Jak wybrać hydrauliczny wiertnik skalny do budowy tuneli? Profesjonalna metoda

Koszt nieodpowiedniego wyboru wiertarki udarowej w budowie tunelu odzwierciedla się w pozycji księgowej, której większość procesów zakupowych nie śledzi: objętość nadmiernego wybuchu na jedno podejście. Wiertarka udarowa niezgodna z przekrojem tunelu, ułożeniem skał lub głębokości otworów generuje schemat odpalenia z nieregularnym rozkładem obciążenia – ładunek w każdym otworze musi przesunąć więcej lub mniej skały niż zaprojektowano, a otwory brzegowe powodują nierówną powierzchnię ścian tunelu; objętość betonu lub betonu natryskowego potrzebna do wypełnienia nadmiernego wybuchu jest rozliczana przy każdym podejściu przez cały okres realizacji projektu. W tunelu drogowym o długości 5 km i średniej liczbie 100 podejść nawet dodatkowe 0,1 m³ nadmiernego wybuchu na jedno podejście daje łącznie 10 m³ betonu, którego nie uwzględniono w budżecie.

To właśnie operacyjne ryzyko stojące za wyborem wiertarki udarowej w pracach tunelowych. Decyzje techniczne dotyczą dokładności otworów, spójnej prędkości wiercenia w zmiennej geologii oraz niezawodnej pracy w trybie ciągłym – a nie maksymalnych wartości energii uderzeniowej podanych w arkuszu specyfikacji.

Konfiguracja ramy tunelowej określa typ wiertnicy, który z kolei określa klasę wiertarki

Punkt wyjścia to przekrój poprzeczny tunelu, a nie rodzaj skały. Przekrój poprzeczny decyduje o liczbie ram montowanych na wiertnicy samojezdnej (jumbo), co z kolei określa ograniczenia geometryczne (mechaniczne) wiertarki. W przypadku małych tuneli o powierzchni przekroju poniżej 20 m² (wąskie szyby górnicze, małe korytarze dostępowe) jednoramowa wiertnica musi umożliwiać wykonanie wszystkich otworów z jednej pozycji nośnika bez konieczności jego przemieszczania – wiertarka musi być wystarczająco kompaktowa, aby zmieścić się w ograniczeniach wynikających z krótkiej długości ramy, bez utraty energii uderzeniowej. W przypadku tuneli drogowych o powierzchni przekroju powyżej 80 m² wiertnica samojezdna z dwiema lub trzema ramami pozwala na jednoczesne wiercenie w wielu strefach czoła robót; wybór wiertarki polega wtedy na dopasowaniu jej klasy uderzeniowej do rodzaju skały, podczas gdy rama zapewnia odpowiedni zasięg geometryczny.

Konsekwencja praktyczna: w przekroju tunelu kolejowego o wymiarach 6×7 m (42 m²) maszyna wiertnicza z dwoma ramami roboczymi i średniej klasy wiertnicami udarowymi (80–150 J) osiąga zwykle lepsze wyniki niż jednoramowa maszyna z ciężkimi wiertnicami udarowymi, ponieważ dwuramowa maszyna wykonuje schemat otworów na ścianie roboczej (80–120 otworów) o 40–60% szybciej w każdej pozycji. Dodatkowa energia udarowa ciężkiej wiertnicy jest marnowana, jeśli ograniczającym czynnikiem jest czas pozycjonowania między otworami, a nie szybkość wiercenia w obrębie poszczególnego otworu.

Klasyfikacja formacji skalnych do doboru wiertnic udarowych do robót tunelowych

Geologia tunelu zmienia się w sposób ciągły wzdłuż trasy wykonywania robót — w niektórych odcinkach jest twardsza niż przewidywano, w innych miększa i bardziej pęknięta. Wiertnica udarowa musi zapewniać odpowiednią wydajność we wszystkich napotkanych warunkach geologicznych, a nie tylko przy formacji skalnej przyjętej jako podstawa projektowa. W przypadku projektów, w których dobrane jest urządzenie zoptymalizowane pod kątem dominującej geologii, a następnie napotkano 40 m granitu o wytrzymałości na ściskanie wynoszącej 180 MPa (podczas gdy projekt zakładał wapienie o wytrzymałości 100 MPa), obserwuje się spadek szybkości wiercenia, który powoduje opóźnienie całego harmonogramu realizacji projektu.

Odpowiedni kryterium doboru wiertarki do tuneli o zmiennej geologii: należy wybrać klasę wiertarki na podstawie najtrudniejszych 20% przewidywanej formacji, a nie średniej. Zapas wydajności w miększym gruncie jest kompensowany wyższą prędkością wiercenia niż zaprojektowana – to pożądany problem. Niedobór wydajności w gruncie twardszym niż zaprojektowany jest kompensowany opóźnieniem.

Macierz doboru wiertarek do zastosowań tunelowych

Dokładność otworów: Metryka wydajności specyficzna dla robót tunelowych

W wierceń powierzchniowych odchylenie otworów na głębokości ma znaczenie dla geometrii zapłonu, ale często można je skompensować w projektowaniu ładowania. W budowie tuneli odchylenie otworów decyduje o tym, czy tzw. wyciąg (cut) będzie działał prawidłowo — ciasno rozmieszczone, nieładowane otwory ulgi w środku ściany roboczej muszą znajdować się w odległości 20–30 mm od zaprojektowanych pozycji; w przeciwnym razie kolejność wyciągu nie zapewnia odpowiedniego wypychania skały, co prowadzi do zmniejszenia postępu na cykl. Cykl z nieudanym wyciągiem daje postęp wynoszący 1,5–2 metra zamiast zaprojektowanych 4–5 metrów i wymaga ponownego wiercenia kolejnej ściany roboczej.

Współczynnik półodlewu jest standardową miarą jakości wiercenia konturowego: stosunek widocznych na wybuchowej powierzchni półodlewów otworów strzałowych do całkowitej długości otworów konturowych. W zdrowej skale i przy prawidłowo zaprojektowanych schematach wiercenia osiągalne są współczynniki półodlewu w zakresie 50–80%. Nieodpowiedni wybór wiertnicy – np. takiej, która zbyt silnie reaguje na wolne uderzanie, charakteryzuje się niestabilną kontrolą docisku lub nie posiada wystarczającej funkcji zapobiegania zakleszczeniom w danej geologii – prowadzi do wiercenia krzywych otworów, co powoduje niskie współczynniki półodlewu niezależnie od jakości użytych materiałów wybuchowych. Komputerowo sterowane wiertnice tunelowe z ramami utrzymującymi równoległość i automatyczną funkcją pozycjonowania głowicy dają znacznie lepsze wyniki półodlewu w jednorodnej skale niż ręcznie ustawiane urządzenia wyposażone w te same wiertnice.

Wymagania dotyczące odprowadzania odpadów w środowisku tunelowym

Wiercenie tuneli opiera się niemal wyłącznie na płukaniu wodą, w przeciwieństwie do wiercenia powierzchniowego z użyciem ławek, gdzie płukanie powietrzem jest praktyczne. Wymagania dotyczące ciśnienia wody płukającej dla typowych średnic otworów tunelowych (45–76 mm, głębokość 3–5 m) mieszczą się w zakresie 15–25 bar. Driftersy o wyższej zdolności do płukania pod ciśnieniem (np. Epiroc COP 1638+ do 25 bar) zapewniają skuteczne usuwanie odpadów wraz ze wzrostem szybkości przebijania w utworach miękkich i średnio twardych; driftersy o niższych parametrach płukania (20 bar) mogą doświadczać zatkania odpadami w przypadku szybkości przebijania wyższej niż przewidywano.

Przepłukiwanie wodą oddziałuje również bezpośrednio na uszczelki obudowy przepłukującej – kluczowy element oddzielający obwód wodny od obwodu oleju udarowego. W tunelach, gdzie jakość wody kopalnianej jest zmienna lub zawiera minerały, uszczelki przepłukujące z podkładką PTFE znacznie przewyższają trwałością standardowe uszczelki wargowe. Krótkie interwały wymiany uszczelek w zastosowaniach tunelowych (zazwyczaj 350–400 godzin pracy udarowej w porównaniu do 450–500 godzin na powierzchni) należy zaplanować od samego początku. HOVOO dostarcza zestawy uszczelek z poliuretanu (PU), HNBR oraz z podkładką PTFE do wszystkich głównych modeli wiertnic tunelowych. Dane kontaktowe na stronie hovooseal.com.