Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров и разработка технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства при щитовой проходке

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров и разработка технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства при щитовой проходке"

На правах рукописи

ВИКУ ЛИН Андрей Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ТАМПОНАЖА ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ

Специальность: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ФЕВ 2014

Москва 2014

005545393

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор ШИЛИН Андрей Александрович

доктор технических наук, профессор ХЯМЯЛЯЙНЕН Вениамин Анатольевич, заведующий кафедрой теоретической и геотехнической механики ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» (г. Кузбасс);

кандидат технических наук ЩЕКУДОВ Евгений Владимирович, директор филиала ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства «Научно-исследовательский центр «Тоннели и метрополитены»

(г. Москва)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится « /г » Нарта 2014 г. в ОО. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

Официальные оппоненты:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « 7/ » 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

В.В. МЕЛЬНИК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном мире рост и развитие крупных городов неразрывно связаны с активным освоением подземного пространства, включающего в себя такие сложные и ответственные сооружения, как линии метрополитена, кабельные и канализационные коллекторы, автодорожные тоннели и т.д. Строительство подобных сооружений, как правило, ведется с применением механизированных тоннелепроходческих комплексов (далее ТПМК), одной из особенностей применения которых является образование в процессе проходки закрепного пространства, которое должно быть в кратчайший срок заполнено тампонажным раствором для предотвращения осадок дневной поверхности. Согласно исследованиям, проведенным рядом авторов, некачественный тампонаж закрепного пространства может явиться причиной существенных осадок дневной поверхности (до 70% от суммарного их числа, возникающих в результате проходки).

В настоящее время более чем в 90% случаев строительство тоннелей щитовым способом ведется с применением однокомпонентной технологии тампонажа закрепного пространства, которая не предусматривает возможности управления параметрами тампонажного раствора. Более сложная двухкомпо-нентная технология позволяет управлять лишь некоторыми параметрами тампонажного раствора, однако способы управления наиболее важными из них (время гелеобразования и время потери пластичности) к настоящему моменту не найдены. Невозможность управления параметрами технологии тампонажа закрепного пространства зачастую приводит к увеличению сроков строительства по причине частого выхода из строя тампонажного оборудования, что влечет за собой перерасход материала, замедление темпов строительства и, как следствие, увеличение стоимостных затрат.

В связи с этим обоснование параметров и разработка технологии двух-компонентного тампонажа закрепного пространства при щитовой проходке являются актуальной научной задачей.

Целью диссертации является обоснование и разработка технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства, что в совокупности обеспечивает увеличение темпов строительства и уменьшение стоимости там-понажных работ по сравнению с однокомпонентной технологией.

Идея работы заключается в замене неуправляемой однокомпонентной технологии тампонажа закрепного пространства на управляемую двухкомпо-нентную, основанную на оперативном регулировании пропорции подачи там-понажного раствора и ускорителя схватывания.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что изменение скорости проходки щитового комплекса находится в обратно пропорциональной зависимости от времени потери пластичности, которое при смешивании тампонажного раствора с ускорителем схватывания в пропорциях соответственно от 30:1 до 2:1 находится в обратно пропорциональной зависимости от количества ускорителя схватывания; при этом с уменьшением текущей скорости проходки количество ускорителя схватывания требуется уменьшать, а при увеличении скорости - увеличивать; в случае остановки щитового комплекса поддержание давления за обделкой осуществляется нагнетанием тампонажного раствора без ускорителя схватывания.

2. Вязкость двухкомпонентного тампонажного раствора при смешивании его с ускорителем схватывания находится в прямой кубической зависимости от времени, отсчет которого начинается с момента смешивания тампонажного раствора с ускорителем схватывания и заканчивается в момент образования тампонажного камня из гелеобразного материала.

3. Установлено, что регулирование вязкости и сроков схватывания двухкомпонентного тампонажного раствора позволяет обеспечивать непрерывную технологию нагнетания, увеличивая скорость проходки в 1,3 раза по сравнению с применяемой однокомпонентной технологией.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- значительным объемом экспериментальных исследований (более 300 экспериментов по управлению свойствами двухкомпонентного тампонажного раствора);

- использованием сертифицированного лабораторного оборудования и стандартизированных экспериментальных методов исследования свойств двухкомпонентного тампонажного раствора и тампонажного камня;

- качественной согласованностью теоретических положений распределения давления нагнетаемого за обделку двухкомпонентного тампонажного раствора с собственными экспериментальными данными и данными других исследователей;

- положительным результатом внедрения разработанного двухкомпонентного тампонажного раствора в сочетании с предложенной технологией его нагнетания за обделку при строительстве второго эскалаторного тоннеля станции метро «Марьина роща» Московского метрополитена;

- наличием патента Российской Федерации на изобретение (№2476675).

Научная новизна работы заключается в учете влияния физических

свойств применяемого двухкомпонентного тампонажного раствора на параметры технологии его нагнетания, а также в установлении способов управления данными свойствами.

Научное значение работы состоит в определении закономерностей изменения физических свойств двухкомпонентного тампонажного раствора в зависимости от задаваемых параметров технологии нагнетания.

Практическое значение работы состоит:

- в разработке способа сооружения подземной выработки при щитовой проходке тоннеля (патент на изобретение №2476675);

- разработке «Технологического регламента на приготовление и контроль качества тампонажного раствора для нагнетания за обделку эскалаторного тон-

неля станции «Марьина роща» при его проходке ТПМК RME430SE фирмы Lovât»;

- снижении более чем в 4 раза стоимости выполнения тампонажных работ по сравнению с однокомпонентной технологией.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований внедрены при разработке технологического регламента на приготовление и контроль качества тампонажного раствора для нагнетания за обделку эскалаторного тоннеля станции «Марьина роща» Московского метрополитена при его проходке ТПМК RME430SE фирмы Lovât. Положительный эффект от применения предложенной автором технологии подтверждается двусторонними актами между ЗАО «Триада-Холдинг» и ЗАО «Управление механизации Мосмет-ростроя».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на международной конференции «Российский опыт и развитие инновационных технологий при строительстве тоннельных объектов в г. Сочи» (Сочи, 2011), на 4 международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (Екатеринбург, 2013), на научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГГУ (2010-2013 гг.).

Публикации. Основные выводы и результаты диссертации отражены в 6 публикациях автора, в т.ч. 1 патенте на изобретение и 4 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 182 наименований, 3 приложений, 77 рисунков и 56 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе приведен анализ существующих технологий тампонажа закрепного пространства при щитовой проходке, методов определения основных технологических параметров тампонажа закрепного пространства и физических свойств тампонажных растворов. Значительный вклад в развитие теории

и практики строительства тоннелей с применением механизированных тонне-лепроходческих комплексов внесли Власов С.Н., Клорикьян В.Х., Меркин В.Е., Нигматуллин B.C., Панкратенко А.Н., Протосеня А.Г., Самойлов В.П., Федунец Б.И., Ходош В.А., Щекудов Е.В., Bezuijen A., Herrenknecht M., Lovât R., Peila

D., Pelliza S., Talmon A.M., Thewes M. и др.

В горном деле вопросами тампонажа в разное время занимались Дуда

E.Г., Заславский Ю.З., Комаров Г.И., Росстальной Е.Б., Трупак Н.Г., Хямяляй-нен В.А. и др.

Вопросам подбора и оптимизации состава тампонажного раствора посвящены работы Гиренко И. В., Закоршменного А. И., Немкова С. А., Куликова Ю. Н., Сарабеева В. Ф. и др.

Моделированием процесса тампонажа закрепного пространства в разное время занимались Akagi H., Bezuijen A., Bolton M.D., Fangle Peng, Feddema A., Han Yuewang, Hashimoto T., Jafari M.R., Kasper T., Komiya К., Shaoming Liao, Soga К., Swoboda G., Talmon A.M., Yun Bai, Yuan Xiaohui, Zhiren Dai, Zhong Xiaochun и другие.

Одной из особенностей строительства тоннелей щитовым способом является монтаж обделки будущего сооружения под защитой оболочки щитового комплекса. При этом между наружной поверхностью сборной обделки и окружающим ее породным массивом остается так называемое закрепное пространство шириной до 370 мм, которое по мере проходки должно в кратчайший срок заполняться тампонажным раствором. После качественного однородного заполнения закрепного пространства тампонажным раствором кольцо обделки вступает в работу совместно с окружающим породным массивом.

Нагнетаемый за обделку тампонажный раствор выполняет ряд важных функций, таких как удержание колец обделки в проектном положении, предотвращение осадок вышележащего грунтового массива, обеспечение равномерного контакта обделки тоннеля с грунтовым массивом, восприятие нагрузок от технологических платформ, расположенных за юбкой щита и т.п.

Применяемые в настоящее время технологии тампонажа закрепного пространства делятся на однокомпонентные и двухкомпонентные.

Несомненным достоинством однокомпонентной технологии является относительная простота состава и оборудования для нагнетания. Серьезный недостаток данной технологии заключается в невозможности регулировать сроки схватывания тампонажного раствора, в результате чего транспортировка его к месту нагнетания производится в вагонетках, значительно усложняя организацию работ в тоннеле. Кроме этого, возможно вымывание долго схватывающегося раствора грунтовыми водами, что ведет к образованию пустот за обделкой тоннеля. Приготовленный раствор быстро (через 4-6 часов) теряет свои первоначальные свойства, что при больших перерывах в нагнетании ведет к выводу из строя тампонажного оборудования в результате забивки, что в свою очередь влечет за собой увеличение сроков строительства и перерасход материала.

Ввиду вышеперечисленных недостатков однокомпонентной технологии тампонажа в настоящее время в мире разрабатываются и внедряются двухкомпонентные технологии, состоящие из цементно-бентонитового раствора (компонент «А») и ускорителя схватывания (компонент «Б»), Каждый из компонентов по отдельности является свободно текучим, хорошо перекачиваемым и сохраняет свои свойства на протяжении до 3-х и более суток. При смешивании компонентов «А» и «Б» через 5-10 секунд образуется гелеобразный материал, который на протяжении последующих 10-25 минут сохраняет свои пластические свойства, благодаря чему заполняет все пустоты за обделкой. Образовавшийся гель не вымывается даже активным водопритоком. Через 30 минут после смешивания компонентов «А» и «Б» образовавшийся гель теряет пластические свойства и начинает быстро набирать прочность.

Главное достоинство двухкомпонентной технологии тампонажа перед однокомпонентной заключается в возможности регулировать сроки схватывания путем смешивания компонентов «А» и «Б». Благодаря этому появляется возможность успешного применения данной системы в гидрогеологических условиях любой сложности; надежной и быстрой фиксации колец обделки в про-

ектном положении; транспортировки компонентов тампонажного раствора к месту нагнетания по трубопроводам с поверхности; значительного снижения частоты промывки тампонажного оборудования и экономии тампонажного раствора при длительных остановках щитового комплекса.

Однако помимо необходимости применения более сложного оборудования для нагнетания и сложности состава самого тампонажного раствора по сравнению с однокомпонентными растворами, серьезный недостаток существующих двухкомпонентных технологий заключается в невозможности регулирования времени гелеобразования и времени потери пластичности образующегося при смешивании компонентов «А» и «Б» гелеобразного материала. В результате этого при малых скоростях проходки, а также при строительстве наклонных тоннелей может происходить закупорка инъекционных отверстий, смесителей и форсунок гелеобразным материалом. Помимо этого, в процессе проходки при длительных (от 1 часа) остановках ТПМК зачастую возникают проблемы, связанные с невозможностью повторного использования одних и тех же тампонажных отверстий для продолжения нагнетания раствора при возобновлении проходки.

Нагнетание тампонажных растворов может производиться как через технологические отверстия, расположенные в блоках обделки, так и через «юбку» щита.

Технология нагнетания тампонажного раствора через отверстия, расположенные в блоках обделки, характеризуется простотой операций, связанных как с тампонажем закрепного пространства, так и с очисткой инъекторов в случае забивки. Однако при такой технологии выполнения работ отсутствует возможность их автоматизации - инъекторы переставляются вручную. Кроме этого, при длительных остановках ТПМК возможно возникновение ситуации, связанной с невозможностью дальнейшего нагнетания тампонажного раствора через отверстие, которое использовалось для этого ранее, по причине схватывания раствора за обделкой. В этом случае возобновление нагнетания тампонажного раствора возможно только после освобождения из-под щеток ТПМК сле-

дующего, ближнего к забою инъекционного отверстия, которое при наиболее неблагоприятном варианте будет располагаться в метре от предыдущего (при ширине блока обделки 1м). Данная ситуация влечет за собой опасность образования пустот за обделкой тоннеля.

Технология нагнетания тампонажного раствора через «юбку» щита позволяет автоматизировать данный процесс, увязав его с продвижением ТПМК по трассе тоннеля. Однако инъекционные отверстия в данном случае находятся за блоками обделки, что значительно усложняет доступ к ним в процессе ремонта. Кроме этого, применение данной технологии при строительстве наклонных тоннелей может привести к образованию пустот и частым выводам из строя тампонажного оборудования по причине забивки, когда закачанный за обделку тампонажный раствор под действием сил тяжести «сползает» к «юбке» щита.

Помимо задачи управления свойствами двухкомпонентного тампонажного раствора, нерешенным остается вопрос, связанный с распределением давления нагнетаемого за обделку тампонажного раствора. Чрезмерно высокое давление нагнетания приводит к вспучиванию дневной поверхности, фильтрации раствора через хвостовые уплотнения внутрь щитового комплекса и вытеканию раствора на поверхность или в забой. Слишком низкое давление нагнетания приводит к неполному и неравномерному заполнению раствором технологического зазора, что вызывает смещение кольца обделки, осевое смещение тоннеля, способствует просадкам поверхности и седиментации закачанного за обделку раствора с последующим образованием пустот, требующих повторного заполнения.

На сегодняшний день существует несколько методик теоретического определения давления закачиваемого за обделку однокомпонентного тампонажного раствора, однако ввиду существенных различий в реологических свойствах однокомпонентного и двухкомпонентного тампонажных растворов (вязкость двухкомпонентных растворов при смешивании с ускорителем схватыва-

ния значительно изменяется со временем) данные методики не могут быть применены для расчета двухкомпонентной технологии.

Для расширения диапазона применения двухкомпонентной технологии тампонажа закрепного пространства необходимо обладать знаниями, позволяющими подбирать оптимальные параметры технологии для различных условий применения, а также осуществлять поиск путей снижения материальных затрат за счет управления параметрами технологии двухкомпонентного тампонажа.

В этой связи обоснование параметров и разработка технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства являются актуальной научной задачей.

Во второй главе приведены результаты лабораторных и стендовых испытаний разработанного двухкомпонентного тампонажного раствора и технологии его нагнетания.

Для исследования свойств двухкомпонентного тампонажного раствора автором была разработана программа лабораторных испытаний, включающая в себя поочередное исследование свойств тампонажного раствора (определение подвижности и времени жизни, водоотделения, динамической вязкости, сроков схватывания, прочностных характеристик и выхода тампонажного камня), ускорителя схватывания (определение плотности, влияния плотности на технологические параметры тампонажа; влияние силикатного модуля на технологические параметры тампонажа) и гелеобразного материала, образующегося при смешивании компонентов «А» и «Б» (определение и управление временем ге-леобразования и временем потери пластичности; определение вязкости, сроков схватывания, выхода тампонажного камня и способности гелеобразного материала противостоять разрушающему воздействию активного водопритока).

Лабораторные испытания проводились на тампонажном растворе «Рекс-Тампонаж®», разработанном ЗАО «Триада-Холдинг». Данный раствор использовался при строительстве второго эскалаторного тоннеля станции метро «Марьина роща» Московского метрополитена. В состав раствора входили це-

мент, бентонит, зола-уноса и добавки стабилизирующего и пластифицирующего действия. В качестве ускорителя схватывания применялся раствор силиката натрия (жидкое стекло).

В результате проведения лабораторных экспериментов автором были установлены следующие способы управления временем гелеобразования:

1) Время гелеобразования прямо пропорционально зависит от плотности жидкого стекла (при уменьшении плотности жидкого стекла с 1,45 до 1,15 т/м3 время гелеобразования уменьшается с 16 до 7 секунд);

2) Время гелеобразования уменьшается обратно пропорционально увеличению силикатного модуля жидкого стекла (при увеличении силикатного модуля с 2,8 до 3,2 время гелеобразования уменьшается с 15 секунд до 1);

3) Время гелеобразования при смешивании компонентов «А» и «Б» двух-компонентного тампонажного раствора в пропорциях соответственно от 30:1 до 2:1 находится в прямо пропорциональной зависимости от количества ускорителя схватывания и изменяется в пределах от 5 до 79 секунд (рис. 1).

Кроме экспериментов по управлению временем гелеобразования автором также был проведен ряд экспериментов по управлению временем потери пластичности (время от момента образования гелеобразного материала до момента потери им подвижности в связи с преобразованием в тампонажный камень) гелеобразного материала. В результате были выявлены следующие закономерности:

1) Время потери пластичности находится в обратно пропорциональной зависимости от плотности жидкого стекла (при уменьшении плотности жидкого стекла с 1,45 до 1,15 т/м3 время потери пластичности увеличивается с 17 до 248 минут);

2) Время потери пластичности находится в обратно пропорциональной зависимости от силикатного модуля жидкого стекла (при увеличении силикатного модуля с 2,8 до 3,2 время потери пластичности уменьшается с 40 до 12 минут);

3) Время потери пластичности при смешивании компонентов «А» и «Б» двухкомпонентного тампонажного раствора в пропорциях соответственно от 30:1 до 2:1 находится в обратно пропорциональной зависимости от количества ускорителя схватывания и изменяется от 360 до 1 минуты (рис. 2). При этом скорость движения щитового комплекса находится в обратно пропорциональной зависимости от времени потери пластичности гелеобразного материла (рис. 3).

Количество ускорителя схватывании в объемных Пропорция смешивании "А" и "Б" (количество

долях от тамиоиажиого раствора "Б" в объемпых доли* от "А")

Рис. ]. Зависимость времени гелеобразова- Рис. 2. Зависимость времени потери пластич-ния от количества ускорителя схватывания ности от количества ускорителя схватывания

400

х

I 350

I 300

| 250 к

о 200

с 150

ё" 100 о

с 50 w

Ü. о

03 5 10 20

Скорость движения щитового комплекса, мм/мин

Рис. 3. Зависимость между скоростью движения шитового комплекса и временем потери пластичности гелеобразного материала

Наиболее эффективным из представленных выше способов управления

временем гелеобразования и потери пластичности является способ изменения

пропорции смешивания компонентов «А» и «Б». Однако положительный эф-

Объемное соотношение компонентов «А» и «Б»

фект в данном случае достигается только при уменьшении пропорции смешивания компонентов «А» и «Б» с традиционной 10:1 до 30:1, что позволяет увеличить время потери пластичности до 9 раз.

Комплексное управление временем гелеобразования и временем потери пластичности было достигнуто применением специально подобранной химической добавки, позволяющей более чем в 9 раз увеличить сроки гелеобразования (рис. 4), а время потери пластичности - более чем в 7 раз (рис. 5) по сравнению с контрольными образцами. При этом оптимальная концентрация достигается при введении 2-4 массовых долей (от количества цемента) добавки в состав сухой тампонажной смеси: в этом случае время потери пластичности увеличивается в 1,5-3,5 раза - с 50 минут до 1,5- 2,7 часов соответственно (рис. 5), а время гелеобразования - в 3-6 раз по сравнению с контрольными образцами (рис. 4). Дальнейшее увеличение количества добавки приводит к значительному (до 7 и более раз) увеличению времени потери пластичности, поэтому применение подобных составов целесообразно только при малых скоростях проходки (менее 1 мм/мин) для минимализации всевозможных рисков, связанных с преждевременным гелеобразованием и быстрым началом схватывания двухкомпонентно-го тампонажного раствора. При достаточно больших скоростях проходки (10 мм/мин и более) целесообразным является применение 3-4 массовых долей добавки для достижения оптимального соотношения между временем гелеобразования и скоростью набора начальной прочности тампонажным камнем.

Рис. 4. Зависимость времени гелеобразова- Рис. 5. Зависимость времени потери пластич-ния от количества добавки ности от количества добавки

Помимо лабораторных исследований по управлению свойствами двух-компонентного тампонажного раствора автором по согласованию с ОАО «Мосметрострой» были проведены стендовые испытания разработанного двух-компонентного тампонажного раствора и технологии его нагнетания за обделку. Стендовые испытания проводились на базе управления механизации Мос-метростроя (ЗАО «УММ»), В результате проведения данных испытаний была подобрана оптимальная конструкция инъектора; доказана необходимость применения инъектора со смесителем; определено время гелеобразования и потери пластичности для различных соотношений компонентов «А» и «Б»; определено время, в течение которого возможно повторное использование одних и тех же инъекционных отверстий для нагнетания тампонажного раствора в случае остановок ТПМК по различным причинам.

Результаты лабораторных и стендовых испытаний легли в основу управляемой технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства.

В третьей главе приведены разработанная технология двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства и обоснование ее параметров.

Для определения давления нагнетаемого за обделку двухкомпонентного тампонажного раствора автор использовал модель, разработанную Yuan Xiao-hui, Han Yuewang и Zhong Xiaochun, учитывающую как параметры нагнетаемого раствора, так и технологические особенности строительства, такие как диаметр тоннеля, размеры заобделочного пространства, скорость движения ТПМК и т.п. Однако данная модель не учитывает процесс изменения пластической вязкости тампонажного раствора, являющийся характерным для двухкомпо-нентной технологии, что существенно ограничивает область ее применения.

Закон изменения вязкости был установлен автором опытным путем в результате обработки полученных в ходе экспериментов массивов данных. Были построены кривые изменения вязкости для различного соотношения компонентов «А» и «Б» при различных значениях температуры. Например, при соотношении компонентов «А» и «Б», равном 20:1, и температуре Т — 20"С вязкость гелеобразного материала изменяется согласно следующему выражению:

ц = 3 ■ Ю-9 ■ г:3 - 7 • 1СГ5 ■ С2 + 0,4674 • С + 0,5 [Па • с], (1)

где t — время, отсчитываемое с момента смешивания компонентов «А» и «Б», с.

Проанализировав данное выражение, можно отметить, что в начальный момент времени, т.е. когда t = 0, вязкость тампонажного материала является величиной постоянной и равной 0,5 Па • с. С момента смешивания компонентов «А» и «Б» начинается отсчет времени, когда вязкость гелеобразного материала увеличивается в соответствии с приведенным выше выражением (1). Граничным значением для данного уравнения является время потери пластичности ге-леобразным материалом с последующим преобразованием в тампонажный камень. Для данного случая это время составляет 2 часа (7200 секунд). Вязкость гелеобразного материала при этом достигает значения в 1100-1200 Па-с (рис. б).

"А" - жидкий 1 тампонажный

"А" + "Б" ' камень

__гелеобразный твердый

"Б" - жидкий

Рис. б. График изменения пластической вязкости двухкомпонентного тампонажного раствора при соотношении компонентов «А» и «Б», равном 20:1, и температуре 20°С

Для теоретического определения давления нагнетаемого за обделку двухкомпонентного тампонажного раствора автор диссертации пользовался выражением, полученным Yuan Xiaohui, Han Yuewang и Zhong Xiaochun. При этом параметр динамической вязкости ¡г тампонажного раствора, входящий в данное выражение, изменялся согласно выражению (1). В результате была получена следующая система уравнений:

IX = 0,5 при С < 0, [Па ■ с]; ц = 3 • 10~9 • *:3 - 7 • 10"5 ■ С2 + 0,4674 -1 + 0,5 при 7200 > > 0, [Па • с]

12иЬ[п(гг - гп2) + 4Р(Г - г0)С] г , _ „ г „ , Р = Ро + ' ,2 ' 1п-+ рд(г-г0) зтб, [кПа],

7г(ЗЬеЬ2 - ЗЬ3 - г0

где ¡л - пластическая вязкость, Па-с; р0 - давление нагнетания тампонаж-ного раствора на выходе из инъекционной трубы, Па; Ъ - ширина технологического зазора, м; г - внешний радиус тоннельной обделки, м; г0 - внутренний радиус инъекционной трубы, м; V - скорость движения ТПМК, м/с; / - время от начала нагнетания, с; Ъе - высота ядра потока, м; р - плотность тампонажного раствора, кг/м3; % - гравитационное ускорение, м/с2.

Данная система позволяет определить давление за обделкой тоннеля с момента начала нагнетания двухкомпонентного тампонажного раствора = 0) до момента потери гелеобразным материалом пластичности = 7200). Полученное автором выражение изменения вязкости справедливо только для применявшегося им тампонажного раствора в сочетании с жидким стеклом определенной концентрации. Для определения давления любого другого нагнетаемого за обделку двухкомпонентного тампонажного раствора необходимо провести такой же комплекс испытаний, на его основании получить массив данных, после обработки которого получить уравнение для определения вязкости в зависимости от времени.

Апробация разработанной модели проводилась при строительстве второго эскалаторного тоннеля станции «Марьина роща» в Москве. Результаты значений давления представлены на графике (рис. 7). На основании представленного графика можно сделать следующий вывод: в начальный момент времени, когда щитовой комплекс начинает движение, тампонажному раствору требуется некоторое время, чтобы полностью заполнить технологический зазор, поэтому расчетное давление раствора в верхней части сечения тоннеля достигается не мгновенно, а спустя 5-10 секунд. Давление тампонажного раствора за обделкой практически полностью стабилизируется через одну минуту с момента начала нагнетания и в дальнейшем остается практически неизменным (не считая не-

значительного падения давления со временем в результате постепенного удаления щитового комплекса) до потери гелеобразным материалом пластичности и преобразованием его в тампонажный камень.

270*

Рис. 7. Распределение давления тампонажного раствора за обделкой тоннеля Результатом проведенных автором исследований по управлению свойствами двухкомпонентного тампонажного раствора, а также стендовых испытаний, направленных на обоснование параметров тампонажа, явилось создание управляемой технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства, внедренной при строительстве второго эскалаторного тоннеля станции метро «Марьина роща».

Технология предусматривает комбинированное нагнетание как только компонента «А», так и системы компонентов «А» + «Б». Сроки схватывания смеси компонентов «А» + «Б» подбирались исходя из скоростей проходки щитового комплекса и технологии транспортировки разработанной породы. Транспортировка породы осуществлялась скипом емкостью 10 м3, который заполнялся через каждые 100 мм проходки. Таким образом, при проходке одной заходки длиной 1000 мм необходимо было выполнить десять остановок. Время разгрузки скипа в зависимости от пройденного ТПМК расстояния составляло от 10 до 25 мин. Исходя из этого сроки схватывания компонентов «А» + «Б» в пропорции 20:1 были назначены в пределах 100-120 минут для исключения

возможности прихватывания щеточных уплотнений ТПМК и необходимости промывки тампонажного оборудования (инъекторов) после кратковременных остановок.

Каждое кольцо обделки шириной 1000 мм состояло из 6 крупноразмерных блоков и 1 замкового блока. В каждом крупноразмерном блоке имелось по 4 тампонажных отверстия. Эти отверстия в кольце обделки по ее периметру образовывали 2 ряда: первый ряд по ходу проходки резервный, а второй ряд - основной. Основной ряд тампонажных отверстий использовался для нагнетания на начальной стадии компонента «А» и последующего компонента «А» + «Б». Резервный ряд тампонажных отверстий был предназначен для нагнетания компонента «А» в случае остановки проходки более чем на 120 минут при еще скрытом оболочкой щита основном ряде отверстий в смежном (следующем ближнем к забою) кольце обделки. Нагнетание компонента «А» или «А» + «Б» выполнялось через любые 4 диаметрально расположенных отверстия в любом из рядов (основном или резервном).

На начальной стадии проходки в заобделочное пространство через основные инъекционные отверстия в блоках нагнетался компонент «А» с периодическими (3 раза) остановками через каждые 100 мм проходки для разгрузки скипа. После проходки 300 мм из-под щеточных уплотнителей на оболочке щита освобождался резервный ряд тампонажных отверстий. На этом этапе в основные отверстия начинали нагнетать компонент «А» + «Б», при этом процесс нагнетания за обделку начинался первоочередным включением подачи компонента «А» и через 30 секунд - компонента «Б». После проходки следующих 100 мм, необходимо было остановиться для разгрузки скипа. По команде оператора щитового комплекса за 60 секунд до остановки щита осуществлялось отключение подачи компонента «Б» и до остановки щита продолжалось нагнетание компонента «А». Во время разгрузки скипа давление в заобделочном пространстве поддерживалось компонентом «А». Последующие участки по 100 мм проходили с повторением описанных выше операций, пока щит не останавливался на монтаж очередного кольца обделки. Далее инъекторы поочередно переподклю-

чались в основные отверстия в следующем кольце обделки, расположенные ближе к хвостовой части щита, и давление за обделкой в процессе монтажа кольца поддерживалось подачей только компонента «А». После монтажа кольца обделки начиналась «новая» заходка и все операции проходческого цикла повторялись.

Технологическое решение, описанное выше, обеспечивает заполнение пространства за обделкой низковязким долгоживущим и обновляемым в процессе проходки компонентом «А», позволяющим избежать «прихватывания» щеточных уплотнителей в результате схватывания тампонажного раствора, а также фиксацию обделки тоннеля в пространстве в кратчайшие сроки (100-120 мин) компонентом «А» + «Б».

В четвертой главе рассмотрен опыт внедрения разработанной управляемой технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства, и приведена технико-экономическая оценка предлагаемых технологических решений.

Технико-экономическое сравнение предлагаемой автором двухкомпо-нентной системы тампонажа с традиционно применяемой однокомпонентной было проведено на примере строительства второго эскалаторного тоннеля станции метро «Марьина роща» Московского метрополитена. В процессе сравнения учитывались свойства растворов (сроки начала схватывания, время жизни, плотность готового тампонажного раствора и т.п.), возможные минимальная и максимальная скорости движения ТПМК, затраты на дополнительное обслуживание оборудования в случае применения однокомпонентной технологии и прочие факторы.

Для получения 1м3 тампонажного камня требуется 1667 кг сухой смеси однокомпонентного тампонажного раствора или 826 кг сухой смеси двухкомпонентного раствора и 50 литров (67,5 кг) ускорителя схватывания (при смешивании компонентов «А» и «Б» в пропорции 20:1). Такие существенные различия в количестве материалов объясняются разностью плотностей готовых там-понажных растворов: плотность однокомпонентного раствора составляет 2,05-

2,1 т/м3 при В/Т=0,22-0,24; плотность двухкомпонентного - 1,45-1,5 т/м3 при В/Т = 0,7-0,72.

Таблица 1

Экономические показатели использования однокомпонентной и двухкомпо-нентной технологий тампонажа

Сравниваемые показатели Технология тампонажа

Однокомпонентная Двухкомпонентная

Стоимость 1 кг сухой смеси, руб. 1,91 2,84

Стоимость 1 м3 тампонажного камня, руб. 3 188 2 953

Общая стоимость раствора на всю проходку, руб. 1 472 702 1 364 151

Время, затрачиваемое на обслуживание и промывку тампонажного оборудования, усл. ед. 1,3 1

Потери раствора при промывке оборудования (за весь период строительства), руб. 973 241 -

Амортизационные потери при простое ТПМК, выплата заработной платы рабочим и проч., руб. 3 335 000 -

Итого 5 780 943 1 364 151

Экономическое сравнение представленных выше данных показывает, что

стоимость сухой смеси однокомпонентного тампонажного раствора в 1,5 раза меньше, чем двухкомпонентного (см. табл. 1). Однако с учетом разности в плотностях и водотвердых отношениях готовых тампонажных растворов получается, что 1м3 тампонажного камня, полученного из однокомпонентного раствора, обходится на 8% дороже, чем из двухкомпонентного. При этом в случае использования однокомпонентного раствора неизбежны его потери по причине постоянной необходимости промывки тампонажного оборудования ввиду малого времени жизни раствора. Данные вынужденные потери делают применение однокомпонентной системы в 1,8 раза дороже, чем двухкомпонентной. Кроме того, во время промывки оборудования щит не может вести проходку, что влечет за собой увеличение времени строительства и возникновение амор-

тизационных и целого ряда прочих затрат, которые в конечном счете увеличивают стоимость строительства с применением однокомпонентной системы тампонажа более чем в 4 раза по сравнению с предлагаемой двухкомпонентной.

Также следует отметить, что данный экономический расчет не учитывает необходимости в контрольном нагнетании, которая, как правило, возникает при использовании однокомпонентных растворов, и ряда прочих факторов, которые еще больше удорожают конечную стоимость применения однокомпонентной системы тампонажа закрепного пространства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке технологии двухком-понентного тампонажа закрепного пространства, что в совокупности обеспечивает увеличение темпов строительства до 30%, а также уменьшение стоимости выполнения тампонажных работ по сравнению с однокомпонентной технологией более чем в 4 раза за счет управления свойствами тампонажного раствора и параметрами технологии двухкомпонентного тампонажа, что имеет существенное значение для строительной геотехнологии.

Основные научные и практические результаты работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Установлено, что вязкость двухкомпонентного тампонажного раствора находится в кубической зависимости от времени, отсчет которого начинается с момента смешивания компонентов «А» и «Б» и заканчивается в момент образования тампонажного камня из гелеобразного материала. При этом было установлено, что скорость увеличения вязкости зависит как от температуры гелеобразного материала, так и от пропорции смешивания компонентов тампонажного раствора. Чем выше температура материала, тем быстрее возрастает его вязкость. Увеличение количества жидкого стекла также влечет за собой повышение скорости увеличения вязкости гелеобразного материала.

2. Установлено, что управление временем гелеобразования и временем потери пластичности двухкомпонентного тампонажного раствора возможно

путем изменения силикатного модуля и плотности жидкого стекла, изменением пропорции смешивания тампонажного раствора с ускорителем схватывания; комплексное регулирование свойств раствора достигается применением специально подобранной химической добавки, позволяющей одновременно увеличивать как время гелеобразования, так и время потери пластичности.

3. Установлено, что качественное и однородное перемешивание компонентов «А» и «Б» достигается при смешивании их в пропорции 10:1 + 30:1 в инъекторе со смесителем. Нагнетание компонентов «А» и «Б» в пропорции 40:1 приводит к некачественному перемешиванию компонентов. Применение более сложной конструкции смесителя нерационально с точки зрения нарастания сопротивления движению потока смеси двух компонентов раствора.

4. Установлено, что сроки начала схватывания образцов при смешивании с компонентом «Б» на основе жидкого стекла варьируют от нескольких минут (при смешивании в пропорции 10:1) до 6 часов (в пропорции 30:1), что позволяет эффективно использовать технологию двухкомпонентного тампонажа в различных гидрогеологических условиях, влекущих за собой значительные изменения скоростей проходки.

5. Применение в качестве ускорителя схватывания жидкого стекла с силикатным модулем п > 2,8 является неэффективным, т.к. практически мгновенная активация процесса гелеобразования (1-3 секунды) создает 100%-ую опасность забивки тампонажного оборудования в случае перерыва в нагнетании на 1-3 секунды. В свою очередь малое время потери пластичности создает риск прихватывания и последующего отрыва щеточных уплотнений.

6. Определено, что при увеличении сроков начала схватывания двухкомпонентного состава за счет уменьшения количества компонента «Б» значительно снижается прочность тампонажного камня на начальном этапе. Таким образом, требуется увеличивать количество вяжущего (цемента) в составе компонента «А». Для того чтобы добиться одинаковых значений прочности на первые сутки твердения, необходимо 20-25% цемента (от массы всей сухой смеси) при смешивании с компонентом «Б» в пропорции 20:1, и 50-60% цемента при

смешивании в пропорции 30:1. При этом количество цемента (20-^60%) и пропорция смешивания компонентов «А» и «Б» (10:1-^-30:1) на конечную прочность тампонажного камня (на 28 сутки) влияют незначительно (в пределах 5-6%).

7. Проведенные стендовые испытания позволили сделать вывод о том, что перед нагнетанием двухкомпонентного состава за обделку тоннеля для обеспечения чистоты внутренней поверхности инъектора и смесителя следует включать подачу компонента «А» на 30 секунд раньше компонента «Б», а завершение процесса нагнетания за обделку осуществлять первостепенным отключением подачи компонента «Б» и через 30 секунд - компонента «А».

8. Предложено технологическое решение, заключающееся в комбинированном нагнетании как только компонента «А», так и системы компонентов «А» + «Б». При этом компонент «А» является тампонажным раствором с длительными сроками схватывания, а смесь компонентов «А» + «Б» - быстросхва-тывающимся двухкомпонентным составом. Сроки схватывания смеси компонентов «А» + «Б» подбираются исходя из скоростей проходки щитового комплекса и технологии транспортировки разработанной породы. Тем самым в случае длительных остановок ТПМК обеспечивается возможность продолжения нагнетания через те же инъекционные отверстия, что использовались до остановки.

9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенной автором управляемой технологии двухкомпонентного тампонажа по сравнению с традиционно применяемой однокомпонентной (на примере строительства второго эскалаторного тоннеля станции метро «Марьина роща» Московского метрополитена): увеличение темпов строительства на 30% и уменьшение конечной стоимости в 4,24 раза.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах автора:

1. Викулин А.М. Обоснование параметров технологии двухкомпо-нентного тампонажа заобделочного пространства при щитовой проходке // Транспортное строительство. - 2012. - №8. - С. 8-11.

2. Викулнн A.M. Тампонаж закрепного пространства при щитовом способе проходки тоннелей // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: Труды IV международной конференции, г. Екатеринбург, 21-22 мая 2013г. Изд. УГГУ, 2013. 215 с. - С. 45-49.

3. Немков С.А., Закоршменный А.И., Викулин A.M. Технико-экономическое обоснование рецептуры двухкомпонентного тампонажного раствора в зависимости от необходимых сроков его схватывания за обделкой тоннеля // Промышленное и гражданское строительство. - 2011. - №5. - С. 59-61.

4. Зафт АЛ., Немков С.А., Кучерова Т.Ю., Викулин А.М. Двух-компонентная система тампонажа с регулируемыми сроками схватывания и кондиционирование грунтов при строительстве наклонного хода станции метро «Марьина роща» // Транспортное строительство. - 2012. - №4. - С. 21-24.

5. Викулин A.M., Закоршменный А.И., Немков С.А. Выбор и обоснование состава и технологии нагнетания тампонажного раствора за обделку тоннеля // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск. Строительная геотехнология. - 2010. - №ОВ6. - С.268-278.

6. Шилин A.A., Немков С.А., Закоршменный А.И., Викулин A.M., Зафт А.Я., Карпухин М.С., Панкратов М.С. Способ сооружения подземной выработки при щитовой проходке тоннеля // Патент на изобретение № 2476675. Опубликовано 27.02.2013 Бюл. №б.

Подписано в печать. У/7.02.2014 г. Формат 60x90/16

Объем 1 печ. л._Тираж 100 экз._Заказ № ¿¿¿Я*

ОИУП Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Викулин, Андрей Михайлович, Москва

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201456071

ВИКУ ЛИН Андрей Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ТАМПОНАЖА ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА

ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ

Специальность: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Шилин А.А.

Москва 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ТАМПОНАЖА ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ.......................................9

1.1 Тампонаж закрепного пространства при щитовом способе проходки тоннелей.......................................................................................................................9

1.2 Анализ применяемых растворов и технологических схем их нагнетания.... 17

1.3 Анализ методов определения основных технологических параметров тампонажа закрепного пространства......................................................................31

1.4 Анализ физических свойств тампонажного раствора.....................................38

Выводы и постановка задач диссертационных исследования.............................41

ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ И СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА И ТЕХНОЛОГИИ ЕГО НАГНЕТАНИЯ.....................................................................................43

2.1 Программа лабораторных и стендовых испытаний........................................43

2.2 Методика проведения лабораторных исследований свойств тампонажного раствора......................................................................................................................44

2.3 Методика проведения стендовых испытаний свойств разработанного двухкомпонентного тампонажного раствора и технологии его нагнетания......54

2.4 Результаты лабораторных исследований физических свойств тампонажного раствора и их анализ.................................................................................................57

2.5 Результаты стендовых испытаний.....................................................................93

Выводы по 2 главе...................................................................................................104

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ТАМПОНАЖА ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА.... 106

3.1 Выбор схемы тампонажа..................................................................................106

3.2 Обоснование технологических параметров двухкомпонентного тампонажного раствора..........................................................................................107

3.3 Методика определения давления закаченного за обделку двухкомпонентного тампонажного раствора.......................................................111

3.4 Разработка технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного

пространства............................................................................................................119

Выводы по 3 главе...................................................................................................136

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТАННОГО ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА И ТЕХНОЛОГИИ ЕГО НАГНЕТАНИЯ И ОЦЕНКА ИХ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.............................................137

4.1 Опыт практического применения разработанного двухкомпонентного тампонажного раствора и технологии его нагнетания за обделку....................137

4.2 Технико-экономическое сравнение применения однокомпонентной и

предлагаемой двухкомпонентной технологий тампонажа.................................140

Выводы по 4 главе...................................................................................................151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................................153

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................................156

Приложение А. Результаты лабораторных испытаний двухкомпонентного

тампонажного раствора...........................................................................175

Приложение Б. Патент на изобретение.........................................................212

Приложение В. Акты по результатам применения............................................215

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В современном мире рост и развитие крупных городов неразрывно связан с активным освоением подземного пространства. В Москве, например, в соответствии с постановлением правительства к 2020 году протяженность одних только линий метрополитена планируется увеличить на 150 км. Помимо линий метрополитена подземная инфраструктура включает в себя такие ответственные и протяженные сооружения, как кабельные и канализационные коллекторы, автодорожные тоннели и т.д.

Строительство подобных сооружений, как правило, ведется с применением механизированных тоннелепроходческих комплексов (ТПМК). Одной из особенностей применения данных комплексов является образование в процессе проходки между внешней поверхностью обделки и породным массивом так называемого технологического зазора. Размер технологического зазора может достигать 370 мм, что составляет от 3 до 16% от внутреннего объема тоннеля. При этом подобные сооружения зачастую строятся в районах с уже сложившейся инфраструктурой, пересекают или располагаются в непосредственной близости от действующих транспортных магистралей, напорных газо- и водопроводов, кабельных и канализационных коллекторов, т.е. в условиях, когда малейшее смещение уровня земной поверхности может привести к катастрофическим последствиям.

Осадки, возникающие при проходке тоннелей с помощью ТПМК можно разделить на 4 группы: это осадки, возникающие перед забоем щита; осадки, проявляющиеся на уровне оболочки щита; осадки, возникающие из-за неправильного или несвоевременного тампонажа закрепного пространства, а также долговременные осадки, реализующиеся после удаления ТПМК на значительное расстояние. При этом согласно исследованиям, проведенных рядом авторов, до 70% осадок дневной поверхности (от суммарного их числа), возникающих в результате щитовой проходки, являются следствием некачественного или несвоевременного тампонажа заобделочного пространства. При применении однокомпонентных систем тампонажа данное явление главным образом

связано с невозможностью регулировать сроки схватывания тампонажного раствора в строго заданных временных рамках. Управление сроками схватывания предусмотрено в двухкомпонентных системах тампонажа путем смешивания долгосхватывающегося (до 3-х суток и более) тампонажного раствора с ускорителем схватывания. Возможность оперативного регулирования свойств тампонажного раствора является особенно актуальной задачей при условии того, что скорости проходки могут значительно изменяться в зависимости от гидрогеологических условий (от 1 метра в сутки и менее до 10 и более).

На сегодняшний день отсутствуют механизмы управления такими параметрами двухкомпонентных растворов, как время гелеобразования и время потери пластичности. Невозможность оперативного управления свойствами там-понажных растворов зачастую ведет к выводу из строя тампонажного оборудования в результате его забивки и, как следствие, к остановке проходки. Остановка проходки в свою очередь влечет за собой целый ряд расходов (амортизационных, расходов на утилизацию тампонажного раствора, расходов на ремонт оборудования и прочих), которые в итоге увеличивают конечную стоимость строительства.

Помимо управления физическими свойствами тампонажных растворов нерешенным остается вопрос, связанный с распределением давления нагнетаемого за обделку раствора применительно к двухкомпонентным системам. Чрезмерно высокое давление нагнетания приводит к вспучиванию дневной поверхности, фильтрации раствора через хвостовые уплотнения внутрь щитового комплекса и вытеканию раствора на поверхность или в забой. Это может вызвать повреждения элементов обделки, деформацию конструкций щита и другие нежелательные последствия. Слишком низкое давление нагнетания приводит к неполному и неравномерному заполнению раствором технологического зазора и тектонических пустот, что вызывает смещение кольца обделки, осевое смещение тоннеля, способствует просадкам поверхности и седиментации закаченного за обделку раствора с последующим образованием пустот, требующих повторного заполнения.

Применяемые в настоящее время на практике тампонажные растворы в сочетании с технологиями их нагнетания имеют как свои достоинства, так и ряд существенных недостатков. Одним из самых существенных недостатков является невозможность повторного использования одних и тех же инъекционных отверстий для продолжения нагнетания тампонажного раствора после остановки проходки на срок более 30-60 минут. В результате образуются пустоты за обделкой тоннеля и увеличиваются сроки строительства.

В связи с этим обоснование параметров и разработка технологии двух-компонентного тампонажа закрепного пространства при щитовой проходке являются актуальной научной задачей.

Целью диссертации является обоснование и разработка технологии двухкомпонентного тампонажа закрепного пространства, что в совокупности обеспечивает увеличение темпов строительства и уменьшение стоимости там-понажных работ по сравнению с однокомпонентной технологией.

Идея работы заключается в замене неуправляемой однокомпонентной технологии тампонажа закрепного пространства на управляемую двухкомпо-нентную, основанную на оперативном регулировании пропорции подачи тампонажного раствора и ускорителя схватывания.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что изменение скорости проходки щитового комплекса находится в обратно пропорциональной зависимости от времени потери пластичности, которое при смешивании тампонажного раствора с ускорителем схватывания в пропорциях соответственно от 30:1 до 2:1 находится в обратно пропорциональной зависимости от количества ускорителя схватывания; при этом с уменьшением текущей скорости проходки количество ускорителя схватывания требуется уменьшать, а при увеличении скорости - увеличивать; в случае остановки щитового комплекса поддержание давления за обделкой осуществляется нагнетанием тампонажного раствора без ускорителя схватывания.

2. Вязкость двухкомпонентного тампонажного раствора при смешивании его с ускорителем схватывания находится в прямой кубической зависимости от времени, отсчет которого начинается с момента смешивания тампонажного рас-

твора с ускорителем схватывания и заканчивается в момент образования там-понажного камня из гелеобразного материала.

3. Установлено, что регулирование вязкости и сроков схватывания двухкомпо-нентного тампонажного раствора позволяет обеспечивать непрерывную технологию нагнетания, увеличивая скорость проходки в 1,3 раза по сравнению с применяемой однокомпонентной технологией.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверяадаются:

- значительным объемом экспериментальных исследований (более 300 экспериментов по управлению свойствами двухкомпонентного тампонажного раствора);

- использованием сертифицированного лабораторного оборудования и стандартизированных экспериментальных методов исследования свойств двухкомпонентного тампонажного раствора и тампонажного камня;

- качественной согласованностью теоретических положений распределения давления нагнетаемого за обделку двухкомпонентного тампонажного раствора с собственными экспериментальными данными и данными других исследователей;

- положительным результатом внедрения разработанного двухкомпонентного тампонажного раствора в сочетании с предложенной технологией его нагнетания за обделку при строительстве второго эскалаторного тоннеля станции метро «Марьина роща» Московского метрополитена;

- наличием патента Российской Федерации на изобретение (№2476675).

Научная новизна работы заключается в учете влияния физических

свойств применяемого двухкомпонентного тампонажного раствора на параметры технологии его нагнетания, а также в установлении способов управления данными свойствами.

Научное значение работы состоит в определении закономерностей изменения физических свойств двухкомпонентного тампонажного раствора в зависимости от задаваемых параметров технологии нагнетания.

Практическое значение работы состоит:

- в разработке способа сооружения подземной выработки при щитовой проходке тоннеля (патент на изобретение №2476675);

- разработке «Технологического регламента на приготовление и контроль качества тампонажного раствора для нагнетания за обделку эскалаторного тоннеля станции «Марьина роща» при его проходке ТПМК RME430SE фирмы Lovât»;

- снижении более чем в 4 раза стоимости выполнения тампонажных работ по сравнению с однокомпонентной технологией.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований внедрены при разработке технологического регламента на приготовление и контроль качества тампонажного раствора для нагнетания за обделку эскалаторного тоннеля станции «Марьина роща» Московского метрополитена при его проходке ТПМК RME430SE фирмы Lovât. Положительный эффект от применения предложенной автором технологии подтверждается двусторонними актами между ЗАО «Триада-Холдинг» и ЗАО «Управление механизации Мосмет-ростроя».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на международной конференции «Российский опыт и развитие инновационных технологий при строительстве тоннельных объектов в г. Сочи» (Сочи, 2011), на 4 международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (Екатеринбург, 2013), на научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГГУ (2010-2013 гг.).

Публикации. Основные выводы и результаты диссертации отражены в 6 публикациях автора, в т.ч. 1 патенте на изобретение и 4 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 182 наименований, 3 приложений, 77 рисунков и 56 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ТАМПОНАЖА ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ ТОННЕЛЕЙ

1.1 Тампонаж закрепного пространства при щитовом способе проходки

тоннелей

Известно, что общая стоимость строительства тоннелей складывается из затрат на их сооружение и расходов на ликвидацию аварий и других непредвиденных негативных явлений, возникающих в процессе строительства. Вопросу совершенствования тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК) постоянно уделяется внимание специалистами стран, имеющих скоростной подземный электротранспорт. В настоящее время всемирно известные фирмы: Herrenknecht, Lovât, Robbins, Kawasaki, Mitsubishi - выпускают ТПМК, способные с высоким уровнем безопасности для работающего персонала проходить тоннели различного назначения практически в любых гидро- и горногеологических условиях, а также различного диаметра (от микрощитов диаметром 150 мм до 15 метров и более). Однако практика работы с использованием вышеупомянутых проходческих комплексов с различными активными пригрузами показывает, что вопросы совершенствования тоннелепроходческой техники и технологии производства работ еще существуют и требуют своего решения [1,2].

Отечественное транспортное тоннелестроение, постоянно развивающееся в русле мировых тенденций, в настоящее время представляет собой отрасль строительства, оснащенную самым современным высокопроизводительным оборудованием и механизмами от лучших мировых производителей. Благодаря высокой квалификации инженерно-технического персонала строек, проектировщиков и научному сопровождению с использованием этой техники были успешно реализованы сложнейшие даже по мировым меркам проекты строительства уникальных комплексов: Лефортовские и Серебряноборские тоннели в Москве, тоннели трассы «Адлер - Красная Поляна» в Сочи, восстановление линии метро на участке «размыва» в Санкт-Петербурге, реконструкции железнодорожных тоннелей в Сибири и на Дальнем Востоке и т. п. [3].

При этом основным способом строительства тоннелей в районах с плотной застройкой и на охраняемых природных и исторических территориях в городах бесповоротно становится закрытый способ на мелком заложении с применением ТПМК и конструкции крепи из сборных элементов. Это объясняется тем, что при строительстве метро мелкого заложения (5-15 метров от уровня земной поверхности) его стоимость в 2-2,5 раза дешевле глубокого заложения (30-40 и более метров). Однако, известно, что при строительстве метро глубокого заложения, при определенных условиях (значительная глубина заложения, высокий коэффициент разрыхления пород, отсутствие способности их к сводо-образованию и т.п.) может проявляться эффект самозабучивания и ослабление проявления деформации грунтов к поверхности. В то время как при строительстве метро мелкого заложения более рельефно ощущается влияние деформации грунтов, окружающих ТПМК, на близрасположенные на поверхности здания, сооружения и