Čo robí stroj TBM rýchlejším ako metóda vŕtania a razenia v tvrdej hornine?

Keď inžinieri a manažéri projektov vyhodnocujú metódy ražby tunelov v prostrediach tvrdej skaly, rýchlosť je takmer vždy v centre debaty. Otázka nie je len to, ktorá technika je modernšia, ale ktorá z nich prináša merateľné zvýšenie rýchlosti postupu, hospodárnosti nákladov a celkového harmonogramu projektu. Stroj TBM stroj na ražbu tunelov sa počas desaťročí rozvoja infraštruktúry osvedčil ako zásadne odlišný prístup k rozrušovaniu a odstraňovaniu skaly – prístup, ktorý je navrhnutý okolo spojitosti, mechanizovanej sily a presnej geometrie namiesto cyklického narušenia, ktoré charakterizuje konvenčné vŕtanie a razenie.

Pochopeenie toho, čo dáva tunelovému bórme stroju (TBM) jeho rýchlostnú výhodu v tvrdej skale, vyžaduje preskúmanie každej fázy tunelovacieho cyklu – ako sa kameň rozrušuje, ako sa odstraňuje úlomkový materiál, ako sa inštaluje podpora a ako tieto činnosti navzájom súvisia v rámci nepretržitej mechanickej prevádzky. Vŕtanie a trhací proces tieto kroky vykonávajú postupne, pričom medzi nimi je povinná prestávka. Naopak, tunelový bórme stroj (TBM) integruje väčšinu týchto funkcií do jediného, postupne sa posúvajúceho systému, ktorý sa zriedka zastavuje. Tento architektonický rozdiel v pracovnom postupe je základom každého porovnania výkonnosti oboch metód za podmienok pevnej tvrdej skaly.

Nepretržitý rezný cyklus oproti prerušovanému trhacímu procesu

Ako tunelový bórme stroj (TBM) eliminuje mŕtvu dobu

V konvenčnom tuneli vytvoreným vŕtaním a razením je pracovný cyklus z povahy veci rozdelený na časti. Pracovníci najskôr vysúvia vzor výbušných otvorov, následne ich nabitý výbušninou, odpália výbuch, počkajú, kým sa rozptýlia výbušné plyny, znovu vstúpia do tunela, aby ho prehliadli, odstránili uvoľnené kusy skaly a nakoniec odstránili rozbitý materiál. Až po všetkých týchto krokoch sa namontuje podpora horniny, potom sa celý cyklus opakuje. Každý úplný cyklus zvyčajne posunie hlavný profil o jeden až štyri metre a nefunkčné čakacie fázy môžu trvať tak dlho ako fázy produkčné.

TBM stroj eliminuje väčšinu tohto mŕtveho času mechanickým návrhom. Rotujúca rezná hlava tlačí diskové rezné nástroje na skalnú stenu regulovanou tlačnou silou, čím vytvára ťahové trhliny, ktoré odštiepujú a odvláňajú skalu v nepretržitom procese. Počas rotácie rezná hlava spôsobuje, že vykopaný materiál okamžite padá na dopravník integrovaný do tela stroja a je dopravovaný smerom dozadu na povrch alebo na miesto uloženia. TBM stroj nemusí po každom cykle posunu zastaviť kvôli vetraniu, pretože nedochádza k výbuchu výbušnín, ktorý by vytváral toxické plyny.

Táto nepretržitá prevádzka sa priamo prejavuje vyššími priemernými rýchlosťami postupu. Zatiaľ čo posádka pre vŕtanie a trhaciu prácu môže za dobrých podmienok dosiahnuť v tvrdej hornine desať až pätnásť metrov denne, dobre prispôsobený TBM stroj prevádzkovaný v rovnakej horninovej formácii môže dosiahnuť rýchlosti postupu dvadsať až päťdesiat metrov denne alebo viac, v závislosti od pevnosti horniny, jej abrazívnosti a konfigurácie zariadenia. Eliminácia cyklických prestávok je jediným najvýznamnejším faktorom, ktorý spôsobuje tento rozdiel.

Otočná sila a účinnosť rozdrobovania horniny

Diskové rezné nástroje namontované na reznom kotúči stroja TBM sú navrhnuté tak, aby využívali prirodzenú krehkosť tvrdých hornín pri zaťažení sústredeným tlakom. Keď sa každý diskový rezný nástroj valí po povrchu horniny pri vysokom tlačnom sile – zvyčajne v rozsahu od 150 do 300 kilonewtonov na nástroj – vyvoláva mikropraskliny, ktoré sa šíria vo vodorovnom smere medzi susednými dráhami rezných nástrojov. Hornina sa odštiepuje vo forme klinovitých úlomkov, nazývaných čipovanie alebo tenké plátky. Tento mechanizmus šírenia prasklín je energeticky efektívny, pretože využíva vlastnú ťahovú krehkosť horniny namiesto toho, aby s ňou bojoval.

Výbušniny pri vŕtano-výbušnej činnosti musia súčasne prekonať tlakový aj ťahový odpor, pričom veľká časť energie sa rozptýli do vibrácií zeme, vzdušnej vlny a tepla namiesto účinného rozrušenia horniny. Tunelový vŕtací stroj (TBM) sústredí mechanickú energiu presne na rozhraní rezných kotúčov a horniny, čo znamená, že oveľa vyšší podiel vstupnej energie sa premieňa na užitočné báňové práce. V prípade veľmi tvrdých, masívnych hornín s neobmedzenou tlakovou pevnosťou vyššou ako 150 MPa je rezací mechanizmus TBM efektívnejší v porovnaní s výbuchom, pretože krehkosť horniny a jej rovnorodá mikroštruktúra umožňujú účinné šírenie trhlin cez celú vŕtanú plochu.

Integrovaná manipulácia s vyrábaným materiálom a inštalácia podpor

Návrh zadnej časti stroja a nepretržitý tok materiálu

Rýchlostná výhoda stroja TBM nevychádza len z rezného kotúča. Rovnako dôležitým príspevkom je integrácia systému na odstraňovanie úlomkov do vlastného tela stroja. V okamihu, keď sa hornina rozdrtí na čele vrtu, škrabky a kôšiky na reznom kotúči zhromaždia úlomky a uložia ich na vnútorný dopravník. Tento dopravník neustále prepravuje materiál smerom do zadnej časti stroja, kde sa pripája k nasledujúcemu dopravníkovému systému alebo k železničným vozíkom na prepravu úlomkov, ktoré prepravujú materiál na povrch.

V tuneli vyrazenom vŕtaním a výbuchom vyžaduje odstraňovanie úlomkov (mucking) samostatné nakladacie vozidlá a prepravné zariadenia, ktoré musia mať priamy prístup k čelnej stene. Pred výbuchom musí byť čelná stena vyčistená od osôb a zariadení a až potom sa môžu prepravné zariadenia vrátiť po potvrdení bezpečnosti prostredia. Táto postupná logika znamená, že odstraňovanie úlomkov nemôže začať, kým nekončí výbuch, a vŕtanie sa nemôže obnoviť, kým nie je odstraňovanie úlomkov dokončené. Tunelový vŕtací stroj (TBM) zlúči tieto fázy do súbežných procesov – vŕtanie a preprava úlomkov prebiehajú súčasne v jednom nepretržitom pohybe.

Tento integrovaný prístup výrazne zníži intenzitu fyzickej práce. Obslužný personál tunelového vŕtacieho stroja (TBM) riadi mechanizovaný systém namiesto toho, aby prevádzkoval viacero nezávislých zariadení v súladu medzi sebou. Na každý meter postupu je potrebných menej osôb a fyzické pracovné prostredie je lepšie kontrolovateľné, čo znižuje stratu času spôsobenú bezpečnostnými incidentmi alebo oneskoreniami v dôsledku ľudskej koordinácie.

Upevnenie horniny bez zastavenia vŕtania

Pri ražbe tunelov v tvrdom horninovom prostredí s krytou TBM strojovou jednotkou sa inštalácia podpory horniny vykonáva v chránenej zóne bezprostredne za štítom rezného kotúča, zatiaľ čo ražba pokračuje na čele. Predopnuté betónové segmentové kruhy sa montujú automatickým montážnym ramenom v zadnej časti stroja počas postupu rezného kotúča. Táto paralelná činnosť je jednou z najvýznamnejších štrukturálnych výhod TBM stroja oproti metóde vŕtania a trhania z hľadiska skrátenia harmonogramu.

Pri ražbe tunelov v tvrdom horninovom prostredí metódou vŕtania a trhania sa po každom trhacom kole môže vyžadovať systematická inštalácia kotevných tyčí, umiestnenie drôtenej siete a aplikácia striekaného betónu. Tieto úlohy vykonávajú pracovníci pomocou ručne ovládaného alebo mechanizovaného vybavenia, avšak nemôžu sa vykonávať počas trhania ani kým sa v hlavnom výrubnom priestore nachádzajú výbušné plyny. TBM stroj efektívne odstraňuje túto obmedzujúcu podmienku tým, že fyzickou dĺžkou stroja samotného oddeluje zónu inštalácie podpory od aktívnej rezného zóny.

Výsledkom je, že stroj TBM dokáže udržiavať takmer nepretržitý postup vpred aj v skalných podmienkach, ktoré by vyžadovali hustú inštaláciu podpornej konštrukcie. Práce na podpore neznižujú čas určený na vykopávanie; prebiehajú súbežne, čím sa zabezpečuje, že cyklový čas stroja odráža rýchlosť vykopávania a nie kombinovaný harmonogram vykopávania a podpory.

Vhodnosť skalných podmienok a predvídateľnosť výkonu

Prečo tvrdé skaly napomáhajú výkonu stroja TBM

Bežne sa predpokladá, že tvrdšie skaly predstavujú pre stroj TBM väčšiu výzvu, avšak tento vzťah je nuansovanejší. Kvalitné tvrdé skaly – teda skaly, ktoré sú pevné, súvislé a voľné od väčších zlomových pásov – v skutočnosti poskytujú ideálne podmienky, aby stroj TBM dosiahol najvyššie rýchlosti postupu. Konzistencia horninového masívu umožňuje rezným nástrojom pracovať takmer pri optimálnych parametroch bez náhlych zmeny zaťaženia spôsobených dutinami, vložkami ílu alebo nepredvídateľnými sústavami zlomov.

Vŕtanie a trhací proces, hoci je prispôsobiteľný premenlivej geologickej podmienke, neposkytuje úmernú výhodu v rýchlosti pri tvrdších horninách. Pri tvrdších horninách sa predlžujú časy vŕtania, vyžadujú sa vyššie množstvá výbušnín a často aj dôkladnejšie odstraňovanie uvoľnených kúskov horniny po výbuchu, čo všetko predlžuje dobu jedného cyklu. Výkon tunelového vŕtacieho stroja (TBM) sa s rastúcou pevnosťou horniny zlepšuje výhodnejšie, pretože tvrdšie a krehkejšie horniny sa pri zaťažení diskovými reznými nástrojmi oddeľujú efektívnejšie. Projekty v granitoch, bazaltov, kvarcitoch a podobných horninách opakovane preukázali postupné rýchlosti TBM, ktoré výrazne presahujú časové rámce dosiahnuteľné vŕtaním a trhaním.

Stálosť rýchlosti postupu pri dlhých tunelových úsekoch

Jednou z najstrategickejšie dôležitých výhod stroja TBM v tvrdom skalnom prostredí je predvídateľnosť jeho rýchlosti postupu. Plánovníci projektov a plánovníci zmlúv môžu na základe údajov o charakterizácii skaly z geologického prieskumu miesta predpovedať výkon stroja s významnou presnosťou. Táto predvídateľnosť je cenná pre správu zmlúv, plánovanie zdrojov, koordináciu logistiky a financovanie.

Časové plány vŕtania a trhania v tvrdom skalnom prostredí sú z povahy veci viac premenné. Jediné náhodné narazenie na nezistenú poruchovú zónu, tvrdší vrstvený úsek abrazívnej skaly alebo nestabilné podmienky nadtrhávania môže výrazne predĺžiť časový harmonogram projektu. Stroj TBM nie je imúnny voči geologickým prekvapeniam, avšak jeho mechanizovaná povaha umožňuje systematickejšie a kontrolovanejšie reakcie a jeho systémy zberu údajov dokážu poskytnúť reálne informácie o meniacich sa podmienkach horniny pred čelom vykopávky.

Pri dlhých tunelových úsekoch — najmä tých, ktoré presahujú tri až päť kilometrov — sa kumulatívna výhoda rýchlosti stroja TBM stáva rozhodujúcou. Čas strávený mobilizáciou a relatívne vyššie kapitálové náklady na stroj sa rozpočítajú cez celkovú dĺžku predbehu a konzistentný denný pokrok viac než kompenzuje počiatočný rozdiel v investíciách v porovnaní s metódou vŕtania a raženia.

Pracovná sila, bezpečnosť a harmonogram integrácie

Znížená expozícia ľudí nebezpečným podmienkam

Rýchlostná výhoda stroja TBM nie je čisto mechanického charakteru — vychádza tiež z odstránenia ľudských pracovníkov z najnebezpečnejších častí procesu ražby tunela. Pri ražbe tunela metódou vŕtania a raženia musia pracovníci fyzicky pristupovať k ražobnému čelu opakovane počas každého cyklu: na vŕtanie, nabitie, odštiepovanie a inštaláciu podpornej konštrukcie. Každý prístup k čelu je spojený s rizikom a bezpečnostné incidenty, aj keď len drobné, spôsobujú straty času, ktoré sa v priebehu dlhého projektu navyšujú.

TBM stroj udržiava väčšinu pracovnej sily v kontrolovanom prostredí vo vnútri tela stroja alebo v dobre zavedenej oblasti za ťažným zariadením. Automatická rezná hlava a dopravníkové systémy zabezpečujú prácu v najnebezpečnejšej blízkosti čerstvého skalného masívu. Táto návrhová filozofia zníži počet incidentov, čo priamo chráni dodržanie harmonogramu. Projekty, ktoré sa vyhýbajú výpadkom práce spôsobeným bezpečnostnými problémami, spoľahlivejšie dodržiavajú predpokladané rýchlosti postupu ako projekty s opakujúcimi sa incidentmi na čele vykopávky.

Paralelný pracovný postup a využitie posádok

Projekt s TBM strojom umožňuje paralelné pracovné postupy, ktoré nie je možné realizovať pri vŕtaní a razení. Počas postupu stroja môžu posádky na povrchu alebo v zadnej časti vykonávať údržbu, dopĺňanie zásob, dodávku segmentov a logistické činnosti bez zastavenia báňových prác. Posádka stroja je organizovaná do špecializovaných rolí – operátori, technici pre údržbu, operátori montážnych zariadení pre segmenty, obsluha dopravníkov – pričom každý pracuje súčasne namiesto toho, aby čakali na dokončenie predchádzajúceho kroku v postupnom cykle.

Táto paralelita je násobiteľom výkonnosti vzhľadom na dodržanie harmonogramu. Pri veľkých infraštruktúrnych projektoch, ako sú metrážne tunely, systémy pre prepravu vody alebo cestné tunely cez horské reťazce, je schopnosť súčasne udržiavať viacero pracovných prúdov zárukou, že projekt s TBM strojom dokáže splniť skrátené termíny, ktoré by pri metóde vŕtania a razenia boli fyzicky nemožné.

Často kladené otázky

V akom type tvrdého kameňa dosahuje TBM stroj najvyššie rýchlosti postupu?

TBM stroj dosahuje najlepší výkon v pevných, masívnych horninách s vysokou pevnosťou, ako je žula, rula, čadič alebo kremeň, kde je hornina silná, konzistentná a relatívne voľná od väčších diskontinuít alebo zlomov naplnených ílovou hmotou. Tieto podmienky umožňujú kotúčovým rezacím nástrojom pracovať pri optimalizovaných hodnotách tlaku a otáčok, čo vedie k účinnej tvorbe triesok a stabilným podmienkam na čele vykopávky. Čím je horninové teleso rovnomernejšie, tým spoľahlivejšie môže TBM stroj udržiavať maximálne denné rýchlosti postupu.

Je TBM stroj vždy výkonnejší ako metóda vŕtania a razenia v tvrdých horninách?

Nie v každej situácii. Pre krátke tunely, zložité trasovania s častými zmenami smeru alebo projekty v extrémne premenných horninových podmienkach s mnohými zlomovými pásmi môže flexibilita metódy vŕtanie a trhací výbušnín ponúknuť kompenzujúce výhody. Avšak pre dlhé priame alebo jemne zakrivené tunely prechádzajúce pevnými tvrdými horninami je TBM stroj takmer vždy rýchlejší, akonáhle je stroj plne prevádzkový a logistický reťazec je už zavedený. Dĺžka tunela, pri ktorej sa použitie TBM stroja stáva ekonomicky aj časovo výhodné (tzv. bod zvratu), sa zvyčajne uvádza približne v rozmedzí jedného až troch kilometrov, pričom presná hodnota závisí od špecifík konkrétneho projektu.

Ako ovplyvňuje údržba rezacích nástrojov rýchlosť TBM stroja v tvrdých horninách?

Opotrebovanie diskových rezacích nástrojov je jednou z hlavných údržbových výziev pri používaní TBM stroja v abrazívnom tvrdom horninovom prostredí. Opotrebované alebo poškodené rezacie nástroje je potrebné vymeniť, aby sa udržala efektivita rezu, a to vyžaduje plánované zastavenia stroja na kontrolu a výmenu rezacích nástrojov. V silne abrazívnych horninách, ako je kremeň, sa rýchlosť spotreby rezacích nástrojov môže ukázať veľmi vysokou a údržbové intervaly sa môžu opakovať často. Moderné konštrukcie TBM strojov však umožňujú rýchle postupy výmeny rezacích nástrojov a plánované údržbové prestávky sú oveľa kratšie a predvídateľnejšie než neplánované oneskorenia, ktoré sa v rámci rovnakej dĺžky tunela hromadia pri metóde vŕtania a trhania.

Aké projektové údaje je potrebné pripraviť pred výberom TBM stroja pre tunelovanie v tvrdej hornine?

Prieskum miesta by mal zahŕňať podrobnú charakterizáciu horninového masívu, vrátane jednoosovej tlakovej pevnosti, brazílskej ťahovej pevnosti, indexu abrazívnosti hornín, vzdialenosti a orientácie trhliny a podzemných vôd, ako aj prítomnosti akýchkoľvek hlavných zlomov alebo zón strihu. Tieto údaje sa priamo využívajú pri špecifikácii stroja TBM, vrátane výtlaku vrtáku, typu a vzdialenosti rezných nástrojov, konštrukcie štítu a konfigurácie systému na podporu za strojom. Presné geotechnické údaje sú najdôležitejším vstupným faktorom pri predpovedaní, či stroj TBM dosiahne očakávanú výhodu v rýchlosti na danom projekte.