Tunnelboremaskine - Tunnel boring machine
.jpg)
En tunnelboremaskine ( TBM ), også kendt som en "muldvarp", er en maskine, der bruges til at udgrave tunneler med et cirkulært tværsnit gennem forskellige jord- og stenlag . De kan også bruges til mikrotunnel . De kan designes til at bore igennem alt fra hård sten til sand . Tunneldiametre kan variere fra en meter (3,3 fod) (udført med mikro-TBM) til 17,6 meter (58 fod) til dato. Tunneler på mindre end en meter eller deromkring i diameter udføres typisk ved hjælp af skyttegravsløse konstruktionsmetoder eller vandret retningsboring frem for TBM'er. TBM'er kan også designes til at udgrave ikke-cirkulære tunneler, herunder u-formede eller hestesko og firkantede eller rektangulære tunneler.
Tunnelboremaskiner bruges som et alternativ til boring og sprængning (D&B) metoder i sten og konventionel "håndudvinding" i jord. TBM'er har fordelene ved at begrænse forstyrrelsen til den omgivende jord og producere en glat tunnelvæg. Dette reducerer omkostningerne ved foring af tunnelen betydeligt og gør dem velegnede til brug i stærkt urbaniserede områder. Den største ulempe er omkostningerne i forvejen. TBM'er er dyre at konstruere og kan være svære at transportere. Jo længere tunnelen er, desto mindre er de relative omkostninger ved tunnelboremaskiner versus bor- og sprængningsmetoder. Dette skyldes, at tunneling med TBM'er er meget mere effektiv og resulterer i forkortede færdiggørelsestider, forudsat at de fungerer med succes. Boring og sprængning er imidlertid fortsat den foretrukne metode, når der arbejdes gennem stærkt brudte og forskårne stenlag.
Historie
Det første vellykkede tunnelskærm blev udviklet af Sir Marc Isambard Brunel til udgravning af Thames Tunnel i 1825. Dette var imidlertid kun opfindelsen af skjoldkonceptet og indebar ikke konstruktion af en komplet tunnelboremaskine, graven skulle stadig være opnået ved de daværende standardgravemetoder.
Den første kedelige maskine, der blev rapporteret at være blevet bygget, var Henri-Joseph Maus's Mountain Slicer . I bestilling af kongen af Sardinien i 1845 til at grave Fréjus -jernbanetunnelen mellem Frankrig og Italien gennem Alperne lod Maus den bygge i 1846 i en våbenfabrik nær Turin . Den bestod af mere end 100 slagboremaskiner monteret foran på en maskine i lokomotivstørrelse, mekanisk kraftdrevet fra tunnelens indgang. De Revolutionerne i 1848 påvirket finansiering, og tunnelen blev først afsluttet 10 år senere, ved at bruge mindre innovative og billigere metoder såsom pneumatiske boremaskiner .
I USA blev den første kedelige maskine, der blev bygget, brugt i 1853 under opførelsen af Hoosac -tunnelen i det nordvestlige Massachusetts. Lavet af støbejern, det var kendt som Wilsons patenterede stenskæremaskine efter opfinder Charles Wilson. Den borede 10 fod ned i klippen, før den brød ned. (Tunnelen blev til sidst færdiggjort mere end 20 år senere, og som med Fréjus -jernbanetunnelen ved at bruge mindre ambitiøse metoder.) Wilsons maskine forventede moderne TBM'er i den forstand, at den anvendte skæreskiver, ligesom dem i en skiveharve , som var fastgjort til maskinens roterende hoved. I modsætning til traditionel mejsning eller boring og sprængning, var denne innovative metode til fjernelse af sten afhængig af simple metalhjul for at anvende et forbigående højt tryk, der sprængte klippen.
Også i 1853 patenterede den amerikanske Ebenezer Talbot også en TBM, der anvendte Wilsons skæreskiver, selvom de var monteret på roterende arme, som igen var monteret på en roterende plade. I 1870'erne byggede John D. Brunton fra England en maskine med skæreskiver, der blev monteret excentrisk på roterende plader, som igen blev monteret excentrisk på en roterende plade, så skæreskiverne ville bevæge sig over næsten hele klippefladen, der skulle fjernes.
Den første TBM, der tunnelede en betydelig afstand, blev opfundet i 1863 og forbedret i 1875 af den britiske hærofficer major Frederick Edward Blackett Beaumont (1833–1895); Beaumonts maskine blev yderligere forbedret i 1880 af den britiske hærs officer Major Thomas English (1843–1935). I 1875 godkendte den franske nationalforsamling opførelsen af en tunnel under Den Engelske Kanal, og det britiske parlament tillod en prøvekørsel; Major English's TBM blev valgt til projektet. Skærehovedet på engelske TBM bestod af en konisk borekrone, bag hvilken der var et par modstående arme, hvorpå der var monteret skæreskiver. Fra juni 1882 til marts 1883 tunnellerede maskinen gennem kridt i alt 6,036 fod (1,84 km). En fransk ingeniør, Alexandre Lavalley , der også var Suez Canal -entreprenør , brugte en lignende maskine til at bore 1.669 m fra Sangatte på den franske side. På trods af denne succes blev tunnelprojektet på tværs af Kanal imidlertid opgivet i 1883, efter at det britiske militær rejste frygt for, at tunnelen kunne bruges som en invasionsrute. Ikke desto mindre blev denne TBM i 1883 brugt til at bære en jernbaneventilationstunnel - 2,1 m i diameter og 6 km lang - mellem Birkenhead og Liverpool , England, gennem sandsten under Mersey -floden .
I slutningen af det 19. og begyndelsen af det 20. århundrede fortsatte opfinderne med at designe, bygge og teste TBM'er som reaktion på behovet for tunneler til jernbaner, undergrundsbaner, kloakker, vandforsyninger osv. TBM'er, der anvender roterende arrays af bor eller hamre, blev patenteret. TBM'er, der lignede kæmpe hulsave, blev foreslået. Andre TBM'er bestod af en roterende tromle med metaltænder på den ydre overflade eller en roterende cirkulær plade dækket med tænder eller roterende remme dækket med metaltænder. Alle disse TBM viste sig imidlertid at være dyre, besværlige og ude af stand til at udgrave hård sten; interessen for TBM faldt derfor. Ikke desto mindre fortsatte udviklingen af TBM i kalium- og kulminer, hvor klippen var blødere.
En TBM med en boringsdiameter på 14,4 m (47 ft 3 in) blev fremstillet af The Robbins Company til Canadas Niagara Tunnel Project . Maskinen blev brugt til at bore en vandkraft tunnel under Niagara Falls . Maskinen blev navngivet "Big Becky" med henvisning til Sir Adam Beck vandkraftdæmninger, som den tunnellerer til for at give en ekstra vandkrafttunnel.
En jordtryksbalance TBM kendt som Bertha med en diameter på 17,45 meter (57 ft 3 in) blev produceret af Hitachi Zosen Corporation i 2013. Den blev leveret til Seattle , Washington , til sit Highway 99 tunnelprojekt . Maskinen begyndte at fungere i juli 2013, men gik i stå i december 2013 og krævede betydelige reparationer, der stoppede maskinen indtil januar 2016. Bertha gennemførte boringen af tunnelen den 4. april 2017.
Malaysias hovedstad Kuala Lumpur øger konstant sit Mass Rapid Transit underjordiske netværk. To tunnelboremaskiner leveret af CREG har udgravet to tunneler med en kedelig diameter på 6,67 m i vandmættet sandet muddersten, skistose muddersten, stærkt forvitret mudder samt alluvium med en maksimal forskudshastighed på mere end 345 m/måned.
Verdens største hardrock TBM, kendt som Martina , (udgravningsdiameter på 15,62 m (51 ft 3 in), samlet længde 130 m (430 ft); udgravningsareal på 192 m 2 (2.070 sq ft), trykværdi 39.485 t, totalvægt 4.500 tons, samlet installeret kapacitet 18 MW; årligt energiforbrug omkring 62 millioner kWh) blev bygget af Herrenknecht AG . Det ejes og drives af det italienske entreprenørfirma Toto SpA Costruzioni Generali (Toto Group) til Sparvo -galleriet på det italienske motorvejspass A1 ("Variante di Valico A1"), nær Firenze. Det samme selskab byggede verdens største gylle TBM med udgravningsdiameter på 17,6 meter, ejet og drevet af det franske byggefirma Dragages Hong Kong (Bouygues 'datterselskab) til forbindelsen Tuen Mun Chek Lap Kok i Hong Kong .
Beskrivelse
Moderne TBM'er består typisk af det roterende skærehjul, kaldet et skærehoved, efterfulgt af et hovedleje, et tryksystem og bageste støttemekanismer. Den anvendte maskintype afhænger af projektets særlige geologi, mængden af grundvand til stede og andre faktorer.
Hard rock TBM'er
I hård rock kan enten afskærmede eller åbne TBM'er bruges. Hård sten TBM udgraver sten med skiveskærere monteret i skærehovedet. Skivefræser skaber trykbelastningsbrud i klippen, hvilket får den til at spåner væk fra tunnelfladen. Den udgravede sten (muck) overføres gennem åbninger i skærehovedet til en båndtransportør, hvor den løber gennem maskinen til et system af transportbånd eller muckbiler til fjernelse fra tunnelen.
Åbne TBM'er har ingen skjold, hvilket efterlader området bag skærehovedet åbent for stenstøtte. For at komme videre bruger maskinen et gribersystem, der skubber mod tunnelvæggene. Ikke alle maskiner kan kontinuerligt styres, mens gribersko skubber på væggene, som med en Wirth -maskine, som kun styrer, mens den ikke er klippet. Maskinen vil derefter skubbe fremad fra griberne og få tryk. Ved afslutningen af et slag sænkes maskinens bagben, griberne og drivcylindrene trækkes tilbage. Tilbagetrækningen af drivcylindrene genplacerer gribeenheden til den næste kedecyklus. Griberne forlænges, bagbenene løftes, og kedeligt genoptages. Den åbne type eller hovedstråle, TBM installerer ikke betonsegmenter bagved med andre maskiner. I stedet holdes klippen op ved hjælp af jordstøttemetoder såsom ringbjælker, stenbolte , sprøjtebeton , stålremme , ringstål og trådnet.
I brudt sten kan der bruges afskærmede hardrock -TBM'er, som rejser betonsegmenter for at understøtte ustabile tunnelvægge bag maskinen. Double Shield TBM'er har to tilstande; i stabil jord griber de fat i tunnelvæggene for at rykke frem. I ustabilt, brudt underlag flyttes kraften til trykcylindre, der skubber mod tunnelsegmenterne bag maskinen. Dette forhindrer, at trykstyrkerne påvirker skrøbelige tunnelvægge. Single Shield TBM'er fungerer på samme måde, men bruges kun i brudt underlag, da de kun kan skubbe mod betonsegmenterne.
Blød grund TBM'er
I blødt terræn er der tre hovedtyper af TBM'er: Earth Pressure Balance Machines (EPB), Slurry Shield (SS) og open-face type. Begge typer lukkede maskiner fungerer som Single Shield TBM'er og bruger trykcylindre til at rykke fremad ved at skubbe ud mod betonsegmenter. Jordens trykbalancemaskiner bruges i blødt underlag med mindre end 7 bar tryk. Skærehovedet bruger ikke kun skivefræsere, men derimod en kombination af wolframcarbidskær , hårdmetalskiver, trækplukkere og/eller hårde skiveskærere. EPB får sit navn, fordi det bruger det udgravede materiale til at afbalancere trykket ved tunnelfladen. Trykket opretholdes i skærehovedet ved at styre udvindingshastigheden af ødelæggelse gennem Archimedes -skruen og fremføringshastigheden. Tilsætningsstoffer som bentonit , polymerer og skum kan injiceres foran ansigtet for at øge stabiliteten af jorden. Tilsætningsstoffer kan også injiceres i skærehovedet/ekstraktionsskruen for at sikre, at byttet forbliver tilstrækkeligt sammenhængende til at danne en prop i Archimedes -skruen for at opretholde tryk i skærehovedet og begrænse vand, der strømmer igennem.
I blød jord med meget højt vandtryk eller hvor jordforholdene er granulære (sand og grus) så meget, at der ikke kunne dannes en prop i Archimedes -skruen, er Slurry Shield TBM'er nødvendige. Skærehovedet er fyldt med gylle under tryk, som påfører udgravningsfladen hydrostatisk tryk. Gyllen fungerer også som transportmedium ved at blande med det udgravede materiale, før den pumpes ud af skærehovedet tilbage til et gylleudskillelsesanlæg, normalt uden for tunnelen. Gylleseparationsanlæg er flertrinsfiltreringssystemer, der fjerner ødelæggelsespartikler fra gyllen, så den kan genbruges i byggeprocessen. Grænsen for hvilken gylle kan 'renses' afhænger af partikelstørrelsen af det udgravede materiale. Af denne grund er gylle -TBM'er ikke egnede til silte og ler, da byttet er mindre end byttet af bentonitleret, hvoraf gyllen fremstilles. I dette tilfælde adskilles gyllen i vand, som kan genbruges, og en lerkage, som kan være forurenet, presses fra vandet.
Åbne overflade TBM'er i blødt terræn er afhængige af, at overfladen af jorden, der graves, vil stå op uden støtte i en kort periode. Dette gør dem velegnede til brug i stentyper med en styrke på op til 10MPa eller deromkring og med lav vandindstrømning. Ansigtsstørrelser på over 10 meter kan udgraves på denne måde. Ansigtet udgraves ved hjælp af en bagaktorarm eller skærehoved til inden for 150 mm fra kanten af skjoldet. Skjoldet er jekket fremad, og kuttere på forsiden af skjoldet skærer den resterende jord til den samme cirkulære form. Jordstøtte leveres ved hjælp af præfabrikeret beton, eller lejlighedsvis SGI (Spheroidal Graphite Iron), segmenter, der er boltet eller understøttet, indtil en fuld ring af understøtning er blevet rejst. Et sidste segment, kaldet nøglen, er kileformet og udvider ringen, indtil den er tæt mod det cirkulære snit på jorden, der efterlades af kuttere på TBM-skjoldet. Der findes mange variationer af denne type TBM.
Mens brugen af TBM lindrer behovet for et stort antal arbejdere ved høje tryk, dannes der undertiden et caisson -system ved skærehovedet til gyllebeskyttelses -TBM'er. Arbejdere, der kommer ind i dette rum til inspektion, vedligeholdelse og reparation, skal medicinsk godkendes som "egnet til at dykke" og trænes i drift af låsene.
Herrenknecht AG designede en 19,25 m (63 ft 2 in) blød grund TBM til Orlovski -tunnelen , et projekt i Sankt Petersborg , men den blev aldrig bygget.
Mikro-tunnel skjold metode
Mikrotunnelskærmsmetode er en graveteknik, der bruges til at konstruere små tunneler og formindskes i størrelse med det generelle tunnelsværn . Mikrotunnelboremaskine ligner ganske almindelig tunnelingskjold, men i mindre skala. Disse tunnelboremaskiner varierer generelt fra 1 til 1,5 m (3,3 til 4,9 fod), for små til at operatører kan gå i.
Backup-systemer
Bag alle typer tunnelboremaskiner, inde i den færdige del af tunnelen, sidder bageste understøttende dæk kendt som back-up-systemet. Støttemekanismer placeret på back-up kan omfatte: transportbånd eller andre systemer til fjernelse af snavs , gylle rørledninger, hvis det er relevant, kontrolrum, elektriske systemer, støvfjernelse, ventilation og mekanismer til transport af præ-støbte segmenter.
Bytunnel og nær overfladetunnel
Bytunnel har det særlige krav, at jordoverfladen skal være uforstyrret. Det betyder, at nedsænkning af jorden skal undgås. Den normale metode til at gøre dette i blødt underlag er at opretholde jordtrykket under og efter tunnelkonstruktionen. Der er en vis vanskelighed ved at gøre dette, især i varierede lag (f.eks. Kedeligt gennem et område, hvor den øvre del af tunnelfladen er vådt sand, og den nederste del er hård sten).
TBM'er med positiv ansigtskontrol , såsom EPB og SS, bruges i sådanne situationer. Begge typer (EPB og SS) er i stand til at reducere risikoen for overfladesynkning og hulrum, hvis de fungerer korrekt, og hvis grundforholdene er veldokumenterede. Ved tunneling i bymiljøer skal andre tunneler, eksisterende forsyningslinjer og dybe fundamenter behandles i de tidlige planlægningsfaser. Projektet skal rumme foranstaltninger til at afbøde eventuelle skadelige virkninger for anden infrastruktur.
Se også
- Kedelig
- Kanaltunnel
- Ny østrigsk tunnelmetode
- Roadheader
- Subterren
- Tunnel
- Tunnelskjold
- Trenchless teknologi
Noter
Referencer
- Bagust, Harold (2006). Det større geni ?: en biografi om Marc Isambard Brunel . Ian Allan forlag. ISBN 0-7110-3175-4.
- Bancroft, George J. (1908) "En historie med tunnelboremaskinen", Mining Science , s. 58, 65-68 , 85–88, 106–108, 125–127, 145–146, 165-167
- Drikker, Henry Sturgis. Afhandling om eksplosive forbindelser, maskinboremaskiner og sprængninger (New York, New York: J. Wiley & Sons, 1883), s. 191-194.
- Hemphill, Gary B. Praktisk tunnelkonstruktion (Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2013), kapitel 7: Tunnelborende maskiner: Tunnelboremaskines historie.
- Maidl, Bernhard; Schmid, Leonhard; Ritz, Willy; Herrenknecht, Martin (2008). Hardrock tunnelboremaskiner . Ernst & Sohn. ISBN 978-3-433-01676-3.
- Stack, Barbara, "Encyclopaedia of Tunneling, Mining and Drilling Equipment", 1995.
- West, Graham. Innovation and the Rise of the Tunneling Industry (Cambridge, England: Cambridge University Press, 1988), kapitel 11: Hardrock -tunnelmaskiner.
Yderligere læsning
- Barton, Nick (2000). TBM -tunneling i sammenføjet og forkastet sten . Rotterdam: Balkema.
- Bilger, Burkhard (15. september 2008). "The Long Dig: Kommer igennem de schweiziske alper på den hårde måde". New Yorker .
- Foley, Amanda (maj 2009). "Livet på forkant: Dick Robbins". Tunnels & Tunneling International .
