Mașină de forat tunel - Tunnel boring machine
.jpg)
O mașină de forat tuneluri ( TBM ), cunoscută și sub numele de „aluniță”, este o mașină folosită pentru excavarea tunelurilor cu secțiune circulară printr-o varietate de straturi de sol și roci . Ele pot fi, de asemenea, utilizate pentru microtunelare . Acestea pot fi proiectate pentru a plasa orice, de la pietre dure la nisip . Diametrele tunelului pot varia de la un metru (3,3 ft) (realizat cu micro-TBM) până la 17,6 metri (58 ft) până în prezent. Tunelurile cu un diametru mai mic de un metru sau mai puțin sunt realizate de obicei folosind metode de construcție fără șanțuri sau foraje direcționale orizontale, mai degrabă decât TBM. TBM-urile pot fi, de asemenea, proiectate pentru excavarea tunelurilor necirculare, inclusiv tuneluri în formă de U sau potcoavă și tuneluri pătrate sau dreptunghiulare.
Mașinile de forat tunel sunt utilizate ca o alternativă la metodele de forare și sablare (D&B) în roci și „exploatarea manuală” convențională în sol. TBM-urile au avantajele de a limita perturbarea la solul înconjurător și de a produce un perete de tunel neted. Acest lucru reduce semnificativ costul căptușirii tunelului și le face adecvate pentru a fi utilizate în zone puternic urbanizate. Dezavantajul major este costul inițial. TBM-urile sunt scumpe de construit și pot fi dificil de transportat. Cu cât tunelul este mai lung, cu atât este mai redus costul relativ al mașinilor de forat tunel față de metodele de foraj și explozie. Acest lucru se datorează faptului că tunelarea cu TBM este mult mai eficientă și are ca rezultat scurtarea timpilor de finalizare, presupunând că funcționează cu succes. Cu toate acestea, găurirea și sablarea rămân metoda preferată atunci când se lucrează prin straturi de roci puternic fracturate și forfecate.
Istorie
Primul scut de succes a fost dezvoltat de Sir Marc Isambard Brunel pentru a excava Tamisa Tunelul în 1825. Cu toate acestea, acest lucru a fost doar inventarea conceptului de scut și nu a implicat construirea unei mașini complet tunel plictisitor, săparea în continuare să fie realizat prin metodele standard de excavare de atunci.
Prima mașină de plictisit raportată a fost construită a fost feliatorul de munte al lui Henri-Joseph Maus . Comandat de regele Sardiniei în 1845 pentru a săpa tunelul feroviar Fréjus între Franța și Italia prin Alpi , Maus a construit-o în 1846 într-o fabrică de arme de lângă Torino . A constat din peste 100 de burghie de percuție montate în partea din față a unei mașini de dimensiuni de locomotive, acționate mecanic de la intrarea în tunel. În Revoluțiile din 1848 a afectat finanțarea, iar tunelul nu a fost finalizată până la 10 ani mai târziu, prin utilizarea unor metode mai inovatoare și mai puțin costisitoare , cum ar fi ciocane pneumatice .
În Statele Unite, prima mașină de forat care a fost construită a fost utilizată în 1853 în timpul construcției tunelului Hoosac din nord-vestul statului Massachusetts. Fabricat din fontă, a fost cunoscut sub numele de Mașină de tăiat piatră brevetată de Wilson , după inventatorul Charles Wilson. A forat 10 picioare în stâncă înainte de a se sparge. (Tunelul a fost în cele din urmă finalizat peste 20 de ani mai târziu și, ca și în cazul tunelului feroviar Fréjus, folosind metode mai puțin ambițioase.) Mașina Wilson a anticipat TBM-urile moderne în sensul că folosea discuri de tăiere, precum cele ale unei grape cu discuri , care erau atașat la capul rotativ al mașinii. Spre deosebire de cizelarea tradițională sau găurirea și sablarea, această metodă inovatoare de îndepărtare a rocii s-a bazat pe roți metalice simple pentru a aplica o presiune ridicată tranzitorie care a fracturat roca.
Tot în 1853, americanul Ebenezer Talbot a brevetat și un TBM care folosea discurile de tăiere ale lui Wilson, deși erau montate pe brațe rotative, care la rândul lor erau montate pe o placă rotativă. În anii 1870, John D. Brunton din Anglia a construit o mașină folosind discuri de tăiere care erau montate excentric pe plăci rotative, care la rândul lor erau montate excentric pe o placă rotativă, astfel încât discurile de tăiere să se deplaseze pe aproape toată fața de piatră care trebuia eliminat.
Primul TBM care a tunelat o distanță substanțială a fost inventat în 1863 și îmbunătățit în 1875 de către ofițerul armatei britanice, maiorul Frederick Edward Blackett Beaumont (1833–1895); Mașina lui Beaumont a fost îmbunătățită și mai mult în 1880 de către ofițerul armatei britanice, maiorul Thomas English (1843-1935). În 1875, Adunarea Națională Franceză a aprobat construirea unui tunel sub Canalul Mânecii, iar Parlamentul britanic a permis efectuarea unui proces; TBM al majorului englez a fost ales pentru proiect. Capul tăietor al TBM din engleză consta dintr-un burghiu conic în spatele căruia se aflau o pereche de brațe opuse pe care erau montate discuri de tăiere. Din iunie 1882 până în martie 1883, mașina a tunelat, prin cretă, un total de 6,036 picioare (1,84 km). Un inginer francez, Alexandre Lavalley , care era și contractant al Canalului Suez , a folosit o mașină similară pentru a fora 1.669 m (5.476 ft) de la Sangatte pe partea franceză. Cu toate acestea, în ciuda acestui succes, proiectul tunelului trans-canal a fost abandonat în 1883 după ce armata britanică s-a temut că tunelul ar putea fi folosit ca o cale de invazie. Cu toate acestea, în 1883, acest TBM a fost folosit pentru a purta un tunel de ventilație feroviară - 7 picioare (2,1 m) în diametru și 6.750 picioare (2 km) lung - între Birkenhead și Liverpool , Anglia, prin gresie sub râul Mersey .
La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, inventatorii au continuat să proiecteze, să construiască și să testeze TBM-uri ca răspuns la nevoia de tuneluri pentru căile ferate, metrou, canalizare, aprovizionare cu apă, etc. Au fost propuse TBM-uri care semănau cu ferăstraie cu găuri uriașe . Alte TBM constau dintr-un tambur rotativ cu coloane metalice pe suprafața sa exterioară sau o placă circulară rotativă acoperită cu dinți sau curele rotative acoperite cu dinți metalici. Cu toate acestea, toate aceste TBM s-au dovedit scumpe, greoaie și incapabile să excaveze roci dure; prin urmare, interesul pentru TBM a scăzut. Cu toate acestea, dezvoltarea TBM a continuat în minele de potasiu și cărbune, unde roca era mai moale.
Un TBM cu un diametru alezaj de 14,4 m (47 ft 3 in) a fost fabricat de compania Robbins pentru proiectul tunelului Niagara din Canada . Mașina a fost folosită pentru a purta un tunel hidroelectric sub cascada Niagara . Mașina a fost denumită „Big Becky”, referindu-se la barajele hidroelectrice Sir Adam Beck către care tunelează pentru a oferi un tunel hidroelectric suplimentar.
Hitachi Zosen Corporation a produs în 2013 un balansier de presiune a pământului, cunoscut sub numele de Bertha, cu un diametru alezaj de 17,45 metri (57 ft 3 in) . A fost livrat la Seattle , Washington , pentru proiectul său de tunel Highway 99 . Mașina a început să funcționeze în iulie 2013, dar sa oprit în decembrie 2013 și a necesitat reparații substanțiale care au oprit mașina până în ianuarie 2016. Bertha a finalizat forarea tunelului pe 4 aprilie 2017.
Capitala Malaeziei, Kuala Lumpur, își mărește în mod constant rețeaua subterană de masă de tranzit rapid. Două mașini de forat tunel furnizate de CREG au excavat două tuneluri cu un diametru plictisitor de 6,67m în piatră de nisip saturată cu apă, piatră de șistos, piatră de noroi foarte rezistentă, precum și aluviuni cu o rată maximă de avans de peste 345m / lună.
Cea mai mare TBM de piatră dură din lume , cunoscută sub numele de Martina , (diametrul săpăturii de 15,62 m (51 ft 3 in), lungimea totală 130 m (430 ft); suprafața de excavare de 192 m 2 (2.070 sq ft), valoarea de împingere 39.485 t, greutatea totală 4.500 tone, capacitatea totală instalată de 18 MW; consumul anual de energie de aproximativ 62 milioane kWh) a fost construit de Herrenknecht AG . Este deținut și operat de compania italiană de construcții Toto SpA Costruzioni Generali (Grupul Toto) pentru galeria Sparvo a autostrăzii italiene A1 ("Variante di Valico A1"), lângă Florența. Aceeași companie a construit nămol TBM cu cel mai mare diametru din lume, cu un diametru de excavare de 17,6 metri (57 ft 9 in), deținut și operat de compania franceză de construcții Dragages Hong Kong (filiala lui Bouygues) pentru legătura Tuen Mun Chek Lap Kok din Hong Kong .
Descriere
TBM-urile moderne constau în mod obișnuit din roata de tăiere rotativă, numită cap de tăiere, urmată de un lagăr principal, un sistem de împingere și mecanisme de susținere. Tipul mașinii utilizate depinde de geologia particulară a proiectului, de cantitatea de apă subterană prezentă și de alți factori.
TBM hard rock
În hard rock, pot fi utilizate TBM-uri protejate sau deschise. TBM-urile din piatră tare excavează piatră cu tăietoare de disc montate în capul tăietorului. Dispozitivele de tăiere a discurilor creează fracturi de stres compresiv în piatră, determinându-i să se îndepărteze de fața tunelului. Roca excavată (muck) este transferată prin deschiderile din capul tăietorului către un transportor cu bandă, unde trece prin mașină către un sistem de transportoare sau vagoane de muck pentru îndepărtarea din tunel.
TBM-urile de tip deschis nu au scut, lăsând zona din spatele capului tăietor deschisă pentru susținerea pietrei. Pentru a avansa, mașina folosește un sistem de prindere care împinge pereții tunelului. Nu toate mașinile pot fi direcționate continuu în timp ce pantofii de prindere împing pe pereți, ca și în cazul mașinii Wirth, care direcționează numai în timp ce nu este prinsă. Apoi, mașina va împinge înainte mânerele care câștigă forță. La sfârșitul unei curse, picioarele din spate ale mașinii sunt coborâte, prizele și cilindrii de propulsie sunt retrași. Retragerea cilindrilor de propulsie repoziționează ansamblul de prindere pentru următorul ciclu de foraj. Prinderile sunt extinse, picioarele din spate ridicate și CV-urile plictisitoare. Tipul deschis sau Main Beam TBM nu instalează segmente de beton în spate cu alte mașini. În schimb, roca este susținută folosind metode de susținere a solului, cum ar fi grinzi inelare, șuruburi de rocă, beton împușcat , curele de oțel, oțel inelar și plasă de sârmă.
În roca fracturată, pot fi utilizate TBM-uri din roci dure ecranate, care ridică segmente de beton pentru a susține pereții instabili ai tunelului în spatele mașinii. TBM-urile Double Shield au două moduri; pe un teren stabil, prind pereții tunelului pentru a avansa. În teren instabil, fracturat, forța este deplasată către cilindrii de împingere care împing segmentele de tunel din spatele mașinii. Acest lucru împiedică forțele de împingere să afecteze pereții fragili ai tunelului. TBM-urile cu un singur scut funcționează în același mod, dar sunt folosite numai în terenuri fracturate, deoarece nu pot împinge decât segmentele de beton.
TBM de sol moale
În sol moale, există trei tipuri principale de TBM: Mașini de echilibrare a presiunii pământului (EPB), Slurry Shield (SS) și tip deschis. Ambele tipuri de mașini închise funcționează ca TBM-urile cu un singur scut, folosind cilindri de împingere pentru a avansa înainte împingându-se împotriva segmentelor de beton. Mașinile de echilibrare a presiunii pământului sunt utilizate pe teren moale, cu mai puțin de 7 bari de presiune. Capul de tăiere nu folosește doar tăietoare de discuri, ci o combinație de biți de tăiere din carbură de tungsten , tăietori de discuri din carbură, șuruburi și / sau tăietori de discuri de piatră tare. EPB își primește numele, deoarece folosește materialul excavat pentru a echilibra presiunea la fața tunelului. Presiunea este menținută în capul tăietor prin controlul ratei de extracție a prafului prin șurubul Arhimede și a ratei de avans. Aditivii precum bentonita , polimerii și spuma pot fi injectați în fața feței pentru a crește stabilitatea solului. Aditivii pot fi, de asemenea, injectați în șurubul de extracție / extracție pentru a se asigura că prada rămâne suficient de coezivă pentru a forma un dop în șurubul Arhimede pentru a menține presiunea în capul de tăiere și pentru a restricționa scurgerea apei.
În pământ moale, cu o presiune a apei foarte ridicată sau în care condițiile de pământ sunt granulare (nisipuri și pietrișuri), atât de mult încât nu s-ar putea forma un dop în șurubul Arhimede, sunt necesare TBM-uri Slurry Shield. Capul tăietor este umplut cu nămol presurizat care aplică presiune hidrostatică pe suprafața excavării. Nămolul acționează și ca mediu de transport prin amestecarea cu materialul excavat înainte de a fi pompat din capul tăietor înapoi la o instalație de separare a nămolului, de obicei în afara tunelului. Instalațiile de separare a nămolului sunt sisteme de filtrare în mai multe etape, care elimină particulele de praf din nămol, astfel încât să poată fi reutilizate în procesul de construcție. Limita la care se poate curăța nămolul depinde de mărimea particulelor materialului excavat. Din acest motiv, TBM-urile pentru nămol nu sunt potrivite pentru mămăligă și argile, deoarece dimensiunile particulelor de pradă sunt mai mici decât cea a argilei bentonitice din care este fabricată nămolul. În acest caz, nămolul este separat în apă, care poate fi reciclată și o prăjitură de lut, care poate fi poluată, este presată din apă.
TBM-urile cu față deschisă în sol moale se bazează pe faptul că fața terenului excavat se va ridica fără suport pentru o perioadă scurtă de timp. Acest lucru le face adecvate pentru utilizarea în tipuri de roci cu o rezistență de până la 10MPa sau cam asa ceva, și cu fluxuri mici de apă. Dimensiunile feței care depășesc 10 metri pot fi excavate în acest mod. Fața este excavată folosind un braț de retragere sau un cap de tăiere până la 150 mm de marginea scutului. Scutul este zdrobit în față și frezele din partea din față a scutului tăie pământul rămas la aceeași formă circulară. Suportul la sol este asigurat prin utilizarea de beton prefabricat sau, ocazional, SGI (sferoidal grafit de fier), segmente care sunt înșurubate sau susținute până când a fost ridicat un inel complet de suport. Un segment final, numit cheie, are formă de pană și extinde inelul până când este strâns de tăierea circulară a solului lăsată în urmă de tăietori pe scutul TBM. Există multe variații ale acestui tip de TBM.
În timp ce utilizarea TBM-urilor ameliorează necesitatea unui număr mare de lucrători la presiuni ridicate, uneori se formează un sistem de cheson la capul de tăiere pentru TBM-urile cu scut. Lucrătorii care intră în acest spațiu pentru inspecție, întreținere și reparații trebuie să fie autorizați din punct de vedere medical ca „apți pentru scufundare” și instruiți în funcționarea încuietorilor.
Herrenknecht AG a proiectat un TBM cu sol moale de 19,25 m (63 ft 2 in) pentru tunelul Orlovski , un proiect din Saint Petersburg , dar nu a fost niciodată construit.
Metoda scutului micro-tunel
Metoda de protecție a microtunelurilor este o tehnică de săpare utilizată pentru a construi tuneluri mici și a reduce dimensiunea ecranului general de tunelare . Mașina de alezat cu microtunel este destul de similară cu scutul general de tunelare, dar la o scară mai mică. Aceste mașini de forat tunel variază în general de la 1 la 1,5 m (3,3 până la 4,9 ft), prea mici pentru ca operatorii să poată intra.
Sisteme de rezervă
În spatele tuturor tipurilor de mașini de forat tunel, în interiorul părții terminate a tunelului, se află punțile de susținere, cunoscute sub numele de sistem de rezervă. Mecanismele de sprijin amplasate pe back-up pot include: benzi transportoare sau alte sisteme pentru îndepărtarea muck, conducte de suspensie , dacă este cazul, camere de control, sisteme electrice, îndepărtarea prafului, ventilație și mecanisme pentru transportul segmentelor prefabricate.
Tuneluri urbane și tuneluri aproape de suprafață
Tunelurile urbane au cerința specială ca suprafața solului să nu fie perturbată. Aceasta înseamnă că trebuie evitată lărgirea la sol . Metoda normală de a face acest lucru pe teren moale este menținerea presiunilor solului în timpul și după construirea tunelului. Există unele dificultăți în a face acest lucru, în special în straturi variate (de exemplu, plictisirea printr-o regiune în care porțiunea superioară a feței tunelului este nisip umed și porțiunea inferioară este piatră tare).
TBM-urile cu control pozitiv al feței , cum ar fi EPB și SS, sunt utilizate în astfel de situații. Ambele tipuri (EPB și SS) sunt capabile să reducă riscul de subsidență și goluri la suprafață dacă sunt operate corect și dacă condițiile solului sunt bine documentate. La tunelarea în medii urbane, alte tuneluri, liniile utilitare existente și fundațiile adânci trebuie abordate în primele etape de planificare. Proiectul trebuie să includă măsuri pentru a atenua orice efecte dăunătoare asupra altor infrastructuri.
Vezi si
- Plictisitor
- Tunelul Canalului
- Nouă metodă de tunelare austriacă
- Roadheader
- Subterren
- Tunel
- Scutul tunelului
- Tehnologie fără șanțuri
Note
Referințe
- Bagust, Harold (2006). Geniul mai mare ?: o biografie a lui Marc Isambard Brunel . Editura Ian Allan. ISBN 0-7110-3175-4.
- Bancroft, George J. (1908) "O istorie a tunelului," Mining Science , p. 58, 65-68 , 85-88, 106-108, 125-127, 145-146, 165-167
- Băutor, Henry Sturgis. Treatise on Explosive Compounds, Machine Rock Drills and Blasting (New York, New York: J. Wiley & Sons, 1883), pp. 191-194.
- Hemphill, Gary B. Practical Tunnel Construction (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2013), Capitolul 7: Tunnel-boring machines: History of tunnel-boring machine.
- Maidl, Bernhard; Schmid, Leonhard; Ritz, Willy; Herrenknecht, Martin (2008). Mașini de alezat pentru tuneluri Hardrock . Ernst & Sohn. ISBN 978-3-433-01676-3.
- Stack, Barbara, "Enciclopedia echipamentelor de tunelare, minerit și foraj", 1995.
- Vest, Graham. Inovație și creșterea industriei de tunelare (Cambridge, Anglia: Cambridge University Press, 1988), capitolul 11: Mașini de tunelare a rocilor dure.
Lecturi suplimentare
- Barton, Nick (2000). Tunelarea TBM în roca îmbinată și defectată . Rotterdam: Balkema.
- Bilger, Burkhard (15 septembrie 2008). „The Long Dig: A traversa Alpii Elvețieni pe calea cea mai grea”. New York-ul .
- Foley, Amanda (mai 2009). „Viața pe vârf: Dick Robbins”. Tunnels & Tunneling International .