Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Перед началом проведения щитопроходных работ, прежде всего, необходимо произвести геологическую разведку всего туннельного пути, затем, на основании различных геологических условий, выбрать нужный тип щита и способы проведения вспомогательных работ. При выборе щита, кроме таких факторов как геологические условия пласта в районе строительства, состояние поверхности земли вдоль туннеля, длина туннеля, форма сечения туннеля, сроки строительства, условия эксплуатации и т. д., следует также тщательно изучить вопросы, связанные с проведением проходки, обделки, чтобы работы с применением выбранного типа щита были произведены безопасно и экономично.

Кроме этого, с целью уменьшения деформации фундаментов, перед продвижением щита, следует произвести прогнозирование на основании предыдущего строительного опыта, метода конечных элементов и прочих методов, на основании результатов этого прогноза установить основные значения опорных величин. Вместе с этим, во время продвижения над центральной осью туннеля, а также в пределах обеих сторон необходимо установить контрольные точки для осуществления нивелировки, руководствуясь результатами наблюдений производить работы, корректировать параметры, суммировать опыт и использовать данные при управлении работами на последующих участках.

2) Контролируя параметры проходки во время продвижения щита, необходимо минимизировать объемы избыточной проходки и воздействие на окружающие пласты, посредством оптимизации и сочетания параметров проходки достигать максимально выгодных условий продвижения щита, таким образом добиваясь минимального нарушения окружающего грунта, малых потерь пласта, минимального давления поровых вод, а также наилучшего контроля оседания и вспучивания поверхности земли, высокой скорости продвижения щита и высокого качества монтажа тюбингов.

На этапах проходки при строительстве, на основании процесса и характеристики строительства туннеля щитовой проходкой , основные причины деформации поверхности земли вследствие щитовой проходки можно резюмировать следующим образом:

(1) Движение грунтовых масс забоя. Во время проходки туннеля, когда горизонтальное опорное напряжение, оказываемое на грунтовые массы забоя, больше, либо меньше исходного латерального (бокового) давления, грунт над передней частью забоя может оседать вниз, либо вспучиваться вверх.

(2) Грунт экструдируется в хвостовой зазор щита. После покидания тюбингов хвостовой частью щита, между стенкой шахты и внешней стороной тюбинга образуется кольцо зазора, в которое смещается грунт, тем самым вызывая оседание поверхности земли.

(3) Взаимодействие между грунтовой массой и тюбингом воздействуют друг на друга. Под воздействием давления окружающего грунта тюбинг деформируется, при этом тюбинг воздействует на окружающий пласт в противоположном направлении. Деформация пласта – комплексное проявление взаимодействия грунтовой массы и тюбинга.

(4) Изменение направления продвижения. При осуществлении уклона щита вверх, либо вниз, происходит экскавация избыточной массы грунта и хвостовой зазор щита увеличивается.

(5) Вторичная консолидация возмущаемого грунтовой массы – это еще одна важная причина деформации, особенно в насыщенных пластов мягкого грунта.

Таким образом, контролируя оседание и деформацию поверхности земли в процессе проведения проходческих работ, следует обращать особое внимание на следующие мероприятия.

1) Контроль параметров проходки

Продвижение щита вперед происходит, прежде всего, посредством управления параметрами толкающего действия гидроцилиндров. В процессе продвижения щита вперед преодолевается сопротивление фронтальной массы, сила трения между корпусом щита и грунтовой массой, между хвостовой частью щита и тюбингами, между прицепным послещитовым комплектом и стальными рельсами. Общее толкающее усилие щита должно превышать сумму фронтального толкающего усилия и общей силы трения, но слишком большое толкающее усилие может привести к сжиманию фронтальной грунтовой массы, при этом слишком малая тяга негативно влияет на скорость продвижения щита. Как правило, общее толкающее усилие щита должно соответствовать следующему соотношению: Активное давление фронтальной грунтовой массы + давление воды + общая сила трения общее толкающее усилие щита пассивное давление фронтальной грунтовой массы + давление воды + общая сила трения.

Во время продвижения щита, следует контролировать скорость продвижения, не давая щиту двигаться назад. Скорость продвижения определяется толкающим усилием гидроцилиндров и количеством входящего и выходящего грунта. Слишком большая, либо слишком малая скорость одинаково негативно сказываются на контроле положения щита. Слишком большая скорость может привести к излишнему «всплытию», щита, слишком малая – к излишнему погружению. Во время монтажа тюбингов, при сжатии гидроцилиндров продвижения может возникать движение щита назад, что, в свою очередь, вследствие потерь пласта, неизбежно приведет к оседанию грунтовой массы над забоем.