Публикации »

Щитовая проходка тоннелей

Всё ускоряющиеся процессы урбанизации ведут к стремительному увеличению населения городов и расширению их площадей. Так, только за 50 лет прошлого столетия территория Москвы увеличилась в три раза (для сравнения: территория Мехико за тот же период увеличилась почти в 10 раз!). В связи с ростом стоимости земли современные города растут вверх и «уходят под землю». Их подземное пространство используется для различных целей, но прежде всего для переноса с поверхности транспортных и инженерных коммуникаций. Речь идет о тоннелях различного назначения и различных диа-метров: автомобильных, метро, кабельных и канализационных. Скорость роста городов, однако, значительно опережает темпы строительства таких подземных сооружений, которое в России до сих пор ведется по большей части далеко не современными методами, результатом чего являются низкие скорости и качество строительства.

Решением этих проблем может быть лишь применение современных технологий конструирования тоннелей и высокоскоростных механизированных комплексов (ТПМК).

Способы проходки с применением ТПМК
Специальные механизированные щиты такого типа имеют роторный рабочий орган,герметичную призабойную зону, в которой используется активный пригруз, обеспечивающий устойчивость забоя и непросадочность проходки.
Наиболее распространенным, универсальным для различных грунтов и экономичным признан так называемый грунтовый (или шламовый) пригруз. Он позволяет эффективно работать в слабых, неустойчивых грунтах со смешанными и перемежающимися характеристиками.

Принцип действия ТПМК с грунтопригрузом забоя

Порода разрабатывается роторным рабочим органом ТПМК, оснащенным различным взаимозаменяемым режущим инструментом, соответствующим конкретным горно-геологическим условиям.
Забой удерживается контролируемым компьютером балансом сил между горным давлением перед ротором ТПМК и давлением домкратов продвига ТПМК, расположенных на задней части щита.
Разработанная ротором порода поступает в герметичную камеру внутри ротора, где происходит ее накопление до создания необходимого уровня избыточного давления. Затем порода отбирается из камеры при помощи шнекового конвейера с последующей перегрузкой на ленточный конвейер и далее — в породные вагоны для транспортировки из тоннеля.
Избыточное давление на забой регулиру-ется путем соизмерения скорости подачи щита на забой со скоростью и производительностью шнекового конвейера.
В призабойную зону и камеру ротора могут подаваться пена и полимеры для кондиционирования грунта и придания ему пластично-текучего состояния и обеспечения стабильного прохождения его через шнековый конвейер.
Режим грунтопригруза оптимален для проходки в глинах, илах, мелких песках, а также при быстроменяющейся геологии по трассе тоннеля, т. е. на большинстве объектов.
В отличие от других способов удержания забоя (например, бентонитовый пригруз), разработанный грунт не требует для своего вывоза специальной обработки (сепарации от бентонита), поскольку все применяемые при этом способе реагенты биоразлагаемы.
Этим, а также широтой диапазона грунтов для применения ТПМК с грунтопригрузом объясняется их распространенность как в мире, так и в России.

Сборка тоннеля из высокопрочных железобетонных блоков

Тоннельная обделка собирается внутри машины кольцами из железобетонных блоков с герметичными прокладками из эластомеров. ТПМК отталкивается набором домкратов от торца смонтированного кольца и продвигается на расстояние, равное ширине кольца, чтобы сразу за этим смонтировать следующее кольцо.
После закрепления блоков кольца специальными болтовыми связями за кольцо нагнетается тампонажный раствор, заполняющий строительный зазор между обделкой тоннеля и породой.
Проходка управляется оператором с пульта управления, расположенного в головной части машины. Ведение ТПМК по точно определенной траектории осуществляется при помощи высокотехнологичной системы ведения, специальной программы и бортового компьютера ТПМК.

Конструкция обделки тоннеля

Обделка тоннеля и соответствующая тоннелепроходческая машина полностью взаимозависимы, и ни та, ни другая не могут быть правильно рассчитаны без учета геометрии, технических и рабочих характеристик каждой из этих двух взаимозависимых систем.
Работа по проектированию обделки начинается с исследования геоподосновы и выбора соответствующей ей конструкции: форма блоков, тип уплотнений, связей, элементов для подъема и монтирования блока, закачки тампонажного раствора, типа армирования.
Затем с учетом характерных для проекта нагрузок (горное давление и строительные нагрузки) создаются аналитические модели. Анализ конструкции обделки производится с применением компьютерных моделей (анализ методом конечных элементов), которые позволяют моделировать взаимодействие обделки с грунтом, а также работу стыков и связей.
За конструктивным анализом следует структурный анализ для определения необходимых характеристик бетона и армирования, что завершается выпуском чертежей и спецификации.
Выбор формы блока — один из наиболее важных аспектов проектирования обделки. Традиционно больше всего распространены прямоугольные или конусные формы. Многообразие форм и размеров блоков в кольце позволяет применять конусную обделку в тоннелях малого диаметра (менее 5 м), поскольку при использовании в кольцевых швах шпилек вместо болтов скорость сборки кольца увеличивается.
На радиальных стыках блоки связываются между собой прямыми, диагонально расположенными болтами, завинчивающимися в пластмассовые закладные в бетоне. Аналогичные болты применяются и на кольцевых стыках прямоугольных блоков, однако на конусных блоках применяют самозащелкивающиеся шпильки.

Герметичность тоннеля

Герметичность обделки обеспечивается уплотнениями, устанавливаемыми по периметру торцов блока. Сжимаясь в межблочном пространстве под действием больших нагрузок при сборке кольца, эти уплотнения выдерживают большое давление водяного столба снаружи тоннеля и противостоят проникновению воды в тоннель. В большинстве случаев одинарное уплотнение из эластомеров достаточно для обеспечения герметичности тоннеля.
Крайне важна для герметичности тоннеля качественная закачка тампонажногораствора за обделку тоннеля. Она может производиться либо через хвостовые уплотнения ТПК (желательный вариант), либо через блоки обделки, используя специальные отверстия. Новые составы тампонажных растворов с активизацией процесса схватывания в зоне сопла придали большую контролируемость этому процессу. Монтаж блоков при помощи вакуумных захватов вместо механических получает все большее распространение.
Качество сборки обделки — чрезвычайно важный фактор, определяющий эффективность работы уплотнений. Ему при монтаже следует уделять особое внимание.

Фибробетон

Традиционно для армирования блоков применяются сварные армокаркасы. Тенденция последнего времени — использовать для этих целей стальные волокна (фибру). Однако фибра в качестве арматуры уступает армокаркасу по своей способности выдерживать нагрузки и пластичности. Поэтому в тех случаях, когда ожидаются значительные деформационные нагрузки (например, в сейсмических зонах), армирования одной лишь фиброй недостаточно.
Толщина обделки определяется исходя из требований к прочности конструкции, а также толщиной бетонного слоя над армокаркасом, размерами уплотнений, шпилек и закладных, а также ограничениями транспортного и рабочего веса. Длина блока (чем длиннее, тем выше скорость проходки) лимитируется возможными ограничениями габаритов в зоне монтажа, длиной хода штоков на цилиндрах продвига ТПК и радиусом кривых тоннеля.

Износоустойчивость канализационных тоннелей

Чтобы противодействовать агрессивным средам при сооружении канализационных тоннелей, используется высокопрочный бетон с добавлением кремнезема или зольной пыли. Хорошо работают цементы, устойчивые к воздействию серной кислоты (с низким содержанием С3А), однако в случаях, когда агрессивность среды слишком велика, полимерная защита бетона изнутри тоннеля является практически единственным решением. Для противостояния механическому истиранию обращаются к высокопрочному бетону.
Кабельные тоннели

Подходы к сооружению кабельных тоннелей такие же, как и к сооружению водопроводных и канализационных тоннелей: высокоточная сборная железобетонная обделка с герметизирующими уплотнениями, обеспечивающими гидроизоляцию. Такая обделка делает излишней вторичную обделку (рубашку).
Конструктивно эти тоннели имеют свои особенности, связанные прежде всего с монтажом в них полок и несущих конструкций для кабеля и систем обслуживания (монорельсовые подвесные тележки ), вентиляции и пожаротушения.
При изготовлении блочной обделки кабельных тоннелей применяется бетон с добавками полипропиленовых волокон, что значительно повышает его жаропрочность.

Прецизионные формы — основа качества высокоточных блоков

Качество и точность железобетонных блоков обделки тоннеля зависят от качества и точности форм для их изготовления.
Основа высокой точности изделия — тщательная и глубокая проработка проекта форм в полном соответствии с требованиями заказчика и в увязке с конкретной тоннелепроходческой машиной.
Проектная проработка составляет большую часть всего комплекса работ по изготовлению форм. Только при совместной инженерной проработке с участием конструкторов фирмы-производителя ТПК и производителя форм возможно разработать требуемый продукт.

Поточные линии — многократное увеличение производительности

Существуют две конфигурации линий по производству блоков: стационарная и «карусельная».
При стационарном варианте формы крепятся на фундаментах в цеху, а все операции, связанные с подачей армокаркаса, бетона, распалубки готового изделия производятся перемещающимися приспособлениями и обслуживающим персоналом.
При «карусельном» варианте формы устанавливаются на движущееся основание и последовательно перемещаются в зоны производства различных операций. При этом варианте увеличивается скорость производства, сокращается количество операций и потребность в обслуживающем персонале. Эта система позволяетавтоматизировать и компьютеризировать процесс производства и улучшить его управляемость.
Перед применением железобетонные блоки выдерживаются необходимое времядля полного набора прочности в соответствии с существующими регламентами. Поскольку этот срок достаточно велик, следует его учитывать при планировании работ по проходке, которые разумно начинать лишь при достаточном накоплении запаса готовых к монтажу блоков.

Заключение

Строительство современного надежного и герметичного тоннеля с высокой скоростью и качеством возможно лишь при правильной увязке всех вышеперечисленных компонентов: соответствующей грунтовым условиям машины, высокоточной и правильно расчитанной обделки и организации труда на строительной площадке.

Три основных условия для успеха и скорости проходки с применением ТПК
 -  Точная оценка горно-геологических условий по трассе строительства тоннеля, на основании которой, в свою очередь, принимается решение о конструкции машины, оптимально соответствующей этим условиям. Несмотря на то, что диапазон грунтов для той или иной конфигурации машины достаточно широк, неправильно полагать, что возможно создать некую универсальную машину, способную работать во всех грунтах.
 -  Для работы в слабых, смешанных и водонасыщенных грунтах оптимальной является технология грунтопригруза. Применяя современные и экологически нейтральные реагенты и системы кондиционирования грунта, ТПК с грунтопригрузом позволяют уверенно контролировать забой и достигать высоких скоростей проходки в меняющейся геологии.
 -  Важнейшей составляющей высокоскоростной проходки является тщательное и правильное предварительное планирование и организация работ, включающая расстановку персонала, откатку грунта на поверхность и дальнейшую транспортировку, свое-временную и четкую подачу блоков обделки, тампонажного раствора, реагентов для кондиционирования грунта и т. д.
 
ТПК для стесненных городских условий и относительно небольших по длине тоннелей могут иметь возможность собираться и разбираться в короткие сроки и запускаться из относительно небольших котлованов. Такая машина должна иметь модульную компоновку защитового оборудования, что позволило бы начинать проходку, не дожидаясь сборки всего «хвоста» комплекса, который в этом случае наращивается в стартовом котловане модуль за модулем по мере продвижения машины.

При хорошей организации работ и материально-техническом снабжении ТПМК с грунтопригрузом легко достигнуть скоростей в 15 и более метров готового тоннеля в 10-часовую рабочую смену.

Автор: А. А. Ремизов
Дата: 11.12.2006
Журнал Стройпрофиль 8-06
Рубрика: бестраншейные технологии




«« назад