Czym jest maszyna drążąca tunele (TBM)?
Maszyna drążąca tunel, potocznie określana jako TBM (ang. tunnel boring machine) lub tunelownica (fr. tunnelier), to specjalistyczne urządzenie służące do drążenia tuneli. Chociaż termin „wiertnica” może kojarzyć się z wierceniem otworów za pomocą wierteł o rowkach spiralnych odprowadzających urobek na zewnątrz, w kontekście budowy dużych tuneli „wiertnica” jest używana bardziej w sensie analogii do drążenia. Maszyna ta jest de facto „wiertarką”, która ma z przodu tarczę, czyli swego rodzaju „wiertło”. W tunelownicy ślimaki transportujące urobek do tyłu nie są narzędziami skrawającymi.
Tunelownice wyposażone są w wodoszczelne osłony tarczy, głowicy skrawającej (tarczy) oraz tyłu. Sama tarcza wyznacza średnicę tunelu, która jest uzależniona od indywidualnych potrzeb, czyli koniecznej szerokości tunelu.
Budowa i zasada działania TBM
Tarcza maszyny jest napędzana i obraca się, powodując rozdrabnianie gruntu za pomocą umocowanych w niej narzędzi. Maszyna przekazuje także urobek tarczy do tyłu, gdzie jest on usuwany, na przykład za pomocą przenośnika śrubowego lub taśmowego oraz wagoników kolejki górniczej. Jednocześnie dostarczane są tubbingi, czyli elementy stalowe bądź betonowe, z których układa się tunel wokół maszyny. Od tego nowo ułożonego tunelu maszyna się odpycha, drążąc dalsze odcinki.
Tarcza TBM, choć wydaje się być rurą o stałej średnicy, w rzeczywistości jest częścią stożka. Średnica z przodu jest nieznacznie większa niż na ogonie, zazwyczaj o około 0,4%. Oznacza to, że średnica tarczy jest o około 4 cm mniejsza na ogonie w porównaniu do średnicy przy głowicy tnącej.
Fazy pracy tunelownicy
Praca tarczy TBM przebiega w dwóch głównych fazach:
- Drążenie tunelu: W pierwszej fazie tunel drążony jest za pomocą przedniej tarczy skrawającej z prędkością około 2 obrotów na minutę. Tarcza jest przesuwana w stronę gruntu przez siłowniki hydrauliczne. Czoło tarczy jest wyposażone w ostrza, noże oraz dyski tnące wykonane ze stali o wysokiej wytrzymałości. W tym samym miejscu znajdują się również dysze, które wstrzykują wodę, plastyfikatory bądź beton, służące zagęszczaniu lub zwiększeniu stopnia plastyczności gruntu, w zależności od jego rodzaju. Dzięki urobkowi gromadzonemu w komorze urobkowej, który równoważy parcie gruntu oraz wód gruntowych, tarcza zostaje odizolowana od ciśnienia tworzącego się pod wpływem nacisku podłoża gruntowego.
- Układanie obudowy: Druga faza polega na układaniu obudowy tunelu. Po wydrążeniu odpowiedniej długości tunelu tarcza zatrzymuje się, a uruchamiany jest hydrauliczny moduł układający pierścień tunelu. Pierścień ten składa się z 5 elementów oraz tzw. klinu, który jest montowany jako ostatni w celu nadania konstrukcji szczelności i usztywnienia tunelu. Każdy z pierścieni szczelnie przylega do siebie, a przerwa pomiędzy zewnętrzną ścianą tunelu a gruntem wypełniana jest zaprawą wiążąco-uszczelniającą. Zapobiega to ryzyku wystąpienia osiadań podłoża gruntowego i zapewnia poprawną współpracę pomiędzy obudową tunelu a otaczającym ją gruntem.
Maszyna TBM, po uruchomieniu, pracuje nieprzerwanie, 24 godziny na dobę. Całkowite zmechanizowanie maszyny potwierdza również jej ogromne zaplecze - w przypadku II linii metra warszawskiego jego długość to 85 metrów.
Kontrola i bezpieczeństwo drążenia tuneli
Za całą zmechanizowaną pracą tarczy TBM stoi zespół wysoko wykwalifikowanych pracowników znajdujących się na tzw. mostku dowodzenia. Tam zbierane i analizowane są wszelkie dane, co pozwala na bieżące monitorowanie tego, co znajduje się przed czołem tarczy, i szybkie reagowanie na ewentualne zmiany warunków gruntowych lub inne nieprzewidziane zdarzenia.
Monitoring geotechniczny i strukturalny
Przy realizacji tuneli, zwłaszcza w obszarach miejskich, kluczowe jest zapewnienie bezpieczeństwa istniejącej infrastruktury. Przy budowie II linii metra warszawskiego zastosowano specjalny system monitoringu, wzorowany na rozwiązaniach z linii C metra rzymskiego, zapewniający ochronę obiektów na powierzchni. Ten innowacyjny system monitoringu geotechnicznego i strukturalnego charakteryzuje się kilkudziesięcioma tysiącami otworów sondażowych, zorganizowanych w sekcje monitoringu rozmieszczone wzdłuż całego przebiegu metra.
Przed wprowadzeniem tarczy TBM pod powierzchnię terenu, na budynkach wokół projektowanych stacji montowane są repery. Do celów monitoringu i budowy stacji instalowane są pryzmaty, klinometry i tarczki, które są mierzone tachimetrami.
Tarcza jest naprowadzana przez system VMT Tunis, do którego wprowadzane są parametry trasy. Tachimetr w czasie rzeczywistym wysyła do tarczy wiązkę laserową, a aktywny system ELS Target odbiera ją i określa kąt poziomy oraz pionowy padania promieni. Dodatkowo zintegrowane z systemem inklinometry mierzą nachylenie poprzeczne oraz spadek. Dzięki temu operator TBM otrzymuje precyzyjne informacje o położeniu tarczy - zarówno w formie graficznej, jak i liczbowej. Po wydrążeniu około 100 metrów tunelu tachimetr jest przenoszony na następny wspornik, a na jego miejsce montuje się pryzmat, który posłuży do wyznaczenia nowych współrzędnych instrumentu. Sterowana automatycznie tarcza jest prowadzona z dużą dokładnością, a urządzenia geodezyjne czuwają, by maszyna nie zboczyła z toru więcej niż 10 cm. Dotychczasowe pomiary gotowych tuneli metra udowodniły, że w żadnym z wielu analizowanych punktów odchyłka ta nie została przekroczona.
Specyfika pracy w złożonych warunkach geologicznych i urbanistycznych
Zaletą tarczy TBM jest możliwość jej pracy w każdym ośrodku gruntowym. W przypadku napotkania w gruncie kamieni lub głazików o wymiarach większych niż możliwość ich odprowadzenia na powierzchnię, instalowana jest kruszarka odpowiednio rozdrabniająca materiał.
Budowa geologiczna rejonów miejskich, jak na przykład Warszawy, jest często złożona i trudna pod względem rozpoznania z uwagi na silne zaburzenia osadów - zarówno czwartorzędowych, jak i trzeciorzędowych. Dodatkowo, poziom zwierciadła wody może kształtować się na niewielkich głębokościach. Drążenie tuneli w takich warunkach wymaga szczególnych środków ostrożności.
Drążenie metra w dzielnicach takich jak Praga w Warszawie, będącej jedną z najstarszych części miasta, stawia dodatkowe wyzwania. Wiele kamienic, z których najstarsza pochodzi z 1860 roku, pozostaje pod nadzorem konserwatora zabytków. Ich posadowienie i konstrukcja odbiegają od dzisiejszych norm - są to konstrukcje ceglane, niekiedy z kamieniami polnymi, często z ubytkami cegieł i tynku, zarysowaniami oraz rozwarciami ścian czy skorodowanymi belkami. W takich budynkach instaluje się urządzenia pomiarowe (repery, klinometry, pryzmaty) w celu monitorowania wpływu drążenia.
Kamienice i budynki, których stan został uznany za niezadowalający i które znajdują się w strefie oddziaływań tunelu, są odpowiednio zabezpieczane przed nadmiernymi osiadaniami i wychyleniami. Jedną z najczęściej stosowanych metod poprawiających parametry podłoża gruntowego jest iniekcja niskociśnieniowa. Prace te są wykonywane jeszcze przed wydrążeniem tunelu, zarówno na jego planowanym przebiegu, jak i w otoczeniu. Polega ona na wtłaczaniu precyzyjnie dobranej zawiesiny - mieszanki betonu portlandzkiego z bentonitem, wodą i dodatkami ulepszającymi - poprzez odwiert o małej średnicy do stref docelowych, często na głębokości przekraczającej kilkadziesiąt metrów. Proces odbywa się w kontrolowanych warunkach, z uwzględnieniem ciśnienia iniektu, jego ilości oraz składu. Ciśnienie iniekcyjne jest dobierane do rodzaju podłoża, aby wypełnić wszystkie pory wewnątrz gruntu. W ten sposób powstaje „parasol” ochronny między obszarem wiercenia tunelu a fundamentem zabezpieczanego budynku. Po zastygnięciu zainiektowanej zawiesiny można bezpiecznie rozpocząć drążenie tunelu tarczą TBM.
Zastosowanie i korzyści technologii TBM
Obecnie technologia TBM jest najpopularniejszą metodą drążenia tuneli komunikacyjnych, gwarantującą bezpieczeństwo dla pobliskich konstrukcji budowlanych. Dynamiczna urbanizacja miast wymusiła przeniesienie ruchu ulicznego pod powierzchnię terenu. Coraz więcej miast na świecie decyduje się na takie rozwiązania, a społeczeństwo chętnie z nich korzysta, ponieważ zapewniają one szybkie, komfortowe i bezpieczne przemieszczanie się. W niektórych najbardziej zatłoczonych miastach jest to jedyne rozwiązanie problemów komunikacyjnych, co napędza rozwój technik tunelowania.
Metoda TBM jest zazwyczaj bardziej ekonomiczna i efektywna w stosunku do tradycyjnych metod odkrywkowych. Nie powoduje nadmiernych utrudnień w transporcie ulicznym, a w ciągu doby może powstać nawet trzykrotnie dłuższy tunel niż ten wykonany w tradycyjny sposób. Technologia ta jest z powodzeniem wykorzystywana do drążenia różnorodnych tuneli: drogowych, wodociągowych, kanalizacyjnych, hydroenergetycznych czy wielozadaniowych.
Przykłady zastosowań TBM w Polsce i na świecie
W Polsce
- Metro Warszawskie: Maszyna użyta przy budowie centralnego odcinka II linii metra warszawskiego miała tarczę o średnicy 6,27 m, długość 97 m oraz masę całkowitą 615 t.
- Tunel pod Martwą Wisłą w Gdańsku: Maszyna drążąca ten tunel posiadała tarczę o średnicy 12,6 m, miała 91 m długości i ważyła 2200 t.
- Tunel pod Świną w Świnoujściu: Tunel drążono maszyną z tarczą o średnicy 13,46 m, długości 101 m i wadze 2740 t.
- Tunel średnicowy w Łodzi: Do Łodzi dotarły dwie maszyny TBM. Mniejsza tarcza wydrążyła cztery jednotorowe tunele o średnicy 8,5 m i łącznej długości około 4,5 km. Większa maszyna, ważąca około 1560 ton, o ponad 13 m średnicy i 110 m długości, wykonała tunel o długości około 3 km i średnicy 12,7 m. Ta duża TBM jest największą, jaka pracowała do tej pory w Polsce. Budowa tunelu średnicowego w Łodzi jest kontynuacją prac rozpoczętych budową dworca Łódź Fabryczna. Inwestycja ta zapewni szybsze połączenie przez centrum miasta oraz przyczyni się do stworzenia efektywnego systemu krajowych połączeń międzyregionalnych. Dzięki temu dworzec Łódź Fabryczna z dworca końcowego stanie się dworcem przelotowym, skracając czas przejazdu i umożliwiając ruch pociągów regionalnych i dalekobieżnych na osi wschód-zachód i północ-południe.
Na świecie i inne metody drążenia
Technologia TBM jest szeroko stosowana globalnie. Rekordową średnicę 19,25 metra miała osiągnąć tarcza użyta do budowy tunelu „Orłowski” pod rzeką Newą w Petersburgu.
Za pomocą technologii TBM utworzono już 369 projektów tuneli metra o łącznej długości ponad 880 km, 440 km tuneli kolejowych i 171 km drogowych. Łącznie tą technologią wydrążono ponad 1900 km tuneli na całym świecie.
Poza maszynami TBM, w inżynierii tunelowej stosuje się także inne metody, jak na przykład techniki wiercenia i wysadzania, cięcia mechanicznego czy rozbijania. Urządzenia do drążenia tuneli, takie jak wiertnice tunelowe (jumbo) firmy Sandvik, zostały wybrane do pracy w projekcie Stuttgart 21 w Niemczech. Jest to 117-kilometrowa szybka kolej łącząca Stuttgart, Ulm i Augsburg. Około połowa tej trasy prowadzi przez tunele, które są filarem całego projektu.
Innym przykładem jest projekt linii dużych prędkości Madryt - Galicja w Hiszpanii (2007-2013), który ma długość 434,86 km i został zaprojektowany do obsługi prędkości 350 km/h. Na tej trasie również realizowano liczne tunele.