Hydraulický kamenolomní vrták určený speciálně pro tunely: nízká hladina hluku, vysoká stabilita, účinný i v úzkých prostorách

Silniční tunel Kaminiko v prefektuře Hirošima byl ražen skrz žulu s tlakovou pevností přesahující 200 MPa, přičemž nad jeho intrados (horní částí průřezu) se nacházely obydlí ve vzdálenosti 70 metrů. U delších úseků nebylo možné použít trhací práce. Stavební tým potřeboval hydraulický kamenolomný vrták schopný udržet rychlost tvorby volného průřezu 3,5 m² za hodinu v tvrdé hornině, a to v hlavní ražební štoli, kde nebylo místo pro manévrování velkého zařízení a kde nebylo možné tolerovat poškození zeminy nad tunelem způsobené vibracemi.

Právě tento soubor omezení definuje ražbu tunelů specifickou pro vrtné práce – nejen menší prostor, ale zcela odlišné technické zadání. Hlučnost, stabilita za podmínek omezených vibrací, účinnost odvádění třísky při omezeném průtoku vzduchu a geometrie vrtacího ramene, která umožňuje pokrytí celého průřezu bez nutnosti použít stroj, který se vůbec nevejde do průřezu, který má vrtat. Každý z těchto požadavků je v rozporu s ostatními, a vrták navržený pro povrchové lomy (např. pro práci na terénních stupních) nesplní několik z nich.

Geometrické omezení: Proč kompaktní neznamená slabý

Tunelové jumbo vrtací stroje se klasifikují podle průřezu, který jsou schopny zpracovat, nikoli podle rozměrů nosného vozidla. Vrtací zařízení určené pro průřezy 7–35 m² vyžaduje geometrii ramen, která umožňuje dosáhnout celého profilu vrtané čelní plochy – vrcholu, podlahy i bočních stěn – bez nutnosti přemisťovat nosné vozidlo. To vyžaduje konstrukci ramen s kloubovým spojením a možností paralelního uchycení, aby zůstal vedení trubkový vrták kolmý k vrtacímu vzoru bez ohledu na polohu ramene.

Co to znamená pro samotný horní vrták: musí dodávat 12–20 kW úderového výkonu v kompaktním tělese drifteru. Konstrukce drifteru s postupně zmenšujícím se pístem, používaná u některých tunelových driftérů, zvyšuje účinnost přenosu úderové energie právě proto, že optimalizuje hustotu výkonu, nikoli maximální energii úderu. Drifter s postupně zmenšujícím se pístem o výkonu 15 kW v hlavě o rozměrech 3,5 m × 1,8 m dokáže udržovat rychlost vrtání 2 m/min v hornině o pevnosti 80–120 MPa a zároveň se vejde do nosného vozidla, které projde přístupovým vrtaným otvorem o rozměrech 2,5 m × 1,5 m.

Nízkoprofilové konfigurace – například třída KJ212 navržená pro výrubní stěny o rozměrech pouhých 3,5 m × 1,8 m – využívají skládacího ramene právě proto, aby stroj mohl projet úsekem o rozměru 2,5 m × 1,5 m a následně se na výrubní stěně rozvinout do plné pracovní výšky. Toto není doplněk dodatečně zohledněný po skončení návrhu; je to základní konstrukční požadavek pro výrubní stěny v dolích s úzkými žílami.

Hluk v tunelu: Když standardní specifikace přechází na úroveň problému splnění předpisů

Otevřené skalní vrtání generuje na pozici obsluhy v otevřeném prostoru hladinu hluku 95–115 dB. Ve výrubní stěně tunelu o rozměrech 5 m × 5 m se tato stejná rázová energie nemůže rozptýlit – odraz zvuku od betonových nebo shotcretních stěn přidává 10–15 dB do celkové dozvukové hladiny. Trvalé vystavení hluku nad 85 dB vyžaduje podle předpisů většiny hornických pravomocí použití sluchové ochrany; nad 100 dB v uzavřeném prostoru začínají platit omezení délky směny.

Návrh tišeného vrtacího stroje pracuje na dvou úrovních: izolace vibrací mezi rázovým modulem a nosnou konstrukcí (snížení přenosu strukturou šířeného zvuku do pažení a rámu) a tlumený výfuk pro proplachování, kde je proplachovacím prostředkem vzduch. Proplachování vodou přirozeně potlačuje část rázového hluku a současně ovládá prach – oba tyto faktory jsou důležité při provozu u hlavy tunelu, kde se prach hromadí rychleji, než lze zajistit jeho odvětrání.

Předpisy pro tunelové projekty v městských oblastech – tedy silniční a železniční projekty pod zastavěnými územími – často stanovují maximální rychlost vibrací na povrchu, nikoli pouze maximální hladinu hluku u hlavy tunelu. Metody vrtání s volnou čelní plochou pomocí hydraulického rázu namísto trhavin umožňují dosáhnout rychlosti tvorby čelní plochy 3,5 m²/h v žulách s pevností nad 200 MPa a zároveň udržet vibrace na povrchu v přípustných mezích, což u výbušných metod není možné.

Specifikace tunelových vrtacích strojů: průřez, pažení a třída vrtacího stroje

Dvouramenný jumbo pokrývající vzor vrtů o 50 dírách na čelní ploše při postupu 3,5 m za kolo obvykle dokončí vrtní cyklus za 2,5–3 hodiny v pevné skále. Doba cyklu se výrazně prodlouží v porušené nebo hlínou proniknuté půdě, kde se funkce proti zaseknutí aktivují častěji – právě zde automatizované řízení parametrů snižuje lidskou reakční prodlevu, která jinak způsobuje zablokování vrtného řetězce.

Stabilita při vysokofrekvenčním zatížení v omezeném prostoru

Vrtací stroj pro hornické práce poháněný na nosné konstrukci typu jumbo přenáší vibrace do nosného rámu prostřednictvím napájecího ramene, upevnění ložiska a hydraulických hadic. V tunelu nemá rámová konstrukce pod sebou žádný měkký povrch, který by tyto vibrace pohltil – spočívá na betonu nebo zhutněném skalním zásypu, který všechny vibrace přenáší. Moderní tunelové jumbos jsou vybaveny standardně mokrými vícediskovými provozními brzdami a parkovacími brzdami s pružinovým přitlačením a hydraulickým uvolněním, a to právě za účelem zabránění posunu nosné konstrukce během rázového vrtání, který by způsobil odchylku vrtaného otvoru od plánované polohy.

Přesnost polohování nosné konstrukce ±2 cm je dosažitelná pomocí automatických systémů udržování rovnoběžnosti a laserového zarovnání, avšak pouze tehdy, je-li nosná konstrukce v okamžiku vytvoření ústí otvoru stabilní. Pokud se nosná konstrukce během prvního metru vrtání posune o 5 mm, vznikne odchylka vrtaného otvoru, která se do hloubky 4 metrů akumuluje na 50–80 mm – což je dostatečné k narušení vzoru výbušnin a ke vzniku nadměrného odlomu, který zvyšuje náklady na stříkaný beton při každém jednotlivém výbuchu.

Údržba těsnění a promývacího obvodu v podmínkách tunelu

Tunelové vrtací stroje nasbírají hodiny rázového zatížení rychleji než povrchová zařízení, protože stroj často nemůže mezi vrtanými otvory přemísťovat tak, jak to dokáže povrchová vrtná souprava. Menší doba přejezdu znamená více času stráveného vrtáním během jedné směny. Zejména promývací obvod je zatížen větší zátěží: promývání vodou v omezeném vrtacím prostoru znamená, že návratní proud přenáší jemné droby stále prostřednictvím rozhraní těsnění promývacího boxu, nikoli jako u otevřeného vrtu na povrchu, kde se droby mohou volně usadit.

HOVOO dodává těsnicí sady pro tunelové vrtáky používané na hlavních jumbo platformách – včetně modelů přizpůsobených specifikacím vrtáků Epiroc, Sandvik a Montabert. Vzhledem k vyššímu opotřebení záplachové skříně v podzemních aplikacích je výhodné mít záplachovou sadu a rázovou sadu jako samostatné vyměnitelné komponenty – nikoli jako jedinou kombinovanou sadu – což umožňuje cílenou výměnu na základě skutečného opotřebení, nikoli výměnu obou sad ve stejném intervalu. Modelově specifické sady jsou uvedeny na stránce hovooseal.com.