1. Metoda Tarczowa

Nazwa metody pochodzi od urządzenia zwanego tarczą, za pomocą którego realizu­jemy wszystkie procesy wznoszenia budowli podziemnej. Metoda tarczowa jest naj­bardziej skuteczną i bezpieczną metodą podziemną umożliwiającą wykonanie robót w dowolnych warunkach geotechnicznych. Można ją zastosować zarówno w masywie skalnym, zwłaszcza mocno zaburzonym, jak i w gruntach zupełnie słabych, typu kurzawkowego. Do najważniejszych zadań tarczy należy:

• zapewnienie racjonalnych zasad urabiania masywu i transportu urobku,

• skuteczne, ciągłe zabezpieczenie wyrobiska przed obwałem lub zawałem górotworu,

• usprawnienie montażu obudowy stałej.

Wszystkie operacje robót podziemnych są więc wykonywane pod osłoną samobież­nej, przesuwnej obudowy tymczasowej. Wszystkie procesy technologiczne mogą być w dowolnym stopniu zmechanizowane lub zautomatyzowane w zależności od potrzeb i możliwości finansowych inwestora budowli podziemnej.

2. Budowa Tarczy

Na ogół tarcza jest segmentem rury o średnicy od 2 do 12 m składającym się z trzech pierścieni podstawowych (rys. 10.16):

• noża, czyli pierścienia w czołowej części tarczy przystosowanego do urabiania
  górotworu,

• pierścienia oporowego, spełniającego rolę nośnej konstrukcji obudowy tymczasowej, w którym są zamontowane wszystkie główne elementy wyposażenia tarczy,

• płaszcza osłonowego jako pierścienia, przeznaczonego do montażu obudowy stałej.
Każdy pierścień składa się z elementów łączonych na spaw, gdy średnica tarczy nie

przekracza 3 m, a na śruby dla większych średnic. Małe tarcze transportuje się w cało­ści, a duże montuje i demontuje w specjalnych komorach lub szybach. Nóż tarczy jest przystosowany do ostatecznego okonturowania wyrobiska. Jest więc elementem sztyw­nym, zaostrzonym na krawędzi czołowej. W szkielet sztywnej nośnej konstrukcji pier­ścienia oporowego są wmontowane dźwigniki, prasy hydrauliczne przystosowane do przemieszczania tarczy w osi podłużnej.

Obydwa pierścienie są połączone śrubami rozmieszczonymi po ich obwodzie. Płaszcz osłonowy jako konstrukcja wiotka przymoco­wany jest do pierścienia oporowego. Wszystkie zewnętrzne styki i połączenia elemen­tów tarczy muszą gwarantować gładką, równą powierzchnię wzdłuż całej tarczy. Podob­nie gładka musi być wewnętrzna powierzchnia płaszcza osłonowego. Przy połączeniach śrubowych konieczne są śruby z wpuszczanymi łbami.

Wymiary tarczy ustala się na podstawie zewnętrznej średnicy obudowy wyrobiska podziemnego i długości jej prefabrykowanych pierścieni. Cały zmontowany pierścień musi znaleźć się pod osłoną tarczy. Średnicę tarczy wyznaczamy więc tak, aby wewnę­trzna średnica jej płaszcza osłonowego była większa o około 6 cm od zewnętrznej śre­dnicy obudowy. Luz między obudową i płaszczem jest konieczny ze względu na ma­newrowanie tarczą, zmniejszenie oporów tarcia, a zwłaszcza wyeliminowanie niebez­pieczeństwa wzajemnego zaklinowania. Z kolei długość tarczy wyznaczamy z długości prefabrykowanych pierścieni obudowy stałej. Przyjmuje się, że długość płaszcza osło­nowego powinna być od dwu do trzykrotnie większa niż długość pierścienia obudowy. Do tej długości musi też być przystosowany skok roboczy dźwigników, pras hydrau­licznych, które są zmontowane wewnątrz pierścienia oporowego. Wobec tego długość tego pierścienia powinna się wahać od półtora do dwóch długości pierścienia obudo­wy. Przy takiej długości można zapewnić wymagany skok dźwignika około półtora dłu­gości pierścienia obudowy. Długość noża jest ściśle uzależniona od sposobu urabiania górotworu i jego załadunku na środki transportu. Decydują o niej urządzenia zainsta­lowane wewnątrz noża. Całkowita długość tarczy może wobec tego dochodzić do 5-8 m. Nóż. Pierścień noża składa się z elementów odlewanych w kształcie tubingów ze ściętymi klinowo żebrami podłużnymi (rys. 10.17). Zewnętrzny promień pierścienia w głównym zarysie odpowiada zewnętrznemu promieniowi płaszcza. Liczba elemen­tów pierścienia, grubość powłoki, wysokość i grubość żeber zależy od średnicy tarczy. Elementy te są przystosowane do rodzaju górotworu i przewidywanych oporów jego skrawania, wyrównywania konturu wyrobiska. Zespawane lub połączone śrubami ele­menty noża tworzą pierścień zakończony od czoła ostrzem, a z przeciwnej strony kołnierzem, który służy do złączenia śrubami noża z pierścieniem oporowym. Górna część noża bywa nieco dłuższa niż dolna, co zapenia jej ścisłe przyleganie do frontowej ścia­ny wyrobiska lub nawet wcięcie w caliznę górotworu.

Pierścień oporowy. Podobnie jak nóż, pierścień oporowy składa się z elementów tubingowych zbieżnych z elementami noża. Podłużne żebra elementów tarczowych są ściśle konstrukcyjnie przystosowane do rozmieszczenia i konstrukcji dźwigników, le­warów hydraulicznych. W każdym elemencie rozmieszcza się 1-2 lewary. Czołowe po­przeczne żebro pierścienia oporowego jest przystosowane do połączenia z kołnierzem noża. Łącza pierścieni mogą być zespawane albo połączone śrubami. Przeciwne po­przeczne żebro pierścienia oporowego od strony płaszcza ma otwory na wysuwające się do płaszcza osłonowego zakończone głowicami tłoki lewarów, pras hydraulicznych (rys. 10.18). W pierścieniu oporowym wykonuje się platformy rozdzielające tarczę na poziomy robocze o wysokości 2,2-2,6 m i ściany ażurowe ustawione pionowo w podob­nym odstępie. Platformy i ściany stanowią stalowe stężenie pierścienia oporowego. Grubość powłoki, żeber i elementów stężenia zależy od przewidywanego ciśnienia góro­tworu.

Płaszcz osłonowy wykonuje się z jednej lub kilku warstw blachy stalowej o całko­witej grubości w granicach 40-60 mm. Zespawany lub połączony śrubami z krytymi łbami płaszcz jest na stałe połączony z pierścieniem oporowym. W końcowej części w stanie roboczym stale pozostaje w zasięgu możliwości oparcia się, w razie awarii -nadmiernego obciążenia, na zmontowanym już pierścieniu obudowy stałej. Końcowa część płaszcza musi więc zapewnić ciągłość zabezpieczenia wyrobiska podziemnego między pierścieniem oporowym tarczy i gotowymi segmentami obudowy stałej. Tar­cza nie może utracić podłużnego kontaktu, związku z obudową.

3. Zasada Działania Tarczy

Tarcza jest urządzeniem przystosowanym do cyklicznego procesu budowy obiektu podziemnego. Podstawowy cykl metody tarczowej składa się z następujących etapów:

• przygotowania wyrobiska, obejmującego urabianie górotworu, załadunek urobku
  i jego transport poza przednią część tarczy (rys. 10.19- etap I),

• przesunięcie tarczy do przodu na długość pierścienia obudowy stałej za pomocą
  wysuwających się tłoków pras hydraulicznych opartych na powierzchni czołowej ob­
  wodu tej obudowy (etap II),

• powrotny ruch tłoków do pozycji wyjściowej w celu zmontowania następnego pier­
  ścienia obudowy (etap III),

• zmontowany pierścień obudowy stanie się oparciem dla wysuwanych części dźwi­
  gników następnego cyklu przemieszczenia tarczy.

4. Wyposażenie Noża Tarczy

S posób przygotowania wyrobiska zależy od rodzaju górotworu i stopnia, poziomu mechanizacji robót drążeniowych. Przy prostej technologii urabiania górotworu, na przy­kład strzelaniem lub ręcznym kopaniem, nóż tarczy służy jako osłona prowadzonych robót wiertniczych bądź ręcznego usuwania urobku. Jest on wtedy wyposażony w ru­chome lub stałe pomosty udostępniające urabianą ścianę czołową wyrobiska (rys. 10.20a). Mogą też być urządzenia umożliwiające zabezpieczenie stropu wyrobi­ska, a także ściany czołowej na czas do przesunięcia tarczy do przodu.

W przypadku bardzo słabego górotworu nóż tarczy może być pogrążony w caliźnie ściany czołowej wyrobiska, rozdzielając ją na kilka poziomów. Wówczas niestabilny ośrodek sypki może utworzyć naturalne skarpy nie naruszając ciągłości zabezpiecze­nia wyrobiska (rys. 10.20b). W miarę jak będziemy usuwać górotwór tarcza będzie się przesuwać do przodu, zachowując stan równowagi ściany czołowej wyrobiska. W grun­cie nawodnionym, upłynnionym czoło noża tarczy osłania się sferyczną przeponą, która odcina wpływanie pulpy do wnętrza tarczy. W czasie przesuwania tarczy do przodu upłynniony grunt ulega przemieszczeniu na boki, dzięki czemu jest dodatkowo zagę­szczony, wzmocniony w otoczeniu wyrobiska. W razie zbyt dużego oporu, gdy tarcza ulega zaklinowaniu, w przeponie otwierane są specjalne okna, otwory, przez które część płynnej masy dostaje się do wnętrza tarczy, zmniejszając opór. W zależności od ilości usuniętej pulpy odpowiednio pomniejsza się wielkość oporu i tarcza może ponownie przesuwać się do przodu. System jest więc całkowicie bezpieczny i możliwy do stero­wania (rys. 10.20c).

W tarczach zmechanizowanych w nożu umieszcza się urządzenia do urabiania góro­tworu, jego załadunku na środki transportu i zabezpieczenia ściany czołowej. Konstruk­cje urządzeń są bardzo zróżnicowane ze względu na rodzaj górotworu, metody jego urabiania, wielkość zabioru itd. Jednym z przykładów tarczy zmechanizowanej może być tarcza typu leningradzkiego przystosowana do budowy tuneli metra w warunkach zwięzłych iłów sylurskich (rys. 10.20d). Podstawowym elementem wyposażenia tej tar­czy był dysk główny zamykający powierzchnię czołową noża. Osadzony na central­nym, wydrążonym wewnątrz wale był on uzbrojony od strony górotworu w urządzenia skrawające, a od strony tarczy w naczynia, zbieraki umieszczone równomiernie na ob­wodzie dysku. Urządzeniami urabiającymi górotwór były dłuta skrawające osadzone na obwodzie dysku głównego i czterech dyskach pomocniczych rozmieszczonych nie­zależnie na dysku głównym. Niezależny napęd dysków pomocniczych umożliwiał nada­wanie im ruchu w kierunku przeciwnym do dysku głównego, dzięki czemu zainstalo­wany system ostrzy skrawających wykonywał złożone ruchy, odspajając równomier­nie górotwór na całym przekroju wyrobiska. Opadający w dół urobek podbierały zabieraki dysku głównego podnosiły do góry i odwracając się w zenicie wsypywały go do pojemnika. Dozowany w pojemniku urobek był zsypywany na taśmociąg umieszczo­ny w wale centralnym dysku głównego i transportowany w kierunku gotowej części tunelu. Oprócz ruchów obrotowych dyski mogły się przemieszczać w osi podłużnej do przodu i do tyłu, co pozwoliło na drążenie wyrobiska niezależnie od położenia tarczy. Dyski przesuwające się do przodu w czasie drążenia wyrobiska, po jego wykonaniu były cofane, dzięki czemu dawały przestrzeń, gotowe wyrobisko umożliwiające prze­suw tarczy. Ruchy dysków i tarczy mogą być również wzajemnie sprzężone, co daje ^ możliwość ciągłego podparcia ściany powierzchni czołowej wyrobiska.

Innym przykładem tarczy zmechanizowanej jest tarcza przystosowana do drążenia wyrobiska w słabym górotworze nawodnionym. Była ona przesłonięta w czołowej części noża dwoma niepełnymi przeponami (rys. 10.20e). Pierwsza szczelna przepona w gór­nej części noża tworzyła komorę sprężonego powietrza, druga przesunięta do przodu szczelna przepona dolna tworzyła komorę wypełnioną zawiesiną iłową. Zawiesina za­mykała od dołu komorę sprężonego powietrza, a od strony noża tworzyła spiętrzony poziom wyrównujący ciśnienie sprężonego powietrza. Wahania poziomu zawiesiny wy­równywały wahania ciśnień powietrza i zawiesiny, a wypadkowa ich ciśnienia była ściśle przystosowana do zagrożenia, jakie mogło się pojawić w nieustabilizowanym, nawo­dnionym masywie gruntowym. Urabianie i transport gruntu odbywał się systemem hy­draulicznym. W takim przypadku podawana dyszami woda rozmywa grunt, a upłyn­nioną masę zasysają pompy, przesyłając ją zamkniętymi przewodami do osadników i zbiorników magazynowych. Po rozsegregowaniu w osadnikach woda i zawiesina iło­wa są używane w obiegu zamkniętym, a wytrącony osad gruntowy jako urobek jest skła­dowany na wysypisku. Intensywnie rozwijające się urządzenia hydrauliczne, a zwła­szcza hydromonitory wysokociśnieniowe sprzyjają uniwersalnemu zastosowaniu hy-dromechanizacji w budownictwie podziemnym.

5. Ruch Tarczy

Przemieszczenie tarczy do przodu jest jednym z podstawowych procesów metody tarczowej. Aby uniknąć zaklinowania, musi ona pokonać następujące opory:

• tarcie między górotworem a zewnętrzną powłoką tarczy,

• tarcie między obudową stałą a wewnętrzną powierzchnią płaszcza osłonowego,

• opór czołowy noża i urządzeń skrawających górotwór w czasie przesuwania tarczy.
  Aby tarcza mogła pokonać opór i przesunąć się do przodu, jej dźwigniki muszą się

opierać o ustabilizowaną obudowę stałą. Montaż obudowy musi więc nadążać za prze­mieszczającą się tarczą. Jest ona składana z prefabrykatów w postaci pierścieni mon­towanych wewnątrz płaszcza osłonowego, a jej nośność należy również przystosować do obciążeń prasami hydraulicznymi. Na ogół prasy hydrauliczne są rozmieszczane rów­nomiernie po całym obwodzie, a ich łączny udźwig przyjmuje się w granicach dwu-trzykrotnie większy niż przewidywane opory przesuwu tarczy. Co najmniej dwukrotny zapas udźwigu pras hydraulicznych wynika z potrzeb manewrowych i z konieczności bezwzględnego pokonania oporów. W czasie manewrowania uruchomienie połowy dźwigników z jednej strony odchyla kierunek ruchu tarczy w drugą stronę. Podobnie uruchamiając dolne lub górne dźwigniki odchylamy poziom ruchu tarczy w górę lub w dół.

Ruch tarczy rozpoczyna się ze specjalnie przygotowanej komory lub szybu monta­żowego. Komory wykonuje się zwykle metodami górniczymi lub specjalnymi (rys. 10.21). Wymiary komory lub szybu wyznacza się z warunków umożliwiających mon­taż tarczy. Zarówno komory, jak i szyby są wyposażone w urządzenia ułatwiające ro­boty montażowe - podnośniki, uchwyty, belki jezdne itd. Aby tarcza mogła ruszyć, od strony powłoki osłonowej wykonuje się mur oporowy, a przy nim montujemy 2-3 pier­ścienie obudowy stałej. Pierścienie te staną się stałą oporą tarczy w czasie jej przesu­wania do przodu. Odwrotnie, w ścianie czołowej komory lub szybu pozostawiamy otwór, przez który tarcza wyruszy w trasę roboczą. Ruch tarczy jest więc zgodny z jej przesu­waniem na trasie. Przeciętna trasa robocza tarczy w granicach 1000-1200 m powinna być przystosowana do jej pełnego zużycia. Kapitalny remont tarczy lub jej demontaż może nastąpić, po uzasadnionej ekonomicznie amortyzacji, w komorach lub szybach znajdujących się przed tarczą. Tunele metra są drążone na odcinkach między stacjami i wówczas wyrobiska stacyjne wykorzystuje się do montażu i demontażu tarczy lub in­nych zabiegów manewrowych - przesunięcia, obrotu tarczy itp.