11-Principi i tehnike iskopa.pdf

Ivan Vrkljan

11. Principi i tehnike iskopa Iskop podzemnih prostora vrši se razaranjem stijene za što se koriste različite tehnike. Danas se najčešće koriste klasične metode iskopa (miniranje) i iskop strojevima različitih konstrukcija. Prikazani su osnovni principi modernih tehnika miniranja kao i osnovni elementi strojeva različiitih konstrukcija i namjena. Prikazane su i neke druge tehnike koje se koriste u posebnim prilikama.

2

Podzemne građevine i tuneli

11

Principi i tehnike iskopa

11.1 Uvod Tehnike koje se primjenjuju za razaranje stijena radi oblikovanja podzemnih prostora, bitno se razlikuju od tehnika za razaranje stijena sa svrhom dobivanja mineralnih sirovina ili lomljenog kamena u kamanolomima. Kod izgradnje podzemnih prostora primjenjene tehnike iskopa moraju čim manje oštetiti stijensku masu u okolini iskopanog prostora dok kod masovnog iskopa to nije toliko bitan zahtjev. Pod klasičnim se metodama iskopa obično podrazumjevavaju tehnike miniranja. Pored klasičnih metoda, za iskop se koriste strojevi različitih konstrukcija kao i razne druge tehnike.

Miniranjem i glodačima može se postići proizvoljan oblik poprečnog presjeka Strojevima za iskop u punom profilu može se dobiti kružni i eliptični poprečni presjek tunela

Slika XXX Različite tehnike iskopa tunela 11.2 Miniranje Miniranje stijenske mase obavlja se uglavnom za potrebe: • •

razlamanja stijene ili rudnog tijela (masovna miniranja radi eksploatacije rudača ili stijenske mase kako bi se dobio materijala za gradnju), kreiranja podzemnog ili površinskog prostora (tuneli, usjeci i zasjeci, temeljenje i slično).

Filozofija i tehnike miniranja za ove dvije potrebe su potuno različite. U prvom slučaju se nastoji dobiti čim veća količina miniranog materijala uz čim manji trošak. Pri tome se najčešće postavlja uvjet odgovarajućeg granulometrijskog sastava razlomljene stijene. U rudarstvu se ova dva pristupa vrlo često javljaju zajedno. Na primjer, u dnevnim se kopovima prvi pristup koristi sve dok se iskop ne približi završnoj konturi. Dok se minira središnji dio rudnog tijela nije presudan faktor očuvanje kvalitete stijenske mase u neminiranoj zoni jer se radi o privremenoj konturi ikopa. Kada se eksploatacija približi završnoj konturi, količina miniranog materijala prestaje biti

Principi i tehnike iskopa

3

presudna i pažnju treba posvetiti očuvanju kvalitete stijenske mase koja mora osigurati dugotrajnu stabilnost stiejnske mase. Kada se miniranje obavlja u blizini površine, često se pojavljuje problem zaštite okoliša. Miniranje u blizini postojećih zgrada, tunela u eksploataciji, naftovoda, plinovoda, vodovoda i slično, ne smije oštetiti iste. U ovom slučaju se učinkovitost miniranja smanjuje a troškovi rastu. Utjecaj miniranja na okoliš podrazumjeva ograničenja sljedećih efekata miniranja: • • • •

vibracije koje mogu oštetiti postojeće građevine, štete koje uzrokukju leteći fragmenti stijene, buka se mora svesti na dopuštenu mjeru, količina prašine se mora svesti na dopuštenu mjeru.

Miniranje podrazumjeva sljedeće radnje: • • •

Bušenje minskih bušotina udarnim ili udarno-rotacionim bušenjem, punjenje minskih bušotina eksplozivom i nihovo povezivanje detonatorima radi inicijacije paljenja sa projektiranim vremenskim pomakom, paljenje (detoniranje) eksplozivnog punjenja.

11.2.1 Miniranje radi stvaranja površinskih i podzemnih prostora Miniranje kod podzemnih gradnji je alat za rezanje a ne bombaška operacija (Svanholm at al.,1977. u Singh i Goal, 1999, p. 207)

U građevinarstvu se miniranje najčešće koristi sa svrhom stvaranja podzemnih prostora, usjeka i zasjeka na trasama prometnica, građevnih jama, pri temeljenju zgrada i slično. Iako se i ovdje teži čim boljoj učinkovitosti, glavna se briga posvećuje: • •

čim manjem oštećenju stijenske mase u zidovima iskopa, postizanju konture iskopa koja je čim bliže projektiranoj (čim manji prekoprofilski iskop (overbreak) i neminirani dio koji je trebao biti uklonjen (underbreak).

Podzemne građevine i tuneli

Slika 11.1 (a) Ručno bušenje čekićima i dlijetom; (b) Stroj na tračnicama za bušenje u željezničkom tunelu Gothard (Švicarska, L=14 900 m, 1882); (d) Strojno bušenje sa tri bušilice na jednoj razupori u željezničkom tunelu Simplon (Švicarska-Italija, L=19 089 m, dvije tunelske cijevi, 1906)

Slika 11.2 (a) Povezivanje minskih bušotina detonirajućim štapinom (b) Iskop punog profila tunela miniranjem u kvalitetnoj stijenskoj masi

4

Principi i tehnike iskopa

Slika 11.3 Prva miniranja u tunelu Mala Kapela (Sjeverna strana, 2002) Kako bi se ostvarila čim pravilnija kontura iskopa sa minimalnom oštećenjem stijenske mase u zidovima iskopa, danas se uglavnom koriste dvije tehnike miniranja koje se jdnim imenom nazivaju konturnim miniranjem (contour blasting): • •

prespliting (pre-split) metoda, glatko miniranja (smooth-wall blasting).

11.2.1.1 Prespliting (pre-split) metoda Kada se miniranje obavlja na površini ili blizu površine terena, obično se koristi tehnika prethodnog stvaranja pukotine po projektiranoj konturi iskopa. Ova je metoda poznata kao prespliting (pre-split) metoda. Osnovna karakteristika ove metode je da se u prvoj fazi miniranja stvori pukotina po konturi projektirane plohe iskopa a nakon toga se, sa vremenskim pomakom koji se mjeri milisekundama, minira ostali dio stijenske mase. Na ovaj se način stijenska masa koja ostaje iza plohe iskopa izolira od negativnog utjecaja masovnog miniranja. Konturne bušotine se izvode na malom razmaku a količina eksploziva treba biti dovoljna samo za stvaranje pokotine koja će bušotine povezati. Ove minske bušotine nisu predviđene za fragmentiranje stijenske mase. Nakon što je konturna pukotina stvorena, aktivira se glavno minsko punjenje sa svrhom fragmentiranja stijenske mase. Pri tome se udarni valovi reflektiraju od prethodno stvorene konturne pukotine a također dolazi do disipacije tlaka u plinovima koji su posljedica eksplozije. Na taj način masovno miniranje (bulk blast), ima mali učinak na stijenu iza konturne pukotine (slika 11.4). Za stabilnost kosine je naročito bitno da stijenska masa bude čim manje poremećena miniranjem. Na taj se način značajno smanjuju troškovi održavanja.

5

6

Podzemne građevine i tuneli

Konturne bušotine koje se prve detoniraju radi stvaranja pukotine po projektiranoj konturi iskopa. Ove su bušotine na manjem razmaku, manjeg su promjera i sa manjom količinom eksplpziva u odnosu na ostale. Ove su bušotine ne većem razmaku, s većom količinom eksploziva. Pale se nakon što su konturne mine stvorile konturnu pukotinu.

Presjek

Tlocrt

Konturna pukotina

Stijenska masa fragmentirana nakon stvaranja konturne pukotine

Slika 11.4 Osnovni princip prespliting tehnike miniranja Za uspješno prespliting miniranje treba ispuniti slijedeće uvjete: • • • • •

Konturne bušotine moraju biti paralelne i u ravnini projektiranoj završne plohe iskopa Konturne bušotine moraju biti na malom razmaku. Razmak bušotina ne smije biti veći od desetostrukog promjera bušotine Bušotine moraju biti napunjene s manjom količinom eksploziva i eksplozivno punjenje ne smije dolaziti u dodir s zidovima bušotine (decoupled) čime će se lokalna raspdanje u prah (pulverization) svesti an minimuma a efekt plinova pod tlakom će biti maksimalan. Sve se konturne bušotine detoniraju istovremeno što će imati maksimalni učinak na stvaranje konturne pukotine Osigurati kvalitno bušenje (pravilna dubina i nagib bušotina čime će se ostvariti uvjet njihove paralalnosti u ravnini konture iskopa

Pored toga treba voditi računa i o slijedećem: • •

Konturne bušotine moraju biti dovoljno udaljene od slobodne površine terena kako se konturno miniranje nebi pretvorilo u masovno miniranje. Energija konturnih mina mora biti potrošena samo na stvaranje pukotine. Diskontinuiteti u stijenskoj masi utječu na postignutu ravnost iskopane plohe (slika XXX). Ako su diskontinuiteti skoro okomiti na ravninu konturnih bušotina, njihov utjecaj na ravnost plphe iskopa biti će zanemariv.

Principi i tehnike iskopa

•

7

Orijentacija glavnih in situ naprezanja u odnosu na ravninu konturnih bušotina, također utječe na efikasno formiranje konturne pukotine jer stijena ima tendenciju pucanja okomito na pravac najmanjih glavnih naprezanja. Ako su in situ naprazanja dovoljno velika i ako je pravac najmanjih glavnih naprazanja u ravnini konturnih bušotina, prespliting miniranje neće biti efikasno.

σ3

σ1

Slika 11.5 (a) i (b) Utjecaj orijentacije diskontinuitata u odnosu na konturu iskopa na ravnost konturne plohe; (c) Utjecaj orijentacije glavnih in situ naprezanja na efikasnost prespliting miniranja Ova se metoda općenito ne koristi za miniranje u podzemlju. 11.2.1.2 Glatko miniranja (smooth-wall blasting) Glatko miniranje razvijeno je u Švedskoj 1950-tih i 60-tih. U prethodnom su poglavlju prikazane prednosti prespliting metode miniranja te je naglašeno da se ova tehnika uglavnom koristi pri miniranju blizu površine terena. Tehnika prespliting miniranja nije općenito primjenjiva u podzemnim iskopima zbog in situ polja naprazanja. Međutim, polje naprazanja koje ograničava uporabu prespliting tehnike, može se vrlo korisno iskoristiti u drugoj specijalnoj tehnici miniranja poznatoj kao glatko miniranje (smoothwall blasting or post-splitting). Slika 11.6 prikazuje osnovni princip glatkog miniranja na primjeru iskopa tunela kružnog poprečnog presjeka. U prvoj se fazi minira veći dio tunela “grubim miniranjem” (centralni iskop) što će za posljedicu imati pojavu visokih tangencijalnih naprezanja na projektiranoj konturi tunela. Tangencijalno naprezanje predstavlja veće glavno naprezanje jer su radijalna naprezanja gotovo zanemariva. Ako se podsjetimo da se kod prespliting tehnike miniranja, pukotina otvara u ravnini najvećih glavnih naprezanja, dolazimo do osnovne filozofije glatkog miniranja: superponiranja utjecaja efekta miniranja i povoljne orijentacije glavnih naprezanja.

8

Podzemne građevine i tuneli

Tehnika glatkog miniranja, kao i prespliting, temelji se na dvostrukom miniranju, samo je redoslijed inverzan. Treba naglasiti da se vremenski pomak ove dvije faze miniranja mjeri u milisekundama.

Centralni iskop formiran «grubim» miniranjem

Konturne bušotine koje se detoniraju nakon miniranja centralnog dijela Kontura iskopa tunela Tangencijalno naprezanje je na konturi iskopa najveće glavno naprezanje

Slika 11.6 Princip glatkog miniranja an primjeru iskopa tunela kružnog poprečnog presjeka Za uspješno glatko miniranje treba ispuniti sve uvjete izvođenja konturnih bušotina koji su navedeni za prespliting miniranje.

Slika XXX Jasni tragovi minskih bušotina, govore o kvalitenom miniranju ali i o kvalitetnoj stijenskoj masi

Principi i tehnike iskopa

11.3 Strojni iskop (Tunnel-Boring Machines) Izraz Tunnel Boring Machine (TBM) u literaturi se koristi na različite načine. TBM TBM TBM

Označava sve strojeve koji se koriste za iskop tunala bez obzira radi li se o strojevima za iskop u punom profilu tunela ili strojevima s pokretnom glavom Označava strojeve za iskop tunela u punom profilu u svim geološkim formacijama Označava strojeve za iskop u punom profilu koji se koriste samo u stijenskoj masi

Ovisno o konstrukciji, strojevi se dijele na: • • • •

Strojevi za iskop u punom profilu (krtice) (Full face tunnel boring machines) Strojevi s pokretnom glavom (Partial face tunnel boring machines) Blind shaft borer (bušenje) Raise borer (bušenje perma gore)

Slika XXX (a) Stroj za iskop tunela u punom profilu; (b) Stroj sa pokretnom glavom; (c) raise borer; (d) blind shaft borer Ovisno o tome koristi li se ili ne koristi štit, strojevi se djele na: • •

strojevi sa štitom (shield TBM), strojevi bez štita.

Ovisno o materijalu u kojem se tunel kopa, strojevi se mogu podjeliti u dvije skupine: • •

strojevi za iskop stijena (rock machines), Strojevi za iskop u tlu (soft ground machines).

9

Podzemne građevine i tuneli

Tablica XXX Klasifikacija strojeva za iskop tunela (AITES / ITA Working Group No.14)

Tablica XXX Usporedba različitih tipova strojeva velikih promejra (Barla, Pelizza)

10

Principi i tehnike iskopa

11

štit

Slika XXX (a) Stroj sa štitom i stroj bez štita Što je zapravo štit? Štit je čelični cilindar koji ima promjer tunela i pod čijom se zaštitom vrši iskop. Koristi se za iskop tunale u teškim geotehničkim uvjetima kada je teško osigurati stabilnost nepodgrađenog tunela (čela, kalote, bokova). Štit se u tunelogradnji prvi puta koristio za prolaz ispod rijeke Thames u Londonu 1823. godine (štit je patentirao Brunel 1818). Ovaj prvi štit imao je kvadratičan poprečni presjek. Već je na projektu Tower Subway 1869, korišten štit kružnog poprečnog presjeka i ovaj štit predstavlja prototip današnjeg štita (Konda, xxx). Gotovo redovito, konačna se obloga tunela ugrađuje ispod štita tako da je materijal u kojem se kopa tunel vidljiv isključivo na čelu tunela. Kod cestovnih i željezničkih tunela, obloga se sastoji od prefabriciranih betonskih elemenata dok kod mikrotunela obloga može biti od betona koji se ugrađuju na licu mjesta po principima klizne oplate. Princip iskopa tunela pod zaštitom štita prikazan je na slici XXX. Kao što će se vidjeti, za iskop pod zaštitom štita koriste se sve metode strojnog i ručnog iskopa osim metoda masovnog miniranja (može se koristiti miniranje za sekundarno drobljenje pojedinačnih blokova stijene koja se nađe u tlu koje se kopa).

12

Podzemne građevine i tuneli

Kazalo: 1- Čelo iskopa 2-Štit 3-Hidraulika za potiskivanje štita 4- Segmenti betonski obloge 5-Pumpani mort

2 1

3

4

5

Napomene: Ako se radi o vrlo lošem tlu, pumpani mort nije potreban jer samo tlo u kojem kopamo pupuni prostor koji ostane nakon klizanja štita.

Napredovanje iskopa prati klizanje štita za širinu jednog betonskog segmenta. Štit potiskuju snažne hidrauličke preše koje se nalaze između kčelične konstrukcije štita i betonske obloge.

Umetanje novih segmnenata obloge pod zaštitom štita. Nakon što hidrauličke preše oslobode prostor, ugrađuju se segmenti betonske obloge.

Slika XXX Princip iskopa tunela pod zaštitom štita Štit može biti: • •

otvoren (open type shields), zatvoren (closed shield).

Pod otvorenim se štitom podrazumjeva štit koji je otvoren prema čelu iskopa. Iskop se kod ovih štitova vrši ručno ili strojno (glodači, bageri, sekundarno miniranje i slično). Ako se pojavi problem prodora podzemne vode, izvodi se tzv. štit sa komprimiranim zrakom (compressed air shield). Ovaj štit radi na istom principu kao i kesoni za iskop temelja ispod nivoa podzemne vode. Otvoreni štitovi često imaju čelične ploče za podupiranje čela iskopa kada je čelo nestabilno.

Principi i tehnike iskopa

13

Kod otvorenih se štitova stabilnost čela postiže jednom od sljedećih mjera: • • •

zrakom pod tlakom, metalnim pločama, ostavljanjem rampe.

Otvoreni štit s rotirajućim teleskopskim glodačima i pločama za stabiliziranje čela. Proizvođač: Alpine

Iskop pod zaštitom otvorenog štita. Stabilnost čela osigurava komprimirani zrak (Compressed air shield). Les Vignes tunel (1993-1995). Prospekt tvrke Herrenknecht

Kombinirana metoda iskopa pod otvorenim štitom (glodač, bager) Olympia 2004 Athen. Prospekt tvrtke Herrenknecht

Slika xxx Otvoreni štitovi različite izvedbe

14

Podzemne građevine i tuneli

Zatvoreni se štit koristi isključivo sa strojevima za iskop tunela u punom profilu. Tada je štit sastavni dio konstrukcije stroja. Na čelu štita se nalazi rotirajuća rezna glava koja vrši iskop. Stabilnost čela se obično osigurava bentonitnom suspenzijom koja popunjava prostor rezne glave ili u posebnim slučajevima samo iskopano osigurava stabilnost čela (EPB-Earth Pressure Balance).

Zatvoreni štit za iskop tunela u punom profilu D=14,87 m Groene Hart Tunnel, Nizozemska; Željeznica Amsterdam-Rotterdam L=7.176 m, Proboj: 17.01.2004. WT JanuaryFebruary 2004 Masa stroja: 1.900 t., duljina 120 m NFM tehnologies of France (Wirth group)

Slika xxx Zatvoreni štit

Jednoslojna obloga je od pumpanog betona Hochtief System-Putzmeister-1 Razvoj počeo 1985 sa komponentama Putzmeister. Korišten na projektima: Lyon, Freundstein, Essen, Milan, Japan

Slika xxx Betonska obloga tunela oblikovana na licu mjesta (princip klizne oplate)

Slika xxx Obloga od prefabriciranih elemenata

Principi i tehnike iskopa 11.3.1 Strojevi za ikop u punom profilu(krtice) (Full face tunnel boring machines) Stroj za iskop tunela u punom profilu koristio se pri prvom pokušaju izgradnje tunela ispod La Mansha 1882. godine. Tada je pod vodstvom direktora Col. F. Beaumonta, kompanija Submarine Continental Railway company, iskopala 1,5 km tunela sa engleske strane. Projekt je napušten jer očito u to vrijeme nisu bili riješivi mogi problemi na koje su graditelji naišli a da ih na početku nisu bili svjesni U posljednjih 20 godina izgradnja tunela strojevima za iskop punog profila doživjela je enorman razvoj. Izgradnja podzemnih željeznica te cestovnih i željezničkih tunela dala je snažan poticaj razvoju strojeva. Channel Tunnel između Engleske i Francuske, Rail 2000. u Švicarskoj, Trans Tokyo Bay Highway u Japanu i tuneli ispod rijeke Elbe u Njemačkoj, najveći su među brojnim velikim projektima. Strojevi za iskop u punom profilu mogu napredovati 150 m na dan, 500 m na tjedan , 2 km na mjesec ili čak 15 km na godinu. Međutim nepredviđeni teški geološki uvjeti mogu zaustaviti napredovanje stroja u dugom vremenskom periodu (više mjeseci do godinu dana). Na projektu Madrid M30, postignut je učinak Herrenknecht strojem od 500 m na mjesec. Trenutno najveći stroj za iskop tunela u punom profilu je stroj njemačke tvrtke Herenknecht promjera 15,43 m koji radi na iskopu tunela duljine 9 km koji povezuje otoke Changxing i Pudong u Kini. Obično se misli da stroj za iskop tunala u punom profilu može kopati samo tunel kružnog poprečnog presjeka. Međutim, koriste se i strojevi koji kopaju eliptični poprečni presjek, kod kojih rezna glava nije okomita na os stroja. Također kombinacijom više strojeva u jednu cijelinu, dobiju se različiti oblici poprečnog presjeka tunela.

Slika xxx Spajanjem više strojeva mogu se dobiti različiti oblici poprečnog presjeka iskopa (multicircular face shield tunnel)

15

16

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Stroj za iskop eliptičnog poprečnog presjeka tunela Klasifikacija strojeva za iskop tunela u punom profilu Strojevi ovog tipa kosiste se u izrazito čvrstim eruptivnim stijenama a iso tako i u talozima jezera mora i rijeka gdje se tlo sastoji od potpuno saturiranog materijala niske čvrstoće sa uklopcima koreijenja, stijenskih blokova i slično. Konstrukcija stroja ovisi o geološkim, geotehničkim i hidrogeološkim uvjetima u tlu. Iako su proizvedeni i strojevi za iskop tunela u različitim geološkim formacijama, zadovoljavajuća ekonomičnost i učinkovitost stroja može se postići jedino ako se konstrukcija stroja prilagodi uvjetima na konkretnoj lokaciji. Donja tablica prikazuje podjelu strojeva u 4 kategorije ovisno o vrstu tla koje se kopa. Medij u kojem se kopa

Vrsta štita

Stijena

Štit za iskop stijenske mase (Rock mass shield)

Glina i prah, pijesak, šljunak

Štit kod koga se čelo iskopa stabilizira bentonitnom suspenzijoM (Slury Shield)

Glina i prah

Štit kod koga iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa (EPB-Earth Pressure Balanced Shield)

Sve vrste tla (sa blokovima stijene)

Štit za iskop različitih geoloških formacija (Mixed Face Shield)

11.3.1.1 Strojevi za iskop čvrste stijenske mase Za iskop čvrste stijene koriste se strojevi sa ili bez štita, što ovisi o geotehničkim svojstvima stijenske mase. Kod ove vrste strojeva kritična aktivnost je-iskop (razaranje stijene). Stabilnost iskopa je manji problem. Razaranje stijene postiže se rotacijom glave stroja na kojoj se nalaze diskovi. Reakcija potisnoj sili ostvaruje se preko razupirača koji kontakt sa stijenom ostvaruju u bokovima tunela. Za stabiliziranje konture iskopa tunela koriste se identične mjera kao i u slučaju iskopa tunela klasičnom metodom (stijenska sidra, armirani mlazni beton i slično). Slika XXX prikazuje jedan radni ciklus ovog tipa stroja:

Principi i tehnike iskopa

Ovisno o kvaliteti stijenske mase strojevi za iskop stijena s dijele u dvije skupine: • •

strojevi bez štita strojevi sa jednim štitom (single shield) ili sa dva štita (double shield)

Strojevi bez štita se koriste u kompaktnoj stijenskoj masi gdje stabilnost iskopa nije upitna. Za učvršćenje potencijalno nestabilnih klinova koriste se stijenska sidra. Strojevi sa štitom koriste se u intenzivno ispucaloj stijenskoj masi. U ovom slučaju štit osigurava sigurne radne uvjete. U ovim se uvjetima podgrada tunela obično sastoji od prefabriciranih betonskih elemenata koji se ugrađuju pod štitom. Dvostruki štit se sastoji od dva štita između kojih se nalazi još jedan štit manjeg promjera koji ulazi u ova dva (zapravo se dvostruki štit sastoji od tri štita). Ova konstrukcija dopušta teleskopsko povećanje i smanjenje duljine štita što ubrzava proces gradnje

Slika XXX Stroj bez štita za iskop tunela u punom profilu (proizvođač: Herenknecht). Koncentrični krugovi su tragovi razaranja stijene i predstavljaju putanju diskova pri rotaciji rezne glave. Vrlo čvrste stijene i stijene koje sadrže minerale visoke tvrdoće, znatno će povećati trošenje diskova na reznoj glavi što će za posljedicu imati velike troškove i smanjeno napredovanje.

17

18

Podzemne građevine i tuneli

Početno stanje

Iskop Nosači stroja uvučeni

Završen jedan ciklus iskopa Nosači stroja izvučeni Skupljanje elemenata za razupiranje

Povlačenje tijela stroja naprijed Nosači stroja izvučeni

Izvlačenje elemenata za razupiranje Razupiranje

Slika XXX Jedan radni ciklus stroja bez štita za iskop tunela u čvrstoj stijenskoj masi

Iskop čvrste stijenske mase strojem bez štita. Vidi se idealan oblik iskopa i sidra koja služe sa stabilizaciju potencijalnih klinova Lesotho projekt

Slika XXX Iskop strojem bez štita

Principi i tehnike iskopa

19

Slika XXX Iskop u vrlo kvalitetnoj stijenskoj masi koja je stabilna bez osiguranja. Jasno se vidi rasjed (prospekt tvrtke Kawasaki) Idelan iskop strojem krije opasnost prikrivanja klinova stijene koji se ograničeni prirodnim diskontinuitetima.

Diskontinuiteti oblikuju klinove u kaloti i boku tunela što je dovelo do ispadanja klinova. Ispadanje klinova ugrožava sigurnost ljudi i oprema te dovodi do zastoja u napredovanjau iskopa

Slika xxx Ispadanje klinova u kaloti i boku tunela koji je kopan krticom u čvrstoj stijenskoj masi

Podzemne građevine i tuneli

20

U Hrvatskoj je ovaj tip stroja korišten za iskop dva tunela: • •

Tunel za dovod pitke vode na Braču. (d=2,3 m.; L= 8,5 km; proizvođač stroja: Demag; 19711976) Tunel HE Zakučac 2 (proizvođač stroja: Robins, USA)

Slika XXX Channel tunnel. Rijetko viđena slika stroja u podzemlju (Robbins, USA) (World Tunnelling, No Longer an Island, Europe of the End of the Tunnel)

Principi i tehnike iskopa

11.3.1.2 Strojni iskop u teškim geološkim uvjetima (Machine drive in loose ground) Kada se radi o upotrebi strojava za iskop tunale u punom profilu onda se pod teškim geotehničkim uvjetima podrazumjevaju iskopi u tlu niske čvrstoće često sa velikim dotocima vode. U ovim uvjetima izuzetno je teško osigurati stabilnost čela te se njegova stabilnost pojavljuje kao ključni problem. Strojevi za rad u ovim uvjetima redovito imaju štit. Ovisno o geološkim uvjetima koriste se ove vrste štita: • • •

Hidroštit-štit kod koga se čelo iskopa stabilizira bentonitnom suspenzijom (Hydro shield or Slury shield) Štit kod koga iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa (Earth pressure balanced shield) Štit za iskop različitih geoloških formacija (Mixed face shield)

11.3.1.2.1 Hidroštit U literaturri se za ovaj način stabiliziranja čela iskopa koriste različiti termini: • • •

Slury shield, Hydro shield, Bentonite TBM.

Stabiliziranje čela iskopa bentonitnom suspenzijom u praksu uveli Japanci 1974. Od tada se ova tehnologija koristi vrlo uspješno. Transport iskopanog tla vrši se hidrauličkim putem pumpanjem mješavine bentonitne suspenzije i tla. Na površini se iskopani materijal izdvaja iz suspenzije te se suspenzija ponovo koristi. U inženjerskoj se praksi bentonitna suspenzija često naziva isplakom. Bentonitnu suspenziju čini mješavina bentonita, vode i aditiva. Bentonit je prirodna mješavina minerala u kojoj prevladavaju minerali smektitske grupe (najčešće montmorilonit). Tipičan problem kod upotrebe ovog stroja jekontrola količine iskopa.

21

22

Podzemne građevine i tuneli

10

1-Rezna glava 2-Štit 3-Hidraulika za potiskivanje stroja 4-Segmenti podgrade 5-Pumpani beton 6-Transport mješavine tla i isplake 7-Cjevovod s isplakom 8-Glavni pogon stroja 9-Radni prostor (prostor pod tlakom mješavine tla i suspenzije koja održava stabilnost čela iskopa 10-Separator za razdvajanje tla i isplake 11-Rezervoar s isplakom 12.Deponij iskopanog materijala

11

12

2

3

4

5

1

8 6

9 7

Slika xxx Shematski prikaz hidroštita

Slika XXX Hidroštitovi za iskop tunela ispod Tokijskog zaljeva (Trans-Tokyo Bay Highway, D=14,14 m (Kawasaki)). Rezni alat kod hidroštita (Teeth Cutter (Cemented carbide blade attached)).

Principi i tehnike iskopa

Slika xxx Stroj za iskop tunela u punom profilu

23

Stroj za iskop tunela u punom profilu D=14,87 m Groene Hart Tunnel, Nizozemska; Željeznica Amsterdam-Rotterdam L=7.176 m Proboj: 17.01.2004. WT JanuaryFebruary 2004

Masa stroja: 1.900 t., duljina 120 m NFM tehnologies of France (Wirth group) Prodan Shanghai Tunnel Engineering company

Slika XXX Hidroštit u tvornici i nakon proboja tunela

11.3.1.2.2

Štit kod kojega iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa (EPB-Earth Pressure Balanced shield)

Ovu su tehnologija u praksu uveli Japanci. U Japanu se javljaju vulkanska tla koja su homogena i imaju sitne čestice što pogoduje primjeni ove tehnike bez posebne pripreme tla. U Europi se rijetko nađu ovakva tla koja bi mogla poslužiti za stabiliziranje čela tunela bez posebne pripreme jer prirodna tla nemaju dovoljnu fluidnost. Ako tlo nema dovoljnu fluidnost ono se mora pripremiti dodavanjem različitih polimera. Iz radnog prostora (working chambre) iskopani materijal se obično izvlači s pužnim transporterom (screw conveyers). Ova tehnologija korištena je u Lille-u, Lisabonu, Milanu. U Milanu je bio problem gubljenja bentonitne suspenzije. Kod većeg tlaka, u radnom prostoru može doći do prodora tla kroz pužni transporter. Tijekom iskopa tunela ispod rijeke Anacosta u Washingtonu, 1985. došlo je od prodora 27 m3 pijeska. U Japanu su na više projekata korištene klipne pumpe firme Putzmeister. Korištenjem pumpi moguće je izračunati količinu iskopanog tla te na taj način procjeniti dali se ostvaruje prekoprofilski iskop. Na ovaj način smanjuje se rizik koji prekoprofilski iskop nosi sa sobom.

24

Podzemne građevine i tuneli

2

3

5

4

1 8

6

10 7

9

Kazalo: 1- Rezna glava 2-Štit 3-Hidraulika za potiskivanje stroja 4-Betonski segmenti podgrade 5-Pumpani beton 6-Pužni transporter 7-Gumeni transporter 8-Glavni pogon stroja 9-Radni prostor (prostor pod tlakom tla koje održava stabilnost čela iskopa) 10-Dodavanje aditiva

Slika xxx Shematski prikaz EPB štita

Slika XXX Transport iskopanog tla gumenim transporterima i pumpama

Slika XXX EPB štit. Transport iskopanog materijala pumpama (prospekt tvrtke Putzmeister)

Principi i tehnike iskopa

11.3.1.2.3 Štit za iskop različitih geoloških formacija (Mixed Face Shields or Mixshield) Koriste se kod promjenjivih geoloških uvjeta. Stroj mora biti sposoban kopati sve geološke materijale kroz koje tunel prolazi. Treba naglasiti da je on ipak prvenstveno namjenjen iskopu tunela u tlu i nikada se ne koristi za iskop tunela koji cijelom dužinom prolazi kroz stijensku masu. Na reznoj se glavi nalaze diskovi koji se koriste za razaranje stijena a isto tako i rezni elementi koji se koriste kod hidroštita i EPB štita. Po konstrukciji je ovaj stroj identičan hidroštitu s tim što je opremljen čeljustima za drobljenje blokova stijene koji su preveliki za transport pumpama. Za stabilizaciju čela koristi se bentonitna suspenzija. Mješavina tla i suspenzije transportira se pumpama na površinu terena gdje se suspenzija odvaja od tla i vraća u sustav.

Slika XXX Mixshield, Tunel ispod rijeke Elbe, Hamburg, 1998, D=14,2 m. Čeljusti za drobljenje ulomaka stijena (prospekt tvrtke Herenknecht)

25

Podzemne građevine i tuneli

26

11.3.2 Strojevi s pokretnom glavom (partial face tunnel boring machines; roadheader) Kod strojeva s pokretnom glavom, alat za rezanje nalazi se na rotirajućoj glavi koja se može proizvoljno kretati po profilu tunela koji se kopa. U odnosu na stroj za iskop u punom profilu, ovaj je stroj manji, jeftiniji i fleksibilniji za uporabu. S njim je moguće kopati proizvoljan oblik poprečnog presjeka tunela. Ovisno o tipu alata kojim se stijena razara, strojevi se dijele u dvije skupine: • •

glodači (roadheader or tunnel miner) strojevi s diskovima na pokretnoj glavi (mobile tunneller)

11.3.2.1 Glodači (roadheader or tunnel miner) Ovaj tip stroja na pokretnoj glavi ima zube koji razaraju stijenu tijekom njene rotacije. Koriste se u stijenama sa jednoosnom čvrstoćom manjom od 80 MPa. Mogu se koristiti i u čvršćim stijenama koje su intenzivno ispucale, tako da stroj ne mora rezati stijenu već izvaljuje sitne blokove stijene.

Slika XXX Glodač tvrtke Westalia Lünen koji je Hidroelektra koristila za iskop tunele Chiffa i Harbil u Alžiru, 195-1993.

Slika XXX Glodač u radu. Vide se tragovi zubiju na čelu tunela

Principi i tehnike iskopa

11.3.2.2 Strojevi sa diskovima na pokretnoj glavi (mobile tunneller) Mobile tunneller koristi se za iskop u čvrstoj stijenskoj masi (50-250 MPa). Ovaj stroj koristi dobre osobine stroja za iskop tunela u punom profilu i glodača. Od stroja za iskop u punom profilu uzeo je rezni alat (diskove) a od glodača pokretljivost. Koristi se kod iskopa potkovičastog poprečnog presjeka tunela. Ne oštećuje stijensku masu u zidovima iskopa kao i glodači.. Ovaj je stroj uspješno korišten u periodu 1994-1998, za iskop cestovnih tunela u Kobeu u stijeni čvrstoće 100-220 MPa).

Slika XXX Mobile tunneler; Poprečni profil tunele izgrađenog ovim tipom stroja Stroj je originalno razvijen 1983 za iskop stijene jedneoosne tlačne čvrastoće od 150-430 MPa (Mount Isa). Druga je verzija korištena za iskop 1400 m tunele u stijeni čvrstoće 150-250 MPa (Pasminco). Proizvodi se različite širine. Najveći je problem stvara velika potrošnja diskova.

27

Podzemne građevine i tuneli 11.3.3 Raise borer Ovaj se način strojnog kopanja koristi uglavnom kod iskopa okana i tunala malog promjera (mikrotuneli). Iskop se uvjek vrši iz podzemne prostorije prema površini terena ili prema drugoj podzemnoj prostoriji koja se nalazi na višem nivo. Kada se radi o strojnom iskopu, iskopu uvijek prethodi izrada pilot bušotine za smještaj osovine kojom se rotacija sa stroja prenosu na reznu glavu. Iskopani materijal pada na niži nivo.

Slika XXX Raise borer tehnika iskopa okana (prospekti tvrtke Sandvik i Skanska) 11.3.4 Blind shaft borer (bušenje) Kod ove se tehnike koristi sličan stroj i rezna glava kao kod raise borer tehnike. Razlukuju se po tome što se iskop u ovom slučaju vrši prema dolje. Transport iskopanog materijala vrši se zračnim transportom kroz osovinu.

Slika xxx Blind shaft borer tehnika gradnje okna (prospekti tvrtke Sandvik) 11.3.5 Mikrotuneli Potreba za polaganjem podzemnih instalacija u gradovima bez raskapanja ulica, utjecala je na nagli razvoj strojeva za iskop malih tunela. Polaganje vodovodnih i kanalizacijskih instalacija najčešći su slučajevi kada se rade tuneli malog promjera (promjer 0,2 do 3 m). Prvi stroj za iskop malog tunela korišten je u Japanu. Prvi stroj za iskop malih tunela bez ljudi (daljinsko upravljanje) izradila je firma Soltau 1979 godine .Najmanji proizvedeni stroj ima promjer 150 mm. Prednosti tehnika mikrotunelogradnje:

28

Principi i tehnike iskopa • • • • •

29

drastično reduciranje količine iskopa, nema utjecaja na okoliš, nema snižavanja nivoa podzemnih voda, minimalno poremećenje prometa, mogućnost rada 24 sata dnevno bez obzira na vremenske uvjete.

NPV

NPV

Slika XXX Alternativa klasičnom iskopu je izgradnja mikrotunela Nedostaci klasičnog iskopa: • • • • • • •

značajne teškoće u prometu, problem deponiranja iskopanog materijala, snižavanje NPV, nemoguće raditi u teškim vremenskim prilikama, potreba za zamjenskim materijalom, problemi kasnijih slijeganja zbog loše ugradnje zasipa, veća mogućnost oštećenja drugih instalacija.

Tehnike strojnog građenja mikrotunela mogu se svrstati u dvije osnovne skupine: • •

Strojni iskop punog profila (full face machines). Pogonska stanica kreće se zajedno s reznim sklopom. Koriste se isti principi kao kod strojeva za iskop velikih tunela. Strojevi koji rade na principu bušenja. Pogonska stanica stabilna a kreće se samo rezni sklop.

30

Podzemne građevine i tuneli

POGONSKA STANICA STABILNA A KREĆE SE SAMO REZNI SKLOP

1 3

Promjer: 0,09-1,2 m bez obzira na nagib Buši pod bilo kojim nagibom 1-Rezni sklop 2-Osovina za prijenos rotacije 3-Pogonska stanica

2

Slika XXXX strojevi koji rade na principu bušenja POGONSKA STANICA STABILNA A KREĆE SE SAMO REZNI SKLOP Promjer: 0,6-4,5 kod tunela i 0,6-6,1 m kod okana Koristi se u stijeni. Ne može se koristiti u tlu 1-Rezni sklop 2-Osovina za prijenos rotacije 3-Pogonska stanica 4-Prethodno izvedena bušotina

3

4

1

2

Slika XXX Strojevi koji rade na principu bušenja SANDVIK Bušenje pod nagibom (inclined boring) Prethodno se izvede pilot bušotina Sjeverno more

Slika XXX Bušenje pod nagibom (SANDVIK)

Principi i tehnike iskopa

Strojni iskop punog profila (full face machines) Koristi se u svim vrstama tla i stijena. Strojevi se mogu svrstati u tri osnovna tipa (Microtunnelling by. Paul Hayward, WT March 1997, pp.7781): • • •

Strojevi na principu svrdla imaju najjednostavniji način iskopa. Koristi princip EPB sustava (Earth Pressure Balance system). Tlo se kopa svrdlom ispred štita i odstranjuje pužnim transporterom Štit s isplakom koristi iste principe kao i kod iskopa velikih tunela Usisavanje vakuumom koristi se u slučajevima kada je tunal lociran iznad nivoa podzemne vode (razvijen u Australiji)

Slika xxx Strojni iskop punog profila (full face machines)

Iskop XXX Izvoz iskopanog materijala Boretec Miti Mole Knoxville, Tennesse

31

Podzemne građevine i tuneli

Podgrađivanje mikrotunela Mikrotuneli se najčešće podgrađuju prefabriciranim elementima koji se potiskuju hidrauličkim prešama kako to pokazuje slika XXX. Da bi se smanjilo trenje, između betonskih elemenata i tla se injektira bentonitna suspenzija. Nekada se obloga izvodi od pumpanog betona na principima klizne oplete kako to pokazuje slika XXX.

Slika XXX Podgrađivanje prefabriciranim segmentima, hidraulički transport iskopanog materijala (Prospekt tvrtke Putzmeister)

Slika XXX Podgrađivanje prefabriciranim segmentima, hidraulički transport iskopanog materijala (Prospekt tvrtke Herrenknecht)

32

Principi i tehnike iskopa

11.4 Iskop rezanjem stijena (chain saw machines) Primjena: •Mekane i srednje tvrde stijene Prednosti: •Nema vibracija od miniranja •Nema velike buke •Mali prekoprofilski iskop •Malo poremećenje stijene

11.5 Iskop hidrauličkim čekićima i hidrauličkim lopatama

Iskop hidrauličkim lopatama uglavnom podrazumjeva ručni iskop glinovitih stijena niske čvrstoće (tvrda tla-mekane stijene) kojes e mogu kopati na ovaj način.

Slika XXX Iskop hidrauličkim lopatama pod zaštitom otvorenog štita; Indeco MES 7000 čekić na FiatHitachi bageru Željeznički tunel Col Albani u Italiji (WT, September, 1997) Iskop hidrauličkim čekićima (rock hammer excavation) doživio je u posljednje vrijeme enorman razvoj. Sve teži čekići postavljeni na bagere, postižu značajnu učinkovitost u uvjetima u kojima se izbjagava miniranje stijenske mase.

33

34

Podzemne građevine i tuneli

11.6 Iskop bagerima Bageri se tradicionalno koriste za iskop mekših stijena i tvrdih tala.

Slika XXX Iskop bagerom u tunelu Moffat (U.S.A.); Bager prilagođen iskopu tunela

Slika XXX Iskop bagerom pod zaštitom otvorenog štita (WT, August 1997); Otvoreni štit s pločama za stabiliziranje čela iskopa

1 3

2

Slika xxx Kombinirani iskop bagerom i hidrauličkim čekićem u tunelu Sv. Rok

Principi i tehnike iskopa

35

11.7 Hidrauličko razaranje stijena (splitting)

Princip hidrauličkog frakturiranja stijene pri izradi tunela prikazan je na donjim slikama. Slike prikazuju tehnologiju japanske tvrtke Fujima Corporation. Ova se tehnologija koristi u uvjetima kada vibracije tijekom iskopa moraju biti svedene ana minimalnu mjeru zbog opasnosti od oštećenja okolnih objakata ili zbog opasnosti da se inicara odron stiejnskoj blokova na površini terena. Stijenska masa u okolini tunala nije oštećena radovima u tunelu što je vrlo povoljno za stabilnost tunela.

• • • • •

Za izradu zareza korištena krunica promjera 102 mm Bušotine unutar bloka imale su promjer 54 mm dužinabušotina: 1,1 m Dužina sonde: 1,0 m Stijenska masa: granit jednoosne tlačne čvrstoće 200 MPa

Slika XXX Iskop tunela hidrauličkim frakturiranjem na jednoj lokaciji u Japanu (Fujita Corporation)

Slika XXX Zarezi dijele stijenu na blokove koji će biti hidraulički frakturirani. Vide se tragovi konturnih zareza koji formiraju gotovo idealan oblik tnela. (Fujita Corporation)

36

Podzemne građevine i tuneli

Na čelu tunela obilježe se zarezi (slots) i bušotine. Zarezi podjele čelo na željeni broj blokova (u ovom slučaju 6 blokova).

Obilježavanje Izradom zareza (slots), oblikuju se blokovi stijene (u ovom slučaju 6 blokova). Zarezi se izvode kontinuiranim bušenjem rupa na način da jedna preklapa drugu. Da bi se to moglo izvesti, bušaći pribor (boring bit) mora biti čvrsto vođen sa posebnom vodilicom ( SABroad, Spining Anti-Bond). Zarezi će omogućiti razaranje stijene hidrauličkim frakturiranjem

Izrada zareza kontinuiranim bušenjem U svakom od blokova izbuši se veliki broj bušotina u koje se umaće gumane sonde. Visokotlačnim pumpama sonde se napune vodom pod tlakom što razara stijenu. Istovremeno se koristi do 20 sondi kje su priključene na dvije hidrauličke jedinice.

Razaranje stijene vodom pod visokim tlakom Kako raspucala stijena nije prilagođena uobičajenim načinima utovara (bager, utovarivač), ona se mora sekundarno usitniti što se obično postiže upotrebom hidrauličkih čekića.

Sekundarno razaranje hidrauličkim čekićem

Slika XXX Tehnologija iskopa hidrauličkim frakturiranjem (Fujita Corporation)

Principi i tehnike iskopa

11.8 Korištenje ekspanzivnih materijala za razaranje stijena (non explosive demolition) Često se za sekundarno razaranje stijena koristi svojstvo nekih amterijala da povećavaju volumen kada dođu u dodir s vodom. Još su se davno u kamenolomima korsistili drveni klinovi koji bi se u suhom stanju stavljali u bušutine. Nakon zalijevanja bušotina vodom drvo bi nabreklo i lomilo stijenu. Slično se radi i danas, samo se umjesto drvenih klinova koriste bubrivi materijali. Prednosti ovog načina razaranja su: • • • •

minimalni rizik jednostavno se izvodi, nije pod ingerencijom zakona koji uvjetuju educiranost osoblja i sigurnosne mjere koje se primjenjuju kod miniranja, ne proizvodi buku, vibracije, leteće komade stijena i prašinu.

Kalcijev oksid hidratacijom prelazi u kalcijev hidroksid pri čemu mu se povećava volumen. Mehanizam hidratacije: CaO+H2O= Ca(OH)2 + 15,6 Kcal/mol Koristi se u uvjetima gdje nije poželjno miniranje a upotreba strojeva je skupa zbog relativno malih dužina tunela Pripremljena se mješavina u tekućem ili plastičnom stanju ulijeva ili umeće u bušotinu. Brzina bubrenja ovisi o upotrebljenom bubrivom sredsvu.

Slika XXX Punjenje bušotina plastičnim bubrivim materijalom; Fragmentirana stijena

Slika XXX Brzina bubrenja dva tipa bubrivog materijala tvrtke Yoshizawa iz Japana (1MPa=10 kg/cm2); Primjer fragmeniranja stijenskog bloka

37

Podzemne građevine i tuneli

38

11.9 Klasifikacije stijenskih masa s obzirom na mogućnost kopanja Istraživanja stijenske mase pri gradnji nekog objekta uglavnom su usmjerena ka rješavanju problema njihove stabilnosti tijekom građenja i eksploatacije. Međutim, svakodnevno se susrećemo s problemom kopanja (razaranja) stijenske mase koji vrlo često postaje značajniji od problema stabilnosti. Tipični primjeri su problemi iskopa u urbanim sredinama gdje se ne mogu primjeniti tehnike miniranja zbog njihovog štenog djelovanja na ljude i susjedne objekte. Iskopi uz naftovode, plinovode, vodovode kao i iskop druge tunelske cijevi u uvjetima prometa kroz prvu, često isključuju miniranje kao način razaranja stijene. U ovim prilikama se pristupa strojnom iskopu. Miniranje je uglavnom efikasno u stijenskim masama vrlo različitih geoloških i geotehničkih svojstava. Međutim, u slučaju uporabe strojeva treba biti vrlo obazriv kako bi se izbjegle situacije koje obično završe na sudu. Naime, efikasnost uporabe odabranog stroja ovisi o brojnim svojstvima stijenske mase što se obično zaboravlja, a vrlo često oni koji odabiru strojeve (najčešće izvoditelji) malo znaju o ovoj problematici. Tehnološki razvoj strojeva omogućio je efikasno korištenje strojeve i u sredinama koje su nekada bile predodređene isključivo za miniranje. Na žalost, u praksi se i danas ponekad pozivamo na Privremene tehničke propise iz 1957. godine u kojima se govori o iskopu ašovom, pijukom, trnokopom, ćuskijama, uporabi baruta i slično, dok je za iskop čvrste stijene predviđeno isključivo miniranje. Pozitivan pomak napravljen je u Općim tehničkim uvjetima za radove na cestama, u kojima se govori o tri kategorije tla kod širokog iskopa (OTU, 2001). U ovom je poglavlju naglasak dan na iskope vezane uz građevinske zahvate. Kada se radi o rudarskim iskopima, treba znati da se tu radi o količinama i prostranstvima koje se građevinarstvu gotovo nikada ne pojavljuju. Masovnost iskopa i velike površine zahvaćene iskopom, rudarima otvaraju mogućnost uporabe strojeva koji se u građevinarstvu ne koriste (veliki bageri vedričari, veliki rotorni bageri i slično). Kod procjene mogućnosti kopanja neke stijenske mase moraju se u vidu imati dvije glavne komponente: svojstva stijene (stijenske mase) i svojstva stroja. Povećanjem snage stroja (na primjer-težina hidrauličkog čekića) otvara se mogućnost efikasnog kopanja i one stijenske mase koju lakši hidraulički čekić ne može kopati. Danas su opće prihvaćene dvije osnovne metode pri procjeni efikasnosti uporabe nekog stroja u određenoj geološkoj formaciji: 1. direktne metode kod kojih se vrši probni iskop odabranim strojem na lokaciji gdje će se vršiti iskop, 2. indirektne metode kod koji se procjenjuje efikasnost odabranog stroja na osnovi poznavanja geoloških i geotehničkih svojhtava stijenskih msa.

Direktne metode su vrlo efikasne ali se u građevinskoj praksi rijetko koriste. Češće se koriste u rudarstvu s obzirom na velike količine iskopanog materijala. Indirektne metode su izazov kako za getehničare i geologe tako i za proizvođače opreme. U nastojanju da se broj neugodnih iznenađenja svede na najmanju moguću mjeru, razvijeni su različiti klasifikacijski sustavi koji trebaju pomoći u sveobuhvatnom opisu i definiranju parametara stijenskih masa bitnih za efikasno kopanja (razaranje). 11.9.1 Regulativa u građevinskoj praksi Građevinska norma GN 200, donesena odmah nakon Drugog svjetskog rata, sve geološke formacije dijeli u sedam «kategorija zemljišta». Ova je norma odavno prevaziđena i potpuno neprimjerena novim tehnologijama iskopa. Nažalost, svjedoci smo da se još i danas projektanti pozivaju na normu u kojoj se govori o iskopu ašovom, pijukom, trnokopom, ćuskijama, upotrebi baruta i slično.

Principi i tehnike iskopa

OTU za radove na cestama (2001), široki iskop djeli u tri kategorije. Kategoriji A pripadaju sve čvrste stijene koje se razaraju isključivo miniranjem. Tlo iz kategorije C može se kopati bagerom, buldozerom i slično dok se u kategoriji B nalaze slabe stijene koje se mogu kopati strojevima uz djelomično miniranje. U ovim Uvjetima još uvijek se rabe neki stari, nestručni, termini kao što su ilovača, kamenita tla, zdravo stanje stijene i slično. Iz opisa pojedinih kategorija se može vidjeti da je ova kategorizacija temeljena na sljedećim elementima: litološkom opisu, kvalitativnoj procjeni mehaničkih svojstava i površnom opisu inženjerskogeoloških značajki stijenske mase. Niti jedan od parametara u kategorizaciji nije kvantificiran. Zato nije ni čudo što se, vrlo često, izvoditelji radova spore sa investitorima oko kategorije iskopa. OTU (2001) opisuje kategorije stijene na ovaj način: Pod materijalom kategorije “A” razumijevaju se svi čvrsti materijali, gdje je potrebno miniranje kod cijelog iskopa. Toj skupini pripadaju sve vrste čvrstih i veoma čvrstih kamenih tala kompaktnih stijena (eruptivnih, metamorfnih i sedimentnih) u zdravom stanju, uključujući i moguće tanje slojeve rastresitog materijala na površini, ili takve stijene s mjestimičnim gnijezdima ilovače i lokalnim trošnim ili zdrobljenim zonama. U ovu se kategoriju ubrajaju i tla koja sadrže više od 50% samaca većih od 0,5 m3, za čiji je iskop također potrebno miniranje. Pod materijalom kategorije “B” razumijevaju se polučvrsta kamenita tla, gdje je potrebno djelomično miniranje, a ostali se dio iskopa obavlja izravnim strojnim radom. Toj skupini materijala pripadaju: flišni materijali, uključujući i rastresiti materijal, homogeni lapori, trošni pješčenjaci i mješavine lapora i pješčenjaka, većina dolomita (osim vrlo kompaktnih), raspadnute stijene na površini u debljim slojevima s miješanim raspadnutim zonama, jako zdrobljeni vapnenac, sve vrste škriljaca, neki konglomerati i slični materijali. Pod materijalom kategorije “C” podrazumijevaju se svi materijali koje nije potrebno minirati, nego se mogu kopati izravno, upotrebom pogodnih strojeva - buldozerom, bagerom, ili skreperom. U ovu kategoriju spadala bi: • sitnozrnata vezana (koherentna) tla kao što su gline, prašine, prašinaste gline (ilovače), pjeskovite prašine i les, • krupnozrnata nevezana (nekoherentna) tla kao što su pijesak, šljunak odnosno njihove mješavine, prirodne kamene drobine - siparišni ili slični materijali, • mješovita tla koja su mješavina krupnozrnatih nevezanih i sitnozrnatih vezanih materijala. 11.9.2 Svojstva stijene i stijenske mase bitna za procjenu mogućnosti kopanja Razaranja stijene alatima prikazanim na slici XXX, komplaksan je proces. Pri odabiru stroja za konkretan slučaj iskopa, postavljaju se sljedeća pitanja: • • • • • •

koji će biti učinak stroja, koji rezni alat je nabolji, koji je najbolji položaj reznog alata na glavi stroja, kako potrošnju reznog alata svesti na minimum, kako izbjeći oštećenja nosača reznog alata, kako vibracije svesti na minimum.

Pri odabiru adekvatne tehnologije iskopa mora se voditi računa o stijenskoj masi kao sustavu koji se sastoji od intaktne stijene i diskontinuiteta te o činjenici da je stijenska masa anizotropna, nehomogena i prirodno napregnuta. To se vrlo često zanemaruje te je do danas zadržan pragmatičan pristup empirijske procjene brzine razaranja na osnovi poznavanja jednoosne tlačne čvrstoće stijene. Ovaj pristup je u praksi ponekad imao uspjeha zbog povezanosti čvrstoće s ostalim mehaničkim svojstvima stijene ali se najčešće pokazuje kao potpuno krivi jer zanemaruje inženjerskogeološka svojstva stijenske mase. Strukturna i druga svojstva stijenske mase te petrografska svojstva stijene, često su za iskop bitnija od

39

40

Podzemne građevine i tuneli

čvrstoće intaktne stijene. U praksi se stijena izrazito visoke jednoosne tlačne čvrstoće kopa vrlo efikasno ako je intenzivno ispucala (više skupova s malim razmakom diskontinuiteta). S druge strane, stijena povoljne čvrstoće teško će se kopati ako je masivna, s malo diskontinuiteta. Thuro i dr. (2002) prikazuju parametre stijene i stijenske mase bitne za definiranje svojstava stroja i potrošnju reznog alata (tablica XXX). Mineralni sastav i intaktna stijena kontroliraju tzv. osnovnu mogućnost kopanja, a stijenska masa kontrolira opću mogućnost kopanja (Thuro i dr. 2002).

Zubi glodača σu50 15

Specifična energija određuje se u laboratoriju na blokovima stijene i predstavlja rad potreban za iskop jediničnog volumena stijene. Ovo je uobičajeni način za procjenu djelotvornosti stroja sa pokretnom glavom i stroja za iskop tunela u punom profilu (krtica). Kako za određivanje specifične energije treba imati na raspolaganju posebnu laboratorijsku opremu, Basarir i Carpuz (2004) daju korelaciju specifične nergije i jednoosne tlačne čvrstoće u sljedećem obliku SE=0,2UCS+2,41 (MPa) Cjelokupan klasifikacijski sustav za procjenu podobnosti ripanja stijenske mase prikazan je u tablici XXX. Uvođenje koncepta specifične energije u ovaj sustav je glavni doprinos ovog sustava u odnosu na druge slične sustave. Tablica XXX Klase ripabilnosti lapopra (Basarir i karpuz, 2004)

a b

D8

D9

0-20 20-55

Specifična energija, MJ/m3 1300 900-1300

Assessed class Vrlo lako Lako

3 4 5

55-70 70-85 85-95

5,25-7,00 7,00-9,00 >9,00

400-900 250-400 1500 10001500 450-1000 285-450 6000 Vrlo lakoa 4300-6000 Vrlo lakoa

D11 Učinak, m3/h Assessed class >100000 Vrlo lakoa 7000-10000 Vrlo lakoa

1900-4300 1200-1900