38
Obr. 41 Základní typy předstihových stabilizačních opatření při NRTM a) jehlování (3 až 5 záběrů); b) trysková injektáž (6 až 8 záběrů); c) mikropilotové deštníky (9 až 13 záběrů);
4.3 Plynulá ražba pomocí plnoprofilových tunelovacích strojů Plnoprofilovými tunelovacími stroji se nazývají výkonné mechanismy, kterými je možno provádět kontinuálně rozpojování horniny v celé čelbě tunelu bez použití trhacích prací a současně téměř plynule budovat tunelové ostění. U většiny horninových masivů se realizuje rovnou definitivní ostění, tvořené v současnosti převážně prefabrikovanými železobetonovými tubingy (dílci), skládanými do jednotlivých prstenců ostění (obr. 36 a 42). V pevných skalních horninách se výstroj neprovádí, případně jen svorníková se stříkaným betonem.
a)
b) Obr. 42 Výstavba linie 4 metra v Budapešti a) sklad tubingů u stavební jámy; b) ostění traťového tunelu
39 Ve skutečnosti i tunelovací stroje rozpojují horninu po záběrech daných maximálním možným výsuvem přítlačných axiálních lisů a po vyčerpání výsuvu je třeba stroj přemístit; v této fázi je rozpojování horniny v čelbě přerušeno. Téměř kontinuelního postupu je dosaženo u tunelovacích strojů s dvojitým pláštěm. Ve sféře plnoprofilových tunelovacích strojů proběhl od klasických nemechanizovaných štítů, používaných při ražbě tunelů v obtížných geologických podmínkách již téměř 150 let, velmi intenzivní vývoj zejména v posledních 30 letech. Současnému stadiu rozvoje tunelovacích strojů odpovídá nejlépe jejich rozdělení podle schematu (obr. 43) zpracovaného jako společné doporučení DAUB (Německý spolek pro podzemní stavby), ÖGG (rakouská společnost pro geotechniku) a SIA (Švýcarský spolek inženýrů a architektů, odborná skupina pro podzemní stavby).
Obr. 43 Rozdělení tunelovacích strojů (upraveno podle DAUT)
40 4.3.1
Razicí stroje (TBM – Tunel Boring Machines)
4.3.1.1 TBM bez štítu Plnoprofilové tunelovací stroje do pevných netlačivých hornin, tzv. otevřené TBM resp. TBM bez štítu, u nás často označované jako razicí stroje, jsou uspořádány tak, že v čele stroje je mohutná razicí hlava, která pokrývá celý ražený profil tunelu. Razicí hlava se otáčí na opláštěném hřídeli, který pohání velmi výkonné elektromotory. Na plášti hřídele jsou umístěny obvykle dvě dvojice radiálních hydraulických lisů s přítlačnými deskami, které dokonale stabilizují (upínají) razicí stroj do výrubu tak, aby rotovala pouze razicí hlava. O těla radiálních lisů se opírají axiální (podélné) lisy, které zajišťují potřebný přítlak razicí hlavy do čelby. Pomocné podpěrné lisy zajišťují stabilitu razicího stroje po dobu, kdy se stroj posunuje a nejsou aktivovány radiální upínací lisy (obr. 44). Na rotující razicí hlavě jsou umístěny rozpojovací orgány, nejčastěji diskové nože osazené do třmenů s ložisky tak, že se po čelbě při rotačním pohybu hlavy odvalují po soustředných drahách, pokrývajících celou čelbu. Otočné disky, které za současného přítlaku horninu velkým soustředěným tlakem štípají a drtí, se hodí do hornin větších pevností (více než 150 MPa). Součástí razicího stroje je zařízení na nakládání rubaniny s hřeblovým dopravníkem a ovládací pult, odkud se řídí celá činnost stroje.
Obr. 44. Razicí stroj s přítlačnými deskami („grippers“)
41 Pracovní cyklus razicího stroje je následující: - Razicí hlava s nástroji (dláta, disky) je přitlačována k čelbě axiálními lisy, otáčí se kolem osy stroje a rozpojuje horninu. Rozpojená hornina je automaticky nakládána a dopravována pásovým dopravníkem za razicí stroj do mechanismů, sloužících pro odvoz rubaniny. - Po vyčerpání zdvihu přítlačných lisů se otáčení vrtné hlavy zastaví, uvolní se rozpěrné radiální lisy upnuté do té doby do líce výrubu a stroj se podepře pomocnými lisy do dna výrubu. - Pomocí reverzně pracujících podélně působících přítlačných lisů se celý stroj přitáhne směrem k razicí hlavě. Po úplném stažení přítlačných lisů a stroje do přední polohy se rozpěrné lisy upnou opět do boků výlomu a pracovní cyklus se může opakovat. Plnoprofilové razicí stroje jsou vynikajícím mechanizačním prostředkem, který je schopný dosahovat při kontinuální ražbě v pevných skalních horninách denních výkonů v několika desítkách metrů, nasazení stroje je však ekonomické pouze u dlouhých tunelů. Vyražený profil (používané stroje mají průměry 2 až 14 m) je velmi přesný a horninový masiv minimálně narušený. Nevýhodou je požadavek stálosti geologických poměrů, obtížný přístup na čelbu při výměně rozpojovacích nástrojů a velká spotřeba elektrické energie. 4.3.1.2 TBM se štítem Pro ražbu v horninách střídavé kvality je razicí stroj doplněn ocelovým válcovým štítem s jednoduchým pláštěm v koncové části, pod jehož ochranou se výrub provedený razicí hlavou opatřuje montovaným ostěním z tubingů (obr. 45). Razicí hlava je vysunutá před štít a razí výrub, do něhož se celý stroj zasouvá.
Obr. 45 TBM s jednoduchým štítem do hornin střídavé kvality
42 Dosažení vyšší plynulosti ražby je možné u TBM s tzv. dvojitým pláštěm (obr. 46). Teleskopické uspořádání štítu umožňuje využít tlak hlavních štítových lisů k rozpojování horniny na čelbě pomocí řezné hlavy i ve fázi, kdy se v plášti, navazujícím na stabilizační část pláště upnutou samostatně do masivu pomocí přítlačných radiálních desek, montuje pomocí erektoru poslední prstenec ostění. Po uzavření prstence a vyčerpání zdvihu hlavních štítových lisů se přítlačné desky stabilizační části pláště uvolní a rozpojování v čelbě pokračuje s využitím tlaku obvodových štítových lisů, opírajících se o hotový prstenec ostění.
Obr. 46 TBM s dvojitým štítem do hornin střídavé kvality 4.3.2 Štíty Štítování je tunelovaní metoda, která se používá v obtížných geologických podmínkách, převážně v tlačivém zemním prostředí. Klasické nemechanizované tunelovací štíty neměly původně v čelbě žádný speciální rozpojovací orgán ani automatizované nakládání rubaniny. Vesměs byly konstruovány s otevřeným čelem. Klasický tunelovací štít lze charakterizovat jako ocelový válec s břitem, který je obvodovými axiálními hydraulickými lisy, tzv. štítovými, protlačován zemním případně poloskalním masivem. Pod ochranou tohoto ležatého válce probíhají práce s rozpojováním horniny na čelbě i výstavba definitivního ostění v koncové části štítu – plášti (provizorní vyztužení výrubu tvoří konstrukce štítu). Štít tvoří tři základní části (obr. 47): - Prstenec břitový (břit), ve kterém se rozpojuje hornina a nakládá rubanina; břit bývá často opatřen konstruktivními doplňky proti nadměrnému vsypávání či vtlačování zeminy do štítu.
43 - Prstenec trupový (trup), sestavený z ocelových svařovaných dílců, tvoří podstatnou část štítu. Jsou v něm umístěny štítové lisy a erektor, umožňující montáž definitivního tubingového ostění. - Plášť ze silného ocelového plechu chrání prostor, ve kterém se buduje ostění z tubingů.
Obr. 47 Schema nemechanizovaného tunelovacího štítu a) pohled do štítu s vyobrazením staršího typu erektoru; b) podélný řez; 1 – čelisti erektoru pro uchopení tubingu 2 – protizávaží 3 – hydraulické lisy pro pohyb erektoru 4 – hydraulicky výsuvné rameno erektoru 5 – štítové lisy 6 – opěrná patka 7 – tubingy 8 – výplňová injektáž za ostění
Pracovní cyklus při štítování je následující: - V břitovém prstenci probíhá rozpojování horniny; rozpojená hornina se odtěžuje a zároveň se štít prořezává po obvodě horninovým masivem pod tlakem štítových lisů, které se opírají o hotové ostění. Pohyb štítu kupředu se děje tak dlouho, až se lisy vysunou na celou délku zdvihu. - Maximálně vysunuté lisy se stáhnou zpět do trupového prstence a ve vzniklém prostoru v plášti štítu se vybuduje pomocí erektoru další prstenec ostění. - O nově smontovaný prstenec se opřou štítové lisy, štít se začne prořezávat kupředu a celý pracovní cyklus se opakuje. Bezprostředně po vysunutí tubingového ostění z pláště štítu se cementovou maltou injektuje mezera, vzniklá mezi lícem horniny a rubem smontovaného ostění. Po této výplňové injektáži se, je-li to třeba, provádí zpevňující nebo těsnící injektáž horninového masivu.
44 Klasické štíty je možno použít při určitých modifikacích břitového prstence pro ražbu ve všech běžných typech zemin a tlačivých poloskalních hornin. K nejčastějším konstruktivním úpravám štítu v břitové části, kterými lze zajistit zvýšení stability čelby, patří (obr. 48): - použití štítku („kšiltu“), který brání vsypání zeminy příliš daleko do trupového prstence, - použití svislých a vodorovných plechových přepážek, snižujících sypnou výšku zeminy, - zajištění čelby pažinami se svlaky přitlačovanými tzv. čelními lisy, - zajištění čelby výklopnými pažícími deskami s hydraulickým pohonem.
Obr. 48. Konstrukční úpravy nemechanizovaných štítů a) základní tvar; b) se štítkem; c) s horizontálními přepážkami; d) s pažením čela; e) s výklopnými pažícími deskami 1 – břit štítu, 2 – štítek, 3 – přepážky, 4 – čelní lisy, 5 – pažiny, 6 – příčné svlaky, 7 – hydraulicky výklopné desky
Při použití přetlaku vzduchu ve štítu bylo možno provádět nemechanizovanými štíty ražbu i pod hladinou podzemní vody (pneumatické štíty). V současné době se nemechanizované štíty používají jen pro ražbu menších profilů (např. kmenových kanalizačních stok) a nikoliv pod hladinou podzemní vody. Pneumatické štítování klasického kesonového typu s použitím, kdy pracovní osádka provádí ražbu v prostředí s přetlakem vzduchu a musí procházet vstupní a výstupní přetlakovou komorou (vzdušnicí), klade totiž enormní nároky na její fyzickou odolnost a obsahuje i nezanedbatelné riziko možného zatopení štítu. 4.3.2.1 Štíty s postupným pobíráním v čelbě U štítů s postupným pobíráním v čelbě se zemina v obvykle otevřené čelbě rozpojuje mechanismy s dílčím záběrem, které jsou vesměs upevňovány v přední části štítu na hydraulicky
45 výsuvném a současně otočném výložníku. V závislosti na charakteru zeminy se používají: - deskové škrabky, které jsou vhodné při ražbě v lepivých zeminách, - výložníkové frézy a lžícová rypadla (tunelbagry) pro ražbu v pevných soudržných zeminách, - pneumatická sbíjecí kladiva (impaktory) pro rozpojování tvrdých soudržných zemin a poloskalních hornin. Výhodou tímto způsobem mechanizovaných štítů je jejich snadná adaptace na změněné geologické podmínky ražby. Jestliže se rozpojovací mechanismus v daných podmínkách neosvědčí, je možné jej poměrně snadno demontovat nebo nahradit vhodnějším (obr. 49a,b).
a) b) Obr. 49 Štíty s postupným pobíráním v nepažené čelbě a) s výložníkovou frézou; b) s „tunelbagrem“
Obr. 50 Štít s postupným pobíráním (3 tunelbagry) v mechanicky částečně pažené čelbě
