Kontinuální ražba pomocí plnoprofilových tunelovacích strojů
Tunelovací stroje Tunelovacími stroji se nazývají mechanismy, kterými je možno provádět rozpojování horniny v čelbě tunelu plným profilem bez použití trhacích prací a v některých případech současně zajišťovat výlom při jeho vystrojování.
Starší dělení plnoprofilových tunelovacích strojů
Rozdělení tunelovacích strojů podle DAUB (Německý spolek pro podzemní stavby)
Historický vývoj • Štít pod řekou Temží, Londýn Navržen Brunelem, 1824-1842
• Práce na čelbě u Brunelova štítu, vyplavení
Historie v ČR Prvé použití při ražbě štolového přivaděče pitné vody pro město Chomutov z vodního díla Písečnice (1970 až 1975), kde byl použit stroj Demag o průměru 2,7 m
• přivaděč ostravského oblastního vodovodu z nádrží Kružberg a Slezká Harta (1985 až 1992) český stroj RS37
• Kabelový tunel Žižkov (1980 až 1985) byl vyražen mechanizovaným štítem Pristley o průměru 2,6 m
• kolektor Žižkov (1975 až 1984) byl použit mechanizovaný štít Priestly o průměru 4,0 m
• v úseku Florenc – Invalidovna byl použit štít s osazenou výložníkovou frézou RŠF-1 (1986 až 1990)
Mezi stanicemi Malostranská a Staroměstská na pražského metra - pravý traťový tunel až do stanice Můstek (1971 až 1978) byl nasazen sovětský mechanizovaný štít TŠčB-3 průměru 5,8 m s ostěním z pressbetonu
Sestavování štítu
Mezi stanicemi Malostranská a Staroměstská pražského metra (1971 až 1978) byl nasazen sovětský mechanizovaný štít TŠčB-3 průměru 5,8 m s ostěním z pressbetonu
Rozdělení TBM podle konstrukčního uspořádání
Otevřené TBM plnoprofilové tunelovací stroje do pevných a celistvých netlačivých hornin 1 – razicí hlava s pracovními nástroji 2 – přední přítlačné desky 3 – zadní přítlačné desky 4 – axiální lisy 5 – pohonná jednotka 6 – teleskopický hřídel
Otevřený TBM (bez pláště)
• TBM s pláštěm jsou velmi blízké mechanizovaným štítům • Rozdíl: vrtací hlava TBM vytváři otvor většího Ø než plášť – ten se do předvrtaného otvoru zatahuje (zasouvá). U mechanizovaného štítu hlava rozpojuje zeminu pod přímou ochranou pláště, který je do zeminy trvale zatlačován a odpovídá Ø ražení • Vrtné hlavy TBM bývají osazeny převážně rotujícími diskovými dláty; oproti tomu vrtné hlavy štítů jsou vybaveny loupacími dláty • TBM moderních konstrukcí lze v případě potřeby přestavět na mechanizované štíty => rozdíl se smazává • TBM s rozšířením výrubu jsou určeny pro proměnné geologické podmínky resp. pro větší Ø
Pracovní cyklus razicího stroje 1 Razicí hlava je přitisknuta k čelbě přítlačnými lisy, otáčí se kolem osy stroje a rozpojuje tak horninu v závislosti na druhu použitých rozpojovacích orgánů. Rozpojená hornina je automaticky nakládána a dopravována pásovým dopravníkem za tunelovací stroj do vozů, sloužících pro odvoz rubaniny.
2 Po vyčerpání zdvihu přítlačných lisů se otáčení vrtné hlavy zastaví.
3 Uvolní se rozpěrné zařízení, upnuté do této chvíle do boků horniny.
• 4 Pomocí reverzně pracujících přítlačných lisů se celý stroj posune směrem k razicí hlavě.
5 Po dosažení přední polohy se rozpěrné zařízení upne opět do boků výlomu, přítlačné lisy přitlačí razicí hlavu na čelo výrubu a pracovní cyklus se může opakovat
Razící hlava může být plošně uzavřená nebo otevřená (tvořená víceramenným křížem). Na hlavě jsou osazeny rozpojovací nástroje – převážně valivá disková dláta s řeznou hranou z kalené oceli nebo (častěji) z tvrdokovu; ta se odvalují pod velkým přítlakem a rozpojují horninu kombinací příčného tahu a soustředného tlaku
Konstrukce razící hlavy závisí na geologických podmínkách v trase: • Otevřené - dobrá geologie s dostatočně dlouhou dobou stability Výhody: - menší hmotnost hlavy - možnost kontroly IG poměrů na ě - lepší přístup k čelbě
• Razící hlava plného průřezu - méně kvalitní prostředí s nezaručenou stabilitou výrubu Nejčastější typ Nevýhody : - velká hmotnost hlavy - stížený přístup vrazícíhlavu
razící před
Bázový tunel Lotschberg
Qinling Railway Tunnel, průměr 8,8 m, délka 8 km
Mechanismus rozpojování horniny valivým diskovým dlátem; koaxiální dráhy dlát na čele
TBM s jednoduchým pláštěm Pro ražbu v horninách střídavé kvality, tzn. v pevných horninových masivech, ale s rozsáhlými nebo častými poruchovými pásmy, je vhodné použít razicí stroj doplněný ocelovým pláštěm, pod jehož ochranou se výrub provedený razicí hlavou opatřuje v potřebné míře montovaným ostěním z hladkých železobetonových segmentů
Schema TBM s jednoduchým pláštěm 1 – razicí hlava 2 – plášť 3 – kloubový spoj 4 – axiální lisy 5 – erektor 6 – hrablový dopravník 7 – pásový dopravník 8 – násypka 9 – elektromotory 10 – průlezný otvor 11 – obvodové těsnění
TBM s jednoduchým pláštěm – nemá vlastní přítlačné desky. Velmi podobný mechanizovanému štítu. Pracuje cyklicky. Obezdívka je standardně prováděna ze ŽB dílců. Snížená rychlost ražení. Určen do variabilní geologie
Bosporus tunel, průměr 6,11, délka 5,5 km
TBM s dvojitým pláštěm TBM s dvojitým pláštěm má vyšší plynulost ražby. Dvojitý plášť se skládá z pevné a pohyblivé (teleskopické) části. Ve stroji jsou dvě sestavy lisů – zadní axiální slouží k posuvu celého stroje, přední k samostatnému teleskopickému posuvu jeho přední části.
Schema TBM s dvojitým pláštěm 1 – razicí hlava 2,3 – pevná část pláště 3,4,5 – teleskopická část pláště 4 – stabilizační část 5 – koncová část 6 – přední lisy 7 – zadní axiální lisy 8 – přítlačné desky 9 – kloub 10 – erektor 11 - pásový dopravník
TBM s dvojitým (teleskopickým) pláštěm může pracovat i bez stavění výztuže (má vlastní přítlačné desky), vrtání i zřizování montované obezdívky mohou probíhat souběžně. Pokud není hornina dostatečně stabilní pro opření přítlačných desek, pracuje jako TBM s jednoduchým pláštěm
TBM s rozšiřováním průřezu • standardně jednostupňovým. Nevýhoda dvojnásobného průchodu profilem je kompenzována: Možností bezprostředního průzkumu Předstihovým zabezpečením nestabilních úseků příp. rozšířením takového úseku jiným postupem Větráním a odvodněním pro ražbu velkého tunelu Možností předstihového vyražení komplikovaných objektů v trase (komíny, šachty, kaverny) rozfáráním ze směrové štoly Vestavěním výstroje bezprostředně za kratší zatahovanou vrtnou hlavou Takový TBM může mít při většině stejných agregátů výměnnou vrtnou hlavu (v rozpětí Ø až 3÷4 m)
Rychlost ražby TBM • Teoretická rychlost postupu vrtání = několik m/hod (= několik set až mnoho set m/měsíc [B. Štiavnica NOŠ až 800 m/měsíc při Ø 326 cm]) • Skutečná rychlost postupu = podstatně nižší v důsledku: Nutnosti odsouvat značné kubatury rubaniny Nutnosti přemísťování stroje při postupu vrtání [posun a přestavování „bačkor“ systémem stůj-popojdi] Nutnosti údržby a oprav stroje a především výměny dlát na vrtací hlavě Případného zajišťování výrubu (při návěsu dlouhém až 150 – 200 m!)
Výhody TBM Obvykle (stejně jako speciální štít – viz dále) - cca až 3x rychlejší než konvenční tunelování Minimální narušení okolního masívu ražbou „Nepřerušovaný“ cyklus ražení (24 hod/den; 7 dnů v týdnu) – ovšem s řadou omezení (údržba stroje, výměna nástrojů, odsun rubaniny, hygienické limity etc.) Možnost budování ostění pod ochranou návěsu a zařízením v návěsu umístěným
Náklady na ražbu
Nevýhody TBM Možnost pouze Ø, nebo Ø velmi blízkého Malá flexibilita při nasazení v rozdílných horninách (běžně se stroj staví „na míru“ dané lokality) – např. potíže v blízkosti silně kolísavé báze kvartéru (Singapur) Nutnost dobré kvality horniny (hrozí zavalení hlavy, povolení horniny při rozepření bačkor, zaboření vrtné hlavy ap.) Vysoká až velmi vysoká pořizovací cena (podle Ø v řádu 10. až [mnoha] 100. mil. Kč) Bačkory (viz Chunnel) – poruchy v bocích při jejich upínání, rozpínané ostění => nutnost přestavět komplexy za cca 400 mil US $
Návrh TBM two + two face pro tlamový Ø
Mechanizované štíty s postupným pobíráním v čelbě zemina se v obvykle otevřené čelbě rozpojuje mechanismy s dílčím záběrem: * deskové škrabky pro měkké a lepivé zeminy * výložníkové frézy pro horniny s pevností do cca 50 až 70 MPa , * lžícová rypadla (tunelbagry) pro rozpojování tvrdých soudržných zemin, poloskalních hornin a hornin s pevností do cca 30 MPa.
Mechanizované štíty jsou kryty ochranným ocelovým válcem. Jsou určeny do měkkých zemin nebo do takových hornin, ve kterých by mohlo vytvořením výrubu dojít ke ztrátě stability.
Schéma mechanizovaného štítu s výložníkovou frézou
Schéma štítu
1-drapák či fréza 2-plášť štítu 3-řídící hydromotor 4-dopravní pás 5-saňový výložník 6-posuvný přímočarý hydromotor
Otevřené štíty
Mechanizované štíty s plnoprofilovým pobíráním v čelbě Lze je rozdělit do dvou skupin – štíty bez tlakové kontroly čelby (pro tlačivé a silně tlačivé zeminy) - štíty s tlakovou kontrolou čelby (silně tlačivé a zvodnělé zeminy). Zásadním konstrukčním rozdílem mezi těmito dvěma skupinami je existence tlakotěsné přepážky mezi prostorem čelby s razicí hlavou a trupovou částí štítu.
Štíty bez tlakové kontroly čelby • V zeminách pevné až tvrdé konzistence, v nichž nehrozí nebezpečí závalu razicí hlavy, je čelba bez podepření a razicí hlava má tvar paprskového kola, jehož ramena jsou opatřena řeznými nástroji
Štít bez podepření čelby
Štíty s tlakovou kontrolou čelby U těchto štítů umožňuje technické řešení prostoru ve štítu tlakotěsnou přepážkou ražbu v tlakově kontrolovaném prostředí, což má velmi pozitivní vliv na stabilitní i deformační chování čelby i celého ražbou ovlivněného horninového masivu. Podle typu zprostředkujícího media jsou také pojmenovány jednotlivé typy štítů s tlakovou kontrolou čelby - pneumatický štít, bentonitový štít a zeminový štít.
Štíty s uzavřeným čelem
Schéma pneumatického štítu
1-řezná hlava 2-pohon hlavy 3-hydromotor pro posun štítu 4-erektor 5-dopravování rubaniny 6-dopravování ostění 7-spínací skříň 8-pokračování dopr. pásu
Mechanizovaný pneumatický štít
Bentonitové štíty jsou vhodné do velmi propustných nesoudržných zemin typu písků a písčitých štěrků při ražbě pod vodními toky, případně pode dnem moře. Bentonitová suspenze paží čelo výrubu tlakem, který musí být vyšší, než je součet zemního a vodního tlaku na čelbu. Suspenze proniká do pórů zeminy, kolmatuje ji (utěsňuje) v zóně před strojem a zabraňuje tak pronikání vody ke štítu.
Zeminové štíty se používají v tlačivých nestabilních horninách, bez masivní přítomnosti vody. Jejich princip tkví v tom, že přepážkou oddělená komora na čele štítu s razicí hlavou je trvale vyplněna rozpojenou zeminou. Z komory se speciální pěnou lubrikovaná zemina průběžně odebírá šnekovým dopravníkem v přesně řízeném množství tak, aby se proti tlaku horninového masivu na čelbu vytvořil reakční tlaku potřebné velikosti.
Zeminový štít - řez
Princip zeminového štítu
Zeminový štít pro Madridský automobilový okruh. Průměr 15 m
Zeminový štít pro Madridský automobilový okruh a Chongming Shanghai, průměr 15 m
Atheny, Olympic Tunnel • Vysoké nadloží 60 m a tlak vody v prpustných, mškkých zeminách
60m
Atheny, Olympic Tunnel
75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
SAND
CLAY
SAND
7
Rings/Week
6
Advance in Sand: 45,4 R/w 5 4
Advance in Clay: 34,3 R/w
3
2
1
Production weeks Tunnel West
69
65
61
57
53
49
45
41
37
33
29
25
21
17
13
9
5
0
1
Production Rings/Week
• Tempo postupu bylo v problematických zeminách bylo podstaně zvýšeno
Gotthardský bázový tunel 57 km
Měření při ražbách Kompletní kontrolní systém – geodetické měření, inklinometrické měření, parametry TM
Numerické modelování ražby TBM
Sedání při použití TBM
Návrhové kroky navrhování TBM
• Krok 1 Definování geometrických parametrů poloměr výrubu, poloměr ostění, tloušťka ostění, typ segmentů a jejich spojení,.. • Krok 2 Určení geotechnických parametrů smykové pevnosti, moduly přetvárnosti, primární napjatost, pevnost horniny v tlaku, abrazivita
• Krok 3 Výběr kritických řezů vliv nadloží, podzemní vody, přitížení, okolních budovi • Krok 4 Určení mechanických vlastností TBM místo pro instalaci, injektážní tlaky, rozpěrné tlaky, tlak na dláto a počet dlát • Krok 5 Materiálové parametry ostění pevnost a modul u ŽLB, pevnost spojení segmentů, • Krok 6 Určení návrhových hodnot výpočtu
Mezní stavy u TBM
Vliv TBM na okolí
Otevřený štít
1.ražba 2.zúžení výrubu 3.tuhnutí injektáže mezi ostěním a horninou 4.plná funkčnost ostění
Ražba – Je odstraněna zemina uvnitř výrubu a nahrazena prvkem „ostění. Mezi zeminou a „ostěním“ je prvek „interface“ simulující
Zúžení výrubu – Samotné TBM nemívá konstantní poloměr. A i za řezacími nástroji dochází k rozvolňování okolního masivu (zeminy G, S i F se skutečně rozvolní). Tato skutečnost se dá modelovat zúžením prvku „ostění“.
Tuhnutí injektáže mezi ostěním a horninou –Tento stav by mohl být modelován jako několik mezikruží s materiálem ostění, malty a okolní horniny. Za předpokladu, že se okolní masiv skutečně nebude dotýkat ostění to lze modelovat jednodušeji – injektážní hmotu namodelujeme jako hydrostatický tlak na výrub.
Plná funkčnost ostění - po zatuhnutí injektáže již nemá smysl uvažovat hydrostatický tlak. Místo něj se zaktivuje samotné ostění. Ostění lze namodelovat stejně jako samotné TBM nosníkovým prvkem o příslušných parametrech..
hard-rock TBM
1.ražba 2.volný prostor bez vlivu TBM 3.rozpěrné lisy 4.volný prostor bez vlivu TBM 5.hotové ostění
RAŽBA 1.výrub bez jakéhokoliv podepření i zatížení 2.výrub osazen prvkem „ostění “ po celém obvodu a váze TBM 3. dolní třetina výrubu osazena prvkem „ostění“ o tuhosti TBM a pro zachování hmotnosti o tíze 3-krát větší na m´ „ostění“
o
tuhosti
Volný prostor bez vlivu TBM – „hard-rock TBM“ nepotřebuje plášť k ochraně před kolapsem okolního masivu. Před pádem uvolněných kusů ho lze chránit dodatečným kotvením a včasnou aplikací stříkaného betonu. Nadále zůstává vypnuta zemina uvnitř výrubu a navíc se odstraní i prvek „ostění“
Rozpěrné lisy – v tomto místě se přenáší pomocí tlakových sil na okolní masiv do horniny reakce TBM od přítlačných sil a sil potřebných k posunu samotného stroje.
Tuhnutí injektáže mezi ostěním a horninou –Tento stav by mohl být modelován jako několik mezikruží s materiálem ostění, malty a okolní horniny. Za předpokladu, že se okolní masiv skutečně nebude dotýkat ostění to lze modelovat jednodušeji – opomeneme existenci ostění a injektážní hmotu namodelujeme jako hydrostatický tlak na výrub.
Plná funkčnost ostění - po zatuhnutí injektáže již nemá smysl uvažovat hydrostatický tlak. Místo něj se zaktivuje samotné ostění. Ostění lze namodelovat stejně jako samotné TBM tyčovým prvkem o příslušných parametrech..
