Rock Pipe Jacking Machine: Kompletní průvodce typy, řezacími systémy a výběrem projektu

Co je to stroj na zvedání trubek a proč podmínky ve skalách vyžadují speciální vybavení

Stroj pro protlačování kamenných trubek je speciální bezvýkopové stavební zařízení určené k provrtávání tvrdých nebo smíšených skalních útvarů a současně za ní instaluje řadu trubek pomocí hydraulických zdvihacích sil aplikovaných z odpalovací šachty k tlačení celého potrubí a stroje vpřed skrz zemi. Stroj hloubí skalní stěnu na čele vrtu, odstraňuje hlušinu instalovaným potrubím a udržuje přesnou linii a sklon, které jsou potřebné pro hotové potrubí – to vše bez otevřeného výkopu na povrchu. Stroje pro protlačování skalních trubek jsou vhodným zařízením pro instalaci gravitačních kanalizací, vodovodních potrubí, plynovodů a kabelových kanálů pod silnicemi, železnicemi, řekami a městskou infrastrukturou, kde je zakázáno nebo nepraktické narušování povrchu a kde zemní podmínky zahrnují příliš tvrdé nebo abrazivní horniny, než s nimiž lze manipulovat se standardním zařízením pro protlačování trubek s měkkým povrchem.

Rozdíl mezi standardním strojem pro protlačování trubek a strojem navrženým speciálně pro horninové podmínky je zásadní. Mikrotunelovací stroje s měkkým povrchem využívají k podpoře čela tunelu tlak kalu nebo vyvážení tlaku zeminy a používají kotoučové frézy nebo kleště vhodné pro půdu a slabou horninu. V kompetentních tvrdých horninách – žule, čediči, křemenci, pískovci nebo vápenci s neomezenou pevností v tlaku (UCS) nad 80 až 100 MPa – se tyto řezné nástroje rychle opotřebovávají, rychlost těžby klesá na nepřijatelnou úroveň a stroj se může zaseknout, pokud se zem sama podepře bez tlaku kapaliny, na který stroj spoléhá. A stroj na zvedání kamenných trubek řeší všechny tyto výzvy s účelově navrženými řezacími hlavami nesoucími kotoučové řezáky nebo knoflíkové bity určené pro tvrdou horninu, robustními hlavními ložisky a hnacími systémy schopnými vydržet vysoké zatížení v tahu a kroutícím momentu, které vyžaduje těžba horniny, a často v otevřeném nebo atmosférickém pracovním režimu vhodném pro podmínky samonosné horniny.

Jak fungují stroje na protlačování trubek Rock: Kompletní proces

Proces protlačování trubek ve skále se řídí stejnou základní sekvencí jako v měkčím terénu, ale každá fáze zahrnuje vybavení a postupy přizpůsobené výzvám těžby tvrdých hornin. Pochopení celého procesu objasňuje, co musí stroj dělat a proč jsou jeho různé systémy navrženy tak, jak jsou.

Spusťte přípravu hřídele a nastavení stroje

Proces začíná výstavbou spouštěcí šachty — vertikálního výkopu, ze kterého se stroj spustí a potrubí se posune. Ve skalních formacích jsou odpalovací šachty často tvořeny vrtáním a odstřelováním nebo řezáním kamennou pilou a musí mít dostatečnou velikost, aby se do nich vešel zvedací rám, opěrná stěna a první instalované části potrubí. Opěrná stěna – železobetonová nebo ocelová konstrukce opírající se o zadní stěnu šachty – musí být navržena tak, aby odolala plné zvedací síle, která bude aplikována během ražby, která v podmínkách tvrdých hornin může dosahovat několika stovek tun i u vrtů středního průměru. Stroj se spustí do hřídele, nastaví se na zvedací rám ve správné linii a sklonu a připojí se k vlečným systémům – potrubí ke kalu, napájení, datové kabely a dopravník na odstraňování hlušiny nebo potrubí ke kalu – před zahájením vrtání.

Těžba horniny u frézy

Řezná hlava se otáčí proti skalní stěně pod kombinovaným účinkem přítlačné síly vyvíjené systémem zvedání a krouticího momentu z hnacích motorů řezné hlavy. V tvrdé hornině je primární řezání prováděno kotoučovými frézami – tvrzenými ocelovými kotouči, které se valí po skalní stěně pod vysokým bodovým zatížením a vyvolávají tahové lomy, které odštěpují horninu mezi sousedními dráhami frézy. Rozteč, průměr a zatížení hrotu kotoučových fréz jsou navrženy pro konkrétní typ horniny a UCS – tvrdší a abrazivnější horniny vyžadují blíže rozmístěné frézy s větším průměrem s vložkami z tvrdokovu vyšší třídy, aby bylo dosaženo přijatelné rychlosti pronikání a životnosti frézy. Měkčí nebo rozlámanou horninu lze řezat efektivněji pomocí vlečných nebo kombinovaných nožových hlav, které nesou jak kotoučové frézy, tak kleště pro podmínky se smíšeným povrchem.

Odstraňování nečistot z vrtu

Skalní úlomky vytvořené na řezné hlavě musí být transportovány zpět přes nainstalovaný potrubní řetězec do odpalovací šachty k odstranění. U strojů pro protlačování kamenných trubek v režimu kalu se voda nebo bentonitový kal čerpá do řezací hlavy, kde se mísí s kamennou drtí a je čerpán zpět jako kal do separačního zařízení na povrchu. Tato metoda efektivně zpracovává jemné částice horniny a malé třísky, ale vyžaduje dostatečnou rychlost kalu k přepravě hrubších úlomků hornin produkovaných v tvrdé hornině – což je faktor, který ovlivňuje velikost kalového čerpadla a průměr potrubí. V některých konfiguracích pro protlačování kamenných trubek, zejména v samonosných kompetentních horninách, se místo dopravy kalu používá mechanická doprava – šnekový dopravník nebo vlečný dopravník procházející potrubím, což eliminuje potřebu separačního zařízení a zjednodušuje provoz na místě.

Instalace potrubí a sekvence zvedání

Jak stroj postupuje, jsou části potrubí spouštěny do spouštěcí šachty a přidávány k zadní části potrubí, které je tlačeno dopředu hlavním zvedacím rámem. Každý zdvihový zdvih posune strunu o jednu délku trubky – obvykle 1,0 až 3,0 metry v závislosti na průměru trubky a hloubce šachty. Zvedací rám se poté zasune, spustí se a umístí nová trubka a začne další zdvih. Mezilehlé protlačovací stanice – hydraulické zvedáky instalované mezi trubkovými sekcemi v intervalech podél pohonu – se používají u delších pohonů ke snížení kumulativního třecího zatížení, které by jinak vyžadovalo, aby hlavní protlačovací rám tlačil celou délku potrubí, která u pohonů kameny může u dlouhých vývrtů dosáhnout několika tisíc tun.

Řízení a ovládání sklonu

Udržování specifikované linie a sklonu horniny vyžaduje řídicí systém schopný překonat směrové tendence, které na stroj může vyvolat anizotropie horniny a lomové vzory. Stroje pro zvedání skalních trubek používají kloubové štíty s hydraulickými válci řízení, které vychylují přední část stroje vzhledem k vlečené trubce, což umožňuje plynulé provádění korekcí během jízdy. Laserový teodolit nebo gyroskopický naváděcí systém monitoruje polohu stroje vzhledem k konstrukčnímu vyrovnání, přičemž data v reálném čase se zobrazují na kontrolní stanici povrchu. V tvrdých horninách musí být korekce řízení aplikovány postupně – náhlé úpravy řízení ve ztuhlém terénu mohou způsobit poškození potrubního spoje nebo zvýšené třecí zatížení – a geometrie řízení stroje musí být přizpůsobena průměru potrubí a toleranci spoje, aby nedocházelo k nadměrnému namáhání potrubí při změnách směru.

Typy fréz pro různé podmínky hornin

Řezací hlava je definující součástí stroje pro protlačování kamenných trubek – její konstrukce určuje, zda stroj dokáže efektivně hloubit cílovou horninu, jak rychle dochází k opotřebení frézy a jak stroj funguje v podmínkách smíšeného povrchu. Výběr nebo specifikace správné konfigurace řezné hlavy pro podmínky na zemi je jedním z nejkritičtějších rozhodnutí při plánování projektu.

Kontrola frézy a přístup k výměně je kritickým konstrukčním hlediskem u strojů pro protlačování kamenných trubek. U strojů s větším průměrem (typicky DN 1200 a výše) je možné, aby personál za bezpečných atmosférických podmínek v samonosné hornině vstoupil do komory frézy, aby během jízdy zkontroloval a vyměnil opotřebované frézy. U strojů s menším průměrem vyžaduje výměna frézy buď zatažení stroje do spouštěcí hřídele, což je výrazná úspora času a nákladů, nebo použití dálkově ovládaných systémů výměny fréz, které umožňují výměnu opotřebovaných nástrojů bez zásahu člověka. Proveditelnost a náklady na změny fréz by měly být zohledněny při plánování pohonu, zejména u dlouhých pohonů ve vysoce abrazivní hornině, kde je spotřeba frézy vysoká.

Výpočty zdvihací síly a mezilehlé zdvihací stanice

Celková zdvihací síla potřebná k posunutí stroje pro protlačování kamenných trubek je jedním z nejdůležitějších parametrů při plánování projektu – určuje kapacitu hlavního rámu pro protlačování, konstrukční návrh opěrné stěny, požadovanou pevnost částí trubek a zda jsou zapotřebí mezilehlé protlačovací stanice. Podcenění zvedací síly vede k zastavení pohonů, poškození potrubí při nadměrném tahu nebo projektů, které nelze dokončit.

Celková zvedací síla je součtem čelního odporu – síly potřebné k posunutí řezné hlavy horninou – a povrchového tření po celé délce instalovaného potrubí. Odpor čela v hornině je primárně funkcí UCS horniny, oblasti řezné hlavy a konfigurace řezačky. Povrchové tření je určeno prstencovou mezerou mezi vnějším průměrem trubky a vrtem, rozměrem přesahu, účinností vstřikování maziva a drsností povrchu trubky. Při protlačování kamenných trubek je průměr vrtu obvykle o něco větší než vnější průměr trubky – přeříznutí – aby se snížilo tření v kůži a poskytl prostor pro vstřikování prstencového mazání. Typický přesah pro skalní podmínky je 20 až 50 mm na poloměru, v závislosti na kvalitě horniny a délce jízdy.

Mezilehlé zvedací stanice (IJS), také nazývané meziválce, jsou sestavy hydraulického zvedáku instalované mezi úseky potrubí ve vypočítaných intervalech podél pohonu. Umožňují rozdělení pohonu na kratší segmenty, z nichž každý je posunut dopředu nejbližší protlačovací stanicí, takže žádný jednotlivý úsek trubky nenese kumulativní tření celé délky pohonu. Pro pohony pro protlačování kamenných trubek přesahující 150 až 200 metrů v typických podmínkách jsou IJS téměř vždy vyžadovány. Rozteč IJS je určena maximálním přípustným tlakovým zatížením na trubkové části – výrobci trubek specifikují maximální povolené tlakové síly pro své produkty a rozteč IJS musí zajistit, aby tato síla nebyla v žádném bodě pohonu překročena za nejhorších podmínek tření.

Mazání a prstencová injektáž při protlačování kamenných trubek

Mazání prstencového prostoru mezi trubkovou kolonou a stěnou vrtu je nezbytné u všech pohonů pro protlačování trubek, ale má specifické vlastnosti v podmínkách hornin ve srovnání s aplikacemi s měkkým povrchem. V měkké půdě bentonitová kaše vstřikovaná přes otvory v trubkové koloně vyplňuje prstenec a snižuje kožní tření tím, že poskytuje mazací médium s nízkým smykem. V hornině samonosná stěna vrtu znamená, že mazivo nemusí poskytovat čelní oporu, ale stále plní kritickou funkci snížení kontaktního tření mezi trubkou a horninou a brání tomu, aby se kolona trubek zablokovala ve vrtu, pokud je pohon na nějakou dobu zastaven.

Vstřikování maziva v pohonech hornin využívá bentonitovou nebo polymerní mazací maltu vstřikovanou několika vstřikovacími otvory rozmístěnými podél potrubí. Injektážní tlak musí být dostatečný k vyplnění prstencového prostoru a vytlačení veškerých podzemních vod nebo jemných hornin, ale ne tak vysoký, aby způsobil hydraulické štěpení okolní horniny nebo unikal podél zlomových rovin do povrchu země nebo přilehlých struktur. Sledování vstřikovacích objemů a tlaků na každém portu během pohonu poskytuje informace o kvalitě prstencového plnění a upozorňuje obsluhu na místa, kde se potrubí dostává do přímého kontaktu se stěnou vrtu – stav, který zvyšuje tření a riziko opotřebení.

Po dokončení pohonu je prstencový prostor obvykle injektován cemento-bentonitovou nebo PFA-cementovou spárovací hmotou, která poskytuje trvalou oporu pro trubku a vyplňuje všechny dutiny, které by jinak mohly způsobit usazování v nadložní zemi. V kompetentních horninách, kde je vrt plně samonosný, lze tento injektážní krok u pohonů s malým průměrem vynechat, ale je standardní praxí pro větší průměry a v horninách s jakýmkoli stupněm lomu nebo zvětrávání, které by mohlo mít za následek postupné uvolňování bloků do prstencového prostoru v průběhu času.

Požadavky na průzkum země pro projekty zvedání kamenných trubek

Úspěch projektu protlačování kamenných trubek do značné míry závisí na kvalitě průzkumu terénu provedeného před výběrem stroje a plánováním projektu. Podmínky hornin jsou notoricky proměnlivé na krátké vzdálenosti a parametry, které nejvíce ovlivňují výkon stroje – UCS, index abrazivity, četnost lomů a přítomnost smíšených zón – nelze spolehlivě odvodit z mapování povrchu nebo z řídkých údajů o vrtech. Neadekvátní průzkum terénu je nejčastější příčinou neočekávaných zastavení stroje, spotřeby frézy, která výrazně převyšuje předpovědi, a překročení projektových nákladů při protlačování kamenných trubek.

• Vrtání vrtu podél vyrovnání pohonu: Minimálním požadavkem pro smysluplný pozemní model jsou rotační jádrové vrty s roztečí maximálně 50 metrů podél vyrovnání pohonu, které získávají kontinuální vzorky jádra pro těžbu dřeva a laboratorní testování. Pro každý běh by se mělo zaznamenat procento obnovy jádra, označení kvality horniny (RQD) a frekvence zlomenin na metr. U pohonů v geologicky složitém terénu je menší rozteč vrtů odůvodněna náklady na zastavení stroje, které mohou způsobit nedostatečné údaje.
• Laboratorní testování hornin: Vzorky jádra by měly být testovány na neomezenou pevnost v tlaku (UCS) podle norem ISRM nebo ASTM, brazilskou pevnost v tahu, index bodového zatížení a index abrasivity Cerchar (CAI) nebo ekvivalent. CAI je zvláště důležitá pro odhad spotřeby fréz – vysoce abrazivní horniny (CAI nad 3,0) mohou spotřebovávat kotoučové frézy rychlostí třikrát až pětkrát vyšší než středně abrazivní materiály, což dramaticky ovlivňuje ekonomiku projektu.
• Hydrogeologický posudek: Podmínky podzemní vody podél náhonu ovlivňují návrh systému odstraňování hlušiny, způsob výstavby šachty a riziko vniknutí podzemní vody do puklinových nebo krasových hornin. Hladiny stojaté vody ve vrtech a testování pěchů k charakterizaci propustnosti by měly být zahrnuty do programu průzkumu půdy pro všechny náhony, kde se předpokládá podzemní voda.
• Identifikace stavu smíšeného obličeje: Přechodové zóny mezi horninou a nadložní půdou, rozhraní zvětralých hornin a kontakty s hrází nebo průniky do horninového masivu jsou nejrizikovějšími podmínkami pro stroje na protlačování kamenných trubek. Pozemní průzkum by se měl konkrétně pokusit charakterizovat tyto přechodové zóny a identifikovat jejich pravděpodobné polohy podél pohonu, aby bylo možné v těchto úsecích náležitě specifikovat řezací hlavu a předem plánovat rychlost.

Klíčové specifikace k porovnání při výběru stroje na zvedání kamenných trubek

Při hodnocení strojů na mikrotunelování hornin a zařízení pro protlačování trubek z tvrdého kamene pro konkrétní projekt jsou nejdůležitější následující parametry specifikace pro porovnání mezi dodavateli a modely:

Běžné problémy u pohonů pro zvedání kamenných trubek a jak jim předcházet

Dokonce i dobře naplánované projekty protlačování kamenných trubek narážejí na provozní problémy. Pochopení nejčastějších problémů a jejich příčin pomáhá projektovým týmům zavádět preventivní opatření a efektivně reagovat, když se objeví problémy.

• Zasekávání řezné hlavy na nadměrných úlomcích hornin: V rozlámané hornině se bloky větší než otvor řezací hlavy mohou zaklínit do řezné hlavy a zastavit rotaci. Prevence vyžaduje přizpůsobení velikosti otvoru řezné hlavy očekávané velikosti bloku z charakterizace horninového masivu a zajištění dostatečné rezervy točivého momentu řezné hlavy, aby se uvolnila z menších záseků. Některé stroje pro protlačování kamenných trubek obsahují reverzibilní rotaci řezné hlavy speciálně pro uvolnění zaseknutých řezáků nebo úlomků.
• Příval podzemní vody v členitých zónách: Vysoce rozbitá hornina s výrazným hydraulickým spádem může způsobit rychlý přísun podzemní vody do vrtu, když stroj protíná zónu lomu nesoucí vodu. Prevence vyžaduje hydrogeologické posouzení před nájezdem a tam, kde jsou identifikovány vysoce rizikové zóny, předběžnou injektáž z povrchu nebo zevnitř potrubí, aby se snížila propustnost před tím, než stroj dorazí do zóny. Zařízení pro nouzové utěsnění porubu by mělo být k dispozici na všech pohonech v potenciálně zvodnělé hornině.
• Zablokování pohonu od tření potrubí: Pokud je pohon na delší dobu zastaven – z důvodu údržby, výměny frézy nebo poruchy zařízení – může se trubkový řetězec zablokovat ve vývrtu, protože se mazací hmota zpevňuje na potrubí. Prevence vyžaduje udržování pravidelných objemů vstřikovaného maziva, provádění krátkých zdvihů, aby se potrubí udrželo v pohybu během plánovaných odstávek, a pohotovostní plány pro nouzovou remobilizaci, pokud dojde k neplánované odstávce. Mezilehlé zvedací stanice by měly být aktivovány, aby se přerušilo tření v segmentech, spíše než se pokoušet uvolnit celou strunu pomocí hlavního zvedacího rámu.
• Naváděcí odchylka ve vysoce anizotropní hornině: Kámen se silným olistěním, podložím nebo kloubovými sadami pod úhlem ke směru pohonu působí bočními silami na řeznou hlavu, které mohou vytlačit stroj ze zarovnání, než se použijí korekce řízení. Prevence vyžaduje časté monitorování navádění – ideálně nepřetržité automatické sledování – a proaktivní úpravy řízení spíše než reaktivní korekce poté, co došlo k významné odchylce. Ve známých anizotropních úsecích hornin umožňuje snížení rychlosti postupu větší kontrolu nad směrem stroje.
• Zablokování potrubí kejdu hrubými odřezky: V tvrdých horninách vytváří štěpkování kotoučovou řezačkou nepravidelné úlomky, které mohou být výrazně hrubší, než jsou systémy řídké kaše s měkkým mletím navrženy pro přepravu. Ucpání ve zpětném potrubí kejdy způsobuje rychlé zastavení pohonu a může být obtížné je vyčistit instalovaným potrubím. Prevence vyžaduje zajistit, aby rychlost kalu a průměr potrubí odpovídaly očekávané velikosti třísek, instalovat přístupná čistící místa v okruhu kalu a nepřetržitě monitorovat objem zpětného toku a tlak čerpadla, aby bylo možné detekovat částečné ucpání dříve, než se stanou úplnými překážkami.

Výběr správného stroje na zvedání trubek pro váš projekt

Přizpůsobení specifikace stroje konkrétním podmínkám terénu, geometrii pohonu a omezením projektu každého projektu protlačování kamenných trubek je zásadní pro dosažení požadovaného výsledku v rámci programu a rozpočtu. Následující otázky poskytují strukturovaný rámec pro výběrový proces:

• Jaký je maximální UCS a index abrasivity cercharu cílové horniny? Tyto dva parametry společně určují požadovanou specifikaci frézy a očekávanou spotřebu frézy. Stroj určený pro horninu 150 MPa UCS by neměl být rozmístěn v žule s tlakem 250 MPa – ověřte, že hodnocení UCS návrhu stroje odpovídá nebo překračuje vaše údaje z pozemního vyšetřování s přiměřenou bezpečnostní rezervou.
• Jaká je délka pohonu a průměr potrubí? Délka pohonu určuje, zda jsou vyžadovány mezilehlé zvedací stanice, a ovlivňuje minimální potřebnou kapacitu hlavního zvedacího rámu. Průměr trubky určuje průměr vrtání, průměr řezné hlavy, rozměry stroje a to, zda je možná kontrola řezačky člověkem – obvykle proveditelná pouze nad přibližně DN 1000 až 1200 v závislosti na konstrukci stroje.
• Očekávají se smíšené podmínky? Pokud pohon prochází zónami, kde je hornina překryta nebo proložena měkčím materiálem, je vyžadována kombinovaná řezací hlava a stroj schopný pracovat jak v režimu otevřené horniny, tak v režimu vyvážení zemního tlaku v uzavřeném povrchu nebo v režimu kalu. Potvrďte schopnost stroje konkrétně ve smíšených podmínkách, nejen v čisté hornině.
• Jaká jsou omezení místa ohledně rozměrů šachty a plochy? Zařízení pro zvedání skalních trubek – rám pro zvedání, zařízení na kejdu, manipulace s hlušinou – vyžaduje značnou plochu kolem odpalovací šachty. Potvrďte, že konfigurace zařízení navržená dodavatelem zapadá do dostupného půdorysu místa, včetně bezpečného přístupu pro jeřábové operace ke spodním částem potrubí a pro přesuny cisteren na kejdu.
• Jaké výsledky má dodavatel ve srovnatelných horninových podmínkách? Vyžádejte si reference projektu speciálně pro protlačování skalních trubek ve srovnatelné geologii – rozsah UCS, typ horniny, délka a průměr. Dodavatel s rozsáhlými zkušenostmi v oblasti mikrotunelování na měkkém podkladu, ale omezenými zkušenostmi s tvrdým rockem, je pro náročné rockové řízení riskantnější volbou než dodavatel s více dokončenými rockovými projekty v podobných podmínkách. Požádejte o případové studie včetně dosažených měr penetrace a údajů o spotřebě frézy, nejen o potvrzení dokončení projektu.