Metody górnicze.docx

Metody górnicze – NATM

Główną ideą metody jest wykorzystanie geologicznych naprężeń od otaczających skał do stabilizacji samego tunelu.

-Austriackie Stowarzyszenie Inżynierów i Architektów definiuje NATM jako metodę gdzie formacje skał lub gruntów otaczających tunel są zintegrowane z obudową tunelu w kształcie pierścienia jako konstrukcja wsporcza – tak więc formacje wspierające mają być częścią konstrukcji wsporczej.

-Jednak większość inżynierów używa nazwy NATM kiedy tylko torkret jest proponowany do początkowego wsparcia wyrobiska (obudowy) tunelu. Zwłaszcza w odniesieniu do słabo nośnego podłoża, termin NATM może być mylący.

NATM może odnosić się zarówno do filozofii projektowania i metody budowy.

Nowa Austriacka Metoda Budowy Tuneli (NATM) – podstawową zasadą jest dążenie do wykorzystania możliwie w jak największym stopniu efektu samonośności górotworu, w którym prowadzone jest wyrobisko. Obowiązują dwie reguły:

1. przy wykonywaniu wyłomu w górotworze jak najmniej mu szkodzić;
2. aktywizować górotwór w taki sposób, aby jego odkształcenie osiągnęło wielkość optymalną w momencie przyjęcia obciążeń przez obudowę ostateczną.

Koncepcję budowy tuneli według NATM tworzy 10 podstawowych zasad:

1.Zasadniczym elementem tunelu jest otaczający górotwór i dlatego należy w taki sposób wykonywać wyłom, aby w miarę możliwości utrzymać pierwotną wytrzymałość skał otaczających tunel, a po wykonaniu wyłomu nie dopuścić do rozluźnienia skał, powstania szczelin, spękań. Należy zatem do minimum ograniczyć strefę zniszczenia w otoczeniu tunelu.
Stosowanie materiałów wybuchowych powinno być ograniczone do niezbędnych przypadków, a metryka strzałowa określona niezwykle dokładnie. Najkorzystniej jest drążyć tunel za pomocą kombajnu lub tarczy wiertniczej, a wyrobisko zabezpieczyć właściwą obudową wstępną.
2.Na konturze wyrobiska i w jego pobliżu należy wytworzyć trójosiowy stan naprężenia,
3.Obudowa wstępna i ostateczna powinny posiadać odpowiednio dobraną sztywność (nie powinny być ani zbyt sztywne, ani zbyt podatne)
4.Należy oszacować odległość pomiędzy przodkiem tunelu a miejscem założenia obudowy ostatecznej, tzw. okres czasu utrzymywania tunelu w obudowie wstępnej.
5.Obudowa wstępna powinna przylegać do górotworu szczelnie i na całej powierzchni, aby przeciwdziałać powstaniu lokalnych znacznych odkształceń i zmniejszyć strefy zniszczenia.
6.Obudowa ostateczna tunelu ma największą wytrzymałość oraz bardzo korzystnie współpracuje z górotworem, poprzez obudowę wstępną, jeżeli jest zamknięta (pierścień obudowy jest zamknięty).
Szczególnie korzystne jest drążenie tunelu pełnym przekrojem. Dzielenie przekroju i wykonywanie tunelu w kilku etapach powoduje wiele niekorzystnych zjawisk
7.Należy projektować zaokrąglony kształt przekroju poprzecznego tunelu aby zapobiec koncentracjom naprężeń w narożach i miejscach załamywania się kształtu.
8.Obudowie ostatecznej stawia się następujące wymagania:
üze względu na występowanie naprężeń zginających i ścinających, a także odpowiednią jej podatność - powinna być możliwie cienka;

·        üwskazane jest aby przylegała szczelnie do obudowy wstępnej;

·        ünie jest korzystne występowanie sił tarcia pomiędzy obudową wstępną i ostateczną.

9.Kontrolę poprawności przyjętych założeń dotyczących wykonywania tunelu oraz przyjętych wymiarów zarówno obudowy wstępnej jak również obudowy ostatecznej powinno się prowadzić sukcesywnie w miarę postępu przodka wykorzystując w tym celu pomiary.
10.Wodę działającą na obudowę wstępną należy odprowa-dzać za pomocą drenów.

NATM uwzględnia wszystkie elementy racjonalnego wykonywania robót podziemnych:

·   üzapewnienie pełnego bezpieczeństwa robót;

·   üsygnalizowanie wszelkich zagrożeń;

·   üwykorzystywanie górotworu jako miejscowego materiału budowlanego o określonej nośności;

·   üsterowanie procesem redystrybucji pierwotnych naprężeń i odprężenia górotworu;

·   üstosowanie wydajnego sprzętu zmechanizowanego;

·   üumiejętnego kierowania technologią i organizacją robót;

·   ütworzenia efektywnej, taniej produkcji o wysokiej jakości.

zabiegami stabilizują-cymi są:

·        ütorkretowanie,

·        üwarstwa betonu narzutowego,

·        üpodwieszenie siatki ochronnej,

·        ükotwienie górotworu,

·        üustawienie łuków obudowy stalowej,

·        üokładzina wsparta na łukach,

·        ülekkie łupiny osłonowe,

·        üiniekcyjne zeskalanie górotworu.

metody tarczowe i TBM

Obecnie produkowane maszyny do drążenia tuneli stosuje się praktycznie we wszelkiego rodzaju skałach – od litych skał do rozdrobnionych gruntów silnie nawodnionych.
Maszyny są wyposażone w wysoko zaawansowane systemy mechanizacji robót i sterowania procesem drążenia tunelu. Bezpieczeństwo prowadzenia robót jest wysokie nawet w przypadku prowadzenia robót w trudnych warunkach gruntowo-wodnych. Roboty są prowadzone bez odwadniania górotworu, co umożliwiają systemy równoważące parcie hydrostatyczne wody działające na czoło wyrobiska, bez tworzenia jak to miało miejsce w przeszłości – nadciśnienia w całym tunelu.

Technologie drążenia tuneli z wykorzystaniem TM (Tunneling Machines) dzielą się na:

·   ü technologie z wykorzystaniem tarczy SM (Shield Machines),

·   ü technologie z wykorzystaniem maszyn borujących TBM (Tunnel Boring Machines).

Maszyny borujące TBM dzielą się na:

·   ümaszyny borujące bez tarczy – TBM (without shield),

·   ümaszyny borujące z tarczą – TBMS (TBMS with shield).

Typowe tarcze do drążenia tuneli można podzielić na:

·   ütarcze otwarte z obniżeniem poziomu wód gruntowych i naturalnym lub mechanicznym podparciem przodka;

·   ütarcze zamknięte pracujące z nadciśnieniem sprężonego powietrza w komorze roboczej;

·   ütarcze zamknięte z zawiesiną płuczkową w komorze roboczej;

·   ütarcze zamknięte z równoważeniem parcia gruntu w przestrzeni roboczej.

Tarcze otwarte – prace związane z urabianiem, załadunkiemi transportem urobku oraz wykonaniem obudowy mogą być wykonywane ręcznie lub z częściową i całkowitą mechanizacją.
Tarcze zamknięte są całkowicie zmechanizowane.

Tarcze otwarte

Stosuje się podczas drążenia nad istniejącymi poziomami wody gruntowej lub gdy można łatwo obniżyć poziom wody gruntowej poniżej spągu projektowanego tunelu.
Konstrukcja tarczy umożliwia załodze dostęp do przodka. Ułatwia to usuwanie napotkanych głazów i innych przeszkód. Wykonanie obudowy – pod osłonową częścią płaszcza tarczy.

– tarcze otwarte (open face shield machines)
SMT1 – tarcze bez podparcia czoła wyrobiska
SMT2 – tarcze z częściowym podparciem czoła wyrobiska
SMT3 – tarcze wspomagane sprężonym powietrzem
SMT4 – tarcze z podparciem czoła cieczą

Maszyny tarczowe – SMV

– tarcze zamknięte (full-face shield machines)

SMV1 – tarcze zamknięte bez podparcia wyrobiska (Stosuje się w suchych gruntach rozdrobnionych o dostatecznie stabilnym czole wyrobiska, np. w gruntach gliniastych (w takich warunkach mogą też pracować tarcze otwarte). Obrotowa głowica zaopatrzona jest w dłutujące noże, a urobek odbierany przez przenośnik taśmowy lub łańcuchowy.

SMV2 – tarcze zamknięte z mechanicznym podparciem czoła wyrobiska (Podparcie wyrobiska realizowane jest prawie w całości przez zamkniętą głowicę skrawającą. Płaskie płyty pomiędzy ramionami skrawającymi są elastycznie zawieszone i dociśnięte do czoła wyrobiska. Obrotowa głowica zaopatrzona w skrawające noże, a urobek odbierany przez poziomy transport.)

SMV3 – tarcze zamknięte ze wspomaganiem sprężonym powietrzem (W przeszłości realizowane przez wytwarzanie nadciśnienia w całym wyrobisku, równoważącego napływ napierającej wody.)

SMV4 – tarcze zamknięte z podparciem czoła płuczką (Czoło wyrobiska jest podparte płuczką pod ciśnieniem. Skład płuczki dobierany jest w zależności od przepuszczalności gruntu, najczęściej jest to zawiesina bentonitowa, polimerowa lub bentonity modyfikowane polimerami. Głowica zaopatrzona w noże skrawające urabia grunt na całej powierzchni przekroju poprzecznego tunelu.

Maszyny wiercące do tunelowania –

TBM bez tarczy

Maszyny tego typu wykorzystywane są do drążenia tuneli o przekroju kołowym w litych skałach, w których czoło wyrobiska nie wymaga stałego podparcia. Eksploatacja maszyn jest droga ze względu na szybkie zużywa-nie się narzędzi skrawających. Urządzeniami skrawającymi są obracające się głowice wiertnicze z zamontowanymi zestawami kilkudziesięciu świdrów rolkowych (dysków) i zębów. Docisk głowicy jest realizowany przez siłowniki hydrauliczne opierające się na przenośnych płytach kotwiących wciskanych radialnie w powierzchnię boczną wyrobiska.

Wielkość przekroju wyrobiska odpowiada wielkości projektowanego tunelu. W skałach litych obudowa tunelu wykonywana jest w odległości ponad 10-15 m od TBM. W skałach mniej litych wyrobisko wymaga natychmiastowego podparcia: prefabrykowanymi łukami, tubingami lub torkretem.

TBMS z tarczą

Maszyny tego typu wykorzystywane są w skałach mocnych lub o niskiej stabilności, czy kruchych. W tym typie maszyn całą przestrzeń wyrobiska, począwszy od tyłu głowicy skrawającej do końca urządzenia odbierającego urobek, zabezpiecza tarcza – metalowa osłona o przekroju kołowym – forma rury.

Wewnątrz tarczy montowane są z tubingów (najczęściej) kolejne segmenty tunelu. Siłowniki dociskające głowicę odpychają się od już wykonanej obudowy tunelu  nie ma potrzeby stosowania systemu przenośnych płyt kotwiących – jak w TBM bez tarczy.

Pipe-roofing – bezwykopowa metoda wykonywania tuneli i przejść podziemnych

Technologia polega na wykonaniu obudowy złożonej z szeregu stalowych rur przeciskowych o średnicy od 500 do 1000 mm połączonych ze sobą stalowymi zamkami. Rury zostają następ-nie zaślepione i zabetonowane. Stworzone w ten sposób podpa-rcie pozwala w kolejnym etapie na jednoczesne drążenie tunelu i montaż obwodowych stalowych ram stężających.

Metoda polega na dwuetapowej realizacji budowli podziemnej. W I etapie wykonana jest obudowa wstępna z szeregu połączonych ze sobą mikrotuneli wykonanych z rur stalowych, łączo-nych wzdłuż pobocznic „zamkami”. Na obrysie budowli podziemnej lub jej części powstaje konstrukcja umożliwiająca wydobycie gruntu z chronionej części górotworu i wykonanie konstru-kcji końcowej.

Wprowadzanie w grunt (wciskanie) rur stalowych rozpoczyna się od góry – części stropowej, następnie w ścianach bocznych i ostatecznie – w poziomie spągu. Po umieszczeniu obudowy następuje wydobycie urobku (ręczne lub mechaniczne). Prace prowadzi się z jednej lub obu studni.

Mikrotunelowanie

Metoda ta polega na drążeniu tunelu przy pomocy tarczy skrawającej z jednoczesnym przeciskiem rur przewodowych. Tarcza ta umieszczona jest na czole urządzenia do mikrotunelowania – głowicy. Wbudowywanie rurociągu w tej technologii odbywa się od wykopu początkowego do docelowego. W wykopie początkowym, zwanym również komorą startową lub szybem startowym, umieszczona jest główna stacja przeciskowa, składająca się z siłowników hydraulicznych oraz pierścienia wciskającego.

Urządzenie to jest wciskane w grunt przy pomocy głównej stacji przeciskowej. W tylnej części komory startowej wbudowana jest żelbetowa płyta oporowa.
W czasie przecisku głowicy oraz ciągu rur, tarcza skrawająca urabia grunt na przodku. Odspojony grunt dostaje się do komory kruszenia, w której przy pomocy kruszarki stożkowej jest rozdrabniany, a większe kamienie kruszone.

Pośrednia stacja przeciskowa to zespół siłowników hydraulicznych, umieszczonych zazwyczaj w obudowie stalowej o średnicy wewnętrznej nieco większej od średnicy zewnętrznej wbudowywanego rurociągu. Siłowniki te rozpierają się o stalowy pierścień umieszczony wewnątrz stacji.

Stosując pośrednie stacje przeciskowe cała długość wbudowywanego jednorazowo rurociągu podzielona jest na sekcje, przedzielone tymi stacjami, dokładanymi w miarę wbudowywania rurociągu. Poszczególne sekcje są przeciskane jedna po drugiej za pomocą odpowiednich stacji pośrednich.

Przeciski pneumatyczne obejmują dwie grupy metod:

1.przecisk pneumatyczny przebijakiem, tzw. kretem:

·   üniesterowany,

·   üsterowany,

2.wbijanie rur stalowych.

W metodzie tej grunt jest rozpychany i zagęszczany poprzez przemieszczający się w nim przebijak z głowicą dynamiczną (tzw. kret), napędzany sprężonym powietrzem. W I fazie przebijak ustawiany jest w komorze startowej na lawe-cie startowej – łożu pod zadanym kątem przecisku oraz w plano-wanej osi rurociągu. Do poprawnego ustawienia przebijaka sto-suje się celownik optyczny. W fazie II przebijak pokonuje drogę przez grunt wciągając jedno-cześnie rury z PVC, PE lub rury stalowe. Możliwe jest również wciąganie rur po wykonaniu przecisku, z komory końcowej jednocześnie z wyciąganiem kabli zasilających przebijak.

Przebijak pneumatyczny składa się z 3 zasadniczych części:

·   1.cylindrycznego korpusu,

·   2.tłoka (bijaka)

·   3.tulei sterowniczej wraz z elastycznym amortyzatorem.

metoda „kret” jest przeznaczona do bezwykopowej instalacji przewodów uzbrojenia podziemnego (rur i kabli). W praktyce jest to najczęstsza metoda do układania przewodów ciśnieniowych (wodociągów i gazociągów) oraz kabli prowadzonych bezpośrednio w gruntach lub rurach osłonowych.

Metoda najlepiej sprawdza się w gruntach łatwo zagęszczalnych. W niektórych przypadkach duże trudności: żwiry równoziarnisteo wysokim stopniu zagęszczenia, czy luźne piaski – może dojść do znacznych osiadań i zmiany trajektorii.Krety niesterowalne – do odcinków prostoliniowych, sterowalne do krzywoliniowych.

Niesterowany przecisk pneumatyczny przebijakiem tzw. kretem

W metodzie tej grunt nie jest usuwany na zewnątrz, a zagęsz-czany, stąd można nią wbudowywać rurociągi o średnicy zewnętrznej maksymalnie tylko do 200 mm. W celu zwiększenia średnicy wykonywanego otworu względem średnicy przebijaka możliwe jest zastosowanie specjalnych poszerzaczy, które nasuwa się na przebijak. Z powodu małego tarcia powierzchniowego gruntu o przebijak, metoda ta może być nieefektywna w gruntach nawodnionych.

Przecisk sterowany przebijakiem pneumatycznym, tzw. Kretem

W korpusie przebijaka znajduje się nadajnik (sonda), który służy do lokalizowania położenia przebijaka za pomocą standardowego systemu lokalizacji radiowej.

Minimalny promień skrętu urządzenia wynosi 30 m. Długości jednorazowo wykonywanych przecisków dochodzą nawet do 70 m. Wbudowywanie rur odbywa się tak jak w poprzednio opisanej metodzie przez ich wciąganie za przebijakiem lub po wykonaniu przecisku, jednocześnie z wyciąganiem kabli zasilających przebijak. Metodą tą można wbudowywać sieci uzbrojenia podziemnego o średnicy do 63 mm.

Wbijanie rur stalowych

Metoda ta polega na wbijaniu w grunt rur stalowych (pipe ramming) przy pomocy przebijaków pneumatycznych. W technologii tej wykorzystuje się takie same przebijaki jak w poprzednio omawianej lub o większych wymiarach i większej mocy, lecz o takiej samej budowie. Przebijak umieszczony jest cały czas w wykopie początkowym, w specjalnym łożu (zwanym również kołyską lub lawetą) i nie przemieszcza się w gruncie. Przy zastosowaniu adaptera stożkowego – możliwość usunięcia gruntu przez otwory. Długość do kilkudziesięciu metrów, bez ograniczeń dotyczą-cych średnic.

Tunele głęboko posadowione

Pierwotny stan naprężenia w górotworze
Pierwotne geostatyczne ciśnienie skał w nienaruszonym górotworze wynosi:
P(z)=y*h
y-ciężar objętościowy
h- głębokość na której rozpatruje się wielkość ciśnienia
Ciśnienie boczne wylicza się z uogólnionego prawa Hooke’a, jako wynik dążności cząstek do przemieszczania się na boki:
e(x)=б(x)/E-v/E[б(z)+ б(y)]
W górotworze nienaruszonym panuje jednorodny stan odkształcenia wynikający z braku możliwości rozszerzania się półprzestrzeni na boki oraz trójosiowy osiowo-symetryczny stan naprężeń
 

Tunele płytko posadowione

Na podstawowe obciążenie budowli podziemnej płytko posadowionej składa się:

1.ciężar własny konstrukcji,
2.oddziaływanie górotworu i oddziaływanie naziomu jako ciśnienie pionowe, boczne i spągowe,
3.zmienne oddziaływanie pojazdów, urządzeń i wyposażenia. Dokładne oszacowanie jest skomplikowane z powodu ścisłej zależności interakcji górotwór–obudowa. Obciążenia przekazywane od naziomu zależą od głębokości posadowienia tunelu.

Charakter obciążenia użytkowego zależy od metody wykorzys-tania budowli. Najczęściej spotykanymi schematami obciążenia są:

·   üsymetryczne i asymetryczne obciążenia pionowe i boczne,

·   üsymetryczne i asymetryczne obciążenia pionowe, boczne i spągowe,

·   üobciążenie wewnętrznym hydrostatycznym ciśnieniem wody w przypadku tuneli naporowych.

Tunele wykonywane metodami górniczymi są obciążone prak- tycznie jedynie symetrycznie. Budowle wykonywane metodami odkrywkowymi mogą być zasypywane jednostronnie lub dwustronnie.

Siły w technologiach bezwykopowych

Siły przecisku według Strieglera
Według Strieglera siła przecisku wynika z sumy oporów:

·          oporu czołowego tarczy,

·          oporów tarcia rury o otaczający grunt

Opór czołowy tarczy można wyliczyć ze wzoru:
 

A opory tarcia rury o grunt:

Dz – zewnętrzna średnica tarczy
L – długość odcinka rur w trakcie przeciskania
B – właściwy opór czołowy przodka
M – właściwy opór tarcia

Właściwy opór przodka B zależy od warunków gruntowo-wodnych. Przybliżone wartości wynoszą:
ü50 kN/m2 – dla warunków normalnych,
ü10-20 kN/m2 – przy stosowaniu zawiesiny bentonitowej dla zmniejszenia oporów tarcia,
ü5-15 kN/m2 – przy drążeniu w wodzie gruntowej.
Opory tarcia rury o otaczający grunt wynoszą:

μ – współczynn...