Cud inżynierii: wytaczarka tunelowa (TBM)

The Maszyna do drążenia tuneli ( TBM ), często nazywany po prostu „kretem”, stanowi jeden z najważniejszych osiągnięć w inżynierii lądowej i geotechnicznej. Te masywne, wyrafinowane maszyny zrewolucjonizowały budowę infrastruktury podziemnej, umożliwiając tworzenie tuneli dla transportu, usług komunalnych i górnictwa z niespotykaną szybkością, precyzją i bezpieczeństwem.

Mechanizm i elementy rdzenia

Wiertarka tunelowa to zasadniczo kompletna mobilna fabryka zaprojektowana do wydobywania przodka tunelu i jednoczesnego instalowania tymczasowego lub stałego systemu podpór. TBM składa się zazwyczaj z trzech głównych sekcji:

1. Głowica tnąca (twarz):

   • Jest to najbardziej wysunięty do przodu, obrotowy element, wyposażony w różne narzędzia tnące — takie jak przecinaki tarczowe do twardych skał lub połączenie frezów i frezów wleczonych do miękkiego podłoża.
   • Głowica tnąca obraca się i jest popychana do przodu przez podnośniki hydrauliczne, miażdżąc lub zdrapując skałę i ziemię na przodzie tunelu.

2. Tarcza i Korpus (Środek):

   • The tarcza to duża, cylindryczna stalowa obudowa znajdująca się bezpośrednio za głowicą tnącą. Zapewnia natychmiastowe wsparcie konstrukcyjne świeżo wykopanym ścianom tunelu, chroniąc maszynę i znajdujących się wewnątrz pracowników przed luźnym podłożem do czasu zainstalowania trwałej wykładziny tunelu.
   • The układ ciągu , składający się z potężnych podnośników hydraulicznych, dociska ostatni zainstalowany segment wykładziny tunelu, aby przesuwać maszynę.

3. Przekładnia wleczona (tył):

   • W tej sekcji, która może rozciągać się na ponad sto metrów, znajduje się niezbędny sprzęt pomocniczy.
   • Zawiera system usuwania błota (przenośniki taśmowe lub rury szlamowe) do sprawnego transportu urobku („brudu”) z tunelu, systemy sterowania i zasilania, urządzenia wentylacyjne oraz najważniejsze montażysta segmentu który precyzyjnie umieszcza prefabrykowane segmenty betonowe tworzące trwałą okładzinę tunelu.

Klasyfikacja i typy TBM

Wybór TBM to kluczowa decyzja w każdym projekcie, zależna w dużym stopniu od konkretnych warunków geologicznych i ciśnienia wód gruntowych. Maszyny TBM można ogólnie podzielić na kategorie w zależności od podłoża, w którym mają przewiercać:

1. Maszyny TBM typu Hard Rock

• Maszyny TBM typu otwartego / chwytakowe: Stosowane w stabilnych, twardych skałach, które mogą wytrzymać przez krótki czas bez natychmiastowej podszewki. Używają hydrauliki chwytaki do zakotwiczenia w ścianach tunelu, co pozwala maszynie reagować na nacisk głowicy tnącej do przodu.
• TBM z pojedynczą tarczą: Zatrudniony w spękanej lub mniej stabilnej twardej skale. Instalują segmenty okładziny betonowej bezpośrednio za osłoną i wypychają do przodu, odpychając gotową okładzinę.
• TBM z podwójną tarczą: Najbardziej wszechstronne maszyny do hard rocka. Wyposażone są w dwie teleskopowe osłony i system chwytania, co pozwala im na jednoczesne instalowanie wykładziny podczas kopania (ciągłe drążenie tuneli) w stabilnej skale lub pracę w trybach naprzemiennych, gdy warunki są niestabilne.

2. TBM na miękkim podłożu (maszyny tarczowe)

Maszyny te wykorzystują metody aktywnego równoważenia ciśnienia na przodzie tunelu, co ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania zapadaniu się gruntu lub wnikaniu wody do miękkich gleb (takich jak piasek, glina i muł).

• Bilans ciśnienia gruntu (EPB) TBM: Idealny na spoiste, miękkie podłoże. Utrzymują stabilność, wykorzystując urobek (muł) w komorze ciśnieniowej na powierzchni czołowej frezu. Przenośnik ślimakowy kontroluje prędkość usuwania obornika, aby precyzyjnie zrównoważyć ciśnienie ziemi i wody przed maszyną.
• Maszyny TBM z tarczą szlamową (Hydroshield): Stosowany na glebach ziarnistych lub pod wysokim ciśnieniem wody. Stabilizują przodek poprzez wtryskiwanie sprężonej zawiesiny bentonitu, która tworzy placek filtracyjny uszczelniający grunt. Urobek miesza się z szlamem i wypompowuje do znajdującej się na powierzchni instalacji separacyjnej.

Zalety w porównaniu z metodami konwencjonalnymi

Globalne przyjęcie Maszyna do drążenia tuneli ma kilka znaczących zalet w porównaniu z tradycyjną metodą „wiercenia i strzału”:

• Zwiększone bezpieczeństwo: Eliminuje użycie materiałów wybuchowych, drastycznie zmniejszając ryzyko dla personelu.
• Minimalne zakłócenie powierzchni: Działalność odbywa się głównie pod ziemią, co minimalizuje hałas, wibracje i zakłócenia, co jest główną zaletą na obszarach miejskich.
• Zwiększona prędkość i wydajność: Maszyny TBM zapewniają ciągły proces drążenia tuneli, często osiągając znacznie wyższe prędkości postępu niż wiercenie i strzały.
• Precyzja: Nowoczesne maszyny TBM sterowane są wyrafinowanymi systemami laserowymi lub nawigacyjnymi, zapewniającymi wysoką dokładność ustawienia.
• Zmniejszone nadmierne wykopy: Maszyna TBM drąży precyzyjny okrągły tunel, zmniejszając ilość generowanego urobku (mułu) i wymaganą objętość materiału wykładzinowego.

Podsumowując, Maszyna do drążenia tuneli jest niezbędnym narzędziem rozwoju infrastruktury na miarę XXI wieku. W miarę wzrostu populacji miejskiej i zapotrzebowania na złożoną infrastrukturę dalekobieżną, taką jak tunele kolei dużych prędkości i rozległe sieci użyteczności publicznej, rola TBM jako cudu inżynierii stanie się jeszcze bardziej istotna.