Cursul_8_9_10

Constructii Subterane

METODE DE EXECUŢIE A GALERIILOR ŞI TUNELELOR IN ROCA 1.1. TEHNOLOGIA DE EXECUŢIE PRIN FORARE ŞI PUŞCARE 1.1.1. Execuţia direct la secţiunea finală În funcţie de dimensiunile galeriei şi de caracteristicile rocii excavarea prin acest procedeu se poate realiza direct la secţiunea finală sau în 2 sau mai multe trepte şi faze. În situaţia dimensiunilor curente a galeriilor/tunelelor executate în roci cu caracteristici mecanice bune tehnologia de execuţie cuprinde următoarele etapele ilustrate în figura 2.1. Succesiunea operaţiilor în ordine tehnologică se prezintă astfel: - trasarea frontului, materializarea pe front a schemei de perforare; - perforarea frontului cu ajutorul perforatoarelor manuale pe lungimea de 3 m, sau similară, funcţie de avansul proiectat; perforarea în partea superioara se poate face de pe o platforma de lucru (executată din ţeavă şi dulapi) sau de pe steril, pînă ce acesta nu a fost evacuat; - puşcare, aerisire; - copturirea suprafeţei bolţii cât şi a pereţilor pe lungime de 3 m, de pe materialul rezultat la puşcare; - perforarea găurilor pentru ancore; - aducerea în front a încărcătorului (ce staţiona în prima nişă de lîngă front) şi încărcarea sterilui în vagoane; - transportul cu locomotiva electrică de mină la haldă;

- evacuarea din front a încărcătorului şi a celorlalte echipamente;

În timpul operaţiei de perforare a ancorelor şi de evacuare a sterilului, concomitent se executa lucrarile de susţineri provizorii. În cazul rocilor tari susţinerile folosite sunt ancore betonate de l = 0,75—1,50 m, Ø 25 mm, plasă de sârmă cu ochiuri 60 x 60 mm, şpriţ-beton de 5 cm grosime. După susţinerea provizorie se execută urmatoarele lucrări:

— săparea rigolelor de scurgere a apelor la infiltraţii şi la perforajul umed; — pregătirea patului de radier prin aşternerea de nisip 0—7 mm, sau pietriş 0—15

mm, în vederea montării prefabricatelor de radier; — montarea radierului prefabricat şi solidarizarea acestuia de vatră cu ancore

Ø 20 (2 buc/prefabricat) impotriva deplasării către front. Operaţiunea de montare a radierului prefabricat se execută în sensul portal - front, la o distanţă minimă de 30 m faţă de front.

În tehnologiile moderne se prevede execuţia radierelor prefabricate, concomitent cu lucrările de excavare-înaintare, radierul prefabricat aflîndu-se la o distanţă destul de mică în spatele frontului de excavaţii. Prin folosirea acestor prefabricate se creează condiţii favorabile pentru lucrările de betonare. Se obţin următoarele avantaje:


Figura 2.1. Fazele de execuţie pentru excavarea la secţiune întreagă — cale de circulaţie în perfectă stare ce permite amplasarea şi transportul facil al

instalaţiilor necesare tehnologiei; — un control şi o verificare a profilelor excavate pe tot conturul galeriei, putându-

se manevra un şablon mobil; — posibilitatea executării reprofilărilor necesare, utilizind o platformă ce circulă

pe calea de rulare ; — se constituie un reazem stabil şi bine centrat pentru cofrajul metalic

autoportant al inelului la betonare; — se dă posibilitatea efectuării şi întreţinerii ordinei şi curaţeniei prin existenţa

radierului definitiv pe toată lungimea.


1.1.2. Execuţia în mai multe trepte şi faze

În cazul galeriilor de mai mari dimensiuni excavarea se face în mai multe faze, uneori foarte elaborate, aşa cum se poate urmări în figura 2.2.

Figura 1.2. Faze de excavare în cazul unei galerii de mari dimensiuni

În cele ce urmează se detaliază fazele de execuţie în cazul excavării în 2 trepte. Se atrage atenţia că introducerea a 2 trepte afectează viteza de execuţie. Astfel, Pentru o sectiune medie de 20 m2 a galeriei se obtine un avansament mediu de 80 ml/lună, în cazul excavatiei în trepte şi de 100 ml/lună în cazul excavatiei la secţiune plină.

Tehnologia de execuţie în vartianta cu 2 trepte cuprinde operaţiile prezentate în figura 2.3. Cele două trepte sunt decalate în plan longitudinal pe distanţa maximă de 5,0 m. În situaţia când frontul de lucru nu este decalat în trepte, pentru intrarea în această tehnologie de lucru, se execută lucrări pentru realizarea treptei superioare pe un decalaj de 2,0 m. Aceste lucrări sunt:

- montarea unei platforme de lucru executata din ţeavă şi dulapi. Înălţimea platformei este astfel aleasă încât să permită, lucrul minerilor atât în partea superioară la boltă, cât şi sub platformă; - perforarea frontului pe 2 m adâncime cu perforatorul individual;

- puscare, aerisire, copturire; - evacuare manuală a sterilului de pe treapta superioară; - încărcarea sterilului de pe treapta inferioară cu încărcătorul în vagon CF, şi

transport la haldă; - executarea pe trepte a susţinerilor provizorii şi definitive.


Figura 1.3. Fazele de execuţie în varianta cu 2 trepte După raţii: realizarea treptei de lucru superioare se execută următoarele ope

— trasarea frontului şi materializarea găurilor ce se perforează; — perforarea frontului superior pe 1,5m adâncime cu perforatoare individuale;

perfo lungime de 2,50 m; rarea găurilor pentru ancore cu o— puşcare, aerisire, copturire;


— evacuare manuală a sterilului de pe treapta superioară; — aducerea în front a încărcătorului (ce staţiona în prima nişă din spatele frontului)

şi înc goane; ărcarea sterilului în va— transport la haldă;

Se recomandă executarea suprapusă a operaţiilor de încărcare a sterilului cu cele aferente realizării susţinerii provizorii. Susţinerile provizorii folosesc ancore betonate l = 2,50 m, Ø = 25 mm, plasa cu ochiuri 60 x 60 mm, şpriţ beton 10 cm, cintre simple sau duble (funcţie de natura rocii) la 1,50m distanţă unele de altele. După terminarea lucrărilor de susţinere provizorie pe 1,5 m se trece la faza următoare care este executarea unui nou atac de 1,5 m pe treapta superioară şi a unui atac de 3,0 m pe treapta inferioară. Se execută două atacuri scurte de 1,5m, pe treapta superioară, din considerente de susţinere şi pentru o evacuare manuală mai uşoară a sterilului. În acest scop se execută următoarele operaţii:

— trasarea frontului şi materializarea găurilor ce se perforează; — perforarea treptei superioare pe încă 1,5 m cu perforatoare individuale cât şi a

găurilor pentru ancorele de 2,5 m din boltă; — retragerea utilajelor; — puşcare, aerisire, copturire ; — perforare cu perforatoarele individuale a treptei inferioare ; — puşcare, aerisire, copturire pereţi; —evacuare manuală a sterilului rămas pe treapta superioara (o parte din acest

steril a cazut pe radier la puşcarea treptei inferioare); —aducerea în front a încărcătorului (ce staţiona în prima nişă din spatele

front lului în vagoane; ului) şi încărcare steri— transport la haldă.

În timpul operaţiei de perforare a frontului şi de evacuare a sterilului rezultat din puşcările celor două trepte se execută concomitent lucrarile de susţineri provizorii. Tavanul şi pereţii se vor controla şi copturi la începutul schimbului, după puşcare şi ori de câte ori apar semne că roca are tendinţa să se desprindă. În timpul copturirii este interzisă executarea altor lucrări în frontul de lucru.

11.3. Lucrări de puşcare. Schema de puşcare

Schema de puşcare trebuie sa fie afişată la loc vizibil la intrarea în galerie cât şi la frontul de lucru. Excavarea în toate categoriile de roci se face cu ajutorul explozivilor. Explozivii sunt substanţe care aprinse au proprietatea să ardă într-un timp foarte scurt (fracţiuni de secundă), degajând mari cantităţi de gaze şi căldură. Dacă explozivul arde într-un spaţiu mic, închis, astfel încât gazele degajate să nu poată ieşi afară, atunci ele apasă supra pereţilor cu o presiune foarte mare şi îi rup. a

Aprinderea încărcăturii explozive se poate face pirotehnic sau electric. În excavaţiile subterane se foloseşte întotdeauna aprinderea electrică a incărcăturii. Metoda electrică de puşcare are avantaje deoarece:

— prezintă posibilitatea explodării simultane a unui număr mare de încărcături şi prin aceasta sporirea efectului exploziv.

— se poate face reglarea cu precizie a exploziei în privinţa timpului de producere. — dă posibilitatea de a păstra o anumită succesiune a exploziilor, în raport cu

scopul urmarit.


Stabilirea lungimii şi distributiei găurilor ce urmează a fi forate în front (schema de puşcare) este o operaţie importantă, fiindcă de ea depinde felul ruperii şi consumul de exploziv. Ruperea rocii trebuie realizată cât mai aproape de profilul teoretic al secţiunii, iar sterilul rezultat să fie cât mai mărunt, pentru a putea fi încărcat mai uşor. Schema de puşcare se alege în funcţie de următoarele condiţii:

- tăria rocii; - stratificaţia rocii, înclinarea şi direcţia straturilor; - infiltraţiile de apă şi existenţa gazelor în masiv ; - secţiunea şi forma galeriei ; - tehnologia folosită şi utilajele de perforare, încărcare, transport, puşcare; - tipul de exploziv folosit şi caracteristicile lui ;

- susţinerea provizorie şi definitivă; - destinaţia galeriei - ciclograma prevăzută şi monografia de armare.

La orice schemă de perforare, urmărind din centru spre margini se disting găurile de sâmbure, care explodează primele, apoi găuri de lărgire şi găuri de profilare. O schemă de puşcare se poate urmări în figura 2.4.

Figura 1.4. Schemă de puşcare pentru o galerie de dimensiuni medii Diametrul găurilor este cuprins intre 32-45 mm şi trebuie să depăşească cu 4-5 mm diametral cartuşelor de exploziv folosite. Adincimea găurilor este cuprinsă între 1,5 şi 3 m. La secţiuni sprijinite adâncimea găurilor din care rezultă pasul de înaintare nu poate depăşi lungimea pe care lucrarea poate sta nearmată. Găurile de sâmbure, explodând primele au rolul de a produce o scobitură (un făgaş sau sâmbure) pentru a crea o a doua faţă liberă. În acest mod ruperea rocii produsă prin explozia celorlalte găuri se face în condiţiuni mai bune. În zona sâmburelui găurile au o desime mai mare şi se încarcă cu cantităţi sporite de exploziv (cu 20-25% mai mult ca la celelalte găuri). Din motivele arătate găurile de sâmbure converg (au tendinţa să se întîlnească) în interiorul frontului, deosebindu-se din acest punct de vedere sâmburi conici sau piramidali, sâmburi pană, sâmburi triunghi, etc.


Găurile de lărgire se perforează pe unul sau două rânduri în jurul sâmburelui, funcţie de tăria rocii şi mărimea profilului, având şi ele o uşoară înclinare spre axul galeriei. La secţiunile mici găurile de lărgire pot lipsi.

Găurile de profilare explodează ultimele şi au rolul de a crea un profil cât mai apropiat de cel teoretic. Ele sunt plasate mai des, la distanţe de 0,10-0,15 m de marginea teoretică a profilului şi sunt paralele cu axul galeriei, sau la 0,15 m de marginea teoretică a profilului şi sunt uşor divergente (înclinate spre exterior). Încărcătura pe gaură este mai mică decât la celelalte tipuri de găuri. Pentru galerii care rămân necăptuşite încărcătura se limiteaza la circa 200 grame exploziv/gaura de 1 m. Uneori găurile de profil se încarcă din două în două (una da, una nu). în acest caz se reduce cantitatea de exploziv folosit pentru puşcare pe de o parte, iar pe de altă parte se dirijează ruperea spre găurile neîncărcate şi se obţine o rupere mai bună a conturului galeriei.

Numărul de găuri pe un metru pătrat de secţiune variază în limite depinzând de tăria rocii şi de mărimea profilului excavat. În condiţii normale el variaza între 2,5 şi 4,0 găuri/m2 de galerie. Consumul de exploziv este în jur de 0,9-1,4 kg exploziv/m3 de rocă excavată. Numărul de găuri şi consumul de exploziv creşte în galeriile de secţiune mare şi în cazul rocilor foarte tari. Cantitatea de exploziv necesar pentru o gaură depinde de următorii factori:

- lungimea găurii şi poziţia explozivului în gaură; - duritatea rocii; - puterea materialului exploziv şi gradul lui de îndesare; - gradul de fisurare al rocii, precum şi stratificaţia ei; - cunoaşterea amănunţită a proprietăţilor explozivului folosit.

Gaura se poate încărca pe maximum 2/3 din lungimea ei. Pentru încărcarea frontului şi puşcarea electrică patronul armat (cu capsă) se introduce în fundul găurii, apoi se introduc patroanele de dinamita. Burarea se face cu argilă, nisip sau apă. În încheierea acestui paragraf sunt prezentate o serie de fotografii din timpul execuţiei unor galerii de secţiune mare.


Fotografii din timpul execuţiei unor galerii de secţiune mare


1.2. TEHNOLOGIA DE EXECUŢIE CU MAŞINA DE FORARE LA SECŢIUNE PLINĂ

1.2.1. Generalităţi Instalaţia de forat la secţiune plină, denumită curent maşină de forat la secţiune plină TBM (Tunneling Boring Mashine) este un echipament complex care realizează excavarea mecanizată prin foraj orizontal, cu ajutorul unei foreze dotată cu cuţite de dislocare a rocii, care este rotită şi propulsată electrohidraulic. Instalaţia este alcatuită din două parţi distincte: (vezi figura 2.5).

Figura 1.5. Elementele unei TBM - Capul tăietor, dotat cu foreză şi elemente de protecţie, cilindri de propulsie, gripere şi reazeme posterioare. - Trenul de module, tractat de capul tăietor, pe care sunt amplasate instalaţiile auxiliare (electrice, hidraulice, de ventilatie, de apa, benzi transportoare etc.). Instalaţia poate fora galerii în aliniament sau în curbă, cu pante diferite, excavaţia fiind circulară. Avansarea pe traseu a instalaţiei se realizează prin autopropulsare, în paşi succesivi de 1,2-2 m, vitezele de înaintare fiind de până la 15 m/zi (400-500 m/lună) în funcţie de natura rocii, distanţa faţă de fereastră, condiţiile de organizare, starea tehnică a instalaţiei etc.

1.2.2. Descrierea instalaţiei Instalaţia de forat galerii orizontale TBM are următoarea alcătuire:

Capul tăietor format dintr-o şaibă pe care sunt montate rolele de dislocare a frontului, plasate sub formă de spirală simplă sau dublă, fiecare rolă călcând pe un traseu diferit, distanţa între trasee fiind 5-7 cm. Zonele periferice ale şaibei sunt demontabile şi sunt specializate pentru preluarea materialului dislocat şi ridicarea lui în spate, spre banda transportoare (cupe perimetrale).


Modulul de sprijin şi stabilizare, pe care este fixat capul tăietor prin intermediul unui rulment de mare diametru, care stă pe o talpă cilindrică demontabilă. Modulul de sprijin suportă axial şi transversal solicitările provenite din capul taietor, transmite capului tăietor împingerile cilindrilor de propulsie care asigură avansul instalaţiei, constituie reazemul împingătorilor laterali şi de tavan, constituie suportul motoarelor electrice de antrenare a capului tăietor şi constituie suportul benzii transportoare care preia materialul excavat transferindu-l în spate.

Grinda principală, care este o structură metalică chesonată sudată, fixată de

modulul de sprijin şi stabilire, care constituie suportul benzii de transport, susţine modulul de gripare în interiorul căruia poate culisa şi susţine modulul posterior de reazem.

Modul de gripare propulsie este alcătuit dintr-o structură metalică susţinând sistemul hidraulic de acţionare a griperelor, papucii griperelor, cilindrii de reglare a poziţiei grinzii faţă de axele galeriei şi cilindrilor de propulsie ai instalaţiei. Acesta asigură fixarea în pereţii galeriei a papucilor griperelor, care constituie reazemul fix faţă de care are loc înaintarea instalaţiei cu ajutorul cilindrilor de propulsie. De asemenea permite ajustarea poziţiei grinzii principale în funcţie de nevoile de dirijare prin cilindrii auxiliari (câte 2 pe fiecare parte). Prin acţionarea pe verticală şi orizontală a grinzii principale, se transmit capului tăietor mişcări care permit corectarea avansului.

Modululul posterior de reazem este alcătuit din doi cilindri hidraulici prevăzuţi

la capetele inferioare cu papuci metalici care calcă pe extremităţile prefabricatelor de vatră. Funcţia sa este de a susţine grinda atunci când griperele se retrag în vederea deplasărilor înainte.

Instalaţia remorchează trenul de module, care este alcătuit din structuri spaţiale, prevăzute cu roţi, care rulează pe extremităţile bolţarilor. Pe trenul de module se află banda transportoare, instalaţia hidraulică, pupitrul de comandă etc.

Dispunerea acestor utilităţi pe module conduce la o lungime mare a trenului (cca 80 m), cu implicaţii defavorabile asupra montajului, a punerii în funcţiune, exploatării etc. Pentru a ilustra complexitatea unei asemenea instalaţii sunt prezentate două fotografii, una cu ansamblul unei TBM şi a doua cu alcătuirea capului tăietor. 1.2.3. Execuţia săpării şi avansului Fazele de săpare şi avans ale instalaţiei, care determină fluxul tehnologic general începind cu platforma tehnologică până la front sunt urmatoarele (vezi figura 2.6):

Griparea instalatiei cu modulul de gripare apropiat de capul tăietor. În această fază griperele trebuie să fixeze corespunzător instalaţia pe pereţii laterali astfel încât acestea să constituie un reazem ferm care va prelua prin frecare forţele dezvoltate de


Fotografii ale ansamblului

TBM şi a capului tăietor

cilindrii de propulsie în faza de excavaţie - avans. În cazul în care, sunt supraprofilări locale mai mari decât cursa maximă a griperelor şi acestea nu pot atinge pereţii laterali se pot face completări cu adaosuri din metal sau lemn, care să asigure griparea necesară pentru avans. În cazul unor supraprofilări mai mari se vor face betonări locale la profilul necesar.


Tot în această fază se va controla poziţia instalaţiei faţă de direcţia proiectată de avansare, stabilindu-se corecţiile necesare (modificarea poziţiei grinzii principale în secţiunea de gripare, deschiderea inegală a cilindrilor de propulsie etc.).

Liftarea picioarelor de reazem ale instalaţiei. Operaţiunea constă în închiderea parţială a cilindrilor hidraulici respectivi, lăsându-se tălpile pe capetele prefabricatelor, pentru a fi deplasate odată cu avansul. Liftarea va avea loc numai dupa fixarea în gripere, în caz contrar, instalaţia dezechilibrându-se. După liftare instalaţia este aptă pentru faza de săpare-avans.

Figura 1.6. Fazele de săpare şi avans la TBM

Săparea şi avansul. Sunt faze tehnologice simultane în cursul cărora capul tăietor este acţionat cu motoarele electrice, la viteza corespunzătoare naturii rocii. Întreaga instalaţie este propulsată prin intermediul cilindrilor de avans cu forţe corelate cu natura rocii din front. Aceasta este faza cea mai lungă din ciclu, în care materialul dislocat din front este preluat de sistemul de benzi şi transferat în mijloace de transport pentru a fi evacuat la zi. În cadrul acestei faze mai au loc urmatoarele activitati: curăţirea radierului excavat pe măsura avansării instalaţiei; montarea prefabricatelor de vatră; verificarea permanentă a poziţiei instalaţiei şi conectarea acesteia prin mijloace cu care e dotată maşina (cilindrii de propulsie şi cilindrii ajutatori ai modului de gripare).


În această fază trebuie supravegheată permanent starea masivului forat şi realizat bilanţul dintre cantitatea de rocă transportată în vagonete şi volumul teoretic rezultat din avans şi secţiunea transversală a galeriei. Forajul şi avansul se opresc dacă se observă un raport necorespunzator (prea mare) intre volumul excavat şi distanta par-cursă, luindu-se măsuri de inspectare a frontului.

Unele detalieri privind fazele de lucru sunt prezentate în figurile 1.7 şi 1.8.

Figura 1.7. Deschiderea avansului pentru excavarea cu TBM

Dacă natura masivului de rocă o cere, se iau măsurile de susţinere locală prin aplicare de cintre, plase şi ancore, etc. instalaţia dispunând de mijloacele necesare pentru efectuarea acestor operaţii. O activitate importantă, care asigură condiţiile de mediu din spaţiul de lucru al instalaţiei, este umectarea frontului, în vederea reducerii prafului provocat de procesul excavării. Tot în acest scop va fi asigurată permanent pe parcursul excavării funcţionarea instalaţiei de ventilaţie.

Degriparea instalaţiei şi translatarea în faţă a griperelor are loc după confirmarea rezemării posterioare şi este precedată de luarea măsurilor de extragere a adaosurilor de complectare dintre gripere şi pereţi. După degripare se comandă închiderea cilindrilor hidraulici de propulsie, ceea ce determină apropierea modulului de gripare de capul tăietor al instalatiei.


Reaşezarea instalaţiei pe picioarele posterioare de reazem se realizează la sfirşitul

Figura 1.8. Flux tehnologic

Cu faza de degripare - avans gripere, ciclul de avansare al instalaţiei se încheie începînd un nou ciclu de avansare, conform fazelor mai sus analizate.

Vitezele care se realizează în forajul cu TBM depind de natura terenului, de distanţa frontului faţă de fereastră dar şi de starea tehnică a instalaţiei. În condiţii normale de lucru, se apreciază că sunt posibile viteze până la 15 m/24 ore. În cazul unor roci care necesită susţineri, vitezele de înaintare nu pot depasi 7m / 24 ore. 1.3. ASPECTE PRIVIND AERAJUL Toate lucrările tehnologice subterane aferente constructiilor subterane realizate la mare adincime, inclusiv galeriile şi tunelele vor fi aerisite prin curenţi de aer, care să asigure condiţii de lucru normale în ceea ce priveşte compoziţia şi microclimatul. Curenţii de aer vor fi dirijaţi astfel incât eventualele acumulări de gaze periculoase să fie diluate în proporţii acceptabile. Aerul trebuie să conţină volumetric cel putin 19% oxigen şi cel mult 1% bioxid de carbon. Conţinutul maxim de CH4 sau CN2 în curentul general de mină, determinat la ieşirea din coloana ventilatorului este de 0,75. Temperatura maximă admisa este de 25°C. Concentraţiile maxime admise pentru toxice sunt: oxid de carbon 0,002 % — 30 mg/mc aer oxid de azot 0,0048 % — 10 mg/mc aer bioxid de sulf 0,00035%—10 mg/mc aer hidrogen sulfurat 0,00066— 10 mg/mc aer Pentru realizarea acestor condiţii este necesar să se facă aerajul artificial, care este de mai multe feluri şi anume: aeraj aspirat; aeraj refulat; aeraj combinat. Aerajul artificial se realizează cu ajutorul ventilatoarelor şi a tuburilor de aeraj. Viteza minimă de a curentului de aer în subteran va fi de 0,2 m/s la o temperatură de 20°C iar limita maximă admisă pentru locul de muncă va fi de 4 m/s.


Calculul debitului de aer necesar în subteran se face ţinind cont de numărul de oameni în schimbul cel mai populat şi de numarul de mijloace de transport dotate cu motoare diesel aflate simultan în funcţionare. Pentru fiecare persoană debitul de aer va fi de minimum 3 mc/minut, iar pentru locomotive sau alte utilaje diesel, pentru fiecare CP, 3-6 mc/minut (funcţie de conţinutul de CO din gazele eşapate). Locurile de muncă temporar oprite sau la care nu se lucrează vor fi aerisite în mod corespunzător, ca şi cele aflate în funcţiune. Pentru orice lucrare/front, ramură de galerie, zonă a depozitului se întocmeşte o schemă de aeraj prin care se rezolvă/dimensionează instalaţiile principale de aeraj, cu caracteristicile lor, direcţia şi repartiţia curenţilor de aer din fiecare circuit, cu indicarea debitelor din circuitele principale. De asemenea se stabilesc construcţiile de aeraj (uşi, staţii de măsură) şi amplasarea staţiilor de aeraj parţial.

Figura 1.9. Poziţia uzuală a tuburilor de ventilare în galerie În majoritatea tehnologiilor analizate pentru prezenta documentaţie, aerajul a fost de tip aspirant şi era constituit din ventilatoare puternice centrifugale montate la gura galeriei, cu Q = 60 000-100. 000 mc/minut şi presiuni de 800-1 000 mm coloană Hg, pentru galeria standard de 15 mp. Tuburile de aeraj se montează de obicei pe bolta galeriei, din motive de gabarite şi se fixează cu sîrmă de ancore cu garnituri din furtun flexibil. Tuburile se montează până la 10 m de front. La capătul din front al tubului de aeraj, se montează o sită conică pentru a opri pătrunderea în tub a sterilului de la explozie.


Ventilatorul este prevăzut cu un motor de rezervă, montat pe aceeaşi platformă, care să poată fi cuplat în maximum 30 minute şi alimentat cu energie electrică de la o sursă de energie separată. Ventilatorul are de obicei difuzor şi confuzor pentru a reduce pierderile. Ventilatoarele principale sunt construite sau adaptate de la caz la caz, în aşa fel încât să permită inversarea curentului principal de aer. Toate lucrările subterane de tip „fund de sac” , aşa cum sunt galeriile de depozitare trebuie aerisite prin aeraj aspirant. Utilizarea altor sisteme de ventilaţie este admisă numai pe baza întocmirii unei documentaţii speciale. Distanţa maximă admisă până la front este de 10 m, cu condiţia să nu existe acumulări de gaze nocive. Aerajul prin difuzie la lucrările în fund de sac este admis până la o distanţă de maximum 10 m, cu condiţia ca în front calitatea aerului să fie corespunzătoare. În cazul aerajului parţial refulant, ventilatorul este montat în curent de aer proaspăt, la minimum 6 m de la cotul spre lucrarea în fund de sac. În aerajul aspirant coloana de refulare se prelungeşte cel puţin 6 m în curentul de aer în care se refulează, pentru a se evita scurtcircuitarea aerului. Pentru combaterea prafului la încarcărea materialului derocat, se aplică stropirea cu apă, iar la punctele de încărcare, descărcare, transbordare, se aplică pulverizarea apei sub formă de perdele de ceaţă. Pentru combaterea prafului rezultat la puşcare, se aplică barajul cu apă sau cu perdele de ceaţă. Pentru combaterea prafului pe căile de aeraj, transport, circulate se vor realiza perdele de ceaţă la locurile unde acestea pot fi puse în suspensie. Aerul impurificat va fi astfel evacuat în atmosferă încât să nu afecteze zonele din care se captează aerul proaspăt. 1.4. PROBLEMELE GALERIILOR DE MARE ADÂNCIME 1.4.1. Studii de caz Galeriile şi tunelele de mare adâncime au probleme specifice din punctul de vedere al mecanicii rocilor. Scenarii legate de riscul execuţiei acestora sunt exemplificate pornind de la lucrări de acest tip realizate în lume. Semnificative sunt tunelele Furka Base Tunnel, Vereina şi Saint Gotthard din Elveţia. Acoperirea acestora este de cca 1500 m pentru primele două şi de peste 2500 m pentru ultimul. Analiza acestor studii de caz oferă o mai bună cunoaştere a problemelor galeriilor de mare adâncime şi a fenomenelor specifice. Furka Base Tunnel are o lungime de 15,4 Km, şi se află la o adâncime de 1500 m într-o formaţie de granite şi gneisuri. Secţiunea transversală a tunelului (vezi figurile 2.10 şi 2.11) are formă de potcoavă (arie de 25m 2 ) în zonele cu acoperire mai redusă şi circulară cu aria de 45 m 2 în zonele cu acoperire foarte mare – de adâncime. Execuţia s-a realizat prin forare şi puşcare (drill and blast). Camăşuirea s-a realizat cu beton armat iar sprijinirea excavaţiei la execuţie s-a realizat cu şpriţ beton şi ancore. Temperaturile au fost relativ reduse pentru astfel de adâncimi – de cca 22 0 C, dar lungimile mari ale tronsoanelor au creat probleme de ventilare.


Figura 1.10. Furka Base Tunnel- secţiunea potcoavă

Figura 1.11. Furka Base Tunnel- secţiunea circulară Tunelul Vereina are 19.050 m lungime, cu o acoperire de până la 1500m. Roca de tip cristalin a constat în gnaise şi amfibolite extrem de dure. Execuţia s-a realizat prin forare şi puşcare (drill and blast) în zonele cu secţiune mare (70 la 85 m 2 până la 135 m 2 ) şi prin forare la secţiune plină, cu TBM( Tunneling Boring Mashine) pentru zonele cu secţiune mai redusă (46 m 2 ).


Figura 1.12. Tunelul Vereina – zona realizată cu TBM

Sprijinirile au utilizat arce metalice în stadiul II, ancore cu răşini epoxidice şi fibre de sticlă, torcret umed. Temperaturile au fost şi în acest caz relativ reduse pentru astfel de adâncimi – de cca 28° C, dar lungimile mari ale tronsoanelor au creat probleme de ventilare. Tunelul de bază Gotthard cu o lungime de 57 Km străbate granite şi gneise de foarte bună calitate, la o adâncime ce depăşeşte uneori 2000 m. De această dată temperaturile au fost mari, peste 45° C. Majoritatea tunelului s-a realizat prin forare la secţiune plină cu TBM (Tunneling Boring Mashine). Secţiunea este circulară, cu o arie de 67 m2.

Figura 2.13. Secţiune transversală la tunelul de bază Gotthard

1.4.2. Aspecte specifice la excavarea prin forare la secţiune plină cu TBM Adâncimea mare a tunelelor şi accesul limitat necesită o foarte bună predicţie şi cartare geologică. Sunt de mare importanţă identificarea zonelor cu posibile falii sau zone de ruptură, cu efecte directe asupra avansului TBM, definirea parametrilor mecanici ai rocilor, modelul hidrogeologic al zonei, analiza geotermică, predicţia temperaturii rocii, abrazivitatea şi forabilitatea rocii, în special pentru TBM etc.. Adâncimea foarte mare a galeriilor şi deci acoperirea şi câmpul iniţial de efort induc importante deformaţii plastice la excavare. În mare parte acest aspect este favorabil. Prin


deformare plastică se reduce starea de efort în jurul galeriei şi se reduc lucrările de sprijinire. Deformarea se produce în timp şi este în interdependenţă cu efectul sprijinirilor. În cazul excavării prin forare şi puşcare acest efect tranzitoriu nu are mare importanţă, dar pentru forarea la secţiune plină cu TBM aceste efecte interferă cu rata de avans. În porţiunea L1 sprijinirea excavaţiei se face imediat în spatele capului de forare şi trebuie să stabilizeze roca şi să permită deformarea. În porţiunea L2 sprijinirea trebuie să stabilizeze roca şi să oprească dezvoltarea deformaţiilor.

Sprijinirea excavatieiSprijinirea excavaţiei

Deformaţii

TBM

Figura 1.14. Srijinirea rocii la excavarea cu TBM În alcătuirea TBM şi a liniei de echipamente aferente, zonele L1 şi L2 trebuie să fie suficient de spaţioase pentru a permite sprijinirea şi accesul utilajelor de instalare a acesteia. Măsurile de sprijinire trebuie luate imediat fără a afecta avansul. Principiul deformării plastice şi a fretării este bine statuat în cazul excavaţiilor prin forare şi puşcare şi se aplică curent. În faza de deformare plastică sprijinirea oferă suficientă capabilitate de a urmării deformarea prin cintre cu îmbinare liberă cu frecare, prin torcret cu şliţuri prin ancorare. În cazul forării la secţiune plină acest principiu impune o proiectare specială a TBM. Excavarea prin forare la secţiune plină este în extindere, asociată cu elemente prefabricate de cămăşuire. Este un procedeu avantajos în cazul rocilor compacte şi stabile, cu viteze de avans superioare. Dacă roca prezintă fenomene de deformare plastică accentuată apare însă pericolul de blocare a TBM. Maşinile cu dublu scut sunt o posibilă soluţie în situaţia galeriilor de mare adâncime.


În pofida temerilor legate de surpări în vecinătatea capului de forare şi de blocare în subteran, pentru galeriile/tunelele din Alpi, cu adâncimi de 1500 – 2000 m, s-a utilizat cu succes forarea la secţiune plină cu TBM. 1.4.3. Mecanismele de cedare la excavarea galeriilor de mare adâncime În cazul acoperirilor mari cedarea conturului excavat este cauzată de căderea/expulzarea unor blocuri de rocă din conturul excavat. Aceste mecanisme de cedare au fost identificate la galeriile din Alpi, în granite omogene. Pentru prevenirea cedărilor s-au utilizat ancore dese, injectate cu poliuretan. S-au eliminat expulzările bruşte, iar acolo unde s-au produs, acestea s-au localizat în pereţii laterali ai galeriilor cu formă de potcoavă şi nu în tavan/boltă. Aceste observaţii sistematice la galeriile de mare adâncime din Alpi au pus în evidenţă importanţa formei galeriei, care trebuie să corespundă eforturilor mari din masivul de rocă. 1.4.4. Comparaţie între excavarea prin forare şi puşcare cu forarea la secţiune plină cu TBM În comparaţia cu excavarea prin forare şi puşcare, utilizarea TBM are ca principal defect încetinirea semnificativă a avansului în situaţia căderilor de blocuri în faţa frontului. Acestea trebuie excavate şi evacuate manual. Din punct de vedere economic cele două metode de excavare sunt apropiate. La Vereina Tunnel şi la Lötschberg Base Tunnel din Alpi comparaţia a fost posibilă dat fiind faptul că s-a ecavat în acelaşi tip de rocă dar cu metode diferite. Costurile de execuţie au fost apropiate. 1.4.5. Alte elemente specifice În cazul galeriilor de mare adâncime probleme specifice apar nu numai din punctul de vedere al eforturilor şi stabilităţii conturului excavat dar şi datorită temperaturilor şi a presiunii mari a apelor subterane. Presiunea mare a apelor face imposibilă şi nepractică etanşarea conturului. Este preferabil să se evite amplasamente cu apă subterană cantonată, iar atunci când se manifestă să se prevadă drenaj şi nu etanşare. Un aspect de interes este dat de faptul că apele conţin minerale dizolvate. Unele pot fi agresive şi corozive în raport cu elementele depozitelor. Dat fiind durata foarte mare de viaţă cerută depozitelor şi ţinând seama de sporul de agresivitate la temperaturile foarte mari din subteran se impune evitarea amplasamentelor susceptibile de a cantona apă sau de a drena apă din zonele adiacente. Chiar dacă s-ar prevede drenaj, în cele mai multe cazuri mineralele dizolvate la presiune mare cristalizează la intrarea în drenuri şi le colmatează rapid. Se reface în acest fel presiunea foarte mare pe conturul galeriei, cu efecte asupra stabilităţii acesteia.

1.5 CONSIDERAŢII PRIVIND APLICABILITATEATEA TEHNOLOGIILOR DE EXCAVARE

1.5.1. Progrese în excavarea prin forare şi puşcare


Excavarea prin forare şi puşcare redevine o alternativă avantajoasă în execuţia galeriilor şi tunelelor depozitului date fiind următoarele elemente. Nu necesită lucrări pregătitoare atât de ample ca la lansarea TBM. Asigură cel mai rapid avans în cazul rocilor tari, aşa cum sunt cele din amplasamentele selectate, în cazul cărora la TBM pot apare întreruperi de lungă durată datorate căderilor de blocuri în front. Este adecvată pentru excavarea oricăror forme ale secţiunii transversale, în timp ce TBM este posibil numai pentru secţiuni circulare. Permite adaptarea cu uşurinţă la schimbările de secţiune, de formă sau la schimbarea condiţiilor geologice. Multe dintre dezavantajele excavării prin forare şi puşcare au fost reduse sau chiar eliminate în prin progresele înregistrate în ultimele decenii. Introducerea unor noi explozivi, de tip emulsii, reduce sensibil riscul de accidente/incidente de execuţie. Echipamentele de dată recentă pentru forarea şi încărcarea găurilor reduc sensibil necesarul de forţă de muncă în front şi timpul pentru fiecare fază. Prin tehnologia explozivilor tip emulsie s-a redus foarte mult fumul din front. Noi scheme de puşcare, asociate cu tehnici tip milisecundă, predecupaj, etc au redus supraprofilele şi deranjarea rocii în conturul excavat. Din punctul de vedere al lansării execuţiei excavarea prin forare şi puşcare prezintă de asemenea o serie de avantaje. Forezele mutibraţ tip jumbo şi celelalte echipamente pot fi achiziţionate în mai puţin de 6 luni. Atacul şi deschiderea portaleler se poate face chiar în avans faţă de livrarea echipamentului principal de execuţie. Avansuri de 40 … 60 m/săptămână sunt acum uzuale. La excavarea în trepte şi faze, impusă de secţiunile mari, avansul este continuu şi vitezele de execuţie cresc. Un avantaj semnificativ îl reprezintă posibilitatea de control riguros al conturului/formei excavate şi evitarea supraprofilelor prin utilizarea explozivilor speciali cu energie explozivă redusă. Se reduc costurile cămăşuelii şi ale susţinerilor provizorii. Cuplarea detonatorilor electronici programabili a îmbunătăţit la rândul ei regularitatea conturului excavat.

1.5.2 Dificultăţi în excavarea prin forare la secţiune plină Excavarea prin forare la secţiune plină este în prezent extrem de răspândită indiferent de destinaţia tunelului şi de geologia traseului. Dificultăţi apar însă la excavarea în roci tari/dure, cu rezistenţă abrazivă mare, aşa cum se aşteaptă să fie cele din amplasamentul viitorului depozit. Schimbarea condiţiilor geologice pentru acelaşi amplasament poate conduce la dificultăţi mari de execuţie, dat fiind faptul că o TBM se realizează, cel puţin la nivelul capului tăietor, în acord cu caracteristicile rocii. Prezenţa în front, în unele zone, a apelor subterane la presiuni mari poate induce blocajul maşinii. Toate aceste considerente conduc la concluzia că pentru un ansamblu de lucrări subterane diverse utilizarea forării la secţiune plină prin utilizarea TBM implică conceperea şi realizarea unui sistem de TBM complex, costisitor, cu durată mare de confecţionare. Proiectarea şi execuţia unei TBM adecvate tipului de lucrare subterană este condiţionantă pentru aplicarea cu succes a forării la secţiune plină în cazul depozitului. Avansul mai mare asigurat de excavarea cu TBM poate fi însă contrabalansat defavorabil de întreruperile cauzate de prăbuşiri în front şi/sau de nevoia de schimbare a capului tăietor în faza de excavaţie.

Documents

Cursul_8_9_10