Pipe Jacking Machine: Sådan fungerer den, hvornår den skal bruges, og hvad du skal kigge efter

Hvad en Pipe Jacking Machine faktisk gør

En pipe jacking maskine er et rendeløst konstruktionssystem, der installerer underjordiske rørledninger ved samtidig at bore gennem jorden og skubbe præfabrikerede rørsektioner ind i den udgravede tunnel fra en affyringsgrav på overfladeniveau. Maskinen skærer ved forsiden af ​​boringen, mens hydrauliske donkrafte placeret bag på rørstrengen påfører det fremadgående tryk, der er nødvendigt for at føre både skærehovedet og det voksende rørtog gennem jorden. Resultatet er en fuldt foret rørledning installeret i dybden, uden at det er nødvendigt at udgrave en kontinuerlig åben rende langs rørledningsruten.

Denne metode - også omtalt som pipe jacking, pipe ramming i nogle sammenhænge, ​​eller mikrotunneling, når den anvendes til mindre diameter boringer med fjernstyret føring - er blevet en af ​​de vigtigste teknikker i underjordisk forsyningskonstruktion. Det bruges til at installere gravitationskloakledninger, vandtransmissionsledninger, gasdistributionsledninger, telekommunikationskanaler og stikledninger under veje, jernbaner, floder, landingsbaner og bebyggede byområder, hvor frigravning ville være upraktisk, skadelig eller forbudt af infrastrukturoperatører og planlægningsmyndigheder.

Selve rørløftemaskinen er skære- og styringssystemet forrest i operationen - den komponent, der bestemmer boringsdiameter, jordkompatibilitet, linje- og vinkelnøjagtighed og fladestøtteevne. Alt andet i en rørdonkraftoperation - donkraftsrammen, trykringen, mellemliggende donkraftstationer, smøresystemet og spolefjernelsesarrangementet - er konfigureret omkring maskinens krav og de specifikke jordforhold, som projektet støder på.

Kernekomponenterne i et rørdonkraftsystem

Et komplet rørdonkraftsystem er mere end blot skæremaskinen. Det er en integreret samling af mekaniske, hydrauliske og styresystemer, der alle skal arbejde pålideligt sammen, for at operationen kan afvikles sikkert og online. At forstå hver komponents rolle hjælper entreprenører og projektingeniører med at træffe bedre valg af udstyr og forudse, hvor der er størst sandsynlighed for problemer.

Skærehovedet og skjoldet

Skærehovedet er det forreste element af rørløftemaskine , designet til at udgrave jorden og præsentere den til fjernelse gennem rørledningsboringen. Skærehovedets design varierer betydeligt afhængigt af jordforholdene. I blød jord - ler, silt, sand og grus - bruges typisk et roterende skive- eller egermønster med jordbehandlingsporte, ofte i kombination med bentonit- eller polymerinjektion for at stabilisere overfladen og reducere friktionen. I blandet jord eller sten kræves der mere robuste skærehoveder udstyret med skiveskærer, trækbits eller tungstencarbid-knapskærere for at nedbryde materialet til fjernelse. Kutterhovedet er anbragt i et stålskjold, der giver jordstøtte ved tunnelfladen og danner maskinens strukturelle krop.

Jacking-rammen og trykcylindrene

Den primære donkraftsramme er installeret i udskydningsgraven bag rørstrengen og giver den primære trykkraft, der fremfører maskinen og rørene gennem jorden. Den består af en kraftig stålreaktionsramme forankret mod brøndens bagvæg, forsynet med hydrauliske cylindre - typisk to til fire cylindre med stor boring - der ligger an mod en trykring eller trykkrave, der sidder mod bagsiden af ​​det sidste rør i strengen. Donkraftkræfterne i rørløftningsoperationer er betydelige: Mikrotunneldrev med lille diameter kan kræve 50-200 tons tryk, mens drivkræfter med stor diameter i vanskeligt underlag med lange rørstrenge kan kræve trykkræfter på over 1.000 til 3.000 tons. Donkraftrammen skal være klassificeret til at levere disse kræfter sikkert og være korrekt dimensioneret til rørdiameteren og den forventede jordmodstand for det specifikke drev.

Spildfjernelsessystem

Udgravet materiale skal løbende fjernes fra tunnelfladen gennem rørledningsboringen under donkraften. Metoden til fjernelse af snavs er en af ​​de nøglevariabler, der adskiller typer rørdonkraftmaskiner. Gylleafskærmningsmaskiner anvender et tryksat bentonit-gyllekredsløb til at suspendere og transportere spåner hydraulisk gennem et gyllerør til et overfladeseparationsanlæg, hvor de faste stoffer udvindes, og den rensede gylle recirkuleres. Jordtrykbalancemaskiner blander den udgravede jord med konditioneringsmidler for at skabe en blødgjort masse, der derefter ekstraheres af en arkimedeansk skruetransportør gennem rørledningens boring til affyringsgraven. Manuel udgravning med håndværktøj og fjernelse af skip bruges stadig i drev med større diameter, hvor det er praktisk at komme ind og jordforholdene er stabile nok til at tillade det.

Vejledning og styresystem

Det er afgørende at opretholde linje- og stigningsnøjagtighed i hele drevet - rørledninger, der er installeret forskudt, forårsager hydrauliske gradientproblemer i gravitationskloakker, samlingsspændinger i trykledninger og potentielle sammenstød med eksisterende tjenester. Rørdonkraftmaskiner styres ved at justere forlængelsen af ​​hydrauliske styrecylindre placeret rundt om skjoldets periferi, som artikulerer maskinhovedet i forhold til den efterfølgende rørstreng. Positionsovervågning opnås gennem en laserteodolit monteret i affyringsgraven, der projicerer en stråle på et mål inde i maskinen - maskinens afvigelse fra strålen aflæses af operatøren og korrigeres gennem styrecylindrene. Mere sofistikerede styresystemer, der anvender gyroskopiske totalstationer eller ringlasergyroskoper, bruges på længere drev eller kurver, hvor en simpel laserlinje er utilstrækkelig.

Typer af rørløftemaskiner, og hvornår de er brugt

Rørløftemaskiner er ikke et enkelt produkt - de findes i flere forskellige konfigurationer, hver optimeret til forskellige boringsdiametre, jordforhold og projektkrav. Valg af den rigtige maskintype er den mest konsekvensbeslutning om udstyr på ethvert rørdonkraftprojekt.

Mikrotunnelmaskiner (MTBM)

Mikrotunnelmaskiner er fjernbetjente rørdonkraftsystemer designet til borediametre, der typisk spænder fra 150 mm til 1.200 mm, selvom grænsen med større bemandede indgangssystemer er projektspecifik. Den definerende egenskab ved en mikrotunnelmaskine er, at operatøren ikke kommer ind i tunnelen under kørslen - al styring, overvågning og maskinstyring styres fra en overfladekontrolkabine via en navlestrengsforbindelse. Denne fjernbetjeningsmulighed gør mikrotunneling velegnet til boringer med lille diameter, hvor det er fysisk umuligt at komme ind til arbejdere, og til enhver jordtilstand, hvor adgang til ansigtet udgør en uacceptabel sikkerhedsrisiko. Mikrotunnelmaskiner er oftest gylle-type systemer, med hydraulisk skæring og gylletransport, der giver kontinuerlig ansigtsstøtte og effektiv fjernelse af snavs i blød og blandet jord.

Jordtryksbalancerørsdonkraftmaskiner

Jordtrykbalance (EPB) rørdonkraftmaskiner bruger selve den udgravede jord - konditioneret med vand, skum eller polymer for at opnå en brugbar plasticitet - som det primære overfladeunderstøtningsmedium. Et trykskot bag skærehovedet opretholder et kontrolleret jordtryk mod tunnelfladen, med skruetransportørens ekstraktionshastighed afbalanceret mod fremføringshastigheden for at holde fladetrykket inden for et målområde. EPB-maskiner er særligt effektive i sammenhængende og blandet jord, vandlidende sand og bymiljøer, hvor jordsætning skal minimeres. De håndterer en bred vifte af diametre fra omkring 600 mm op til flere meter og er tilgængelige i både fjernbetjente og bemandede indgangskonfigurationer afhængigt af boringsstørrelse.

Slurry Shield Pipe Jacking Machines

Slamafskærmningsmaskiner understøtter tunnelfladen ved hjælp af tryksat bentonitgylle og fjerner stiklinger hydraulisk gennem et lukket gyllekredsløb. De udmærker sig i mættet granulær jord - rindende sand, grus og permeable alluviale aflejringer - hvor EPB-konditionering er vanskelig, og hvor det er afgørende at opretholde ansigtstryk for at forhindre udblæsninger eller sætning. Det gylleseparationsanlæg, der kræves ved overfladen, er et væsentligt logistisk element i gylleprojekter: det optager et betydeligt areal på stedet, kræver omhyggelig styring af gylleblandingens egenskaber og genererer en bortskaffelsesstrøm af filterpresset gyllekage, der skal håndteres som affaldsmateriale. På trods af denne kompleksitet er gylleafskærmningsmaskiner ofte den eneste levedygtige teknologi til vandførende granuleret jord på betydelig dybde.

Stenskærende rørdonkraftmaskiner

I klippeformationer er standard jordskærerhoveder ineffektive, og der kræves specialiserede stenskæringsmaskiner. Disse maskiner er udstyret med skiveskærere med fuld flade - i princippet ligner en TBM (tunnelboremaskine) - der påfører høje punktbelastninger på klippefladen for at knække den til spåner. Spånerne skylles derefter eller transporteres ud af boringen. Stendonkraftmaskiner skal matches til den specifikke klippeformations trykstyrke, slidstyrke og brudegenskaber: Bløde sedimentære bjergarter såsom kridt eller muddersten kan håndteres af forstærkede slæbehoveder, mens hårde, magmatiske eller metamorfe bjergarter med UCS-værdier over 100 MPa-stålskæremaskiner kræver fuld-face-stålskære. Fræserslidhastigheder i slibende bjergarter er en væsentlig omkostningsfaktor og skal indregnes i projektbudgetterne fra starten.

Jordforhold og deres indflydelse på maskinvalg

Ingen enkeltrørsdonkraftmaskine fungerer godt på tværs af alle jordforhold. Den geotekniske undersøgelse - boringer, forsøgsgrave, laboratorietest af jordprøver og overvågning af grundvandsniveauet - er det væsentlige grundlag, som enhver beslutning om valg af maskine skal baseres på. Angivelse af den forkerte maskine til de stødte jordforhold er en af ​​de hyppigste årsager til fejl i rør-donkraftprojektet, hvilket fører til fastkørte maskiner, udblæsninger, overdreven sætning eller fuldstændig opgivelse af drev.

Tabellen nedenfor opsummerer det generelle forhold mellem jordforhold og passende rørdonkraftmaskinetyper:

Håndtering af donkrafte og brug af mellemliggende donkraftstationer

Efterhånden som rørstrengen forlænges under et drev, akkumuleres friktionen, der virker på den udvendige overflade af rørene, og den samlede donkraft, der kræves for at fremføre systemet, øges progressivt. På korte ture i gunstigt terræn kan denne opbygning håndteres inden for kapaciteten af ​​den primære donkraftramme alene. På længere drev - især dem, der overstiger 100-150 meter, eller kortere drev i slibende eller højfriktionsjord - kan den akkumulerede hudfriktion overstige hovedrammens trykkapacitet og den strukturelle belastningskapacitet af rørsamlingerne. Det er her, mellemliggende jacking-stationer bliver afgørende.

En mellemliggende donkraftstation (IJS) er en kort stålcylinder udstyret med sit eget sæt hydrauliske cylindre, installeret i rørstrengen med forudbestemte intervaller under kørslen. Når donkraften nærmer sig sin grænse, aktiveres IJS-cylindrene for at skubbe den forreste del af rørstrengen uafhængigt, mens hoveddonkraftene nulstilles. Ved at opdele rørstrengen i segmenter og aktivere IJS-enheder sekventielt, holdes den maksimale kraft, der påføres enhver individuel rørsamling, inden for sikre strukturelle grænser, og drevet kan fortsætte langt ud over, hvad den primære donkraftramme alene kunne opnå. Veldesignede rørdonkraftprojekter på lange drev specificerer IJS-positioner på forhånd baseret på beregnede friktionsbelastninger, med yderligere positioner forudplanlagt i tilfælde af, at jordforholdene er værre end forventet.

Smøring af rør-til-jord-grænsefladen ved hjælp af bentonit-opslæmning eller polymergel indsprøjtet gennem porte i rørvæggen er den anden primære strategi til styring af donkrafte. Et effektivt smøreprogram kan reducere rør-vægs-hudfriktionen med 50-80 % sammenlignet med usmurte drev, hvilket dramatisk forlænger den opnåelige drevlængde og reducerer antallet af nødvendige IJS-enheder. Smøring skal opretholdes kontinuerligt gennem hele drevet - ved at lade det bryde ned eller blive absorberet af den omgivende jord, øges friktionen hurtigt og kan resultere i, at rørstrengen sætter sig fast.

Rørmaterialer, der bruges til rørudløftningsoperationer

Rørsektionerne, der skubbes gennem jorden af en rørdonkraftmaskine, skal modstå både de donkrafte trykbelastninger, der overføres langs deres akse, og de ydre grund- og grundvandstryk, der virker på deres vægge i hele deres levetid. Ikke alle rørmaterialer er egnede til donkraft, og valget af rørtype har direkte konsekvenser for boringsdiameter, drivlængde, tilladt afbøjning ved samlinger og langsigtet rørledningsydelse.

• Donkraftrør i armeret beton: Det mest udbredte materiale til donkraft i kloak i mellemstore til store diametre (300 mm til 3.000 mm og derover). Betondonkraftrør er fremstillet i henhold til specifikke donkraftstandarder - EN 1916 i Europa, ASTM C76 i Nordamerika - med hærdede stålenderinge på hver samlingsflade for at fordele donkraftens belastninger jævnt og minimere samlingsspændingskoncentrationen. De tilbyder fremragende langtidsholdbarhed, kemisk modstandsdygtighed over for kloakgasser og konkurrencedygtige omkostninger ved større diametre.
• Forglasset jacking pipe: Anvendes i mindre kloakdiametre, typisk 150 mm til 600 mm. Forglasset ler giver enestående modstandsdygtighed over for kemiske angreb fra aggressivt spildevand og industrielt spildevand, hvilket gør det til det foretrukne valg til kemisk krævende kloakmiljøer. Dens skørhed sammenlignet med beton kræver omhyggelig håndtering og begrænser de donkrafte, der kan påføres.
• Stål løfterør: Anvendes til vand- og gastransmissionsledninger, olierørledninger og foringsrør i større diametre. Stål giver meget høj tryk- og trækstyrke, hvilket tillader påføring af høje donkrafte og gør det velegnet til lange ture og hårde jordforhold. Ekstern korrosionsbeskyttelse - smeltebundet epoxy, polyurethanbelægning eller katodisk beskyttelse - er afgørende for lang levetid.
• GRP (glasfiberforstærket polymer) donkraftrør: Kombinerer høj styrke med lav vægt og fremragende korrosionsbestandighed. GRP jacking-rør specificeres i stigende grad til kemisk aggressive miljøer og til drev, hvor reduceret rørvægt forenkler håndteringen i lukkede affyringsgrave. De kræver omhyggelig samlingsdesign for at sikre tilstrækkelig belastningsoverførsel under donkrafte.
• Polymerbeton og HOBAS rør: Centrifugalt støbte glasfiberforstærkede polymermørtelrør (CCFRPM) kombinerer polymerens kemiske modstand med den trykstyrke, der er nødvendig til donkraftanvendelser. Udbredt i aggressive kloak- og industriafvandingsapplikationer i hele Europa og i stigende grad på andre markeder.

Vigtige overvejelser vedrørende projektplanlægning før mobilisering af en rørløftemaskine

Pipe jacking-projekter, der støder på alvorlige problemer i marken, er sjældent uheldige - de er næsten altid resultatet af utilstrækkelig planlægning, utilstrækkelig jordundersøgelse eller urealistiske antagelser, der er lavet under design. Følgende planlægningselementer fortjener omhyggelig opmærksomhed, før en rørløftemaskine mobiliseres til stedet.

• Geoteknisk undersøgelses omfang og kvalitet: Borehuller bør placeres med intervaller, der er passende i forhold til grundvariationerne på stedet - typisk ikke mere end 50 meter langs drivlinjen for byprojekter - og bør strække sig til mindst 3 rørdiametre under det omvendte niveau af den foreslåede boring. Laboratorietest bør omfatte partikelstørrelsesfordeling, plasticitetsindeks, udrænet forskydningsstyrke, ubegrænset trykstyrke for sten og grundvandskemi, hvor korrosion af rør eller maskinkomponenter er et problem.
• Eksisterende serviceundersøgelse: En komplet forsyningsundersøgelse ved hjælp af jordgennemtrængende radar, elektromagnetisk placering og en gennemgang af alle tilgængelige forsyningsoptegnelser skal fuldføres, før drevjustering er afsluttet. Et uopdaget forsyningsværk, der krydser en aktiv boring, har potentiale for katastrofale konsekvenser - servicestrejker på gasledninger, højspændingskabler eller vandledninger i nærheden af ​​et strømførende drev er blandt de mest alvorlige risici i bybyggeri uden opgravning.
• Launch og reception pit design: Affyringsgraven skal være stor nok til at rumme løfterammen, rørhåndteringsudstyret, systemet til fjernelse af snavs og give sikker arbejdsadgang for besætningen. Minimum brønddimensioner bestemmes af rørdiameter, maskinlængde og donkraftslag. Gruben skal være tilstrækkeligt støttet og afvandet, og den bageste trykvæg skal være strukturelt i stand til at modstå den maksimalt forventede donkraft uden bevægelse eller fejl.
• Drivlængde og krumning: Hver maskintype og rørmaterialekombination har en maksimal opnåelig drivlængde, ud over hvilken donkraftkræfter eller rørsamlingsspændinger bliver uoverskuelige. På samme måde er buede justeringer mulige, men det introducerer yderligere kompleksitet i styringen og øger bøjningsbelastningerne for rørsamlingen. Drev, der overstiger ca. 150 meter eller inkorporerer vandrette eller lodrette kurver, bør vurderes af en specialist skyttegravsfri ingeniør, før maskinvalget er endeligt.
• Afregningsovervågning og risikovurdering: For kørsel under følsomme strukturer - jernbanespor, historiske bygninger, brostøtter eller operationelle industrianlæg - bør der etableres et bosættelsesovervågningsprogram ved hjælp af overfladeundersøgelsesmonumenter, præcis nivellering og hældningsmålere på følsomme strukturer, før kørslen begynder. Trigger- og handlingsniveauer for maskinparameterjustering eller drevophæng bør aftales med berørte infrastrukturejere på forhånd.

Almindelige problemer under rørløftning og hvordan erfarne entreprenører håndterer dem

Selv velplanlagte drev med jacking af rør støder på problemer. Jordforholdene matcher sjældent borehulsdata nøjagtigt, maskinkomponenter slides eller fejler, og uventede forhindringer er en realitet i bybyggeri under overfladen. Forskellen mellem et projekt, der kommer sig over disse hændelser, og et projekt, der resulterer i en fastlåst maskine eller afbrudt kørsel, kommer normalt ned til besætningens erfaring og de beredskabsforanstaltninger, der er indbygget i projektplanen.

Forhindringer ved tunnelen

Kampesten, brosten, gamle murværksfundamenter, tømmerpæle og nedlagte forsyninger er blandt de mest almindelige uventede forhindringer, man støder på under rørløftning i byområder. I drev med bemandet indgangsdiameter kan arbejdere nogle gange bryde forhindringer ned med håndværktøj eller pneumatiske afbrydere under beskyttelse af skjoldet. I mindre mikrotunneldiametre, hvor adgang ikke er mulig, omfatter beredskabsmuligheder interventionsadgang fra en udgravning over drevet, overfladeboret strålefuger eller harpiksindsprøjtning for at stabilisere jorden omkring forhindringen, eller i ekstreme tilfælde at forlade drevet og genoprette maskinen fra en ny brønd forud for blokeringen.

Overdreven opbygning af jacking force

Når donkraften stiger hurtigere end forventet, bør den første reaktion altid være at vurdere og optimere smøreprogrammet - øge indsprøjtningsvolumen og frekvens, kontrollere, at smøreåbningerne ikke er blokerede, og verificere, at det ringformede hulrum omkring rørene er tilstrækkeligt fyldt. Hvis smøreoptimering ikke standser kraftstigningen, er aktivering af mellemliggende donkraftstationer tidligere end planlagt det næste skridt. Det er sjældent produktivt at tvinge et fastlåst drev ved at anvende maksimalt tryk og risikerer skade på rørsamlinger, maskinkomponentfejl eller overfladeløft. Ved at sætte drevet på pause og lade jorden slappe lidt af omkring rørstrengen - kombineret med intensiveret smøring - opnås ofte mere fremskridt end fortsat forcering.

Off-line afvigelse

Styringsafvigelser, der fanges tidligt, er overskuelige - styrecylindrene kan gradvist korrigere maskinens kurs over de næste flere rørlængder uden at skabe uacceptable samlingsvinkler. Afvigelser, der forbliver uopdagede, indtil de er store, er meget sværere at komme sig fra og kan resultere i rørsamlingsspændinger, overfladesætning på et utilsigtet sted eller potentiel konflikt med eksisterende tjenester. Det bedste forsvar mod afvigelsesproblemer er et stringent overvågningsregime - læsning og registrering af styremålpositionen efter hver rørinstallation, ikke kun ved starten af ​​hvert skift - og en klar handlingsprotokol for, hvilke styrekorrektioner, der anvendes ved hvilken afvigelsesstørrelse.