Tunnelborrmaskin

En av de tråkiga maskinerna som används för kanaltunneln mellan Frankrike och Storbritannien
En tunnelborrmaskin som användes för att gräva ut Gotthard Base Tunnel, Schweiz, världens längsta järnvägstunnel
En tunnelborrmaskin som användes vid Yucca Mountains kärnavfallsförvar

En tunnelborrmaskin ( TBM ), även känd som en "mullvad", är en maskin som används för att gräva ut tunnlar med ett cirkulärt tvärsnitt genom en mängd olika jord- och bergskikt . De kan också användas för mikrotunnelering . De kan utformas för att borra genom hårda stenar, våt eller torr jord eller sand . Tunneldiametrar kan sträcka sig från en meter (3,3 fot) (mikro-TBM) till 17,6 meter (58 fot) hittills. Tunnlar som är mindre än en meter eller så i diameter görs vanligtvis med hjälp av dikesfria konstruktionsmetoder eller horisontell riktningsborrning snarare än TBM. TBM:er kan utformas för att gräva ut icke-cirkulära tunnlar, inklusive u-formade, hästsko, fyrkantiga eller rektangulära tunnlar.

Tunnelborrmaskiner används som ett alternativ till borr- och sprängningsmetoder (D&B) i berg och konventionell "handbrytning" i jord. TBM:er har fördelarna att de begränsar störningen av den omgivande marken och ger en jämn tunnelvägg. Detta minskar avsevärt kostnaderna för att fodra tunneln och gör dem lämpliga att använda i stadsområden. Den stora nackdelen är den initiala kostnaden. TBM är dyra att konstruera och kan vara svåra att transportera. Ju längre tunneln är, desto mindre blir den relativa kostnaden för tunnelborrmaskiner jämfört med borr- och sprängningsmetoder. Detta beror på att tunnling med lämpliga TBM:er är mycket effektivare och förkortar färdigställandetiderna. Borrning och sprängning förblir dock den föredragna metoden vid arbete genom kraftigt spruckna och klippta berglager.

Historia

Skärsköld som används för den nya Elbe-tunneln
Ovanifrån av en modell av TBM som används på Gotthard Base Tunnel
Tittar mot skärskölden vid de hydrauliska domkrafterna
Ett skärhuvud för tunnelborrning sänks under jorden för byggandet av Sydney Metro


Den första framgångsrika tunnelskölden utvecklades av Sir Marc Isambard Brunel för att gräva ut Thames-tunneln 1825. Detta var dock bara uppfinningen av sköldkonceptet och innebar inte konstruktionen av en komplett tunnelborrmaskin, grävningen måste fortfarande göras åstadkoms med dåvarande standardutgrävningsmetoder.

Den första borrmaskinen som rapporterades ha byggts var Henri Maus Mountain Slicer . På uppdrag av kungen av Sardinien 1845 att gräva Fréjus järnvägstunnel mellan Frankrike och Italien genom Alperna , lät Maus bygga den 1846 i en vapenfabrik nära Turin . Den bestod av mer än 100 slagborrar monterade i fronten av en maskin av lokomotivstorlek, mekaniskt driven från ingången till tunneln. Revolutionerna 1848 påverkade finansieringen, och tunneln färdigställdes inte förrän 10 år senare, genom att använda mindre innovativa och billigare metoder som pneumatiska borrar .

I USA användes den första borrmaskinen som byggdes 1853 under byggandet av Hoosac-tunneln i nordvästra Massachusetts. Tillverkad av gjutjärn, var den känd som Wilsons patenterade stenskärningsmaskin, efter uppfinnaren Charles Wilson. Den borrade 10 fot in i berget innan den gick sönder. (Tunneln färdigställdes så småningom mer än 20 år senare, och precis som med Fréjus Rail Tunnel, genom att använda mindre ambitiösa metoder.) Wilsons maskin förutsåg moderna TBM i den meningen att den använde kapskivor, som de av en tallriksharv, som var fäst vid maskinens roterande huvud. I motsats till traditionell mejsling eller borrning och sprängning, förlitade sig denna innovativa metod för att ta bort sten på enkla metallhjul för att applicera ett övergående högt tryck som spräckte berget.

1853 patenterade amerikanen Ebenezer Talbot också en TBM som använde Wilsons skärskivor, även om de var monterade på roterande armar, som i sin tur var monterade på en roterande platta. På 1870-talet byggde John D. Brunton från England en maskin som använde kapskivor som var monterade excentriskt på roterande plattor, som i sin tur monterades excentriskt på en roterande platta, så att kapskivorna skulle färdas över nästan hela bergytan som skulle tas bort.

Den första TBM som tunnlade en betydande sträcka uppfanns 1863 och förbättrades 1875 av brittiska arméns officer Major Frederick Edward Blackett Beaumont (1833–1895); Beaumonts maskin förbättrades ytterligare 1880 av brittiska arméns officer Major Thomas English (1843–1935). 1875 godkände den franska nationalförsamlingen byggandet av en tunnel under Engelska kanalen och det brittiska parlamentet stödde en provkörning med engelskas TBM. Dess skärhuvud bestod av ett koniskt borrskär bakom vilket var ett par motsatta armar på vilka det var monterade skärskivor. Från juni 1882 till mars 1883 tunnlade maskinen, genom krita, totalt 1 840 m (6 036 fot). En fransk ingenjör, Alexandre Lavalley , som också var en entreprenör vid Suezkanalen , använde en liknande maskin för att borra 1 669 m (5 476 fot) från Sangatte på den franska sidan. Men trots denna framgång övergavs tunnelprojektet över kanalen 1883 efter att den brittiska militären väckte farhågor om att tunneln skulle kunna användas som en invasionsväg. Ändå, 1883, användes denna TBM för att bära en järnvägsventilationstunnel - 7 fot (2,1 m) i diameter och 6 750 fot (2 km) lång - mellan Birkenhead och Liverpool , England, genom sandsten under Merseyfloden .

Under det sena 1800-talet och början av 1900-talet fortsatte uppfinnarna att designa, bygga och testa TBM:er som svar på behovet av tunnlar för järnvägar, tunnelbanor, avlopp, vattenförsörjning, etc. TBM:er som använder roterande uppsättningar av borrar eller hammare patenterades. TBM som liknade gigantiska hålsågar föreslogs. Andra TBM:er bestod av en roterande trumma med metallpinnar på dess yttre yta, eller en roterande cirkulär platta täckt med tänder, eller roterande remmar täckta med metalltänder. Dessa TBM visade sig dock vara dyra, besvärliga och oförmögna att gräva ut hård sten; intresset för TBM minskade därför. Ändå fortsatte TBM-utvecklingen i kaliumklorid och kolgruvor, där berget var mjukare.

En TBM med en håldiameter på 14,4 m (47 fot 3 tum) tillverkades av The Robbins Company för Kanadas Niagara Tunnel Project . Maskinen användes för att borra en vattenkraftstunnel under Niagara Falls . Maskinen fick namnet "Big Becky" med hänvisning till Sir Adam Becks vattenkraftsdammar till vilka den tunnlade för att ge en extra vattenkraftstunnel.

En jordtrycksbalans TBM känd som Bertha med en borrdiameter på 17,45 meter (57 ft 3 in) producerades av Hitachi Zosen Corporation 2013. Den levererades till Seattle , Washington , för dess Highway 99-tunnelprojekt . Maskinen började fungera i juli 2013, men stannade i december 2013 och krävde omfattande reparationer som stoppade maskinen fram till januari 2016. Bertha slutförde borrningen av tunneln den 4 april 2017.

Två TBM:s levererade av CREG grävde ut två tunnlar för Kuala Lumpurs Rapid Transit med en borrdiameter på 6,67m. Mediet var vattenmättad sandig lersten, schistos lersten, starkt väderbiten lersten samt alluvium. Den uppnådde en maximal förskottshastighet på mer än 345 miljoner per månad.

Världens största hårdrocks -TBM, känd som Martina , byggdes av Herrenknecht AG . Dess utgrävningsdiameter var 15,62 m (51 fot 3 tum), total längd 130 m (430 fot); schaktarea 192 m 2 (2 070 sq ft), dragkraft 39 485 t, totalvikt 4 500 ton, total installerad effekt 18 MW. Dess årliga energiförbrukning var cirka 62 miljoner kWh. Det ägs och drivs av det italienska byggföretaget Toto SpA Costruzioni Generali (Toto Group) för Sparvo-galleriet på det italienska motorvägspasset A1 ("Variante di Valico A1"), nära Florens. Samma företag byggde världens slurry TBM med största diameter, schaktdiameter på 17,6 meter (57 fot 9 tum), som ägs och drivs av det franska byggföretaget Dragages Hong Kong (Bouygues dotterbolag) för Tuen Mun Chek Lap Kok-länken i Hong Kong Kong.

Typer

Moderna TBM:er består vanligtvis av det roterande skärhjulet, som kallas ett skärhuvud, följt av ett huvudlager, ett trycksystem och släpande stödmekanismer. Vilken typ av maskin som används beror på projektets speciella geologi, mängden grundvatten som finns och andra faktorer.

Hårdrock TBMs

Stödstrukturerna på baksidan av en TBM. Denna maskin användes för att gräva ut huvudtunneln i Yucca Mountains kärnavfallslager i Nevada.
Hydrauliska domkrafter som håller en TBM på plats

I hårt berg kan antingen skärmade eller öppen typ TBM användas. Hårdsten TBM skär berg med skivor monterade i skärhuvudet. Skivskärarna skapar tryckspänningssprickor i berget och spricker spån från tunnelytan. Den utgrävda stenen (muck) överförs genom öppningar i skärhuvudet till en bandtransportör som för den genom maskinen till ett system av transportörer eller smutsvagnar.

TBM:er av öppen typ har ingen sköld, vilket lämnar området bakom skärhuvudet öppet för stenstöd. För att avancera använder maskinen ett gripsystem som trycker mot tunnelväggarna. Maskiner som en Wirth-maskin kan endast styras utan grepp. Andra maskiner kan styras kontinuerligt. När den grips trycker maskinen framåt. I slutet av en cykel sänks de bakre benen, medan gripdonen och drivcylindrarna dras in och maskinen går framåt. Griparna kopplas sedan in igen och de bakre benen lyfts för nästa tråkiga cykel.

Maskiner med öppen typ eller helljus installerar inte betongsegment bakom. Istället hålls berget uppe med markstödmetoder som ringbalkar, bergbultar, sprutbetong , stålband, ringstål och trådnät.

I sprickat berg kan skärmade TBM användas. De sätter upp betongsegment bakom maskinen för att stödja tunnelväggar. Double Shield TBM har två lägen; i stabil mark tar de tag i tunnelväggarna för att avancera. I instabilt, sprucket underlag skiftas dragkraften till dragcylindrar som trycker mot tunnelsegmenten bakom maskinen. Detta hindrar dragkrafterna från att träffa ömtåliga tunnelväggar. Single Shield TBM fungerar på samma sätt, men används endast i sprucken mark, eftersom de bara kan trycka mot betongsegment.

TBM:er med mjuk mark

Tunnelborrmaskin på platsen för Weinberg-tunneln Altstetten-Zürich-Oerlikon nära Zürich Oerlikon järnvägsstation
Urban installation för ett 84-tums avlopp i Chicago, IL, USA

I mjuk mark är de tre huvudtyperna av TBM:er: Earth Pressure Balance Machines (EPB), Slurry Shield (SS) och open-face. Båda typerna av slutna maskiner fungerar som Single Shield TBM:er, och använder tryckcylindrar för att avancera genom att trycka av mot betongsegment. EPB-maskiner används i mjuk mark med mindre än 7 bars tryck. Skärhuvudet använder en kombination av hårdmetallskärbitar , hårdmetallskärar, draghakar och/eller hårda skivskärare. EPB-maskinens namn kommer från användningen av schaktmaterial för att skapa tryck vid tunnelytan. Trycket upprätthålls genom att styra utvinningshastigheten för avfallet (med en Archimedes-skruv ) och frammatningshastigheten. Tillsatser som bentonit , polymerer och skum kan injiceras framför ytan för att öka markstabiliteten. Tillsatser kan injiceras i skärhuvudet/extraktionsskruven för att säkerställa att bytet förblir tillräckligt sammanhängande för att bilda en plugg i skruven för att upprätthålla trycket och begränsa vattenflödet.

I mjuk mark med högt vattentryck eller där markförhållandena är granulära (sand och grus) så att en plugg inte kan bildas i skruven, används Slurry Shield TBM. Skärhuvudet är fyllt med trycksatt slurry som applicerar hydrostatiskt tryck på schaktytan. Uppslamningen fungerar som transportmedium genom att blandas med det schaktade materialet innan det pumpas ut ur skärhuvudet till en flytgödselsepareringsanläggning, vanligtvis utanför tunneln. Slamsepareringsanläggningar är flerstegsfiltreringssystem som separerar skräp från slurryn för att möjliggöra återanvändning. Gränsen till vilken slurry kan "rensas" beror på den relativa partikelstorleken hos det schaktade materialet. Slurry TBM är inte lämpliga för silt och lera eftersom partikelstorleken på bytet är mindre än den hos bentonitleran som slurryn är gjord av. I detta fall separeras slurryn i vatten som kan återvinnas och en lerkaka, som kan vara förorenad, som pressas ur vattnet.

TBM med öppen yta i mjuk mark förlitar sig på att den utgrävda markens yta står upp utan stöd under ett kort intervall. Detta gör dem lämpliga för användning i bergarter med en styrka på upp till 10MPa eller så, och med låga vatteninflöden. Ansiktsstorlekar överstigande 10 meter kan grävas ut på detta sätt. Ansiktet grävs ut med hjälp av en backactor-arm eller ett skärhuvud till inom 150 mm från kanten av skölden. Skölden domkrafts framåt och fräsar på framsidan av skölden skär den återstående marken till samma cirkulära form. Markstöd tillhandahålls av prefabricerade betong, eller ibland sfäroidal grafitjärn (SGI) som bultas eller stöds tills en full stödring har rests. Ett sista segment, som kallas nyckeln, är kilformat och expanderar ringen tills den är tätt mot det cirkulära snittet av marken som lämnas kvar.

Medan användningen av TBM:er lindrar behovet för ett stort antal arbetare att arbeta vid högt tryck , bildas ibland ett caissonsystem vid skärhuvudet för TBM:er för slurrysköld. Arbetare som går in i detta utrymme för inspektion, underhåll och reparation måste vara medicinskt godkända som "dykfärdiga" (för att överleva det förhöjda trycket) och tränas i driften av låsen.

Herrenknecht AG designade en 19,25 m (63 fot 2 tum) mjuk mark TBM för Orlovski-tunneln, ett projekt i Sankt Petersburg , men den byggdes aldrig.

Mikrotunnelsköldmetod

Mikrotunnelskyddsmetoden är en grävningsteknik som används för att bygga små tunnlar, och är en mindre motsvarighet till en allmän tunnelsköld . Mikrotunnelborrmaskiner är ganska lika allmänna tunnelsköldar, men i mindre skala. De varierar i allmänhet från 1 till 1,5 m (3,3 till 4,9 fot), för små för operatörer att gå i.

Backup-system

Bakom alla typer av tunnelborrmaskiner, i den färdiga delen av tunneln, finns släpstöddäck som kallas backup-systemet, vars mekanismer kan inkludera transportörer eller andra system för att avlägsna smuts; slurryledningar (om tillämpligt) ; kontrollrum; elektriska system, dammborttagning och ventilationssystem; och mekanismer för transport av förgjutna segment.

Urban tunnel och tunnel nära ytan

Stadstunnelarbeten har det särskilda kravet att ytan förblir ostörd och att marksättningar undviks . Den normala metoden att göra detta i mjuk mark är att upprätthålla marktrycket under och efter byggnationen.

TBM med positiv ansiktskontroll, såsom jordtrycksbalans (EPB) och slurry shield (SS), används i sådana situationer. Båda typerna (EPB och SS) kan minska risken för ytsättningar och hålrum om markförhållandena är väl dokumenterade. Vid tunnling i stadsmiljö ska andra tunnlar, befintliga bruksledningar och djupa grundläggningar beaktas och projektet ska inrymma åtgärder för att mildra eventuella skadliga effekter på annan infrastruktur. [ citat behövs ]

Se även

Anteckningar

  •   Bagust, Harold (2006). Det större geni?: en biografi om Marc Isambard Brunel . Ian Allan förlag. ISBN 0-7110-3175-4 .
  • Bancroft, George J. (1908) "A history of the tunnel boring machine," Mining Science , sid. 58, 65–68 , 85–88, 106–108, 125–127, 145–146, 165–167
  • Drickare, Henry Sturgis. Avhandling om explosiva föreningar, maskinborrning och sprängning av berg (New York, New York: J. Wiley & Sons, 1883), s. 191-194.
  • Hemphill, Gary B. Practical Tunnel Construction (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2013), Kapitel 7: Tunnelborrmaskiner: Tunnelborrmaskinens historia.
  •   Maidl, Bernhard; Schmid, Leonhard; Ritz, Willy; Herrenknecht, Martin (2008). Hardrock Tunnel Borrmaskiner . Ernst & Sohn. ISBN 978-3-433-01676-3 .
  • Stack, Barbara, "Encyclopaedia of Tunnelling, Mining, and Drilling Equipment", 1995.
  • West, Graham. Innovation and the Rise of the Tunneling Industry (Cambridge, England: Cambridge University Press, 1988), Kapitel 11: Tunnelmaskiner för hård berg.

Vidare läsning

  • Barton, Nick (2000). TBM-tunnling i skarvat och förkastat berg . Rotterdam: Balkema.
  • Bilger, Burkhard (15 september 2008). "The Long Dig: Att ta sig igenom de schweiziska alperna den hårda vägen". New Yorkern .
  • Foley, Amanda (maj 2009). "Livet på spetsen: Dick Robbins". Tunnels & Tunneling International .

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Tunnel_boring_machine&oldid=1144935980 "