Tutaj, w Stanach Zjednoczonych, zwykliśmy nazywać drążenie tuneli metodą wiercenia i strzałów „konwencjonalnym”, co, jak sądzę, oznacza tunelowanie za pomocą TBM lub innych zmechanizowanych środków jako „niekonwencjonalnego”.Jednakże wraz z ewolucją technologii TBM wykonywanie tuneli metodą wiercenia i strzałów staje się coraz rzadsze, dlatego warto pomyśleć o odwróceniu tego określenia i zacząć nazywać drążenie tuneli metodą wiercenia i strzałów „niekonwencjonalnymi”. tunelowanie.
Tunelowanie metodą wiercenia i strzałów jest nadal najpowszechniejszą metodą w górnictwie podziemnym, natomiast tunelowanie na potrzeby projektów infrastrukturalnych staje się coraz częściej tunelowaniem zmechanizowanym za pomocą TBM lub innych metod.Jednakże w krótkich tunelach, w przypadku dużych przekrojów poprzecznych, konstrukcji kawern, skrzyżowań, przejść poprzecznych, szybów, zastawek itp., często jedyną możliwą metodą jest wiercenie i strzałowanie.Dzięki technologii Drill and Blast mamy również możliwość większej elastyczności w dostosowywaniu się do różnych profili w porównaniu z tunelem TBM, który zawsze daje okrągły przekrój poprzeczny, szczególnie w przypadku tuneli autostradowych, co skutkuje dużą ilością nadmiernych wykopów w stosunku do rzeczywistego potrzebnego przekroju.
W krajach nordyckich, gdzie konstrukcja geologiczna konstrukcji podziemnych często składa się z litego, twardego granitu i gnejsu, co umożliwia bardzo wydajne i ekonomiczne wydobycie wiertnicze i strzałowe.Na przykład system metra w Sztokholmie zazwyczaj składa się z odsłoniętej powierzchni skalnej zbudowanej przy użyciu wiertarki i strzału i natryskiwanej betonem natryskowym jako ostateczną wykładzinę, bez wykładziny wylewanej na miejscu.
Obecnie w budowie jest projekt AECOM, obwodnica Sztokholmu, składająca się z 21 km (13 mil) autostrady, z czego 18 km (11 mil) znajduje się pod ziemią pod zachodnim archipelagiem sztokholmskim, patrz rys. 1. Tunele te mają zmienne przekroje poprzeczne, aby pomieścić trzy pasy ruchu w każdym kierunku, a rampy łączące się z powierzchnią są budowane przy użyciu techniki wiercenia i strzału.Tego typu projekty są nadal konkurencyjne w stosunku do projektów wiertniczych i strzałowych ze względu na dobre warunki geologiczne i potrzebę zmiennych przekrojów poprzecznych, aby dostosować się do wymagań przestrzennych.Na potrzeby tego projektu opracowano kilka ramp dojazdowych w celu podzielenia długich głównych tuneli na wiele chodników, co skróci całkowity czas drążenia tunelu.Początkowa podpora tunelu składa się z kotew skalnych i 4-calowego torkretu, a końcowa wykładzina składa się z hydroizolacyjnej membrany i 4-calowego torkretu zawieszonego na śrubach rozmieszczonych w odstępach około 4 na 4 stopy, zainstalowanych 1 stopę od powierzchni skały wyłożonej torkretem, działa jak woda i szron izolacja.
Norwegia jest jeszcze bardziej ekstremalna, jeśli chodzi o drążenie tuneli metodą wiertniczą i strzałową, i przez lata udoskonaliła metody wiercenia i strzału do perfekcji.Biorąc pod uwagę bardzo górzystą topografię Norwegii i bardzo długie fiordy wcinające się w ląd, potrzeba budowy tuneli pod fiordami zarówno dla autostrad, jak i kolei ma ogromne znaczenie i może znacznie skrócić czas podróży.W Norwegii znajduje się ponad 1000 tuneli drogowych, czyli najwięcej na świecie.Ponadto w Norwegii znajdują się niezliczone elektrownie wodne z tunelami i szybami zastawkowymi budowanymi przez firmę Drill and Blast.W latach 2015–2018 w samej Norwegii firma Drill and Blast wykonała około 5,5 miliona cylindrów podziemnego wydobycia skał.Kraje nordyckie udoskonaliły technikę wiercenia i strzału oraz eksplorowały jej technologie i najnowocześniejsze rozwiązania na całym świecie.Ponadto w Europie Środkowej, zwłaszcza w krajach alpejskich, wiercenie i wysadzanie jest nadal konkurencyjną metodą w drążeniu tuneli pomimo dużej długości tuneli.Główną różnicą w stosunku do tuneli Nordics jest to, że większość tuneli alpejskich ma ostateczną okładzinę betonową wylewaną na miejscu.
W północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych oraz w regionach Gór Skalistych panują podobne warunki jak w krajach nordyckich, gdzie występują twarde, kompetentne skały, umożliwiające ekonomiczne wykorzystanie wierceń i strzałów.Niektóre przykłady obejmują metro w Nowym Jorku, tunel Eisenhowera w Kolorado i tunel Mt McDonald w kanadyjskich Górach Skalistych
Niedawne projekty transportowe w Nowym Jorku, takie jak niedawno ukończone metro Second Avenue czy projekt East Side Access, obejmowały połączenie tuneli biegowych wydobytych metodą TBM z jaskiniami stacji i inną przestrzenią pomocniczą wykonaną przez firmę Drill and Blast.
Zastosowanie wiertnic typu jumbo ewoluowało na przestrzeni lat od prymitywnych wiertarek ręcznych lub wiertarek z jednym wysięgnikiem do skomputeryzowanych, samowiercących wiertarek typu Jumbo z wieloma wysięgnikami, w których wzory wierceń są wprowadzane do komputera pokładowego, umożliwiając szybkie i dokładne wiercenie do wstępnego -Ustaw dokładnie obliczony wzór wiercenia.(patrz rys. 2)
Zaawansowane maszyny wiertnicze są dostępne w wersji w pełni zautomatyzowanej lub półautomatycznej;w tym pierwszym przypadku po wykonaniu otworu wiertło cofa się i automatycznie przechodzi do kolejnej pozycji otworu oraz rozpoczyna wiercenie bez konieczności pozycjonowania przez operatora;w przypadku wysięgników półautomatycznych operator przesuwa wiertło od otworu do otworu.Dzięki temu jeden operator może efektywnie obsługiwać wiertnice z maksymalnie trzema wysięgnikami za pomocą komputera pokładowego.(patrz rys. 3)
Wraz z rozwojem wiertnic do skał o mocy udaru od 18, 22, 30 i do 40 kW oraz wiertnic o wysokiej częstotliwości z podajnikami mieszczącymi wędziska o długości do 20 stóp i zastosowaniu zautomatyzowanego systemu dodawania prętów (RAS), postęp i prędkość wiercenia znacznie się poprawiło, przy rzeczywistej szybkości posuwu do 18 stóp na rundę i zagłębianiu otworu w zakresie od 8 do 12 stóp/min, w zależności od rodzaju skały i użytego wiertła.Zautomatyzowana wiertnica z trzema wysięgnikami może wiercić z prędkością 800–1200 stóp na godzinę za pomocą 20-stopowych prętów Drifter.Użycie żerdzi dryfujących o średnicy 20 stóp wymaga pewnego minimalnego rozmiaru tunelu (około 25 stóp), aby umożliwić wiercenie kotew prostopadle do osi tunelu przy użyciu tego samego sprzętu.
Niedawnym osiągnięciem jest zastosowanie wielofunkcyjnych urządzeń typu jumbo zawieszonych na koronie tunelu, umożliwiających równoczesne wykonywanie wielu funkcji, takich jak wiercenie i ubijanie.Jumbo można również wykorzystać do montażu dźwigarów kratowych i betonu natryskowego.Podejście to nakłada się na sekwencyjne operacje drążenia tuneli, co pozwala zaoszczędzić czas w harmonogramie.Zobacz rys. 4.
Stosowanie emulsji luzem do ładowania otworów z oddzielnej ciężarówki załadowczej, gdy zestaw wiertniczy jest używany w wielu wyrobiskach, lub jako element wbudowany w wiertnicę, gdy wydobywany jest jeden wyrobisko, staje się coraz bardziej powszechne, chyba że istnieją lokalne ograniczenia dotyczące tej aplikacji.Ta metoda jest powszechnie stosowana w różnych obszarach na całym świecie, przy czym można ładować dwa lub trzy otwory w tym samym czasie;stężenie emulsji można regulować w zależności od tego, które otwory są ładowane.Otwory wycięte i dolne są zwykle ładowane w stężeniu 100%, podczas gdy otwory konturowe są ładowane w znacznie mniejszym stężeniu, wynoszącym około 25%.(patrz rys. 5)
Stosowanie emulsji luzem wymaga wspomagania w postaci sztyftu zapakowanego materiału wybuchowego (podkładu), który wraz z detonatorem wprowadza się na dno otworów i jest niezbędny do zapalenia emulsji luzem pompowanej do otworu.Zastosowanie emulsji luzem skraca całkowity czas ładowania w porównaniu do tradycyjnych wkładów, gdzie można załadować 80 – 100 otworów/h z wózka załadowczego wyposażonego w dwie pompy ładujące i jedno- lub dwuosobowe kosze do osiągnięcia pełnego przekroju.Patrz ryc. 6
Używanie ładowarek kołowych i samochodów ciężarowych jest nadal najpowszechniejszym sposobem urobku w połączeniu z wierceniem i strzałem w przypadku tuneli mających dostęp do sztolni na powierzchnię.W przypadku dostępu szybami obornik będzie w większości przewożony ładowarką kołową do szybu, skąd zostanie wyciągnięty na powierzchnię w celu dalszego transportu na miejsce ostatecznego składowania.
Jednakże zastosowanie kruszarki przy przodzie tunelu do rozbijania większych kawałków skał w celu umożliwienia ich przeniesienia za pomocą przenośnika taśmowego w celu wyniesienia mułu na powierzchnię to kolejna innowacja, którą opracowano w Europie Środkowej często w przypadku długich tuneli przez Alpy.Metoda ta znacznie skraca czas usuwania obornika, szczególnie w przypadku długich tuneli i eliminuje ciężarówki w tunelu, co z kolei poprawia środowisko pracy i zmniejsza niezbędną wydajność wentylacji.Uwalnia również wywrotkę tunelu do prac betoniarskich.Dodatkową zaletą jest to, że skała jest takiej jakości, że nadaje się do produkcji kruszywa.W takim przypadku kruszoną skałę można w minimalnym stopniu przetworzyć do innych korzystnych zastosowań, takich jak kruszywo betonowe, podsypka kolejowa lub nawierzchnia.Aby skrócić czas od śrutowania do nałożenia betonu natryskowego, w przypadkach, gdy czas odstania może stanowić problem, można nałożyć początkową warstwę betonu natryskowego na dach przed wykonaniem szpachlowania.
Podczas kopania dużych przekrojów w połączeniu ze złymi warunkami skały, metoda wiercenia i strzału daje nam możliwość podziału przodka na wiele wyrobisk i zastosowania metody wykopów sekwencyjnych (SEM) do wykopu.W SEM przy drążeniu tuneli często stosuje się środkowy kurs pilotażowy, po którym następują naprzemienne wyrobiska boczne, co można zobaczyć na ryc. 7 przedstawiającego wykopaliska górnego chodnika stacji 86th Street w ramach projektu metra Second Avenue w Nowym Jorku.Górny wyrobisko wykopano w trzech sztolniach, a następnie wykonano dwa wykopy odkrywkowe, aby ukończyć przekrój jaskini o szerokości 60 stóp i wysokości 50 stóp.
Aby zminimalizować przedostawanie się wody do tunelu podczas wykopów, często stosuje się iniekcję przedwykopową.Spoinowanie skały przed wykopem jest obowiązkowe w Skandynawii w celu spełnienia wymagań środowiskowych dotyczących wycieku wody do tunelu i zminimalizowania wpływu budowy na reżim wodny na powierzchni lub w jej pobliżu.Iniekowanie przed wykopem można wykonać w całym tunelu lub w niektórych obszarach, gdzie stan skał i warunki wód gruntowych wymagają iniekcji w celu ograniczenia wnikania wody do możliwej do opanowania ilości, np. w strefach uskoków lub ścinania.Przy selektywnym iniekowaniu przedwykopowym wierci się 4-6 otworów sondujących i w zależności od zmierzonej ilości wody z otworów sondujących w stosunku do ustalonego spustu iniekcji, iniekcje będą realizowane przy użyciu zaczynów cementowych lub chemicznych.
Zwykle wachlarz do iniekcji przed wykopem składa się z 15 do 40 otworów (o długości 70–80 stóp) wywierconych przed przodkiem i zacementowanych przed wykopem.Liczba otworów zależy od wielkości tunelu i przewidywanej ilości wody.Następnie wykonuje się wykopy, pozostawiając strefę bezpieczeństwa 5–20 stóp za ostatnią rundą, kiedy przeprowadzane jest kolejne sondowanie i cementowanie przed wykopem.Zastosowanie wspomnianego powyżej zautomatyzowanego systemu dodawania prętów (RAS) ułatwia i przyspiesza wiercenie otworów pod sondę i fugowanie z wydajnością od 300 do 400 stóp/godz.Wymóg iniekcji przed wykopem jest bardziej wykonalny i niezawodny w przypadku stosowania metody wiercenia i strzału w porównaniu z użyciem maszyny TBM
Bezpieczeństwo w drążeniu i drążeniu tuneli zawsze stanowiło poważny problem wymagający specjalnych środków bezpieczeństwa.Oprócz tradycyjnych problemów związanych z bezpieczeństwem podczas drążenia tuneli, przy budowie metodą Drill and Blast ryzyko związane z przodkiem, w tym wiercenie, ładowanie, osadzanie kamienia, zasypywanie itp., dodaje dodatkowe ryzyko bezpieczeństwa, którym należy się zająć i które należy zaplanować.Wraz z rozwojem technologii w zakresie technik wierceń i strzałów oraz zastosowaniem podejścia ograniczającego ryzyko do aspektów bezpieczeństwa, w ostatnich latach bezpieczeństwo w drążeniu tuneli znacznie się poprawiło.Na przykład w przypadku stosowania zautomatyzowanego wiercenia typu Jumbo z schematem wiercenia przesłanym do komputera pokładowego, nie ma potrzeby, aby ktokolwiek znajdował się przed kabiną wiertnicy Jumbo, co zmniejsza potencjalne narażenie pracowników na potencjalne zagrożenia, a tym samym zwiększa ich bezpieczeństwo.
Najlepszą funkcją związaną z bezpieczeństwem jest prawdopodobnie automatyczny system dodawania prętów (RAS).Dzięki temu systemowi używany jest głównie do wiercenia długich otworów w połączeniu z iniekcją przed wykopem i wierceniem otworów sondujących;wiercenie przedłużające można wykonać w pełni automatycznie z kabiny operatora, co eliminuje ryzyko obrażeń (zwłaszcza dłoni);w przeciwnym razie dodawanie prętów odbywało się ręcznie, a pracownicy byliby narażeni na obrażenia podczas ręcznego dodawania prętów.Warto dodać, że Norweskie Towarzystwo Tunelowe (NNF) wydało w 2018 roku publikację nr 27 zatytułowaną „Bezpieczeństwo w norweskich pracach wiertniczych i tunelowych”.Publikacja w sposób systematyczny omawia środki związane z zarządzaniem bezpieczeństwem, higieną i ochroną środowiska podczas drążenia tuneli metodami wiercenia i strzału oraz dostarcza najlepszych praktyk pracodawcom, brygadzistom i pracownikom budowy tuneli.Publikacja odzwierciedla aktualny stan wiedzy na temat bezpieczeństwa konstrukcji wiertniczych i strzałowych. Można ją pobrać bezpłatnie ze strony internetowej Norweskiego Towarzystwa Tunelowego: http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/
Wiercenie i strzałowanie zastosowane w odpowiedniej koncepcji, nawet w przypadku długich tuneli, z możliwością podziału długości na wiele wyrobisk, może w dalszym ciągu stanowić realną alternatywę.Ostatnio poczyniono znaczne postępy w sprzęcie i materiałach, co doprowadziło do zwiększenia bezpieczeństwa i zwiększonej wydajności.Chociaż zmechanizowane wykopy przy użyciu TBM są często bardziej korzystne w przypadku długich tuneli o stałym przekroju, jednak w przypadku awarii TBM skutkującej długim przestojem, cały tunel zatrzymuje się, podczas gdy w przypadku operacji wiercenia i strzałów z wieloma wyrobiskami budowa może nadal posuwać się naprzód, nawet jeśli w którymś z kierunków wystąpią problemy techniczne.
Lars Jennemyr jest ekspertem w dziedzinie inżynierii budowy tuneli w biurze AECOM w Nowym Jorku.Posiada wieloletnie doświadczenie w projektach podziemnych i tunelowych na całym świecie, w tym w Azji Południowo-Wschodniej, Ameryce Południowej, Afryce, Kanadzie i USA, w projektach tranzytowych, wodnych i hydroenergetycznych.Posiada bogate doświadczenie w drążeniu tuneli konwencjonalnych i zmechanizowanych.Jego specjalistyczna wiedza obejmuje budowę tuneli skalnych, wykonalność i planowanie budowy.Wśród jego projektów znajdują się: metro Second Avenue, stacja 86th St. w Nowym Jorku;rozbudowę linii metra nr 7 w Nowym Jorku;złącze regionalne i przedłużenie linii Purple w Los Angeles;Tunel miejski w Malmo, Szwecja;projekt elektrowni wodnej Kukule Ganga na Sri Lance;Projekt elektrowni wodnej Uri w Indiach;oraz strategiczny system oczyszczania ścieków w Hongkongu.
Czas publikacji: 01 maja 2020 r