(4-11),

где A – площадь поперечного сечения паза;

A 0 – площадь поперечного сечения прокладки.

При проектировании уплотнительного паза размеры не должны быть слишком большими. Слишком большой уплотнительный паз снижает действие бокового ограничителя, и боковая поверхность уплотнительной прокладки деформируется, что снижает контактное напряжение уплотнительной прокладки между стыками, и не обеспечивает гидроизоляционный эффект. В то же время паз не должен быть слишком маленьким, как A/A0 < 1.0. Чтобы достичь требуемого уровня гидроизоляции необходимо увеличить силу давления при монтаже тюбингов. Однако это может сильно повлиять на точность сборки тюбингов, а также увеличивает энергопотребление, усложняет сборку и может привести к выдавливанию уплотнительных прокладок из паза, пластической деформации выдавленной части уплотнительной прокладки, формированию канала протечки и потере герметичности соединения.

4.2.3. Выбор материала уплотнительной прокладки

В качестве материала уплотнительной прокладки обычно используют клейкий водостойкий невулканизированный бутилкаучук, самовосстанавливающийся этиленпропилендиеновый каучук и водонабухающую резину.

Невулканизированный бутилкаучук является распространенным гидроизолирующим материалом, но по причине высокой цены и уступающей этиленпропилендиеновому каучуку термостойкости в настоящее время редко используется с тенденцией к постепенному исключению из работы.

Водонабухающая резина в основном используется в Японии, Южной Корее и других азиатских странах. В Китае также часто используется в качестве гидроизолирующего материала в проходческих щитах. По сравнению с упругой уплотнительной прокладкой гидроизолирующая уплотнительная прокладка из водонабухающей резины применяется в Китае и других странах недавно. Она относится к сравнительно новой продукции. Направление ее разбухания, степень разбухания и долговечность вызывают сомнения. Кроме того, различия в характеристиках гигроскопичности полимеров и других набухающих материалов, снижение долгосрочной прочности и деформационных свойств хлоропренового каучука и других материалов основы после набухания, а также уменьшение распада и сопротивления давлению и другие причины приводят к тому, что при практическом применении материалов из водонабухающей резины сложно достигнуть ожидаемого результата. Постепенно этот материал все чаще используют в качестве вспомогательного материала.

Этиленпропилендиеновый каучук в странах Европы и Америки используется около пятьдесяти – шестьдесяти лет. За последние десять лет в Китае также постепенно увеличилось его применение. Исследование его характеристик долгосрочного напряжения и долговечности показали хорошие результаты, и он стал предпочтительным материалом для гидроизоляции стыков в проходческих щитах. В последние годы для проходческих щитов большого диаметра часто используется комбинированная упругая уплотнительная прокладка из этиленпропилендиенового каучука и водонабухающей резины. Однако в ходе испытаний неоднократно отмечалось явление выдавливания водонабухающей резины с поверхности уплотнительной прокладки. Причиной является существующие в настоящее время технологии производства резины. Большинство производителей отдельно вулканизируют этиленпропилендиеновый каучук и водонабухающую резину, а затем ручным способом вставляют водонабухающая резину в этиленпропилендиеновый каучук, что не объединяет их в одно целое. Таким образом, водонабухающая резина при объемном расширении отделяется от этиленпропилендиенового каучука. В настоящее время в Китае и других странах существуют производители, которые разработали технологию совместной вулканизации этиленпропилендиеновый каучука и водонабухающей резины, что обеспечивает целостность комбинированного материала. Возможно, такой тип материалов в будущем будет широко использоваться.

4.3. ОДНО- И ДВУХСЛОЙНАЯ ОБДЕЛКА ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ

В отрасли продолжается постоянная дискуссия об использовании одно- или двухслойной обделки для туннелей. При болтовом соединении проходческий щит создает гибкую систему. Если использовать двухслойную обделку, то из-за ровной и гладкой внутренней поверхности тюбингов два слоя с трудом объединяются в одну структуру и соединяются между собой, а также создают в целом больше несущего давления.

С точки зрения координации деформации вторичная обделка невозможна аналогичной конструкции тюбингов. Он создает большое количество деформационного шва, что приведет к координации деформации структуры тюбингов и концентрации напряжения. Кроме того, учитывая задачи по сокращению сечения туннеля и финансовых затрат на строительство, сложно оставить второй слой соответствующим требованиям к его толщине для выдерживания давления. При рассмотрении существующих туннелей с двухслойной обделкой можно отметить, что у большинства из них толщина второго слоя составляет 200 – 300 мм. Такой толщины недостаточно для выдерживания давления воды, которое возникнет в случае протекания конструкции тюбингов. Если возникнет концентрация напряжения и давления воды, в более тонком втором слое могут появиться трещины и протечки. Второй слой в подводном туннеле токийского залива в Японии, установленном с целью гидроизоляции, малоэффективен.

За исключением водопроводных туннелей (несущее давление и использование пространства внутри автомобильных туннелей отличается) в Китае и других странах большинство проходческих щитов используют один слой обделки с тюбингами в качестве постоянной конструкции. В случае возникновения локальной проблемы в тюбинге в настоящее время широко используется метод армирования стальным кольцом, что позволяет избежать полного нарушения устойчивости из-за излишней деформации. Распространенным методом устранения серьезных протеканий является укрепление конструкции тюбингов, затем их наружная цементация, что создает упрочняющее кольцо и водонепроницаемый слой, что снижает коэффициент проницаемости слоя, усиливает сдерживающую способность конструкции, повышает физико-механические характеристики слоя, а также снижает прямую внешнюю нагрузку на тюбинги и контролирует деформацию. Кроме того, организуется дренажная система и централизованный выброс воды.

Проходческий щит, известный как «царь инженерных машин» в мире строительных технологий, является самым прогрессивным модернизированным оборудованием для строительства туннелей и обладает всеми характеристиками новейшей техники, такими как автоматизация, цифровизация и использование искусственного интеллекта, которые позволяют получать данные о щитовой проходке. Традиционно под такими данными принято понимать цифровые сигналы и сведения о цифровом управлении туннелепроходческим комплексом. Данные о щитовой проходке, в основном, включают: показатели контрольного переключателя, его аналоговые переменные и измерения импульса, а также показатели переключателя фаз, его аналоговые переменные и измерения импульса и т. д. Данные о щитовой проходке нужны для контроля работы оборудования, они отображают состояние техники в режиме реального времени, тем самым облегчая взаимодействие человека с компьютером и процесс поиска неисправностей.

В последние годы с развитием информационных технологий, особенно интернета, всемирной компьютерной сети, GPS, облачного хранилища, облачных вычислений, искусственного интеллекта и др. метод щитовой проходки стал автоматизированным, и современные проходческие щиты стали умнее. В настоящее время ТПК представляет собой полностью компьютерный терминал, функционирующий в сети интернет. ТПК совместно с другими строительными инструментами подключены к базе данных, в которой хранится информация о инженерно-геологических условиях строительства туннеля проходческими щитами, строительной конструкции, оседании поверхности земли, координатах направления туннеля, организации строительства, ходе строительства и др. Все это, в общем и целом, формирует большие данные. Таким образом, наступила эра больших данных щитовой проходки.