Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

В настоящее время в Китае и других странах отмечается недостаток теоретических данных о проектировании размера и формы прокладки. В ходе испытаний трудно получить данные о величине и распределении внутреннего и контактного напряжения прокладки. Поэтому для проектирования используют цифровое моделирование с применением данных конечных элементов. При получении данных о величине и распределении внутреннего и контактного напряжения определяют предварительные размеры и форму прокладки путем соотношения величины напряжения. Для подтверждения эффективности гидроизоляции позже проводят опыты с нагнетанием воды.

Ключи проектирования размера и формы уплотнительной прокладки:

(1) Ширина прокладки Ширина прокладки влияет на путь протекания воды под давлением. Согласно международному опыту для соответствия требованиям гидроизоляции ширина контактной площадки прокладки должна составлять три степени наибольшей величины уступа по следующей формуле:

(4-9),

где b – ширина прокладки (мм);

s – величина наибольшего разбега (мм).

Например, при наибольшей величине разбега 15 мм прокладка шириной 45 мм будет соответствовать требованиям гидроизоляции. Кроме того, в практическом сравнении при соединении кольцевых и продольных стыков тюбингов по типу «шип – паз» образование уступа незначительно. После полного соединения двух сторон стыка при использовании соединения типа «шип – паз» ширина прокладки меньше, чем без такого соединения в аналогичных условиях. Таким образом, для стыков тюбингов в проходческом щите большого диаметра рекомендуется использовать соединение типа «шип – паз».

(2) Высота прокладки

При расчете высоты прокладки следует учитывать максимальный размер раскрытия стыков, а также снижение напряжения прокладки, ослабление и износ материала. Форма прокладки должна подходить к форме пазов на торцах тюбингов (выемка, полость и др.). Глубина паза и высота прокладки рассчитывается по следующей формуле (обозначения, использованные в формуле, показаны на рис. 4-12):

Рис. 4-12. Схема формы и пазов уплотнительной прокладки

(4-10),

где: ? max – максимальный коэффициент сжатия уплотнительной про кладки, при котором размер зазора составляет 0 мм. После проведения расчетов и испытаний его значение обычно составляет не менее 40%;

?min – минимальный коэффициент сжатия уплотнительной прокладки с учетом размера уступа и раскрытия стыков. Его значение обычно составляет не менее 30%;

? – допустимое раскрытие стыков;

d – глубина паза;

h – высота уплотнительной прокладки;

E – модуль упругости уплотнительной прокладки.

На рис. 4-13 показана кривая деформации сжатия уплотнительной прокладки. До определенной степени увеличение сжатия приводит к нелинейному увеличению давления. Далее небольшое усиление сжатия может привести к экспонентному росту давления. Таким образом, не следует устанавливать слишком большой показатель максимального сжатия упругой уплотнительной прокладки. В процессе монтажа степень сжатия уплотнительной прокладки не должна превышать ее показатель при максимальном коэффициенте сжатия. Превышение силы сжатия может привести к ускорению износа материала, усилению релаксации напряжения, тем самым повлияв на срок службы уплотнительной прокладки. Также нельзя допускать снижения степени сжатия ниже значения при минимальном коэффициенте сжатия, что может привести к недостаточному сопротивлению расчетному давлению воды и протечкам в туннеле.

Рис. 4-13. Кривая деформации сжатия резиновой уплотнительной прокладки

(3) Проектирование формы уплотнительной прокладки

Сжимаемость уплотнительной прокладки зависит от ее формы и строения. При проектировании формы уплотнительной прокладки основными вопросами являются:

1. Контроль деформируемости внутренних отверстий;

2. Расчет концентрации напряжения и пластичности в местах уплотнительной прокладки, ослабленных формированием отверстий;

3. Расположение отверстий с учетом требуемого контактного напряжения при сжатии уплотнительной прокладки и давления при монтаже;

4. Определение количества и расположения отверстий на основании результатов теоретических расчетов распределения и величины контактного напряжения при максимальном размере разбега и раскрытия стыков;

5. Определение концентрации напряжения при различных вариантах расположения отверстий;

6. Расчет влияния долгосрочной релаксации напряжения и ползучести на гидроизоляцию.

В последние 10 лет в Китае проводилось большое количество исследований о количестве и размере отверстий в прокладках, форме отверстий и прокладки (зубчатая или незубчатая). Однако построение теоретической системы еще не завершено, и при проектировании в основном используют имеющийся инженерный опыт, цифровое моделирование и результаты практических испытаний. Наиболее часто используемые формы уплотнительной прокладок в Китае представлены на рис. 4-14.