Когда в вынимаемом шлаковом грунте мелкодисперсные частицы составляют около 30% объема, то перемешивание при хорошем гранулометрическом составе обеспечивает его пластичность и текучесть. Однако когда содержание песка и гравия относительно высокое, а гранулометрический состав не очень хороший, необходимо в шлаковый грунт добавить бентонит либо глинистые добавки и перемешать, регулируя тем самым гранулометрический состав. Для улучшения характеристик шлака при экскавации иногда добавляют пенистые либо полимерные материалы. В ситуациях, когда гранулометрический состав плохой, добавления пенистых или полимерных материалов бывает недостаточно; в таких случаях для достижения наилучшего эффекта добавляют также бентонит, глину и другие глиноформовочные материалы.

1. Стабилизация забоя в условиях вязких грунтовых слоев.

В вязких слоях грунта, таких как алевритовый песок, песчаный ил и др., шлак, срезанный режущим инструментом, как правило, имеет меньшую прочность, чем исходный слой, и обладает пластичностью и текучестью. Даже у почвы с большой адгезией, благодаря перемешиванию с помощью резцовой головки и шнекового транспортера, а также добавлению воды в грунтовый отсек и т. д., можно повысить текучесть. Что касается водонепроницаемости, то, поскольку коэффициент водопроницаемости вязкого грунта невысокий, водоотталкивающие свойства хорошие.

Шлак в бункере должен иметь определенное давление, чтобы конкурировать с давлением воды и грунта забоя. В соответствии со скоростью проходки, посредством регулировки крутящего момента и скорости вращения шнека, а также степени открытия заслонки шлакового грунта, достигается баланс между количеством грунта в забое и количеством отводимого грунта, обеспечивая стабилизацию забоя. Как правило, для контроля давления в забое используются датчики давления грунта, расположенные на внутренних стенках призабойного отсека. Однако стоит обратить внимание, что иногда вследствие плохой текучести, невозможно точно измерить давление грунта в призабойном отсеке.

Кроме того, если количество грунта в призабойном отсеке будет чрезмерным, вязкий грунт может начать уплотняться и застывать, что приведет к невозможности его экскавации и отвода, в таких случаях в грунт следует ввести добавки.

2. Стабилизация забоя в условиях песчаных грунтовых слоев.

Вследствие того, что сопротивление, угол внутреннего трения и сила трения песчанистных и гравийных грунтовых слоев высоки, сложно добиться хорошей текучести. Когда вынутый грунт заполняет призабойный отсек и полости шнека, крутящий момент резцовой головки и шнека, а также толкающее усилие гидроцилиндров щита увеличиваются, при этом произведение экскавации и отвод грунта не представляется возможным. Кроме того, коэффициент проницаемости в грунтовых слоях такого типа высокий, а эффект сжатия в призабойном отсеке и шнековом конвейере не может полностью остановить воду: при высоком давлении воды в забое, высока вероятность извержения материала через заслонку. Поэтому в слоях данного типа обычно используются такие методы, как введение добавок в забое или призабойном отсеке, установка дополнительных лопастей для принудительного перемешивания и другие способы придания шлаковому грунту текучести и водоотталкивающих свойств.

Как и в случае вязких грунтовых слоев, при помощи регулирования объема экскавации и количества отводимого грунта, можно добиться баланса между давлением воды и давлением грунта забоя, что способствует стабилизации забоя.

3. Три режима работы щита с грунтопригрузом.

Щит с грунтопригрузом обычно имеет три режима работы: открытый режим, режим локального давления воздуха и режим грунтопригруза (EPB). Как показано на рис. 3-4, Каждый из этих режимов проходки соответствует разным механизмам стабилизации забоя и геологическим условиям.

Рис.3-4. Три режима проходки щита с грунтопригрузом

а. Открытый тип.

Если забой достаточно стабилен, а грунтовых вод мало, щит с грунтопригрузом может использовать открытый режим работы, нет необходимости регулировать давление в призабойном отсеке, также можно гарантировать отсутствие деформации забоя и разрушения грунта в течение определенного отрезка времени. В этом режиме работы, срезаемый грунт сразу же отводится из призабойного отсека шнековым конвейером, поэтому призабойный отсек, в основном, находится в пустом состоянии, а резцовая головка и шнековый конвейер подвергаются относительно небольшому обратному воздействию крутящего момента. В таком случае, в основном при дроблении горных пород роликовыми резцами, проходка происходит с высокой скоростью, низким крутящим моментом и подходящей скоростью шнекового конвейера. Во время синхронного цементирования, бетонирующая суспензия может просачиваться в зазор между оболочкой щита и окружающим грунтовым массивом, и даже попадать в зону резцовой головки; избежать появления подобных ситуаций можно следующими способами: повышением вязкости бетонирующей суспензии до соответствующих значений, сокращением времени застывания суспензии, регулировкой давления бетонирующей суспензии, дополнительным цементированием несущей поверхности тюбингов и другими способами.

b. Полуоткрытый тип («режим локального воздушного давления»).

Скоростная проходка полуоткрытым способом применяется в случаях, когда забой обладает высокой степенью самостабильности, например, когда прилегающие грунтовые слои стабильны, но содержат грунтовые воды, либо когда большая часть прилегающего грунта стабильна, за исключением локальной потери давления и обрушения. При использовании данного режима временно останавливается шнек, закрывается шнековая заслонка, нижняя часть призабойного отсека заполняется шлаковым грунтом; в то же время в забой и призабойный отсек вводится необходимое количество присадочных материалов (таких как бентонит, глинистые материалы, присадки) и сжатый воздух, чтобы повысить водоотталкивающие свойства шлака в призабойном отсеке, а также под давлением в забой добавляются присадочные материалы для создания на поверхности забоя глинистой пленки. Посредством воздушного давления и глинистой пленки предотвращается затопление и обрушение туннеля, а также на малой скорости вращения в полости шнека образуется «грунтовая пробка», что позволяет безопасно и быстро пройти неблагоприятные участки грунта. Во время экскавации в призабойном отсеке остается определенное количество свободного места (шлаковый грунт заполняет призабойный отсек примерно на 2/3), что позволяет ввести в отсек сжатый воздух, который совместно со шлаковым грунтом будет выполнять функцию поддержки забоя и предотвращать проникновение подземных вод.

Помимо этого, данный тип также часто используется при работе в условиях мягких верхних и твердых нижних слоев. Во время работы, дробление твердых пород производится роликовыми резцами, а разрезание грунтовых слоев осуществляется с помощью зубчатых и скребковых резцов. При проходке в области дна реки, необходимо добавить пенообразователь, полимеры, бентонит и др., для улучшения водоотталкивающих свойств шлака и создания стабильного уравновешивающего давления в призабойном отсеке.

c. Режим грунтопригруза.