O vhodnosti použitia tej-ktorej tunelovacej metódy rozhodujú predovšetkým geologické podmienky na trase. Preto je aj každý stroj vhodný do inej geológie, dokonca tak, že kvôli jednému tunelu sa komplet vyrába jeden stroj. TBM sú stroje používané iba do skalných hornín (čiže ľudovo do skaly). Existujú aj stroje, ktoré sa používajú do zemín (čiže ľudovo do hliny), ale tie sa nazývajú mechanizovanými štítmi, lebo pracujú na inom princípe. Na druhej strane je pravda, že v anglickej literatúre sa pod pojmom TBM myslia aj mechanizované štíty.
Základ celej mašiny je vŕtacia hlava (alebo fréza, ak chcete). Je to obluda kruhového prierezu na výšku celého tunela. Keďže sa má celá točiť, do úvahy pripadá iba kruhový tvar tunela. No a veľkosť celého tunela znamená, že bežne má priemer aj cez desať metrov.
Táto sa celá otáča. Tie čierne kolieska sú pohyblivé dláta. Sú to zvyčajne 17 cólové disky z tvrdenej ocele, ktoré majú veľmi ostrú hranu. Táto tlačí na horninu a otáča sa, čím robí do skaly ryhu, okolo ktorej sa skala štiepi. Jeden disk tlačí na horninu silou zodpovedajúcou tiaži okolo 27 ton na veľmi malej kontaktnej ploche. Vznikajú ostrohranné úlomky, ktoré pripomínajú zemiakové lupienky. Preto sa nazývajú medzinárodným slovom čipsy (alebo čipse? teraz neviem). Jedným otočením hlavy sa vyrazí priemerne okolo pol centimetra (závisí od stroja, geológie...) dĺžky tunela. Dláta sa samozrejme musia veľmi často meniť (na celej fréze tak 2-3 dláta denne) a ich cena sa pohybuje rádovo v desaťtisícoch korún. Takto potom vyzerá čelba tunela. (Čelba je miesto na konci tunela, kde sa ťaží.) Vidíte kružnice, kadiaľ prechádzali diskové dláta.
Práve podľa dlát sa dá na prvý pohľad zistiť, o aký stroj sa jedná. Na prvom obrázku je mechanizovaný štít do zemín (z tunela v Singapúre, v tomto prípade do ílov). Má veľké otvory v hlave, po ktorých okraji sú pevné dláta (to sú tie zuby na kraji). Pri otáčaní sa zemina z čelby zoškrabáva práve pevnými dlátami. Pod ním je vŕtacia hlava Lötschbergského údolného tunela (Lötschberg Basis Tunnel), kde sú iba disky. Otvory sú malé, iba na kraji a slúžia na vyberanie rozdrvenej horniny. Niekedy sa používajú stroje, ktoré sú do zemín s veľkými otvormi, ale majú aj pohyblivé dláta pre prípad bludných balvanov. Spôsob zabezpečenia čelby je ale rovnaký ako pri štítoch, takže sa zaraďujú medzi štíty.
Výmena dlát, cena stroja a obtiažnosť technickej údržby je kompenzovaná rýchlosťou stavby. Za hodinu sa takto dokáže vyťažiť až 600 metrov kubických, čo dáva tomuto razeniu obrovskú časovú výhodu oproti novej rakúskej tunelovacej metóde (spomínanej tu ). Ťažko sa určuje nejaký rekord, keďže stroje majú rozličný priemer a pracujú v rozličných podmienkach, ale napr. jeden stroj s priemerom 5m dokázal za mesiac vyraziť až 2136 m tunela. Jednalo sa ale o relatívne malý stroj a vodohospodársky tunel, ktorý má menšie rozmery ako bežné cestné alebo železničné. Výhodou novej rakúskej tunelovacej metódy je možnosť razenia z oboch portálov (oboch strán). Navyše pri trhavinovom razení sa razí prierez, ktorý bude celý využitý, keď chcem do kruhového tunela umiestniť diaľnicu, je jasné, že spodnú časť ťažím zbytočne. Je ťažké určiť, kedy už použiť stroj a kedy sa ešte oplatí klasické razenie, nejde totiž iba o rýchlosť, ale aj o cenu. Jedno TBM stojí veľmi zhruba jednu miliardu korún. Orientačne sa dá povedať, že pod sedem kilometrov sa oplatí viac trhavinové razenie, nad sedem TBM, ale treba to brať s veľkou rezervou. Problémy sú napr. aj s dopravou TBM na stavenisko, keďže iba hlava s pohonom málokedy váži pod sto ton a musí sa prevážať po častiach a následne zmontovať.
V zásade môžeme TBM deliť na dve skupiny. Na TBM bez štítového plášťa a TBM so štítovým plášťom. (Teraz sme už zanechali tunelovacie štíty a bavíme sa o TBM. Ako na potvoru, tieto majú tiež svoje štíty, ktoré ale slúžia na niečo iné.) Pokiaľ je hornina dosť pevná, aby sa zo stropu neuvoľňovali úlomky (keď bývajú skaly rozpukané, ľúbia vypadávať), tak sa volí stroj bez štítu. Keď tomu ale tak nie je, je nutné celý stroj obaliť do oceľového štítu valcového tvaru. Kvôli technológii posúvania štítu (uvidíme neskôr) sa vyvinuli aj stroje s takzvaným dvojitým štítom, pričom pri pohybe celého stroja vpred sa jeden zasúva do druhého a pri pohybe celej frézy vpred sa zase predný vysúva. Na ďalšom obrázku je vidno obidva štíty na začiatku stroja, ak vydržíte dočítať článok, dozviete sa aj, ako to funguje. Ďalej sa už budem venovať iba tomuto stroju zo španielskeho železničného tunela Guadarrama.
Tesne za hlavou sú umiestnené elektromotory. Bežný výkon TBM strojov sa pohybuje okolo 5000 kW, zase závisí od individuálnych okolností. Na obrázku ich vidíte modrou farbou. Býva ich zvyčajne viac ako desať a súkolím otáčajú vŕtaciu frézu. Podľa zákona akcie a reakcie, keď fréza pôsobí obrovskou silou na skalu (konrétne krútiacim momentom), tak rovnakou silou opačného smeru pôsobí skala na stroj. Isto si viete predstaviť, že keby sa hlava z nejakého dôvodu hypoteticky zasekla na hornine, tak motory by spôsobili, že sa začne otáčať pevná časť a hlava bude stáť. Preto tieto obrovské reakčné sily je nutné bezpečne odviesť do nejakej pevnej podpery. A práve toto odvedenie je alfou a omegou konštrukcie TBM.
Hlava je pomocou hydraulických lisov upevnená v oceľovej konštrukcii stroja. Tieto štyri červené lisy umožňujú jej pohyb, čím dokážu optimalizovať tlak a aj zabezpečovať smerové vedenie tunela. (Žiaden tunel nejde priamo a vodorovne už iba kvôli odvodneniu, vždy sa nejako odchyľuje.)
Celé je to upevnené do masívneho oceľového prstenca, ktorý zabezpečuje stabilitu pri obrovských silách, ktoré tam pôsobia. Iba na dokreslenie ich veľkostí, motory by dokázali udvihnúť plný Boeing 747 na ramene 27 metrov. (Skúste si upažiť so závažím s hmotnosťou 50 kíl a to budete mať rameno iba jeden meter)
Samotná hlava je uložená na lisoch tak, aby sa mohla posúvať aj dopredu-dozadu. Optimalizuje sa tým prítlak hlavy na skalu a zároveň to umožňuje v nutných prípadoch fyzickú kontrolu čelby geológom. Zvyčajne sa pred hlavu nechodí, lebo je to nebezpečné a aj dláta sa menia odzadu, ale v určitých prípadoch sa bez toho tunelári nezaobídu. Napr. keď sa im stroj zaborí a oni ho musia vyprostiť. To sa bežne vo svete nestáva z toho dôvodu, že stroje sa vyrábajú na podmienky konrétneho tunela, ako som spomínal. Ibaže u nás sa to už stalo, keďže sa požičal stroj od rakúskej firmy, ktorý bol určený na úplne iný tunel a nie celkom vhodný do našich rozpukaných hornín. Aby som nekrivdil slovenským tunelárom, v roku 2005 zapadol TBM vo Švajčiarsku na Gothardskom tuneli, keď narazil na poruchovú zónu vyplnenú silne zavodnenými štrkmi a pieskami (2000 metrov vodného stĺpca sa vidí málokedy), ktoré sa vovalili do tunela. Trčal tam jeden rok, kým sa ho podarilo náročnými metódami uvoľniť.
Na úrovni predného štítu sa nachádzajú hlavné raziace lisy. Ich úlohu pri samotnom pracovnom postupe ešte uvidíme.
Na ďalšom obrázku je vidno oba štíty. Najzaujímavejší je ten červený prvok v popredí. Je to rozperná doska (nem. Gripper). Sú to vlastne dve oceľové dosky spojené ťažkým hydraulickým lisom, ktorý ich roztlačí do okolitej skaly. Tým sa zabezpečí stabilita celého stroja a cez ne sa odvedú sily do horniny.
Samotná rozperná doska nie je pevne prichytená k stroju, ale iba voľne uložená a sily sa prenášajú na ňu trením a otlačením pevnej časti.
Pri pohybe hlavy sa hornina drví a padá na dno. Zo dna sa kontinuálne zbiera do otvorov na kraji a pri točivom pohybe sa dvíha hore, až sa zošmykne do pásového prepravníka. Systém takýchto prepravníkov odvedie rúbaninu až na koniec stroja a potom von z tunela.
Samotné steny tunela sa musia zabezpečiť voči zrúteniu. Pri technlógii TBM sa to deje prefabrikovanými dielcami, ktoré sa ukladajú za zadným štítom. Špeciálny stroj nazývaný erektor segmenty ukladá do prstencov zvyčajne po 5 alebo sedem kusov do jedného. Prefabrikáty majú v sebe aj tesnenie proti podzemnej vode, ktorá býva najväčším nepriateľom tunelárov. Tu vidno ďalšiu nevýhodu strojného razenia. Nemožno urobiť núdzové zálivy (ako môžete vidieť v cestných tuneloch), nemožno urobiť únikové chodby. Rieši sa to tak, že sa v ich mieste prejde na trhavinové razenie so zmenou prierezu, alebo sa dajú na miesta budúcich únikových chodieb dočasné dielce, ktoré sa potom odstránia a chodby sa vyrazia trhavinovo, pričom sa zastriekajú tak, aby steny prechádzali plynulo do prefabrikátov. Jednotlivé prstence sú oproti sebe trochu pootočené, aby špáry medzi dielcami netvorili v pozdĺžnom smere jednu líniu. Docieli sa tak lepšie statické pôsobenie aj lepšie tesnenie. Je to vidieť na spodnom obrázku, kde sú prefabrikáty prestriedané ako tehly pri murovanej stene.
Samotný erektor je vlastne malý žeriav, ktorý je schopný tie dielce zdvihnúť. Keďže bodové podopretie nie je staticky veľmi výhodné a zle by sa s tým manipulovalo, erektor je vybavený veľkými prísavkami, ktoré odsajú vzduch a tlak potom pôsobí na veľkú plochu a dobre sa s tým otáča.
Keď sa dáva posledný dielec do prstenca, tak sa musí dať zozadu, keďže priamo by sa už nezmestil. (Jeho vonkajšia hrana je dlhšia ako vnútorná a otvor medzi tými dvoma, kam má ísť, má šírku vnútornej hrany.)
Celý stroj máva ale na dĺžku aj cez dvestopäťdesiat metrov. Je totiž nutné zabezpečiť zásobovanie (moderne logistiku) celého procesu. Do čelby musia byť včas privedené a správne zoradené prefabrikáty, musí tam byť zabezpečené vetranie, prísun vody, elektrickej energie, náhradných dielcov, odvoz rúbaniny. Keď máte tunel dlhý cez desať kilometrov, jednoducho si nemôžete dovoliť, aby vám práce zastavila chybná žiarovka a s ňou súvisiaca tma, lebo kým nahlásite, že ju potrebujete, kým by ju zohnali a desať kilometrov bežali na čelbu prejde večnosť.
Toľko ku konštrukcii stroja, teraz prejdeme priamo k razeniu. V zásade sú možné dva režimy. Jeden je tzv. otvorený a druhý uzavretý. Ten otvorený sa používa v dobrých geologických podmienkach a je aj rýchlejší. Uzavretý je do horších podmienok a aj to dlhšie trvá a pomalšie sa razí. Začneme otvoreným.
Pri otvorenom režime sa celý stroj opiera o rozpernú dosku do horninu. Jeden cyklus prebieha nasledovne. Rozperná doska je vytlačená do skaly. Pred ňou sa krúti hlava, ktorá vŕta čelbu, za ňou sa paralelne ukladajú erektorom prefabrikáty. Tieto sa zatláčajú do správnej tzv. pomocnými raziacimi lismi. Hlavné raziace lisy zatiaľ tlačia hlavu dopredu proti skale. Keď sa hlavné raziace lisy dostanú na maximum svojho zdvihu (čiže sa vysunú najviac, ako sa dá), hlava sa zastaví. V tej dobe už prefabrikáty sú na svojom mieste.
Umiestňovanie prefabrikátov pomocou lisov a erektora.
Dovtedy rozperná doska stabilizovala stroj a prenášala sily do stien horniny. Tu je potom zrejmé, že sa tento režim hodí iba do dobrých geologických podmienok, aby hornina v stenách tunela tieto sily dokázala preniesť. Keď by sa pod doskami rozdrvila, podopretie by povolilo, stroj by sa pootočil a zapadol by - už by sa nedalo raziť, kým by ho nevyprostili a nedali do správnej polohy.
Keď sú lisy na konci zdvihu, zasunú sa rozperné dosky. Teraz sa hlavné raziace lisy stiahnu, čím vlastne potiahnu za sebou celý dlhý stroj (niečo ako pohyb húsenice), zatiaľ čo pomocné raziace lisy sa roztiahnú a medzi nimi a betónovými stenami (ostením) vznikne priestor na ďalší prstenec prefabrikátov. V novej polohe sa rozperné dosky zase roztiahnu do bokov a cyklus môže pokračovať. Celá táto presúvacia fáza trvá iba niekoľko minút, trochu bližšie je znázornená na nasledujúcich obrázkoch.
No, ale o čo sa oprieť, keď hornina po bokoch nie je dostatočne pevná? Odpoveď je vo svojej podstate dosť jednoduchá, ale ťažká na nájdenie (niečo ako Kolombove vajce). Predsa do už zmotovaných stien tunela! Celý stroj oprieme pomocnými raziacimi lismi do ostenia, hlavu roztočíme a tlačíme už nie pomocou hlavných, ale pomocou pomocných raziacich lisov. Samozrejme celý stroj, ako aj ostenie musí byť nadimenzované na sily vzniknuvšie pri tomto režime.
Keď sa lisy vysunú toľko, koľko môžu, musíme hlavu zastaviť a počkať, kým erektorom neumiestníme ďalší prstenec ostenia, o ktorý sa potom pomocné lisy oprú.
Ako ste si možno všimli, celý stroj sa posúva dopredu spolu s hlavou ako celok. Pri tomto režime je ale ďaleko dlhší prestoj, keďže sa musí počkať, kým sa uložia prefabrikáty a až potom sa razí ďalej. Rádovo sú to desiatky minút.
Toto celé sa týkalo TBM s dvojitým štítom. TBM bez štítu má úplne iný spôsob zabezpečenia tunela. Pri tomto type sa ešte pred rozpernou dosku montujú oceľové oblúky a sieťovina, ako pri novej rakúskej tunelovacej metóde. Za rozpernou doskou sa potom toto zastrieka striekaným betónom. Je to lacnejšie ako výroba prefabrikátov, nevýhodou je, že TBM bez štítu môžete použiť iba tam, kde ste si istí, že po celej trase tunela bude dostatočne pevná hornina. TBM bez štítu dokáže aj pri veľkých prierezoch železničných tunelov bez problémov vyraziť 100m za týždeň.
Vpredu vidíte hlavu, za ňou sa nachádza priestor, kde sa ukladá sieťovina a kladivá na vŕtanie dier pre kotvy, červená je rozperná doska. Za ňou sa nachádzajú dýzy na striekaný betón (už mimo obrázka).
Na záver som si pripravil niekoľko krátkych ukážok práce takého stroja. Na prvom videu je pohľad zo strany obsluhy stroja (jedná sa o stroj bez štítu). Na ostatných je prerazenie - túžobný okamih všetkých tunelárov.
No to by hádam aj k TBM stačilo, aj keď by sa o tom dalo hovoriť ešte veľa. Hoci som o tom naštudoval niekoľko odborných článkov (v nemčine aj angličtine), zhliadol niekoľko animácií (z jednej z nich boli aj tie obrázky), bol som na niekoľkých prednáškach (aj výrobcu tých strojov aj zhotoviteľa stavieb) o TBM, prezrel viacero internetových stránok a na stavbe jedného železničného tunela razeného technológiou TBM práve pracujem, nepovažujem sa veľkého odborníka v tejto oblasti, takže ak by mal niekto nejaké doplnenie alebo upresnenie k téme, dúfam, že sa nebude hanbiť a napíše do diskusie, nech sme trochu múdrejší. Zároveň sa nehanbite v diskusii opýtať sa nejasnosti, je lepšie sa aj možno hlúpo opýtať, ako hlúpym ostať. :-) Ospravedlňujem sa vopred, keď neodpoviem hneď, som teraz dosť zaneprázdnený.
