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, net positive impact). Huolellisen arvioinnin jälkeen toteutusvaihtoehdoksi valittiin ratkaisu, jossa rikastamo sijoitetaan suojelualueen ulkopuolelle kovalle maalle talousmetsään ja kulkuyhteys maanalaiseen kaivokseen järjestetään yli 5 km pitkällä tunneliryhmällä.
Periaatekuva kaksoissuojatun tunneliporalaitteen toiminnasta sekä vuotovesien hallintaan liittyvistä teknisistä ratkaisuista. Esi-injektoinnilla tiivistetään kalliota koneen etupuolelta.
Ratkaisu on epätavallinen, sillä yleensä maanalaisissa kaivoksissa yhteys maanpinnalle järjestetään spiraalimaisella vinotunnelilla tai nostokuilulla ja hissillä. Koska suojelualueelle ei tule mitään maanpäällisiä rakenteita kaikki, mitä kaivokseen tulee tai sieltä lähtee – malmi, sivukivi, kuivanapitovesi, kaivostäyttömateriaali, henkilöt, koneet, käyttövoima ja myös ilma – kuljetetaan tunnelia myöten.
Tunnelin tulee täyttää kaksi tärkeää kriteeriä. Kaivokseen tihkuva vesimäärä tulee hallita ja tunnelin rakennusvaiheen tulisi olla lyhyt. Nämä ehdot voidaan toteuttaa käyttäen tunneliporauslaitteistoa.
Mikä on TBM?
TBM eli jatkuvatoiminen tunneliporauslaitteisto (tunnel boring machine) on valmiin kalliotilan ”tuotantolinja”. Se on vaihtoehtoinen tekniikka poraus-räjäytysmenetelmälle. TBM koostuu tyypillisesti edessä olevasta pyörivästä teräpäästä, jota seuraa päälaakeri, työntöjärjestelmä, kaivetun materiaalin poistoyksikkö ja viimeisenä toimintamoduuli valmiin tilan rakentamiseksi.
TBM:ssä kiteisen kallioperän rikkominen tapahtuu siten, että teräpäähän sijoitetuilla terillä, kuttereilla painetaan kallion pintaa suurella pintapaineella. Tällöin kuttereiden välille syntyvien paikallisten vetojännityshuippujen johdosta kivi hilseilee lastuina irti louhittavasta kalliopinnasta. Kallion lujuusominaisuudet vaikuttavat siihen, millaisia tunkeumanopeuksia [m/vrk] TBM-laitteella on saavutettavissa.
Vaikka tunneliporauslaitteistoa ei ole Suomessa juurikaan käytetty, se on 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.
Anglo Americanin Woodsmithin projektissa Länsi-Englannissa TBM:llä tehtyä kaivostunnelia on valmiina lähes 30 km. Tunneli on verhoiltu betonielementeillä.
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 tiivistyslaitteistolla. 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. TBM-louhinta tekee valmista tunnelia tuotantolinjan kaltaisesti, joten sillä saavutetaan parempi etenemä perinteiseen peränajoon verrattuna. Sakatissa tavoitellaan keskimäärin 20 metrin päivittäistä etenemää.
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 jakautumisenkannalta optimaalisin tunneliprofiili.
Yleiskuva TBM-tunnelin reitistä Kuusivaran teollisuusalueelta malmiin. Tunnelilinjasta on suunnittelua varten käytettävissä yhtämittainen kairausaineisto, jolla geoteknisiltä ominaisuuksiltaan erilaiset kivilajiyksiköt on tunnistettu ja paikallistettu.
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. 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.
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 mikä on 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 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.
Alkuperäinen artikkeli on julkaistu Materia-lehdessä 1/2024.