Здесь, в Соединенных Штатах, мы привыкли называть прокладку туннелей буровзрывным способом «традиционной» прокладкой туннелей, что, я полагаю, оставляет туннелирование с помощью ТБМ или других механизированных средств называться «нетрадиционным».Однако с развитием технологии ТБМ становится все более редким выполнение проходки туннелей буровзрывным методом, и поэтому мы можем подумать о том, чтобы изменить это выражение и начать называть прокладку туннелей буровзрывным способом «нетрадиционным способом». туннелирование.
Прокладка туннелей буровзрывным способом по-прежнему остается наиболее распространенным методом в подземной горнодобывающей промышленности, в то время как прокладка туннелей для инфраструктурных проектов все больше и больше становится механизированной прокладкой туннелей с использованием ТБМ или других методов.Однако в коротких туннелях, для больших поперечных сечений, при строительстве каверн, переходов, переходов, шахт, водоводов и т. д. буровзрывные работы часто являются единственно возможным методом.Благодаря буровзрывным работам у нас также есть возможность более гибко адаптироваться к различным профилям по сравнению с туннелем TBM, который всегда имеет круглое поперечное сечение, особенно для автомобильных туннелей, что приводит к значительному увеличению объемов земляных работ по сравнению с фактически необходимым поперечным сечением.
В странах Северной Европы, где геологические формации подземных сооружений часто состоят из твердого твердого гранита и гнейса, которые очень эффективно и экономично подходят для буровзрывной добычи.Например, система метро Стокгольма обычно состоит из обнаженной каменной поверхности, построенной с использованием буровзрывной обработки и покрытой торкрет-бетоном в качестве окончательного покрытия без какой-либо монолитной облицовки.
В настоящее время строится проект AECOM, объездная дорога Стокгольма, состоящая из 21 км (13 миль) шоссе, из которых 18 км (11 миль) находится под землей под западным архипелагом Стокгольма, см. рис. 1. Эти туннели имеют переменное поперечное сечение. для размещения трех полос движения в каждом направлении, а также съезды и съезды, выходящие на поверхность, строятся с использованием технологии буровзрывной обработки.Этот тип проектов по-прежнему конкурентоспособен, как буровзрывные, из-за хорошей геологии и необходимости переменного поперечного сечения для удовлетворения требований к пространству.Для этого проекта было разработано несколько пандусов для разделения длинных основных туннелей на несколько заголовков, что сократит общее время раскопок туннеля.Первоначальная опора туннеля состоит из анкерных болтов и торкрет-бетона толщиной 4 дюйма, а последняя облицовка состоит из гидроизоляционной мембраны и торкрет-бетона толщиной 4 дюйма, подвешенных на болтах, расположенных на расстоянии примерно 4 на 4 фута, установленных на расстоянии 1 фута от поверхности скалы, облицованной торкрет-бетоном, и действует как вода и мороз. изоляция.
Норвегия еще более экстремальна, когда дело доходит до прокладки туннелей методом буровзрывных работ, и за прошедшие годы довела методы буровзрывных работ до совершенства.Учитывая очень гористую топографию Норвегии и очень длинные фьорды, врезающиеся в сушу, необходимость строительства туннелей под фьордами как для автомобильных, так и для железных дорог имеет большое значение и может значительно сократить время в пути.В Норвегии имеется более 1000 автодорожных туннелей, это больше всего в мире.Кроме того, Норвегия также является домом для бесчисленных гидроэлектростанций с напорными туннелями и шахтами, построенными компанией Drill and Blast.В период с 2015 по 2018 год только в Норвегии было произведено около 5,5 миллионов лет подземной добычи горных пород с помощью буровзрывных работ.Страны Северной Европы усовершенствовали технику буровзрывных работ и исследовали ее технологии и современное состояние по всему миру.Кроме того, в Центральной Европе, особенно в альпийских странах, буровзрывные работы по-прежнему являются конкурентоспособным методом прокладки туннелей, несмотря на большую длину туннелей.Основное отличие от туннелей Nordics заключается в том, что большинство туннелей в Альпах имеют окончательную монолитную бетонную облицовку.
На северо-востоке США и в регионах Скалистых гор условия аналогичны условиям Скандинавии, где твердая порода позволяет экономно использовать буровзрывные работы.Некоторые примеры включают метро Нью-Йорка, туннель Эйзенхауэра в Колорадо и туннель на горе Макдональд в канадских Скалистых горах.
Недавние транспортные проекты в Нью-Йорке, такие как недавно завершенное строительство метро на Второй авеню или проект East Side Access, включали в себя комбинацию туннелей, заминированных TBM, станционных пещер и других вспомогательных помещений, выполненных компанией Drill and Blast.
Использование буровых установок с течением времени превратилось из примитивных ручных дрелей или буровых установок с одной стрелой в компьютеризированные самосверлящие многостреловые установки, в которых схемы бурения вводятся в бортовой компьютер, что позволяет быстро и с высокой точностью бурить до -установить точно рассчитанную схему сверления.(см. рис. 2)
Усовершенствованные буровые установки бывают полностью автоматизированными или полуавтоматическими;в первом случае после завершения бурения сверло автоматически возвращается в исходное положение и перемещается к следующему положению отверстия и начинает бурение без необходимости позиционирования оператором;для полуавтоматических стрел оператор перемещает бур от скважины к скважине.Это позволяет одному оператору эффективно управлять буровыми установками, имеющими до трех стрел, с помощью бортового компьютера.(см. рис. 3)
С разработкой перфораторов ударной мощностью 18, 22, 30 и до 40 кВт и высокочастотных сверл с питателями, вмещающими штанги длиной до 20 футов, а также использованием автоматизированной системы добавления штанг (RAS), продвижение и скорость Скорость бурения значительно улучшилась: фактическая скорость продвижения достигает 18 футов за раунд, а скорость проходки скважины составляет 8–12 футов/мин в зависимости от типа породы и используемого бура.Автоматизированная буровая установка с тремя стрелами может бурить со скоростью 800–1200 футов в час с помощью 20-футовых бурильных штанг.Использование штанг диаметром 20 футов требует определенного минимального размера туннеля (около 25 футов), чтобы можно было пробурить анкера перпендикулярно оси туннеля с использованием того же оборудования.
Недавней разработкой стало использование многофункциональных джамбо, подвешенных к верху туннеля, позволяющих одновременно выполнять несколько функций, таких как бурение и выемка грунта.Джамбо также можно использовать для установки решетчатых балок и торкретирования.Этот подход перекрывает последовательные операции туннелирования, что приводит к экономии времени по расписанию.См. рис. 4.
Использование объемной эмульсии для загрузки скважин из отдельного зарядного грузовика, когда буровая установка используется для нескольких выработок, или в качестве встроенной функции буровой установки, когда выкапывают одну выработку, становится все более распространенным, если только для этого приложения существуют местные ограничения.Этот метод обычно используется в различных регионах мира: одновременно можно заряжать две или три дырки;концентрацию эмульсии можно регулировать в зависимости от того, какие отверстия заряжаются.Вырезанные и нижние отверстия обычно загружаются с концентрацией 100%, тогда как контурные отверстия загружаются с гораздо более низкой концентрацией - около 25%.(см. рис. 5)
При использовании объемной эмульсии необходим бустер в виде бруска фасованной взрывчатки (касюля), который вместе с детонатором вставляется на дно скважины и нужен для воспламенения закачиваемой в скважину объемной эмульсии.Использование объемной эмульсии сокращает общее время зарядки по сравнению с традиционными картриджами, при которых можно загружать 80–100 отверстий/час с помощью загрузочного грузовика, оснащенного двумя загрузочными насосами и корзинами для одного или двух человек для достижения полного поперечного сечения.См. рис.6.
Использование колесных погрузчиков и грузовиков по-прежнему остается наиболее распространенным способом выемки грунта в сочетании с буровзрывными методами для туннелей, имеющих выход на поверхность из штольни.В случае доступа через шахты навоз будет доставляться в основном колесным погрузчиком к шахте, где он будет подниматься на поверхность для дальнейшей транспортировки к месту окончательного захоронения.
Однако использование дробилки на забое туннеля для разрушения более крупных кусков породы и их транспортировки с помощью конвейерной ленты для вывода грязи на поверхность является еще одной инновацией, которая разрабатывалась в Центральной Европе, часто для длинных туннелей через Альпы.Этот метод значительно сокращает время выемки грунта, особенно в длинных туннелях, и исключает использование грузовиков в туннеле, что, в свою очередь, улучшает рабочую среду и снижает необходимую производительность вентиляции.Это также освобождает туннель для бетонных работ.Дополнительным преимуществом является то, что порода такого качества, что ее можно использовать для производства заполнителя.В этом случае щебень можно минимально перерабатывать для других полезных целей, таких как заполнители бетона, железнодорожный балласт или дорожное покрытие.Чтобы сократить время от пескоструйной обработки до нанесения торкрет-бетона, в тех случаях, когда время выдержки может быть проблемой, первоначальный слой торкрет-бетона можно нанести на крышу до того, как будет выполнена грунтовка.
При раскопках больших поперечных сечений в сочетании с плохими горными породами метод буровзрывных работ дает нам возможность разделить забой на несколько заголовков и применить метод последовательных раскопок (SEM) для раскопок.Центральный пилотный курс, за которым следуют расположенные в шахматном порядке боковые штреки, часто используются в SEM при прокладке туннелей, как можно видеть на рис. 7 для раскопок верхнего заголовка станции 86th Street в проекте метро Second Avenue в Нью-Йорке.Верхняя часть была выкопана тремя штреками, а затем были проведены две уступные раскопки, чтобы завершить поперечное сечение пещеры шириной 60 футов и высотой 50 футов.
Чтобы свести к минимуму попадание воды в туннель во время земляных работ, часто используется цементация перед началом земляных работ.В Скандинавии обязательна цементация породы перед выемкой, чтобы удовлетворить экологические требования в отношении утечки воды в туннель и свести к минимуму воздействие строительства на водный режим на поверхности или вблизи поверхности.Заливка цементного раствора перед началом земляных работ может быть выполнена для всего туннеля или для определенных участков, где состояние горных пород и режим грунтовых вод требуют цементации, чтобы уменьшить проникновение воды до управляемого количества, например, в зонах разломов или сдвигов.При выборочной цементации перед выемкой бурят 4-6 зондовых отверстий, и в зависимости от измеренного количества воды из зондовых скважин по отношению к установленному триггеру цементации, цементация будет осуществляться с использованием либо цементных, либо химических растворов.
Обычно веер цементации перед началом земляных работ состоит из 15–40 скважин (длиной 70–80 футов), пробуренных перед забоем и залитых раствором перед началом земляных работ.Количество отверстий зависит от размера туннеля и предполагаемого количества воды.Затем выполняются раскопки, оставляя зону безопасности в 15–20 футов за пределами последнего раунда, когда будут выполнены следующие зондирования и цементация перед раскопками.Использование автоматизированной системы добавления стержней (RAS), упомянутой выше, упрощает и ускоряет бурение скважин для зонда и цементации с производительностью от 300 до 400 футов/час.Требование к цементации перед земляными работами более осуществимо и надежно при использовании буровзрывного метода по сравнению с использованием ТБМ.
Безопасность при прокладке буровзрывных туннелей всегда вызывала серьезную озабоченность и требовала принятия специальных мер безопасности.В дополнение к традиционным проблемам безопасности при прокладке туннелей, при строительстве буровзрывными методами существуют риски, связанные с бурением, загрузкой, окалинообразованием, выемкой грунта и т. д., которые добавляют дополнительные риски безопасности, которые необходимо учитывать и планировать.Благодаря развитию технологий буровзрывных работ и применению подхода к снижению рисков в аспектах безопасности, безопасность при прокладке туннелей за последние годы значительно улучшилась.Например, при использовании автоматизированного бурового оборудования с загруженной на бортовой компьютер схемой бурения никому не нужно находиться перед кабиной буровой установки, что снижает потенциальную подверженность рабочих потенциальным опасностям и, таким образом, увеличивает их безопасность.
Лучшей функцией, связанной с безопасностью, вероятно, является автоматизированная система добавления стержней (RAS).Эта система в основном используется для бурения длинных скважин в связи с предварительной цементацией и бурением зондовых отверстий;расширение бурения может выполняться полностью автоматически из кабины оператора, что исключает риск травм (особенно травм рук);в противном случае добавление стержней производилось вручную, и рабочие подвергались травмам при добавлении стержней вручную.Стоит отметить, что Норвежское туннелестроительное общество (NNF) в 2018 году выпустило публикацию № 27 под названием «Безопасность при буровзрывной прокладке тоннелей в Норвегии».В публикации систематически рассматриваются меры, связанные с охраной труда, безопасностью и охраной окружающей среды при прокладке туннелей с использованием методов буровзрывных работ, а также представлены передовые методы работы для работодателей, мастеров и рабочих, занимающихся строительством туннелей.Публикация отражает современный уровень безопасности буровзрывных работ, и ее можно бесплатно загрузить с веб-сайта Норвежского туннельного общества: http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/
Буровзрывные работы, используемые в правильной концепции, даже для длинных туннелей, с возможностью разделения длины на множество заголовков, по-прежнему могут быть жизнеспособной альтернативой.В последнее время были достигнуты значительные успехи в оборудовании и материалах, что привело к повышению безопасности и эффективности.Хотя механизированная проходка с использованием ТБМ часто более выгодна для длинных тоннелей с постоянным поперечным сечением, однако в случае поломки ТБМ, приводящей к длительной остановке, весь тоннель останавливается, тогда как при буровзрывных работах с несколькими заходками строительство все еще может продвигаться вперед, даже если на одном из направлений возникнут технические проблемы.
Ларс Дженнемир — опытный инженер по строительству туннелей в офисе AECOM в Нью-Йорке.Он имеет большой опыт работы в подземных и туннельных проектах по всему миру, включая Юго-Восточную Азию, Южную Америку, Африку, Канаду и США, в проектах транзита, водоснабжения и гидроэнергетики.Он имеет большой опыт работы в традиционных и механизированных туннелях.Его специальные знания включают строительство каменных туннелей, технологичность и планирование строительства.Среди его проектов: метро Second Avenue, станция 86th St. в Нью-Йорке;продление линии метро № 7 в Нью-Йорке;региональный соединитель и расширение фиолетовой линии в Лос-Анджелесе;Citytunnel в Мальмё, Швеция;гидроэнергетический проект Кукуле-Ганга, Шри-Ланка;Проект гидроэлектростанции Ури в Индии;и Стратегическая схема очистки сточных вод Гонконга.
Время публикации: 01 мая 2020 г.