PODZEMNÍ STAVBY TSM a TBM Ústav geotechniky

STROJNÍ RAŽBA - TSM TSM = angl. Tunnel Sequential Machines = něm. Teilschnittmaschinen Nejčastěji se sem řadí výložníkové frézy, dále i rýpadla (tunelbagry) a impaktory Pohybují se na kolovém, častěji na pásovém podvozku Výložníkové frézy jsou odvozeny ze strojů pro těžbu (uhlí) Na výložníku rotuje axiální nebo příčná řezná hlava (kulová, válcová, kuželová) osazená rozpojovacími nástroji (zuby, dláty, roubíky) Řezná hlava bývá často (pro omezení prašnosti) skrápěna vodou

Výložníkové frézy TSM Pod výložníkem bývají běžně klepetové či diskové nakladače na rubaninu > přes frézu jsou vedeny hřeblové nakladače > za frézou mohou být zavěšeny pásové dopravníky > plnění vozů a odvoz

Výložníkové frézy a impaktor

Razící stroj TSM typ ITC fy Schaeff (Švýcarsko)

Výhody TSM: Nevýhody TSM: Poměrně laciné, nepříliš složité mechanismy Maximální usnadnění práce Šetrné rozpojování horniny s kontrolou nadvýlomů (=> dodržení teoretického výlomu) Ražba profilů různého tvaru Možnost vystrojovat až k čelbě Přirozené zaklenutí čelby v obou směrech: Nevýhody TSM: Vhodné jen do měkkých a středně pevných hornin (σc do 50 [max. 100] MPa) Poněkud nižší postupy Bez skrápění vodou vzniká nadměrná prašnost

U rypadel je nutná dokonalá kinematika nástroje (musí se dostat až do okrajů raženého Ø); současně nakládají rozpojenou horninu. Standardně je lze vybavit různými nástroji – lžicemi, impaktorem, dnes i frézou ap. Impaktory (= těžká bourací kladiva) – dnes běžně pouze jako speciální nástroj nasazený přes adaptér na výložník rypadla, frézy

STROJNÍ RAŽBA - TBM DO TVRDÝCH HORNIN TBM = angl. Tunnel Boring Machines = něm. Tunnelbohrmaschinen Plnoprofilové razící (vrtací) stroje do tvrdých hornin Výrub vrtají mechanicky (bez použití trhavin) na celý Ø Metoda je určena pro zřizování Ø nebo velmi blízkých Ø V současné době zaznamenává metoda velmi dynamický rozvoj (nové typy TBM, výzkum rozpojování horniny velmi vysokou teplotou ap.)

Schéma a pracovní obvody TBM

Rozdělení TBM Podle Ø: Podle konstrukčního uspořádání: Malé - s výrubem Ø ≤ 5 m; pro ražbu průzkumných a vodohospodářských (vodovodních, kanalizačních, odvodňovacích, při VE a PVE ap.) štol a tunelů Střední - s výrubem Ø 5 ÷ 10 m; pro ražbu traťových (příp.) staničních tunelů metra a jednokolejných železničních tunelů Velké - s výrubem > 10 m; pro ražbu silničních, dálničních a dvoukolejných železničních tunelů, řídce i jiných děl Podle konstrukčního uspořádání: TBM bez pláště (= otevřený) TBM s pláštěm - jednoduchým; - dvojitým (= teleskopickým) TBM s rozšiřováním výrubu (s členěním Ø)

Rozdělení TBM podle konstrukčního uspořádání

TBM s pláštěm jsou velmi blízké mechanizovaným štítům Rozdíl mezi TBM a štítem: vrtací hlava TBM vytváří otvor většího Ø než plášť; ten se do předvrtaného otvoru zatahuje (či zasouvá). U mechanizovaného štítu hlava rozpojuje zeminu pod přímou ochranou pláště, který je do zeminy trvale zatlačován a tak odpovídá Ø ražení Vrtné hlavy TBM bývají osazeny převážně rotujícími diskovými dláty; oproti tomu vrtné hlavy štítů jsou vybaveny obvykle loupacími dláty TBM moderních konstrukcí lze v případě potřeby přestavět na mechanizované štíty a rozdíl se tím smazává TBM s rozšířením výrubu jsou určeny pro proměnné geologické podmínky resp. pro velké Ø

Vrtací hlava – může být plošně uzavřená nebo otevřená (tvořená víceramenným křížem ). Na hlavě jsou osazeny rozpojovací nástroje – převážně valivá disková dláta s řeznou hranou z kalené oceli nebo (častěji) z tvrdokovu; ta se odvalují pod velkým přítlakem a rozpojují horninu kombinací příčného tahu a soustředného tlaku

Mechanismus rozpojování horniny valivým diskovým dlátem; koncentrické dráhy dlát na čele:

Skutečná rychlost postupu = podstatně nižší v důsledku: Teoretická rychlost postupu vrtání = několik m/hod (= několik set až mnoho set m/měsíc [B. Štiavnica NOŠ až 800 m/měsíc při Ø 326 cm]) Skutečná rychlost postupu = podstatně nižší v důsledku: Nutnosti odsouvat značné kubatury rubaniny Nutnosti přemísťování stroje při postupu vrtání [posun a přestavování „bačkor“ systémem stůj-popojdi] Nutnosti údržby a oprav stroje a především výměny dlát na vrtací hlavě Případného zajišťování výrubu (A to vše při návěsu dlouhém až 150 – 200 m!)

TBM bez pláště = otevřený: Obsluha stroje je chráněna stříškou TBM bez pláště = otevřený: Obsluha stroje je chráněna stříškou. Středem vede pásový dopravník na který se rubanina nahrnuje obvodovými lopatkami při rotaci hlavy cca 14÷16 ot/min. Vrtání musí být přerušeno při přestavě bačkor

TBM bez pláště = otevřený

TBM s jednoduchým pláštěm – nemá vlastní bačkory TBM s jednoduchým pláštěm – nemá vlastní bačkory. Velmi podobný mechanizovanému štítu. Pracuje cyklicky. Obezdívka je standardně prováděna ze ŽB dílců. Snížená rychlost ražení. Určen do variabilní geologie

TBM s dvojitým (teleskopickým) pláštěm – může pracovat i bez stavění výztuže (má vlastní bačkory), vrtání i zřizování montované obezdívky mohou probíhat souběžně. Pokud není hornina dostatečně stabilní pro opření bačkor, pracuje jako TBM s jednoduchým pláštěm

TBM s rozšiřováním průřezu – standardně jednostupňovým TBM s rozšiřováním průřezu – standardně jednostupňovým. Nevýhoda dvojnásobného průchodu profilem je kompenzována: Možností bezprostředního průzkumu Předstihovým zabezpečením nestabilních úseků příp. rozšířením takového úseku jiným postupem Větráním a odvodněním pro následnou ražbu velkého tunelu Možností předstihového vyražení komplikovaných objektů v trase (komíny, šachty, kaverny) rozfáráním ze směrové štoly Vestavěním výstroje bezprostředně za kratší zatahovanou vrtnou hlavou Takový TBM může mít při většině stejných agregátů vrtnou hlavu výměnnou (v rozpětí Ø až 3÷4 m)

TBE = Tunnel- BohrErweiterungs- maschine

Uetliberg Tunnel - Zürich

TBE – Uetliberg (Švýcarsko)

Výhody TBM: Obvykle je cca až 3x rychlejší než konvenční tunelování (jako speciální štít – viz dále) Minimální narušení okolního masívu ražbou „Nepřerušovaný“ cyklus ražení (24 hod/den; 7 dnů v týdnu); ovšem s řadou omezení (údržba stroje, výměna nástrojů, odsun rubaniny, hygienické limity etc.) Možnost budování ostění pod ochranou návěsu a zařízením v návěsu umístěným

Nevýhody TBM: Možnost pouze Ø, nebo Ø velmi blízkého Malá flexibilita při nasazení v rozdílných horninách (běžně se stroj staví „na míru“ dané lokality). Mohou vzniknout potíže v blízkosti silně kolísavé báze kvartéru (Singapur)! Nutnost dobré kvality horniny (při její nízké kvalitě hrozí zavalení hlavy, povolení horniny při rozepření bačkor, zaboření vrtné hlavy ap.) Vysoká až velmi vysoká pořizovací cena (ta bývá, podle Ø stroje, v řádu 10. až [mnoha] 100. mil. Kč) U bačkor při ražbě Chunnelu vznikaly při jejich upínání poruchy v bocích, muselo být použito rozpínané ostění, přičem vznikla nutnost přestavět komplexy za cca 400 mil. US $!!!

Pohon: elektrický o VN Doprava rubaniny a materiálu: rubanina z vrtné hlavy > dopravníkový pás; materiál uvnitř návěsu > visutá drážka; v návěsu a z tunelu kolejová (lokomotiva + vozy); Některé TBM (s jednoduchým či dvojitým pláštěm) umí i zatáčet (některé speciální konstrukce i ve velmi malých poloměrech) Navržen TBM Ø:

Návrh TBM two + two face pro tlamový Ø:

Vereina linie (Švýcarsko) – Zugwald tunel dl. 2,1 km Vereina linie (Švýcarsko) – Zugwald tunel dl. 2,1 km. Ø 7,64 m (Ø výlomu 46 m2). Hmotnost TBM 700 t; hmotnost návěsu 250 t. Celková dl. stroje 210 m; el. přípojka 4 200 kW; přítlak hlavy 21 000 kN, na hlavě 57 valivých dlát; výkon výlomu = výkonu dopravníkového pásu = 500 m3/hod

TBM pro ražbu tunelu v jižní části bázového tunelu Lötschberg: Ø 9,43 m; 60 diskových dlát; přítlak 16 000 kN; až 6 ot/min; výkon 3 500 kW; dl. s návěsem 142 m; projektovaná rychlost ražby 25 m/den Nejlepší výkon k 30. 5. 2002: 40,5 m/den