Författare: Konstantin Spinos / Carl Johan Söderberg
Igress (Henry Sandström)
Som framhölls redan vid införandet av grovhålsborrningen på 50-talet, så insågs vikten av borrningsprecision. Redan då gjordes en inriktningsanordning, som monterades på bommen som hjälpmedel.
Vid senare skede gjordes kostnadssammanställningar för att visa hålriktningens betydelse ur ekonomisk synpunkt med tanke på dess inverkan på hålsättningen.
I en artikel i Husbyggaren 4/74 ”Precisionsborrning i berg” har jag närmare redogjort för hålprecisionens inverkan på ekonomin för:
Hålsättningen (VxEm)
Bergkonturens kvalitet
Utfyllnad av överberg med betong eller massor
Vackra och oskadade synliga bergytor.
Författarna Carl Johan Söderberg och Konstantin Spiros till följande artikel vid BK konferens 1996 gjorde examensarbete vid KTH 1993 ”Två typer av borrutrustningars inverkan på bergkonturen vid tunnelbyggande”. Det var en utmärkt och unik uppföljning av borrningsprecisionen vid tre olika arbets- platser både i Sverige och utomlands.
Lundbytunneln
Författare: Konstantin Spinos / Carl Johan Söderberg
Allmänt
Vid upphandlingen av Lundbytunneln ställdes krav på de tunnelriggar som skulle användas. Riggarna skulle vara utrustade med datoriserade rikt- och positioneringssystem. Dessa skulle underlätta för borraren att uppnå de krav som ställdes på borrtoleranser samt ge möjlighet till ut värdering av utförd borrning genom loggning av borrningen.
Skanska valde att i detta fall införskaffa borriggar från Atlas Copco. Två stycken Robot Boomer 185 utrustade med Atlas egna system för rikt- och positionering samt en Rocket Boomer 353E utrustad med Bever Data från norska Bever Control.
Den grundläggande skillnaden mellan systemen är att Atlas Copco:s system är konstruerat för automatisk borrning, dvs automatisk rikt och positionering samt borrning, medan Bever Data är ett passivt system. Borrningen sker här manuellt med Bever Data som ett hjälpmedel för rikt och positionering vid borrningen. Atlas system går att köra manuellt på samma sätt som Bever.
Systembeskrivningar
De båda systemen från Atlas Copco och Bever Control är på många punkter uppbyggda på likartade sätt. Båda bygger sina konstruktioner på att det finns vinkel- och lägesgivare monterade på bommar och matare. Atlas har däremot byggt in sina givare i kolvar och leder medan Bever har sina givare placerade utanpå.
Vid inriktningen av borriggarna använder sig båda systemen av en laser som referens. Denna är monterad i tunneln med en bestämd riktning. För varje tunnelsektion har lasern en viss vinkel i förhållande till tunneln. Genom att ge systemet laser riktningen blir på så sätt tunnelriktningen för en viss sektion känd.
Laserriktningen överförs till systemet via en av tunnelriggens bommar. På Bever Data görs detta genom att två siktplåtar monteras på mataren, var- efter denna positioneras så att lasern lyser genom de två plåtarna och rikten registreras. Atlas har en sikttavla monterad bak på mataren och genom att låta lasern träffa tavla och registreras vid två olika matarpositioner blir laserrikten känd.
Då referensriktningen är känd för systemet skall tunnelriktningen tas fram. Bever har löst detta genom att låta tunnellinjen, dvs tunnelns utbredning i rymden, ligga i systemet. Vid inriktningen av riggen registrerar man laserriktningen samt anger sektion för borrningen. Systemet räknar sedan ut tunnelriktningen för den givna sektionen. Atlas system är annorlunda upp- byggt. Laserrikten överförs till systemet var- efter tunnelriktningens vinkel- förhållande till referensriktningen anges. Horisontal- och vertikalvinklar måste således beräknas i förväg för en given sektion.
Presentationen av borriktningen skiljer sig fundamentalt mellan systemen. Atlas har valt ett system där borriktningen presenteras i grader från tunnel- linjen. Man talar om rikt- och stickvinklar. Riktvinkeln talar om åt vilket håll hålet sticker, t ex åt höger eller vänster. Stickvinkeln anger däremot hur många grader hålet sticker i förhållande till tunnellinjen. Vinklarna presenteras i en piltavla där man ser åt vilket håll hålet sticker och hur många grader. Bever systemet presenterar borriktningen i form av stick i meter samt stickets riktning (se fig. nedan). Beroende på önskat håldjup visas avståndet mellan ansättningspunkt och teoretisk färdig hålbotten relativt tunnellinjen.
Positionering av borrhålen sker i bägge systemen m h a borrplaner, som är konstruerade i förväg, och visas på en skärm i riggen. Inriktningen av borr- planen sker samtidigt med inriktningen av riggen. Borrplanerna placeras ortogonalt mot tunnelriktningen i angiven sektion.
Varje borrplan innehåller en referenspunkt. Bever systemet låter referens- punkten sammanfalla med tunnellinjen, då denna finns registrerad placeras borrplanen automatiskt rätt. Atlas system kräver att en referenspunkt visas på stuffen. Läget på denna registreras vid inriktningen av riggen och för- hållandet till borrplanens referenspunkt anges. Borrplanen hamnar på så sätt rätt. Punkten där lasern träffar stuff anges som referenspunkt. Då denna kan ändra läge mellan sektionerna krävs förberedande beräkningar före inriktningen av borrplanen.
Då inriktningen av borrigg och borrplan är utförd kan matarspetsarnas läge på borrplanen presenteras på en skärm i riggen.
Atlas presenterar borrhålen i borrplanen med numrerade markeringar med Bever presenterar hålen med en punkt och ett streck. Strecket representerar önskat stick i längd och riktning. Matarpostionen presenteras i båda systemen med en ring och ett streck som representerar borriktning och stick.
Vid borrningen positionerar man mataren till önskat hål, riktar in mataren och startar borrningen. Då Bever presenterar borrsticket lika både i borr- planen som för mataren placeras mataren på borrhålet med samma längd och riktning på strecket för rikt och stick som i borrplanen. Värdet på strecket kan avläsas i meter. Atlas system visar stick och rikt på mataren men inte på hålet i borrplanen. Mataren positioneras därför till hålet varefter grader på stick och rikt avläses i en piltavla. Systemet är konstruerat för automatborrning och vinklar på borriktningar läggs in i koordinatlistan för borrplanen. Vid automatborrning sköts positionering och inriktning automatiskt.
Erfarenheter
Då projektet startade var Atlas och Bevers system helt nya för användarna. Stora ansträngningar lades därför på att lära sig och få igång systemen så snabbt som möjligt.
Redan i mycket tidigt stadium uppdagades vissa brister som fortfarande
1,5 år efter start inte fullständigt är lösta. Först och främst nämnas problemet med mekanisk nedböjning.
Bom och matare är tunga konstruktioner som utsätts för stora påfrestningar. Vid borrning böjs utrustningen och leder blir glappa men även egen- tyngden har en inverkan. Då vinkel- och längdgivare är statiska och inte konstruerade för att känna av sådana dynamiska påfrestningar upp står fel i systemens rikt och positionering. Dessa fel är störst vid stora bom- och matarutskjut i sidled. Bommen utsätts då både för en vridning och en ned- böjning som leder till vinkel och lägesfel.
För att lösa problemet med mekanisk nedböjning har ett flertal olika lösningar prövats. Detta har varit av största vikt då full tillit till systemet krävs för att Atlas system skall kunna köras i auto.
Till att börja med konstruerades borrplaner där hänsyn togs tillnedböjningen vid placeringen av borrhål. Men dessa blev svåra att hantera då de inte stämde med teoretisk borrplan.
Därefter kalibrerades aggregats rikt och positioneringssystem med bom och matare i mer extrema lägen än normalt. Man erhöll då bättre överens- stämmelse med teoretisk kontur där man oftast har extrema utskjut men erhåll då sämre överensstämmelse vid små utskjut. Samma resultat erhölls om inriktningen gjordes med referenspunkt och laser i lägen som krävde extrema bomlägen.
Ovanstående metoder prövades och används delvis fortfarande, både för Atlas och Bevers system. Men ingen av metoderna löser problemet fullständigt. Inmätningar av vinkel- och nedböjningsfel vid olika bom- och matarutskjut samt lägen utfördes därför på Atlas system. Utifrån resultaten konstruerades kompensationsmodeller som byggdes in i systemet. Noggrannheten förbättrades ytterligare men fel förekommer fortfarande vid stora bomutskjut i sida samt i botten. Felet ligger där idag mellan 0 – 150 mm och vinkelfelet 0 – 2 grader. Arbete pågår kontinuerligt för att förbättra systemet ytterligare.
En annan faktor som erfarits vara av mycket stor vikt för noggrannheten är kalibreringen av rikt- och positioneringssystemen. Kalibrering och kontroll måste kunna utföras på ett snabbt och enkelt sätt så att fel tidigt kan upp- täckas och justeras. Kontroll bör kunna utföras av borraren och skall ske regelbundet. Detta har i Lundby varit enkelt då utsättare kontinuerligt varit med för kontroll av tunnelprofilen. Kalibreringen har däremot visat sig lite svårare att utföra. Både Atlas och Bever har system som kräver goda kunskaper.
Kalibreringen fodrar därför utbildad personal som förstår såväl data systemet som riggens uppbyggnad.
Inriktningen av borriggen är av stor betydelse. Sker inte denna korrekt har noggrannheten på rikt- och postioneringssystemet ingen betydelse. Inriktningen bör därför vara lätt att utföra samt innehålla få moment, vilket minimerar möjligheten till fel. Bever löser detta bra då tunnellinjen ligger i systemet och inga värden för flytt och vridning av borrplan behöver anges vid inriktningen. Detta blir speciellt märkbart då tunnelsträckningen både bedriver en horisontal- och vertikalkurva.
Presentationen av borrplanen är av betydelse för noggrannheten vid manuell borrning. Dataskärmen i riggen bör vara stor och presentera borrhålen tydligt så att ansättningen av mataren mot berget blir så korrekt som möjligt. Även hanteringen av borrplanerna i riggen skall vara lätt så att möjligheterna till fel minimeras.
Inmätning
Inmätningar av borrhål borrade med Atlas system för rikt- och positionering har genomförts. Kompensationsprogrammet för mekanisk nedböjning låg i systemet vid borrningen.
Mätningarna omfattade totalt 384 konturhål fördelade på 14 salvor. Storleken på salvorna var 88 m2 respektive 92 m2. Detta motsvarar riggens maxi- mala räckvidd, varför det krävdes två uppställningar på den större salvan. Samtliga konturhål är därav borrade med stora bom- och matarutskjut.
Inmätta borrhålspositioner har därefter jämförts med de av systemet loggade. Nedan visas två histogram över avvikelsen i sida respektive höjdled.
– – tecken innebär att det loggade värdet ligger innanför respektive under det inmätta.
Av diagrammet för avvikelse i sida framgår att systemet uppfattar hålen ligga innanför de inmätta. Tyngdpunkten ligger 3.1 cm innanför de inmätta och standardavvikelsen är 11.5 cm.
Avvikelsen i höjdled visar på att systemet uppfattar hålen lägre än de i verkligheten är. Tyngdpunkten ligger 4.5 cm under det inmätta och standard- avvikelsen är 13.0 cm. Orsaken till detta är troligen en överkompensation för den mekaniska nedböjningen. Kompensationsmodellen bör alltså omarbetas.
Nedan visas positionen på samtliga hål enligt systemet relativt de inmätta.
Håbotunneln
Projektbeskrivning
Håbotunneln, som ligger utanför Bålsta, består av två stycken bergtunnlar på 215 m respektive 100 m. Mellan bergtunnlarna byggs en 90 m lång betongtunnel. Tunneln är en järnvägstunnel för dubbelspår och ingår i Mälarbanan. Borraggregatet som användes var en Tamrock Maxi 315 T, utrustad med Bever Control.
Arean på tunneln är 108,5 m2 bredden 12 m och höjden 9,85 m och drevs med pilot, tross och pall. Anledningen till uppdelningen var aggregatets räck vidd inte var tillräcklig.
Arbetsmetod för kontroll av Beversystemets nogrannhet
Vid användandet av datoriserade rikt- och positioneringshjälpmedel krävs att systemets noggrannhet kontinuerligt kontrolleras för att minimera avvikelelserna. Detta kan göras på flera sätt. Nedan beskrivs hur kontrollen genomfördes, samt hur stora avvikelserna var i Håbo.
Följande kontroller genomfördes:
- Inmätning av bommarna på borraggregatet
- Manuell utsättning av de första salvorna för okulär kontroll
- Inmätning av konturhål under driften, samt utvärdering av inmätta och loggade värden.
Om avvikelserna vid kontrollen visade sig vara onormalt stora vidtogs åt- gärder som t ex kalibrering av den felaktiga bommen eller justering av borr- planen.
Inmätning av bommarna
Den första kontrollen som genomfördes var att mäta in bommarnas positioner vid olika lägen i salvan och jämföra med positionerna som Bever systemet angav. Detta gjordes innan tunneln hade börjat drivas för att konstatera vilka avvikelser som fanns.
Resultaten visade en viss nedböjning i y-led som var störst i anfang och konturhålen i botten. Inga åtgärder vidtogs, då nedböjningen inte inkräktade nämnvärt på konturen. Däremot upptäcktes en ovanligt stor avvikelse i x-led på en bom, vilket åtgärdades genom kalibrering.
Manuell utsättning av de första salvorna
De första salvorna i tunneln sattes ut manuellt genom att borransättningslinjen målades ut på stuffen. Därigenom erhölls en okulär kontroll av noggrannheten hos Beversystemet. Detta skapar också ett förtroende för systemet hos borraren då han ser att borrhålen hamnar rätt när han manövrerar m h a Bevern.
Inmätning av konturhål
Kontrollen under drift bestod av att mäta in konturhål på piloten respektive strossen och sedan jämföra x- och y-värden med de av Bever Controlens loggade värden. Totalt mättes 16 piloter och 17 strossar in.
Utvärdering av mätvärden
För att studera hur avvikelserna varierar utefter konturen delades salvan in i olika y-intervall enligt nedan.
