Развитие тоннельных технологий: опыт ведущих мировых производителей

Основные производители оборудования Caterpillar и Liebherr пошли двумя путями в развитии оборудования для подземных работ: приспосабливали стандартные конструкции наземного оборудования для использования под землей и создавали специальные модели для работы под землей, используя проверенные узлы и детали

РАЗВИТИЕ ТОННЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИДЕТ ВПЕРЕД

Автор: Рассел Картер

Источник: Engineering and Mining Journal (Декабрь 2005)

Оборудование для прокладки тоннелей продолжает совершенствоваться – на рынках появляется новое оборудование с новыми конструктивными решениями.

Простота, производительность, безопасность и скорость – вот качества, которые являются основными для горного оборудования, используемого для прокладки тоннелей. Современное оборудование для подземных работ имеет производительность и надежность, сравнимую по уровню с оборудованием для работы на поверхности. Хотя, конечно, размеры такого оборудования имеют особое значение.
Такие основные производители оборудования, как компании Caterpillar и Liebherr пошли двумя путями в развитии оборудования для подземных работ: приспосабливали стандартные конструкции наземного оборудования для использования под землей и создавали специальные модели для работы под землей, используя проверенные узлы и детали.

Как компания Cat, так и компания Liebherr сейчас специализируются на выпуске специальных гидравлических экскаваторов и колесных погрузчиков для тоннельных работ. Эти модели характеризуются дополнительной прочностью, усиленной конструкцией и другими дополнительными свойствами, обеспечивающими жизнеспособность машин. Такие дополнительные характеристики, как быстро заменяемые рычаги управления, ковши с откидными боковыми стенками обеспечивают маневренность и многофункциональность оборудования в ограниченном тоннельном пространстве.
В статье представлены последние разработки в области тоннельных технологий, начиная с основного тоннельного оборудования – бурильных установок и насосов.

Буровое оборудование

Пневматические буры для твердых пород и стойки компании Atlas Copco Construction Tools обеспечивают высокую надежность и производительность в различных горных породах при прокладке тоннелей с небольшими пересеченными секциями.
Компания Atlas Copco выпускает три серии буров для твердых пород – BBC, BBD и RH. Буры весят от 22 до 30 кг, имеют длину хода до 7.6 см и динамическую нагрузку до 55 Герц.
Оборудование серии BBC – самое большое в модельном ряду. Оно предназначено для горных пород средней и высокой твердости (от 100 до 400 мПа). Модели серии ВВС имеют длинный ход, а вращение рифленой штанги происходит в задней части бура, что обеспечивает оптимальное воздействие энергии на удар. Поршни большого диаметра делают установку особенно производительной даже при сниженном давлении воздуха.
Чтобы достичь высокой динамической нагрузки, буры серии BBD имеют храповой механизм вращения колеса, расположенного в передней части бура. А короткий ход обеспечивает высокую динамическую энергию на удар. Буры серии BBD также имеют поршни большого диаметра, что обеспечивает высокую производительность при низком давлении воздуха. Они предназначены для использования в горных породах средней твердости и в трещиноватых породах (100-200 мПа). Модель BBD 46WR имеет дополнительно вращение по часовой стрелке для уплотнения гаек при креплении болтами кровли.

Буры серии RH – это самые маленькие модели массой 22.2 кг. Но компания Atlas Copco считает, что вращение рифленой штанги, глубокое проникновение и низкое потребление воздуха делают бур производительным, мощным и идеальным для использования в мягких и средних породах (100 – 200 мПа). Благодаря своему небольшому весу буры серии RH могут использоваться в качестве ударной механизма, а Т- образный рычаг в качестве опоры.
Компания Atlas Copco предлагает три серии стоек – BMT, ALF и BMK. Серии BMT и ALF сочетаются с бурами BBC и BBD. Они имеют небольшой вес и представляют собой фидерные стойки двойного действия с алюминиевыми цилиндрами. Серии BMT и ALF могут увеличиваться в длине более 3 м и обеспечивают фидерную длину 94-130 см.
Для буров серий BBC и BBD имеются телескопические стойки с двойными фидерными цилиндрами, обеспечивающими фидерную длину более 185 см и общую длину до 3.3 м.

Телескопические стойки являются идеальными для бурения на высоте.
Стойка серии BMK двойного действия сочетается с буром серии RH. Она имеет кнопочный предохранительный клапан, который быстро оттягивает подачу опоры. Модель серии BMK имеет длину более 3.05 м и фидерную длину 3.3 м.
Для более крупных тоннельных буров компания Sandvik Tamrock Tools разработала линию буровых долот и стальную продукцию, обеспечивающую повышенную производительность благодаря компьютерному проектированию и более жестким штангам. Например, стандартные долота CAPP фирмы Sandvik для тоннельных работ имеют диаметр отверстия от 35 до 51 мм. Линия долот CAPP создана с использованием компьютерного проектирования, а процесс производства обеспечил расширение модельного ряда долот по диаметру, головкам, конструкции передней части, калибру и передним вставкам, конфигурации промывки, формам вкладышей и мощности карбида и другим характеристикам.

45-мм буровая установка Alpha 300 компании Tamrock имеет более сильную и жесткую головку, которая по диаметру только на 1 мм больше, но увеличивает на 14% площадь поперечного сечения, чем проходная штанга R32. Чтобы еще увеличить жесткость, компания Sandvik внедрила новую направляющую функцию между штангой и юбкой долота. Юбка долота покрывает головку и снижает риск усталости от коррозии. Более сильное соединение штанги и долота приводит к значительному снижению частоты поломок. А это, в свою очередь, снижает общие расходы на работы по прокладке тоннелей.

Насосы Grindex работают глубоко под землей

Обычно проекты по прокладке тоннелей требуют разнообразных насосов для общей откачки воды, для контроля потока воды и для удаления промывочной жидкости. При этом насосы не должны терять работоспособности при погружении. Шведский производитель насосов, компания Grindex выпускает 2 серии электрических дренажных насосов, не теряющих работоспособности при погружении. Эти насосы широко применяются в подземном строительстве. Насосы серии Tuff и серии Pro Line (0.8 – 30 кВ) способны откачать до 19700 л/мин. При реализации недавних проектов по строительству тоннелей в Австралии интенсивно использовались насосы серии Pro Line. Откаченная вода затем повторно использовалась для подавления пыли. Ранее для этих целей подрядчики использовали воду из городских коммунальных сетей. Таким образом, повторное использование откаченной воды сэкономило значительные финансовые средства и драгоценную воду.
Работы по строительству тоннелей активно ведутся вокруг Сиднея. В этом районе широко развита инфраструктура, поэтому строительство тоннелей гораздо дешевле, чем перестройка существующей системы автодорог. Т.к. глубина тоннелей достигает 60 м, и водные горизонты располагаются над тоннелями, то часто возникают проблемы с дренажом, что значительно снижает производительность. Насосы Grindex Master, модели Minor и Major используются в тоннелях для сбора и откачки воды в емкости большого объема.
Оттуда насосы Grindex Мaxi H, способные обрабатывать до 80 м головок, откачивают воду в пруды на поверхности. Эти пруды имею емкость до 1600 куб. м., и для их заполнения требуется 3-4 насоса Grindex Midi N для последующей перекачки воды на переработку.

Caterpillar под землей

Официально компания Caterpillar Inc. вышла на рынок оборудования для строительства тоннелей в 2001 году. Хотя стандартное землеройное, погрузочное и транспортировочное оборудование компании с некоторой модификацией использовалось на таких работах и до этого времени. На Конференции по подземному строительству, прошедшей 26-27 октября 2005 года в Лондоне, представитель компании Caterpillar Tunneling Industries Питер Стауфер объяснил: «Два основных фактора, которые обычно влияют на использование оборудования под землей – это ограниченность пространства и необходимость соответствия стандартов качества воздуха по дыханию. Эти параметры должны также соответствовать национальным стандартам и обеспечивать нормальное дыхание рабочим под землей».
«Ограниченное пространство и вентиляционные возможности подземной площадки ограничивают мобильность оборудования и количество узлов, генерирующих тепло и выбросы. Небольшое пространство может привести к поломкам и повреждениям из-за столкновения со стенками тоннеля или другим оборудованием», говорит Питер Стауфер.
Для решения этих проблем компания Caterpillar представила новое оборудование, специально разработанное для строительства и работы в тоннелях. В 2003 году на рынок выпущен компактный гидравлический экскаватор 325CCR длиной 36 м, затем в 2004 году появилась модель 25-метрового экскаватора 321CCR. Модель 325CCR представлена в двух вариантах – с обратной лопатой и с прямой лопатой. Эта модель имеет корпус с короткой задней частью, радиус поворота 1.9 м (по сравнению с радиусом 3м в стандартной модели 325CL). Компактные размеры экскаватора не ограничили мощность копания. Тем не менее, модель 325CCR с ковшом емкостью 1.9 кубических метров может копать на расстоянии до 7.5 м от его точки поворота, на высоте до 9.7 м, и на глубине до 3.3 м от уровня гусениц.
Модель 321CCR обеспечена дополнительными средствами защиты передней и задней частей кабины, усиленной защитной пластиной под днищем, защитой цилиндра ковша, усиленным соединением ковша. Усилены также стрела и штанга.

Стауфер также отметил, что разработка погрузочных ковшей с боковым опрокидыванием значительно улучшили эффективность уборки породы. На одном из объектов в Норвегии, подрядчик использовал колесный погрузчик Cat 988G с ковшом с боковым опрокидыванием емкостью 6 кубических метров. При этом машина обеспечивала бесперебойную работу по погрузке. Цикл погрузки составлял 35 секунд. Фактор погрузки ковша - 1.1. По словам Стауфера, это значит, что грунт, выбуренный на глубину до 5 метров, может быть удален за час работы.

Техника Liebherr под Люксембургом

Около 10 км к северу от столицы Люксембурга строится новый 3-х километровый тоннель, который свяжет Люксембург с Францией, Бельгией и Нидерландами. Проект под названием «Grouft»стоит 149 млн. евро. Метод строительства тоннеля – это сочетание бурения и взрывов. Для сокращения количества взрывных работ в окрестностях некоторых городов в рамках проекта «Grouft» используются четыре тоннельных экскаватора R 934 B компании Liebherr. Эти экскаваторы работают с 4 колесными погрузчиками L 564 T 2plus2 компании Liebherr. Строительство тоннеля ведет совместное предприятие, созданное компаниями Wayss & Freytag Ingenieursbau AG, Max Bogl GmbH & Co. KG, Galere SA, Tralux SA и Felix Giorgetti.
Тоннель длиной 2960 м на 4.5% поднимается к югу. Тоннель состоит из 2 тоннелей. В одном тоннеле площадью 120 квадратных метров находится трасса с двумя полосами движения. В другом параллельном тоннеле площадью 160 квадратных метров расположено три полосы. Тоннели расположены на расстоянии 40 м друг от друга и будут соединены проходами с интервалом от 250 до 300 метров. В соответствии с планом вентиляционные шахты и запасные выходы будут расположены в центре тоннеля. Оба тоннеля будут выкапываться одновременно с северного и южного конца.

Работы по экскавации начались в июле 2005 года. По словам Кристиана Штрассера, исполнительного директора стройки, работы по экскавации займут 24 месяца, а весь проект будет завершен к 2009 году. Длительность работ по экскавации будет зависеть от того, совпадут ли геологические прогнозы реальной обстановке.
По геологическим прогнозам, тоннель будет проходить через различные породы: глинистый сланец (2-3Мпа), доломитовый известняк с глиной (8Мпа), желтый песчаник (28 Мпа) и известняк (39 Мпа). Для прокладки тоннеля используются тоннельные экскаваторы компании Liebherr. Эти машины с рабочим весом 40800 кг и двигателем мощностью 145 кВ могут быть оборудованы обратным ковшом, рыхлителем, роторной обратной лопатой и гидравлическим молотом. Для обеспечения быстрой смены навесного оборудования используется механическая соединительная муфта быстрой замены навесного оборудования компании Liebherr.

Извлеченный грунт загружался и вывозился колесными погрузчиками Liebherr. Приспособленные для работы в сложных условиях тоннеля погрузчики L 564 T 2plus2 имеют защищенный задний плунжер и стальные бамперы, высокий очиститель воздуха, защиту цилиндра поворота, усиленные предохранительные решетки, рабочее место оператора со стальной крышей и усиленную крышку радиатора с фиксированным огнетушителем. Для обеспечения большей безопасности в тоннеле компания Liebherr оборудует все экскаваторы и погрузчики камерой обзора заднего вида. Они также имеют автоматический запуск - остановку и фильтр, удерживающий частицы.
Т.к. экскаваторы и погрузчики работают в сложных условиях, специалисты уделяют особое внимание не только характеристикам оборудования, но и его техническому обслуживанию. «Мы находимся в постоянном контакте со специалистами компании Liebherr-Mietpartner и CoMat (дилер компании Liebherr в Люксембурге), которые будут проводить сервисное обслуживание в течение всего периода строительства», сказал Арнольд Фешер, менеджер по оборудованию совместного предприятия. При необходимости 30 человек технического персонала СП будут помогать специалистам компании CoMat.

Вентиляторы под Финляндией

Компания Flakt Woods Group была создана в 2002 году при слиянии компаний Global Air Movement SARL с компанией Svenska Flakt и компанией из Великобритании Woods Fans. Эта компания стала мировым поставщиком вентиляционного оборудования для наземного строительства и строительства тоннелей. Недавно компания поставила 300 вентиляторов для вентиляционной системы подземной шахты Outokumpu Ferrochrome Femi на севере Финляндии.
Здесь шахтные работы проводятся на глубине до 600метров, поэтому так важно хорошее качество воздуха. Директор компании Kemi Underground Юха Риконен объясняет: «Потребность в вентиляции увеличивается из-за газов, образующихся при взрывах и работе дизельного оборудования, и пыли от бурения и транспортировки породы». Два основных вентилятора JM диаметром 2 метра на поверхности обеспечивают чистый воздух для шахты. Чистый воздух направляется в рабочие зоны вентиляторами на метах. Небольшие вентиляторы Flakt Woods используются в тоннелях также как и вентиляторы рабочих зон. Другие вентиляторы JM, расположенные по инфраструктуре шахты, выводят наружу загрязненный воздух через выхлопную тягу.

Контроль вентиляционной системы спроектирован таким образом, что он действует как часть автоматической системы шахты. Сложная система программирования учитывает время года, график взрывных работ, сокращение интенсивности работы в ночное время, выходные.
«Основное требование к выбору вентиляторов заключается в обеспечении шахты необходимым количеством чистого воздуха определенного давления. Наружное расположение вентиляторов и возможность их поворота в обратном направлении в случае пожара стали дополнительным требованием. После рассмотрения всех этих требований и проведения экономического расчета мы выбрали вентиляторы Flakt Woods», объяснил Юха Риконен.

Изоляционные пластины

Стальные изоляционные пластины обеспечивают относительно легкую по весу, несложную для управления и безопасную опору (крепление) для мягких грунтов тоннеля. Американская компания из Вирджинии American Commercial Inc. является ведущим поставщиком изоляционных систем от простых изоляционных пластин до стальных ребер жесткости внутри пластин или пластин, установленных между ребрами.

Принцип, на основе которого работает изоляционная пластина – это простое распределение и передача нагрузки на окружающий грунт. В печатной продукции компании отмечается, что существуют различные методы определения необходимой силы прокладок в тоннеле. Выбор изоляционного материала зависит от типа грунта, расположения и глубины покрытия, размера и длины тоннеля, уровня подземных вод, нагрузки. Один из самых важных факторов, который учитывается при любых вычислениях эффективности изоляции в тоннелях, - это способность незатронутого грунта сопротивляться движению. Мягкий грунт может быть устойчивым или неустойчивым по природе. Каждый из видов грунта имеет свои особенности и может создавать свои трудности.

Изоляционные пластины компании American Commercial имеют ширину от 41 до 61 см. Они бывают гофрированными и гладкими. Пластины делают из цельного куска металла с продольными и круговыми выступами (фланцами). Пластины могут иметь гальваническое и/или битумное покрытие, отверстия с заглушкой.
В конце широкого спектра оборудования для тоннелей стоит такая продукция, как цемент и соответствующее оборудование. Компании Degussa и UGC International предлагают покупателям сервисный пакет, который обеспечивает широкий выбор аэрозольных цементов, водонепроницаемых впрысков, средств защиты от пожаров и соответствующее им оборудование.

Модель Meyco Oruga – один из новейших мобильных гусеничных манипуляторов – распылителей. Он пригоден как для сухого, так и для жидкого распыления. Установка массой 1670 кг работает от дизельного двигателя мощностью 13 кВ, имеет высоту распыления 7.94 м и ширину распыления – 11.1 м.
Модель Meyco Rama 4 – это манипулятор – распылитель с двигателем мощностью 7.5 кВ. Рабочее место оператор находится в задней части машины. При этом он имеет доступ к управлению через дистанционное управление или кабельную связь.

В июне 2005 года появилась новая продукция подразделения компании Degussa - Degussa Admixture – аэрозольная мембрана, делающая водонепроницаемым цемент. Мембрана называется - Masterseal 345. Эта аэрозоль применяется между слоями цемента, как сэндвич. Она обеспечивает прекрасные связывающие свойства и высокую эластичность. Преимущества нового продукта, по информации компании, заключаются в связывающих свойствах, которые исключают возможность просачивания воды.

Продукт Masterseal 345 можно использовать даже в тоннелях со сложной геометрией. Используя для распыления стандартное оборудование, можно за час обработать поверхность площадью 100 квадратных метров. По словам Криса Гауза, менеджера по подземному строительству подразделения Degussa Admixture, на многих проектах по всему миру широко используется этот продукт. При этом экономия средств составляет до 25%». Продукт Masterseal 345 обеспечивает создание надежных водонепроницаемых систем.

Присоединяйтесь к нам на канале Яндекс.Дзен.
Заметили ошибку? Выделите участок текста и нажмите Ctrl+Enter, чтобы оповестить редакцию сайта.
Оцените, пожалуйста, статью:
Оценивших: 8, оценка: 5 из 5
Нам очень важно ваше мнение
5
5
5
8
Подписаться на новости
рынка спецтехники
Подписаться