Основные геологические факторы, влияющие на эффективность проходки ТПМ

Одноосная прочность породы на сжатие (UCS) является ключевым показателем для оценки применимости тоннелепроходческих комплексов (ТПМ) и прогнозирования эффективности проходки, хотя и не является единственным определяющим фактором.

В проектах тоннелирования с использованием ТПМ необходимы комплексные геологические изыскания. Они служат основой для научного выбора оборудования и проектирования. Кроме того, строительный этап должен поддерживаться надежными системами опережающего зондирования и гибкими стратегиями реагирования для обеспечения безопасного и эффективного продвижения ТПМ.

Прочность породы на одноосное сжатие является одним из критических геологических факторов, определяющих эффективность проходки тоннелепроходческим комплексом (ТПК). Как правило, ТПК достигают оптимальной производительности при работе с твердыми породами, имеющими предел прочности на одноосное сжатие (UCS) в диапазоне от 30 до 150 МПа. Когда прочность породы превышает 150 МПа, а массив породы неразрушен и имеет слаборазвитые сочленения, наблюдается значительное снижение скорости проходки, сопровождающееся рядом проблем: усиленный износ резцов, аномальные вибрации режущей головки, ускоренный износ и даже растрескивание сварных швов. Эти условия существенно увеличивают время простоя для замены резцов и технического обслуживания оборудования. Следовательно, влияние этого фактора должно быть полностью учтено при планировании проекта.

Степень развития нарушений в массиве горных пород (включая трещины, напластования, сланцеватость, мелкие разломы и т. д.), то есть степень трещиноватости или целостности массива горных пород, является еще одним важным геологическим фактором, влияющим на эффективность проходки тоннелепроходческим комплексом (ТПК). Даже если породы имеют схожие значения прочности на одноосное сжатие (UCS), твердости и абразивности, скорость проходки (глубина резания за оборот) и чистая скорость проходки ТПК могут значительно варьироваться, если степень развития нарушений отличается.

Параметры, такие как коэффициент целостности массива горных пород (Kv), объемное число трещин (Jv) или показатель качества породы (RQD), обычно используются для количественной оценки развития нарушений. Как правило, более высокая чистая скорость проходки достигается в массивах горных пород с хорошей целостностью и относительно близко расположенными нарушениями, поскольку умеренные нарушения способствуют разрушению породы и снижают сопротивление резанию.

Однако ситуация меняется, когда массив горных пород интенсивно трещиноват (например, чрезвычайно высокая плотность трещин, приводящая к значению Kv ниже 0,25). В таких случаях массив горных пород становится раздробленным или даже рыхлым, его общая прочность резко снижается, и он теряет несущую способность. Хотя режущие инструменты ТБМ могут достигать большей глубины проникновения (то есть легче резать) в таких трещиноватых породах, окружающий грунт, будучи крайне неустойчивым, склонен к обрушению или деформации сближения. Это требует значительных временных затрат на временные меры крепления (например, установку стальных арок, торкретирование, анкеровку), чтобы обеспечить безопасность строительства и стабильность стенок тоннеля. Эти дополнительные операции по креплению значительно замедляют темп проходки, что в конечном итоге приводит к снижению чистой скорости проходки ТБМ на этих участках. Следовательно, чрезмерно развитые прерывистости, снижая прочность массива горных пород, становятся ограничением для эффективной проходки ТБМ из-за резко возросшей потребности в креплении.

Твердость породы является критическим фактором, определяющим ее абразивность. Как правило, чем выше твердость породы, тем больше ее абразивность, что напрямую ускоряет износ резцов ТПМ (тоннелепроходческого механизированного комплекса). Это приводит к более быстрому расходу резцов, что не только увеличивает затраты на строительство, но и вызывает более частые простои для замены резцов, тем самым снижая общую скорость проходки.

Абразивность горных пород в значительной степени зависит от их минерального состава, в частности от содержания и размера частиц твердых минералов, таких как кварц. Более высокое содержание и больший размер частиц этих абразивных материалов приводят к увеличению износа резцов.

Для объективной оценки износостойкости горных пород международно принят тест на абразивность CERCHAR для определения индекса абразивности Cerchar (CAI). Значение CAI стало важным показателем для количественной оценки абразивности горных пород и прогнозирования их влияния на износ резцов и эффективность проходки ТПМ.

Когда угол между простиранием основных нарушений в массиве горных пород (например, трещин, напластований) и осью тоннеля составляет менее 45°, в сочетании с пологим углом падения (ниже 30°), в окружающих породах над сводами тоннеля и в области замка склонны образовываться неустойчивые клиновидные блоки. Эта неблагоприятная структурная комбинация делает эти клинья очень склонными к обрушению, падению или даже крупномасштабным обвалам, что не только серьезно нарушает нормальную работу ТПМ и снижает эффективность, но и представляет прямую угрозу безопасности оборудования и персонала.

Следует отметить, что угол между основными трещинами и осью тоннеля в диапазоне 50-70 градусов, как правило, наиболее способствует достижению более высоких скоростей проходки.

Поэтому точная предстроительная съемка ориентаций нарушений массива горных пород имеет решающее значение для прогнозирования и предотвращения таких рисков, обеспечивая безопасное и эффективное строительство с использованием ТПМ.