Резюме:

Управление притоком воды не является чем-то новым для проходки туннелей ТБМ, но сегодня существуют увеличение количества методов и передовых практик для эффективного управления потенциально высоким притоком воды и безопасно.
Большие объемы воды можно безопасно удерживать или управлять ими в твердых породах. TBM туннелирование, но это требует надлежащего предвидения и планирования. В этом документе будут изложены как машины могут быть спроектированы заранее для ожидаемого паводка, и как риск может быть быть смягчены во время туннелирования. Мы также рассмотрим важность предварительного планирования и включим взгляд в будущее методов управления водой. Тематические исследования проходки тоннелей в твердых породах с будут изучены притоки тяжелой воды с акцентом на акведук Делавэр в Нью-Йорке, США.

Ремонт. Обходной туннель длиной 3,8 км под рекой Гудзон требует земляных работ через известняковая порода при давлении воды до 20 бар. Уникальный одиночный щит диаметром 6,5 м TBM, герметизируемый для земляных работ под высоким давлением, бурит и облицовывает туннель.

1. ВВЕДЕНИЕ

Зондовое бурение и предварительная цементация являются неотъемлемой частью буровзрывных работ и наиболее важная защита от утечек слабой горной породы и воды при проходке туннелей D&B. Первое использование предварительного цементирования при применении ТБМ было на канализационных туннелях Осло с 1977 по 1981 год в Норвегия. Из-за риска осадки грунта владельцу проекта потребовалась система на
TBM способен выполнять обширную предварительную цементацию, чтобы квалифицировать любые заявки. Решения, выбранные подрядчики и производители машин должны были в основном разместить буровую установку позади TBM, проведите бурильную колонну через TBM и пробурите режущую головку. Это доказало быть плохим решением, и в конце концов выбранный подрядчик решил заставить буровую штангу
в стену туннеля за захватами. Проект был успешным в ограничении воды проникновение, но обширная предварительная цементация ограничивала скорость продвижения.

С тех пор многие машины и проекты столкнулись с подобными обстоятельствами, когда системы или процедуры, которые были на месте, были менее чем оптимальными для продвижения в сложных условиях. В некоторых особенно сложных проектах необходимо было вносить серьезные модификации или изменения. на место, чтобы помочь проектам продвигаться. В процессе лучше понять, что было были необходимы, и были разработаны инструменты для выполнения работы, которые сделали бы более эффективным механизированная проходка тоннелей. Некоторые особо примечательные проекты без особого порядка:

• Проект Arrowhead, Калифорния, США
• Каргинская ГЭС, Турция
• Халландзас, Швеция
• Гереде, Турция

Особенностью машины, которая оказалась особенно ценной в этих проектах, является способность герметизировать машины от потоков воды, как по курсу, так и за машиной с помощью герметичных сегментов.

Бурение и заливка цементом становятся более эффективными за счет контроля параметров бурения, мониторинга при бурении (MWD), зондировании на больших расстояниях и поддержке увеличенного рисунка цементного раствора.
Эти методы, наряду с новыми видами раствора и усовершенствованными машинными системами, такими как вспомогательная тяга, регулируемый крутящий момент режущей головки и системы обезвоживания интегрированы вместе, чтобы машины могли более эффективно справляться с потенциальным притоком воды. Текущий проект в США, ремонт акведука в Делавэре, является ярким примером использование машины, которая объединила эти функции, а также некоторые новые, для решения геология.

2 ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ:

РЕМОНТ АКВАВОДА В ДЕЛАВЭР
В 1990 году рабочий на электростанции на реке Гудзон обнаружил, что вода поднимается вверх. от земли в районе, где проходил большой водопровод. В то время Нью-Йорк Департамент охраны окружающей среды (NYCDEP) очищал воду в штате Делавэр.
Акведук с сульфатом меди, который использовался для предотвращения роста водорослей на некоторых городских улицах. водохранилища. Образцы воды дали положительный результат на сульфат меди, и, поскольку NYCDEP был только те, кто использовал сульфат меди в этом районе, были веские основания полагать, что он исходил от Делавэрский акведук. Делавэрский акведук длиной 137 км занесен в Книгу рекордов Гиннесса как самый длинный в мире непрерывный туннель. С 1944 года Делавэрский акведук снабжает водой в Нью-Йорк, и сегодня на его долю приходится более 50% поставляемой воды. Делавэр Акведук представляет собой самотечный водопровод диаметром 4,1 м, по которому вода поступает из несколько водохранилищ в системе Делавэр и через реку Гудзон. Туннель был построен с использованием буровзрывных методов, и большая часть породы была сложена сланца и сланца, но по мере того, как команды приближались к реке Гудзон, земля уступала место деформированный известняк. Рабочие бригады зафиксировали приток подземных вод от 7,5 до 15 миллионов литров в сутки. в туннель, и они придумали некоторые творческие решения, чтобы справиться с этим. Земля была облицован бетоном, а затем в туннель была помещена стальная прослойка перед окончательным бетонированием.

Футеровка была установлена ??сверху, эффективно создавая сэндвич из бетона со сталью внутри. В то время как метод был новаторским для того времени, стальной лейнер в конечном итоге не простирался достаточно далеко через проблемное горное образование для предотвращения утечек. Уже более 25 лет наблюдается утечка на участке, соединяющем Запад Отводное водохранилище к западному туннелю. Было установлено, что около 132 млн. литров в день терялось, причем примерно 95% приходилось на две секции этого туннеля, районы Розетон и Ваварсинг, которые находятся сразу за выложенной частью. В сравнении с общий расход не был критичным, но расположение и характер утечек были критичны. причина беспокойства. Ремонт будет совсем не простой. Для решения вопроса было принято решение чтобы обойти районы Розетон и Ваварсинг с помощью недавно построенного туннеля Рондаут.

Западный обходной тоннель (RWBT). Проект был разделен на две отдельные фазы, и были проведены торги по двум отдельным контрактам. БТ-1 и БТ-2. Первый этап, контракт БТ-1, состоит из завершения проходки ствола. на глубину примерно 275 м у ствола 5В, у города Ньюбург и 213 м у вал 6Б возле города Ваппингер. Выемка, соединяющая шахты, составляет примерно 3810 м туннеля диаметром 6,58 м. Этот этап также включает в себя установку 2800 м стальной межлайновой трубы диаметром 4,87 м через новый обводной тоннель с монолитным бетонным вкладышем на готовый диаметр 4,27 м. Камеры доступа в верхняя часть валов 5B и 6B будет предназначена для доступа и размещения механического и электрооборудование для поддержки насосов и клапанов. На рис. 1 показано расположение и макет проекта. Второй этап, БТ-2, включает дополнительные 30 м выемки из стволов 5Б и 6Б. в существующий туннель и будет завершен во время запланированного закрытия основного туннеля. Кроме того, будет предпринято строительство постоянных заглушек в пределах RWBT. На рисунке 2 показан макет работы. Доступ к работе осуществляется через глубокие шахты.

Рисунок 1. Расположение и схема проекта.

Рисунок 2. Расположение шахты и соединительного туннеля.

3. ВАЖНЫХ АСПЕКТА ПРОЕКТА

Геологические образования, встречающиеся в проекте, в основном состоят из группы Ваппингера. (доломит, доломитовый известняк и известняк). В начале и в конце проходки тоннеля будет находиться в формациях Норманскилл и Маунт-Мерино соответственно, которые из глинистого сланца, аргиллита и песчаника. GBR заявляет, что будут некоторые области чрезвычайно твердая порода со значениями UCS до 372 МПа, но в среднем для формации Ваппингер являются более разумными 241 МПа с низкими и средними показателями проходимости. Из рисунков 1 и 2 хорошо видно, что трасса тоннеля проходит под Гудзон на глубине 183 м, ширина в этом месте 1052 м. подземные воды высота на остальной части тоннеля колеблется от 267 м на западе до 213 м на востоке сторона. Ожидается, что наиболее сложными условиями туннелирования будут высокая проводимость формация Ваппингер с зонами разломов в формации Норманскилл. По словам владельца тендерных документов, выбранный подрядчик имел возможность прорыть туннель между шахты либо с помощью ТБМ, либо с помощью буровзрывных работ (БВР). Протенциал для больших притоков воды

в сочетании с высокими напорными условиями из-за глубины и большого источника сделали контроль воды движущий фактор. Чтобы справиться с этими потенциальными притоками, владелец предписал заранее исследовать и интенсивное предварительное цементирование. Эти методы были введены в качестве требований и предназначены для снижения потенциала притока грунтовых вод в горный массив, не обязательно для
увеличить его прочность или улучшить стабильность. Трудности контроля воды усугубляются тот факт, что туннель бурится вниз по уклону и грунтовые воды нужно будет откачивать ствол 5Б и далее до поверхности на высоту более 267 м.

Несмотря на то, что метод выемки ТБМ по-прежнему важен, он требует более низких требований к обезвоживанию. 9500 л/мин. Подрядчик, совместное предприятие Kiewit и J.F. Shea Construction, решили, что механизированные земляные работы будут наиболее экономичным и безопасным решением. контролировать грунтовые воды по сравнению с многоэтапной методологией земляных работ D&B. Сегментная облицовка с прокладками, установленная за ТБМ, поможет свести к минимуму попадание воды приток, однако эти геологические проблемы на забое в сочетании с высоким давлением воды (более 20 бар), требовалось, чтобы ТБМ была спроектирована с множеством специальных функций для бурения, предварительной выемки грунта. затирка и обезвоживание.

4. ТБМ ДИЗАЙН

Чтобы обеспечить наилучшие шансы на успех проекта, активно участвовали NYCDEP и Kiewit/Shea в спецификации и элементах конструкции ТБМ. Основные технические характеристики ТБМ Robbins Single Shield и функции перечислены ниже, а общая компоновка ТБМ показана на рисунке 3.
• Диаметр отверстия 6 583 мм
• Скорость режущей головки 0–8,8 об/мин.
• 9 приводных двигателей по 330 кВт
• 19-дюймовые дисковые фрезы с компенсацией давления
• Герметичная конструкция TBM – 30 бар
• Большая производительность системы обезвоживания
• Копание грунта с помощью поезда навоза
• Переднее и заднее положение сверла
• Просверленные отверстия в ножевой головке и переднем щите
• Выделенные дренажные порты для отвода воды из заголовка
• Обработка воды на выходе конвейера

4.1 Специальные функции ТБМ

Спецификации владельца относительно воды во многом повлияли на конструкцию ТБМ по давлению воды. и расход, а также степень цементации, которую необходимо было запланировать в проекте.

Рисунок 3. Общая компоновка ТБМ.

приоритет был отдан герметизации ТБМ от воды высокого давления/высокого расхода в забое, но наличие воды также учитывалось при проектировании системы обезвоживания.
Это было связано с тем, что эффективность управления притоком воды, содержащей навоз из устья, была низкой. также важно. KSJV тесно сотрудничала с Robbins для разработки и установки этих систем и оптимизировать запланированные операции, а также другие операции на машине, не связанные непосредственно с ожидаемая вода. Некоторые примеры этого включают режущую головку, которая была разработана для предотвращения засорение сланцем, а также конструкция обработки сегментов, включающая палубную резервную и система быстрой разгрузки сегментов.

4.2 Конструктивные соображения для высокого давления воды

Владелец также требовал, чтобы ТБМ выдерживал гидростатическое давление 30 бар. (20 бар с запасом прочности 1,5). Из-за ожидаемого статического давления воды 20 бар на В рамках проекта была разработана новая система уплотнения коренных подшипников, состоящая из
несколько рядов традиционных манжетных уплотнений и аварийных надувных уплотнений. Надувные тюлени не находятся в непосредственном контакте с движущимися частями уплотнительной системы во время растачивания, но могут активируется как «стояночный тормоз» при необходимости для дополнительной защиты главной несущий. Уплотнения промываются и смазываются консистентной смазкой для защиты при воздействии вода с мелкими частицами, ожидаемая на проекте. Таким образом, использование дисковых фрез с компенсацией давления стало необходимостью. Их уникальная конструкция включает в себя систему выравнивания давления. не допускайте попадания воды и защищайте подшипники при высоком давлении.

4.3 Конструктивные соображения при высоком притоке воды

TBM был спроектирован так, чтобы его можно было быстро герметизировать, чтобы защитить TBM и персонал от внезапного наплывы воды. Шаги, перечисленные ниже, необходимы для герметизации ТБМ во время высоких притоков и показаны на рисунке 4:

1. Закройте ножевые заслонки над желобом для навоза.
2. Втяните раму конвейера
3. Вытащите ремень из режущей камеры.
4. Втяните уплотнительную пластину перегородки.
5. Закройте двери стабилизатора.

В связи с притоками воды, измеренными в ходе инженерно-геологических изысканий, в контракте указывается очень высокая обезвоживающая способность. Для этого  обезвоживание контролируется двумя отдельными системы, которые могут работать независимо или совместно:

Рисунок 4. Последовательность герметизации TBM

Первичное обезвоживание – 0–3000 л/мин при бурении без воздействия на бурение или кольцо строительство
• Аварийное водоотведение – аварийная производительность 9 500 л/мин по воде из коллектора и строительства воды

Первичная система обезвоживания может собирать воду из камеры режущего аппарата, экрано в/ зона сборки кольца и точка передачи между машинным конвейером и транспортными конвейерами.

Система предназначена для перекачки мелочи диаметром до 7 мм по трубопроводам, емкостям и на систему водоотведения туннеля. ТБМ оборудован 20 м? обезвоживающей вместимость за счет комбинации двух резервуаров по 10 м?. Каждый резервуар оснащен
смесительные насосы для предотвращения оседания мелких частиц и сокращения простоев для технического обслуживания и очистка. Так как приток воды переменный и необходимый размер насоса вполне насос первичного обезвоживания управляется частотно-регулируемым приводом для эффективного управления явления водотока.

Система аварийного обезвоживания обходит резервуары для обезвоживания и перекачивает воду напрямую к системе туннельного обезвоживания. Телескопический удлинитель трубы на опоре позволяет TBM продвинется на 6 м, прежде чем добавить еще одну туннельную линию 305 мм. На рис. 5 показан общий схема системы обезвоживания.

4.4 Методика бурения и цементации

Спецификация проекта требует обязательной программы зондового бурения для всего туннеля. выравнивание, включающее измерения притока воды в местах расположения зондовых отверстий. ТБМ необходимо пробурить четыре скважины через каждые 60 м для измерения притока воды. Когда прибывает вода превышают допустимые контрактом значения, потребуется цементация для снижения притока воды до приемлемого
уровни. Затем TBM может продвигаться внутрь залитой цементным раствором области трассы. ТБМ оснащены двумя типами затирочных систем. Система предварительного цементирования (PEG) представляет собой однокомпонентная цементная система, используемая для заливки раствора перед ТБМ. Двухкомпонентный (А+В) цементная система используется для обратной засыпки кольцевого зазора между сегментной крепью и буровой туннель. Детальная схема бурения, позволяющая бурить под давлением, была разработана во время Этап проектирования ТБМ и был доработан во время буровых работ. Первым шагом в цикле зондирования является поворот режущей головки в положение A или B. для совмещения восьми связанных портов в переднем щитке с местами на ножевой головке. Далее через щит до забоя устанавливается обсадная труба диаметром 127 мм. Корпус находится в

Секции длиной 1,22 м. Противовыбросовый превентор (BOP), установленный на порту переднего экрана, надут, чтобы зафиксировать корпус на месте. Бур — погружной пневмоударник W70 производства Wassara с диаметром долота 104 мм – затем используется для бурения скважины и бурения на глубину 2,74 м. Корпус диаметром 127 мм. затем удаляют и устанавливают сквозной надувной пакер. Пакер состоит из пяти
секции, которые свинчиваются. После установки пакер надувают водой, чтобы 20 бар. Противовыбросовые превенторы также снова надуваются вокруг пакера. На конце пакера имеется

Рисунок 5. Схема обезвоживания.

3-х дюймовый шаровой кран, тройник со шлангом для шлама, а затем дополнительный превентор, который устанавливается после молотка и центраторов. Как только молот окажется у забоя, можно начинать бурение.

Для бурения зондовым буром требуется 130 секций буровой стали длиной 1,5 м, шланги для подачи шлам из щита и фильтровальные мешки для бурового шлама. Высверливание перед машиной выполнено с помощью погружных молотков Wassara W50. Подрядчик пробурил около 91 м с буровой шлам возвращается и направляется через тройник перед противовыбросовым превентором и обратно в фильтровальные мешки в районе моста. Каждая пробная скважина производит около 0,75 м3 шлама и требуется от 5 до 6 часов (см. рис. 6).

4.5 Системы бурения

TBM оснащен двумя буровыми системами для зондирования и цементации. Форвард буровая установка используется для бурения через выработку тоннеля под углами 0 градусов и до 5 градусов, измеренных относительно трассы тоннеля. Система бурения состоит из двух независимых позиционеров сверла, установленных на неподвижном кольце, которое может позиционировать каждое сверло 360 градусов в радиальном направлении для сверления и заливки цементным раствором через 16 отверстий сверла режущей головки. Эта система является первичная система бурения и цементации, используемая на ТБМ, будет использоваться для зондирования и цементации вдоль трассы тоннеля.
Кормовая буровая система представляет собой единую буровую установку, стационарно закрепленную на монтажном устройстве сегментов. Сегмент эректор используется для позиционирования бура для бурения и заливки цементным раствором через 14 периферийных щитовые порты. Порты расположены под углом семь градусов к туннелю и используются для зонтичное бурение и заливка цементным раствором, чтобы сформировать завесу из цементного раствора, таким образом отсекая притоки воды, окружающие выравнивание тоннеля.

Погружной гидроудар идеально подходит для этого проекта по следующим причинам:

• Бурение с погружным пневмоударником уменьшает размеры бурового оборудования внутри ТБМ
• Вода, используемая для бурения, также обеспечивает смывание шлама.
• Сверлит более длинные и прямые отверстия по сравнению с сверлами с перфоратором
• Вода, используемая для питания бура, не разрушает скважину.
• Блоки корончатого бурения относительно короткие и компактные, что делает их более подходящими для внутри ТБМ
• Буровые штанги API используются в бурильной колонне для приведения в действие бура водой под высоким давлением.

Испытания сверла, проведенные с помощью гидравлических ударов, рядом с рабочей площадкой, подтвердили эффективность сверла.
и соответствие проекту. Зона моста ТБМ также была спроектирована таким образом, чтобы можно было проводить радиальное бурение с помощью портативного бурового станка. буровая платформа для проверки заливки цементным раствором. Бурение/заливка переднего щита и порты обезвоживания показаны на рис. 7.

Рисунок 6. Бурение с давлением.

Рис. 9. Отверстия для сверления и дренажа переднего щита.

4.6 Системы цементации

TBM оснащена двумя установками для смешивания и цементации ПЭГ для цементации перед ТБМ. Кроме того, систему ПЭГ можно использовать для надежной заливки сегментной облицовки. противодействовать высокому давлению воды, а также смешивать и нагнетать бентонит вокруг экранов ТПМ для уменьшить трение в условиях продавливания грунта. Система цементного раствора A+B подается из смесительной установки периодического действия на поверхности и закачивается насосом непосредственно к TBM, чтобы упростить и без того сложную логистику шахты. Хранение А+Б Резервуары на резервной ТБМ оборудованы датчиками уровня, которые запускают и останавливают насосы при поставленный подрядчиком завод по производству поверхностных растворов. Это гарантирует доступность цементного раствора, когда это необходимо для тампонажных работ на ТБМ.

Из-за высокого статического давления воды подрядчик потребовал, чтобы ТБМ могла обратная заливка раствора через хвостовую обшивку ТБМ, что чаще встречается на машинах, выполняющих земляные работы в мягком грунте, чтобы предотвратить проседание. Хотя это не проблема для этого проекта, это было сделано из-за проблемы со смещением пробок проникновения цементного раствора на высоких скоростях, что может поставить под угрозу безопасность работников.

5. ПРОМЫШКА ТОННЕЛЯ

В настоящее время проходка ТБМ составляет 1 219 м, а лучший месяц добычи — 228 м. Достичь 1 состоит из сланцев Normanskill Group и имеет длину около 762 м; GBR в этом разделе указанный максимальный напорный приток 946 л/мин. Во время раскопок две скважины длиной 91 м с перекрытием 6 м, вода не обнаружена. Reach 2 состоит из доломитового известняка и является частью группы Wappinger

Длина 1189 м с ожидаемым устойчивым притоком 6,21 л/мин/метр и до 3785 л/мин в течение зондирование. Для этой досягаемости требуется четыре отверстия для зонда за цикл, и половина досягаемости завершена. вода не встречалась. В проекте были проблемы, в том числе обширное зондовое бурение и необходимое количество смен фрезы. Как и ожидалось, выемка ТБМ со дна шахта глубиной 274 м при доставке сегментов и материалов замедляет процесс добычи. Каждый ход ТПМ составляет около 100 м3 навоза, который заполняет семь навозных боксов. В настоящее время.

В рамках проекта работают два поезда с сервисным центром для помощи в погрузке сегментов и материалов. Зондовое бурение было сложной задачей из-за установки, необходимой для обработки потенциально высоких притоки воды/напора. Ограниченное пространство также позволяет использовать только 1,5-метровую буровую сталь, что Достигните 1 с ограниченным износом/изменениями фрезы. Во время достижения 2 было намного больше, чем ожидаемый износ фрезы и темпы продвижения были снижены вдвое.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все проекты строительства туннелей сопряжены с проблемами, которые необходимо решить с помощью притока воды. является одной из основных проблем, которые необходимо учитывать. Три ключевых направления в управлении этот риск представляет собой изоляцию туннеля от воды с использованием цементного раствора, препятствующего проникновению воды от входа в туннель с использованием герметичной машины и облицовки и, наконец, управления воды после того, как она попала в туннель со схемой обезвоживания. Как эти разные элементы
объединены с остальными функциями машины, могут сделать успешный проект даже в сложных условиях. Ремонт акведука в Делавэре не является исключением новаторские решения, в основе которых лежит вода. В том числе бурение и заливка системы, способные поддерживать обширную схему улучшения грунта. машина способность справляться с высоким давлением воды не менее важна и требует, чтобы ТБМ многие особенности, обычно связанные с ТБМ с герметичным забоем. Удаление грязи, однако, по-прежнему используется ленточный конвейер, чтобы свести к минимуму износ и техническое обслуживание из-за твердых пород. Наконец, планирование и интеграция системы обезвоживания помогает управлять водой, если это необходимо доберитесь до туннеля. Немногие проекты имеют одинаковые ограничения, но эти особенности
наряду с другими, рассмотренными в документе, являются ценными инструментами, которые при правильном сотрудничестве и планирование может быть применено для более успешных будущих проектов.