CC BY
27
© C.B. Мазеин, M.A. Потапов, 2012
УЛК 622.272
C.B. Мазеин, М.А. Потапов
ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПЕНОГРУНТОВОЙ КОМПЕНСАЦИИ В ЗАБОЕ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА ДЛЯ ПРОГНОЗА АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА
Проведен анализ измеренных значений компенсационного давления на забой шита с грунтопригрузом в конкретном примере инцидента, разработаны рекомендации по расчету пригруза на строительстве тоннеля шитовым способом. Ключевые слова: шитовой механизированный комплекс, пеногрунтовый пригруз, контроль устойчивости забоя, датчик давления.
Тоннелепроходческий шитовой комплекс, работаюший с активным пригрузом забоя, является высокотехнологичным средством проходки перегонных тоннелей метро в сложных горно-геологических условиях. При проходке тоннелей шитами с закрытой головной частью в нарушенных породах активно поддерживается состояние равновесия с помо-шью специальной среды, противодей-ствуюшей давлению грунта и воды. Перед шитом с грунтовым пригрузом в качестве поддерживаюшей среды действует разрабатываемый ротором грунт, который в большинстве случаев пластифицируется добавлением пенных реагентов, то есть действует пе-ногрунтовая компенсация давления со стороны грунтового массива.
Давление грунта контролируется за счет регулировки скорости продвижения шита шитовыми домкратами или регулировкой скорости врашения шнекового транспортера. Чтобы достичь желаемой максимальной компенсации горного давления со стороны забоя, нужно увеличивать скорость передвижения шита и уменьшать скорость врашения шнекового транспортера, соблюдая баланс между этими показателями.
Значения давления пеногрунтово-го пригруза требуют предварительного расчета по трассе тоннеля. Чем обоснованней такой геотехнический расчет, тем выше безопасность и скорость тоннелестроения, поскольку случаются инциденты [1, 2], связанные с неожиданно резким поднятием давления пеногрунта и требуюшие оценки возможности прогноза таких явлений. В работе проанализированы измерения скачков компенсационного давления на шите диаметром 6,25 м на строительстве перегонных тоннелей метро в Москве.
Описание инцидента
25 февраля 2007 года в забое проходки перегонного тоннеля перед механизированным комплексом резко возросло давление в забойной камере. Оно достигло 3 бар (300 кПа) вместо максимальных проектных 1,5 бар, что вызвало аварийную остановку проходки, так как автоматическая блокировка отключила возросшее давление в гидравлике проходческих домкратов. До закрытия задвижки шнекового транспортера через него в тоннель произошел выброс воды с песком и галькой, вызвавший осушение и подвижку грунтового массива.
* ч
Ч\ —
~ 1 1 N 1
1X10 1X10 мм-1 0.01
до инцидента: спектральные максимумы на частотах 1.2-10-4 и 7,4-10-4 1/мм, периоды изменения давления 8,3 и 1,4 м
1x10 1X10 и -1 0.01
/Ь, мм
после инцидента: спектральный максимум на частоте 1,1-10_1/мм, период изменения давления 9,1 м
Рис. 1. Спектры частот (1/мм) изменения давления грунта в забое
S
S
Возник провал поверхности земли и дорожного полотна проезжей части размером 30 х 30 м и глубиной 0,5 м (Минская улица, г. Москва). Было принято решение продолжить проходку тоннеля в ручном режиме без автоматического ограничения давления на проходческих домкратах. Дальнейшая проходка перегонного тоннеля метрополитена производилась в условиях высокого давления в забойной камере (пики до 3,6 бар, среднее - 2,3 бар). Ниже приводятся результаты измерений давления пе-ногрунтовой компенсации.
Измерение давления грунта в забойной камере
Важным элементом в технологическом контроле на щите с грунтовым пригрузом является непрерывное измерение давления грунта в призабой-ной камере, которое во время проходки заходками по 1,4 м снабжает оператора щита информацией о стабильности обнажения забоя и о действующих напряжениях со стороны грунтового массива. Измерения выполняются / — датчиками грунтового давления, которые в количестве п=5 устанавливаются на разной высоте H¡ в напорной стенке щита. Измерение давления грунта Р, является частью функ-
ции системы сбора данных, предназначенной для документирования всего процесса проходки тоннеля — с одной стороны, и для управления отдельными параметрами по цепям регулировки — с другой стороны. Для анализа закономерностей изменения давления грунта в забое при проходке — вычисляем среднее давление Р, действующее на высоте оси щита диаметром О, по измеренным датчиками значениям Р-
Р = 0,5й± Р, / ± И, . (1)
Измерениями через каждые 10 секунд, что в среднем составляет 4 мм проходки, по длине около 94 м трассы тоннеля получено распределение давления Р до и после инцидента. Распределение носит колебательный характер, который может быть изучен с помощью Фурье- и вейвлет-анализа, как, к примеру в исследовании [3] была выявлена периодичность в пространственном неоднородном распределении деформаций массива горных пород. Нами по 16 тыс. точкам был проведен Фурье-анализ частотного спектра колебаний Р. Графики этих спектров, сглаженные скользящей медианой с окнами минимально
Рис. 2. Пример высотной эпюры давления с экстраполяцией (средние значения в циклах №1806, 1811-1813)
возможной шириной 28 мм, представлены на рис. 1.
Размер окна сглаживания соответствует продвижению шита за 1...2 оборота ротора, чтобы исключить влияние его биения [4, 5]. В результате получены: до инцидента - 2 равнозначных периода изменения давления значением ~1,4 м, соответствуюшим величине 1 заходки, и значением ~8,3 м, а после инцидента - период ~9,1 м, а величина заходки не оказывает влияния на периодичность. Значение 8,3.9,1 м периода вероятно связано с протяженностью основания опускаюшегося столба грунта над забоем [4]. Опускаюшийся вертикальный столб грунта зависит от изменяюшихся при разработке пород их свойств и от размеров шита, представляет собой вертикальную, параллельную плоскости забоя зону уплотненного грунта между зонами разуплотненного грунта. В этом случае можно предположить пре-
имушественно вертикальное пере-мешение грунта по трассе тоннеля вдоль разуплотненных зон под влиянием гравитации. Это представление подкрепляется натурными исследованиями горизонтально направленных внешних нагрузок с помошью измерений давления пе-ногрунтовой компенсации, имею-ших периодический характер по трассе тоннеля.
По обобшенному результату наблюдений периодичности колебаний Р по трассе получаем показатель Ь = (0,92. ..1,02) Ьщ, который можно рекомендовать при расчете прогнозного давления в забое, которое зависит от геометрии и веса опускаюше-гося столба. Длину основания опус-каюшегося столба грунта принимают равной длине грунтового клина перед забоем на высоте кровли выработки. В отечественной методике эту длину принимают: для горизонтальных выработок равной диаметру О тоннеля, для наклоненных под 30 градусов выработок - 1,2О. Этот показатель зарубежные исследователи [6] считают зависяшим от высоты выработки и наклона плоскости скольжения, который, в свою очередь, зависит от угла внутреннего трения грунта. Однако, данное геометрическое построение верно только для прямой поверхности (плоскости) скольжения, а в реальности поверхность скольжения криволинейна [7].
Экстраполяция эпюр давления для прогноза пригруза
Для определения высоты опус-каюшегося столба грунта была сделана экстраполяция высотных эпюр давления пригруза по пяти разновы-сотным точкам измерений с помо-шью прямых линий тренда (до пересечения с ординатой). При этом отмечена высокая величина достоверности
Рис. 3. Зависимость давления Р по оси шита от высоты Н столба грунта над осью шита (до инцидента)
аппроксимации (И2 = 0,51.0,84) измерений в физическом эксперименте [8].
На рис. 2 показан пример такой экстраполяции замеров средних значений Р в цикле № 1806, который предшествовал инциденту, и в циклах № 1811.1813 проходки перегонного тоннеля метро «Кунцевская» — Парк Победы» после инцидента, когда давление в забойной камере стало постепенно уменьшаться. Точка пересечения с осью V, соответствуюшей высотным уровням точек замера в забое от его лотка и действуюших напряжений массива над ним, определяет граничную высоту столба грунта Н, на которой горизонтальные напряжения уже не действуют. Каждая полученная таким образом прямая имеет вид:
Н = аР + Ъ .
(2)
Тогда при известной плотности грунта в массиве находим коэффициент бокового давления:
Л = 10,2/(а -у). (3)
Для циклов № 1811.1813 найден коэффициент X = 0,42±0,05 (1 вари-
ант - учет полных напряжений) для не взвешенного в воде суглинка с уг=2,2 т/м3, что говорит о жесткопластическом деформировании массива с возможным действуюшим диапазоном значений X = 0,43... 0,83. Необходимо делать пересчет давления при-груза, если этот расчет ранее был выполнен по упруго-пластической модели. Или можно принять значения X = 0,78±0,09 (2 вариант - учет эффективных напряжений) и объемного веса угв=1, 2 т/м3 для взвешенного в воде суглинка, что говорит об упругопластическом деформировании массива с диапазоном действуюших значений X = =0,33.0,70 и необходимости пересчета давления пригруза, если расчет давления ранее был выполнен по же-сткопластической модели. Однако полученные высоты столба грунта составляют Нс = Ь - О = 14,4±2,0 м = (2,3±0,3)*0, и с учетом погрешности измерений входят в шкалу высот столбов (2,0...3,0)*0 со сводообразо-ванием по Терцаги [9]. Поэтому здесь действует 1 вариант бокового давления (для жесткопластического массива без напора грунтовой воды), так как при 2 варианте высота столба была бы значительно больше, распространяясь до уровня водонапорного горизонта (по геологическому разрезу — до 35 м). Высота опускаюшегося столба грунта достигала уровня водонапорного горизонта непосредственно перед инцидентом в цикле №1806. Полученные в этом экстремальном случае значения высоты столба и рас-
считанного коэффициента 1=0,33 говорят об упругопластическом деформировании массива при плывуне. Таким образом, с помощью высотных эпюр давления грунта, которые строятся по усредненным показателям датчиков, расположенных в забое на разных уровнях, в процессе проходки был уточнен коэффициент бокового давления (по наклону эпюр и высоте опускающегося столба грунта).
Определение плотности пеног-рунта и параметров пеногенера-ции
Экспериментально полученная взаимосвязь высот Н [м] (от оси щита) опускающихся столбов и среднего давления Р [бар], действующего на высоте оси щита, является линейной вида
р = сн+а. (4)
График её средних значений в циклах №°1779...1806 (до инцидента) представлен на рис. 3 с коэффициентом корреляции К = 0,62, удовлетворительным для промышленного эксперимента [8].
Эту зависимость, полученную для интервала проходки в суглинках
плотностью уг = 2,2 [т/м3], используем для нахождения средней плотности пеногрунта упг [т/м3] в забое радиусом R [м]:
уш = 9,8d / R (5)
Полученное значение упг = 1,79 [т/м3] используем для вычисления действующего показателя FIR*, (Foam Injection Rate — доля пены в грунте [%], сжатой под давлением Р), характеризующего получаемый объем разрыхления, заполненный пеной:
FIR * = 100( y г -1ПГ)/ 1ПГ = 22,9%. (6)
Для несжатой пены ее вычисленная доля в грунте:
FIR = (1 + P) X FIR* = 46% . (7)
Таким образом, используя измеренные показатели давления пеног-рунтовой компенсации, для уточненного расчета этого давления можно определить протяженность основания высоту опускающегося грунтового столба перед забоем, действующий коэффициент бокового давления грунта и среднюю плотность пеногрунта, а также долю пены в грунте.
1. Крохалев Б. Г., Мазеин С. В. Оценка технологических параметров щитовой проходки при сложной геологии грунтов // Безопасность труда в промышленности. -№6. -2010. — С. 17-20.
2. Мазеин С. В., Потапов М. А. Пеног-рунтовая компенсация давления в забое тоннелепроходческого щита, ее контроль и прогноз // Горное оборудование и электромеханика. — М. -2011. -№ 4. — С. 12— 16.
3. Иофис М. А., Одинцев В. Н., Блохин Д. И., Шейнин В. И. Экспериментальное выявление пространственной периодично-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сти наведенных деформаций массива горных пород // ФТПРПИ. -№2. -2007.
4. Мазеин С. В. Исследование прижимного роторного усилия и опускания грунта для прогноза суспензионного пригруза в забое проходческого щита // Горное оборудование и электромеханика. — М. -2010. -№ 5. — С. 6-12.
5. Мазеин С. В. Использование характеристик прижима ротора для контроля запаса суспензионного пригруза при тоннельной щитовой проходке // Горное оборудование и электромеханика. — М. -2010. -№ 3. — С. 2-8.
6. Руководство по проектированию и строительству тоннелей щитовым методом / Пер. с англ. В. Е. Меркина, В. П. Самойлова. — М.:«Метро и тоннели». -2009. -448 с.
7. Duddeck H. Empfehlungen zur Berechnung von Tunneln in Lockergestein (1980). Herausgegeben vom Arbeitkreis Tunnelbau der Deutschen Gesellschaft fuer Erd- und Grundbau e.V. — Essen. Bautechnik. -57 (1980). — S. 349-356.
8. Шкуратник В. Л. Измерения в физическом эксперименте: Учеб. для вузов. — М.: АГН. -2000. -256 с.
9. German Committee for Underground Construction (DAUB) - Shield Statics Working Group, Recommendations for static Analysis of Shield Tunnelling Machines. Tunnel 7/2005.. [FH3
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Мазеин Сергей Валерьевич — кандидат технических наук, начальник отдела ООО «Тоннельная ассоциация России», e-mail: maz-bubn@mail.ru,
Потапов Михаил Анатольевич — главный инженер СМУ №162 ОАО «Трансинжстрой», e-mail: Potapov_ma@mail.ru
А
