АБСТРАКТНЫЕ

Выбор типа ТБМ никогда не бывает легким, но он становится особенно сложным, когда приходится сталкиваться с тоннелем из твердых пород с ожидаемым высоким расходом воды и давлением. Прокладка тоннелей Slurry Shield уже давно используется в этих условиях для минимизации риска, хотя этот метод сопряжен с другими рисками, а также с соображениями стоимости. В недавних проектах по всему миру был доказан еще один метод эффективного управления этими проектными рисками без использования туннеля Slurry Shield: экранированный тоннель с непостоянным давлением (NCP)-TBM в скале с комплексной программой цементации. В этой статье авторы проанализируют использование экранированных ТБМ NCP в проектах по всему миру по сравнению с проходкой тоннелей с шламовым экраном в горной породе под давлением воды. Рекомендации будут даны для того, чтобы установить четкую картину оптимального метода туннелирования.

СРАВНЕНИЕ ПРОХОДКИ ТУННЕЛЕЙ В СКЛАДЕ С ЭКРАНИРОВАННЫМИ ТОННЕЛЯМИ NCP-TBM

У операций по прокладке шламового туннеля есть определенные неотъемлемые черты, которые, по-видимому, обеспечивают более низкий уровень риска: вся операция герметизирована; сама пульпа транспортируется на поверхность через систему труб. Но так ли это на самом деле? Ниже мы расскажем об основных факторах риска проходки шламовых тоннелей по сравнению с проходкой шламовых тоннелей.
Для целей настоящего документа NCP-TBM определяется как туннелепроходческая машина непрерывного действия под давлением, которая может быть типа Single Shield Hard Rock или Crossover (Hybrid Rock/EPB). NCP-TBM способны изолироваться при давлении воды выше 20 бар с помощью герметизирующей переборки, когда это необходимо. Предназначена ли машина для статического удержания давления воды с помощью герметизируемого желоба для навоза или для бурения под давлением с помощью винтового конвейера, зависит от требований проекта.

Инспекции режущей головки

К проверкам режущей головки в горных породах следует подходить с иной точки зрения, чем к проходке туннелей в мягком грунте. При прокладке туннеля в скале с помощью машин любого типа необходимо регулярно проводить проверки; один раз за смену может быть требованием. Это отличается от проходки туннелей в мягком грунте, где чаще используются машины Slurry Shield, поскольку это тип геологии, для которого они изначально были разработаны. В условиях мягкого грунта проверки режущей головки часто планируются и основаны на установленном количестве метров, например, каждые 100 м. Подрядчики, привыкшие к проходке туннелей в мягком грунте, могут не осознавать, что при использовании шламовой ТБМ в скале проверки должны проводиться часто из-за повышенного расхода резцов.

Часто эти проверки в шламовых ТБМ требуют гипербарических вмешательств - операций с высоким риском, особенно при повышении давления воды. При давлении воды более 6,5 бар водолазам часто не разрешается входить в режущую головку, поэтому необходимо использовать цементный раствор или должен быть альтернативный план для снижения высокого давления. Гипербарические вмешательства с более высоким давлением примерно до 12 бар были успешно выполнены, но с каким риском? Давление в некоторых туннелях намного превышает 12 бар, что делает гипербарические вмешательства еще более дорогостоящими, рискованными и трудоемкими или невозможными.
Мы видели, как это подтверждается в недавних проектах, таких как линия 5 скоростной автомагистрали Хиросима в Японии. В рамках этого проекта шламовая ТБМ Robbins диаметром 13,7 м бурит гранитную породу. Подрядчик выбрал навозную жижу машину, потому что это был их исторический опыт, и они ожидали давления воды до 13 бар (Greger & Konda, 2019). Эта зона воды под высоким давлением занимала лишь небольшую часть общей длины туннеля, около 5 процентов (см. рис. 1).

Рис. 1. Вид режущей головки на 13,67-метровую (44,8 фута) шламовую ТБМ Роббинса для линии 5 скоростной автомагистрали Хиросима.

режущей головки, не потребовав гипербарического вмешательства, но эта стратегия пошла не по плану. Абразивная порода повредила фрезы и режущую головку до того, как они достигли безопасной зоны, что привело к незапланированным задержкам.
Безусловно, самым большим преимуществом использования экранированного NCP-TBM в горной породе, а не в шламе, является простота осмотра резцов и режущих головок. В зонах без давления и с частым или непрерывным цементированием можно регулярно осматривать режущую головку, не требуя дорогостоящих, трудоемких и часто рискованных операций под давлением или сложных процедур по удалению шлама из режущей головки. Частые проверки означают, что повреждения режущего инструмента и режущей головки могут быть обнаружены на ранней стадии, прежде чем они приведут к значительным простоям (см. рис. 2).

Рисунок 2. ТБМ Delaware Aqueduct Repair TBM диаметром 6,58 м (21,6 фута), машина с одним щитом, используемая в твердых породах и предназначенная для статического удержания высокого давления воды, является хорошим примером NCP-TBM.

Абразивный износ

В соответствии с вышеизложенным, абразивный износ в любом типе ТБМ может быть высоким в зависимости от абразивности материала — будь то камень, песок или что-то другое. Однако в машинах для производства шлама, которые дробят горную породу и направляют каменную крошку по системе труб, абразивный износ вызывает даже большую озабоченность, чем в машинах для твердых пород. Материал, извлекаемый шламовой ТБМ, постоянно находится в контакте с режущей головкой и режущими инструментами, что увеличивает время, в течение которого может происходить абразивный износ. Даже при использовании прочных шламовых трубопроводов точки перекачки и отводы труб потребуют более частой замены, что приведет к большему количеству задержек, связанных с удалением навоза, чем при типичной операции NCP-TBM с использованием конвейерной ленты.

Борьба с водными потоками

Если внезапные прорывы воды при высоком давлении воды представляют собой известный риск, NCP-TBM можно эффективно спроектировать для статического удержания давления с помощью герметичных желобов для навоза в переборке. Этот тип конструкции может использоваться в качестве клапана для сброса давления в режиме полу-EPB, открывающегося под давлением и позволяющего дозированно выбрасывать навоз на ленту. Или, в крайнем случае, можно активировать герметичные ворота и использовать буры с зондом / цементным раствором, чтобы продвигать бур и цементный раствор для укрепления грунта и перекрытия воды. Дополнительные уплотнения вокруг основного подшипника могут быть заполнены смазкой под давлением, а другие уязвимые места могут быть герметизированы таким же образом.

Crossover TBM также может быть спроектирован для бурения под давлением за счет использования винтового конвейера, установленного в центре. Длинный винтовой конвейер можно использовать для снижения высокого давления воды, а на лопасти винтового конвейера можно добавить износостойкое твердое покрытие для предотвращения абразивного износа. В таких условиях машина может работать непрерывно при давлении, скажем, 3 бара и последовательно при высоком давлении 15-20 бар. Примером этого является Метро Мумбаи, текущий проект с использованием двух ТБМ Robbins Crossover. В этих машинах центральный винтовой конвейер способен изолировать/удерживать давление, поэтому ТБМ может непрерывно бурить или работать с использованием винтового конвейера в последовательном порядке. Расточка производится, когда мелких частиц недостаточно для образования пробки.

Последовательная операция выполняется следующим образом: разгрузочная заслонка винтового конвейера закрывается, и камера режущей головки и винтовой конвейер подаются под давлением воды. Ворота желоба для навоза остаются открытыми, чтобы навоз мог попасть в камеру режущего аппарата и шнековый конвейер по мере продвижения машины вперед. Когда шнековый конвейер заполняется навозом, вода выталкивается из шнека обратно в режущую камеру. Как только винтовой конвейер почти заполнен, заслонка желоба для навоза закрывается, а давление воды внутри винтового конвейера снижается путем опорожнения его в накопительный резервуар на резервном участке. Затем навоз удаляется с винтового конвейера на резервный конвейер, разгрузочная заслонка снова закрывается, и винтовой конвейер снова заполняется водой под давлением. Снова открываются заслонки желоба для навоза, чтобы машина могла бурить вперед. Весь процесс может быть автоматизирован для упрощения работы ТБМ в водоносных грунтах (см. рис. 3-4).

Рис. 3. Заслонка желоба открыта, вода под высоким давлением и шлам стекают на винтовой конвейер по мере продвижения машины вперед

Рис. 4. Задвижка желоба для пульпы закрыта, давление воды снижено, затем навоз удаляется с винтового конвейера на резервный конвейер.

Работа с газами и загрязненной землей

При прокладке шламового туннеля справиться с газами в туннеле относительно легко, потому что газы содержатся в шламовых трубах. Газы также можно эффективно удерживать и безопасно рассеивать на ТБМ без давления с помощью скрубберов и больших объемов воздуха. На недавней ТБМ Robbins в Австралии машина могла работать в открытом режиме с газами, используя перегородку, снабженную всасывающими отверстиями для отвода любого газа из верхней части камеры режущей головки непосредственно в герметичную систему вентиляции.

Такие загрязняющие вещества, как асбест, могут быть лучше удержаны в пульпопроводах, но многие другие типы загрязняющих веществ нелегко отделить от шлама, и поэтому с ними легче бороться с помощью NCP-TBM. При работе с шламом качество самого бентонита может сильно различаться, при этом некоторые более дешевые материалы содержат тяжелые металлы, которые могут нанести ущерб окружающей среде. Сам раствор суспензии также имеет тенденцию хорошо связываться с тяжелыми металлами, загрязняя суспензию и затрудняя разделение.

СТОИМОСТЬ ЗАТИРКИ VS. НАВОЗ

В мелкодисперсном грунте отделение навозной жижи может быть дорогостоящим и сложным. Проходка шламовых тоннелей также не застрахована от таких проблем, как выбросы/потеря забойного давления при обнаружении зоны разлома или зоны низкого покрытия, что хорошо известно в нашей отрасли по таким проектам, как Hallandsas в Швеции и SMART Tunnel в Малайзии.
При любой оценке стоимости необходимо учитывать повышенные требования к мощности из-за системы разделения и транспортировки навозной жижи. Чтобы вынутый материал можно было перекачивать центробежными насосами и предотвратить его оседание, требуется высокий уровень потока по всей длине туннеля со значительными потерями из-за трения, что приводит как к износу, так и к увеличению потребляемой мощности. Поскольку насосы в транспортной системе переносят извлеченный материал, используются насосы с большим клиренсом, что еще больше снижает эффективность систем. Оказавшись на поверхности, добавленная жидкость должна быть отделена, что требует дополнительной мощности. Повышенная мощность также требуется при наличии мелких частиц, таких как ил и глина.
В целом, ТБМ для навозной жижи требует уровня знаний в эксплуатации, который просто не требуется для ТБМ NCP. Эксплуатация большинства NCP-TBM проста и понятна, что, в свою очередь, позволяет сократить расходы на персонал. При работе с NCP-TBM члены бригады могут быть более подвержены воздействию окружающей среды при проходке тоннелей, но риски не увеличиваются. Имея хороший базовый геотехнический отчет и инструменты для исследования грунта, подрядчики могут определить зоны, требующие заливки цементным раствором, перед машиной. В настоящее время обычным явлением является бурение зондовых скважин с точностью плюс 100 метров с помощью буров с погружным пневмоударником (DTH).

Хотя заливка цементным раствором требует времени и стоит денег, эти затраты должны быть сбалансированы со стоимостью и временем проведения гипербарических вмешательств во время проходки шламового туннеля. Даже 100% заливка цементным раствором в каменном туннеле может потребовать меньше времени, чем гипербарические вмешательства под высоким давлением. Практика предварительного цементирования применялась в течение многих лет в буровзрывных туннелях в Скандинавии и во всем мире.

Конечно, цементацию также можно выполнять из шламовой ТБМ, и обычно это делается для создания безопасных зон. Тем не менее, стоит отметить, что из-за наличия забоя под давлением, заполненного шламом, просверлить головку очень сложно. Герметичные трубы/порты должны быть установлены заранее, занимая место и ухудшая условия работы во время гипербарических вмешательств.
Недавно была разработана возможность смены режущего инструмента путем доступа к режущему инструменту через режущую головку под атмосферным давлением. Однако для этой системы требуется станок большого диаметра, а также глубокая конструкция режущей головки. Глубокая структура серьезно влияет на поток навоза и существенно увеличивает потребность в более частых осмотрах и ремонте режущей головки. Эти режущие головки с атмосферным доступом не решают проблем, связанных с ремонтом режущей головки, заменой центральных резцов или заменой скребков, которые являются элементами с высокой степенью износа при проходке горных тоннелей большого диаметра.

Требования к футеровке являются еще одной потенциальной причиной отказа от шламовой футеровки: работа шламовой ТБМ идет рука об руку с использованием (часто дорогостоящей) сегментной футеровки. Заливка раствора перед земляными работами с использованием NCP-TBM обеспечивает огромную экономию средств, если она выполняется в туннеле без облицовки или когда облицовку можно установить независимо после земляных работ. В тех случаях, когда последний хвостовик должен быть установлен с проходкой туннеля, и часто в случаях, когда прогнозируются чрезмерные притоки воды, ТБМ с шламом может иметь больше смысла. При избыточном притоке воды в процессе заливки цементным раствором после первоначального строительства туннеля все еще может наблюдаться утечка, что делает последующую установку окончательной облицовки потенциально дорогостоящей и трудоемкой.

ПОСЛЕДНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРИМЕРЫ

Ремонт акведука в Делавэре
Один из лучших недавних примеров правильно примененного NCP-TBM можно увидеть в туннеле ремонта Делавэрского акведука в Нью-Йорке, США. В этом проекте подрядчик выиграл предложение с самой низкой стоимостью, используя NCP-TBM и цементацию, потому что они понимали риски и геологию проекта. Они ожидали значительно меньшего воздействия воды, чем максимальное значение, указанное в тендерных документах, а также меньшие усилия по цементации после тщательного анализа всех доступных геотехнических данных. Однако Роббинс и подрядчик включены резервные заводы по заливке грунта на ТПМ на случай возможного паводка. Эти резервные установки в конечном итоге редко использовались при проходке туннелей.

ТБМ Robbins Single Shield диаметром 6,8 м отличалась уникальной установкой, позволяющей выдерживать давление воды. Туннель был пробурен с 270 м до 180 м ниже реки Гудзон, и машина имела переборку для герметизации в случае большого притока воды в забой туннеля. Закрывающаяся переборка позволяла герметизировать выемочную камеру в случае, если притоки грунтовых вод (шунтирующие потоки) из вырытой части тоннеля вызвали размыв затрубного раствора. Если бы переборка была закрыта, потоки грунтовых вод могли бы быть остановлены, и можно было бы выполнить вторичную заливку сборного железобетона, эффективно перерезав путь потока (Terbovic et al, 2017).
Когда приток воды превышал допустимые по контракту значения, требовалось цементирование, чтобы снизить приток воды до приемлемого уровня. Затем ТБМ может продвигаться внутрь залитой цементным раствором зоны трассы. Для достижения этой цели ТБМ был оснащен двумя типами систем цементации. Система цементации перед земляными работами представляла собой монокомпонентную систему цементации, которая использовалась для заливки цементным раствором перед ТБМ. Двухкомпонентная (A+B) цементная система использовалась для заполнения кольцевого зазора между сегментной крепью и пробуренным тоннелем. Станок был оборудован двумя сверлами в щитах для сверления режущей головки в 16 различных положениях и третьим сверлом на монтажном приспособлении для сверления щитков еще в 14 позициях. Кроме того, погружные пневмоударники высокого давления с гидроприводом позволяли бурить на 120 м впереди машины при давлении до 20 бар, если это необходимо. Установка представляла собой новаторское использование погружных пневмоударников в туннеле для проходки ТБМ в Северной Америке (буровые установки использовались в других международных проектах). Подрядчик должен был иметь возможность пробурить от двух до четырех зондовых буров на расстоянии до 120 м от машины, затем пробурить 115 м, а затем снова пробурить 120 м. Прямолинейность буровых скважин с погружным пневмоударником является огромным преимуществом, поскольку молоты с погружным пневмоударником можно удерживать в створе туннеля даже на таком расстоянии. Более типично, когда используются буровые установки с верхним ударником, что означает, что действие удара осуществляется поверху бурильной штанги, действие удара позволяет бурильной колонне точно достигать 45–60 м перед ТБМ.

Интересно, что подрядчик смог использовать данные зондовых буров и погружных пневмоударников для обнаружения закономерностей и выявления отдельных особенностей вдоль трассы туннеля, наблюдая за глубиной бурения, проникновением воды и типом нагнетаемого раствора. Эти записи были сделаны с помощью регистраторов данных на буровых установках и подземной дозаторной установке для цементного раствора. Большая часть анализа была выполнена после операции, но в будущем подобная обработка данных может использоваться во время проходки туннелей для внесения изменений в зависимости от предстоящей геологии (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Пример послеоперационного анализа. Сферы на изображениях были масштабированы по отношению к цементной смеси 2:1 с пробным сливом, а центр сферы был помещен в место, которое представляло собой среднее место сбора воды по длине сверла.

В конечном итоге проект оказался очень успешным: ТБМ достигла мгновенной скорости проходки 6 м в час и безопасно бурила зоны трещиноватых пород с грунтовыми водами под высоким давлением.

Метро Мумбаи

Метро Мумбаи в Индии. В 2018 году были запущены две шламовые ТБМ диаметром 6,65 м для бурения тоннелей протяженностью 3,5 км в базальте и брекчии с давлением воды до 3 бар. Тем временем были запущены еще две ТБМ Robbins Crossover XRE диаметром 6,65 м для бурения параллельных тоннелей длиной 2,8 км в сланцах, туфе и брекчии с возможным давлением воды до 2 бар (Bayart et al, 2020). Грунтовые условия не идентичны, но достаточно схожи, чтобы можно было провести некоторое сравнение. ТПМК Crossover, работающие в открытом режиме на протяжении большей части проекта, по состоянию на декабрь 2020 года прошли бурение 2351 м. Каждая из ТПМК прошла через несколько станций, где они каждый раз останавливались примерно на четыре месяца для завершения строительства станции, и имеют всего 592 м осталось пробурить. Напротив, буровые установки для навозной жижи пробурили 2 260 м и 2 196 м соответственно, в результате чего машины Crossover закончат свою работу первыми.

ВЫВОДЫ

Бывают ли случаи, когда шламовая ТБМ имеет преимущество перед ТБМ NCP в горной породе? Да. Свойства горных пород могут повлиять на решение: некоторые горные породы очень трудно или почти невозможно залить цементным раствором, и поэтому успех цементного раствора перед раскопками не является данностью. Если прогнозируются значительные притоки воды, а порода не будет легко принимать обычный цементирующий материал, или химическое цементирование не является одобренным вариантом, шламовая машина является логичным выбором TBM.

Выводы, которые можно сделать из этого обсуждения, очевидны. Проходка шламовых тоннелей является допустимым вариантом в горных породах с потенциальным высоким давлением воды. Однако является ли прокладка шламовых тоннелей наиболее рентабельным вариантом? Это безопаснее любого другого варианта? Во многих случаях ответ отрицательный.

Авторы надеются, что консультанты и владельцы осознают, что шламовые ТБМ — не единственный вариант, когда ожидается высокое давление воды. Шламовые ТБМ в большинстве случаев не являются самыми дешевыми, и другие методы могут быть такими же безопасными, но более простыми в эксплуатации. В то время как заливка цементным раствором требует времени, то же самое требует и проходка шламового туннеля с его обычно более низкой скоростью продвижения и возможной необходимостью дорогостоящих гипербарических вмешательств с высоким риском. Когда шламовые машины работают в горной породе, необходимость частых проверок режущей головки в конечном итоге делает их использование сомнительным. В большинстве случаев NCP-TBM являются лучшим вариантом.