Kas daro mažą tunelio kasimo mašiną idealia trumpoms perėjimų vietoms?

Kai inžinieriai susiduria su užduotimi kurti požeminius tunelius po keliais, geležinkeliais, upėmis ar miesto infrastruktūra, žemės kasimo įrangos pasirinkimas tampa vienu svarbiausių sprendimų visame projekte. Mažas tunelių kasymo įrenginys maža tunelio kasimo mašina tapo labai praktišku ir techniškai pagrįstu sprendimu trumpų perėjimų projektams, kai įprastos atvirosios žemės kasimo metodikos yra arba draudžiamos, arba per brangios. Suprasti, kas daro šią įrangos klasę ypač tinkamą trumpoms perėjimų statybai, reikalauja tikresnio žvilgsnio į inžinerines apribojimų sąlygas, vietos sąlygas ir eksploatacines ekonomines sąlygas.

Mažas tunelių kasimo įrenginys sukurtas mechaniniam tunelių kasimui su dideliu tikslumu, kad būtų kontroliuojamas gruntų sutrikdymas ir išlaikyta konstrukcinė vientisumas jautriose aplinkose. Skirtingai nuo didelio skersmens tunelių kasimo įrenginių, naudojamų metro linijoms ar plento tuneliams kasti, kompaktiški kasimo įrenginiai specialiai sukurti skersmenims nuo 1,0 iki 4,0 metro, todėl jie yra idealiai pritaikyti komunalinėms perėjimų statyboms, drenažo kanalams, kabelių vamzdeliams ir vamzdynų montavimui. Šiame straipsnyje nagrinėjamos pagrindinės savybės, kurios daro mažą tunelių kasimo įrenginį pageidaujamiausiu įrankiu trumpoms požeminėms perėjimų statyboms.

Kompaktiškų kasimo įrenginių inžinerinė logika trumpoms perėjimų statyboms

Mastelio suderinamumas su trumpais kasimo ilgiais

Vienas svarbiausių bet kurio tunelio kasantis įrenginio (TBI) pasirinkimo veiksnių yra sąryšis tarp įrenginio dydžio, paruošimo sąnaudų ir tunelio ilgio. Perėjimams, kurių ilgis svyruoja nuo 20 iki 300 metrų, naudoti didelį TBI ekonomiškai ir logistiškai neprotinga. Mažasis tunelio kasantis įrenginys sukurtas atsižvelgiant į šią realybę: jis reikalauja mažesnių paruošimo sąnaudų, greitesnio paleidimo laiko ir valdomų paleidimo duobės matmenų, kurie atitinka trumpų perėjimų vietų fizinius apribojimus.

Trumpi perėjimai retai leidžia ilgai trukdyti paviršiui arba įrengti milžiniškas laikinas darbų aikštelės. Mažasis tunelio kasantis įrenginys gali būti paleistas iš kompaktiškos duobės, dažnai tik tris–penkis metrus pločio, todėl darbai gali būti vykdomi tankiuose miestuose arba šalia esamos infrastruktūros be didelių žemės kasimo darbų. Ši matmeninė efektyvumas nėra atsitiktinis bruožas, o sąmoningai sukurtas konstrukcinis sprendimas, pritaikytas tikrovės projektų apribojimams.

Mažosios tunelių kasantys mašinos varomieji mechanizmai yra sureguliuoti trumpesniems stumbro ciklams ir greitesniam segmentų montavimui, dėl ko padidėja bendras tunelio kasančiosios našumas vienam tunelio metrui. Kai projektų terminai suspausti ir perėjimo langai siauri, šis eksploatacinis greitis tampa svarbus privalumas prieš kitas alternatyvias technologijas, pvz., vamzdžių įstumimą be mechanizuotų pjovimo galvų arba įprastą gręžimo ir sprogdinimo techniką.

Grunto suderinamumas ir uolų pjovimo gebėjimas

Trumpiems tuneliavimo darbams dažnai pasitaiko kintamos geotechninės aplinkos, įskaitant minkštus dirvožemius, mišrią gruntą ir kietas uolienas. Mažojo skersmens tunelių kraustymo mašina, suprojektuota uolienoms kraustyti, naudoja viso skerspjūvio pjovimo galvutę su diskais, kurie gali įsmigti į uolienas su aukšta spaudimo stiprybe. Šis viso skerspjūvio pjovimo metodas užtikrina nuolatinį pirmyn judėjimą, tuo pačiu minimaliai sumažindamas paviršiaus nestabilumą arba grunto žlugimą, kas ypač svarbu, kai tunelis statomas po veikiančiomis keliais arba aktyviomis komunikacijomis.

Mažojo tunelių kasimo įrenginio pjovimo galvos projektavimas uolienoms yra sukurtas taip, kad pjovimo jėgos būtų tolygiai paskirstytos visame veide, sumažinant virpesių perdavimą aplinkiniams statiniams. Trumpuose miesto maršrutuose, kai šalia esančios pastatų konstrukcijos arba po žeme nutiestos komunikacijos yra labai arti, šis virpesių kontrolės mechanizmas yra ne tik našumo rodiklis, bet ir projekto saugos reikalavimas. Mažojo tunelių kasimo įrenginio pjovimo galvos tikslumas uolienų sąlygomis išskiria jį nuo kitų metodų, kurie remiasi smūgio ar sprogstamųjų jėgų poveikiu.

Uolos stiprumo klasifikacija, plyšių tarpai ir šlifuojamumas visi veikia mažo tunelių kasimo įrenginio pjovimo galvos konfigūraciją. Kompetentingos inžinerinės komandos įvertina šiuos parametrus vietos tyrimo metu, kad užtikrintų, jog pasirinktas įrenginys atitiktų faktinę perėjimo koridoriaus geologiją. Teisingai nustatytas įrenginys leidžia mažam tunelių kasimo įrenginiui pasiekti patikimus ir numatomus pirmyn judėjimo našumus net sunkiausiose uolų formacijose, kurios kitu atveju reikalautų brangių gruntų gerinimo programų.

Operacinės pranašumai, būdingi trumpiems perėjimo projektams

Sumažintas paviršiaus poveikis ir bendruomenės sutrikdymas

Trumpi perėjimai dažnai įrengiami vietose, kur paviršiaus pažeidimas yra arba susitarimu ribojamas, arba praktiškai nepriimtinas. Kelio perėjimai komercinėse zonose, upių perėjimai aplinkoje jautriose zonose ir geležinkelio perėjimai šalia keleivių stoties visi taiko griežtas apribojimus viršžeminėms veikloms. Mažas tunelių kasimo įrenginys tiesiogiai sprendžia šiuos apribojimus, leisdamas begręžtinės statybos metodus, kuriuose visa žemės kasimo veikla vyksta požeminėje erdvėje.

Mažojo tunelių kasimo įrenginio veiklos bežemės pobūdis reiškia, kad visą kasimo procesą kelių dangos, pėsčiųjų takai ir esamos komunalinės infrastruktūros tinklai lieka nepažeisti. Tai turi didelę komercinę vertę projektų užsakovams, kurie dėl eismo sutrikdymų gali būti priversti mokėti sąlygines baudas arba kuriems statybos metu reikia užtikrinti nepertraukiamą paslaugų tiekimą. Mažojo tunelių kasimo įrenginio paleidimo ir priėmimo duobių kompaktiškas plotas dar labiau sumažina paviršiaus poveikio zoną.

Bendruomenės santykiai su infrastruktūros projektų vykdymu vis dažniau laikomi savarankišku projekto rizikos veiksniu. Mažojo skersinio skverbimosi į žemę įrenginio naudojimas trumpiems perėjimams rodo įsipareigojimą mažinti triukšmą ir sutrikdymus, kas gali sustiprinti suinteresuotųjų šalių pasitikėjimą ir sumažinti projekto vėlavimo riziką dėl visuomenės prieštaravimų ar reguliavimo institucijų įsikišimo. Šiuolaikinių mažųjų skersinio skverbimosi į žemę įrenginių veikimo tylos ir mažos vibracijos charakteristikos reikšmingai prisideda prie šios bendruomenės suderinamumo.

Kainų efektyvumas visame projekto gyvavimo cikle

Ekominis argumentas dėl mažojo skersinio skverbimosi į žemę įrenginio naudojimo trumpiems perėjimams išeina už tiesioginės skverbimosi kainos ribų. Kai projektų savininkai apskaičiuoja visą perėjimo kainą, jie turi įvertinti kelio atstatymo, eismo valdymo, komunalinių tinklų perkėlimo, aplinkos leidimų ir grafiko rizikos sąnaudas. Mažasis skersinis skverbimosi į žemę įrenginys visiškai pašalina arba žymiai sumažina daugelį šių sąnaudų komponentų, nenaudodamas atvirųjų iškasų.

Mažo skersmens tunelių kasimo mašinos įrangos mobilizavimo ir demobilizavimo sąnaudos yra žymiai mažesnės nei didelio skersmens tunelių kasimo mašinų (TBM). Paleidimo duobės statyba, mašinos surinkimas ir paleidimas į eksploataciją paprastai gali būti baigti per kelias dienas, o ne savaites, dėl ko projektas pradedamas anksčiau ir sutrumpinamas viso statybos grafikas. Trumpose perėjimuose, kur pati kasimo operacija trunka tik kelias savaites, ši greita įdiegimo galimybė yra lemtinga komercinė pranašumo sąlyga.

Priežiūros reikalavimai trumpo važiavimo metu taip pat yra lengviau valdomi naudojant mažą tunelių kasimo mašiną nei didesnę įrangą. Skustuvo galvos tikrinimo ir įrankių keitimo intervalai absoliučiais dydžiais yra trumpesni, o mašinos apribojusios geometrijos dėka priežiūros brigadoms lengviau pasiekti įrenginį. Kai vertinamos viso trumpo perėjimo projekto gyvavimo ciklo sąnaudos – nuo įrenginio pristatymo iki jo pašalinimo – maža tunelių kasimo mašina nuolat parodo konkurencingas sąnaudų charakteristikas palyginti su kitomis žemės kasimo metodikomis.

Techniniai bruožai, kurie palankiai veikia trumpų perėjimų taikymą

Valdymo tikslumas ir išdėstymo kontrolė

Trumpiems perėjimams reikia didelės tikslumo, nes priimančioji konstrukcija – ar tai būtų stumties duobė, žmogaus prieigos šachtos anga arba iš anksto pagaminta priėmimo šachta – turi ribotą padėties nuokrypio leistinąją ribą. Mažojo skersmens tunelių kasantis įrenginys yra aprūpintas navigacinėmis sistemomis, kurios nuolat stebi ir koriguoja kasantįjį trajektoriją visą laiką, kol vyksta kasimas. Šviesos (lazerio) pagrindu veikiančios navigacinės sistemos ir elektroniniai geodeziniai matavimo įrenginiai leidžia operatoriams išlaikyti tinkamą orientaciją su milimetrų tikslumu, užtikrindami, kad įrenginys pasiektų priėmimo tašką leistinose nuokrypių ribose.

Mažosios tunelių kasantiosios mašinos vairavimo mechanizmas naudoja sąnarių jungtis arba vairavimo stūmiklius, kad kasimo metu atliktų pakopinius krypties pataisymus. Kietoje uolienoje, kur kirtiklio galva negali taip lengvai nukrypti nuo savo kelio kaip minkštoje gruntinėje aplinkoje, vairavimo sistema turi sugebėti sukurti pakankamą pataisomąją jėgą, kad išlaikytų judėjimo trajektoriją be mašinos pažeidimo ar aplinkinės uolienos masės sutrikdymo. Gerai suprojektuotos mažosios tunelių kasantiosios mašinos uolienoms svarsto vairavimo reaktyvumą ir konstrukcinę tvirtumą, kad būtų įvykdyti šie reikalavimai.

Lygiavimo klaidos trumpuose perėjimuose turi proporcingai didesnių padarinių nei ilguose tuneliuose, kur mažos nuokrypos gali būti pataisomos palaipsniui per atstumą. Mažojo tunelių kasantis įrenginio navigacinės sistemos tikslus inžinerinis projektavimas todėl nėra antraeilis, o yra pirminis reikalavimas bet kuriam trumpojo perėjimo projektui. Projektų komandos turėtų atidžiai įvertinti navigacinės sistemos specifikacijas pasirenkant mažąjį tunelių kasantį įrenginį perėjimams su griežtais padėties tikslumo reikalavimais.

Segmentų apdaila ir nedelsiant taikoma žemės atrama

Mažas tunelių kasantis įrenginys, veikiantis uolų sąlygomis, paprastai montuoja iš anksto pagamintus betoninius segmentus ar vamzdžių skyrius tiesiai po pjovimo galvutės, kai kasama. Šis vienu metu vykstantis kasimo ir apdailos procesas suteikia nedelsiant žemės palaikymą, kuris yra būtinas, kad būtų išlaikyta tunelio stabilumas suskeldėjusiose ar su plyšiais uolose, kurios gali būti sutinkamos trumpoje perėjoje. Apdaila taip pat sudaro nuolatinę baigto tunelio konstrukcinę apvalkalą, todėl daugelyje taikymų nereikia atlikti antrinės apdailos darbų.

Segmentų montavimo sistema mažojo skylimo įrenginio viduje suprojektuota efektyviam veikimui ribotose erdvėse, o pakėlimo rankos pasiekiamumas ir sukimosi kampas sureguliuoti taip, kad būtų galima tvarkyti konkrečios geometrijos segmentus, naudojamus šio dydžio įrenginių gamyboje. Segmentų nuokrypiai turi būti tiksliai kontroliuojami, kad būtų užtikrinti sandarūs sujungimai, ypač kai tuneliai kerta vandens upes arba kai vietovėje yra didelis gruntinio vandens slėgis. Išklotinės montavimo integracija į skylimo ciklą yra viena iš pagrindinių mažųjų skylimo įrenginių našumo pranašumų prieš rankinį tuneliavimą.

Daugumoje mažų tunelių kraustymo mašinų žiedinės plyšio, esančio tarp iškasto profilio ir įrengtos apdailos išorinės pusės, užpildymas vyksta nuolat tuneliavimo metu. Šis atgalinis užpildymas neleidžia gruntui nusėsti virš tunelio ir užfiksuoja apdailą galutinėje padėtyje. Trumpose miesto teritorijose vykstančių perėjimų atveju šio užpildymo procesas užtikrinamas gruntų nusėdimo kontrolė dažnai yra lemiamasis veiksnys, dėl kurio maža tunelių kraustymo mašina tampa vienintele techniškai priimtina sprendimu esamomis gruntų sąlygomis.

Mažos tunelių kraustymo mašinos parinkimo kriterijai trumpam perėjimui

Geotechninis vertinimas ir mašinos specifikacija

Teisingos mažosios tunelių kasantios mašinos pasirinkimas konkrečiam trumpam perėjimui prasideda išsamia geotechnine koridoriaus tyrimu. Gręžtinių duomenys, uolienų stiprumo bandymai, gruntinio vandens stebėjimas ir geologinis žemėlapis visi padeda nustatyti mašinos technines charakteristikas. Mažoji tunelių kasantoji mašina, skirta uolienoms, turi būti pritaikyta tikrai neapsaugotos spaudimo stiprumo uolienoms, mineralų turinio šluostomajam indeksui ir įrengiamoje zonoje esančių plyšių laipsniui.

Kerpančiojo galvos konstrukcijos parametrai, įskaitant kerpančiųjų elementų tarpą, kerpančiojo elemento skersmenį ir kerpančiojo galvos sukimo momento našumą, turi būti nustatyti remiantis geotechniniais duomenimis, o ne bendraisiais prielaidomis. Per mažas kerpančiojo galvos sukimo momentas mažojo tunelių gręžimo įrenginio, kuris gręžia kietą uolą, atveju sukelia lėtą pirmyn judėjimo greitį, pernelyg intensyvų kerpančiųjų elementų dėvėjimąsi ir galimą įrenginio pažeidimą. Per didelis sukimo momentas nereikiamai padidina kapitalines išlaidas. Nuoseklus techninės specifikacijos parengimo procesas, grindžiamas vietos specifiniais duomenimis, užtikrina ekonomiškiausią ir techniškai patikimiausią rezultatą.

Grindų vandens valdymas yra vienas pagrindinių geotechninių aspektų, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis mažą tunelių gręžimo mašiną uolų perėjimams po upėmis arba vietovėse su aukštu gruntinio vandens sluoksniu. Mašina turi būti aprūpinta tinkama veido slėgio reguliavimo sistema arba sandariu pjovimo galvutės dizainu, kad būtų išvengta vandens prasiskverbimo kasimo metu. Šis reikalavimas daro įtaką tiek mašinos tipo pasirinkimui, tiek taikomam operaciniam protokolui perėjimo metu, todėl geotechninis vertinimas yra neišskiriamoji bet kurio trumpojo perėjimo projekto mašinos parinkimo dalis.

Logistika, statybos aikštelės išdėstymas ir duobės projektavimas

Fizinės kryžminio perėjimo vietos sąlygos tiesiogiai veikia mažo tunelių gręžimo įrenginio naudojimo galimybę ir gręžimo operacijoms reikalingos atraminės infrastruktūros projektavimą. Paleidimo duobės matmenys turi atitikti surinkto įrenginio ilgį, už jo esančią papildomą įrangą ir stumties reakcijos rėmą. Mažam tunelių gręžimo įrenginiui šios sąlygos paprastai gali būti įvykdytos kompaktiškoje iškasimo vietoje, tačiau konkrečios vietos matmenys turi būti patvirtinti dar planavimo etape, kad būtų išvengta vėlyvojo etapo projektavimo konfliktų.

Šiukšlių pašalinimo logistika taip pat turi būti suplanuota atsižvelgiant į mažo tunelių kasantis mašinos veikimo ciklą. Uolos sąlygomis skylant, pjovimo galvutės sukurtos šiukšlės iš tunelio išvežamos naudojant sraigtinį konvejerį arba vakuumines siurbimo sistemas, o šiukšlių tvarkymo maršrutas turi būti patvirtintas prieš pradedant kasti. Segmentų pristatymo sunkvežimių, užpildymo įrangos ir techninės priežiūros personalo prieiga turi būti integruota į statybos aikštelės planą taip, kad nebūtų trukdoma kasant arba gretimoms eismo srautams.

Mažojo tunelių kasimo įrenginio perėjimo priėmimo duobės projektavimas turi užtikrinti pakankamą konstrukcinę našumą, kad priimtų įrenginį išlindus iš tunelio, nepažeidžiant gruntų stabilumo. Priėmimo konstrukcija gali būti iš anksto pagaminta plieninė žiedinė konstrukcija, armuoto betono šachtos konstrukcija arba specialiai suprojektuota priėmimo rėminė konstrukcija – viskas priklauso nuo vietos sąlygų ir įrenginio atvykimo geometrijos. Tiksli koordinacija tarp tunelių kasimo rangovų ir civilinės statybos komandos užtikrina, kad priėmimo duobė bus paruošta priimti mažąjį tunelių kasimo įrenginį reikiamu laiku ir su reikiamąja geometrija.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kokiam skersmens diapazonui paprastai priskiriamas mažasis tunelių kasimo įrenginys?

Mažas tunelių kasimo įrenginys paprastai veikia skersmens intervale nuo 1,0 iki 4,0 metro, nors kai kurios klasifikacijos išplėčia šį intervalą iki 4,5 metro priklausomai nuo projektų reikalavimų ir pramonės konvencijų. Šis dydžių diapazonas daro šį įrangą puikiai tinkamą naudoti komunaliniuose tuneliuose, vamzdynų perėjimuose, kabelių kanaluose, drenažo vamzdžiuose ir mažuose aptarnavimo tuneliuose, kur didelės TBM įrangos naudojimas būtų neproporcingas projektui.

Ar mažas tunelių kasimo įrenginys gali dirbti tiek uolėtoje, tiek minkštoje gruntinėje aplinkoje tame pačiame perėjime?

Daugelis trumpų perėjimų apima įvairias gruntų sąlygas, įskaitant pereities nuo minkšto dirvožemio prie suirusių uolienų ir vientisos kietos uolienos. Kai kurie maži tunelių kraustymo įrenginiai sukurti su universaliais pjovimo galvutės konfigūracijomis, kurios gali tvarkyti mišrių paviršių sąlygas, nors našumo efektyvumas yra didžiausias, kai įrenginys pritaikytas vyraujančiam grunto tipui. Perėjimams su labai kintama geologija būtina išsami geotechninė vertinimo procedūra, kad būtų nustatyta, ar vieno tipo įrenginys gali valdyti visas numatytas sąlygas, ar tam tikrose zonose reikia gruntų tvirtinimo.

Kiek laiko paprastai trunka trumpo perėjimo įrengimas mažu tunelių kraustymo įrenginiu?

Trumpo perėjimo, atliekamo mažo skersmens tunelių kasimo mašina, trukmė priklauso nuo kelių veiksnių, įskaitant kasimo ilgį, uolos stiprumą, mašinos skersmenį bei atraminės veiklos (pvz., segmentų montavimo ir iškasimo medžiagos pašalinimo) efektyvumą. Perėjimams, kurių ilgis yra nuo 50 iki 200 metrų, o uolos sąlygos yra vidutinės, pati kasimo fazė gali užtrukti nuo vienos iki keturių savaičių. Mobilizacija, duobės statyba, mašinos surinkimas ir paleidimas gali pridėti prie viso projekto termino dar kelias savaites, todėl tai turi būti įvertinta jau ankstyviausiose programos planavimo stadijose.

Kokie yra pagrindiniai gruntų nusėdimo rizikos veiksniai, naudojant mažo skersmens tunelių kasimo mašiną miesto teritorijoje vykdant trumpą perėjimą?

Žemės nusėdimo rizikos miestuose esančiuose trumpuose perėjimuose valdomos naudojant kombinaciją iš mašinos konstrukcinių ypatybių ir eksploatacijos protokolų. Maža tunelių kasymo mašina, aprūpinta nuolatine atgaline užpildymo gruntuotės sistema, kontroliuojama veido slėgio sistema ir tikslaus valdymo sistemomis, žymiai sumažina paviršiaus nusėdimo riziką palyginti su rankiniu tunelių kasymo būdu. Uolienose, kuriose geologinės sąlygos yra patikimos ir be įtrūkimų, nusėdimo rizika paprastai yra žema. Minkštesnėse ar labiau įtrūkusiose uolienose arti paviršiaus prieš pradedant kasymą turėtų būti įdiegtos nusėdimo stebėjimo programos ir realaus laiko reagavimo protokolai, kad būtų apsaugotos esamos statinys ir komunalinės sistemos perėjimo koridoriuje.