Kontinuální ražba pomocí plnoprofilovýchtunelovacích strojů

Transkript

1 Kontinuální ražba pomocí plnoprofilovýchtunelovacích strojů

2 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.

3 Starší dělení plnoprofilových tunelovacích strojů

4 Rozdělení tunelovacích strojů podle DAUB (Německý spolek pro podzemní stavby)

5 Historický vývoj Štít pod řekou Temží, Londýn Navržen Brunelem,

6 Práce na čelbě u Brunelovaštítu, vyplavení

7 Historie v ČR Prvé použití při ražbě štolového přivaděče pitné vody pro město Chomutov zvodního díla Písečnice (1970 až 1975), kde byl použit stroj Demago průměru 2,7 m

8 přivaděč ostravského oblastního vodovodu znádrží Kružberga SlezkáHarta (1985 až 1992) český stroj RS37

9 Kabelový tunel Žižkov (1980 až 1985) byl vyražen mechanizovaným štítem Pristleyo průměru 2,6 m

10 kolektor Žižkov (1975 až 1984) byl použit mechanizovaný štít Priestly o průměru 4,0 m

11 vúseku Florenc Invalidovna byl použit štít sosazenou výložníkovou frézou RŠF-1 (1986 až 1990)

12 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

13 Sestavováníštítu

14 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

15 Rozdělení TBM podle konstrukčního uspořádání

16 Otevřené TBM plnoprofilovétunelovací stroje do pevných a celistvých netlačivých hornin 1 razicí hlava spracovními nástroji 2 přední přítlačné desky 3 zadní přítlačné desky 4 axiální lisy 5 pohonná jednotka 6 teleskopický hřídel

17 Otevřený TBM (bez pláště)

18 TBM s pláštěmjsou velmi blízké mechanizovaným štítům Rozdíl: vrtací hlava TBMvytvářiotvor většího Ønež plášť ten se do předvrtaného otvoru zatahuje (zasouvá). U mechanizovaného štítuhlava rozpojuje zeminu pod přímou ochranou pláště, který je do zeminy trvale zatlačován a odpovídá Ø ražení Vrtné hlavy TBMbývají osazeny převážně rotujícími diskovými dláty; oproti tomu vrtné hlavy štítůjsou vybaveny loupacími dláty TBM moderních konstrukcí lze v případě potřeby přestavět na mechanizované štíty => rozdíl se smazává TBM s rozšířením výrubujsou určeny pro proměnné geologické podmínky resp. pro větší Ø

19 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.

20 2 Po vyčerpání zdvihu přítlačných lisů se otáčení vrtné hlavy zastaví.

21 3 Uvolní se rozpěrné zařízení, upnuté do této chvíle do boků horniny.

22 4 Pomocí reverzně pracujících přítlačných lisů se celý stroj posune směrem k razicí hlavě.

23 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

24 Razícíhlava 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

25 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 naě -lepšípřístupkčelbě Razící hlava plného průřezu - méně kvalitní prostředí s nezaručenou stabilitou výrubu Nejčastější typ Nevýhody: - velká hmotnost razící hlavy - stížený přístup před vrazícíhlavu

26 BázovýtunelLotschberg

27 QinlingRailway Tunnel, průměr8,8 m, délka8 km

28

29

30

31

32

33

34

35 Mechanismus rozpojování horniny valivým diskovým dlátem; koaxiální dráhy dlát na čele

36

37 TBM sjednoduchým pláštěm Pro ražbu vhorninách střídavé kvality, tzn. vpevných horninových masivech, ale srozsáhlými 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 zhladkých železobetonových segmentů

38 SchemaTBM 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

39 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

40 Bosporus tunel, průměr6,11, délka 5,5 km

41

42 TBM sdvojitým pláštěm TBM sdvojitým pláštěmmá vyšší plynulost ražby. Dvojitý plášť se skládá zpevné a pohyblivé (teleskopické) části. Ve stroji jsou dvě sestavy lisů zadní axiální slouží kposuvu celého stroje, přední ksamostatnému teleskopickému posuvu jeho přední části.

43 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

44 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

45

46 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 Øaž 3 4 m)

47

48

49 RychlostražbyTBM Teoretická rychlost postupuvrtání = několik m/hod (= několik set až mnoho set m/měsíc [B. ŠtiavnicaNOŠ až 800 m/měsíc při Ø326 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 m!)

50 VýhodyTBM 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

51 Nákladynaražbu

52 NevýhodyTBM 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 Øv 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 $

53 Návrh TBM two+ twoface pro tlamový Ø

54 Mechanizované štíty spostupným pobíráním v čelbě zemina se vobvykleotevřené čelběrozpojuje mechanismy s dílčím záběrem: * deskové škrabky pro měkké a lepivé zeminy * výložníkové frézy pro horniny spevností do cca 50 až 70 MPa, * lžícová rypadla (tunelbagry) pro rozpojování tvrdých soudržných zemin, poloskalníchhornin a hornin spevností do cca 30 MPa.

55 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.

56 Schéma mechanizovaného štítu s výložníkovou frézou Schéma štítu 1-drapákči fréza 2-plášť štítu 3-řídící hydromotor 4-dopravní pás 5-saňový výložník 6-posuvný přímočarý hydromotor

57 Otevřené štíty

58 Mechanizované štíty splnoprofilovým pobíráním v čelbě Lze je rozdělit do dvou skupin štíty bez tlakové kontroly čelby (pro tlačivé a silně tlačivé zeminy) -štíty stlakovou kontrolou čelby (silně tlačivé a zvodnělé zeminy). Zásadním konstrukčním rozdílem mezi těmito dvěma skupinami je existence tlakotěsnépřepážky mezi prostorem čelby srazicí hlavou a trupovou částí štítu.

59 Štíty bez tlakové kontroly čelby Vzeminách pevné až tvrdé konzistence, vnichž nehrozí nebezpečí závalu razicí hlavy, je čelba bez podepřenía razicí hlava má tvar paprskového kola, jehož ramena jsou opatřena řeznými nástroji

60 Štít bez podepření čelby

61 Štíty stlakovou kontrolou čelby U těchto štítů umožňuje technické řešení prostoru ve štítu tlakotěsnoupřepážkou ražbu vtlakově kontrolovaném prostředí, což má velmi pozitivní vliv na stabilitníi deformační chování čelby i celého ražbou ovlivněného horninového masivu. Podle typu zprostředkujícího media jsou také pojmenovány jednotlivé typy štítů stlakovou kontrolou čelby -pneumatický štít, bentonitový štít a zeminový štít.

62 Štíty s uzavřeným čelem

63 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

64

65

66 Mechanizovaný pneumatický štít

67 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, kolmatujeji (utěsňuje) vzóně před strojem a zabraňuje tak pronikání vody ke štítu.

68

69 Zeminové štíty se používají vtlačivých 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 vpřesně řízeném množství tak, aby se proti tlaku horninového masivu na čelbu vytvořil reakční tlaku potřebné velikosti.

70 Zeminovýštít -řez

71 Princip zeminovéhoštítu

72 Zeminovýštít pro Madridský automobilový okruh. Průměr 15 m

73 Zeminovýštít pro Madridský automobilový okruh a Chongming Shanghai, průměr 15 m

74 Atheny, OlympicTunnel Vysokénadloží60 m a tlakvodyv prpustných, mškkých zeminách 60m

75 Atheny, OlympicTunnel Tempo postupu bylo v problematických zeminách bylo podstaně zvýšeno Production Rings/Week SAND CLAY SAND Rings/Week Advance in Clay: 34,3 R/w Advance in Sand: 45,4 R/w Production weeks Tunnel West

76 Gotthardskýbázovýtunel57 km

77 Kompletní kontrolní systém geodetické měření, inklinometrické měření, parametry TM Měřenípřiražbách

78

79 Numerické modelování ražby TBM

80 Sedání při použití TBM

81 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

82 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

83 Mezní stavy u TBM

84 Vliv TBM na okolí

85

86 Otevřený štít 1.ražba 2.zúžení výrubu 3.tuhnutí injektáže mezi ostěním a horninou 4.plná funkčnost ostění

87 Ražba Je odstraněna zemina uvnitř výrubu a nahrazena prvkem ostění. Mezi zeminou a ostěním je prvek interface simulující

88 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.

89 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.

90 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..

91 hard-rock TBM 1.ražba 2.volný prostor bez vlivu TBM 3.rozpěrné lisy 4.volný prostor bez vlivu TBM 5.hotové ostění

92 RAŽBA 1.výrub bez jakéhokoliv podepření i zatížení 2.výrub osazen prvkem ostění po celém obvodu o tuhosti avázetbm 3. dolní třetina výrubu osazena prvkem ostění o tuhosti TBM a pro zachování hmotnosti o tíze 3-krát větší na m ostění

93 Volný prostor bez vlivu TBM hard-rock TBM nepotřebuje plášť kochraně 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

94 Rozpěrné lisy vtomto místě se přenáší pomocí tlakových sil na okolní masiv do horniny reakce TBM od přítlačných sil a sil potřebných kposunu samotného stroje.

95 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.

96 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..