Pertti Lamberg, Johannes Gollegger, Lari Hannukainen, Michael Di Giovinacco ja Ilkka Laitinen: Teknologista edelläkävijyyttä Sakatin projektissa tunneliporauslaitteistolla

Johdanto

Sakatin malmi sijaitsee pääosin yli 500 metrin syvyydessä Viiankiaavan Natura-alueen kulmassa. Projektissa suunnittelun lähtökohdaksi valittiin jo varhain negatiivisten ympäristövaikutusten minimointi ja yhteisvaikutusten nettopositiivisuus (NPI). Huolellisen arvioinnin jälkeen toteutusvaihtoehdoksi valittiin ratkaisu, jossa rikastamo sijoitetaan suojelualueen ulkopuolelle kovalle maalle ja kulkuyhteys maanalaiseen kaivokseen järjestetään yli 5 km pitkällä tunneliryhmällä. Tämä ratkaisu on epätavallinen, sillä yleensä maanalaisissa kaivoksissa yhteys maanpinnalle järjestetään joko spiraalimaisella vinotunnelilla tai nostokuilulla ja hissillä.

Valitun suunnitteluperiaatteen mukaan suojelualueelle ei tule mitään maanpäällisiä rakenteita. Siten kaikki, mitä kaivokseen tulee tai sieltä lähtee – malmi, sivukivi, kuivanapitovesi, kaivostäyttömateriaali, henkilöt, koneet, käyttövoima ja myös ilma – täytyy kuljettaa tunnelia myöten. Tunnelin täytyy lisäksi täyttää kaksi tärkeää kriteeriä. Kaivokseen tihkuva vesimäärä tulee hallita ja tunnelin rakennusvaiheen tulisi olla lyhyt. Kaikki nämä ehdot voidaan toteuttaa käyttäen tunneliporauslaitteistoa.

Kuva 1. Periaatekuva kaksoissuojatun tunneliporalaitteen (DS-TBM) toiminnasta sekä vuotovesien hallintaan liittyvistä teknisistä ratkaisuista. Tunnelin tiivistämisessä käytettävän esi-injektoinnin toteutus on mahdollista teräpään läpi ja ohi porattavista tunnustelu- ja injektointirei’istä. Tiiveysvaatimuksiltaan merkittävimmillä alueilla asennetaan myös vedentuloa rajoittava betoninen verhous- ja tuentaelementtirakenne.

Mikä on TBM?

TBM eli jatkuvatoiminen tunneliporauslaitteisto (tunnel boring machine) on valmiin kalliotilan ”tuotantolinja” (Kuva 1, aloituskuva). Se on vaihtoehtoinen tekniikka poraus-räjäytysmenetelmälle (drill and blast). TBM koostuu tyypillisesti edessä olevasta pyörivästä teräpäästä, jota seuraa päälaakeri, työntöjärjestelmä, järjestelmä kaivetun materiaalin poistamiseksi ja viimeisenä toimintamoduuli valmiin tilan rakentamiseksi.

Kaikki louhinta kiteisessä kallioperässä perustuu ehjän kallion mekaaniseen rikkomiseen. TBM:ssä se tapahtuu siten, että teräpäähän sijoitetuilla terillä, kuttereilla (cutterhead), painetaan kallion pintaa suurella pintapaineella (Kuva 2). Tällöin kuttereiden välille syntyvien paikallisten vetojännityshuippujen johdosta kivi hilseilee lastuina irti louhittavasta kalliopinnasta. Kallion lujuusominaisuudet vaikuttavat siihen, millaisia tunkeumanopeuksia [mm/min] TBM-laitteella on saavutettavissa.

Kuva 2. Periaatekuvat kutterin toiminnasta (yllä) ja kovametallisesta kutterista (alla)

Vaikka tunneliporauslaitteistoa ei ole Suomessa juurikaan käytetty, on se hyvin tunnettu ja koeteltu menetelmä Keski-Euroopan ja Pohjoismaiden tunnelirakentamisessa. Anglo Americanilla on kokemusta TBM:n käytöstä kolmella kaivoksella: Woodsmithin projektissa Länsi-Englannissa, Los Broncesin kuparikaivoksella Chilessä ja Mogalakwenan platinakaivoksella Etelä-Afrikassa.

Mitä etuja TBM tuo Sakatissa?

Sakatin kaivoshankkeessa TBM:n edut perinteiseen poraus-räjäytysmenetelmään verrattuna ovat parempi pohjavesivaikutusten hallinta ja suuri etenemisnopeus. Sakatissa vesien hallintaan tullaan käyttämään esi-injektointia, jossa kiveä tiivistetään koneen etuosassa olevalla injektointilaitteistolla (Kuva 1). Sen lisäksi hydrologisesti merkittävillä tunneliosuuksilla käytetään valmiita betonisia tiivistys- ja tuentaelementtejä. Näiden avulla tunnelin seinille, holviin ja pohjalle rakentuu yhtenäinen tiivistävä, vettäjohtamaton rakenne, joka rajoittaa tunneliin vuotavan veden määrää.

Toinen merkittävä TBM:n etu on tunnelin valmistumisnopeus. Poraus-räjäytysmenetelmä vaatii pitkien tunneliosuuksien louhinnassa useita samanaikaisia periä. Lisäksi työ koostuu lukuisista vaiheista, joissa käytetään erillisiä laitteita, henkilöstöä ja aliurakoitsijoita. Koska TBM-louhinta tekee valmista tunnelia tuotantolinjan kaltaisesti, saavutetaan sillä perinteiseen peränajoon verrattuna parempi etenemä. Sakatissa tavoitellaan keskimäärin 20 m louhinnan päiväedistymää.

Sakatin kalliolaadun vaihtelu, kuten rakoilu ja kivilajien ominaisuudet, suosivat TBM-louhintaa. TBM-louhinnassa rakoilusta on hyötyä erityisesti erittäin lujien ja kulutuskestävien kivilajien louhinnassa. Kalliomassan tulee olla “riittävän hyvää”, jotta työ ei hidastu suuritöisten lisälujitusten takia, mutta ei kuitenkaan “liian hyvää”, jolloin poralaitteen etenemä kalliossa hidastuu alhaisen tunkeumanopeuden seurauksena. Tunnelin pyöreä muoto on louhinnan aiheuttamien kallion jännitystilamuutosten jakautumisen kannalta optimaalisin tunneliprofiili.

Huolellinen suunnittelu tärkeää

TBM on laitekokonaisuus, joka suunnitellaan tekemään tiettyä tehtävää tietyssä ympäristössä. Suunnittelua varten on tärkeää tietää kiven ominaisuudet ja määritellä tekniset tavoitteet tilan tiiviydelle ja tunnelityön etenemiselle.

Sakatissa vinotunneleiden suunnittelu perustuu tarkasti tehtyihin kallioperätutkimuksiin ja yksityiskohtaiseen tietoon alueen geologisista, hydrogeologisista ja geoteknisistä olosuhteista (Kuva 3). Suunnittelun pohjana on koko tunnelin matkalta oleva jatkuva kairaamalla hankittu näytesarja ja kattava hydrologinen tieto, jota on kerätty mm. pumppauskokeilla ja kairareikiin asennetuilla veden virtausta aistivilla antureilla.

Kuva 3. Yleiskuva vinotunneleiden reitistä kaivosalueelle ja tunnelisuunnitteluosuuksiin. Vasemmalta oikealle: Portaalin alue – Ehjiä ja lujia mafisia kivilajeja; Kenttäaavan alue – kallion rakoilua ja rikkonaisuutta kivilajikontaktien yhteydessä; Sakattiojan alue –Merkittävä kallion siirros; Tunnelin haarautumisalue kaivosalueella –Ehjiä ultramafisia kivilajeja.

Osana hankkeen ympäristövaikutusten arviointia on laajan mittausaineiston pohjalta laadittu numeerinen pohjaveden virtausmalli, jolla kuvataan maanalaisen louhinnan vaikutuksia ja vaikutusreittejä maanpinnan hydrogeologisiin olosuhteisiin. Numeerista pohjaveden virtausmallia hyödynnetään määrittämään vinotunnelille alueelliset tiivistystavoitteet eli suurin sallittu sisään virtaavan pohjaveden määrä kutakin sataa metriä kohti [l/min/100 m].

Kallion ominaisuuksien ja teknisten tavoitteiden pohjalta on määritetty, että Sakatin tunneloinnissa tullaan käyttämään ns. kaksoissuojattua porauslaitteistoa (DS-TBM) ilman jatkuvaa tuentaelementtien asennusta. Asennus tehdään suunnitellusti ja tarvittaessa, jolloin elementti toimii kalliotukena ja edistää vedenpitävyyttä.

TBM edustaa Sakatin keskeistä toimintatapaa. Ympäristövaikutusten hallintaan haetaan aina parhaita teknologisia ratkaisuja. ▲

TEKSTI: PERTTI LAMBERG (1) JOHANNES GOLLEGGER (2), LARI HANNUKAINEN (1), MICHAEL DI GIOVINAZZO (3) JA ILKKA LAITINEN (1)

1: AA SAKATTI MINING OY 2: INNOCON GMBH 3: SRK CONSULTING [FINLAND] OY