Современные щитовые машины с активным пригрузом забоя для проходки тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях (книга, часть 1)
Данное издание содержит информацию о современных типах тоннелепроходческих комплексов, выпускаемых различными фирмами-производителями в мире, их технических характеристиках и объектах, на которых они применялись. В брошюре даны рекомендации по выбору типа тоннельной щитовой машины для конкретных инженерно-геологических условий строящегося тоннеля.
Издание предназначено для специалистов, занимающихся строительством и проектированием тоннелей различного назначения, конструкторов тоннелепроходческого оборудования, а также студентов-тоннельщиков.
Содержание
Вводная часть
В течение последних 30-ти лет в технике и технологии щитовой проходки тоннелей произошли весьма существенные изменения.
В первую очередь эти изменения коснулись принципа работы и конструкции такого элемента щитовой проходки, как тоннельная щитовая машина, являющаяся главнейшей и определяющей в составе тоннелепроходческого комплекса, осуществляющего сооружение тоннеля. Было, в частности, создано несколько типов герметических щитовых машин, способных со средними скоростями в 200—300 м/мес и с осадками, не превышающими 20—30 мм, вести проходку тоннелей диаметром от 2 до 14 м в сложных инженерно-геологических условиях без обязательного ранее применения дорогих и трудоёмких специальных способов стабилизации водонасыщенных грунтов.
Эта способность была обеспечена в первую очередь использованием в щитовой машине так называемого активного пригруза забоя.
Такой пригруз, осуществляемый в виде давления на забой бентонитовой суспензии, нагнетаемой в призабойную камеру щитовой машины, или давления перемешанного в призабойной камере разработанного грунта, перемещающегося на забой вместе с щитовой машиной, обеспечивает в большинстве случаев полную устойчивость забоя. Активный пригруз в виде давления сжатого воздуха, нагнетаемого в призабойную камеру, уравновешивает гидростатическое давление, за счёт чего также повышается устойчивость забоя.
Применение герметических щитовых машин с активным пригрузом забоя, в свою очередь, потребовало выполнять такие технологические операции щитовой проходки, как тампонаж заобделочного пространства и блокирующее уплотнение грунта перед и вокруг щитовой машины на более высоком техническом уровне и с применением новых технических средств.
С использованием компьютерных технологий были созданы и успешно применены современные средства оперативного контроля за работой механизмов подземной и наземной частей щитовых проходческих комплексов, а также аппаратура для дистанционного контроля за положением щитовой машины и ведения её по заданному направлению с минимальными отклонениями от трассы проходимого тоннеля.
Применительно к новым щитовым машинам с активным суспензионным пригрузом было создано специальное сепарационное оборудование, позволяющее регенерировать бентонитовую суспензию с целью её повторного использования.
Применение щитовых машин с активным пригрузом потребовало также создания новых конструкций тоннельной обделки, обеспечивающих полную водонепроницаемость тоннельного сооружения немедленно по возведении её в хвостовой части щитовой машины.
Каждый тип тоннельной щитовой машины с присущим ему видом активного пригруза забоя применительно к инженерно-геологическим условиям имеет свою область наиболее эффективного применения. С учётом этого, а также в связи с чрезвычайно высокой стоимостью современного щитового оборудования и большой сложностью перехода на другой вид пригруза в процессе проходки тоннеля, перед руководством организаций, выигравших подряд на строительство тоннеля или группы тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях, возникает задача правильного выбора тоннельной щитовой машины, которая в первую очередь была бы в наибольшей степени совместима с ожидаемыми по трассе проходки инженерно-геологическими условиями, что гарантирует надёжность крепления забоя и предотвращение осадок поверхности. Основной целью настоящей работы является показ современного уровня щитовой тоннелестроительной техники и выполнения таких технологических операций щитовой проходки, как тампонаж заобделочного пространства, блокирующая стабилизация грунтов перед и вокруг щитовой машины, ведение щитовой машины и контроль за работой щитового комплекса.
Завершающий раздел работы предназначен для возможности производства выбора наиболее эффективного типа тоннельной щитовой машины до начала торговых переговоров с фирмой-изготовителем щитового оборудования. Следует иметь в виду, что в работе рассматриваются только тоннельные щитовые машины круглого сечения, осуществляющие сооружение тоннелей со сборной обделкой в сложных инженерно-геологических условиях. При этом под сложными инженерно-геологическими условиями при проходке тоннелей щитовым способом в настоящей работе имеются в виду условия, при которых открытие забоя в щитовой машине достаточно быстро сопровождается произвольными подвижками грунта внутрь щита, а возможно и тоннеля, и, как следствие, — существенными нарушениями естественного состояния грунтового массива, ведущими к недопустимым осадкам дневной поверхности, а также наземных и подземных сооружений, располагающихся над тоннелем. Указанные подвижки и все остальные возможные последствия, вплоть до затопления тоннеля, инициирует и осуществляет грунтовая вода, создающая явления взвешивания грунта, резкого ослабления в грунте сил внутреннего трения и суффозии грунта. Эти условия имеют место, прежде всего, когда тоннель проходит постоянно или периодически в слоях водонасыщеных гравелистых и песчаных грунтов, а также пластичных илистых и глинистых грунтов при любом их положении по высоте сечения тоннеля и когда невозможно или экономически нецелесообразно производство с поверхности работ по стабилизации этих грунтов. Сложными условия являются и тогда, когда подводный тоннель проходится в слоях трещиноватых и склонных к размыву полускальных грунтов. Сложными условия обычно считаются и в случае проходки тоннелей в условиях плотной городской застройки.
Классификация тоннельных щитовых машин с активным пригрузом забоя
Известные и широко применяемые в настоящее время тоннельные щитовые машины для проходки в сложных инженерно-геологических условиях (ТЩМ) в зависимости от вида активного пригруза забоя разделяются на 4 типа:
✓ ТЩМ с суспезионным (бентонитовым) пригрузом,
✓ ТЩМ с грунтовым пригрузом,
✓ ТЩМ с воздушным пригрузом,
✓ ТЩМ с комбинированным пригрузом.
ТЩМ с суспензионным пригрузом в основном оснащены роторным рабочим органом, ведущим разработку грунта по всей площади забоя, и значительно реже — фрезерно-штанговым рабочим органом, осуществляющим местную порционную разработку забоя, в результате чего этот процесс на длину заходки является более длительным.
Во всех ТЩМ с грунтовым и комбинированным пригрузом разработка забоя ведётся исключительно с помощью роторного рабочего органа.
Большая часть известных ТЩМ с воздушным пригрузом оснащена экскаваторным рабочим органом, в то время как их оснащение фрезерно-штанговым и роторным рабочим органом происходило достаточно редко.
В ТЩМ с суспензионным пригрузом и роторным рабочим органом используются 2 различных способа регулирования величиной пригруза, а именно объёмный и воздушный.
На рис. 1 представлена классификационная схема известных тоннельных машин с активным пригрузом забоя, и на этой схеме приведены классификационные индексы этих машин.
Конструктивно-технологические особенности и область применения тоннельных щитовых машин с активным пригрузом забоя
Каждая тоннельная щитовая машина с помощью установленных в ней механизмов и под управлением машиниста или оператора выполняет следующие основные операции по проходке тоннеля:
✓ разработку забоя с креплением его, чаще всего в процессе продвижения машины,
✓ выдачу разработанного грунта от забоя в тоннель с передачей его на средства внутритоннельного транспорта,
✓ возведение в хвостовой части машины очередного кольца тоннельной обделки.
Дополнительные механизмы и обустройства ТЩМ, кроме того, должны обеспечивать возможность выполнения работ по тампонажу заобделочного пространства во время продвижения машины и работ по нагнетанию в окружающий грунт блокирующего уплотнительного раствора.
По каждому типу ТЩМ с активным пригрузом ниже приводятся краткие сведения по конструкции машины, принципу её действия и области применения. При этом каждая рассматриваемая машина обозначается соответствующим индексом, приведённым на рис. 1.
Тоннельные щитовые машины типа ТЩМ (СП) с суспензионным пригрузом забоя
В соответствии с классификационной схемой (см. рис. 1) тоннельные щитовые машины ТЩМ (СП) делятся на 2 вида, а именно на машины ТЩМ (СП)-Р с роторным рабочим органом и машины ТЩМ (СП)-Ф с фрезерно-штанговым рабочим органом. Ниже приводится описание этих машин.
Тоннельные щитовые машины типа ТЩМ (СП)-Р с суспензионным пригрузом и роторным рабочим органомСоздание машин типа ТЩМ (СП)-Р почти одновременно осуществлялось в Японии и Германии. При этом японские фирмы-разработчики пошли по пути создания тоннельных машин, в которых величина пригруза, создаваемого в призабойной камере, регулировалась путём изменения производительности насосов подачи в неё бентонитовой суспензии и выдачи из неё шлама, образуемого в результате смешивания указанной суспензии с разработанным грунтом (объёмное регулирование). Германские фирмы стали осуществлять это регулирование путём изменения давления в воздушной подушке, создаваемой в специальном отсеке призабойной камеры (воздушное регулирование).
Оба типа щитовых машин ТЩМ (СП)-Р доказали свою полную и практически одинаковую работоспособность и эффективность, но в связи с тем, что они имеют некоторые конструктивные особенности, ниже приводится описание каждого подвида этих машин.