Maszyna drążąca

Maszyna wiertnice jest maszyną, dzięki czemu możliwe do wydobycia z tunelu w glebie i różnych skał od piasku do granitu . Średnica drążonych tuneli kołowych wynosi obecnie od 1 do 17,6 metra. W przypadku otworów o średnicy mniejszej niż 1,5 lub 2 metry maszyny te nazywane są mikrotunelami.

TBM stosuje się jako alternatywę dla wykopów metodą cięcia ręcznego, mechanicznego lub wybuchowego. Ma tę zaletę, że ogranicza zakłócenia w otaczającej skale i tworzy gładką ścianę tunelu. Czynniki te sprawiają, że szczególnie nadaje się do obszarów silnie zurbanizowanych i znacznie obniża koszty okładzin ściennych. Główną wadą maszyny drążącej tunele są wysokie koszty początkowe budowy i transportu. Staje się jednak konkurencyjny w przypadku długich tuneli (ponad 1,5  km ), ponieważ kopie szybciej niż konwencjonalne wycinanie.

Fabuła

W TBMs pojawił się w XIX th  wieku wraz z rewolucją przemysłową . Pierwsza tarcza tunelująca została opatentowana w 1818 roku, a następnie użyta w 1825 roku przez Marca Isambarta Brunela do budowy tunelu pod Tamizą . Nie była to jednak maszyna drążąca tunele we współczesnym znaczeniu tego słowa, ponieważ drążenie skał pozostało ręczne.

Pierwszą zbudowaną maszyną do drążenia tuneli był Mountain Slicer , zamówiony przez króla Sardynii w 1845 r. do przebicia tunelu kolejowego Fréjus między Francją a Włochami . Zmontowany w następnym roku dzieło belgijskiego inżyniera Henri Mausa składało się ze stu perforatorów pneumatycznych zamontowanych przed lokomotywą. W ciągu dwóch lat maszyna była z powodzeniem testowana, ale rewolucje 1848 r. wpłynęły na finansowanie i tunel został ukończony dopiero dziesięć lat później i tańszymi technikami.

W 1853 r. w Stanach Zjednoczonych podczas budowy tunelu Hoosac przetestowano pierwszą maszynę do wiercenia tuneli w twardej skale, nazwaną Opatentowaną Maszyną Do Cięcia Kamienia Wilsona i nazwaną na cześć jej wynalazcy Charlesa Wilsona . Maszyna Wilsona była zapowiedzią nowoczesnych maszyn drążących tunele, ponieważ wykorzystywała koła tnące przymocowane do obrotowej głowicy. Jednak ta maszyna parowa okazała się zbyt słaba, aby kontynuować swoje zadanie już po 3 metrach w granicie . Po tym niepowodzeniu minie sto lat, zanim maszyny do drążenia tuneli ponownie zmierzą się z twardą skałą.

Pierwsza naprawdę sprawna maszyna do drążenia tuneli została wynaleziona w 1875 roku przez Fredericka Beaumonta, a następnie udoskonalona w 1880 roku przez Thomasa Englisha. MiędzyCzerwiec 1882 oraz Marzec 1883, dwie „maszyny Beaumont-English” wywierciły w kredzie tunele pilotażowe o długości 1,8 km każdy po obu stronach kanału La Manche, zanim projekt tunelu między Francją a Anglią został zaniechany ze względów wojskowych. Maszyna do drążenia tuneli zostanie ponownie wykorzystana do wykopania 2- kilometrowego tunelu wentylacyjnego  między Birkenhead a Liverpoolem . W wyniku tych sukcesów w kolejnych latach technologia nadal się rozwijała, ale ponieważ maszyny do drążenia tuneli okazały się drogie i nie były w stanie kopać twardej skały, zainteresowanie zmalało. Jest w kopalniach węgla i potasu , lub skała jest miękka, że technologia będzie przetrwać aż do połowy XX th  wieku .

W 1952 roku inżynier James Robbins otrzymał zlecenie dostosowania metod stosowanych przez przemysł wydobywczy do budowy tunelu dywersyjnego dla zapory Oahe w Dakocie Południowej . W tym celu zaprojektował pierwszą nowoczesną maszynę do drążenia tuneli, 125-tonową maszynę wyposażoną w duże koło tnące (7,8 metra) zakończone wałkami i zębami zdolnymi do wydobycia 48 metrów łupku dziennie. Trzy lata później założył firmę noszącą jego imię i zmontował pierwszą maszynę do drążenia tuneli w twardej skale, używając wyłącznie kół radełkowanych, do wykopania tunelu kanalizacyjnego w Toronto . Robbins Company potem wynalazł pierwszy maszyna drążąca z przodu pod ciśnieniem (sprężonym powietrzem), co pozwoliło wiercenie linii A w Paryżu RER w roku 1964. W tym samym roku, angielski inżynier John Bartlett opatentował pierwszy maszyna drążąca z A przedni pod ciśnieniem przez ciśnienie błota, który został pomyślnie przetestowany w 1971 r. W 1972 r. we współpracy z Robbinsem Jr. opracowano pierwszą dwupłaszczową maszynę do wiercenia tuneli, która została wykorzystana do budowy tunelu z łamanego granitu w zakładzie Orichella we Włoszech. Ten typ maszyny drążącej tunele zademonstruje całą swoją wydajność podczas kopania tunelu pod koniec lat 80-tych .

Od lat 90. postęp techniczny pozwolił na trzy główne innowacje:

Funkcjonowanie

Maszyna do drążenia tuneli spełnia kilka funkcji:

Aby wykonać te różne funkcje, maszyna drążąca tunele jest wyposażona w specjalistyczny sprzęt:

Głowica harwestera

Głowica harwestera jest przednim końcem maszyny drążącej tunele. Najczęściej jest to obrotowe koło tnące, które dociskane do czoła roboczego zapewnia usuwanie kamienia za pomocą przymocowanych do niego narzędzi. W przypadku twardych skał narzędziami tymi są radełka, które obracając się, kopią bruzdy osłabiające skałę, aż do jej złamania. W przypadku miękkich skał to zęby i noże drapią powierzchnię o takiej wielkości.

Mniejsze maszyny do drążenia tuneli mogą wykorzystywać ramię koparki, które jest tańsze niż koło tnące. Maszyny drążące tunele używane do demontażu podpór istniejących tuneli są również wyposażone w przegubowe ramię wyburzeniowe.

Tarcza

Gdy skała, w której wykopany jest tunel, jest nieprzepuszczalna i wytrzymała ( bazalt , granit , gnejs ), sama stanowi podporę dla ścian. Głowica maszyny drążącej tunele nie wymaga ochrony. Niekiedy jego górna część jest nadal chroniona przed osuwaniem się ziemi za pomocą nasadki, a na miejscu umieszczana jest podstawowa podpora ściany (kotwienie, gięcie lub torkretowanie ).

Gdy maszyna drążąca tunele kopie nieprzepuszczalną, ale miękką lub popękaną skałę, pierścienie segmentowe powinny być umieszczone w celu podparcia ścian tunelu. Ponadto, pomiędzy kołem tnącym a układem montażowym tych segmentów, korpus maszyny drążącej tunel musi zapewniać utrzymanie skały. W takim przypadku ta część maszyny nazywana jest „tarczą”. Osłona składa się z przedniej osłony izolującej koło tnące oraz osłony chroniącej sprzęt i pracowników.

Ciśnieniowa maszyna do wiercenia tuneli przednich

Do kopania w litych skałach nie jest konieczne stabilizowanie przodka, ale do kopania w niestabilnym gruncie lub pod zwierciadłem wody konieczne jest skompensowanie nacisku wywieranego na koło tnące maszyny, aby uniknąć infiltracji wody i osiadania gruntu na powierzchnia ( osiedla ). Kilka technik ograniczania umożliwia następnie zwiększenie ciśnienia w przestrzeni między czołem roboczym a osłoną maszyny drążącej tunele:

  • EPB ( bilans ciśnienia gruntu ). Ciśnienie ograniczające może być zapewnione bezpośrednio przez urabianą skałę, której ilość przed maszyną drążącą tunel jest regulowana przez system wydobywczy. Ten typ drążka tunelowego nadaje się do gruntów sypkich o niskiej przepuszczalności ( gliny , muły );
  • Ciśnienie powietrza. Ciśnienie można zapewnić przez wtrysk sprężonego powietrza pod warunkiem, że grunt nie jest bardzo przepuszczalny;
  • Ciśnienie błota ( Slurry Shield ). W glebach bardzo przepuszczalnych i rzadkich (piasek, żwir) ciśnienie może zapewnić muł utworzony z mieszaniny wody i bentonitu . Płuczka o niskiej przepuszczalności poprawia stabilność czoła roboczego, ułatwia transport sadzonek zapobiegając ich osiadaniu oraz smaruje fartuch maszyny drążącej tunel.

Operatorzy, którzy muszą konserwować kółko tnące, są poddawani działaniu wysokiego ciśnienia i muszą przejść przez komorę redukcji ciśnienia, aby uzyskać dostęp.

System ekstrakcji

Jeśli skała jest wystarczająco twarda, jest usuwana przez kubełki przymocowane do obrzeża koła tnącego, które podnoszą ją i zrzucają na taśmociąg .

Jeżeli maszyna do drążenia tuneli jest wyposażona w osłonę, przestrzeń między nią a kołem tnącym nazywana jest „komorą ścinkową”. Otwory w kole tnącym skupiają w tej przestrzeni ścięty materiał. W zależności od charakteru zrzezów są one odprowadzane z komory zrębowej za pomocą śruby Archimedesa lub pomp po zmieszaniu z błotem bentonitowym (maszyna do wiercenia tuneli ciśnieniowych płuczki).

Układ napędowy

Napęd maszyny do drążenia tuneli zapewniają podnośniki hydrauliczne, które podpierają się albo na ścianie tunelu za pomocą kołków (podpora promieniowa), gdy skała jest wystarczająco twarda, albo na podporze tunelu już na miejscu (podpora podłużna). .

Postęp maszyny drążącej tunel odbywa się w dwóch etapach. Najpierw cylindry oporowe dociskają koło tnące do powierzchni roboczej, aby wbiło się w skałę. W drugim etapie kopanie zatrzymuje się, a podnośniki cofają się, aby umożliwić przesuwanie raków lub montaż nowych segmentów.

Niektóre maszyny do drążenia tuneli są dwupłaszczowe, co pozwala na ich szybsze działanie. Jedna osłona jest teleskopowa w stosunku do drugiej, co umożliwia montaż segmentów podczas fazy kopania.

następujący pociąg

  • Początek kolejnego pociągu, widoczny jest koniec śruby Archimedesa .

  • Żywność (woda, prąd), wentylacja i taśmociąg.

  • Segmenty pojazdów transportowych .

Maszyna do drążenia tuneli to roślina o długości kilkudziesięciu metrów.

Po zakończeniu drążenia tunelu maszyna drążąca tunel może wykopać krótki tunel rozbieżny, w którym zostaje porzucona, ale w większości przypadków jest odzyskiwana (demontaż w tunelu).

Przykłady

Niektóre z najdłuższych tuneli na świecie zostały wydrążone za pomocą maszyn do drążenia tuneli. Realizacja tunelu pod kanałem (50  km ) wymagała działania 11 różnych maszyn drążących tunele, które łącznie w latach 1987-1991 wydrążyły 148  km chodników. W większości wydrążono 152  km chodników podziemnego tunelu Saint-Gothard (57  km ). przez cztery maszyny do wiercenia tuneli w twardej skale w latach 2003-2011.

Szczególnie w przypadku budowy linii metra maszyna do drążenia tuneli stała się preferowanym narzędziem, ponieważ jest szybka, nie wymaga stosowania wykopów oraz ogranicza osiadanie i wibracje. Tunel pierwszej linii Crossrail , przecinający Londyn , został w ten sposób zbudowany w ciągu dwóch lat przez osiem maszyn drążących tunele, które kopią do 72 metrów dziennie. Przy budowie trzech linii metra Doha wykorzystano jednocześnie 21 maszyn do drążenia tuneli. Linia 15 z paryskiego metra , z kolei wymaga nie mniej niż dziesięć TBMs kopać jego południowej części, długie 33  km .

Gigantyczne maszyny do drążenia tuneli

Najbardziej spektakularne maszyny do drążenia tuneli są często omawiane w mediach podczas dużych projektów inżynierii lądowej, głównie w sektorze transportu. Ich średnica przekraczająca 14 metrów pozwala na nakładanie pasów ruchu w jednym tunelu.

Gigantyczne maszyny do drążenia tuneli
Nazwisko Producent Średnica Lata

aktywny

Dystans

dójka

Projekt Uwagi
Maszyny do wiercenia tuneli w twardej skale
Big Becky Robbins 14,4  m² 2006-2011 : 10,4  km na południowy Tunel Beck Jazda wymuszona .
Maszyny do wiercenia tuneli osłonowych
Herrenknecht 17,6  m² 2015- 4,2  km Tuen Mun Tunel - Chek Lap Kok Autostrada. Maszyna do wiercenia tuneli ciśnieniowych.
Kołnierz koronkowy Hitachi Zosen 17,4  m² 2013-2017 2.8  km na południowy Tunel Alaski Autostrada. Maszyna do wiercenia tuneli ciśnieniowych.
Mitsubishi / IHI 16,1  m² 2017- 9  km Tokio Gaikan Expressway Sekcja zachodnia. 4 identyczne maszyny do drążenia tuneli.
Herrenknecht 15,8  m² 2016- 7.5  km na południowy Tunel Santa Lucia Autostrada. Maszyna do wiercenia tuneli ciśnieniowych.
Technologie NFM 14,8  m² 2000-2004 7,1  km Tunel Groene Hart LGV . Maszyna do wiercenia tuneli pod ciśnieniem.

Pierwsza maszyna drążąca tunel o średnicy przekraczającej 15 metrów została wykorzystana do budowy tunelu dla obwodnicy M-30 w Madrycie w 2005 roku. W 2013 roku maszyna drążąca tunele „Bertha” przejechała przez pręt o średnicy 17 metrów na budowie tunelu Alaskan Way Viaduct wymiana autostrady w Seattle .

W 2007 roku do budowy tunelu drogowego pod Newą w Sankt Petersburgu zaproponowano maszynę do drążenia tuneli o średnicy 19 metrów , ale z powodu braku środków finansowych projekt zarzucono w 2011 roku.

W Europie największe maszyny do drążenia tuneli były używane we Włoszech . wgrudzień 2010, do budowy tunelu autostradowego Sparvo na autostradzie Variante di Valico w Apeninach uruchomiono maszynę drążącą tunele o średnicy 15,62 metra o nazwie „Martina” . Od 2016 roku rekord ten został ledwie pobity przez nową maszynę zbudowaną przez Herrenknechta . Ta maszyna do drążenia tuneli o szerokości 15,87  m i wadze 4800 ton drąży obecnie tunel autostrady Santa Lucia.

Mikrotunelier

Maszynę do drążenia tuneli można wykorzystać do budowy sieci wodociągowej , kanalizacyjnej oraz do zakopywania linii energetycznych bardzo wysokiego napięcia. Tego typu realizacje mają mniejsze średnice.

Pionowe maszyny do drążenia tuneli

Pionowa maszyna do wiercenia tuneli lub maszyna do pionowego wału (VSM) składa się z teleskopowego ramienia koparki kopiącego ziemię na dnie studni. Zamiast za głowicą tnącą, jak w tradycyjnej maszynie do wiercenia tuneli, ściany szybu są montowane na górze tej ostatniej i popychają zespół w dół. Taka konfiguracja umożliwia utrzymanie skomplikowanej maszyny montującej ściany na zewnątrz. Koparka może pracować pod wodą, aby zapobiec obniżeniu zwierciadła wody i powstawaniu osadów podczas wiercenia.

Maszyny do wiercenia tuneli ukośnych

W Sankt Petersburgu do drążenia ramp dojazdowych do stacji metra Admiralteiskaïa o głębokości 102 metrów użyto maszyny do drążenia tuneli ciśnieniowych , nie uszkadzając przy tym okolicznych zabytkowych budynków. Mimo niewielkiej odległości (niecałe 200 metrów) użycie maszyny drążącej tunele okazało się ekonomiczne, ponieważ ta ostatnia, oprócz koła tnącego, była używana trzykrotnie. Zamiast poziomo na dnie szybu, maszynę do drążenia tuneli wystrzelono z powierzchni pod kątem 30  stopni i przytrzymywano linami.

Maszyny do wiercenia tuneli prostokątnych

Budowa przejść blisko powierzchni wymaga tuneli o przekroju prostokątnym. Tradycyjnie budowany w wykopach, ten typ tunelu może być wykonany za pomocą prostokątnej maszyny do drążenia tuneli, której głowica tnąca jest wyposażona w wiele wierteł. Podobnie jak w przypadku pionowych maszyn drążących tunele segmenty można montować na zewnątrz tunelu i przesuwać zespół. Technologia ta została wykorzystana w 2014 roku do ukończenia czterech tuneli drogowych w Zhengzhou, a następnie do tuneli prowadzących do stacji metra w następnym roku w Singapurze i New Delhi .

Uwagi i referencje

Notatka

  1. Wilson ulepszy swoją maszynę w 1875 roku, aby zrobić trepan do kopania pierścieniowego otworu w skale, aby ułatwić wysadzenie za pomocą materiałów wybuchowych.
  2. Kopanie w nasyconej wodą glebie Paryża okazało się niemożliwe dla maszyny do drążenia tuneli Campenon Bernard , uruchomionej z wielkimi fanfarami w 1962 roku, a RATP musiał zwrócić się do amerykańskiej firmy.
  3. Maszyna do wiercenia tuneli Martina, kosztująca 53 miliony euro, została wyprodukowana w Schwanau ( Niemcy ) przez firmę Herrenknecht dla firmy TOTO Costruzioni Generali . Jego charakterystyka była następująca: średnica wiercenia 15,62  m , długość 130  m , nacisk na głowicę wiertniczą 39 485 ton, masa całkowita 4 500 ton i moc zainstalowana 18  MW .

Bibliografia

  1. MALDI 2008 , s.  1-14
  2. (w) „  Nagroda dla brytyjskiego wynalazcy slurry TBM concept  ” na stronie tunneltalk.com (dostęp 22 października 2018 )
  3. (en-US) "  Hard-rock Tunnel Boring Machines  " , Tunnel Business Magazine ,23 grudnia 2014( przeczytaj online , skonsultowano 14 listopada 2017 r. )
  4. (w) „  Robbins świętuje 60-lecie osiągnięć  ” , na www.tunneltalk.com ,październik 2012(dostęp 14 listopada 2017 )
  5. „  Shield tunnels in soft ground  ” , na Encyclopædia Universalis (dostęp 14 listopada 2017 )
  6. (w) "  Gotthard Base Tunnel  " na www.herrenknecht.com ,29 maja 2017 r.(dostęp 14 listopada 2017 )
  7. (w) "  Poznaj naszą gigantyczną maszynę do drążenia tuneli  " na crossrail.co.uk (dostęp 14 listopada 2017 )
  8. (w) Kim Kemp , „  TBM Qatar Rail zostały wpisane do Księgi Rekordów Guinnessa  ” na constructionweekonline.com ,27 września 2015 r.(dostęp 15 listopada 2017 )
  9. Jean-Gabriel Bontinck, „  Ile-de-France: maszyny drążące tunele przyszłego metra będą nosić nazwy szkół  ”, leparisien.fr ,4 kwietnia 2017 r.( przeczytaj online , skonsultowano 15 listopada 2017 r. )
  10. (w) „  Mega TBMs  ” na tunneltalk.com (dostęp 13 listopada 2017 )
  11. (w) John Spears , „  Potężna nudna maszyna „Big Becky” wyłania się spod wodospadu Niagara  ” , The Toronto Star ,13 maja 2011( przeczytaj online , skonsultowano 17 maja 2011 r. )
  12. (w) "  Tuen Mun - Chek Lap Kok Tunnel  " na bouygues-tp.com (dostęp 13 listopada 2017 )
  13. (w) Sharon Wilson, „  Mega TBM rozpoczynają przejażdżki po obwodnicach Tokio  ” na tunneltalk.com ,17 maja 2017 r.(dostęp 20 listopada 2017 )
  14. (w) "  Projekt M30 Madryt Calle 30, Madryt  " , Verdict Traffic ,2006( przeczytaj online , konsultacja 21 października 2018 )
  15. (w) "  Mega-EPBM dla włoskiego tunelu autostradowego  " na tunneltalk.com ,7 września 2016(dostęp 14 listopada 2017 )
  16. (w) „  Budowanie największego tunelu w Europie  ” , Tunnel Business Magazine ,13 kwietnia 2018( przeczytaj online , konsultacja 21 października 2018 )
  17. „  Malakoff: uruchomienie „pionowej maszyny drążącej tunel” na terenie szybu Malleret-Joinville – Société du Grand Paris  ”, Société du Grand Paris ,1 st październik 2018( przeczytaj online , konsultacja 21 października 2018 )
  18. (w) Karin Bäppler, "  W obliczu wyzwań na stromych Petersburgu Metro  " na tunneltalk.com ,Sierpień 2012(dostęp 22 października 2018 )
  19. (w) „  Prostokątna TBM dla miejskich przejść podziemnych  ” na stronie tunneltalk.com ,18 maja 2017 r.(dostęp 22 października 2018 )
  20. (w) „  First Time: China-made Rectangular TBM Goes Abroad  ” na crectbm.com ,28 października 2015(dostęp 22 października 2018 )

Zobacz również

Bibliografia

  • Patrick Le Frapper, Maszyny drążące tunele , Narodowa Szkoła Mostów i Dróg,2016, 26  pkt. ( przeczytaj online ). Książka użyta do napisania artykułu
  • (pl) Jacob Paskins, Paryż w budowie: place budowy i przekształcenia urbanistyczne w latach 60. , Routledge ,2015, 234  s. ( ISBN  978-1-138-93999-8 i 1-138-93999-4 , czytaj online ). Książka użyta do napisania artykułu
  • (pl) Bernhard Maldi, Hardrock Tunnel Boring Machines , Ernst & Sohn,2008, 356  s. ( ISBN  978-3-433-01676-3 i 3-433-01676-3 , czytaj online ). Książka użyta do napisania artykułu

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne