того как грунтовые массы подверглись манипуляциям на предыдущих этапах, они будут преобразовываться в течение очень длительного промежутка времени.

В настоящее время наука механического анализа щитопроходческих работ, основываясь на механике сплошной среды, помогла получить множество ценных сведений и получила широкое использование в сфере туннелестроительного проектирования. Однако, вследствие многих неопределенностей в процессе щитовой проходки и неоднородности почвенной среды, между результатами анализа с помощью традиционных методов и фактической ситуацией в ходе строительных работ существует довольно большая разница. Чтобы обеспечить успешное проведение щитопроходческих работ, необходимо объединять данные испытаний и опыт персонала, производящего работы. Вследствие этого необходимо подбирать наиболее оптимальные решения при руководстве работами.