Hydrauliczne wiertło do skał przeznaczone specjalnie do robót tunelowych: niski poziom hałasu, wysoka stabilność, wydajne w ciasnych przestrzeniach

Tunel drogowy Kaminiko w prefekturze Hiroszima przebiegał przez granit o wytrzymałości na ściskanie przekraczającej 200 MPa, przy czym budynki mieszkalne znajdowały się zaledwie 70 metrów nad sklepieniem tunelu. W długich odcinkach nie można było stosować odstrzału. Zespół budowlany potrzebował hydraulicznego wiertnicy skalnej, która byłaby w stanie zapewnić szybkość formowania wolnej powierzchni wynoszącą 3,5 m² na godzinę w twardych skałach, w głowicy tunelu, gdzie nie było miejsca na manewrowanie dużym sprzętem oraz gdzie nie dopuszczano uszkodzeń gruntu spowodowanych wibracjami w warstwie nad tunelem.

To właśnie taki zestaw ograniczeń definiuje wiercenie specyficzne dla tuneli — nie tylko mniejsze przestrzenie, ale zupełnie inny zakres wymagań inżynierskich. Poziom hałasu, stabilność pod wpływem wibracji w ograniczonej przestrzeni, skuteczność płukania przy ograniczonym przepływie powietrza oraz geometria ramy roboczej zapewniająca pełne pokrycie przekroju tunelu bez konieczności stosowania maszyny, której wymiary uniemożliwiają przejście przez ten sam przekrój, który ma wiercić. Każde z tych wymagań stoi w sprzeczności z innymi, a wiertnica zaprojektowana do pracy na otwartych kopalniach (np. przy wykonywaniu poziomów) nie spełniłaby wielu z nich.

Ograniczenie geometryczne: dlaczego kompaktowość nie oznacza słabszej mocy

Wiertnice tunelowe typu jumbo klasyfikuje się według przekroju poprzecznego, jaki są w stanie obsłużyć, a nie według wymiarów podwozia. Urządzenie przeznaczone do przekrojów o powierzchni 7–35 m² wymaga geometrii ramy roboczej (boom), która umożliwia osiągnięcie pełnego profilu przekroju roboczego — górnej części (crown), podłogi (floor) oraz ścian bocznych (sidewalls) — bez konieczności zmiany położenia podwozia. Wymaga to zastosowania ramy roboczej z przegubami i możliwością równoległego utrzymywania narzędzia, dzięki czemu belka napędowa pozostaje prostopadła do wzoru wiercenia niezależnie od położenia ramy.

Co to oznacza dla samego wiertła skalnego: musi ono dostarczać mocy uderzeniowej w zakresie 12–20 kW w zwartej obudowie driftera. Konstrukcja tłoka stopniowego stosowana w niektórych drifterach przeznaczonych do robót tunelowych poprawia wydajność przenoszenia energii uderzeniowej właśnie dlatego, że zoptymalizowano ją pod kątem gęstości mocy, a nie maksymalnej energii. Drifter z tłokiem stopniowym o mocy 15 kW w przekroju roboczym o wymiarach 3,5 m × 1,8 m zapewnia stałą prędkość wiercenia na poziomie 2 m/min w skałach o wytrzymałości 80–120 MPa, przy jednoczesnym dopasowaniu się do podwozia, które może przejść przez szyb dostępowy o przekroju 2,5 m × 1,5 m.

Konfiguracje o niskim profilu — takie jak klasa KJ212 zaprojektowana do robót w wyrobiskach o wymiarach zaledwie 3,5 m × 1,8 m — wykorzystują składany wysięgnik specjalnie po to, aby maszyna mogła przejechać przez przekrój o wymiarach 2,5 m × 1,5 m, a następnie rozwinąć się do pełnej wysokości roboczej przy czole wyrobiska. Nie jest to element dodatkowy; stanowi to podstawowe wymaganie projektowe dla wyrobisk rozwojowych w kopalniach o cienkich żyłach.

Hałas w tunelu: Gdy standardowa specyfikacja staje się kwestią zgodności z przepisami

Otwarte wiercenie skał generuje poziom hałasu wynoszący 95–115 dB w miejscu operatora na otwartym terenie. W wyrobisku tunelu o wymiarach 5 m × 5 m ta sama energia uderzeniowa nie ma możliwości rozproszenia się — dźwięk odbijający się od ścian betonowych lub natryskowych powoduje dodatkowe pogłębienie hałasu o 10–15 dB. Długotrwałe narażenie na poziom hałasu przekraczający 85 dB wymaga stosowania środków ochrony słuchu zgodnie z przepisami większości jurysdykcji górniczych; przy poziomie przekraczającym 100 dB w zamkniętej przestrzeni wprowadzane są ograniczenia czasu trwania zmiany.

Projekt niskoszczelny driftera działa na dwóch poziomach: izolacja wibracji między modułem uderzeniowym a konstrukcją nośną (zmniejszająca przenoszenie dźwięku przez strukturę do ramy i wysięgnika) oraz tłumienie wydechu płuczącego, gdy medium płuczącym jest powietrze. Płukanie wodą z natury tłumi część hałasu generowanego przez moduł uderzeniowy i jednocześnie kontroluje kurz — oba te czynniki są istotne podczas pracy w wyrobisku, gdzie kurz gromadzi się szybciej, niż można go odprowadzić za pomocą wentylacji.

W przepisach dotyczących projektów tuneli miejskich — czyli projektów drogowych i kolejowych prowadzonych pod zabudowanymi obszarami — często określana jest maksymalna prędkość wibracji na powierzchni, a nie tylko poziom hałasu przy czoła robót. Metody wiercenia z wolnym czołem, wykorzystujące uderzenie hydrauliczne zamiast odstrzałów, pozwalają osiągnąć wydajność kształtowania czoła robót na poziomie 3,5 m²/h w granicie o wytrzymałości powyżej 200 MPa, zachowując przy tym wibracje na powierzchni w dopuszczalnych granicach, co nie jest możliwe przy zastosowaniu metod wybuchowych.

Specyfikacja wiertnic tunelowych: przekrój poprzeczny, wysięgnik i klasa driftera

Dwuramienna wiertnica pokrywająca schemat otworów na froncie roboczym obejmujący 50 otworów przy zaawansowaniu 3,5 m na cykl zwykle kończy cykl wiercenia w ciągu 2,5–3 godzin w spójnej skale. Czas cyklu znacznie się wydłuża w skałach pękniętych lub przemieszanych z gliną, gdzie funkcje zapobiegawcze zaklinowania są aktywowane często — to właśnie w takich warunkach automatyczna kontrola parametrów redukuje opóźnienie reakcji człowieka, które w przeciwnym razie powoduje zaklinowanie zestawu wiertniczego.

Stabilność pod wpływem obciążeń wysokocyklowych w ograniczonej przestrzeni

Wiertnica górnicza pracująca na ramie jumbo przekazuje drgania do podwozia nośnego przez belkę zasilającą, uchwyty podstawy i węże hydrauliczne. W tunelu podwozie nie ma pod sobą miękkiego gruntu, który mógłby pochłonąć te drgania — opiera się na betonie lub zagęszczonym żwirze skalnym, które przekazują całe drgania bez tłumienia. Na nowoczesnych wiertnicach górniczych typu jumbo standardowo stosuje się mokre wielotarczowe hamulce robocze oraz hamulce postojowe z mechanicznym (sprężynowym) zaciskaniem i hydraulicznym zwalnianiem, aby zapobiec przesuwaniu się podwozia podczas uderzeń, co spowodowałoby odchylenie otworu od zaplanowanej pozycji.

Dokładność pozycjonowania ramy na poziomie ±2 cm jest osiągalna przy użyciu automatycznych systemów utrzymywania równoległości i wyrównania laserowego, ale wyłącznie wtedy, gdy podwozie pozostaje stabilne w chwili rozpoczęcia wiercenia (tzw. collar). Podwozie przesuwające się o 5 mm w trakcie pierwszego metra wiercenia powoduje odchylenie otworu, które kumuluje się do 50–80 mm na głębokości 4 metrów — wystarczająco dużo, by naruszyć schemat odpalenia ładunków i spowodować nadmierny ubytek skały (overbreak), co zwiększa koszty nakładania betonu natryskowego przy każdej serii strzałów.

Konserwacja uszczelki i obwodu płukania w warunkach tunelu

Wiertniki tunelowe gromadzą godziny uderzeń szybciej niż sprzęt powierzchniowy, ponieważ maszyna często nie może przemieszczać się między otworami tak, jak to robi wiertnica powierzchniowa. Krótszy czas przemieszczania oznacza więcej czasu na wiercenie w każdej zmianie. Szczególnie obciążony jest obwód płukania: płukanie wodą w ograniczonej przestrzeni czoła robót powoduje, że odpływający strumień wody niesie ze sobą drobne odpadki przez stały kontakt uszczelki z korpusem płukacza, a nie opuszcza je w sposób czysty, jak to ma miejsce przy wierceniu otwartego otworu na powierzchni.

HOVOO dostarcza zestawów uszczelniających do wiertnic tunelowych działających na głównych platformach jumbo — w tym modeli dopasowanych do specyfikacji wiertnic Epiroc, Sandvik i Montabert. Ze względu na wyższy współczynnik zużycia komory płuczącej w zastosowaniach podziemnych, oddzielne zestawy płuczące i uderzeniowe — zamiast jednego zestawu połączonego — umożliwiają celowe wymiany wyłącznie na podstawie rzeczywistego zużycia, a nie wymianę obu zestawów w takim samym cyklu. Zestawy dedykowane konkretnym modelom są wymienione na stronie hovooseal.com.