Maszyna drążąca
.jpg)
Maszyna do wiercenia tuneli ( TBM ), znana również jako „kret”, to maszyna używana do wykopywania tuneli o okrągłym przekroju przez różne warstwy gleby i skał . Mogą być również wykorzystywane do mikrotunelowania . Mogą być zaprojektowane do przebijania się przez twardą skałę, mokrą lub suchą glebę lub piasek . Średnice tuneli mogą wahać się od jednego metra (3,3 stopy) (mikro-TBM) do 17,6 metra (58 stóp) do tej pory. Tunele o średnicy mniejszej niż metr są zwykle wykonywane przy użyciu budowy bezwykopowej lub poziome odwierty kierunkowe zamiast TBM. TBM mogą być zaprojektowane do wykopywania tuneli nieokrągłych, w tym tuneli w kształcie litery U, podkowy, kwadratowych lub prostokątnych.
Maszyny do drążenia tuneli są stosowane jako alternatywa dla metod wiercenia i strzelania (D&B) w skale i konwencjonalnego „ręcznego wydobywania” w glebie. TBM mają tę zaletę, że ograniczają zakłócenia otaczającego gruntu i tworzą gładką ścianę tunelu. To znacznie obniża koszt wyłożenia tunelu i sprawia, że nadają się do stosowania w obszarach miejskich. Główną wadą jest koszt początkowy. TBM są drogie w budowie i mogą być trudne w transporcie. Im dłuższy tunel, tym mniejszy jest względny koszt maszyn do drążenia tuneli w porównaniu z metodami wiertniczymi i strzałowymi. Wynika to z faktu, że tunelowanie za pomocą odpowiednich TBM jest znacznie bardziej wydajne i skraca czas realizacji. Wiercenie i strzelanie pozostają jednak preferowaną metodą podczas pracy w mocno spękanych i ścinanych warstwach skalnych.
Historia
Pierwsza udana tarcza do drążenia tuneli została opracowana przez Sir Marca Isambarda Brunela w celu wykopania tunelu Tamizy w 1825 r. Było to jednak tylko wynalezienie koncepcji tarczy i nie obejmowało budowy kompletnej maszyny do drążenia tuneli, kopanie nadal musiało być wykonane standardowymi wówczas metodami wykopaliskowymi.
Pierwszą wytaczarką, o której doniesiono, że została zbudowana, była krajalnica górska Henri Mausa . Zlecony przez króla Sardynii w 1845 r. do wykopania tunelu kolejowego Fréjus między Francją a Włochami przez Alpy , Maus zlecił jego budowę w 1846 r. w fabryce zbrojeniowej niedaleko Turynu . Składał się z ponad 100 wiertarek udarowych zamontowanych z przodu maszyny wielkości lokomotywy, napędzanej mechanicznie od wejścia do tunelu. Rewolucje 1848 r wpłynęło na finansowanie, a tunel został ukończony dopiero 10 lat później, przy użyciu mniej innowacyjnych i tańszych metod, takich jak wiertarki pneumatyczne .
W Stanach Zjednoczonych pierwsza wytaczarka została zbudowana w 1853 roku podczas budowy tunelu Hoosac w północno-zachodnim Massachusetts. Wykonany z żeliwa, był znany jako opatentowana maszyna do cięcia kamienia Wilsona , na cześć wynalazcy Charlesa Wilsona. Wwiercił się w skałę na głębokość 10 stóp, zanim się załamał. (Tunel został ostatecznie ukończony ponad 20 lat później, podobnie jak w przypadku tunelu kolejowego Fréjus, przy użyciu mniej ambitnych metod). Maszyna Wilsona przewidywała nowoczesne TBM w tym sensie, że wykorzystywała tarcze tnące, takie jak w bronie talerzowej , które były przymocowane do obracającej się głowicy maszyny. W przeciwieństwie do tradycyjnego kucia lub wiercenia i wysadzania skał, ta innowacyjna metoda usuwania skał opierała się na prostych metalowych kołach, które przykładały przejściowe wysokie ciśnienie, które powodowało pękanie skały.
W 1853 roku Amerykanin Ebenezer Talbot opatentował również TBM, w którym zastosowano tarcze tnące Wilsona, chociaż były one zamontowane na obrotowych ramionach, które z kolei były zamontowane na obrotowej płycie. W latach siedemdziesiątych XIX wieku John D. Brunton z Anglii zbudował maszynę wykorzystującą tarcze tnące, które były zamontowane mimośrodowo na obracających się płytach, które z kolei były zamontowane mimośrodowo na obracającej się płycie, tak że tarcze tnące poruszały się po prawie całej ścianie skalnej, która miał być usunięty.
Pierwszy TBM, który przebił tunel na znaczną odległość, został wynaleziony w 1863 r. I ulepszony w 1875 r. Przez oficera armii brytyjskiej, majora Fredericka Edwarda Blacketta Beaumonta (1833–1895); Maszyna Beaumonta została dodatkowo ulepszona w 1880 roku przez oficera armii brytyjskiej, majora Thomasa Englisha (1843–1935). W 1875 r. francuskie Zgromadzenie Narodowe zatwierdziło budowę tunelu pod kanałem La Manche oraz brytyjski parlament wspierał uruchomienie próbne przy użyciu TBM w języku angielskim. Jego głowica tnąca składała się ze stożkowego wiertła, za którym znajdowała się para przeciwległych ramion, na których zamontowane były tarcze tnące. Od czerwca 1882 do marca 1883 maszyna przebiła kredą tunel o łącznej długości 1840 m (6036 stóp). Francuski inżynier Alexandre Lavalley , który był również wykonawcą Kanału Sueskiego , użył podobnej maszyny do wiercenia 1669 m (5476 stóp) od Sangatte po stronie francuskiej. Jednak pomimo tego sukcesu projekt tunelu przez kanał La Manche został porzucony w 1883 r. Po tym, jak wojsko brytyjskie wyraziło obawy, że tunel może zostać wykorzystany jako trasa inwazji. Niemniej jednak w 1883 roku ten TBM został użyty do wydrążenia kolejowego tunelu wentylacyjnego — o średnicy 7 stóp (2,1 m) i długości 6750 stóp (2 km) — między Birkenhead a Liverpoolem w Anglii, przez piaskowiec pod rzeką Mersey .
Pod koniec XIX i na początku XX wieku wynalazcy nadal projektowali, budowali i testowali TBM w odpowiedzi na zapotrzebowanie na tunele dla linii kolejowych, metra, kanałów ściekowych, wodociągów itp. Opatentowano TBM wykorzystujące obrotowe układy wierteł lub młotów. TBM, które przypominały gigantyczne otwornice zostały zaproponowane. Inne TBM składały się z obracającego się bębna z metalowymi zębami na jego zewnętrznej powierzchni lub obrotowej okrągłej płyty pokrytej zębami lub obrotowych pasów pokrytych metalowymi zębami. Jednak te TBM okazały się drogie, nieporęczne i niezdolne do wydobywania twardej skały; w związku z tym zainteresowanie TBM spadło. Niemniej jednak rozwój TBM był kontynuowany w kopalniach potażu i węgla, gdzie skała była bardziej miękka.
TBM o średnicy otworu 14,4 m (47 stóp 3 cale) został wyprodukowany przez The Robbins Company na potrzeby kanadyjskiego projektu Niagara Tunnel Project . Maszyna została wykorzystana do wydrążenia tunelu hydroelektrycznego pod wodospadem Niagara . Maszyna została nazwana „Big Becky” w nawiązaniu do tam hydroelektrycznych Sir Adama Becka , do których prowadziła tunel, aby zapewnić dodatkowy tunel hydroelektryczny.
firma Hitachi Zosen Corporation wyprodukowała równoważnik parcia gruntu TBM , znany jako Bertha , z otworem o średnicy 17,45 m (57 stóp 3 cale) . Został dostarczony do Seattle w stanie Waszyngton w ramach projektu tunelu autostrady 99 . Maszyna zaczęła działać w lipcu 2013 r., ale utknęła w grudniu 2013 r. i wymagała poważnych napraw, które zatrzymały ją do stycznia 2016 r. Bertha zakończyła drążenie tunelu 4 kwietnia 2017 r.
Dwa TBM dostarczone przez CREG wykopały dwa tunele dla Rapid Transit w Kuala Lumpur o średnicy 6,67 m. Pożywką był nasycony wodą mułowiec piaszczysty, mułowiec łupkowy, mułowiec silnie zwietrzały oraz aluwium. Osiągnął maksymalną prędkość posuwu ponad 345 m/miesiąc.
Największy na świecie twardy rockowy TBM, znany jako Martina , został zbudowany przez firmę Herrenknecht AG . Jego średnica wykopu wynosiła 15,62 m (51 stóp 3 cale), całkowita długość 130 m (430 stóp); powierzchnia wyrobiska 192 m 2 (2070 stóp kwadratowych), siła ciągu 39 485 t, masa całkowita 4 500 ton, łączna moc zainstalowana 18 MW. Jego roczne zużycie energii wynosiło około 62 mln kWh. Jest własnością i jest zarządzana przez włoską firmę budowlaną Toto SpA Costruzioni Generali (Grupa Toto) dla galerii Sparvo na włoskiej przełęczy autostradowej A1 („Variante di Valico A1”), niedaleko Florencji. Ta sama firma zbudowała m.in TBM do gnojowicy o największej średnicy na świecie , średnica wykopu 17,6 metra (57 stóp 9 cali), należąca do francuskiej firmy budowlanej Dragages Hong Kong (spółka zależna Bouygues) i przez nią obsługiwana, dla łącza Tuen Mun Chek Lap Kok w Hongkongu.
typy
Nowoczesne TBM zazwyczaj składają się z obracającego się koła tnącego, zwanego głowicą tnącą, za którym znajduje się główne łożysko, układ oporowy i wleczone mechanizmy podtrzymujące. Typ używanej maszyny zależy od konkretnej geologii projektu, ilości obecnych wód gruntowych i innych czynników.
Hard rockowe TBM
W twardej skale można zastosować TBM z osłoną lub typu otwartego. TBM do twardej skały tną skałę za pomocą dysków zamontowanych w głowicy tnącej. Frezy tarczowe tworzą spękania naprężeniowe w skale, powodując pękanie wiórów z powierzchni tunelu. Wydobyta skała (muł) podawana jest otworami w głowicy urabiającej na przenośnik taśmowy, który przenosi ją przez maszynę do układu przenośników lub wozów urobku.
TBM typu otwartego nie mają osłony, pozostawiając obszar za głowicą tnącą otwarty na podparcie skał. Aby posuwać się naprzód, maszyna wykorzystuje system chwytaków, który naciska na ściany tunelu. Maszynami takimi jak maszyna Wirtha można sterować tylko bez uchwytu. Inne maszyny mogą być sterowane w sposób ciągły. Po uchwyceniu maszyna pcha do przodu. Pod koniec cyklu tylne nogi są opuszczane, podczas gdy chwytaki i cylindry napędowe są wsuwane, a maszyna posuwa się do przodu. Następnie chwytaki włączają się ponownie, a tylne nogi podnoszą się do następnego cyklu wytaczania.
Maszyny typu otwartego lub maszyny z belką główną nie instalują z tyłu betonowych segmentów. Zamiast tego skała jest podtrzymywana za pomocą metod podparcia gruntu, takich jak belki pierścieniowe, kotwy skalne, natryskowy , stalowe pasy, stal pierścieniowa i siatka druciana.
W spękanej skale można zastosować osłonięte TBM. Wznoszą betonowe segmenty za maszyną, aby podeprzeć ściany tunelu. TBM z podwójną osłoną mają dwa tryby; na stabilnym gruncie chwytają ściany tunelu, aby posuwać się naprzód. W niestabilnym, spękanym podłożu ciąg jest przenoszony do cylindrów oporowych, które naciskają na segmenty tunelu za maszyną. Dzięki temu siły ciągu nie uderzają w delikatne ściany tunelu. TBM z pojedynczą tarczą działają w ten sam sposób, ale są używane tylko w spękanym gruncie, ponieważ mogą naciskać tylko na betonowe segmenty.
TBM na miękkim podłożu
W miękkim gruncie trzy główne typy TBM to: maszyny do równoważenia nacisku na ziemię (EPB), osłona gnojowicy (SS) i otwarta twarz. Oba typy zamkniętych maszyn działają jak TBM z pojedynczą osłoną, wykorzystując cylindry oporowe do poruszania się poprzez odpychanie się od betonowych segmentów. Maszyny EPB są używane w miękkim podłożu przy ciśnieniu poniżej 7 barów. Głowica tnąca wykorzystuje kombinację węglika wolframu wiertła tnące, tarcze tnące z węglików spiekanych, młotki i/lub tarcze tnące do skał twardych. Nazwa maszyny EPB pochodzi od wykorzystania urobku do wytworzenia ciśnienia w przodzie tunelu. Ciśnienie jest utrzymywane poprzez kontrolowanie szybkości wydobycia urobku (za pomocą śruby Archimedesa ) oraz szybkości posuwu. Dodatki takie jak bentonit , polimery i piana mogą być wstrzykiwane przed przodkiem w celu zwiększenia stabilności gruntu. Dodatki można wstrzykiwać do głowicy urabiającej/śruby ekstrakcyjnej, aby zapewnić, że urobek pozostanie wystarczająco spójny, aby utworzyć korek w ślimaku, aby utrzymać ciśnienie i ograniczyć przepływ wody.
W przypadku miękkiego gruntu o wysokim ciśnieniu wody lub gruntu ziarnistego (piasek i żwir) w stopniu uniemożliwiającym utworzenie korka w śrubie, stosuje się Slurry Shield TBM. Głowica urabiająca jest wypełniona zawiesiną pod ciśnieniem, która wywiera ciśnienie hydrostatyczne na przodek wykopu. Gnojowica działa jako medium transportowe, mieszając się z urobkiem przed wypompowaniem go z głowicy urabiającej do instalacji separacji gnojowicy, zwykle poza tunelem. Instalacje do separacji gnojowicy to wielostopniowe systemy filtracji, które oddzielają urobek od gnojowicy w celu umożliwienia ponownego wykorzystania. Granica, do której gnojowica może być „oczyszczona”, zależy od względnej wielkości cząstek wykopanego materiału. Gnojowice TBM nie nadają się do mułów i glin, ponieważ rozmiary cząstek urobku są mniejsze niż w przypadku gliny bentonitowej, z której wytwarza się szlam. W tym przypadku zawiesina jest rozdzielana na wodę, którą można poddać recyklingowi, oraz placek gliniany, który może być zanieczyszczony, który jest wyciskany z wody.
TBM z otwartą twarzą w miękkim gruncie opierają się na powierzchni wykopanego gruntu, aby stać bez podparcia przez krótki czas. To sprawia, że nadają się do stosowania w typach skał o wytrzymałości do 10 MPa i przy niskich dopływach wody. W ten sposób można wykopać ściany o średnicy przekraczającej 10 metrów. Twarz jest wykopywana za pomocą ramienia tylnego aktora lub głowicy tnącej do 150 mm od krawędzi osłony. Tarcza jest podniesiona do przodu, a noże z przodu tarczy przycinają pozostałą ziemię do tego samego okrągłego kształtu. Podparcie gruntu zapewnia prefabrykowany beton lub czasami sferoidalne żelazo grafitowe (SGI), które są przykręcane lub podparte do momentu zbudowania pełnego pierścienia podtrzymującego. Ostatni segment, zwany kluczem, ma kształt klina i rozszerza pierścień, aż będzie ciasno przylegał do pozostawionego okrągłego nacięcia w ziemi.
Chociaż użycie TBM zmniejsza potrzebę pracy dużej liczby pracowników przy wysokim ciśnieniu , czasami na głowicy tnącej tworzy się system kesonów dla TBM z osłoną gnojowicy. Pracownicy wchodzący do tej przestrzeni w celu kontroli, konserwacji i naprawy muszą zostać zatwierdzeni przez lekarza jako „zdolni do nurkowania” (aby przetrwać podwyższone ciśnienie) i przeszkoleni w zakresie obsługi śluz.
Herrenknecht AG zaprojektował 19,25 m (63 stopy 2 cale) miękkiego gruntu TBM dla tunelu Orlovski, projektu w Sankt Petersburgu , ale nigdy nie został zbudowany.
Metoda osłony mikrotunelowej
Metoda osłony mikrotunelowej jest techniką kopania używaną do budowy małych tuneli i jest mniejszym odpowiednikiem ogólnej osłony tunelowej . Maszyny do drążenia mikrotuneli są dość podobne do ogólnych tarcz do drążenia tuneli, ale na mniejszą skalę. Zwykle wahają się od 1 do 1,5 m (3,3 do 4,9 stopy) i są zbyt małe, aby operatorzy mogli do nich wejść.
Systemy kopii zapasowych
Za wszystkimi typami maszyn do drążenia tuneli, w gotowej części tunelu, znajdują się wleczone pokłady podporowe zwane systemem rezerwowym, którego mechanizmy mogą obejmować przenośniki lub inne systemy usuwania urobku; rurociągi gnojowicy (jeśli dotyczy); pomieszczenia kontrolne; instalacje elektryczne, odpylające i wentylacyjne; oraz mechanizmy transportu segmentów prefabrykowanych.
Tunele miejskie i tunele podpowierzchniowe
Miejskie tunele mają specjalne wymagania, aby powierzchnia pozostała nienaruszona i aby uniknąć osiadania gruntu. Normalną metodą robienia tego w miękkim gruncie jest utrzymywanie parcia gruntu w trakcie i po zakończeniu budowy.
W takich sytuacjach stosowane są TBM z dodatnią kontrolą czoła, takie jak równoważenie parcia gruntu (EPB) i osłona gnojowicy (SS). Oba typy (EPB i SS) są w stanie zmniejszyć ryzyko osiadania powierzchni i powstawania pustych przestrzeni, jeśli warunki gruntowe są dobrze udokumentowane. Podczas drążenia tuneli w środowisku miejskim należy wziąć pod uwagę inne tunele, istniejące linie uzbrojenia i głębokie fundamenty, a projekt musi uwzględniać środki łagodzące wszelkie szkodliwe skutki dla innej infrastruktury. [ potrzebne źródło ]
Zobacz też
- Channel Tunnel – Podmorski tunel kolejowy łączący Francję i Anglię
- Nowa austriacka metoda drążenia tuneli – Metoda nowoczesnego projektowania i budowy tuneli
- Kombajn chodnikowy – Punktowa maszyna uderzeniowa stosowana do prac podziemnych w kopalniach i tunelach
- Podziemne
- Technologia bezwykopowa – Rodzaj konstrukcji podziemnej
Notatki
- Bagust, Harold (2006). Większy geniusz ?: biografia Marca Isambarda Brunela . Wydawnictwo Iana Allana. ISBN 0-7110-3175-4 .
- Bancroft, George J. (1908) „Historia maszyny do drążenia tuneli”, Mining Science , s. 58, 65-68 , 85-88, 106-108, 125-127, 145-146, 165-167
- Pijący, Henry Sturgis. Treatise on Explosive Compounds, Machine Rock Drilling and Blasting (Nowy Jork, Nowy Jork: J. Wiley & Sons, 1883), s. 191-194.
- Hemphill, Gary B. Practical Tunnel Construction (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2013), Rozdział 7: Maszyny do drążenia tuneli: Historia maszyny do drążenia tuneli.
- Maidl, Bernhard; Schmid, Leonhard; Ritz, Willy; Herrenknecht, Martin (2008). Maszyny do wiercenia tuneli Hardrock . Ernst & Sohn. ISBN 978-3-433-01676-3 .
- Stos, Barbara, „Encyklopedia sprzętu do drążenia tuneli, górnictwa i wiercenia”, 1995.
- Zachód, Graham. Innovation and the Rise of the Tunneling Industry (Cambridge, Anglia: Cambridge University Press, 1988), rozdział 11: Maszyny do drążenia tuneli w twardej skale.
Dalsza lektura
- Barton, Nick (2000). Tunelowanie TBM w skałach połączonych i uskokowych . Rotterdam: Balkema.
- Bilger, Burkhard (15 września 2008). „The Long Dig: Trudna droga przez Alpy Szwajcarskie” . Nowojorczyk .
- Foley, Amanda (maj 2009). „Życie na krawędzi cięcia: Dick Robbins” . Tunele i tunelowanie międzynarodowe .
Linki zewnętrzne
- 2.M-30 EPB Tunnel Boring Machine – największa zbudowana na świecie
- Film o tym, jak działa maszyna do drążenia tuneli
- Animacja Herrenknechta TBM
| Kontrola władz : krajowa |
|---|
