tunelový vyvrtávač (TBM), známý také jako „krtek“, je stroj používaný k vykopávání tunelů s kruhovým průřezem různými vrstvami půdy a hornin. Mohou projít tvrdou skálou, písek, a téměř cokoli mezi tím. Průměry tunelů se mohou pohybovat od metru (provedeno s mikro-TBMs) do téměř 16 metrů k dnešnímu dni. Tunely o průměru menším než jeden metr se obvykle provádějí pomocí bezvýkopových konstrukčních metod nebo horizontálního směrového vrtání spíše než TBMs.
tunelové vyvrtávací stroje se používají jako alternativa k metodám vrtání a tryskání (D&B) v horninách a konvenční „ruční těžbě“ v půdě. TBM mají tu výhodu, že omezují rušení na okolní půdu a vytvářejí hladkou stěnu tunelu. To výrazně snižuje náklady na obložení tunelu a činí je vhodnými pro použití v silně urbanizovaných oblastech. Hlavní nevýhodou jsou počáteční náklady. Konstrukce TBM je nákladná, a může být obtížné jej přepravovat. Jak se však moderní tunely prodlužují, náklady na tunelové vyvrtávací stroje versus vrtací a tryskací stroje jsou ve skutečnosti nižší—je to proto, že tunelování pomocí TBMs je mnohem efektivnější a má za následek kratší projekt.
největší TBM o průměru 15,43 m postavila společnost Herrenknecht AG pro nedávný projekt v čínské Šanghaji. Stroj byl postaven na vrtání měkkým povrchem včetně písku a hlíny. Největší průměr hard rock TBM, na 14.4 m, byl vyroben společností Robbins pro Kanadský Projekt niagara Tunnel. Stroj v současné době vyvrtává vodní tunel pod Niagarskými vodopády, stroj byl pojmenován „Big Becky“ ve vztahu k Hydroelektrickým přehradám Sira Adama Becka, ke kterým tuneluje, aby poskytl další vodní tunel.
Hard rock TBMs
v hard rocku lze použít buď stíněné nebo otevřené TBMs. Všechny typy tvrdých hornin TBM vykopávají horninu pomocí kotoučových řezaček namontovaných v řezací hlavě. Kotoučové frézy vytvářejí ve skále zlomeniny tlakového napětí, což způsobuje, že se odštěpí od skály před strojem, nazývá se tvář tunelu. Vytěžená hornina, známá jako muck, se přenáší otvory v řezací hlavě na pásový dopravník, kde prochází strojem do systému dopravníků nebo bahenních vozů pro odstranění z tunelu.
otevřené TBM nemají žádný štít, takže oblast za hlavou frézy je otevřená pro podporu hornin. K postupu používá stroj uchopovací systém, který tlačí proti bočním stěnám tunelu. Stroj může být nepřetržitě řízen, zatímco chapadla tlačí na boční stěny, aby reagovala na přední tah stroje. Na konci zdvihu jsou zadní nohy stroje spuštěny, uchopovače a hnací válce jsou zasunuty. Zatažení hnacích válců přemísťuje sestavu chapadla pro další vyvrtávací cyklus. Chapadla jsou prodloužena, zadní nohy zvednuty a vrtání začíná znovu. Otevřený typ nebo Dálkové světlo TBM neinstaluje betonové segmenty za ním jako jiné stroje. Místo toho je skála držena pomocí metod podpory země, jako jsou prstencové nosníky, skalní šrouby,stříkaný beton, ocelové pásky a drátěné pletivo (Stack, 1995).
ve zlomených horninách lze použít stíněné tvrdé skalní TBMs, které vztyčují betonové segmenty pro podporu nestabilních stěn tunelu za strojem. Double Shield TBM jsou takzvané, protože mají dva režimy; ve stabilní zemi se mohou uchopit proti stěnám tunelu a postupovat vpřed. V nestabilním, zlomeném terénu je tah posunut na přítlačné válce, které se tlačí proti segmentům tunelu za strojem. To udržuje významné přítlačné síly v dopadu na křehké stěny tunelu. Single Shield TBM pracují stejným způsobem, ale používají se pouze ve zlomeném terénu, protože se mohou odrazit pouze proti betonovým segmentům (Stack, 1995).
soft ground TBMs
v soft ground existují dva hlavní typy TBMs: Stroje na vyvážení tlaku země (EPB) a kalový štít (SS). Oba typy strojů pracují jako TBMs s jedním štítem, pomocí tahových válců postupuje vpřed tlačením proti betonovým segmentům. Stroje na vyvážení tlaku země se používají v měkkém terénu s tlakem menším než 7 barů. Řezací hlava nepoužívá pouze kotoučové frézy, ale místo toho kombinaci řezných bitů z karbidu wolframu, karbidových kotoučových fréz a / nebo kotoučových fréz z tvrdých hornin. EPB dostane své jméno, protože je schopen udržet měkkou půdu udržováním rovnováhy mezi Zemí a tlakem. Operátor TBM a automatizované systémy udržují rychlost odstraňování půdy stejnou jako rychlost postupu stroje. Tím je udržováno stabilní prostředí. Kromě toho se do země vstřikují přísady, jako je bentonit, polymery a pěna, aby se dále stabilizovaly.
v měkkém terénu s velmi vysokým tlakem vody a velkým množstvím podzemní vody jsou zapotřebí TBMs s kalovým štítem. Tyto stroje nabízejí zcela uzavřené pracovní prostředí. Půdy se smísí s bentonitovou kaší, která musí být odstraněna z tunelu systémem kalových trubek, které vystupují z tunelu. Pro tento proces jsou na povrchu potřebné velké zařízení na separaci kalů, které oddělují nečistoty od suspenze, takže je lze recyklovat zpět do tunelu.
zatímco použití TBMs zmírňuje potřebu velkého počtu pracovníků při vysokých tlacích, někdy se u řezací hlavy vytvoří kesonový systém pro TBMs stínění kejdy. Pracovníci vstupující do tohoto prostoru pro kontrolu, údržbu a opravy musí být lékařsky vyčištěni jako „způsobilí k potápění“ a vyškoleni v provozu zámků.
záložní systémy
za všemi typy tunelových vyvrtávacích strojů, uvnitř hotové části tunelu, jsou vlečné podpěrné paluby známé jako záložní systém. Podpůrné mechanismy umístěné na záloze mohou zahrnovat: dopravníky nebo jiné systémy pro odstraňování bahna, případně potrubí kejdy, řídící místnosti, elektrické systémy, odstraňování prachu, větrání a mechanismy pro přepravu předlitých segmentů.
městské tunelování a blízké povrchové tunelování
městské tunelování má zvláštní výzvu vyžadovat nerušený povrch země. To znamená, že je třeba se vyhnout poklesu půdy. Obvyklým způsobem, jak toho dosáhnout v měkké půdě, je udržovat půdní tlaky během a po stavbě tunelu. To je obtížné, zejména v různých vrstvách (např., vrtání přes oblast, kde horní část povrchu tunelu je mokrý písek a spodní část je tvrdá hornina).
v takových situacích se používají TBM s pozitivní kontrolou obličeje, jako jsou EPB a SS. Oba typy (EPB a SS) jsou schopny snížit riziko poklesu povrchu a dutin, pokud jsou správně provozovány a pokud jsou podmínky na zemi dobře zdokumentovány.
při tunelování v městském prostředí je třeba v počátečních fázích plánování řešit další tunely, stávající inženýrské sítě a hluboké základy. Projekt musí přijmout opatření ke zmírnění jakýchkoli škodlivých dopadů na jinou infrastrukturu.
1-Kalová tlaková rovnováha (SPB) TBM
základním principem tohoto TBM je udržovat čelní tlak během fáze výkopu naplněním pracovní komory, umístěné za řeznou hlavou, suspenzí.
výhody
- umožňuje tunelování měkké, vlhké nebo nestabilní půdy rychlostí a bezpečností, která nebyla dříve možná
- vhodné pro půdu s vysokým tlakem vody (pod hladinou vody)
- omezuje osídlení země a vytváří hladkou stěnu tunelu. To výrazně snižuje náklady na obložení tunelu, a je vhodný pro použití v silně urbanizovaných oblastech.
nevýhody
- hlavní nevýhodou jsou počáteční kapitálové náklady. TBM jsou nákladné na výstavbu, obtížně přepravitelné, vyžadují významné záložní systémy a napájení.
- pohon může být bráněn velkými kameny a balvany
hlavní charakteristiky
- obložení tunelu-prefabrikované betonové segmenty
- typický výkon-5m až 30m za den. Skutečný výkon a náklady budou záviset na pozemních podmínkách a průměru tunelu.
2- bilance zemního tlaku (EPB) TBM
Jedná se o mechanizovaný způsob tunelování, při kterém se do tunelového vyvrtávacího stroje (TBM) vpouští kaz, a to prostřednictvím šnekového dopravníku, který umožňuje, aby tlak na čelní straně TBM zůstal vyrovnaný bez použití suspenze.
výhody
- umožňuje tunelování měkkého, mokrého nebo nestabilního terénu rychlostí a bezpečností, která nebyla dříve možná
- , omezuje osídlení země a vytváří hladkou stěnu tunelu. To výrazně snižuje náklady na obložení tunelu a činí jej vhodným pro použití v silně urbanizovaných oblastech
nevýhody
hlavní nevýhodou jsou počáteční kapitálové náklady. TBM jsou nákladné na výstavbu, obtížně přepravitelné, vyžadují významné záložní systémy a napájení.
hlavní charakteristiky
- tunelové obložení-prefabrikované betonové segmenty.
- typický výkon-9m až 35m za den. Skutečný výkon a náklady budou záviset na pozemních podmínkách a průměru tunelu.
3- Hard Rock TBM
tato metoda zahrnuje použití tunelovacího stroje se štítem a řezací hlavou vhodnou pro tvrdou horninu.
výhody
nabízejí nepřetržitý a řízený způsob tunelování, který je schopen vysoké rychlosti postupu za příznivých podmínek.
nevýhody
- hlavní nevýhodou jsou počáteční kapitálové náklady. TBM jsou nákladné na výstavbu, obtížně přepravitelné, vyžadují významné záložní systémy a napájení.
- jejich použitelnost je omezena na dlouhé tunely, kde vysoká míra postupu a kvality tunelu může kompenzovat jejich vysoké kapitálové náklady.
hlavní charakteristiky
- tunelové obložení-prefabrikované betonové segmenty / stříkaný beton / bez obložení
- typický výkon-12m až 67m za den. Skutečný výkon a náklady budou záviset na pozemních podmínkách a průměru tunelu.
fáze výstavby TBM
