Щитовые способы работ применяют при возведении подземных сооружений в сильнотрещиноватых (выветрелых и рухляках) скальных, мягких и слабоустойчивых грунтах, проявляющих горное давление, и требующих временного крепления кровли и лба забоя.
Проходческий щит представляет собой подвижную крепь, под прикрытием которой разрабатывают грунт и возводят постоянную обделку. Щиты различаются формой и размерами поперечного сечения, несущей способностью, способом разработки грунта и креплением лба забоя. Формы поперечного сечения щитов: круговая, сводчатая, прямоугольная, трапецеидальная и пр.
По способу разработки грунта различают немеханизированные и механизированные щиты. В первом случае грунт разрабатывается вручную или с применением ручных механизированных инструментов; во втором — все операции по разработке и уборке грунта полностью механизированы и выполняются специальным рабочим органом.
Технологию щитовой проходки назначают в зависимости от вида подземного сооружения, глубины его заложения, инженерно-геологических условий, типа щита и вида обделки.
Технология щитовой проходки состоит из следующих этапов:
— устройства пионерного котлована или шахты;
— производства вспомогательных операций, в случае необходимости: водопонижения, химического закрепления грунтов, замораживания и др.;
— погружения краном щита на заданную отметку разрабатываемой выработки;
— монтажа щита и оснащения его необходимым оборудованием;
— производства основных операций по проходке тоннеля, монтажу обделки, устройству гидроизоляции и выполнению вспомогательных работ.
При проходке тоннелей как немеханизированными, так и механизированными щитами основные горнопроходческие операции должны быть увязаны между собой во времени.
Основные несущие конструкции городских тоннелей, сооружаемых щитовым способом, выполняют в основном в виде обделок кругового очертания из металлических или железобетонных элементов, объединяемых между собой в продольном и поперечном направлении. Сборные обделки в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации строительства.
В соответствии с конструктивными особенностями и характером статической работы все сборные обделки кругового очертания разделяют на две группы: жесткие — со связями растяжения в радиальных стыках и гибкие — без связей растяжения в стыках.
Жесткие обделки предназначены для использования в слабоустойчивых и неустойчивых грунтах в условиях значительного горного и гидростатического давления. Их проектируют как с постоянными связями растяжения (на период монтажа и период эксплуатации), так и с временными связями растяжения (на период монтажа).
Гибкие обделки применяют в устойчивых грунтах, обладающих упругими свойствами, когда обделка работает совместно с окружающим грунтовым массивом. Такие конструкции устраивают без предварительного напряжения и с обжатием в грунт.
Применение вместо дорогостоящих чугунных и стальных обделок железобетонных, обладающих высокой несущей способностью, жесткостью и водонепроницаемостью, позволяет снизить расход материала на 80 — 85 %, а стоимость сооружения на 15 — 20 %.
В неводонасыщенных слабоустойчивых грунтах наиболее рациональны конструкции обделок из железобетонных тюбингов с временными связями растяжения.
В условиях возможного притока подземных вод применяют обделки из усиленных железобетонных тюбингов — ребристых блоков, имеющих ребра толщиной 250 — 300 мм и утолщенную оболочку (250 — 275 мм).
Прогрессивными являются обделки предварительно напряженной конструкции. При предварительном напряжении обеспечивается наиболее быстрое включение обделки в совместную работу с грунтом, обжатие и уплотнение радиальных стыков блоков, что способствует повышению трещиностойкости и экономии металла.
Обжатие создают с помощью гидравлических или винтовых домкратов, клиновыми блоками или специальными приспособлениями. Обжатые обделки работают совместно с окружающим их грунтом, при этом часть нагрузки воспринимается грунтовым массивом. Отсутствие зазора между обделкой и грунтом не требует первичного нагнетания за обделку цементного раствора и практически исключает осадку поверхности земли.
Эффективно применение железобетонных обделок повышенной водонепроницаемости (до 0,35 МПа) из бетона класса по прочности на сжатие В45 и марки по водопроницаемости W10 (изготовитель — Очаковский завод железобетонных конструкций Мосметростроя).
Успешно применяется конструкция сборной обделки из железобетонных элементов с неопреновыми уплотнителями в стыках, предназначенных для тоннелей, сооружаемых в мягких и слабых грунтах при гидростатическом давлении до 0,3 МПа. Обделка отличается повышенной прочностью, жесткостью и водонепроницаемостью и по прочностно-деформационным характеристикам приближается к обделкам из чугунных тюбингов.
В зависимости от крепости и степени устойчивости грунта следует применять различные схемы проходки тоннелей с возведением монолитно-прессованной обделки, являющейся наиболее рациональным видом обделок. Для этого применяют специальные щитовые комплексы типа ТЩБ с различными способами прессования бетонной смеси.
При проходке в песках и глинистых грунтах прессование бетонной смеси производят на участке хвостовой оболочки щита. После установки очередной секции опалубки через прессующее кольцо по бетонопроводу подают бетонную смесь. Прессование бетонной смеси производят щитовыми домкратами под давлением 2 — 4 МПа при передвижке щита, причем при сходе оболочки щита с обделки выполняют перепрессование бетонной смеси для заполнения образовавшегося зазора.
При проходке в скальных грунтах бетонную смесь укладывают на грунт и прессуют заходками по 35 и 30 см при неподвижном щите.
Унифицированная сборная железобетонная обделка, разработанная НИЦ ТМ ЦНИИСа (г. Москва), собирается из отдельных железобетонных элементов, которые могут быть сплошного (блоки) или ребристого (тюбинги) сечения. Особенностью конструкции является сопряжение блоков в кольце по цилиндрическим поверхностям и отсутствие связей между кольцами в продольном направлении. Эта конструкция обделки в наибольшей степени соответствует ее расчетной схеме и является экономичной.
Механизированные и автоматизированные щитовые агрегаты и комплексы для проходки тоннелей применяют:
— в плотных и сухих грунтах — с рабочими органами роторного, фрезерующего и экскаваторного действия;
— в несвязных грунтах естественной влажности — с горизонтальными рассекающими полками и погрузчиками;
— в слабых грунтах — с призабойными пригрузочными камерами, заполненными сжатым воздухом, водой, глинистым раствором, грунтом или пеногрунтом, а также разными стабилизирующими составами (миксощиты).
Применение щитов с активным пригрузом позволяет обеспечить устойчивость выработки и сохранность окружающего грунтового массива за счет создания повышенного гидростатического давления.
Способ активного пригруза — гидравлический (бентонитовый) или грунтовый (шламовый и пеногрунтовый), выбирают в зависимости от инженерно-геологических условий. При грунтовом пригрузе уравновешивание давления в призабойной зоне создается пластифицированной массой разработанного грунта, воспринимающей усилие от щитовых домкратов.
Основу отечественного парка щитов составляют механизированные щиты следующих типов: КЩ-2,1Б; ПЩМ-2,56; КЩ-3,23; ПМЩ-3,6; ПЩ-3,7; ПЩМ-4; KT1-5,6 и др. В последнее время для проходки коммуникационных тоннелей созданы щитовые комплексы КПЩМ-2,6СС и КПЩМ-2,5ЭМ со стреловым рабочим органом, щиты с горизонтально рассекающими полками, щитовой комплекс с роторным рабочим органом и др.
Организациями Мосинжстроя ежегодно сооружается свыше 15 км тоннелей со сборной железобетонной обделкой, используемых для укладки трубопроводов различного назначения, а также электросиловых кабелей связи.
При этом проходка тоннелей диаметром от 2,54 до 5,5 м ведется, как правило, с помощью экскаваторных щитов, изготавливаемых с 1981 г. по технической документации ОАО «Научно-технический центр» СКТБ Главмосинжстроя и оснащенных, при необходимости, поворотными подвесными забойными плитами.
Начиная с 1991 г., все вновь изготавливаемые щиты оснащают экскаваторными органами нижней установки, имеющими более высокую надежность и производительность по сравнению с органами верхней подвески.
Ввиду того, что все применяемые экскаваторные щиты не могут вести проходку в водонасыщенных грунтах без использования водопонижения или другого специального способа стабилизации грунтов, ОАО «Супр» Мосинжстроя (г. Москва) осуществляло в 1993 — 1997 гг. экспериментальное строительство «Тоннеля усиления Ново-Черемушкинского коллектора» с использованием роторного щита диаметром 2,7 м фирмы «Мицубиси», конструкция которого обеспечивала организацию в забое грунтово-глинистого пригруза путем нагнетания в забой глинистой пасты. Так как комплект наземного оборудования для приготовления глинистой пасты оказался весьма громоздким, был применен при проходке пенопригруз, для чего разработано и изготовлено специальное оборудование для приготовления и нагнетания пены заранее подобранного состава.
Высококачественную и эффективную щитовую технику разрабатывают английские фирмы «Маркхэм», «Доско», «Мак-Алпайн»; американские — «Роббинс» и «Мемко»; канадская — «Ловат»; германские — «Херренкнехт», «Баде унд Тилен», «Вайсс унд Фрайтаг», «Маннесман Демаг»; японские — «Мицубиси», «Кавасаки», «Исикаваима Харима» и др.
Проходка коллекторных и пешеходных тоннелей мелкого заложения щитами прямоугольного сечения более эффективна по сравнению со щитами кругового поперечного сечения, поскольку в последних площадь сечения используется лишь на 60 %.
Применяют прямоугольные щиты незамкнутого сверху профиля, которые требуют вскрытия дневной поверхности на протяжении тоннеля и щитовые агрегаты замкнутого прямоугольного сечения для проходки городских тоннелей мелкого заложения закрытым способом.
Основные преимущества прямоугольных щитов по сравнению с круглыми состоят в следующем:
— рационально используется все выработанное пространство;
— уменьшаются объемы разработанного грунта (примерно на 40 %) и снижается стоимость строительных работ;
— возможна проходка под инженерными коммуникациями;
— снижаются осадки поверхности земли в процессе проходки;
— повышается степень устойчивости тоннельной обделки к неуравновешенному давлению грунта, вызванному проходческими работами или устройством фундаментов вблизи строящегося тоннеля.
Щиты прямоугольного поперечного сечения целесообразно использовать в мягких и слабых грунтах.