Чтение онлайн

(1) Выбор на основе размера частиц пласта

Взаимосвязь между типом щита и размером частиц пласта для проходческого щита с балансом давления грунта без улучшения остатков почвы и щитов с балансом глинистой воды без дополнительных компонентов показана на рис. 3-6.

Рис. 3-6. Кривая зависимости размера частиц в пласте от типа щита

Как видно из рис. 3-6, проходческий щит с балансом давления грунта без улучшения остатков почвы наиболее подходит для диапазона размеров частиц менее 0.2 мм (синяя область) и приблизительно до 1.5 мм (серая область). Диапазон размеров частиц для щитов с балансом глинистой воды начинается от 0.01 мм до 80 мм (желтая область).

Щит с балансом давления грунта в основном подходит для строительства в глинистых слоях почвы, таких как мел, меловая глина, кремнистый мел, меловой песок и т. д. При рытье в глинистых слоях почвы, грунт, срезанный фрезой, попадает в отсек для грунта и затем выводится шнековой машиной, в шнековой машине образуется градиент давления для поддержания стабильного давления в отсеке для грунта.

В сущности, мелкозернистые остатки грунта легко образуют водонепроницаемые пластомеры, которые могут легко заполнить каждую часть грунтового отсека и сформировать эффект почвенной пробки в спиральной машине, которая может создать давление в грунтовом отсеке, чтобы сбалансировать давление почвы и воды на поверхности забоя.

Вообще говоря, когда общее количество порошковых и глинистых частиц в почве достигает более 40%, обычно целесообразно использовать щит с балансом давления грунта; в противном случае более подходящим является щит с балансом глинистой воды; абсолютный размер частиц порошка обычно определяется как 0.075 мм.

В частности, следует отметить, что при выборе щита на основе размера зерна пласта необходимо учитывать конкретные условия проекта. Хотя размер зерна пласта отличается для щитов с балансом давления грунта и щитов с балансом глинистой воды, как показано на рис. 3-7, щит баланса давления грунта подходит для глинистых, иловых, песчаных пластов с размером зерна 1.5 мм или менее без улучшения остатков грунта. Подходящий диапазон размера частиц пласта составляет от 0.01 до 0.80 мм.

При отсутствии добавок подходящий диапазон размеров грунта для щитов с балансом глинистой воды составляет от 0.01 до 0.80 мм для ила, песка, гравия, гальки и других пластов. Однако, если щит с балансом давления грунта модифицирован или в щите с балансом глинистой воды используютсясоответствующие добавки, то данные щиты подходят для одного и того же диапазона.

(2) Выбор на основе коэффициента проницаемости

Как показано на рис. 3-8, согласно европейскому и американскому опыту, когда коэффициент проницаемости пласта меньше 10-7 м/с, следует использовать щит с балансом давления грунта. Когда коэффициент проницаемости пласта больше 10-4 м/с, следует использовать щиты с балансом глинистой воды; когда коэффициент проницаемости находится между 10-7~10-4 м/с, то можно использовать как щиты с балансом глинистой воды, так и щит с балансом давления грунта.

Согласно японскому опыту, когда содержание глины в грунте составляет менее 10%, трудно сформировать глинистую пленку и поверхность забоя склонна к обрушению, поэтому не рекомендуется использовать щит с балансом глинистой воды.

(3) Выбор на основе давления грунтовых вод

Размер частиц пласта и коэффициент проницаемости пласта являются более ограничивающими для щитов с балансом давления грунта, чем для щитов с балансом глинистой воды. Основополагающей причиной этого является то, что выравнивающей средой для давления в щите с балансом давления грунта является шлак, а способом выгрузки шлака – шнековый механизм. Если размер частиц шлака слишком велик, а коэффициент проницаемости слишком высок, возникают два основных последствия: во-первых, потеря воды с поверхности забоя и невозможность установления выравнивания давления; во-вторых, шнековый механизм не может правильно выгружать шлак.

В щите с балансом давления грунта для выгрузки шлака используется винтовой конвейер (рис. 3-9). Давление земли постепенно ослабляется грунтовой камерой и винтовым конвейером и должно быть снижено до атмосферного давления, прежде чем оно достигнет шлакового окна винтового конвейера, иначе произойдет фонтанирование. Щит с балансом глинистой воды имеет глинистую пленку для предотвращения потери воды из пласта и шламовый насос для поддержания шлака под давлением, поэтому щит с балансом глинистой воды имеет преимущества, которых нет у щита с балансом давления грунта для высокого давления воды и высокопроницаемых пластов.

Рис. 3-7. Кривая зависимости типа щита от размера зерна пласта (фактическая)

Рис. 3-8. Взаимосвязь между типом щита и коэффициентом проницаемости пласта

Рис. 3-9. Схематическое изображение снижения давления в щите с балансом давления грунта

В общем, когда давление грунтовых вод меньше 0.3 МПа, предпочтительны щиты с балансом давления грунта; когда давление грунтовых вод больше 0.3 МПа, предпочтительны щиты с балансом глинистой воды.

В частности, следует отметить, что при выборе щита на основе давления грунтовых вод необходимо учитывать конкретные инженерно-геологические условия. Во-первых, когда давление воды превышает 0.3 МПа, следует увеличить длину винтового конвейера или использовать вторичный винтовой конвейер, если по геологическим причинам требуется щит с балансом давления на грунт. Во-вторых, когда эффект улучшения почвы не может удовлетворить эффект закупорки почвы и когда есть обильные грунтовые воды, даже если давление грунтовых вод менее 0.3 МПа, щит с балансом давления на грунт не подходит для использования.

При проведении строительства щитовых туннелей в этом типе пласта, хотя давление подземных вод составляет менее 0.3 МПа, если используется под пластом щит с балансом давления на грунт, шлак и вода находятся в раздельном состоянии и не могут перемещаться по шнековому конвейеру. Шлак в винтовом конвейере не может блокировать декомпрессию, не может сформировать эффект закупорки почвы, даже если использовать двойной винтовой конвейер. Поскольку как только люк винтовой машины откроется для выгрузки шлака, под действием давления воды винтовой конвейер будет вибрировать, в результате чего давление на поверхности забоя не может быть стабилизировано. Если используется насос для удержания давления, хотя давление на поверхности забоя может быть стабилизировано, шлак из шнековой машины содержит большое количество крупнозернистых камней, с которыми не может справиться насос для удержания давления, и шлак не может быть удален.

3) Краткий итог по выбору щита

Щит должен быть выбран на основе устойчивости поверхности забоя, инженерной и гидрологической геологии, размера зерен пластов, коэффициента проницаемости и давления грунтовых вод, а также с учетом практических особенностей конкретного проекта, чтобы гарантировать, что выбранный щит отвечает общим целям «стабильности (балансировки забоя), экскавации (фрезерование забоя грунта) и выгрузки (выгрузки грунта)».

В соответствующих пластах эффективны как щиты c балансом давления на грунт, так и щиты с балансом глинистой воды.

Преимуществами щита с балансом давления грунта являются высокая производительность выгрузки шлака, интуитивный баланс давления в грунтовом отсеке, относительно простое оборудование и эксплуатация; недостатком является то, что он плохо приспособлен к высокому давлению воды, и с его помощью трудно поддерживать стабильность неустойчивых поверхностей забоя и предотвращать потерю воды в высокопроницаемых пластах.

Щит с балансом глинистой воды имеет очевидные преимущества перед щитом с балансом давления грунта в контроле оседания и предотвращении потери воды в пластах, и может работать в пластах с высоким давлением воды и высокой проницаемостью. Недостатки заключаются в том, что он легко образует глинистую корку в глинистой горной породе, легко засоряется и трудно отделяется, легко срывается и разгружается в пластах с большим количеством крупногабаритных объектов, и легко ограничивается мощностью и сроком службы камнедробилки. Кроме того, по сравнению со щитом с балансом давления земли, щит с балансом глинистой воды имеет более высокую стоимость закупки, требования к площадке и уровень строительства.