CC BY
55
---------------------------------- © С. В. Мазеин, А. С. Вознесенский,
2006
УДК 534: 622.622.26:622.232.72
С.В. Мазеин, А. С. Вознесенский
АКУСТИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА ВАЛУННЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОМ МЕХАНИЗИРОВАННОМ КОМПЛЕКСЕ.
НЕОБХОДИМОСТЬ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА
Семинар № 3
1. Необходимость акустической разведки валунов на ТПМК
Гоннелестроение приобретает в настоящее время все большее значение для развития сетей дорог и городских коммуникаций. Все чаще строительство тоннелей проходит в сложных условиях подземного пространства.
Влияние неблагоприятных природных условий подземной геологической среды на процесс проходки тоннелей можно разделить на две группы: вызываемые действием пород (инженерно-геологические) и возникающие под влиянием подземных вод (гидрогеологические).
Влияние инженерно-геологических условий при всех способах строительства тоннелей проявляется в виде нарушений устойчивости грунтового массива, обрушения грунта с образованием вывалов, деформаций крепи и исполнительных органов экскавации. Такие явления определяются физико-механи-ческими характеристиками грунтов, степенью неоднородности и слоистости грунтов, характером напластований, валунных и других включений.
Из множества физико-механических характеристик грунтов для оценки инженерно-геологических условий проходки подземных выработок важны те, которые связаны с механическими процессами при нарушении природного равновесия. При этом механические свойства грунтов раз-
деляют на три группы: прочностные (сопротивление различного рода нагрузкам), деформационные (упруго-
пластическая деформируемость под воздействием нагрузок) и реологические (деформируемость во времени). Прочностные свойства считают наиболее важными (особенно при разработке прочных валунных включений) и характеризуют пределами прочности при сжатии и растяжении, сцеплением и углом внутреннего трения.
При расположении тоннеля в слоистых грунтах необходимо точно представлять и учитывать стратиграфию массива (условия залегания отдельных пластов и включений, их мощность и ориентацию). При расположении выработки на контакте крутопадающих слоев различных по свойствам грунтов вероятно возникновение одностороннего или неравномерного давления на забой и обделку, в связи с этим возможно обрушение массива и искривление трассы тоннеля в местах подрезания неустойчивых грунтов.
Прогрессивным способом строительства тоннелей является механизированная щитовая проходка. Нечастые обрушения грунта в забое во время проходки тоннелей щитами, в частности тоннелепроходческими механизированными комплексами (ТПМК) с бентонитовым пригрузом и роторным рабочим органом, происходят при недостаточном давлении среды при-
груза на забой и ослаблении сцепления между разнородными частями грунтового массива. Причинами обрушения могут стать внезапное изменение уровня грунтовых вод, а также извлечение из забоя валунов.
Наибольшая опасность обрушения возникает при проходке тоннелей большого сечения в мало связных обводненных грунтах и наличием валунных включений. Если доступ воды в забой и неустойчивость водонасыщенных песков (влияние гидрогеологических условий проходки) предотвращают правильным выбором плотности и давления пригруза бентонитовой суспензии, то разработка неожиданно встречающихся прочных валунов и других неоднородностей в забое становится опасной без достаточного прогноза их механической прочности, положения в забое и размеров.
Современные механизированные комплексы, например работающие с бентонитовым пригрузом щиты «Херренкнехт» в Москве, оснащены оборудованием для разработки валунов:
- режущий инструмент (шарошки, резцы, обратные ковши);
- ротор с правым и левым, быстрым и медленным вращением;
- механизм выдвигания / втягивания ротора под разным наклоном;
- дробилка с независимым ходом гидроцилиндров двух щек с режущими кромками;
- оборудование для работы в кессонной камере (шлюз, пневматический инструмент).
Однако из-за непредсказуемости попадания в забой прочных валунов возникают, как опасность обрушения забоя, так и опасные ситуации на ТПМК, представленные в табл. 1.
Наиболее часто встречающимися неисправностями проходческого ком-плекса являются:
1. поломка резцов, опасность заклинивания ротора;
2. заклинивание ротора валуном в забое, опасность образования вывала;
3. заклинивание валунного вывала между лучами ротора, опасность поломки оборудования и закупорки приемных ворот;
4. закупорка валунным вывалом приемных ворот щита, опасность заклинивания дробилки и нарушения транспортного цикла;
5. заклинивание валуном дробилки, опасность нарушения транспортного цикла.
Из-за недоступности постоянного визуального контроля во время разработки валунов в забое операторы контролируют основные параметры работы тоннелепроходческого щита, которые отображаются на дисплее и регистрируются бортовым компьютером:
Регулируемые параметры: Р} - давление в гидросистеме вращения ротора, бар, Р2 - давление в гидросистеме прижима ротора, бар, V - скорость перемещения щита, мм/мин, N - число оборотов ротора, оборот/мин, Wтрансп - транспортный поток, м3/час; Рех.насос - давление на входе насоса, бар; ^ент - уровень бентонита в предкамере, м; Рдроб - давление в гидроцилиндрах дробилки, бар.
Расчетные показатели: М - крутящий момент ротора, МН*м; ¥ - сила прижима ротора к забою, МН; Р - толщина стружки (пенетрация), мм/оборот.
Наиболее важным показателем проходки является толщина стружки, толщина которой напрямую зависит от свойств разрабатываемого грунта
Чтобы исключить опасные ситуации, необходимо правильно выбрать режим эксплуатации оборудования, которое будет задействовано при разработке прочного валуна. Для этого необходимо знать прочность, размер Б и местоположение валуна в забое (Я - расстояние от центра щита до валунного включения), а также правильно представлять
Таблица 1
Виды опасности попадания в забой ТПМК валунов, меры по их извлечению, средства контроля и прогноза безопасности
№ п/п Виды опасности при извлечении валунов Меры по извлечению валунов Контроль ТПМК извлечения валуна Прогноз безопасности при валуне в грунте
Преду- смотрено устройст- во Действие Замеряемые физические параметры: Расчет технических параметров Свой- ства валуна Средства возможного прогноза
Более точного /оперативного ориентировочного
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1. Поломка резцов, опасность заклинивания ротора шарошки Замена, осмотр Давление в гидравлике вращения и прижима ротора, ход щита и число оборотов ротора момент вращения М, усилие прижима ротора р, стружка Р Проч- ность Геологические пробы Акустический прогноз из забоя ТПМК
резцы Замена, контроль ТПМ поло- жение Акустический прогноз из забоя ТПМК Геологические разрезы, геофизика с поверхности
Быстрое вращение ротора Быстрое вращение размер Акустический прогноз из забоя ТПМК Геологическая статистика, геофизика с поверхности
Правое и левое вращение ротора Смена направления вращения Текущее состояние резцов при встрече с твердыми валунами может контролироваться дистанционно, минимум осмотра в кессоне
2. Заклинивание ротора валуном в забое, опасность образования вывала Выдвижение и наклон ротора Проходка выдвинутым ротором Давление в гидравлике вращения и прижима ротора, ход щита и число обо- момент вращения М, усилие прижима ротора Р, стружка Р Проч- ность Геологические пробы Акустический прогноз из забоя ТПМК
Правое и левое вращение ротора Смена направления вращения поло- жение Акустический прогноз из забоя ТПМК Геологические разрезы, геофизика с поверхности
Быстрое вращение ротора Быстрое вращение размер Акустический прогноз из забоя ТПМК Геологическая статистика, геофизика с поверхности
ротов
ротора
Продолжение табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
3. Заклинивание валуна между лучами ротора, опасность поломки оборудования и закупорки приемных ворот Правое и левое вращение ротора Смена направления вращения Давление в гидравлике вращения и прижима ротора момент вращения М, усилие прижима ротора Г размер Акустический прогноз из забоя ТПМК Геологическая статистика, геофизика с поверхности
Выдвижение и наклон ротора Вращение выдвинутым и вдвинутым ротором поло- жение Акустический прогноз из забоя ТПМК Геологические разрезы, геофизика с поверхности
Быстрое вращение ротора Быстрое вращение проч- ность Геологические пробы Акустический прогноз из забоя ТПМК
4. Закупорка валуном приемных ворот щита, опасность заклинивания дробилки и нарушения транспортного цикла Обратные ковши ротора Маятниковое вращение ротора Транспортный поток Wрансп, давление на входе насосов Рвх. насос, уровень бентонита в рабочей камере N бент размер Акустический прогноз из забоя ТПМК Геологическая статистика, геофизика с поверхности
Выдвижение ротора Вращение выдвинутым и вдвинутым ротором проч- ность Геологические пробы Акустический прогноз из забоя ТПМК
Сжатый воздух для отбойных молотков, шлюз Дробление в кессоне отбойными молотками Необходимость снижения уровня бентонита и повышения давления воздуха в камерах, трудность удержания забоя, сокращение времени кессонных смен
5. Заклинивание валуном дробилки, опасность нарушения транспортного цикла Независимый ход рычагов дробилки Попеременный и синхронный ход рычагов дробилки Давление на дробилке Р дроб размер Акустический прогноз из забоя ТПМК Геологическая статистика, геофизика с поверхности
Сжатый воздух для отбойных молотков, шлюз Дробление в кессоне отбойными молотками проч- ность Геологические пробы Акустический прогноз из забоя ТПМК
Таблица 2
Данные по акустической локализации контраста на ТПМК. Пикет 1166
Замер на пикете Статистика акустического измерения Координаты центра контраста относительно центра ротора, м Результаты акустической локализации контраста
ротора, м Мини- мум сигнала MИ Мода (знач. макс. числа измер.) Мак- симум MA Ср.кв. откло- нение Х, м У, м Z, м R, м Миним. Ампл-да A в центре Макс. Размер контраста, м
1131 -29 -7 128 16,0 1,8 -5,1 -35,4 5,4 55 85,7 128 2,0
1136 -27 -7 66,9 13,1 2,1 -5 -30,0 5,4 47,72 57,387 66,9 1,9
1143 -58,5 -29 320,1 48,7 3,4 -5 -21,4 5,9 -5,02 10,68 29,13 1,9
1151 -91 -50,6 426 72,4 4,8 -3 -15,1 5,8 -15,9 -8,891 -3,71 1,5
1160 -124 -67 452 83,6 4,4 -4 -6,0 5,6 -47,16 -17,194 7,03 1,4
Геометрические отклонения результатов относительно измерения 1160, в м.
1131 2,6 1,1 0,4 0,2 0,6
1136 2,3 1,4 0 0,2 0,5
1143 1 1,4 1,6 -0,3 0,5
1151 -0,4 -0,2 0,1 -0,2 0,1
1160 0 0 0 0 0
Отклонения результатов относительно измерения 1160, в % от общего диапазона В % от измерения 1160
1131 13 5 1 0,5 43
1136 12 7 0 0,5 36
1143 5 7 4 -0,8 36
1151 -2 -1 0,25 -0,5 7
1160 0 0 0 0 0
Общий диапазон измерений геометрии, м
диапазон измерений 20 20 40 10
минимум -10 -10 -40 0
максимум 10 10 0 10
Б, м 3,0 Опасность заклинивания центрального ротора
2,5 Опасность заклинивания ротора
2,0
1,5 Опасность заклинивания в роторе и воротах
1,0
0,5 Опасность затора в воротах и в дробилке
0 Не опасно для дробилки
1 2 3 4 5 6 7 Я, м
возможную опасн ротора, ворот Если щихся в; ведка, к ным из вы! раскопке с
исходя из геометрии с. 1).
тва встречаю-ь геологораз-м, извлечен-м грунта при нишной шахт
для щита, то по этим данным спрогнозировать на геологическом разрезе точное место встречи ротором и размер валуна невозможно. Геологические и геофизические методы прогноза с поверхности земли предполагают большой объем буровых работ и зондирования, часто в недоступных местах городской застройки. Сетка бурения разведочных скважин зачастую
Рис. 2. Принцип действия системы акустического зондирования
имеет большие размеры, чем протяженность встречающихся линз валунника. Использующиеся в последнее время методы дистанционного зондирования с поверхности грунтов электромагнитными или звуковыми волнами дают информацию о строении горизонтальных слоев пород на глубине до 30 м (1). Такие геофизические измерения не являются оперативным инструментом коррекции параметров ТПМК, движущегося обычно на глубинах порядка 40 м со скоростью 6-12 м в сутки (2), из-за большой удаленности от валунов и от забоя, а также от проходческого персонала.
Современным решением вопроса повышения безопасности проходки стало внедрение системы опережающего звукового зондирования датчиками передачи ^) и приема ^) на роторе при проходке щитом. Такой разведкой определялись в грунте зоны интенсивного отражения зву-
ка (рис. 2) перед акустически более жесткими, чем основной массив, включениями. Аналогичными системами с 1997 года зондировали перед ротором различные по составу массивы, представленные гравием, песком, глиной с включениями мергеля, известняка, мрамора. Акустическая разведка работала на 6 проектах щитовой проходки различными комплексами «Хер-ренкнехт»: на 5 щитах диаметрами от 9,76 до 14,2 м с бентонитовым пригрузом и 1 щите диаметром 9,76 м с грунтопригрузом (3). Такая акустическая установка была использована и при щитовой проходке Лефортовского тоннеля (4). Система работала в автоматическом режиме.
2. Возможности акустической разведки на ТПМК
Система акустического зондирования на ТПМК, работавшая в Лефортово, выстроена таким образом, что отраженный от твердых включений кодированный по
частоте звуковой сигнал принимается датчиками и преобразовывается компьютером в трехмерное цветное изображение областей перед вращающимся ротором с различной интенсивностью отражения. Чтобы добиться точной фиксации этих областей, необходимо изначально:
- ввести значение скорости прохождения звука в породе с усредненными физическими свойствами;
- связать координаты точек отражения с положением продвигающегося щита и вращающегося ротора;
- настроить на приемниках отсечку принятого сигнала от фоновых помех, возникающих от работы режущего инструмента;
- ввести экспоненциальную функцию коэффициента ослабления сигнала от расстояния.
При этом контакт датчиков на роторе с массивом должен обеспечиваться через постоянную среду пригруза (бентонит или модифицированный грунт).
Во время проходки Лефортовского тоннеля кодированным акустическим сигналом с частотой от 500 до 5000 Гц и мощностью до 1 кВт было прозондировано около 1/3 трассы тоннеля, где получали данные через интервал 5-10 м.
В основных встречающихся при проходке породах - известняках и глинах -наблюдались неоднородности: включения окварцованного крепкого известняка, а также железобетонные сваи. Габариты таких включений можно было оценить по мере приближения к ним щита (по 3-7 замерам волновой картины массива до 40 м перед ротором). Результаты определения положения железобетонной сваи было описано в работе (4).
Приводим полученные данные пяти акустических измерений (табл. 2, рис. 3) и пространственной локализации контрастного включения, встретив-шегося в сечении тоннеля на пикете 1166 и вызвавшего снижение толщины породной стружки, которую создает режущий инструмент ротора, в 1,5 раза. По мере приближения ро-
тора к этому контрасту снижаются значения сигнала, незначительно колеблются трехмерные координаты (до 13 %) и размеры локализованного контрастного пятна (до 40 %), но его форма и ориентация относительно других пятен остается прежней. Снижение амплитуды в контрасте по мере приближения передатчика во многом определяется однократным, некорректи-рованным заданием функции коэффициента ослабления сигнала от расстояния и носит порядок обратной линейной зависимости. Степень изменения амплитуды в контрасте от расстояния создает предпосылки для более детального изучения опасности свойств данного контраста для проходки.
Таким образом, можно говорить об оценке разрешающей способности локализации контраста поперек и вдоль направления проходки. Для возникновения отраженных волн необходим (наряду с разностью в звуковой жесткости) также и минимальный размер неоднородности, сопоставимый с величиной самой малой длины волны. Это также определяет разрешающую способность в направлении оси тоннеля. Из-за зависимых от частоты упругих волн свойств поглощения волн максимальная разрешающая способность реализуется только вблизи излучателя. Разрешающая способность локализации горизонтальных к направлению распространения волны поверхностей, то есть границ включений, определяется через центральную зону Френеля. Результаты локализации вполне удовлетворительны для решения задач по преодолению валунных и других (в том числе искусственных) включений в грунтовом массиве.
3. Перспективы использования акустической разведки на ТПМК
После проходки Лефортовского тоннеля с акустической разведкой породного массива данная акустическая система была демонтирована и на следующих
В 30,0 м На ПК 1136
На расстоянии 21,4 м
На ПК 1143
На расстоянии 15,1 м
На ПК 1151
На расстоянии
6,0 м
На ПК 1160
Рис. 3. Акустическая локализация валунов
проходках пока не востребована. Серебряноборские тоннели проходятся щитом без установленной в нем системы акустической разведки, хотя на роторе, измененном для проходки данного тоннеля, предусмотрены места установки датчиков, сохранено все необходимое оборудование для акустического контроля.
Система разведки была бы полезна при проходке первого транспортного тоннеля в Серебряном Бору, где неожиданно встретился пласт крепкого известняка, и тоннелепроходческая машина была не готова к коррекции курса и режимов для полной управляемости щита на трассе с целью строительства колец обделки, центр которых был бы минимально отклонен от проектной трассы. В конце проходки первого тоннеля и начале проходки второго тоннеля (в инъекционном массиве) также встретились неоднородности, обрушаю-щиеся в забое, тормозящие темп проходки и которые можно было бы предвидеть геофизической разведкой.
Для восстановления и наладки акустической системы разведки пород нужно понести определенные затраты, но это бу-
1. Изюмов С.В.,. Дручинин С.В. Использование георадаров серии «ТР-ГЕО» в инженерной геофизике и строительстве // Подземное пространство мира. - ТИМР. -2005. -№6. -С. 14-21.
2. Арбузов М. Ю., Мазеин С. В., Власов С. Н., Синицкий Г. М., Яцков Б. И. Итоги первого этапа проходки тоннелей в Серебряном Бору // Метро и тоннели. -2005. -№2. -С. 12-15.
дет оправдано повышением безопасности и безаварийности при эксплуатации дорогостоящего проходческого оборудования. Для дальнейшей эксплуатации системы акустической разведки фирме-подрядчику строительства тоннелей предлагается принять следующие меры:
1) предусмотреть при восстановлении тоннелепроходческого комплекса перед проходкой следующего тоннеля средства для пуска в эксплуатацию системы акустической разведки на роторе;
2) привлечь к пуску-наладке системы фирму-разработчика;
3) разработать инструкцию по эксплуатации данной акустической установки;
4) утвердить методику обработки результатов геофизических измерений;
5) разработать рекомендации по оперативному управлению режимами ведения щита при прогнозировании встречи валунов и включить эти мероприятия в «Технологический регламент проходки»;
6) подготовить квалифицированный персонал для обслуживания системы геофизической разведки и оперативного управления режимами проходки.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Kassel A. SSP: discovering obstacles in good time. // Research + development.- Herrenknecht. - D-77963 Schwanau.- 03 / 2004.- S. 10-11.
4. Мазеин С., Стафеев Г. Работа системы геофизического контроля на ТПМК диаметром 14,2 м // Горный информационно-аналитический бюллетень. - МГГУ. -2005. -№6. -С. 85-88.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Мазеин С.В. - кандидат технических наук, сервис-инженер ЗАО «Херренкнехт тоннельсервис», Вознесенский А.С. - доктор технических наук, профессор, кафедра «Физико-технический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет.
