В работах Lee Androw (1982), Roweetal (1983) был предложен метод прогнозирования оседания поверхности земли и разноглубинных грунтовых слоев. Было введено понятие о параметре потери пласта GAP (параметр суммарного зазора) для прогнозирования оседания недренированных насыщенных глинистых грунтов. Под GAP подразумевается количество избыточно выкопанных грунтовый масс, превышающее внешний диаметр сегментов туннеля, которое включает в себя потерю избыточно выкопанного грунта под действием силы трехмерного движения в отношении поверхности забоя и потерю грунта под воздействием факторов проведения работ. Размер зазора GAP равен расстоянию от свода произведенной щитом выемки до верхушки тюбинговой обделки туннеля, как показано на рис. 3-19.

Рис. 3-19. Определение параметра потери грунта после проходки GAP

По определению Lee:

(3-56),

где: GP – геометрический просвет между внешним диаметром щита и внешним диаметром тюбинга, сформированный толщиной хвостовой части щита ? и хвостовым зазором х;

(3-57),

где: D – внешний диаметр щита;

d – внешний диаметр тюбинга.

Хвостовой зазор х подстраивается под осуществление горизонтальной и вертикальной корректировки при отклонении щита от проектной осевой линии, подстраивается под осуществление работ по сборке тюбингов. Выборочное значение х составляет примерно 25 ~ 60 мм. Значение G P можно определить сразу после того, как щит и тюбинг были выбраны.

U*3D – это эквивалент трехмерного радиального смещения, вызванного продвижением забоя. Он указывает превышение объема выемки грунта при обрушении на забой грунтовых масс, вследствие трехмерной деформации, вызванной сбросом напряжения в забое;

? – указывает потерю грунта, вызванную факторами проведения работ (включая выправление отклонения щита, уклон вверх, уклон вниз, отход назад и т. д.). Формула расчета значения ? следующая:

(3-58),

где: L – длина щита;

? – угол подъема при уклоне щита вверх.

Причина потери грунтовых слоев вследствие проходки щита является многофакторной. В таблице 3-6 перечислены формулы прогнозирования и соответствующие выборные значения GAP для потерь грунтовых слоев всех видов в условиях вязкого грунта.

Таблица 3-6. Факторы, которые необходимо учитывать при расчете GAP (применительно к вязким слоям)

Примечание: R – внешний радиус щита, R1 – внешний радиус тюбинга, t – количество избыточной проходки, L – длина щита, ? – угол подъема, RC – горизонтальное смещение грунтовых масс забоя назад во время продвижения щита на единичную длину, h – радиус кривой продвижения щита, A – объем фронтального препятствия перед щитом, V% = значение потери пласта / (?R2).

Фактическое выборное значение U*3D и ? различается для разных методов щитовой проходки и разных проектных условий. В таблице 3-6, где с помощью комбинаций различных значений потери пласта подразделяются на различные модели, при отличающихся моделях потери пласта, способы расчета GAP также будут отличаться. Использование технологии синхронного цементирования в рабочем процессе сдерживает увеличение потерь пласта, поэтому при определении модели потери пласта необходимо включить в расчеты влияние коэффициента цементирования (n%). Коэффициент цементирования – это отношение размера фактического зазора, заполняемого бетонирующей суспензией, к количеству теоретической потери пласта. Модель 1: используется в условиях, при которых щит обладает хорошими механическими характеристиками, персонал обладает достаточным опытом, продвижение щита по прямой происходит в обычном режиме. При этом выправление отклонения щита, уклон вверх и уклон вниз, являются малыми, значит избыточная выемка, вызванная этими действиями, отдельно не учитывается; при обычном зигзагообразном продвижении щита вперед, значение потери пласта в этой части ? 1 рассчитывается с помощью количества избыточной выемки при ее срезе; при условии сохранения баланса между давлением грунта в герметичном призабойном отсеке и давлением грунта с жидким шламом в забое, значение U*3D, определяемое потерей грунта в забое, будет равно нулю; не учитывается потеря пласта вокруг корпуса щита; учитывается влияние Gp; учитывается синхронное цементирование. Параметры потери окружающих обделку пластов следующие:

(3-59),

Параметры потери пласта вокруг корпуса щита:

(3-60),

Модель 2: используется при нахождении щита в особых грунтовых слоях и в особых проектных условиях. Например, при верхнем уклоне щита во время продвижения в условиях песчанистых грунтов, либо поверхностного земляного покрова на малой глубине, либо при нерациональной установке толкающего усилия домкратов щита после завершения проходки щита (финального пробития) и отклонении от осевой линии, либо при продвижении щита по кривой. Учитывается потеря пласта избыточной проходки резцовой головки и вокруг корпуса щита, также учитывается потеря пласта U*3D вследствие трехмерного движения грунтовых масс забоя, таким образом, параметры потери пласта вокруг обделки следующие:

(3-61),

Параметры потери пласта вокруг корпуса щита:

(3-62),

Модель 3: в основном используется при потере стабильности забоя в процессе продвижения щита. При нормальном продвижении щита вперед, трехмерная деформация грунта забоя обычно очень мала. Однако, в случае движения щита назад, либо в случае обвала забоя в результате затопления, вызванные этим потери пласта достаточно существенные. В таком случае предполагается, что забой считается свободным, изначальное напряжение грунта забоя полностью сброшено, тогда максимальное значение потери пласта забоя равно (U*3D)max, в этом случае параметры потери пласта следующие: