Urabianie gruntu może się odbywać ręcznie, mechanicznie lub za pomocą materiałów wybuchowych (Furtak i Kędracki, 2005). Roboty ręczne z wykorzystaniem łopat, szpadli, kilofów, oskardów lub młotów pneumatycznych i wiertarek elektrycznych stosuje się rzadko i tylko przy małej objętości robót. Powszechne metody to:
-metoda urobku mechanicznego,
-z wykorzystaniem materiałów wybuchowych
Urabianie mechaniczne stosuje się we wszystkich metodach
tunelowania, a maszyny urabiające muszą być dostosowane
do warunków geologiczno-górniczych (Furtak i Kędracki, 2005).
W sprzyjających warunkach, gdy nie jest potrzebne podparcie
czoła przodka (przy stabilnym górotworze) używa się koparek,
ładowarek i maszyn wiercąco-frezujących.
Do wykonywania i zasypywania wykopów wykorzystuje się
także spycharki, zgarniarki i koparki wielonaczyniowe.
Do wykopów podwodnych służą pogłębiarki.
Wykorzystanie materiałów wybuchowychZnane są dwa podstawowe procesy niszczenia skał metodą strzelania – metodą strzałową (Gałczyński, 2001):
-podział masywu skalnego na bloki, gdy stosuje się materiały wybuchowe o powolnym narastaniu ciśnienia (np. proch strzelniczy, co umożliwia rozerwanie materiału po powierz- chniach najmniejszego oporu;
-rozdrobnienie skał na drobne kawałki podczas gwałtownego zwiększenia ciśnienia, kiedy we wszystkich kierunkach nastę- puje jednoczesne przekroczenie wytrzymałości masywu i całkowite jego zburzenie, skruszenie, co następuje po wybuchu materiałów burzących, takich jak dynamit.
Materiały wybuchowe stosowane w budownictwie podziemnym można podzielić na dwa rodzaje (Gałczyński, 2001):
-materiały detonacyjne (np. piorunian rtęci), które inicjują reak- cję chemiczną, czyli wybuch materiałów kruszących skałę;
-materiały kruszące (np. dynamit, czy plastik), które rozdrabnia- ją skałę na gruz nadający się do wywozu środkami transportu. Materiały inicjujące detonację – sznury detonacyjne, spłonki lub zapalniki ogniowe bądź elektryczne. Lontów nie można sto- sować w warunkach zagrożenia gazowego i w wyrobiskach pionowych (szybowych) ze względu na bezpieczeństwo ludzi.
Urabianie skał za pomocą materiałów wybuchowych jest
powszechnie stosowane i jest to najważniejsza metoda
stosowana w skałach mocnych. Roboty strzałowe mogą
prowadzić jedynie wyspecjalizowane firmy (Furtak i Kędracki,
2005).
Materiał wybuchowy w nabojach umieszcza się w otworach
strzałkowych, których długość (zabiór) oraz rozmieszczenie
w przekroju poprzecznym wyrobiska wynikają z gabarytów
budowanego tunelu oraz warunków geologiczno-górniczych.
Otwory strzałowe umieszczone na obwodzie wyrobiska są
nieco wychylone poza projektowane światło tunelu. Otwory
w środkowej części wyrobiska są z kolei skupione ku osi
podłużnej i tworzą wyłom, który jest odpalany w pierwszej
kolejności. Celem wykonania wyłomu jest ułatwienie odstrze-
lenia pozostałej masy skalnej (Furtak i Kędracki, 2005).
Przy otworach na rysunku podano przykładową numerację
zapalników elektrycznych milizwłocznych – podany numer
odpowiada numerowi zapalnika w otworze. Stosowanie za-
palników zwłocznych ułatwia urabianie skał.
Rodzaje wyłomów są dostosowane do rodzaju urabianych skał.
Wyróżnia się 4 strefy naruszenia górotworu, w zależności od wielkości ładunku i odległości od centrum wybuchu (Gałczyński, 2001):
-strefa wybuchu (I), w której materiał ulega całkowitemu zmiażdżeniu,
-strefa całkowitego rozdrobnienia, skruszenia skał (II),
-strefa pełnego spękania wraz z odspojeniem brył od calizny (III),
-strefa częściowo spękana bez odspojenia skał od masy- wu (IV).
Wykopy startowe i końcowe Do realizacji odcinka liniowego w technologii tunelowania konieczne jest wykonanie szybu startowego oraz wykopu końcowego (Madryas i in., 2006). Wymiary wykopów należy dostosować do wymiarów stosowanych urządzeń oraz przy- jętych wymiarów tuneli. Ściany wykopów zabezpiecza się obudową. Najczęściej stosuje się:
-ścianki szczelne z pionowych brusów stalowych wykonywane metodą wibracyjną lub udarową;
-ścianki szczelne z pionowych brusów stalowych wciskanych;
-ścianki z poziomo układanych elementów zimnogiętych;
-obudowa systemowa typu skrzyniowego.
Gdy na obudowę działa znaczne obciążenie (głęboki wykop, duże obciążenie naziomu) stosuje się ścianki kombinowane (Madryas i in., 2006). Korzystną metodą zabezpieczenia obudowy wykopu jest zas- tosowanie systemowej obudowy typu skrzyniowego. Realizacja wykopu polega na naprzemiennym wciskaniu poszczególnych części obudowy i wybieraniu gruntu z wnętrza. Po zakończeniu prac obudowę usuwa się, systematycznie unosząc poszcze- gólne części i dokładnie zagęszczając grunt. Zaletą metody jest brak hałasu i drgań podłoża oraz dokładne zagęszczenie gruntu zasypowego.
Do wykopów o stosunkowo małych głębokościach, małych rozmiarach
i nieznacznych obciążeniach naziomu można stosować obudowy wykopu z poziomych dyli stalowych zimnogiętych (Madryas i in., 2006).
Rys. Obudowa wykopu z pionowych brusów stalowych (1 – brus stalowy, 2 – rama podpierająca, 3 – zastrzał wzmacniający konstrukcję ściany, 4 – studzienka odwadniająca (krąg betonowy Ø 600 mm i wysokości około 1000 mm)
i nieznacznych obciążeniach naziomu można stosować obudowy wykopu z poziomych dyli stalowych zimnogiętychRys. Obudowa wykopu z dyli zimnogiętych
1 – bale drewniane, 2 – rozpórka,
3 – podkładka, 4 – profile zimnogięte
Odwadnianie wykopów
W przypadku realizacji wykopu technologicznego, którego po-
ziom dna znajduje się poniżej poziomu zwierciadła wody
gruntowej, konieczne jest jego stałe odwodnienie (Madryas i in.,
2006). Gdy spodziewany jest intensywny dopływ wody grunto-
wej, wskazane jest zagłębienie ścianki szczelnej do warstwy
nieprzepuszczalnej. Poziom wody w wykopie należy stale
utrzymywać około 0,5 m poniżej dna wykopu. Wodę gruntową
można wypompowywać do pobliskiej kanalizacji deszczowej
(po uzyskaniu zgody).
Sposób odwadniania zależy od współczynnika filtracji gruntu
zalegającego poniżej dna wykopu oraz głębokości wykopu.
Przybliżoną wartość współczynnika filtracji dla różnych gruntów k = C d102 (0,70 + 0,03 t) k – współczynnik filtracji, C – współczynnik doświadczalny zależny od uziarnienia i czys- tości gruntu, d10 – miarodajna średnica cząstek gruntu (średnica cząstek, których wraz z mniejszymi w gruncie jest 10%), t – temperatura wody. (d10=0,1-3 mm, U< 5) można wyznaczyć ze wzoru Hazena: k = C d102 (0,70 + 0,03 t) gdzie: k – współczynnik filtracji, C – współczynnik doświadczalny zależny od uziarnienia i czys- tości gruntu, d10 – miarodajna średnica cząstek gruntu (średnica cząstek, których wraz z mniejszymi w gruncie jest 10%), t – temperatura wody.
W praktyce do wyznaczania wartości współczynnika filtracji k często stosuje się uproszczony wzór Slichtera: k = 469 m d102 [m/dobę] gdzie: m – współczynnik zależny od porowatości gruntu (wartość m zmienia się od 0,1187 dla porowatości n=0,26 do 0,8455 dla n=0,47)
Odwodnienie przez pompowanie wody wprost z wykopu
(Madryas i in., 2006).
W przypadku zalegania w wykopie gruntu dobrze przepuszczal-
nego, o współczynniku filtracji k > 10–5 m/s, wykop odwadnia
się najczęściej przez pompowanie wody wprost z wykopu.
Jest to sposób najprostszy i najtańszy.
Dla ułatwienia pompowania wody zaleca się wykonanie odpo-
wiedniego drenażu, w gruntach: żwiry, pospółki i piaski grube
wystarczy wykonać studzienki z kręgów betonowych o średnicy
około 600 mm i głębokości 1 m; ewentualnie wzdłuż ścian 1 – studzienki z kręgów betonowych Ø 600 mm i o wysokości 1 m (rozmieszczone w narożach wykopu); 2 – sączki drenarskie wzdłuż ścian wykopu Ø 100 mm; 3 – warstwa żwiru
wykopu wykonać rowki odwadniające lub ułożyć sączki drenar-
skie w odpowiedniej obsypce.
Odwodnienie przez pompowanie wody wprost z wykopu (Madryas i in., 2006). W przypadku zalegania w wykopie gruntu słabo przepuszczal- nego, o współczynniku filtracji k < 10–5 m/s, zaleca się ułożenie warstwy żwiru o grubości około 0,2 m i wykonanie studzienek jak w poprzednim przypadku. Dla wyeliminowania zjawiska sufozji gruntu zaleca się ułożenie na dnie studzienek warstwy żwiru filtracyjnego. Wypłukanie i odpompowanie drobnych frakcji gruntu może spowodować osiadanie terenu w sąsiedztwie wykopu.
Odwodnienie przez pompowanie wody wprost z wykopu (Madryas i in., 2006). Doświadczenie wskazuje, że w wyniku zmiany stanu naprężeń na dnie wykopu spowodowanej:
-odciążeniem w wyniku usunięcia gruntu,
-pompowaniem wody wprost z wykopu (ciśnienie spływowe działające na dno wykopu w tym przypadku skierowane jest do góry),
-pęcznieniem w wyniku zawilgocenia odsłonietej warstwy niek- tórych gruntów, dochodzi do podniesienia dna wykopu. Skutkiem tego jest efekt osiadania (do 150 mm) zamontowanych studzienek rewizyjnych.
Odwodnienie przez pompowanie wody wprost z wykopu (Madryas i in., 2006). Pewnym ograniczeniem tej metody jest bardzo wysoki poziom wód gruntowych i konieczność znacznego jego obniżenia. Doświadczenia praktyczne wskazują, że skuteczne odwodnienie jest możliwe w przypadku obniżenia poziomu wody nie więcej niż o 2 m w przypadku nieznacznego dopływu wody. Przy dużym dopływie wody można obniżyć poziom o około 1 m. Poważnym zagrożeniem jest pompowanie wody z w gruntach o niskim współczynniku filtracji i stosunkowo jednorodnym uziarnieniu (piasek pylasty i pył piaszczysty) – zjawisko kurzawki Rys. Odwadnianie wykopu za pomocą igłofiltrów (Madryas i in., 2006):1 – filtr igłowy, 2 – kolektor zbiorczy,3 – końcówki, 4 – pompy pracujące,5 – pompa rezerwowa Filtry igłowe stosuje się do odwadniania wykopów w gruntach o drobnym uziarnieniu (d10≈0,03 mm), których współczynnik filtracji k < 10–5 m/s. Standardowy filtr igłowy składa się z rury o średnicy 38 mm za- kończonej filtrem o długości około 1 metra i średnicy 63 mm. W zależności od współczynnika filtracji gruntu filtry igłowe rozmieszcza się w odległościach od 0,6 do 2,0 m. Zasięg i kształt leja depresji zwierciadła wody gruntowej w pobliżu igłofiltru (Madryas i in., 2006) 1 – nakrętka, 2 – łącznik, 3 – zawór, 4 – kolanko, 5 – rura nadfiltrowa, 6 – mufa łącznikowa, 7 – filtr, 8 – kolektor zbiorczy, 9 – łącznik, 10 – krzywa dla piasku drobnego, 11 – piasek średni, 12 – piasek gruby, 13 – żwir, 14 – otoczaki Przy zastosowaniu jednego rzędu igłofiltrów, głębokość odwodnienia wykopu wynosi od 3,0-5,0 m. Gdy istnieje konieczność głębszego odwodnienia należy stosować układ wielostopniowy.Igłofiltry osadza się w gruncie przez wpłukiwanie, które polega na upłynnieniu gruntu pod ostrzem przez doprowadzenie do igłofiltru wody pod odpowiednio wysokim ciśnieniem, dla piasków około 0,5 MPa, a dla gruntów spoistych około 1,5 MPa. Wpłukiwanie wymaga dostarczenia znacznych ilości wody, nawet 40 m3/godzinę. Skuteczność odwadniania w gruntach słabo przepuszczalnych poprawia wykonanie wokół igłofiltru obsypki. Obsypkę wpłukuje się w szczelinę wypłukaną przez wodę dookoła filtru; w przypadku trudności w wykonaniu obsypki można zastosować wpłukiwanie igłofiltru w dodatkowej rurze osłonowej.
Odwodnienie za pomocą igłostudni (Madryas i in., 2006).
Igłostudnie stosuje się do odwadniania gruntów o średniej i dużej
przepuszczalności.
Igłostudnie pogrąża się za pomocą pogrążania za pomocą
wpłukiwania z równoczesnym poruszaniem i obracaniem, stosu-
jąc ciśnienie do około 0,5 MPa.
Przestrzeń pomiędzy filtrem a rurą obsadową może być wypeł-
niona obsypką filtracyjną.
Odwodnienie za pomocą studni wierconych (Madryas i in., 2006).
Studnie wiercone mogą być stosowane do odwadniania prakty-
cznie dowolnego rdzaju gruntu, z wyjątkiem gruntów o niskim
współczynniku filtracji k < 10–5 m/s.
Studnie służą do obniżenia wody nawet na bardzo dużą głębo-
kość.
Studnię zapuszcza się w wykonanym otworze wiertniczym, po
doborze odpowiedniego filtru i obsypki. Stosuje się filtry: perfo-
rowane, szczelinowe, siatkowe, żwirowe i inne. Najczęściej sto-
suje się filtry perforowane lub szczelinowe z blachy 2-4 mm
o szerokości szczeliny s = (3 - 4)d60.
Odwodnienie za pomocą studni wierconych (Madryas i in., 2006). Rury filtrowe pokrywa się siatką o otworach odpowiadających średnicy uziarnienia d40. Średnicę filtru przyjmuje się o około 60 mm mniejszą od średnicy wewnętrznej studni. W gruntach o przepuszczalności k > 10–3 m/s stosuje się studnie o średnicy od 150 do 200 mm. W gruntach o przepuszczalności k < 10–4 m/s zachodzi konieczność stosowania filtrów o średnicy od 350 do 550 mm, można też stosować obsypkę żwirową po zewnętrznej stronie filtru. Rys. Przekrój przez igłostudnię
(Madryas i in., 2006):
1 – nasada węża,2 – rura centralna,3 – znak kontrolny,4 – zacisk dławicowy,5 – rura adfiltrowa,6 – śruby mocujące ruręnadfiltrową z filtrem właściwym,7 – szkielet filtru z blachyperforowanej,8 – pokrycie z siatki napodkładzie z betonu,9 – pierścień,10 – otwór łuczkowy,11 – ogranicznik,12 – uzębiona rura podfiltrowa
Odwodnienie za pomocą elektroosmozy (Madryas i in., 2006). Stosuje się dla gruntów o zbyt małym współczynniku filtracji, aby odwodnić za pomocą igłofiltrów. Zjawisko elektroosmozy polega na wymuszonym przepływie wody przez ośrodek gruntowy pod wpływem stałego prądu elektrycznego. W instalacji służącej do odwadniania katodę stanowi igłofiltr. Anodę zwykle stanowi pręt aluminiowy lub stalowy; jako anodę można wykorzystać ściankę szczelną. Odległość pomiędzy elektrodami od 1 do 1,5 m, zależnie od rodzaju gruntu. Zastosowanie prądu o napięciu 400 V i natężeniu 7-13 A. Metoda kosztowna.
Metody górnicze drążenia tuneli
Według Gałczyńskiego (2001) metody górnicze wykonywania tuneli polegają na wykonaniu wszystkich robót związanych
z drążeniem i wznoszeniem obudowy pod ziemią.
Są to klasyczne metody realizacji tuneli górskich i innych budowli
podziemnych posadowionych na dużych głębokościach w masy-
wach skalnych lub dostatecznie stabilnych, nienawodnionych
masywach gruntowych.
W terenie zagospodarowanym lub zagrożonym napływem wody
metody górnicze mogą być stosowane pod warunkiem zastoso-
wania specjalnych, dodatkowych zabiegów stabilizujących i usz-
czelniających górotwór.
Metody górnicze – metody tradycyjne
System angielski (Furtak i Kędracki, 2005)
System stosowany od końca XVIII wieku przy budowie tuneli przez Alpy oraz tuneli w Anglii i Francji. System korzystny
w stabilnym górotworze.
W osi tunelu wykonuje się sztolnię, która daje rozpoznanie budowy geologicznej i ułatwia transport.
Po wybraniu części stropowej (kaloty) z wykonywaną na bieżąco
tymczasową obudową drewnianą, zabudowuje się próg główny
„tragarz”, czyli belkę poziomą, na której wspiera się tymczasowa
drewniana obudowa kaloty.Dalej urabia się sztrosę (środkową część tunelu), zaczynając od osi pionowej tunelu i posuwając się na boki – do ociosów. Urobiony odcinek zabudowuje się, zakłada kolejny tragarz.
Dla zabezpieczenia przed obrywaniem się drobnych kawałków
skał ociosy tunelu są obkładane deskami.
Po wykonaniu całego zaboru długości 3-8 metrów w obudowie
tymczasowej (w zależności od warunków geologiczno-górni-
czych), zakłada się ostateczną obudowę kamienną lub muro-
waną. nadkład górotworu lub jego znaczna część stanowi główne obciążenie budowli ociosy – górotwór zalegający po obu stronach wyrobiska na szerokości kilku lub kilkunastu jego rozpiętości i stanowiący strefę współpracy układu obudowa–górotwór spąg wyrobiska obejmuje naruszoną, odprężoną część górotworu pod budowlą podziemną, czyli jej podłoże
System belgijski – metoda podpartego sklepienia (Furtak i Kędracki, 2005)
System zastosowano po raz pierwszy w 1 828 roku przy budowie tunelu Charleroy, gdzie górną część tunelu przechodzącą przez grunty kurzawkowe wykonano w wykopie, a po wykonaniu obudowy stałej – wykop zasypano. Część środkową (sztrosę...
slacke