Perforator hidraulic specific pentru tuneluri: zgomot redus, stabilitate ridicată, eficiență în spații înguste

Tunelul rutier Kaminiko din prefectura Hiroshima a fost săpat prin granit cu o rezistență la compresiune de peste 200 MPa, iar clădiri rezidențiale se aflau la 70 de metri deasupra vârfului tunelului. Detonarea nu a reprezentat o opțiune pe tronsoane lungi. Echipa de construcții avea nevoie de un perforator hidraulic pentru rocă capabil să realizeze o viteză de forare liberă de 3,5 m² pe oră în rocă dură, într-o galerie unde nu exista spațiu suficient pentru manevrarea echipamentelor mari și unde nu se admiteau daune ale terenului cauzate de vibrații în zona situată deasupra.

Aceasta este mulțimea de constrângeri care definește forarea specifică tunelurilor — nu doar spații mai înguste, ci o sarcină inginerescă complet diferită. Zgomotul, stabilitatea în condiții de vibrații limitate, eficiența spălării într-un flux de aer redus și geometria brațului de foraj, care trebuie să asigure acoperirea întregii secțiuni transversale fără ca mașina să nu poată trece prin acea secțiune pe care urmează să o forțeze. Fiecare dintre aceste cerințe se află în conflict cu celelalte, iar un perforator conceput pentru lucrări de forare în banchete la cariere deschise va îndeplini cu greu mai multe dintre ele.

Constrângerea geometrică: De ce compactitatea nu înseamnă lipsă de putere

Perforatoarele tunel jumbo sunt clasificate în funcție de secțiunea transversală pe care o pot acoperi, nu în funcție de dimensiunile portatorului. O instalație evaluată pentru secțiuni transversale de 7–35 m² necesită o geometrie a brațelor care să atingă întregul profil al frontului de lucru — boltă, podea și pereți laterali — fără a necesita repositionarea portatorului. Acest lucru necesită un design articulat al brațelor, cu capacitate de fixare paralelă, astfel încât bara de avans să rămână perpendiculară pe modelul de foraj, indiferent de poziția brațului.

Ce înseamnă acest lucru pentru perforatorul propriu-zis: acesta trebuie să furnizeze o putere de percuție de 12–20 kW într-un corp compact de drifter. Designul pistonului treptat, utilizat în unele driftere orientate spre tuneluri, îmbunătățește eficiența transferului de energie de impact tocmai pentru că optimizează densitatea de putere, nu energia de vârf. Un drifter cu piston treptat de 15 kW, într-o galerie de 3,5 m × 1,8 m, poate asigura o viteză de pătrundere de 2 m/min în rocă cu rezistență la compresiune de 80–120 MPa, în timp ce se încadrează într-un portator care poate trece printr-o galerie de acces de 2,5 m × 1,5 m.

Configurațiile cu înălțime redusă—cum ar fi clasa KJ212, concepută pentru galerii de dezvoltare cu dimensiuni minime de 3,5 m × 1,8 m—folosesc o brăță pliabilă special pentru ca mașina să poată trece printr-o secțiune de 2,5 m × 1,5 m și apoi să se desfășoare la înălțimea maximă de lucru în fața galeriei. Aceasta nu este o gândire ulterioară; este o cerință fundamentală de proiectare pentru galeriile de dezvoltare din minele cu vene înguste.

Zgomotul într-un tunel: Când specificația standard devine o problemă de conformitate

Forajul în rocă liberă generează un nivel de zgomot de 95–115 dB în poziția operatorului, într-un spațiu deschis. Într-o galerie de tunel de 5 m × 5 m, aceeași energie de percuție nu are unde să se disipe—zgomotul reflectat de pereții de beton sau beton proiectat adaugă 10–15 dB de reverberație. Expunerea prelungită la niveluri superioare lui 85 dB declanșează obligativitatea utilizării echipamentelor de protecție a auzului, conform reglementărilor majorității autorităților minerale; la niveluri superioare lui 100 dB într-un spațiu închis, intră în vigoare limitarea duratei schimbului de lucru.

Designul drifterului cu zgomot redus funcționează la două niveluri: izolarea vibrațiilor între modulul de percuție și structura purtătoare (reducând transmisia sunetului prin structură în brațul de foraj și în cadru) și amortizarea gazelor de evacuare la spălare, unde aerul este mediul de spălare. Spălarea cu apă suprimă în mod natural o parte din zgomotul de percuție și controlează simultan praful — ambele fiind factori importanți în timpul operațiunilor într-o galerie, unde praful se acumulează mai rapid decât poate fi evacuat prin ventilare.

Reglementările aplicabile proiectelor de tuneluri urbane — proiecte rutiere și feroviare care trec sub zone construite — specifică adesea viteza maximă de vibrație la suprafață, nu doar nivelul de zgomot la fața de lucru. Metodele de foraj cu față liberă, care folosesc percuția hidraulică în locul detonărilor, pot atinge o capacitate de formare a feței de lucru de 3,5 m²/h în granit cu rezistență superioară lui 200 MPa, menținând în același timp vibrațiile de suprafață în limitele acceptabile, în condiții în care metodele explozive nu pot respecta aceste limite.

Specificații pentru foraje de tunel: secțiune transversală, braț de foraj și clasă de drifter

Un jumbo cu două brațe care acoperă un model de față cu 50 de găuri la o avansare de 3,5 m pe tură finalizează, în mod tipic, ciclul de foraj în 2,5–3 ore în rocă competentă. Durata ciclului crește semnificativ în roci fracturate sau întruse cu argilă, unde funcțiile anti-blocare se activează frecvent — acesta este momentul în care controlul automat al parametrilor reduce întârzierea reacției umane, care altfel ar duce la blocarea tijei de foraj.

Stabilitate sub încărcare cu cicluri înalte în spații închise

Un perforator de stâncă care funcționează pe o bracă jumbo transmite vibrații în șasiul purtător prin intermediul grinzii de alimentare, al suporturilor cradle și al furtunelor hidraulice. Într-un tunel, șasiul nu are sub el un teren moale care să absoarbă aceste vibrații — acesta stă pe beton sau pe umplutură din rocă compactată, care transmite întreaga vibrație. Frânele de serviciu cu discuri multiple umede și frânele de staționare cu acționare hidraulică și eliberare prin arc sunt standard pe jumbo-urile moderne pentru tuneluri, în special pentru a preveni deplasarea („walking”) a purtătorului în timpul percuției, ceea ce ar modifica poziția găurii față de cea planificată.

Precizia de poziționare a brațului de ±2 cm este realizabilă cu sistemele automate de menținere paralelă și alinierea cu laser, dar numai dacă purtătorul este stabil în momentul începerii forării (collar). Un purtător care se deplasează cu 5 mm în primul metru de forare produce o abatere a găurii care se acumulează până la 50–80 mm la o adâncime de 4 metri — suficient pentru a compromite configurația exploziei și pentru a genera supraforare, ceea ce crește costurile de aplicare a betonului proiectat (shotcrete) în fiecare tură.

Întreținerea etanșării și a circuitului de spălare în condiții de tunel

Perforatoarele pentru tuneluri acumulează ore de percuție mai repede decât echipamentele de suprafață, deoarece mașina nu poate deplasa întotdeauna între găuri în același mod în care o poate face o instalație de suprafață. Un timp redus de deplasare (tramming) înseamnă un timp de foraj mai lung pe schimb. În special, circuitul de spălare suportă o sarcină mai mare: spălarea cu apă într-o galerie închisă implică faptul că fluxul de returnare transportă în mod continuu tăișuri fine prin interfața etanșării cutiei de spălare, în loc să se depună clar, așa cum s-ar întâmpla într-un foraj deschis la suprafață.

HOVOO furnizează kituri de etanșare pentru perforatoarele utilizate în tuneluri, care funcționează pe principalele platforme jumbo—incluzând modele compatibile cu specificațiile perforatoarelor Epiroc, Sandvik și Montabert. Având în vedere rata mai mare de uzură a cutiei de spălare în aplicațiile subterane, existența kitului de spălare și a kitului de percuție ca componente separate, înlocuibile individual — și nu ca un singur kit combinat — permite înlocuirea țintită, în funcție de uzura efectivă, și nu înlocuirea ambelor la același interval. Kiturile specifice fiecărui model sunt enumerate pe hovooseal.com.