Zkušenosti z ražeb pomocí plnoprofilových tunelovacích strojů

  • 23. 10. 2013 | zdroj: Stavebnictví
  • Zpráva

V závěrečném díle série článků zaměřených na historicky první nasazení stroje EPBM v podmínkách českého podzemního stavitelství bychom se rádi podělili o zkušenosti získané při výstavbě traťových tunelů pátého provozního úseku trasy A pražského metra.
Zároveň bychom chtěli přiblížit jednotlivé úkony personálu obsluhujícího samotný tunelovací stroj.

Fakt, že štít typu EPB zažíval v České republice svou premiéru, mohl u neodborné veřejnosti vzbuzovat dojem, že se jedná o moderní tunelářskou metodu, která je dalším stupněm nahrazujícím v posledních letech v tuzemsku téměř výhradně používanou Novou rakouskou tunelovací metodu (NRTM). Pravda je však taková, že první štít byl použit již v roce 1825 díky Siru Marcu Isambardu Brunelovi pro ražbu tunelu pod londýnskou řekou Temží.
Metoda EPB byla poprvé použita v sedmdesátých letech 20. století v Japonsku a NRTM byla popsána v letech šedesátých. Z uvedeného je patrné, že konvenční metody a metody tunelovacích strojů se v posledních téměř dvou stoletích vyvíjely paralelně, nezávisle na sobě, a lze konstatovat, že obě se vyvinuly v univerzální metody použitelné do rozličných geologických podmínek při podcházení nejrůznějších typů povrchové zástavby.
Zatímco Nová rakouská tunelovací metoda je univerzální díky tomu, že existují různé postupy pro různorodé typy geologických podmínek, v oblasti technologie TBM se používají stroje vyrobené na míru pro předpokládané geologické podmínky. Výrobci tunelovacích strojů nabízejí bohatý výběr rozmanitých tunelovacích komplexů a každý jejich výrobek je svým způsobem prototypní, sestavený přesně podle podmínek konkrétního projektu a požadavků cílového zákazníka.
Doufejme, že se české dopravní stavitelství díky úspěšné realizaci pražského projektu posune o další významný krok vpřed a investoři do svých projektů zařadí metodu tunelovacích strojů jako konkurenceschopnou, jak je to ve světě naprosto běžné. Pro upřesnění jen uveďme, že stroje principu EPB (earth pressure balance), které byly nasazeny pro výstavbu metra, patří mezi nejrozšířenější technologie této metody, neboť tvoří podle dostupných zdrojů cca 90 % v současnosti používaných tunelovacích strojů.
Rádi bychom také podotkli, že v současné době v rámci modernizace trati Rokycany - Plzeň se již chystá realizace ražby dvou jednokolejných železničních tunelů Ejpovice pomocí konvertibilního razicího štítu. Délka jednoho tunelu bude cca 4 km a průměr řezné hlavy stroje bude cca 10 m. Zároveň se uvažuje o použití razicích strojů na trase D pražského metra. Věřme tedy, že tyto projekty přinesou řadu nových zkušeností a definitivně tak potvrdí, že ražba pomocí tunelovacích strojů má své uplatnění i na území České republiky. Cílem tohoto článku je nejen vyzdvihnout zlepšení, která umožnila výstavbu zefektivnit z organizačního, časového či finančního hlediska, ale také poukázat na chyby či nedostatky, kterých je třeba se při příštích projektech vyvarovat. Jedině vzájemné předávání takových informací a praktických zkušeností může napomoci ke zlepšování této technologie. Jak již bylo zmíněno a na několika příkladech uvedeno v minulých článcích, každý projekt má svá specifika, je tedy do jisté míry vždy unikátní a vyžaduje ojedinělá řešení.

Druhy tunelovacích strojů

EPB štít (obr. 1) Stroj, který se používá v soudržných zeminách a v prostředí s nízkým nadložím. Štít přeměňuje těženou zeminu v plastickou pastu, kterou využívá jako podpůrné médium pro kompenzaci zemních tlaků na čelbě. Pomocí EBP štítu (z anglického earth pressure balance) lze provádět ražby s minimálním sedáním povrchu nad tunelovým dílem Bentonitový štít (obr. 2) Bentonitový štít se používá do prostředí hrubozrnných zemin a do prostředí, kde na čelbě působí velký tlak podzemní vody. Bentonitový štít je podobně jako EPB štít schopen aktivně podpírat čelbu. K tomu se využívá odtěžovací komora plně zaplněná bentonitovou suspenzí. Za odtěžovací komoru je umístěna ještě jedna přepážka. V ní je stlačený vzduch, kterým je možné ovlivňovat velikost tlaku bentonitové suspenze v odtěžovací komoře.
TBM se štítem (obr. 3) Pro ražbu v horninách střídavé kvality je razicí stroj doplněn ocelovým válcovým štítem s jednoduchým pláštěm v koncové části, pod jehož ochranou se výrub provedený razicí hlavou opatřuje montovaným ostěním z tybinků. Razicí hlava je vysunutá před štít a razí výrub, do něhož se celý stroj zasouvá. TBM s dvojitým pláštěm (obr. 4) Dosažení vyšší plynulosti ražby je možné u TBM s tzv. dvojitým pláštěm. Teleskopické uspořádání štítu umožňuje využít tlak hlavních štítových lisů k rozpojování horniny na čelbě pomocí řezné hlavy i ve fázi, kdy se v plášti, navazujícím na stabilizační část pláště upnutou samostatně do masivu pomocí přítlačných radiálních desek, montuje pomocí erektoru poslední prstenec ostění. Po uzavření prstence a vyčerpání zdvihu hlavních štítových lisů se přítlačné desky stabilizační části pláště uvolní a rozpojování v čelbě pokračuje s využitím tlaku obvodových štítových lisů, opírajících se o hotový prstenec ostění. TBM bez štítu (obr. 5) Plnoprofilové tunelovací stroje do pevných netlačivých hornin, tzv. TBM bez štítu, jsou uspořádány tak, že v čele stroje je mohutná razicí hlava, jež pokrývá celý ražený profil tunelu. Razicí hlava se otáčí na hřídeli, kterou pohání velmi výkonné elektromotory. Na plášti hřídele jsou umístěny obvykle dvě dvojice radiálních hydraulických lisů s přítlačnými deskami, které dokonale stabilizují (upínají) razicí stroj do výrubu tak, aby rotovala pouze razicí hlava. Na rotující razicí hlavě jsou umístěny rozpojovací orgány. tento typ stroje se hodí do hornin větších pevností (více než 150 MPa).
Štít s postupným pobíráním čelby (obr. 6) U štítů s postupným pobíráním v čelbě se zemina v obvykle otevřené čelbě rozpojuje mechanizmy s dílčím záběrem, které se vesměs upevňují v přední části štítu na hydraulicky výsuvném a současně otočném výložníku. V závislosti na charakteru zeminy se používají deskové škrabky, výložníkové frézy nebo pneumatická sbíjecí kladiva (impaktory).
Výhodou štítů mechanizovaných tímto způsobem je jejich snadná adaptace na změněné geologické podmínky ražby. Jestliže se rozpojovací mechanizmus v daných podmínkách neosvědčí, je možné jej poměrně snadno demontovat nebo nahradit vhodnějším.

Řízení stroje a těžba materiálu

Postup ražby každého tunelového díla obsahuje tři základní pracovní operace. Jedná se o rozpojení horniny, její odtěžení a následné zajištění vyraženého postupu. Z těchto tří operací za první dvě (rozpojení a odtěžení horniny) odpovídá pracovník obsluhy tunelovacího stroje, pro něhož je v zahraničí zavedeno označení pilot stroje.
Ten je tudíž tím nejdůležitějším pracovníkem cca dvanáctičlenné posádky obsluhující celý strojní komplex. Úkolem pilota je především řídit stroj směrově a výškově ve shodě s projektovou dokumentací. K tomu mu slouží navigační systém, který zobrazuje aktuální pozici stroje vzhledem k projektované trase. Směr a výšku stroje poté reguluje pomocí série potenciometrů, díky nimž ovládá tlaky jednotlivých skupin hydraulických lisů tlačících stroj vpřed.
Kromě ražby obsluhuje i těžbu rubaniny. K tomu používá ovládání rychlosti šnekového a pasového dopravníku. Při těžbě musí dohlížet na těžené množství a zároveň na konzistenci rubaniny, ze které musí pomocí tenzidů vytvářet požadovanou hmotu pro ražbu v modu EPB. Tunelovací stroje se ovládají z řídicí kabiny. Ta je vybavena obslužným pultem a sadou dotykových obrazovek, na kterých lze sledovat důležité procesy ražby, ať již přímo pomocí nainstalovaných kamer, nebo nepřímo pomocí číselných údajů z jednotlivých měřidel a senzorů. Samotné řízení stroje nečinilo žádnému z pilotů potíže. Vzhledem ke spolupráci s geodety a neustálému sledování navigačního systému byl průběh ražeb velmi plynulý. Jako mnohem těžší úkol se ukázala úprava rubaniny pomocí napěňovacích přísad do požadované pastovité konzistence. Tento materiál musí být jednak schopen v odtěžovací komoře aktivně čelit tlakům čelby, zároveň je nutné jej odtud jednoduše transportovat pomocí dopravníkových pasů, aniž by se z nich sypal nebo z nich stékal (zvláště pak v místech s větším podélným sklonem).
Pro splnění těchto kritérií však odtěžená rubanina obsahovala příliš velké množství vody, nebyla tedy příliš vhodná pro přepravu ze staveništní mezideponie na skládku, kde měla být uložena definitivně. Vysoký obsah vody přepravu materiálu nejen zdržoval (bylo nutné jej nechat na mezideponii částečně vyschnout), ale také (vzhledem k jeho vyšší hmotnosti) prodražoval.
Z uvedeného vyplývá, že používání tenzidů (napěňovacích přísad) je velmi citlivou záležitostí a vyžaduje určité zkušenosti s technologií zeminových štítů a samozřejmě i znalost vlastností vyskytujícího se horninového prostředí.

Doprava, vykládka a osazování tybinků

Při ražbách štíty EPB se ostění zhotovuje z prefabrikovaných (v případě metra V. A železobetonových) segmentů, tzv. tybinků. Jelikož instalované segmentové ostění slouží současně pro stroj jako odrážecí rám, je nezbytně nutné, aby měl stroj po každém cyklu ražby připraven dostatečný počet tybinků pro stavbu dalšího kompletního prstence ostění. Při špičkových výkonech ražby je tudíž nutno stroj zásobovat cca každou hodinu šesticí segmentů.
Závěs tunelovacího stroje je upraven tak, aby vozidlo MSV, které segmenty dopravuje, mohlo najet do jeho útrob. Součástí závěsu je speciální jeřáb, který slouží k vykládce segmentů z vozidla na segmentový podavač. Jeřáb ovládá pomocí joysticku dálkového ovládání jeřábník. Pomocí segmentového podavače jsou segmenty po jednom posouvány dále až pod erektor.
Erektor, ukladač tybinků, je zařízení, které je schopné rotace o kompletní úhel 360° a posunu ve všech prostorových osách. Pomocí vakuového podtlaku uchopuje segmenty a ty poté umisťuje na předepsané pozice.
Erektor opět obsluhuje pracovník pomocí joysticku. Kromě něj se na stavbě prstenců podílejí další dva zaměstnanci, kteří operátora erektoru při jeho manipulaci s tybinky navádějí, neboť segmenty je třeba osazovat s milimetrovou přesností. Poté, co je segment přesně umístěn, je pomocí vzduchových utahovaček přišroubován k sousedním segmentům.
Po instalaci kompletního prstence se stroj opět přepne do fáze ražby a práce se znovu ujímá pilot stroje.
Výstavba prstenců tunelového ostění probíhala již od počátečních fází ražeb traťových tunelů metra s velmi vysokou precizností, což při svých návštěvách potvrzovala řada zahraničních expertů.
Díky tomu, že byly při projektu nasazeny dva tunelovací stroje a každý z nich obsluhovaly dvě kolové platformy MSV, bylo možné v případě neočekávané poruchy některé z nich dopravu segmentů ke stroji operativně rychle vyřešit výpomocí vozidla od druhého stroje. Možnost míjení vozů ve stanicích či stavebních jámách také velmi usnadňovalo a zrychlovalo staveništní zásobování. Dostatečný počet obslužných mechanizmů a jejich vzájemná koordinace se ukázala jako strategicky velmi výhodná.

Montáže, demontáže, starty a průtahy strojů

V minulém díle (v č. 09/2013) jsme se dostatečně podrobně zabývali způsobem montáží i demontáží obou strojů, stejně tak jako jejich starty a průtahy stanicemi a stavebními jámami. Nezbývá než pouze připomenout, že vyzkoušením několika různých technologií, které se vyvíjely za pochodu, bylo možné na místě ověřit, která z metod je pro tyto činnosti nejvhodnější. Při dalších projektech bude tedy možné tyto znalosti využít a výrazně tak snížit některé náklady.

Injektáž tunelového mezikruží

Další pracovní operací, důležitou pro kvalitní zhotovení konstrukce tunelu, je zainjektování dutého prostoru vznikajícího mezi výrubem v hornině a vnějším lícem segmentového ostění. Tuto operaci má přímo na stroji na starosti operátor injektážního zařízení, jenž celý proces řídí tak, že sleduje závislost průtočného množství injektáže a injektážního tlaku. K tomu mu slouží obslužný panel vybavený monitorem, na kterém sleduje číselné či grafické údaje z jednotlivých čerpadel.
Ačkoli se dá provoz obou tunelovacích strojů označit za nepřetržitý (ražby probíhaly dvacet čtyři hodin denně, sedm dní v týdnu), bylo nutné dodržovat i pravidelné technologické přestávky. V době těchto odstávek docházelo i k čištění a údržbě stroje, čištění injektážního systému nevyjímaje. Pokud to bylo možné, panovala vždy snaha věnovat se jednotlivým činnostem současně, aby se tak minimalizovaly časové ztráty a razicí práce mohly být opět co nejdříve zahájeny.
Příliš často však docházelo k ucpávání trubního vedení dvoukomponentní výplňové malty v obálce štítu. Jeho čištění vyžadovalo častější odstávky, než udával samotný výrobce strojů. Tento systém pracovníci firmy Metrostav a.s. modifikovali a upravené řešení výrazně snížilo frekvenci nutnosti čištění injektážního vedení.

Periferní technologie

Kromě operací spojených s ražbou tunelu a stavbou ostění je nutné průběžně prodlužovat potrubí pro provozní média, pasový dopravník a vysokonapěťový napájecí kabel. Dále je nutné pravidelně posunovat kolejnice, po kterých se pohybuje celý závěs stroje. Ty se upevňují k segmentovému ostění.
Mezi provozní média potřebná pro fungování strojního komplexu se řadí voda určená pro chladicí systém, dále voda odpadní, která se musí při úpadní ražbě odčerpávat ze štítové části na povrch, následně stlačený vzduch a v případě, o němž hovoříme, i dvoukomponentní výplňová malta. Ta je ke stroji čerpána ze zařízení staveniště.
K prodlužování pasového dopravníku, posunu kolejnic a nastavování trubního vedení je vyhrazena obsluha stroje v počtu dvou až tří pracovníků na každé směně. Prodlužování vysokonapěťového napájecího kabelu je samostatná operace vyžadující práci speciálně vyškolených elektrikářů a v případě výstavby pátého provozního úseku metra A bylo nutné ho provádět každých cca 150 m ražeb.

Návrh segmentů

Výstavba jednotlivých prstenců segmentového ostění z počátku probíhala vždy pod vedením zkušených pracovníků ze zahraničí. Velmi brzy si však citlivou práci s dálkovým ovládáním erektoru, který jednotlivé dílce ukládal, osvojili i zaměstnanci firem Metrostav a.s. a Subterra a.s. Na lícování jednotlivých segmentů i prstenců k sobě navzájem se kladl vždy velký důraz a kvalita jejich osazování dosáhla velmi vysoké úrovně, zcela srovnatelné s tou světovou.
I přesto docházelo k praskání některých prefabrikovaných železobetonových dílců a vzniku drobných trhlinek, občas i po celé délce segmentu. Nejvíce docházelo k těmto defektům ve směrových obloucích, kdy byly jednotlivé prstence tlačnými písty namáhány nerovnoměrně. Tloušťka segmentů byla pouze 250 mm (oproti ve světě běžnějším 300 mm) a vysoký stupeň vyztužení (110 kg výztuže na 1 m3 betonu) v kombinaci s vysokou pevností betonu (C 50/60) způsoboval, že segmenty byly sice velmi pevné, zároveň však také velmi křehké, čímž se výrazně ztěžovala manipulace s nimi.
Během výstavby traťových tunelů se přistoupilo ke změně technologie výroby betonu pro segmentové ostění. Snížila se pevnost betonu a zároveň se přidala do receptury při výrobě polypropylenová vlákna. Na trase sice došlo ke zmírnění nežádoucího efektu praskání tunelového ostění, je však nutné podotknout, že nové segmenty se začaly používat až v druhé polovině výstavby, kde je trať vedena téměř v přímé a se stálým podélným sklonem (vyjma stanice Bořislavka), a proto je interpretace těchto výsledků zavádějící.
Ve zkušební laboratoři Kloknerova ústavu již proběhly zatěžovací zkoušky segmentů vyrobených z drátkobetonu. Výsledky byly interpretovány v časopisu Tunel č. 4/2012 ve článku docenta Matouše Hilara a doktora Petra Vítka. Celkem deset prstenců z drátkobetonových segmentů bylo osazeno i na trase metra V. A. K jejich popraskání nedošlo, vzhledem k velmi malému počtu zkušebních vzorků však tento výsledek nelze objektivně interpretovat.
Návrh železobetonových segmentů představuje zcela určitě velmi důležitou součást každého projektu, jenž nepochybně ovlivní výslednou kvalitu stavebního díla. Segmentové ostění a výplňová malta jsou jedinými prvky, které v podzemí zůstávají trvale zabudovány.

Závěr

V současné době se firma Metrostav a.s. připravuje na realizaci v pořadí druhého projektu prováděného plnoprofilovým tunelovacím strojem. Při ražbách Ejpovického tunelu bude možné využít mnoha poznatků a zkušeností nasbíraných na ražbách tunelů metra V. A, ale i v tomto případě bude platit, že dvakrát totéž není totéž. Stroj s téměř dvakrát větším profilem, navíc konvertibilní, aby se mohl použít do tvrdých hornin, bude mechanizmem, který před zaměstnance firem Metrostav a.s. a Subterra a.s. postaví nové a dosud neznámé výzvy. *