Bab 4.docx

Bab 4. Heading Penggalian terowongan terdiri dari tindakan-tindakan berikut: penggalian, penyanggaan rongga, dan pemindahan tanah yang digali (mucking). Ini dibedakan antara penggalian konvensional (juga disebut incremental atau siklik) dan penggalian kontinu. Bab ini memperkenalkan beberapa metode yang diterapkan. Klasifikasi yang ketat sulit, karena metode ini sering digabungkan. Sudah menjadi biasa untuk membedakan antara heading konvensional (atau incremental) di satu sisi dan heading kontinyu (atau TBM) di sisi lain. Namun demikian, ini tidak masuk akal: juga metode TBM terdiri dari beberapa langkah dan, dengan demikian, tambahan (lih. Bagian 4.2 dan 4.4.4). Karakteristik utama dari penggalian konvensional adalah tanjakan dalam langkah maju kecil, yang panjangnya berkisar antara 0,5 dan 1,0 m di tanah lunak. Panjang ini adalah parameter desain yang penting, karena ruang yang baru digali harus tetap stabil untuk sementara waktu (setidaknya 90 menit) sampai penyangga telah dipasang. Panjang langkah maju mempengaruhi juga penurunan permukaan tanah: mengurangi panjang muka mengurangi penurunan permukaan secara signifikan. 4.1 Penggalian permukaan penuh dan parsial Rongga besar kurang stabil daripada yang kecil (lih. Bagian 16.3). Oleh karena itu, dalam banyak kasus penampang terowongan tidak digali sekaligus, tetapi di beberapa bagian. Untuk potongan melintang> 30-50 m2 di batu yang lemah permukaan harus didukung (dengan tumpukan tanah, shotcrete, paku) atau digali di beberapa bagian. Pada era awal tunneling, banyak skema penggalian permukaan parsial dikembangkan. Terminologinya tidak unik atau sistematis. Sebagai contoh, coreheading (Kernbauweise) dan Metode Tunneling Austria Lama. Metode penggalian parsial seperti itu dikembangkan ketika penyangga dibuat dengan kayu dan batu. Sebaliknya, penyangga kontemporer dilakukan dengan baja dan beton yang disemprotkan. Berbagai jenis penggalian permukaan parsial adalah: Core heading: Ini juga dikenal sebagai metode heading Jerman (meskipun ini pertama kali digunakan di Perancis). Ini terdiri dari penggalian dan penopang pertama pada bagian samping dan atas dari penampang dan selanjutnya bagian tengah (inti). Penutupan cincin yang di balik dilakukan di akhir. Lubang pertama juga berfungsi untuk eksplorasi. Lengkungan crown didirikan di lubang samping sehingga menjaga pemukiman kecil terkait. Metode Terowongan Austria Lama: Metode ini secara skematis direpresentasikan dalam Gambar 4.1. Fitur karakteristiknya adalah slot crown. Pekerjaan simultan di beberapa permukaan penggalian memungkinkan kemajuan yang cepat. Misalnya, terowongan Arlberg (rel) tua dibangun dengan Metode Tunneling Austria Lama. Waktu konstruksinya sebanding dengan salah satu terowongan Arlberg (jalan) baru, yang memiliki panjang kira-kira sama dan dibangun sekitar 100 tahun kemudian.

Gambar 4.1. Urutan penggalian dari Metode Austria Lama Saat ini metode penggalian permukaan parsial yang paling luas adalah (i) top heading dan (ii) sidewall drift. Varian ditunjukkan pada Gambar. 4.2 Top heading: Crown digali sebelum bench (Gbr. 4.4, 4.5). Penyangga sementara crown dengan shotcrete dapat dipahami sebagai semacam jembatan lengkung (Gbr. 4.6). Ini menjelaskan mengapa penyangga rentan terhadap pemukiman, yang menginduksi permukiman di permukaan tanah. Tindakan penanggulangan adalah memperbesar penyangga (yang disebut kaki gajah), untuk memperkuatnya dengan mikropil atau konstruksi pembalik sementara. Yang terakhir harus dibangun segera setelah heading crown, yaitu tidak lebih dari 2 hingga 5 langkah maju di luarnya. Konstruksi pembalikan sementara bagian crown yang sementara atau, lebih baik, penggalian yang segera dan dukungan dari bangku dan pembalik membantu menghindari permukiman besar dari abutment lengkungan crown. Ini berarti bahwa panjang 𝜎 = 𝜎1 + 𝜎2 (Gambar 4.5) harus dijaga sekecil mungkin. Di sisi lain, a1 harus cukup besar untuk memungkinkan penggalian yang efisien dan mendukung pekerjaan di crown. Jika crown dan bench digali secara bersamaan, maka tanjakan harus 'terus menerus' dipindahkan ke depan (mis. Setiap sekarang dan kemudian). Atau, jalan tidak diletakkan di tengah (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5) tetapi di sisi bench. Kemudian, sisi lain dari bench dapat digali lebih jauh. Jika penggalian jalan dapat menyebabkan ketidakstabilan, maka jalan harus menumpuk setelah penggalian dan dukungan dari bench. Pada tahun 1985, keruntuhan terjadi selama pos terowongan Kaiserau di Jerman. Ini disebabkan oleh celah yang dibuat untuk membangun jalan dan yang membuat pembalikan sementara dari calotte tidak efektif (Gbr. 4.3). Sidewall drift: Bagian samping digali dan didukung terlebih dahulu. Mereka berfungsi sebagai penyangga untuk dukungan mahkota, yang kemudian digali (Gambar 4.7 dan 4.10). Jenis tajuk ini sekitar 50% lebih mahal dan lebih lambat dari tajuk atas. Oleh karena itu lebih disukai di tanah / batu dengan kekuatan rendah. Perhatikan bahwa perubahan dari top heading ke sidewall drift sulit dilakukan.

Gambar 4.3. Celah pada lapisan sementara menyebabkan keruntuhan di terowongan Kaiserau

Gambar 4.4. Top heading, bagian persilangan dan longitudinal. 1: calotte, 2: bench

Gambar 4.5. Representasi skematis dari top heading

Gambar 4.6. Konsep untuk menjelaskan dukungan dari crown. Dukungan penggalian bertindak dengan cara yang sama seperti lengkungan jembatan batu. Berat overburden terkonsentrasi di abutment belakangnya.

Gambar 4.7. kiri: core heading, kanan: sidewall drift Dalam semua jenis penggalian parsial, perhatian harus diberikan pada sambungan segmen lapisan yang dibangun pada tahap yang berbeda. Lapisan akhir (termasuk penguatnya) harus kontinu tanpa titik lemah (interupsi atau celah). Misalnya koneksi kaki gajah dengan pembalikan sementara, metode berikut dapat diterapkan. Penguat (kawat atau tulangan) untuk menyediakan koneksi dengan lapisan bench (untuk ditempatkan kemudian) menjorok dari kaki gajah dan dilipat di dalam hamparan pasir rotasi di bawah pembalik sementara (Gbr. 4.9). Pembongkaran sementara dari pembalikan sementara dan penggalian lebih lanjut harus dilakukan dengan hati-hati, agar wire mesh ini tidak rusak.

Gambar 4.8. Sidewall drift

Gambar 4.9. Detail konstruksi penguat pada sambungan kaki gajah dengan pembalikan sementara

4.2 Penggalian Penggalian adalah proses melepaskan batu menggunakan metode dan alat berikut: Palu: Palu pneumatik dan hidrolik dapat diterapkan pada batuan yang lemah dan mencapai kinerja yang sebanding dengan bor & ledakan (lihat nanti di bagian ini). Selain itu, mereka menghindari getaran yang disebabkan oleh bor & ledakan. mis., palu hidrolik HM 2500 dari Krupp Berco memiliki kinerja penggalian berikut:

Gambar 4.10. Terowongan Niedernhausen, sidewall drift

Gambar 4.11. Palu hidrolik Unconfined strength of the rock (MPa) 40-50 70-80 80-100

Excavation capacity (m3/h) 40 26 20

Pekerjaan ini dapat ditingkatkan dengan melonggarkan ledakan. Palu hidrolik diangkut dengan kendaraan roda atau trek. Debu ditangani (tidak sepenuhnya berhasil) dengan menyemprotkan air dari nozel atau selang air. Excavator: Bucket backhoe yang booming menggali batuan yang lemah, sementara ripper tipis dan pahat hidraulik diterapkan setiap kali inklusi batuan keras ditemukan. Untuk mengikuti profil terowongan yang ditentukan dengan tepat, alat ini harus cukup bebas untuk diputar. Excavator dapat menunjukkan kinerja tinggi jika kekuatan batu itu sedang, yaitu jika batu itu lunak atau bersendi (RMR <30). Ripping diterapkan untuk RMR antara 30 dan 60. Kriteria lain untuk penerapan ripping adalah kecepatan rambat gelombang-P antara 1 dan 2 km/s. Roadheaders (pemotong boom): Alat ini digunakan untuk batuan berkekuatan sedang dan untuk batuan laminasi atau terkekarkan. Cutter dipasang pada lengan (boom) excavator dan dapat memotong batuan menjadi potongan-potongan kecil. Dengan demikian, permukaan yang berlebihan dapat dibatasi dan juga dapat menghindari batuan lepas. Hal yang harus diperhatikan dalam penggunaan alat ini adalah debu (dengan cara penyedotan atau penyemprotan air). Tingginya kekuatan yang dibutuhkan dari mesin motor meningkat seiring peningkatan kekuatan batuan.

Gambar 4.12. Excavator (kiri); Roadheader (kanan) Tunnel boring machines (TBM): TBM berlaku untuk batu dengan kekuatan sedang hingga tinggi (50
TBM sering terlindungi dari gua oleh perisai baja silinder. Oleh karena itu, rincian lebih lanjut tentang TBM diberikan dalam Bagian 4.4, sedangkan penggalian batuan dengan cara memutar kepala pemotong dijelaskan dalam Bagian 4.6.2.

Gambar 4.13. kiri: berlabuh di belakang kepala pemotong; kanan: Pemasangan kawat di belakang kepala pemotong Drill & blast: Drill & blast pertama kali diterapkan pada tahun 1627 oleh Tyrolean Kaspar Weindl di tambang perak di Bansk'a ˇStiavnica (sebelumnya Schemmnitz, Slovakia). Sangat cocok untuk hard rock (mis. Granit, gneis, basalt, kuarsa) serta untuk soft rock (mis. Marl, lempung, tanah liat, kapur). Dengan demikian, ini berlaku untuk batu dengan sifat yang berbeda-beda. Selain itu, bor & ledakan bermanfaat untuk:   

terowongan yang relatif pendek, di mana TBM tidak membayar batu yang sangat keras potongan melintang non-lingkaran.

Agar bor & ledakan tetap ekonomis, langkah-langkah yang terlibat (pengeboran, pengisian, pemadatan, penyalaan, ventilasi, dukungan) harus dikoordinasikan sedemikian rupa sehingga downtime dihindari. Operasi yang paling memakan waktu adalah pengeboran dan pengisian.

Gambar 4.14. TBM gripper; 1 Perisai, 2 segmen lengkung, 3 annular erector, 4 peralatan pengeboran untuk perbautan batu, 5 kanopi pelindung, 6 gelagar pelindung, 7 grippers 4.3 Bor & ledakan Metode bor & peledakan terdiri dari beberapa langkah berikutnya (pengeboran, pengisian, pemadatan, penyalaan, ekstraksi asap dengan ventilasi, penyedotan, penyangga), yang akan dijelaskan selanjutnya. 4.3.1 Pengeboran lubang ledakan Pengeboran putar dan perkusi diterapkan untuk menggerakkan lubang ledakan dalam kisaran diameter 17 hingga 127 mm (sebagian besar berukuran 40 mm) dengan laju pengeboran hingga 3 m / mnt ke dalam batu. Posisi yang ditentukan, orientasi, dan panjang lubang ledakan harus dijaga dengan tepat, oleh karena itu peralatan pengeboran dipasang pada gerbong ban, yang disebut jumbo, dengan 2 - 6 booming (Gbr. 4.15). Panjang lubang ledakan sesuai dengan langkah awal (biasanya 1-3 m). Untuk mencapai hasil ledakan yang baik, langkah awal tidak boleh melebihi jari-jari kelengkungan minimum dari penampang terowongan (untuk pemotongan paralel - lihat bagian 4.3.5 - langkah maju bisa lebih lama).

Gambar 4.15. Jumbo (juga disebut 'boomer')

Gambar 4.16. Pengeboran lanjutan. Posisi lubang bor yang disengaja dan nyata. 4.3.2 Pengisian Biaya yang panjang diterapkan dalam penerowongan. Pengisian daya tergantung pada jenis bahan peledak. Kartrid didorong dengan bantuan batang, bubuk (seperti "ANFO", campuran amonium nitrat dan minyak bakar) dan emulsi dilemparkan atau dipompa ke dalam lubang bor.

4.3.3 Pemadatan Ledakan adalah transformasi 'seketika' ledakan padat (atau cairan) menjadi campuran gas yang disebut asap (lihat Lampiran A). Untuk mencapai hentakan, asap harus ditampung, mis. perluasannya harus dihambat. Inilah mengapa lubang ledakan dirusak, mis. dicolokkan. Karena dampak asapnya bersifat supersonik, kekuatan sumbat tidak penting. Dengan demikian, pemadatan yang memadai diperoleh dengan pasir atau kartrid air. Dalam lubang ledakan panjang, bahkan inersia kolom udara memberikan pemadatan yang cukup. Pemadatan meningkatkan hantaman batu dan mengurangi jumlah asap ledakan beracun dengan meningkatkan transformasi kimia pada muatan. Pemadatan, khususnya dengan air, juga merupakan penanggulangan terhadap produksi debu. 4.3.4 Pengapian Detonasi adalah oksidasi, di mana oksigen hadir dalam bentuk senyawa di dalam bahan peledak. Bagian depan reaksi merambat di dalam bahan peledak dengan kecepatan detonasi yang berjumlah hingga 8 km / detik dan tergantung pada komposisi kimia, ukuran, penahanan, dan usia bahan peledak. Bagian depan detonasi meninggalkan asap, yang merupakan campuran gas yang sangat padat. 1 kg bahan peledak menghasilkan volume gas hampir 1 m 3 di bawah tekanan atmosfer. Asap yang sangat padat memberikan tekanan besar pada kontainmennya. Kandungan energi ledakan tidak terlalu tinggi, tetapi tingkat di mana energi ini dilepaskan sesuai dengan kekuatan yang luar biasa. Bahan peledak modern lembam terhadap serangan, gesekan dan panas. Mereka hanya bisa dinyalakan dengan ledakan awal (lebih kecil). Karena itu, terjadi pengapian. 4.3.5 Distribusi beban dan eksekusi pengapian Ledakan tersebut bertujuan untuk (i) memecah batu menjadi potongan-potongan yang dapat dikelola untuk diangkut, (ii) menghindari kelebihan atau kekurangan profil penggalian (disebut peledakan halus) dan (iii) tidak mengganggu batuan di sekitarnya. Untuk tujuan ini, beberapa skema (pola pengeboran dan pengapian) telah dikembangkan secara empiris untuk distribusi beban dan pengerjaan pengapian. Ini dibedakan antara lubang bor produksi dan kontur. Penggalian yang paling efisien diperoleh jika asap mendorong batu ke permukaan yang bebas. Ini bisa dicapai mis. dengan potongan-V (potongan 'tepi' atau 'kipas'): Lubang ledakan di bagian tengah permukaan diatur diawal dan tersulut diawal (Gbr. 4.18). Lubang ledakan di sekitarnya dinyalakan secara berurutan dengan penundaan beberapa milidetik. Dengan demikian batu semakin dikupas, mulai dari potongan hingga kontur. Lubang ledak paralel ('potongan paralel') lebih mudah untuk dibor secara tepat dan memungkinkan langkah lebih lama tetapi membutuhkan lebih banyak ledakan daripada yang diatur secara kerucut (potonganV). Beberapa lubang bor dibongkar disediakan dalam potongan paralel, sehingga menciptakan rongga yang mendorong ledakan batu. Dengan demikian efisiensi meningkat. Untuk peledakan yang halus, lubang kontur memiliki jarak kecil (mis. 4050 mm) dan diisi dengan kabel detonasi (Gbr. 4.19). Peledakan halus membantu meminimalkan biaya pasca perawatan (pascapengisian) yang mahal.

Gambar 4.18. Potongan baji (kiri), distribusi lubang ledakan (kanan)

Gambar 4.19. Pengisian lubang ledakan kontur (kiri), permukaan batu setelah ledakan (kanan) Dalam kasus batuan anisotropik, bersendi atau berstrata, distribusi lubang ledakan dan pola pengapian harus disesuaikan dengan struktur batuan. Berbagai langkah kerja untuk bor & ledakan diulang secara siklis. Penyesuaian dan optimalisasi skema peledakan sehubungan dengan sifat batuan individu direkomendasikan. Ini dapat dicapai dengan bantuan komputer. 4.3.6 Bahan Peledak Ada beberapa jenis bahan peledak. Gelatin peledak seperti Ammongelite atau Gelamon adalah plastik, memiliki kekuatan tinggi dan mengembangkan volume gas yang besar (sekitar 800 l / kg). Mereka tahan air dan memungkinkan penanganan yang aman. Kecepatan ledakan adalah 6,5 km / s. Dalam emulsi yang mudah meledak, minyak berfungsi sebagai zat yang mudah terbakar. Oksigen dikirim dari larutan garam (nitrat) yang tersedia dalam tetesan berdiameter 106 m. Tetesan ini ditutupi dengan film minyak setebal 10−9 m. Mereka mengembangkan volume gas 1.000 l / kg dan kecepatan ledakan 5,7 km / s. Mereka tahan air, aman dalam penanganan, dan dapat dipompa ke dalam lubang ledakan atau ditempatkan di dalam kartrid. Komponen nonbahan peledak dikirim secara terpisah ke lokasi konstruksi, di mana mereka dicampur bersama. Dibandingkan dengan gelatin peledak, kekuatan emulsi eksplosif berkurang dan, oleh karena itu, dibutuhkan sekitar 10% lebih banyak lubang ledakan. Di sisi lain, asapnya tidak terlalu beracun (walaupun memiliki aroma amonia yang jelas), sehingga dibutuhkan ventilasi yang lebih pendek dan jarahan tidak terlalu terkontaminasi. Serbuk peledak juga aman tetapi tidak tahan air. Dengan volume gas 1.000 l / kg dan kecepatan detonasi yang rendah sekitar 3 km / s, mereka mendorong dan bukannya menghancurkan batu. Perkembangan terakhir adalah apa yang disebut bahan peledak non-eksplosif seperti BRISTAR atau CALMMITE. Ini adalah semen yang ekspansif. Dicampur dengan air dan dibuang ke lubang bor yang mereka kembangkan, sehingga mengembangkan tekanan hingga 600 bar dan merobek batu di sekitarnya.

Gambar 4.20. Kartrid peledak 4.3.7 Konsumsi eksplosif Bahan peledak adalah sesuatu yang memiliki masalah biaya yang penting. Jumlah bahan peledak yang dibutuhkan meningkat dengan berkurangnya penampang terowongan dan peningkatan kekuatan batuan. Kisarannya antara 0,3 dan 4,5 kg / m3. 4.3.8 Ketentuan keamanan Hanya individu berlisensi yang diizinkan menangani bahan peledak. Kwitansi, konsumsi, dan pengembalian bahan peledak harus didaftarkan dengan cara yang dapat dilacak. Transportasi harus sesuai dengan peraturan untuk pengangkutan bahan berbahaya. Sirkuit listrik untuk pengapian harus diperiksa. Batuan yang diledakkan dapat disebarkan dalam jarak yang jauh. Oleh karena itu jarak aman dari 200 hingga 300 m dari permukaan harus dijaga. Penghapusan biaya yang tidak meledak sangat sulit. Kadang tamping dapat diekstraksi dan detonator baru ditempatkan. Metode lain adalah melapisi muatan baru dan membiarkannya meledak bersamaan dengan yang lama. Medan elektromagnetik (mis. Radiasi frekuensi radio dari telepon seluler) dapat menyebabkan inisiasi yang tidak disengaja dari perangkat peledak elektro. Karena itu, jarak aman harus dijaga dari sumber radiasi. 4.3.9 Ventilasi Bahan peledak kontemporer memiliki keseimbangan oksigen positif tetapi masih mengandung gas beracun seperti CO2, CO, dan nitrogen oksida. Debu juga berbahaya, khususnya debu kuarsa. Oleh karena itu, setelah ledakan, pekerjaan hanya dapat dilanjutkan setelah waktu ventilasi minimal 15 menit dengan kecepatan udara (rata-rata di atas penampang terbesar) minimal 0,3 m/s. Selama ventilasi, personel harus tetap berada di udara terbuka atau di dalam wadah perlindungan asap. Ini juga disarankan karena bagian dari lapisan shotcrete dapat terlepas (karena kejutan ledakan) dan jatuh. 4.3.10 Cadangan Perkembangan baru adalah sistem cadangan gantung seperti yang diterapkan di terowongan dasar Loetschberg (Gbr. 4.21). Rockbolts digunakan untuk memasang dua rel overhead di mana cadangan berjalan. Keuntungannya adalah produksi yang lebih cepat, keamanan yang lebih besar, akses bebas ke permukaan, konstruksi jalan masuk dan lintasan yang lebih mudah.

4.3.11 Guncangan dan Getaran Getaran akibat bor & ledakan (serta karena TBM) merambat di bawah tanah sebagai gelombang elastis dan dapat memengaruhi konstruksi dan keselamatan orang. Gangguan dikendalikan (untuk frekuensi > 10 Hz) dengan kecepatan getaran maksimum, yang dapat diukur dengan menggunakan apa yang disebut geofon. Beberapa nilai khas 𝑣𝑚𝑎𝑥 ditunjukkan pada Tabel 4.1.

Gambar 4.21. Menggantung sistem cadangan dalam bor & ledakan di terowongan dasar Loetschberg (model perspex). 𝑣𝑚𝑎𝑥 dalam mm/s Sumber Hydraulic-hammer truck large bulldozer TBM (hard rock) vibrated pile

Jarak 5m 1.7 3.0 3.9 5.5 30 Tabel 4.1. Nilai khas 𝑣𝑚𝑎𝑥

10 m 0.6 1.1 1.4 2.2 12

25 m 0.1 0.3 0.3 0.6 2.8

Kriteria penilaian untuk gangguan dan bahaya karena getaran dapat ditemukan dalam standar seperti DIN 4150 dan ¨ONORM S 9020. Getaran sementara (misalnya karena bor & ledakan) dapat dilihat dari 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 0,5 mm / s dan menyebabkan efek dari 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 5 mm / s. Manusia sangat rentan dan kurang toleran terhadap getaran yang terus menerus, terutama pada malam hari. Bahaya getaran biasanya dinilai terlalu tinggi dan ini dapat menyebabkan ukuran yang sudah ada di bangunan dikaitkan dengan bor & ledakan. Karena itu, warga di lingkungan tersebut harus diberi tahu tentang kemungkinan bahaya. Selain itu, pengabadian bukti harus dilakukan. Getaran akibat bor & ledakan dapat dikurangi dengan memecah ledakan menjadi beberapa ledakan kecil dengan eksekusi beberapa milidetik. Misalnya. Detonator nonel memungkinkan 25 ledakan dalam 6 detik. Getaran TBM biasanya tidak terlihat pada jarak lebih dari 45 m.