Logo name

Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях (книга, часть 2)



Материал из Энциклопедия нашего транспорта

Перейти к: навигация, поиск

Часть 1

Содержание

Важные сопутствующие технологические операции щитовой проходки

В целях осуществления щитовой проходки в сложных инженерно-геологических условиях с минимальными осадками и с высокой точностью очень важным является тщательное и технически грамотное выполнение работ по тампонажу заобделочного пространства, по блокирующему уплотнению рыхлых или разрыхляющихся при проходке грунтов перед и вокруг щитовой машины, а также по ведению этой машины по проектной трассе. Ниже даётся описание этих технологических операций щитовой проходки.

Тампонаж заобделочного пространства

Рис. 23. Трубопроводы для нагнетания тампонажного раствора в торец хвостовой оболочки щитовой машины

Целью тампонажа является заполнение специальным уплотнительным раствором заобделочного пространства, образующегося в процессе продвижения щитовой машины с целью сохранения природного напряжённого состояния грунта в этом месте и недопущения оседания грунта за щитовой машиной.

Ранее нагнетание тампонажного раствора за обделку осуществлялось только через отверстия блоков её, а в условиях отсутствия специального хвостового уплотнения — для того, чтобы тампонажный раствор не поступал в щит и тоннель, пространство строительного зазора между внутренней поверхностью хвостовой оболочки щита и наружной поверхностью обделки плотно забивалось древесной стружкой. При этом часто нагнетание раствора производилось одновременно лишь в отверстие одного блока кольца обделки.

Все современные щитовые машины обязательно оснащаются в хвостовой части эластичным, а именно резиновым, полиуретановым или щёточным уплотнением, защищающим от проникновения в щитовую машину грунта, грунтовой воды и самого нагнетаемого за обделку тампонажного раствора. При этом нагнетание раствора делается постоянно во время продвижения щитовой машины через 4—8 отверстий по периметру кольца обделки с контролем за давлением и объёмом нагнетаемого раствора.

Немецкие специалисты считают наиболее эффективным применение в хвостовой части разработанного ими полимерного уплотнения типа 31, которое не требует специального технического обслуживания и нагнетания дорогой консистентной смазки, обязательной, например, при использовании щёточного уплотнения.

Щитовые машины с активным пригрузом забоя всё чаще стали оснащаться в хвостовой части системой продольных трубопроводов круглого или овоидального сечения, через которые в торцевое сечение оболочки под давлением подаётся тампонажный раствор (см. рис. 23).

В результате этого удаётся устранять оседание даже водонасыщенного песчаного грунта.

К уплотнительному тампонажному раствору предъявляются достаточно жёсткие требования: он должен иметь текучую консистенцию при низком выделении фильтрующей воды и сохранении свойств твердения даже на период вынужденных остановок проходки.

Ниже даются составы нескольких смесей тампонажных растворов, применявшихся при проходке тоннелей в водонасыщенных грунтах.

Книга Современные щитовые машины, 28.jpg

Для приготовления тампонажного раствора используются специальные установки, располагающиеся на поверхности или в шахте и включающие силосы (бункера) для цемента, песка и других заполнителей, дозировщики, растворомешалку и трубопроводы с кранами для подачи воды.

Из шахты раствор обычно транспортируется к щитовой машине специальными вагонетками, к выходному соплу которых подключается всасывающий шланг растворонасоса. При большой длине и большом диаметре строящегося тоннеля для доставки раствора к щитовой машине используются ёмкости с растворонасосами. Непосредственно на щитовой машине или на первой защитовой платформе устанавливается роторный распределитель, от которого раствор по шлангам или стационарным разводным трубопроводам подаётся в продольные трубопроводы, а из них — в плоскость заднего торца хвостовой оболочки щитовой машины.

В настоящее время созданы автоматизированные установки для приготовления и нагнетания тампонажного раствора за обделку.

Блокирующая стабилизация грунтов перед и вокруг щитовой машины

Рис. 24. Расположение отверстий для инъекционных штанг: а — в герметичной диафрагме; б — в оболочке ножевого кольца щитового корпуса; в — в оболочке опорного кольца щитового корпуса
Рис. 25. Размещение бурильной машины в щитовой машине фирмы «Бессак»

Грунтовые условия при проходке тоннелей бывают настолько разнообразными, что, несмотря на создание и весьма эффективное применение в течение последних 30 лет тоннельных щитовых машин с активным пригрузом забоя, достаточно часто становится необходимым и целесообразным, в том числе по экономическим причинам, выполнять как с поверхности, так и непосредственно из щитовой машины работы по стабилизации грунтов перед щитовой машиной или вокруг её.

Так при проходке тоннеля сравнительно небольшой протяжённости и при соответствующей поверхностной обстановке рациональным и экономически выгодным может быть выполнение водопонизительных работ именно с поверхности с использованием для этого иглофильтров или глубинных насосов, устанавливаемых в предварительно пробуренных скважинах, и с осуществлением самой проходки с помощью более простой и дешёвой щитовой машины без активного пригруза забоя.

Водопонижение приходится иногда применять и для снижения величины гидростатического давления в грунте даже при применении щитовых машин с грунтовым пригрузом забоя.

Способ искусственного замораживания грунтов при использовании щитовых машин с активным пригрузом забоя часто становится необходимым у мест вывода щитовой машины из стартовой шахты и ввода её в приёмную шахту.

В последние годы всё чаще стали использовать при щитовой проходке стабилизацию неплотных или склонных к разрыхлению неустойчивых, в первую очередь песчаных, грунтов, расположенных перед или вокруг щитовой машины, через инъектора, веерообразно забуриваемые в грунт через отверстия, устроенные в герметичной диафрагме щитовой машины (см. рис. 24а), в ножевом кольце щитового корпуса (см. рис. 24б) и даже в опорном кольце этого корпуса (см. рис. 24в).

Буровая машина, обычно хранящаяся на одной из платформ защитового комплекса или в шахте, при необходимости выполнения буровых работ монтируется на установочных узлах, закреплённых непосредственно на щитовом корпусе или на блокоукладчике.

На рис. 25 показано размещение в щитовой машине 4360 Т009 АС фирмы «Бессак» типа ТЩМ (ВП)-Э бурильной машины, обеспечивающей устройство ореола скважин длиной до 30 м с целью блокировочной стабилизации грунтов перед щитовой машиной. Так как указанная щитовая машина оснащена забойными плитами, то буровые штанги проходят через отверстия, предварительно сделанные в центральной плите.

Для того, чтобы уплотнить грунт непосредственно вокруг щитовой машины с целью затруднения прохождения сжатого воздуха из призабойной камеры в щит по поверхности оболочки его и через хвостовое уплотнение, нагнетание уплотняющего раствора в этой машине во время её движения производится через специальные втулки, вмонтированные в щитовой оболочке.

При проходке канализационных тоннелей диаметром 4,24 м в Москве с помощью щитового комплекса фирмы «Бессак» (объект ОАО «СУПР») использовались уплотнительные растворы следующего состава:

Книга Современные щитовые машины, 31.jpg

Ведение щитовой машины по заданному направлению и контроль за работой щитового проходческого комплекса

Рис. 26. Схема японской автоматизированной системы контроля и управления проходческим комплексом
Рис. 27. Схема автоматизированной системы ведения тоннельной щитовой машины типа ТЩМ (СП)-Р2, применённой в Гамбурге и Москве
Рис. 28. Схема работы аппаратуры для обнаружения твёрдых включений перед тоннельной щитовой машиной фирмы «Херренкнехт»

Ввиду того, что исправление положения тоннеля, сооружённого в сложных инженерно-геологических условиях, практически невозможно, ведение щитовой машины по заданному направлению с минимальными отклонениями является важнейшим делом.

В настоящее время направление проходки чаще всего задаётся лучом лазера, установленного сначала в стартовой шахте, а затем в тоннеле с периодическим переносом его вперёд. В створе этого луча на щитовой машине устанавливается мишень, центр которой совмещается с центром светового пятна лазерного луча.

В процессе проходки щитовая машина достаточно часто отклоняется от заданного направления с одновременным смещением центра мишени относительно центра светового пятна лазерного луча. При этом продольная ось щитовой машины поворачивается как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. Кроме того, машина может получить крен в результате вращения её вокруг продольной оси.

Величины произошедших отклонений в плане и профиле с корректировкой на крен машины при ручном ведении щитовой машины видны оператору на простой мишени, а при полуавтоматическом ведении информация об этих отклонениях, полученная от активной мишени, отражается в численных величинах на экране монитора.

Угол поворота продольной оси машины относительно проектной оси тоннеля определяется при ручном ведении с помощью 2-й мишени, установленной перед первой мишенью на расстоянии 1,0—1,5 м, а при полуавтоматическом ведении — с использованием активной мишени, оснащённой для этого специальной оптикой.

Угол наклона машины в профиле и угол её закручивания (крен) вокруг её продольной оси определяются с помощью 2-х инклинометров, установленных в первом случае, то есть при ручном ведении, непосредственно на щитовом корпусе, а во втором — внутри активной мишени. Информация о величине углов крена и наклона в обоих случаях поступает на пульт контроля и управления, находящийся либо внутри щитовой машины, либо на одной из тележек или платформ защитового комплекса. По команде с этого пульта включаются на выдвижение соответствующие группы щитовых гидроцилиндров, и щитовая машина, продвигаясь вперёд, изменяет своё положение и направление. При выполнении щитового корпуса шарнирным по длине в исправлении положения и направления машины значительную роль могут сыграть гидроцилиндры управления, изменяющие геометрию щитового корпуса.

Для облегчения ведения щитовой машины по кривой применяются электронные теодолиты, оснащаемые оптическим лазером. Активно ведутся работы по использованию для этих целей гироскопов.

С развитием и широким применением щитовых машин с активным пригрузом забоя процесс проходки стал всё в большей степени контролироваться компьтеризированной системой, работающей в режиме реального времени.

Эта система по информации, получаемой от специально разработанных датчиков, контролирует, помимо положения и ориентации щитовой машины, процессы разработки и крепления забоя, транспорта в призабойную камеру щитовой машины бентонитовой суспензии, глинистой пасты или пены, выдачи из призабойной камеры шлама или смеси разработанного грунта с глинистой пастой или пеной, направленного расширения выработки с помощью копир-резца, тампонажа заобделочного пространства и т. п.

Параметры рабочих процессов отслеживаются непрерывно, и на базе этого срабатывает оперативная сигнализация о необходимости проведения мероприятий технического обслуживания и ремонта.

В процессе передвижки щитовой машины с суспензионным пригрузом осуществляется непрерывный контроль, с выводом информации на монитор пульта контроля и управления, за скоростью и длиной продвижения щитовой машины, за давлением подачи в призабойную камеру бентонитовой суспензии и плотностью её.

При создании в призабойной камере воздушной подушки, как это делается в щитовых машинах типа ТЩМ (СП)-Р1, ведётся контроль за давлением сжатого воздуха. Одновременно контролируется и при необходимости изменяется производительность питательного и транспортного насосов и плотность подаваемой суспензии и выдаваемого шлама.

Схема современной японской системы контроля и управления щитовым комплексом с щитовой машиной типа ТЩМ (СП)-Р1 показана на рис 26.

Приведённые на этой схеме цифры означают: 1 — главный пульт контроля и управления; 2 — ведение щитовой машины; 3 — преобразователи; 4 — контроль разработки забоя; 5 — контроль скорости продвижения; 6 — запись грунтовых условий; 7 — насос «F. D.»; 8 — камнедробилка; 9 — контроль выдвижения щитовых гидроцилиндров; 10 — активная мишень; 11 — гирокомпас; 12 — автоматические измерения показаний гирокомпаса; 13 — контроль выдачи шлама; 14 — контроль объёма разработанного грунта; 15 — фиксация мест налипания; 16 — транспортный (грунтовый) насос Р2; 17 — управление насосом Р2; 18 — нагнетание тампонажного раствора; 19 — блок обделки; 20 — лазер; 21 — смеситель; 22 — насос для подачи состава А тампонажного раствора; 23 — насос для подачи состава В тампонажного раствора; 24 — автоматический контроль нагнетания тампонажного раствора; 25 — измерение и контроль за нагнетанием; 26 — запись объёма и давления нагнетания; 27 — указатель «на поверхность»; 28 — автоматический мониторинг лазера; 29 — контрольная панель насоса нагнетания тампонажного раствора; 30 — контрольная панель процесса приготовления суспензии; 31 — мониторинг оборудования и измерение качества суспензии; 32 — резервуары для суспензии; 33 — контрольная панель питательного насоса Р1 подачи (нагнетания) суспензии; 34 — указатель «в тоннель»; 35 — питательный насос Р1; 36 — контроль давления суспензии; 37 — мониторинг приготовления тампонажного раствора и автоматический контроль смесителя; 38 — контрольная панель нагнетания тампонажного раствора; 39 — силос; 40 — резервуар для состава В; 41 — указатель «к сепарационной установке»; 42 — насосы РЗ-РЕ; 43 — контрольная панель питательного насоса; 44 — указатель «тоннель»; 45 — 1-й насос нагнетания тампонажного раствора; 46 — 2-й насос нагнетания тампонажного раствора; 47 — смеситель; 48 — компьютер для измерения, контроля и мониторинга.

Другая система марки УМТ ведения щитовой машины типа ТЩМ (СП)-Р2 с суспензионным пригрузом, роторным рабочим органом и воздушным регулированием величины пригруза была применена при проходке автодорожных тоннелей диаметром 13,75 м в Гамбурге и Москве (Лефортово).

В состав этой системы (см. рис. 27) входят:

✓ электронный теодолит 1 с лазерной трубкой и дальномером, снабжённый системой автоматического поиска центра мишени и позволяющий производить измерение горизонтальных и вертикальных углов и расстояний;

✓ «жёлтый ящик» 2, служащий для электропитания теодолита и лазера;

✓ две призмы-отражателя 3, служащих для вычисления направления оси теодолита;

✓ активная электронно-оптическая мишень 4, измеряющая угол попадания на неё лазерного луча;

✓ мини-призма-отражатель 5, прикреплённый к корпусу мишени и позволяющий измерять расстояние от теодолита до мишени;

✓ компьютер 6, установленный в кабине управления щитовым комплексом;

✓ устройство SLUM 7, установленное на эректоре и включающее пять дальномеров для измерения свободного пространства между внутренней поверхностью хвостовой оболочки щитовой машины и внутренней поверхностью последнего установленного кольца тоннельной обделки;

✓ устройство PLS 8, собирающее и передающее на систему управления с датчиков 9 данные о величинах выдвижения контрольных щитовых гидроцилиндров и с датчиков 10 — данные о величинах выдвижения управляющих гидроцилиндров, а с устройства SLUM — данные о величинах свободных зазоров;

✓ контрольный ящик 11, собирающий информацию с активной мишени и устройства PLS и передающий её в компьютер и на модем 12, служащий для передачи информации в поверхностный офис;

✓ монитор 13.

Данные, полученные указанной системой, а именно отклонение центров переднего и заднего сечений тоннельной машины от трассы в плане и профиле, угол крена, угол наклона и азимутальный угол, отражались на экране монитора и служили базой для принятия оператором управляющих действий с целью ликвидации имеющихся отклонений машины.

Эта ликвидация производилась с использованием специально разработанной программы «Кольцо САР», позволяющей осуществлять её по рассчитываемой траектории подгона к проектной трассе на длине нескольких колец тоннельной обделки.

Стабильность забоя в процессе проходки тоннеля с использованием щитовой машины с активным пригрузом его обеспечивается лишь в случае, если давление пригруза уравновешивает или превышает давление грунтовой воды и взвешенного в воде грунта.

В связи с тем, что инженерно-геологические условия по трассе тоннеля чаще всего изменяются, перед началом проходки производится расчёт контрольных величин необходимого пригруза для характерных сечений с различными условиями.

Существующие методики этого расчёта базируются на рассмотрении предельного равновесия грунтового тела потенциального скольжения, образующегося перед щитовой машиной и стремящегося под действием некоторой вертикальной нагрузки сдвинуться внутрь призабойной камеры, заполненной бентонитовой суспензией или интенсивно перемешанным разработанным грунтом, в том числе предварительно кондиционированным с помощью глинистой пасты или пены.

Эта нагрузка по одной методике создаётся в виде веса массы грунта, расположенной под разгружающим сводом, а точнее под куполом, возникающим над телом скольжения, а по другой — в виде веса столба грунта, частично удерживаемого силами трения, возникающими по его поверхности при оседании этого столба.

Для расчёта контрольной величины пригруза на забой щитовых машин типа ТЩМ (СП)-Р2 применяются, в частности, методики, разработанные французской фирмой «Кампенон Бернард» и НИЦ ТМ ОАО ЦНИИС и по некоторым исходным положениям отличающиеся друг от друга.

Расчёт величины пригруза с использованием этих методик и в частности давления бентонитового пригруза на уровне шелыги свода и давления воздуха в воздушном компенсаторе, то есть в пространстве между герметической диафрагмой и погружной стенкой высотой 8 м щитовой машины, был проделан по обоим методикам для 10-ти сечений трассы Лефортовского тоннеля, сооружённого с помощью щитовой машины диаметром 14,14 м фирмы «Херренкнехт».

По методике фирмы «Кампенон Бернард», расчётные величины давления пригруза в шелыге свода при изменении глубины заложения верха тоннеля от 7 до 28 м (с учётом коэффициента запаса, равного 1,5) изменялись от 0,96 до 2,7 кг/см², а по методике НИЦ ТМ — от 1,4 до 2,4 кг/см². В действительности величины давления пригруза в шелыге составляли от 0,75 до 2,5 кг/см², а величины давления воздушной подушки на суспензию, находящуюся на расстоянии 7,5 от шелыги свода, — от 1,6 до 3,6 кг/см², то есть расчётные величины пригруза корректировались с учётом опыта сотрудников французской фирмы «Vinci» («Винчи»), отвечающей за технологию проходки Лефортовского тоннеля.

Для щитовых машин с грунтопригрузом японская фирма «Мицубиси» рекомендует определять контрольную величину равномерно распределённого пригруза равной гидростатическому давлению грунтовой воды на уровне горизонтального диаметра щитовой машины с добавлением некоторой постоянной величины (при диаметре щитовой машины, равном 2,67 м, рекомендовано эту постоянную величину принимать равной 0,2 кг/см²). При этом в процессе проходки контрольная величина пригруза корректируется с учётом опыта оператора, осуществлявшего проходки в различных грунтах и на различных глубинах.

При применении в составе щитового проходческого комплекса тоннельной щитовой машины с грунтовым, в частности глинисто-грунтовым, пригрузом на пульт контроля и управления во время её передвижки поступает информация об объёмах, давлении и плотности глинистой пасты, подаваемой в призабойную камеру и в шнековый конвейер, а также об объёмах и плотности грунтово-глинистой смеси, выдаваемой из шнекового конвейера. Одновременно на пульт поступает информация о скорости вращения рабочего органа и винта шнекового конвейера, а также о давлении грунта и воды на герметическую диафрагму.

Перед началом проходки участка тоннеля с одинаковыми инженерно-геологическими условиями производится расчёт контрольного давления на грунт со стороны щитовой машины и в частности её герметической диафрагмы, гарантирующего стабильность забоя. Затем эта величина корректируется с учётом возникших во время проходки явлений осадки или выпучивания грунта, а также измерений количества подаваемой в забой пасты и количества выводимой из забоя грунтово-глинистой смеси.

Компьютеризированные системы контроля и управления для проходческих комплексов, включающих тоннельные машины типа ТЩМ (ВП)-Э с воздушным пригрузом забоя, до сих пор в России не применялись. Здесь используется только специальный пульт управления, размещаемый в верхней части щитовой машины.

На этом пульте оператор постоянно наблюдает отображение следующих показателей:

✓ давление сжатого воздуха в призабойной камере;

✓ расход утечки воздуха из призабойной камеры;

✓ давление рабочей жидкости в гидромоторе шнекового конвейера;

✓ давление рабочей жидкости в группах щитовых гидроцилидров;

✓ давление нагнетания тампонажного раствора;

✓ угол крена;

✓ угол наклона в вертикальной плоскости.

Оператор, установив на мишени величины отклонения щитовой машины от заданного лазером направления с учётом показаний креномера и инклинометра, нажатием соответствующих кнопок на пульте вводит в работу определённые группы щитовых гидроцилиндров, а при необходимости, управляющие гидроцилиндры.

В щитовых машинах типа ТЩМ (ВП)-Э фирмы «Бессак» устранение крена достигается поворотом опорно-центрирующего кольца, которое размещается в задней части шарнирного корпуса и в котором закреплены задние части щитовых гидроцилиндров.

В последние годы на герметических щитовых машинах большого диаметра всё чаще стали устанавливать специальную аппаратуру, дающую возможность обнаруживать твёрдые включения, в первую очередь валуны, находящиеся за несколько метров перед щитовой машиной, а также выявлять границы слоёв различных грунтов и места разуплотнений в них.

Один из видов такой аппаратуры был применён, в частности, на щитовой машине типа ТЩМ (СП)-Р2 диаметром 14,14 м, использовавшейся при проходке вышеупомянутого Лефортовского тоннеля диаметром 13,75 м в Москве (см. рис. 28).

Ультразвуковые датчики 1, расположенные на планшайбе рабочего органа, посылают частотно-кодированные сигналы, которые отражаются от твёрдого включения или любого другого препятствия 2, а также от границ слоёв 3 и принимаются специальными приёмниками и микрофонами 4. Результаты обработки полученных сигналов отражаются на экране компьютерного монитора 5.

Японская фирма «Тода Кэнсецу» выпускает импульсный радиолокационный детектор, антенна которого постоянно прикреплена к планшайбе рабочего органа и непрерывно в процессе работы щитовой машины передаёт сигналы на устройство обработки данных и далее на ПЭВМ, которая выводит на монитор информацию 2-х видов:

1) изображение напластований лба забоя с идентификацией различных по плотности грунтов и сигнализацией в случае опасности разуплотнения и вывала;

2) детекцию включений крепких пород, валунов, остатков подземных сооружений, фундаментов и т. п. с опережением лба забоя на 2—3 м.

Другая японская фирма «Хадзима Гуми» разработала систему сейсмолокации крепких включений, препятствий, пустот размером от 30 см, а также литологических контактов в грунтовом массиве с опережением лба забоя на 6—10 м. Предусмотрено 2 режима локации: упругими волнами звукового диапазона и волнами Рейли, в том числе совместно.

Приёмные датчики постоянно прикреплены к планшайбе. Время исследования 1—2 мин. и до 5 мин. Результаты применения волн Рейли могут быть пересчитаны в значения физико-механических параметров грунта.

Известная японская фирма «Обаяси Гуми» создала устройство для визуального осмотра лба забоя и призабойной камеры с использованием миниатюрной видеокамеры.

Особенности обеспечения безопасности рабочего персонала и охраны окружающей среды

Высокий уровень механизации работ по сооружению тоннелей современными щитовыми проходческими комплексами, описанными выше, существенно улучшил условия безопасности тоннельщиков, однако одновременно он увеличил специфические опасности, которые должны учитываться при разработке защитных мероприятий и разделов по безопасности в руководствах по эксплуатации и техническому обслуживанию поставляемых на стройку щитовых проходческих комплексов.

В первую очередь к таким опасностям относятся:

✓ опасность возникновения электроогня и распространения его на гидравлические масла;

✓ опасность поражения электротоком;

✓ опасности при шлюзовании и выполнении работ под сжатым воздухом;

✓ опасности, возникающие при перемещениях в условиях ограниченного пространства тяжёлых элементов (блоков тоннельной обделки, труб и т. п.);

✓ опасности падения и скольжения при пользовании пешеходными настилами и лестницами.

Частично мероприятия по защите от этих опасностей предусмотрены в соответствующих разделах «Правил безопасности при строительстве метрополитенов и подземных сооружений (1992 г.)» и «Правил по охране труда при производстве работ под сжатым воздухом (1980 г.)».

В некоторых щитовых комплексах последних годов выпуска для борьбы с опасностями возникновения и распространения в строящемся тоннеле пожара реализованы такие мероприятия, как устройство кабельных сетей и соединений из огнестойкого электрокабеля и использование в гидросистемах и механизмах биоразлагающихся и трудно воспламеняемых гидравлических масел и смазок, а также масел с точкой каплепадения, превышающей 180 °C.

Все щитовые машины с воздушным пригрузом обязательно оснащаются подсистемой пожаротушения, входящей в состав системы водоснабжения и включающей распылительные головки «сплинклер», брандспойт для подачи воды в призабойную камеру и брандспойт шлюзовой камеры.

Вредное воздействие на окружающую среду, которое может оказать щитовая проходка, выражается в осадках грунта, а также подземных и наземных сооружений и коммуникаций и в загрязнении разработанного грунта в случае внесения в него химических добавок, что имеет место, например, при применении пеногрунтового пригруза и производстве пенонапыления на забой в тоннельных щитовых машинах с воздушным пригрузом. Разрешение на использование таких добавок должно быть оформлено листом безопасности.

Выбор типа тоннельной щитовой машины

Таблица 1. Области применения тоннельных щитовых машин с активным пригрузом в зависимости от геологических и гидрогеологических условии

Для обоснованного выбора типа тоннельной щитовой машины, предназначающейся для проходки конкретного тоннеля или группы тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях, необходимо последовательно выполнить, после ознакомления с разделами 2 и 3 настоящей работы, следующие действия.

1) Рассмотреть и проанализировать геологический разрез по трассе будущего тоннеля или группы тоннелей, заключение по инженерно-геологическим условиям проходки и отчётные материалы, содержащие данные исследований физико-механических свойств грунтов, обратив особое внимание на:

а) наличие и положение слоёв водопроницаемых грунтов с выделением их на разрезе;

б) наличие и положение слоёв полускальных и скальных пород, а также глинистых грунтов полутвёрдой и твёрдой консистенции с выделением участков, где в сечении тоннеля эти слои перемежаются с мягкими (песчаными, глинистыми и илистыми) грунтами;

в) места возможного залегания валунов в сечении проходимого тоннеля с выделением этих мест на разрезе и указанием размеров этих валунов;

г) положение водоносных горизонтов и уровня воды расположенных по трассе проходки рек, проливов и водоёмов, а также величины максимального гидростатического давления грунтовой воды на уровне низа проходимого тоннеля;

д) наличие и положение мест нарушения структуры грунтов и зон карстовых проявлений;

е) наличие мест возможной встречи щитовой машины с топляками, фундаментами старых зданий и другими препятствиями.

2) Рассмотреть и указать на плане трассы и продольном разрезе размещение над тоннелем в пределах зоны обрушения наземных и подземных сооружений, парков, а также транспортных магистралей с определением и показом зон возможного выполнения с поверхности, при необходимости, работ по водопонижению, химзакреплению и замораживанию.

3) Рассмотреть специальные условия и обстоятельства будущего строительства щитовым способом с уточнением требований к устойчивости забоя и обделке тоннеля и определением величин допустимых осадок поверхности, зданий и сооружений и допустимых воздействий на окружающую среду.

4) Выбрать тип обделки тоннеля с учётом гидрогеологических условий заложения тоннеля и стоимости её изготовления.

5) С помощью данных табл. № 1 об областях применения различных тоннельных машин наметить два возможных альтернативных типа тоннельных машин, с помощью которых может быть в заданных инженерно-геологических условиях успешно проведена проходка тоннеля или группы тоннелей.

6) По каждому намеченному типу тоннельной машины произвести расчёты возможных осадок при проходке тоннеля, а также сроков и стоимости строительства.

7) На основе расчётов, проведённых по каждому намеченному для сравнения типу щитовой тоннельной машины, а также перспектив их дальнейшего использования определить наиболее приемлемый для применения тип тоннельной машины с учётом следующих положений, выработанных в результате анализа мирового опыта применения щитовых машин с активным пригрузом забоя:

а) щитовые машины с суспензионным и грунтовым пригрузом практически применяются во всём диапазоне грунтовых условий, встречающихся при щитовой проходке, начиная от водонасыщенных рыхлых песков и заканчивая крепкими скальными породами, в том числе при смешанном в любой комбинации забое, причём наиболее эффективно применение машин с суспензионным пригрузом в песчаных и песчано-глинистых грунтах, а машин с грунтовым пригрузом — в неустойчивых связных грунтах, в первую очередь — в илистых грунтах, пластичных супесях, а также в мягкопластичных суглинках и глинах; во всех других грунтах для достижения необходимой эффективности проходки должны приниматься дополнительные меры, такие как изменение плотности глинистой суспензии при применении щитовых машин с суспензионным пригрузом и нагнетание в забой глинистой пасты высокой плотности или пены при использовании щитовых машин с грунтопригрузом.

Примечание. По данным Международной Тоннельной Ассоциации, в Японии в 1994 г. удельный вес объектов, строившихся в илисто-глинистых грунтах щитовыми машинами с грунтопригрузом, составил 71 % (в том числе 43 % с использованием глинистой пасты), а машинами с суспензионным пригрузом — 19 %; в песках соответственно эти цифры составляли 57 % (48 %) и 34 %, в гравелистых грунтах — 78 % (68 %) и 10 %, а в мягких скальных и полускальных породах — 36 % (26 %) и 24 %;

б) щитовые машины с суспензионным пригрузом по сравнению с машинами с грунтопригрузом лучше поддаются ведению по заданному направлению; в них легче и оперативней осуществляется регулировка величины пригруза забоя, особенно при использовании воздушной подушки, быстрее и проще обеспечивается доступ в рабочую камеру, например, для замены резцов, создаются более благоприятные условия труда рабочего персонала в связи с отсутствием контакта в тоннеле с разработанной породой, которая может быть загрязнена;

в) щитовые машины с суспензионным пригрузом более пригодны, чем машины с грунтопригрузом для проходки в водонасыщенных грунтах при высоком гидростатическом давлении, так как в последних трудно поддерживать постоянное давление грунтовой воды в забое при открытиии затвора шнекового конвейера.

Примечание. По данным Международной Тоннельной Ассоциации, в Японии в 1994 г. удельный вес объектов, строившихся в водонасыщенных грунтах при гидростатическом давлении до 1 атм. щитовыми машинами с грунтопригрузом, составил 71 % (в том числе 57 % с использованием глинистой пасты), а машинами с суспензионным пригрузом — 14 %. При гидростатическом давлении в пределах 1—2 атм. эти цифры соответственно составляли 63 % (38) и 27 %, а при давлении свыше 2-х атм. − 47 % (36 %) и 47 %;

г) при частом появлении в забое щитовой машины с суспензионным пригрузом валунов и грубого гравия в ней должна быть обязательно предусмотрена установка в рабочей камере камнедробилки, а для успешной проходки в глинистых налипающих грунтах — установка рыхлителей, смесителей и водяных насадок; при наличии на трассе проходки больших валунов шнековый конвейер щитовой машины с грунтопригрузом должен быть оснащён винтом ленточной конструкции;

д) принятию решения о применении щитовой машины с суспензионным пригрузом должны предшествовать рассмотрение вопроса о наличии на шахтной площадке необходимой площади для размещения достаточно дорогой сепараторной установки необходимой производительности и подъездных путей, а также предварительная проверка сепарационной способности разрабатываемых при проходке грунтов (указанные вопросы практически полностью снимаются при применении щитовых машин с грунтопригрузом, так как для транспортировки разработанного грунта могут использоваться обычные средства внутритоннельнго транспорта);

е) при применении щитовых машин малого сечения с грунтопригрузом, особенно при значительном гидростатическом давлении, целесообразно выдавать грунт по тоннелю и на поверхность по трубопроводам с помощью насосов, для чего грунт предварительно должен обрабатываться пластификатором;

ж) щитовые машины с воздушным пригрузом наиболее целесообразны к использованию для проходки тоннелей диаметром не более 5,5 м в грунтах с низкой проницаемостью. В то же время их успешное и экономичное применение возможно во всех видах песчаных и даже в гравийных грунтах, в том числе с валунами, при наличии над тоннелем слоя водонепроницаемого или слабо проницаемого грунта.

Примечания.

1) Высокая фильтрация воздуха через забой может быть существенно снижена путём набрызга на него бентонитовой суспензии.

2) При наличии по трассе проходки грунтов с примесью растительных остатков и заторфованных грунтов щитовые машины с воздушным пригрузом, особенно при открытом забое, применять не рекомендуется из-за опасности возникновения пожара в рабочей камере машины.

з) При неоднократном изменении грунтовых условий по трассе тоннеля значительной протяжённости тип щитовой машины должен выбираться для условий, имеющих место на большей части длины тоннеля, при этом должна быть рассмотрена техническая и экономическая целесообразность применения щитовой машины с комбинированным пригрузом.

Приложения

Приложение 1

Краткий перечень тоннелей, пройденных в различных странах мира щитовыми машинами с активным пригрузом забоя

Книга Современные щитовые машины, 36.jpg

Иллюстрации к Приложению 1

1. Щитовая машина для проходки автодорожного тоннеля Вестершельде

Книга Современные щитовые машины, 37.jpg

2. Щитовая машина для проходки подводного автодорожного тоннеля под Токийским заливом

Книга Современные щитовые машины, 38.jpg

3. Проходка 4-го автодорожного тоннеля под р. Эльбой (г. Гамбург)

а) продольный профиль тоннеля
б) тоннельная щитовая машина

4. Проходка автодорожного тоннеля в Лефортово

а) продольный профиль тоннеля
б) тоннельная щитовая машина

5. Щитовая машина для проходки тоннеля метро в г. Мюльгейм (Германия)

Книга Современные щитовые машины, 43.jpg

6. Щитовой комплекс для проходки участка тоннельного перехода под проливом Ла-Манш

Книга Современные щитовые машины, 44.jpg

7. Щитовая машина для проходки тоннеля метро в г. Тайбее (о. Тайвань)

Книга Современные щитовые машины, 45.jpg

8. Щитовая машина для проходки ж-д. тоннельного перехода Сторебелт

Книга Современные щитовые машины, 46.jpg

9. Щитовой комплекс для проходки автодорожного тоннеля в г. Лионе (Франция)

Книга Современные щитовые машины, 47.jpg

10. Щитовая машина для проходки тоннеля Бутовской линии метро в Москве

Книга Современные щитовые машины, 48.jpg

11. Щитовая машина для проходки сточного тоннеля в г. Лионе

Книга Современные щитовые машины, 49.jpg

12. Щитовая машина для проходки сточного тоннеля в г. Бордо

Книга Современные щитовые машины, 50.jpg

13.Щитовая машина для проходки канализационного тоннеля в Москве

Книга Современные щитовые машины, 51.jpg

14.Щитовая машина для проходки ж-д.тоннеля Граухольц

Книга Современные щитовые машины, 52.jpg

15. Щитовая машина для проходки ж.-д. тоннеля г. Дуйсберга

Книга Современные щитовые машины, 53.jpg

16. Щитовой комплекс для проходки ж.-д. тоннеля Эоле в Париже

Книга Современные щитовые машины, 54.jpg

Приложение 2

Скорости проходки в 1985—1991 гг. французских тоннелей щитовыми машинами с активным пригрузом забоя

1. ТЩМ (СП)—Р1 и ТЩМ (СП)-Р2 с суспензионным пригрузом забоя

При проходке 12 тоннелей диаметром 3,95—9,25 м (метро в г. Лилле, метро и коллектор в г. Лионе, тоннель Ville just TGV, метро и коллектор в г. Тулузе, метро в Берлине) месячные скорости проходки на длине 27,8 км составили:

A) минимальная — 57 м/мес

Б) максимальная — 355 м/мес

B) средняя — 239 м/мес


2. ТЩМ (ГП) с грунтовым пригрузом забоя

При проходке 15 тоннелей диаметром 2,6—8,8 м и общей длиной 22,7 км (метро и коллектор в г. Каракасе, метро в г. Тулузе, тоннельный переход под Ла-Маншем, коллектор Ville nouve) месячные скорости проходки составили:

A) минимальная — 63 м/мес

Б) максимальная — 340 м/мес

B) средняя — 250 м/мес


3. ТЩМ(ВП) с воздушным пригрузом забоя

При проходке 4-х тоннелей диаметром 2,95—7,65 м общей длиной 5,4 км (тоннели в Париже и Гаудеране) месячные скорости проходки составили:

A) минимальная — 71 м/мес

Б) максимальная — 92 м/мес

B) средняя — 79 м/мес

Приложение 3

Осадки поверхности при проходке тоннелей щитовыми машинами с активным пригрузом забоя (по данным фирмы «Альпине Вестфалия»)

Книга Современные щитовые машины, 55.jpg

Приложение 4

Техническая характеристика проходческого комплекса КПЩМ-4ЭКП с кессонированным экскаваторным щитом (разработчик — ОАО «НТЦ» (проект № 12001); изготовитель — ОАО «Скуратовский экспериментальный завод»)

Книга Современные щитовые машины, 56.jpg
Книга Современные щитовые машины, 57.jpg
Книга Современные щитовые машины, 58.jpg
Книга Современные щитовые машины, 59.jpg
Книга Современные щитовые машины, 60.jpg
Книга Современные щитовые машины, 61.jpg
Книга Современные щитовые машины, 62.jpg

Иллюстрации к Приложению 4

Вид А—А
Вид Б—Б
Вид В—В

Конструктивный чертёж экскаваторного кессонированного щита:

1 — передняя часть корпуса щита с лобовой герметической диафрагмой;

2 — задняя часть корпуса щита;

3 — подвижное опорное кольцо задней части корпуса щита;

4 — соединительная накладка частей корпуса щита;

5 — щитовой гидроцилиндр;

6 — управляющий гидроцилиндр;

7 — встроенная шлюзовая камера;

8 — иллюминатор герметической диафрагмы;

9 — поворотная планшайба рабочего органа;

10 — телескопическая стрела рабочего органа;

11 — ковш-рыхлитель рабочего органа;

12 — привод планшайбы рабочего органа;

13 — шнековый конвейер;

14 — забойные плиты (на виде Б условно не показаны);

15 — блокоукладчик;

16 — трубопровод нагнетания уплотняющего раствора;

17 — моторизованное сопло подачи пены;

18 — дополнительное сопло подачи пены со стрелы рабочего органа;

19 — хвостовое полиуретановое уплотнение;

20 — распределитель смазки и пены;

21 — пульт управления


Фото экскаваторного кессонированного щита комплекса КПЩМ-4ЭКП в цехе завода в процессе изготовления

Источник

  • Азат Габбасович ВАЛИЕВ, Сергей Николаевич ВЛАСОВ, Владимир Павлович САМОЙЛОВ, «Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях», ЗАО «ТА Инжиниринг», Москва, 2003


[1 наблюдающий участник] 
Эта страница последний раз была изменена 1 мая 2015 в 17:20, автор изменения — участник Энциклопедия нашего транспорта Anakin. В создании приняли участие: участник Энциклопедия нашего транспорта Workweek
info2008 ≤co-бa-кa≥ nashtransport.ru
«Наш транспорт» © 2009—2017
Rambler's Top100