СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ВЫРАБОТКИ ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК E21D9/06 E21D11/10 

Изобретение относится к горной промышленности и подземному строительству, в частности к щитовой проходке тоннелей различного назначения с использованием элементов сборной кольцевой железобетонной, чугунной или из любого другого материала обделки.

Известен способ сооружения тоннелей и коллекторов с использованием механизированного щита, при котором тампонаж заобделочного пространства производят через хвостовую торцевую часть оболочки щита непосредственно вслед за ее продвижением, а в качестве тампонажа используют эластичный материал, например, на основе пенополистирольных или пенополиуретановых смол (см. патент РФ №2259479, 2004).

Указанный способ сооружения тоннелей является материалоемким и требует применения дорогостоящих материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ сооружения тоннелей, коллекторов с использованием механизированного щита и сборных кольцевых обделок, включающий разработку грунта рабочим органом, тампонаж заобделочного пространства тампонажным раствором с ускорителем схватывания через отверстия в элементах сборной кольцевой обделки, описанный в патенте США №5645375, опублик. 1997-07-08.

Недостатком этого известного способа является невозможность вести ускоренную проходку с применением быстросхватывающегося тампонажного раствора из-за наличия опасности застывания тампонажного раствора при остановке проходки и прекращении подачи тампонажного раствора с ускорителем схватывания. По этой причине способ применяется преимущественно в ограниченных условиях при тампонаже устойчивых рыхлых пород со значительными кавернами и вывалами.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи, заключающейся в создании способа проходки тоннелей с применением тампонажного раствора ускоренного схватывания и одновременно с обеспечением возможности проходки в сложных гидрогеологических условиях, проведения технологических остановок для монтажа элементов кольцевой обделки, или для ликвидации нештатных ситуаций.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение производительности и улучшение технологичности производимых работ по проходке тоннеля, а также снижение трудоемкости преодоления нештатных ситуаций, возникающих при проходке.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе сооружения подземной выработки при щитовой проходке с использованием элементов сборной кольцевой обделки, включающем разработку грунта механизированным щитом и тампонаж заобделочного пространства через отверстия в элементах сборной кольцевой обделки, на начальном этапе проходки производят разработку забоя и заполнение части заобделочного пространства на длине 0,25-0,75 длины элемента сборной кольцевой обделки за первым после щита кольцом обделки тампонажным раствором с длительным сроком схватывания. Следующий этап разработки на длине 0,5-1,0 длины элемента сборной кольцевой обделки ведут с подачей в освобождающееся заобделочное пространство смеси тампонажного раствора с ускорителем схватывания. На следующем этапе - этапе технологической остановки щита для монтажа следующего кольца обделки давление тампонажного раствора в заобделочном пространстве за первым после щита кольцом обделки поддерживают путем подачи тампонажного раствора с длительным сроком схватывания в зону участка заобделочного пространства, первоначально заполненного этим раствором. Далее этапы разработки грунта и тампонажа заобделочного пространства повторяют.

При реализации предлагаемого способа в качестве ускорителя схватывания тампонажного раствора с длительным сроком схватывания используют раствор силиката натрия с плотностью 1,3-1,45 г/см³.

Предпочтительно использовать тампонажный раствор с длительным сроком схватывания при следующем соотношении компонентов, (на сухое) мас.%:

Бентонит 2-8 Зола-уноса 30-78 Цемент класса ЦЕМ-1-42,5Б 20-68

Приготовление тампонажного раствора с добавлением воды производят до водотвердого отношения В/Т 0,5 - 0,9.

Кроме того, ускоритель схватывания смешивают с тампонажным раствором с длительным сроком схватывания в количестве 2,5-15% по объему.

Описываемый способ сооружения подземной выработки при щитовой проходке с использованием элементов сборной кольцевой обделки наиболее успешно может быть применен в сложных гидрогеологических условиях заложения тоннеля, характеризующихся на отдельных участках наличием грунтовых вод, а также зон тектонической трещиноватости. При этом технологией нагнетания тампонажного раствора предусмотрено применение двухкомпонентного состава: двух отдельно подающихся компонентов, смешивание которых предусмотрено конструктивными особенностями системы их подачи и смешивания через технологические отверстия в сегментах колец обделки (кроме замкового элемента). Время начала схватывания должно исключать разбавление двухкомпонентного состава под действием гидростатического давления воды за обделкой тоннеля, ограничивать расход состава сверх нормативного при наличии зон тектонической трещиноватости, а также обеспечивать фиксацию колец обделки в пространстве по мере продвижения щитового комплекса по трассе тоннеля.

После подготовки и монтажа механизированного щита и необходимого оборудования приступают к разработке грунта. При этом весь цикл работы может быть представлен поэтапно следующим образом.

На начальном этапе проходки производят разработку забоя и заполнение части заобделочного пространства между обделкой и грунтом на 0,25-0,75 длины элемента сборной кольцевой обделки за первым после щита кольцом обделки тампонажным раствором с длительным сроком схватывания. Присутствие тампонажного раствора с длительным сроком схватывания в этой части заобделочного пространства обеспечивает надежную защиту щеточных уплотнителей в хвостовой секции щита от попадания быстросхватывающегося двухкомпонентного раствора: смеси тампонажного раствора с ускорителем схватывания.

Следующий этап разработки на длине 0,5-1,0 длины элемента сборной кольцевой обделки ведут с подачей в освобождающееся заобделочное пространство быстросхватывающегося двухкомпонентного раствора: смеси тампонажного раствора с ускорителем схватывания. При этом предпочтительно для получения быстросхватывающегося двухкомпонентного тампонажного раствора использовать тампонажный раствор с длительным сроком схватывания, в который вводят ускоритель схватывания. В качестве ускорителя схватывания может быть использован раствор силиката натрия. На этом этапе нагнетание быстросхватывающегося двухкомпонентного тампонажного раствора (одновременной подачей раствора двух компонентов) выполняют, поддерживая давление тампонажного раствора с длительным сроком схватывания между обделкой и грунтом за первым после щита кольцом обделки.

Тампонажный раствор с длительным сроком схватывания используют при следующем соотношении компонентов, (на сухое) мас.%:

Бентонит 2-8 Зола-уноса 30-78 Цемент класса ЦЕМ-I-42.5Б 20-68

Приготовление тампонажного раствора с добавлением воды производят до водотвердого отношения В/Т 0,5 - 0,9.

Ускоритель схватывания смешивают с тампонажным раствором с длительным сроком схватывания в количестве 2,5-15% по объему.

На следующем этапе производится технологическая остановка щита для монтажа следующего кольца обделки. Давление тампонажного раствора в заобделочном пространстве за первым после щита кольцом обделки поддерживают путем подачи тампонажного раствора с длительным сроком схватывания в зону участка заобделочного пространства, первоначально заполненного этим раствором через технологические отверстия в элементах кольцевой обделки.

Таким образом, по мере движения щита, на начальном этапе проходки через отверстие в элементе кольцевой обделки в заобделочное пространство нагнетается тампонажный раствор с длительным сроком схватывания. После того, как освобождается следующее, ближнее к щиту отверстие в этом элементе, через предыдущее отверстие начинается подача тампонажного раствора с ускорителем схватывания, на котором продолжают вести проходку до остановки щита на монтаж следующего кольца.

В случае непредвиденной остановки щитового комплекса для обеспечения прокачиваемости компонентов через инъекционное отверстие необходимо немедленно отключать подачу ускорителя схватывания и продолжать прокачивать тампонажный раствор с длительным сроком схватывания до автоматического отключения, связанного с достижением заданного давления. Прокачивание тампонажным раствором с длительным сроком схватывания обеспечивает очищение внутренних поверхностей инъектора и смесителя, что позволяет с учетом свойств ускорителя схватывания вести дальнейшее инъектирование после возобновления перемещения щита через те же инъекционные отверстия.

Пример конкретного выполнения способа.

При проходке наклонного (эскалаторного) тоннеля применен механизированный щит. Нагнетание тампонажного раствора в заобделочное пространство выполняют, поддерживая давление тампонажного раствора с длительным сроком схватывания (компонент «А») в зазоре между обделкой и грунтом и фиксируя в выработке положение колец обделки циклической подачей двухкомпонентного раствора, то есть одновременной подачей тампонажного раствора с длительным сроком схватывания (компонента «А») и ускорителя схватывания (компонента «Б»). При монтаже очередного смежного кольца обделки контроль давления раствора в заобделочном пространстве поддерживается компонентом «А».

Особенность технологии заключается в комбинированном нагнетании компонента «А» и системы компонентов «А» + «Б». При этом компонент «А» является тампонажным раствором с длительным сроком схватывания, стабильной подвижностью и способностью поступать в насосы и подаваться ими по трубопроводам без расслаивания и образования «пробок»; смесь компонентов «А» + «Б» - быстросхватывающейся; компонент «Б» - ускоритель схватывания растворов на цементной основе.

Каждый блок обделки шириной 1000 мм имеет по четыре отверстия для подачи тампонажного раствора за обделку (кроме замкового элемента).

По мере движения щита на начальном этапе проходки на участке 300 мм через отверстие в блоке в заобделочное пространство нагнетается компонент «А». Как только освобождается следующее, ближнее к щиту отверстие в этом блоке, через предыдущее (второе от щита) отверстие начинается подача смеси компонентов «А»+«Б», на которой продолжают вести проходку еще 700 мм до остановки щита на монтаж следующего кольца.

На период монтажа кольца для поддержания давления в заобделочном пространстве инъектор переподключается в освободившееся первое отверстие по ходу щита и контроль давления производится компонентом «А». После сборки кольца обделки щит продолжает движение, и все операции повторяются в такой же последовательности.

Такое технологическое решение обеспечивает заполнение пространства за щетками щита низковязким тампонажным раствором с длительным сроком схватывания компонентом «А» и обновляемым в процессе проходки, позволяющим избежать «прихватывания» щеток в результате преждевременного схватывания быстросхватывающегося тампонажного раствора, а также фиксацию тоннеля в пространстве в кратчайшие сроки смесью компонентов «А» + «Б».

Сроки схватывания компонента «А» и системы компонентов «А»+«Б» подбираются, исходя из скоростей проходки щитового комплекса и технологии транспортировки разработанной породы (заходки по 100 мм и время транспортировки и разгрузки скипа около 15 мин) и составили 40-50 мин.

На случай непредвиденной остановки щитового комплекса, для обеспечения прокачиваемости компонентов «А»+«Б» через инъекционное отверстие необходимо немедленно отключать подачу компонента «Б» и продолжать прокачивать компонент «А» до автоматического отключения, связанного с достижением заданного давления. Прокачивание компонентом «А» обеспечивает очищение внутренних поверхностей инъектора и смесителя, что позволяет с учетом свойств ускорителя схватывания компонента «Б» вести дальнейшее инъектирование после возобновления перемещения щита через те же инъекционные отверстия. Применение компонента «Б» в соотношении с компонентом «А» 1:20 обеспечивает возможность дальнейшего прокачивания компонентов через эти же инъекционные отверстия до 40 минут. Перед нагнетанием двухкомпонентного состава (компонентов «А» + «Б») за обделку эффективная работа и чистота внутренней поверхности инъекторов обеспечиваются при включении подачи компонента «А» на 30 секунд раньше включения подачи компонента «Б». Завершение процесса нагнетания за обделку осуществляется первостепенным отключением подачи компонента «Б» и через 60 секунд - компонента «А». При остановке на срок более 40 минут необходимо переставить инъекторы в другие технологические отверстия, расположенные по периметру кольца обделки ближе к хвостовой части щитового комплекса и включить подачу компонента «А» только после возобновления проходки.

Конкретный расход материалов на приготовление 400 литров тампонажного раствора с длительным сроком схватывания (компонент «А»):

Количество воды 220,00±1 л Масса бентонита (1 мешок) 21,50±0,1 кг Масса золы-уноса 218,50±1 кг Масса цемента 160,00±1 кг

Изобретение относится к горной промышленности и подземному строительству, в частности к щитовой проходке тоннелей различного назначения с использованием элементов сборной кольцевой обделки. Техническим результатом является повышение производительности и улучшение технологичности производимых работ, а также снижение трудоемкости преодоления нештатных ситуаций, возникающих при проходке. Способ сооружения подземной выработки при щитовой проходке с использованием элементов сборной кольцевой обделки крепи заключается в разработке грунта механизированным щитом. Тампонаж заобделочного пространства производится через отверстия в элементах тюбинговой крепи тампонажным раствором. На начальном этапе проходки производят разработку забоя и заполнение части заобделочного пространства на длине 0,25-0,75 длины элемента сборной кольцевой обделки крепи за первым после щита кольцом обделки тюбинговой крепи долгосхватывающимся тампонажным раствором. Следующий этап разработки на длине 0,5-1 длины элемента сборной кольцевой обделки крепи ведут с подачей в заобделочное пространство смеси тампонажного раствора с ускорителем схватывания. На этапе технологической остановки щита для монтажа следующего кольца тюбинговой крепи давление тампонажного раствора в заобделочном пространстве за первым после щита кольцом обделки тюбинговой крепи поддерживают путем подачи долгосхватывающегося тампонажного раствора в район участка заобделочного пространства, первоначально заполненного долгосхватывающимся тампонажным раствором. Далее этапы разработки грунта и тампонажа заобделочного пространства повторяют. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ сооружения подземной выработки при щитовой проходке с использованием элементов сборной кольцевой обделки крепи, включающий разработку грунта механизированным щитом, тампонаж заобделочного пространства через отверстия в элементах сборной кольцевой обделки тампонажным раствором, отличающийся тем, что на начальном этапе проходки производят разработку забоя и заполнение части заобделочного пространства на длине 0,25-0,75 длины элемента сборной кольцевой обделки за первым после щита кольцом обделки тампонажным раствором с длительным сроком схватывания, следующий этап разработки на длине 0,5-1 длины элемента сборной кольцевой обделки ведут с подачей в заобделочное пространство смеси тампонажного раствора с ускорителем схватывания, а вслед за этим, на этапе технологической остановки щита для монтажа следующего кольца обделки давление тампонажного раствора в заобделочном пространстве за первым после щита кольцом обделки поддерживают путем подачи тампонажного раствора с длительным сроком схватывания в зону участка заобделочного пространства, первоначально заполненного тампонажным раствором с длительным сроком схватывания, и далее этапы разработки грунта и тампонажа заобделочного пространства повторяют.

2. Способ сооружения тоннелей по п.1, отличающийся тем, что переход на нагнетание тампонажного раствора с ускорителем схватывания после первостепенного нагнетания тампонажного раствора с длительным сроком схватывания начинают после того, как из-под щеток щитового комплекса освобождается следующее инъекционное отверстие.

3. Способ сооружения тоннелей по п.1, отличающийся тем, что в качестве ускорителя схватывания в тампонажный раствор с длительным сроком схватывания вводят силикат натрия.

4. Способ сооружения тоннелей по п.1, отличающийся тем, что ускоритель схватывания смешивают с тампонажным раствором с длительным сроком схватывания в количестве 2,5-15% по объему.