Tehnologia de execuţie cu maşina de forare la secţiune plină

TEHNOLOGIA DE EXECUŢIE CU MAŞINA DE FORARE LA SECŢIUNE PLINĂ

Generalităţi

Tehnica excavarii galeriilor cu masini de forat la sectiune plina are o vechime de peste 60 de ani, capatând insa o raspândire mai mare in ultimi 30 de ani. Aceasta raspândire se explica prin avantajele pe care le are sistemul:

• 
  nu se folosesc explozivi, deci profilul este perfect;
  
• 
  nu este deranjata roca din jur, deci se reduc posibilitatile de surpare;
  
• 
  se lucreaza in flux continuu, cu o mecanizare totala si astfel se reduce numarul muncitorilor dar si efortul fizic al acestora.
  

Masinile de forat la sectiune plina se clasifica astfel:

• 
  masini de foarat echipate cu cutite;
  
• 
  masini de forat echipate cu freze si cutite;
  
• 
  masini de forat echipate cu role.
  

Masinile de foarat echipate cu cutite sunt instalatii complexe la care capul de taiere poate fi echipat cu cutite montate perpendicular pe front, fiind utilizate pentru roci moi sau medii. Exista apoi tipul cu cutite paralel cu frontul folosit in special pentru executarea niselor sau a galeriilor de tip potcoava si masinile la care cutitele executa o taiere complexa. Acest din urma tip poate realiza galerii de forma semicirculara. Evacuarea sterilului la acest tip de instalatii se realizeaza pe calea ferata cu vagoneti si locomotiva.

Masinile de forat echipate cu freze si cutite au 1-2 capete de rotire cu freze cu cutite, armate si asezate aproape paralel cu frontul. Numarul frezelor depinde de sectiunea galeriei. Intreaga instalatie se deplaseaza pe senile, toate comenzile fiind hidraulice. Transportul sterilului se face de pe o banda in vagoneti trasi de locomotiva.

Masinile de forat echipate cu role au montate pe capul de taiere role disc, role buton sau role mixte si pot lucra in orice gen de roca cu diametre pâna la 13 m. Este cea mai raspândita masina desi nu poate executa decât galerii cu sectiune circulara. Masina este prevazuta cu instalatii speciale pentru plantat ancore si montat cintre metalice. Ca si in cazul celorlalte masini sunt prevazute de asemenea cu instalatie de captare a prafului, precum si de udare a frontului. Evacuarea sterilului se face tot pe cale ferata cu vagoneti trasi de locomotiva.


Fig. 1 Elementele unei TBM

Instalaţia de forat la secţiune plină, denumită curent maşină de forat la secţiune plină TBM (Tunneling Boring Mashine) este un echipament complex care realizează excavarea mecanizată prin foraj orizontal, cu ajutorul unei foreze dotată cu cuţite de dislocare a rocii, care este rotită şi propulsată electrohidraulic. Instalaţia este alcatuită din două parţi distincte.

- Capul tăietor, dotat cu foreză şi elemente de protecţie, cilindri de propulsie, gripere şi reazeme posterioare.

- Trenul de module, tractat de capul tăietor, pe care sunt amplasate instalaţiile auxiliare (electrice, hidraulice, de ventilatie, de apa, benzi transportoare etc.).
Instalaţia poate fora galerii în aliniament sau în curbă, cu pante diferite, excavaţia fiind circulară. Avansarea pe traseu a instalaţiei se realizează prin autopropulsare, în paşi succesivi de 1,2-2 m, vitezele de înaintare fiind de până la 15 m/zi (400-500 m/lună) în funcţie de natura rocii, distanţa faţă de fereastră, condiţiile de organizare, starea tehnică a instalaţiei etc.

Descrierea instalaţiei

Instalaţia de forat galerii orizontale TBM are următoarea alcătuire:

Capul tăietor format dintr-o şaibă pe care sunt montate rolele de dislocare a frontului, plasate sub formă de spirală simplă sau dublă, fiecare rolă călcând pe un traseu diferit, distanţa între trasee fiind 5-7 cm. Zonele periferice ale şaibei sunt demontabile şi sunt specializate pentru preluarea materialului dislocat şi ridicarea lui în spate, spre banda transportoare (cupe perimetrale).

Modulul de sprijin şi stabilizare, pe care este fixat capul tăietor prin intermediul unui rulment de mare diametru, care stă pe o talpă cilindrică demontabilă. Modulul de sprijin suportă axial şi transversal solicitările provenite din capul taietor, transmite capului tăietor împingerile cilindrilor de propulsie care asigură avansul instalaţiei, constituie reazemul împingătorilor laterali şi de tavan, constituie suportul motoarelor electrice de antrenare a capului tăietor şi constituie suportul benzii transportoare care preia materialul excavat transferindu-l în spate.

Grinda principală, care este o structură metalică chesonată sudată, fixată de modulul de sprijin şi stabilire, care constituie suportul benzii de transport, susţine modulul de gripare în interiorul căruia poate culisa şi susţine modulul posterior de reazem.

Modul de gripare propulsie este alcătuit dintr-o structură metalică susţinând sistemul hidraulic de acţionare a griperelor, papucii griperelor, cilindrii de reglare a poziţiei grinzii faţă de axele galeriei şi cilindrilor de propulsie ai instalaţiei. Acesta asigură fixarea în pereţii galeriei a papucilor griperelor, care constituie reazemul fix faţă de care are loc înaintarea instalaţiei cu ajutorul cilindrilor de propulsie. De asemenea permite ajustarea poziţiei grinzii principale în funcţie de nevoile de dirijare prin cilindrii auxiliari (câte 2 pe fiecare parte). Prin acţionarea pe verticală şi orizontală a grinzii principale, se transmit capului tăietor mişcări care permit corectarea avansului.

Modululul posterior de reazem este alcătuit din doi cilindri hidraulici prevăzuţi la capetele inferioare cu papuci metalici care calcă pe extremităţile prefabricatelor de vatră. Funcţia sa este de a susţine grinda atunci când griperele se retrag în vederea deplasărilor înainte.
Instalaţia remorchează trenul de module, care este alcătuit din structuri spaţiale, prevăzute cu roţi, care rulează pe extremităţile bolţarilor. Pe trenul de module se află banda transportoare, instalaţia hidraulică, pupitrul de comandă etc.

Dispunerea acestor utilităţi pe module conduce la o lungime mare a trenului (cca 80 m), cu implicaţii defavorabile asupra montajului, a punerii în funcţiune, exploatării etc.

Pentru a ilustra complexitatea unei asemenea instalaţii sunt prezentate două fotografii, una cu ansamblul unei TBM şi a doua cu alcătuirea capului tăietor.
Execuţia săpării şi avansului
Fazele de săpare şi avans ale instalaţiei, care determină fluxul tehnologic general începind cu platforma tehnologică până la front sunt urmatoarele.

Griparea instalatiei cu modulul de gripare apropiat de capul tăietor. În această fază griperele trebuie să fixeze corespunzător instalaţia pe pereţii laterali astfel încât acestea să constituie un reazem ferm care va prelua prin frecare forţele dezvoltate de






Fig. 2 Fotografii ale ansamblului TBM şi a capului tăietor

cilindrii de propulsie în faza de excavaţie - avans. În cazul în care, sunt supraprofilări locale mai mari decât cursa maximă a griperelor şi acestea nu pot atinge pereţii laterali se pot face completări cu adaosuri din metal sau lemn, care să asigure griparea necesară pentru avans. În cazul unor supraprofilări mai mari se vor face betonări locale la profilul necesar.

Tot în această fază se va controla poziţia instalaţiei faţă de direcţia proiectată de avansare, stabilindu-se corecţiile necesare (modificarea poziţiei grinzii principale în secţiunea de gripare, deschiderea inegală a cilindrilor de propulsie etc.).

Liftarea picioarelor de reazem ale instalaţiei. Operaţiunea constă în închiderea parţială a cilindrilor hidraulici respectivi, lăsându-se tălpile pe capetele prefabricatelor, pentru a fi deplasate odată cu avansul. Liftarea va avea loc numai dupa fixarea în gripere, în caz contrar, instalaţia dezechilibrându-se. După liftare instalaţia este aptă pentru faza de săpare-avans.

Săparea şi avansul. Sunt faze tehnologice simultane în cursul cărora capul tăietor este acţionat cu motoarele electrice, la viteza corespunzătoare naturii rocii. Întreaga instalaţie este propulsată prin intermediul cilindrilor de avans cu forţe corelate cu natura rocii din front. Aceasta este faza cea mai lungă din ciclu, în care materialul dislocat din front este preluat de sistemul de benzi şi transferat în mijloace de transport pentru a fi evacuat la zi. În cadrul acestei faze mai au loc urmatoarele activitati: curăţirea radierului excavat pe măsura avansării instalaţiei; montarea prefabricatelor de vatră; verificarea permanentă a poziţiei instalaţiei şi conectarea acesteia prin mijloace cu care e dotată maşina (cilindrii de propulsie şi cilindrii ajutatori ai modului de gripare).
În această fază trebuie supravegheată permanent starea masivului forat şi realizat bilanţul dintre cantitatea de rocă transportată în vagonete şi volumul teoretic rezultat din avans şi secţiunea transversală a galeriei. Forajul şi avansul se opresc dacă se observă un raport necorespunzator (prea mare) intre volumul excavat şi distanta par-cursă, luindu-se măsuri de inspectare a frontului.



Fig. 3 Fazele de săpare şi avans la TBM

Unele detalieri privind fazele de lucru sunt prezentate în figurile de mai jos

Fig. 4 Deschiderea avansului pentru excavarea cu TBM
Dacă natura masivului de rocă o cere, se iau măsurile de susţinere locală prin aplicare de cintre, plase şi ancore, etc. instalaţia dispunând de mijloacele necesare pentru efectuarea acestor operaţii.

O activitate importantă, care asigură condiţiile de mediu din spaţiul de lucru al instalaţiei, este umectarea frontului, în vederea reducerii prafului provocat de procesul excavării. Tot în acest scop va fi asigurată permanent pe parcursul excavării funcţionarea instalaţiei de ventilaţie.

Degriparea instalaţiei şi translatarea în faţă a griperelor are loc după confirmarea rezemării posterioare şi este precedată de luarea măsurilor de extragere a adaosurilor de complectare dintre gripere şi pereţi. După degripare se comandă închiderea cilindrilor hidraulici de propulsie, ceea ce determină apropierea modulului de gripare de capul tăietor al instalatiei.

Fig. 5Flux tehnologic
Reaşezarea instalaţiei pe picioarele posterioare de reazem se realizează la sfirşitul fluxului.

Cu faza de degripare - avans gripare, ciclul de avansare al instalaţiei se încheie începînd un nou ciclu de avansare, conform fazelor mai sus analizate.

Vitezele care se realizează în forajul cu TBM depind de natura terenului, de distanţa frontului faţă de fereastră dar şi de starea tehnică a instalaţiei. În condiţii normale de lucru, se apreciază că sunt posibile viteze până la 15 m/24 ore. În cazul unor roci care necesită susţineri, vitezele de înaintare nu pot depasi 7m / 24 ore.

Excavarea cu masini de forat punctiforme

Masinile de forat punctiforme sunt instalatii complexe de forat, care au un brat dotat cu role, cutite discuri sau freze pentru excavarea rocii. Bratul se roteste impreuna cu organul de taiere care excaveaza numai intr-un punct; iar prin miscarea acestuia pe fata frontului de sus in jos si dintr-o parte in alta, se executa excavarea lucrarilor subterane. Instalatia se deplaseaza pe senile si are un faras pentru incarcarea sterilului pe o banda, iar de pe banda in masina sau vagoneti. Aceste masini sunt folosite la roci moi si semitari si la galerii cu sectiuni pâna la 14-16 m². Fata de masinile de forat la sectiune plina au urmatoarele dezavantaje:

• 
  sapa punctiform numai pe 20-30 cm² cât este capul rotativ al bratului;
  
• 
  au viteze de inaintare reduse de 3-5 ml/zi;
  
• 
  nu pot fi folosite la roci foarte tari ;
  
• 
  nu pot fi folosite la galerii cu diametre mari;
  

Au insa in raport cu tehnologia de excavare cu explozivi aceleasi avantaje ca si masinile de forat la sectiune plina.

Masinile de forat punctiforme se impart astfel:

• 
  masini cu taiere punctiforma echipate cu cutite;
  
• 
  masini cu taiere punctiforma prin impact (izbire).
  

ASPECTE PRIVIND AERAJUL
Toate lucrările tehnologice subterane vor fi aerisite prin curenţi de aer, care să asigure condiţii de lucru normale în ceea ce priveşte compoziţia şi microclimatul. Curenţii de aer vor fi dirijaţi astfel incât eventualele acumulări de gaze periculoase să fie diluate în proporţii acceptabile.
Aerul trebuie să conţină volumetric cel putin 19% oxigen şi cel mult 1% bioxid de carbon. Conţinutul maxim de CH₄ sau CN₂ în curentul general de mină, determinat la ieşirea din coloana ventilatorului este de 0,75. Temperatura maximă admisa este de 25°C. Concentraţiile maxime admise pentru toxice sunt:

oxid de carbon 0,002 % — 30 mg/mc aer

oxid de azot 0,0048 % — 10 mg/mc aer

bioxid de sulf 0,00035%—10 mg/mc aer

hidrogen sulfurat 0,00066— 10 mg/mc aer

Pentru realizarea acestor condiţii este necesar să se facă aerajul artificial, care este de mai multe feluri şi anume: aeraj aspirat; aeraj refulat; aeraj combinat.

Aerajul artificial se realizează cu ajutorul ventilatoarelor şi a tuburilor de aeraj. Viteza minimă de a curentului de aer în subteran va fi de 0,2 m/s la o temperatură de 20^°C iar limita maximă admisă pentru locul de muncă va fi de 4 m/s.
Calculul debitului de aer necesar în subteran se face ţinind cont de numărul de oameni în schimbul cel mai populat şi de numarul de mijloace de transport dotate cu motoare diesel aflate simultan în funcţionare. Pentru fiecare persoană debitul de aer va fi de minimum 3 mc/minut, iar pentru locomotive sau alte utilaje diesel, pentru fiecare CP, 3-6 mc/minut (funcţie de conţinutul de CO din gazele eşapate).
Locurile de muncă temporar oprite sau la care nu se lucrează vor fi aerisite în mod corespunzător, ca şi cele aflate în funcţiune. Pentru orice lucrare/front, ramură de galerie, zonă a cavernei subterane, se întocmeşte o schemă de aeraj prin care se rezolvă/dimensionează instalaţiile principale de aeraj, cu caracteristicile lor, direcţia şi repartiţia curenţilor de aer din fiecare circuit, cu indicarea debitelor din circuitele principale. De asemenea se stabilesc construcţiile de aeraj (uşi, staţii de măsură) şi amplasarea staţiilor de aeraj parţial.



Figura 2.9. Poziţia uzuală a tuburilor de ventilare în galerie

În multe tehnologii aerajul este de tip aspirant asigurat ventilatoare puternice centrifugale montate la gura galeriei, cu Q = 60 000-100. 000 mc/minut şi presiuni de 800-1 000 mm coloană Hg, pentru galeria standard de 15 mp. Tuburile de aeraj se montează de obicei pe bolta galeriei, din motive de gabarite şi se fixează cu sîrmă de ancore cu garnituri din furtun flexibil.

Tuburile se montează până la 10 m de front. La capătul din front al tubului de aeraj, se montează o sită conică pentru a opri pătrunderea în tub a sterilului de la explozie.
Ventilatorul este prevăzut cu un motor de rezervă, montat pe aceeaşi platformă, care să poată fi cuplat în maximum 30 minute şi alimentat cu energie electrică de la o sursă de energie separată. Ventilatorul are de obicei difuzor şi confuzor pentru a reduce pierderile. Ventilatoarele principale sunt construite sau adaptate de la caz la caz, în aşa fel încât să permită inversarea curentului principal de aer.
Toate lucrările subterane de tip „fund de sac” , aşa cum sunt galeriile de depozitare trebuie aerisite prin aeraj aspirant. Utilizarea altor sisteme de ventilaţie este admisă numai pe baza întocmirii unei documentaţii speciale. Distanţa maximă admisă până la front este de 10 m, cu condiţia să nu existe acumulări de gaze nocive. Aerajul prin difuzie la lucrările în fund de sac este admis până la o distanţă de maximum 10 m, cu condiţia ca în front calitatea aerului să fie corespunzătoare.
În cazul aerajului parţial refulant, ventilatorul este montat în curent de aer proaspăt, la minimum 6 m de la cotul spre lucrarea în fund de sac. În aerajul aspirant coloana de refulare se prelungeşte cel puţin 6 m în curentul de aer în care se refulează, pentru a se evita scurtcircuitarea aerului.
Pentru combaterea prafului la încarcărea materialului derocat, se aplică stropirea cu apă, iar la punctele de încărcare, descărcare, transbordare, se aplică pulverizarea apei sub formă de perdele de ceaţă. Pentru combaterea prafului rezultat la puşcare, se aplică barajul cu apă sau cu perdele de ceaţă. Pentru combaterea prafului pe căile de aeraj, transport, circulate se vor realiza perdele de ceaţă la locurile unde acestea pot fi puse în suspensie. Aerul impurificat va fi astfel evacuat în atmosferă încât să nu afecteze zonele din care se captează aerul proaspăt.

CONSIDERAŢII PRIVIND APLICABILITATEATEA TEHNOLOGIILOR DE EXCAVARE
Progrese în excavarea prin forare şi puşcare
Excavarea prin forare şi puşcare redevine o alternativă avantajoasă în execuţia galeriilor şi tunelelor depozitelor subterane. Nu necesită lucrări pregătitoare atât de ample ca la lansarea TBM. Asigură cel mai rapid avans în cazul rocilor tari, aşa cum sunt cele din amplasamentele selectate, în cazul cărora la TBM pot apare întreruperi de lungă durată datorate căderilor de blocuri în front. Este adecvată pentru excavarea oricăror forme ale secţiunii transversale, în timp ce TBM este posibil numai pentru secţiuni circulare. Permite adaptarea cu uşurinţă la schimbările de secţiune, de formă sau la schimbarea condiţiilor geologice.
Multe dintre dezavantajele excavării prin forare şi puşcare au fost reduse sau chiar eliminate în prin progresele înregistrate în ultimele decenii. Introducerea unor noi explozivi, de tip emulsii, reduce sensibil riscul de accidente/incidente de execuţie. Echipamentele de dată recentă pentru forarea şi încărcarea găurilor reduc sensibil necesarul de forţă de muncă în front şi timpul pentru fiecare fază. Prin tehnologia explozivilor tip emulsie s-a redus foarte mult fumul din front. Noi scheme de puşcare, asociate cu tehnici tip milisecundă, predecupaj, etc au redus supraprofilele şi deranjarea rocii în conturul excavat.
Din punctul de vedere al lansării execuţiei excavarea prin forare şi puşcare prezintă de asemenea o serie de avantaje. Forezele mutibraţ tip jumbo şi celelalte echipamente pot fi achiziţionate într-un interval de timp foarte scurt. Atacul şi deschiderea portaleler se poate face chiar în avans faţă de livrarea echipamentului principal de execuţie. Avansuri de 40 … 60 m/săptămână sunt acum uzuale. La excavarea în trepte şi faze, impusă de secţiunile mari, avansul este continuu şi vitezele de execuţie cresc.
Un avantaj semnificativ îl reprezintă posibilitatea de control riguros al conturului/formei excavate şi evitarea supraprofilelor prin utilizarea explozivilor speciali cu energie explozivă redusă. Se reduc costurile cămăşuelii şi ale susţinerilor provizorii. Cuplarea detonatorilor electronici programabili a îmbunătăţit la rândul ei regularitatea conturului excavat.
Dificultăţi în excavarea prin forare la secţiune plină
Excavarea prin forare la secţiune plină este în prezent extrem de răspândită indiferent de destinaţia tunelului şi de geologia traseului. Dificultăţi apar însă la excavarea în roci tari/dure, cu rezistenţă abrazivă mare. Schimbarea condiţiilor geologice pentru acelaşi amplasament poate conduce la dificultăţi mari de execuţie, dat fiind faptul că o TBM se realizează, cel puţin la nivelul capului tăietor, în acord cu caracteristicile rocii. Prezenţa în front, în unele zone, a apelor subterane la presiuni mari poate induce blocajul maşinii. Toate aceste considerente conduc la concluzia că pentru un ansamblu de lucrări subterane diverse utilizarea forării la secţiune plină prin utilizarea TBM implică conceperea şi realizarea unui sistem de TBM complex, costisitor, cu durată mare de confecţionare.
Proiectarea şi execuţia unei TBM adecvate tipului de lucrare subterană este condiţionantă pentru aplicarea cu succes a forării la secţiune plină în cazul depozitelor subterane. Avansul mai mare asigurat de excavarea cu TBM poate fi însă contrabalansat defavorabil de întreruperile cauzate de prăbuşiri în front şi/sau de nevoia de schimbare a capului tăietor în faza de excavaţie.