ماشین حفاری تونل: چگونه کار می کند، چه انواعی وجود دارد و چرا اهمیت دارد

ایده اصلی در پشت ماشین حفاری تونل

دستگاه حفاری تونل - که معمولاً TBM نامیده می شود - قطعه بزرگی از تجهیزات حفاری است که یک تونل دایره ای را از طریق زمین در یک عملیات پیوسته منفرد حفر می کند و سنگ یا خاک را در سطح آن برش می دهد و به طور همزمان یک پوشش ساختاری در پشت آن نصب می کند. حتی اگر مهندسی اینطور نباشد، این مفهوم ساده است: یک سر برش دوار در جلوی دستگاه، مواد را حفاری می‌کند، فساد حفاری شده از طریق بدنه دستگاه حذف می‌شود، و تونل توسط قطعات پیش‌ساخته بتنی یا فولادی که در حین پیشروی در داخل سپر عقب ماشین نصب می‌شوند، پشتیبانی می‌شود. آنچه در انتهای دیگر درایو ظاهر می‌شود، یک تونل تمام‌شده و خط‌دار آماده برای فیت است.

TBM ها برای ساخت خطوط مترو، تونل های راه آهن، تونل های جاده ای، تونل های تامین آب، تونل های فاضلاب، تونل های سرپایی نیروگاه های آبی و راهروهای تاسیساتی استفاده می شوند. آنها در برخی از چالش‌برانگیزترین و نمادین‌ترین پروژه‌های تونل در جهان مورد استفاده قرار گرفته‌اند - تونل مانش در زیر کانال انگلیسی، تونل پایه گوتارد از طریق آلپ سوئیس، تونل تیمز تایدوی در لندن، و ده‌ها سیستم متروی شهری در شهرهایی از توکیو تا استانبول تا سیدنی. جذابیت TBM نسبت به حفاری معمولی با مته و انفجار یا سردر، ترکیبی از سرعت، ایمنی، دقت، و توانایی حفاری و خط کشی تونل به طور همزمان بدون قرار گرفتن زمین اطراف در معرض ریزش کنترل نشده است.

مدرن ماشین های حفاری تونل یکی از پیچیده ترین و گرانترین تجهیزات ساختمانی موجود است. بزرگترین TBM ها بیش از 17 متر قطر دارند و بیش از 80 میلیون دلار قیمت دارند. حتی ماشین‌های متوسط ​​مترو در محدوده قطر 6 تا 9 متر سرمایه‌گذاری 15 تا 40 میلیون دلاری را نشان می‌دهند و به تیم‌هایی متشکل از ده‌ها مهندس، اپراتور و تکنسین‌های تعمیر و نگهداری نیاز دارند تا به طور مداوم در تمام ساعات شبانه روز کار کنند. درک اینکه این ماشین‌ها چگونه کار می‌کنند، چرا انواع مختلف وجود دارد، و اینکه چه چیزی باعث عملکرد و هزینه پروژه‌های TBM می‌شود، دانش ضروری برای هر کسی است که در زیرساخت‌های زیرزمینی بزرگ دخیل است.

چگونه یک دستگاه حفاری تونل حفاری و پیشرفت می کند

چرخه عملیاتی یک TBM تکراری است اما دقیقاً طراحی شده است. در جلوی دستگاه، یک سر برش دایره‌ای بزرگ - مجهز به ابزارهای برش مناسب با زمین در حال حفاری - در مقابل سطح تونل می‌چرخد. سر برش توسط یک سری موتورهای الکتریکی از طریق گیربکس یا با درایو هیدرولیک مستقیم هدایت می شود و هم گشتاور چرخشی مورد نیاز برای برش مواد و هم نیروی رانش لازم برای فشار دادن ابزارهای برش به صورت ایجاد می کند. نیروی رانش توسط سیلندرهای هیدرولیک ایجاد می شود که به آخرین حلقه تکمیل شده بخش های پوشش تونل نصب شده در پشت دستگاه فشار می آورند.

همانطور که سر برش می چرخد ​​و جلو می رود، قلمه ها از طریق دهانه های روی سر کاتر - به نام دهانه ها یا سطل ها - به محفظه جمع آوری پشت سر برش می افتند. از آنجا، فساد از طریق بدنه دستگاه توسط یک سری نوار نقاله، نوار نقاله پیچ یا خطوط لوله دوغاب بسته به نوع دستگاه منتقل می شود و برای خارج کردن از محل به درگاه تونل یا شفت منتقل می شود. به طور همزمان، در فضای حلقوی درست در پشت سر برش، یک قطعه ساز - یک بازوی رباتیک که در داخل سپر دم کار می کند - بخش های پوشش بتنی پیش ساخته تحویل داده شده از سطح را برمی دارد و آنها را به صورت یک حلقه کامل می سازد. هنگامی که یک حلقه کامل برپا شد، سیلندرهای رانش پیشروی می کنند تا به حلقه جدید فشار بیاورند و چرخه دوباره شروع می شود.

در شرایط زمینی مساعد، یک TBM که به خوبی کار می‌کند می‌تواند چندین حلقه را در هر شیفت کامل کند، که هر حلقه نشان دهنده پیشروی معمولاً 1.2 تا 2.0 متر از تونل است. نرخ پیشرفت روزانه در درایوهای TBM در مقیاس مترو از 8 تا 20 متر در روز در شرایط عادی متغیر است، با عملکرد استثنایی زمین و ماشین که گهگاه به 30 متر یا بیشتر در یک دوره 24 ساعته می رسد. طی یک رانندگی کامل که چندین ماه به طول می‌انجامد، این نرخ‌ها در کیلومترها تونل تکمیل‌شده جمع می‌شوند - بهره‌وری که هیچ روش حفاری معمولی نمی‌تواند در مقیاس معادل آن را مطابقت دهد.

انواع اصلی ماشین های حفاری تونل

هیچ طراحی TBM جهانی واحدی وجود ندارد. ماشین باید برای شرایط خاص زمین در امتداد تراز تونل انتخاب و پیکربندی شود و عواقب انتخاب نوع اشتباه ماشین از عملکرد ضعیف و سایش بیش از حد برش تا سقوط فاجعه بار زمین یا سیل متغیر است. طبقه بندی اولیه انواع TBM از روش پشتیبانی از صورت پیروی می کند - اینکه چگونه دستگاه پایداری سطح تونل را در حین حفاری مدیریت می کند.

TBM های هارد راک باز

در سنگ های توانا و خود نگهدار - جایی که زمین به اندازه کافی قوی است که در طول دوره حفاری بدون تکیه گاه در سطح تونل بایستد - یک TBM سنگ سخت با سطح باز انتخاب استاندارد است. این ماشین‌ها که به آن‌ها TBM های گرپ یا TBM پرتو اصلی نیز گفته می‌شود، از گیره‌های هیدرولیکی بزرگی استفاده می‌کنند که به صورت جانبی از بدنه دستگاه امتداد یافته و به دیواره‌های تونل فشار می‌آورند تا نیروی واکنش را برای سیلندرهای رانش فراهم کنند. سر کاتر مجهز به برش‌های دیسکی است - چرخ‌های فولادی سخت‌شده که تحت بارهای نقطه‌ای بالا در سطح سنگ می‌غلطند، سنگ را در امتداد شکاف‌هایی که بین مسیرهای برش مجاور منتشر می‌شود، می‌شکنند و آن را به تراشه می‌شکنند. TBM های سنگ سخت باز می توانند به ضریب نفوذ بسیار بالایی در سنگ های قوی و توانا دست یابند و مسئول برخی از سریع ترین رکوردهای تونل زنی هستند که تاکنون ثبت شده است.

محدودیت TBM های گیره روباز ناتوانی آنها در مقابله با زمین ضعیف یا فشرده، مناطق سنگ شکسته، جریان آب یا هر شرایطی است که دیواره های تونل نمی توانند واکنش گیره قابل اعتمادی را ارائه دهند. در زمین مختلط یا کیفیت سنگ متغیر - رایج در تونل‌های بلند کوهستانی - ماشین باید قادر باشد اقدامات پشتیبانی زمینی موقت از جمله پیچ‌های سنگی، مش و شاتکریت را در فضای حلقوی اطراف سوراخ نصب کند و در عین حال به پیشرفت خود ادامه دهد، که تولید را به طور قابل‌توجهی کند می‌کند.

TBM های تعادل فشار زمین

TBM های تعادل فشار زمین (EPB TBMs) نوع ماشین غالب برای تونل زنی زمین نرم در محیط های شهری هستند. ویژگی تعیین کننده یک EPB TBM یک دیواره فشاری است که بلافاصله در پشت سر برش قرار دارد که یک محفظه حفاری مهر و موم شده ایجاد می کند. خاک حفاری شده این محفظه را پر می کند و عوامل تهویه - آب، فوم، پلیمر یا بنتونیت - از طریق درگاه هایی در سر برش تزریق می شوند تا خاک را به یک توده پلاستیکی نیمه سیال با قوام مناسب برای انتقال فشار تبدیل کنند. فشار در محفظه حفاری به طور فعال کنترل می شود تا با فشار ترکیبی زمین و آب زیرزمینی در سطح تونل مطابقت داشته باشد، از ورود خاک یا آب جلوگیری می کند و نشست سطح را به حداقل می رساند.

اسپیل از محفظه حفاری تحت فشار توسط یک نوار نقاله پیچ ارشمیدسی - یک مارپیچ چرخان در داخل یک لوله مهر و موم شده - استخراج می شود که به عنوان یک قفل فشار عمل می کند و به مواد اجازه می دهد در فشار اتمسفر در سمت اتمسفر دستگاه تخلیه شود و در عین حال فشار صورت مورد نیاز در محفظه حفظ شود. TBMهای EPB در طیف گسترده ای از انواع زمین های نرم از جمله خاک رس، سیلت، ماسه و شن موثر هستند و متداول ترین ماشین های مشخص شده برای تونل های مترو و راه آهن شهری در سراسر جهان هستند. توانایی آن‌ها در کنترل حرکت زمین، آنها را در محیط‌های شهری متراکم که در آن استقرار بالای تونل باید در چند میلی‌متر حفظ شود، ضروری می‌سازد تا از ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها محافظت شود.

Slurry Shield TBMs

TBMهای محافظ دوغاب از سطح تونل با استفاده از دوغاب بنتونیت تحت فشار به جای خود خاک حفاری شده حمایت می کنند. محفظه حفاری پشت سر برش با دوغاب تحت فشار پر می شود و دوغاب به طور همزمان صورت را تثبیت می کند و قلمه ها را به صورت معلق از طریق خط لوله دوغاب به کارخانه جداسازی سطحی منتقل می کند. در کارخانه جداسازی، قلمه ها با استفاده از صفحه نمایش، هیدروسیکلون و سانتریفیوژ استخراج می شوند و دوغاب تمیز شده مجدداً آماده شده و در یک مدار بسته به سطح تونل پمپ می شود. TBM های محافظ دوغاب در زمین های دانه ای اشباع - ماسه های جاری، شن، و خاک های مخلوط زیر سطح آب - که در آن کنترل فشار سطحی EPB دشوار است و خطر انفجار یا جریان کنترل نشده در آن بالاتر است، برتری دارند. آنها همچنین در هنگام تونل زدن در زیر رودخانه ها، بندرها یا سایر آب ها که عواقب ناپایداری صورت شدید است، نوع ماشین ترجیحی هستند.

نقطه ضعف اولیه TBM های دوغاب در مقایسه با ماشین های EPB پیچیدگی و فضای مورد نیاز مدار دوغاب و کارخانه جداسازی است. کارخانه سطحی مساحت قابل توجهی را اشغال می کند، دوغاب نیاز به مدیریت مداوم و تنظیم ویژگی دارد، و کیک دوغاب فیلتر پرس تولید شده به عنوان یک محصول زائد باید به عنوان یک ماده مدیریت شده دفع شود. در مکان‌های شهری محدود که فضای سطحی محدود است، این تقاضای لجستیکی اضافی می‌تواند عامل مهمی در انتخاب ماشین باشد.

سپر مختلط و TBMهای قابل تبدیل

ترازهای تونل های طولانی اغلب از چندین نوع زمین مختلف عبور می کنند - سنگ در عمق، انتقال به زمین مختلط، سپس خاک های نرم شهری که به پورتال نزدیک تر می شوند. برای انجام این انتقال‌ها بدون بازیابی و تعویض دستگاه، سازندگان TBM‌های محافظ مختلط و TBM‌های قابل تبدیل را ارائه می‌کنند که می‌توانند در هر دو حالت EPB و دوغاب کار کنند، یا عناصری از طراحی سنگ سخت و زمین نرم را در خود جای دهند. خرید ماشین‌های قابل تبدیل گران‌تر و کارکرد و نگهداری پیچیده‌تر است، اما در پروژه‌هایی که تنوع زمین زیاد است و هزینه بازیابی ماشین‌ها گزاف است، آنها تنها گزینه عملی هستند.

ابزار طراحی و برش سر برش TBM

کاترهد حیاتی ترین و سایش شدیدترین جزء هر دستگاه حفاری تونل است. طراحی آن - قطر، پیکربندی پره، نسبت باز شدن، نوع ابزار برش و چیدمان - تعیین می کند که دستگاه چقدر به طور موثر زمین را حفاری می کند، سرعت سایش ابزارها و میزان مداخلات مکرر برای جایگزینی برش های فرسوده مورد نیاز است. طراحی مناسب برای زمین شناسی خاص یک پروژه تاثیر مستقیم و قابل اندازه گیری بر نرخ پیشبرد پروژه، هزینه ابزار و زمان بندی کلی دارد.

دیسک کاتر برای سنگ

در سنگ سخت، ابزار برش اولیه دیسک کاتر است - یک حلقه فولادی سخت شده که بر روی یک مجموعه یاتاقان نصب شده است که تحت بارهای نقطه ای بالا که توسط نیروی رانش TBM اعمال می شود، روی سطح سنگ می چرخد. همانطور که سر برش می چرخد، هر دیسک برش یک شیار دایره ای در صفحه سنگ ایجاد می کند. میدان تنش بین مسیرهای شیار مجاور باعث می‌شود که سنگ شکسته شود و به تراشه‌هایی تبدیل شود - فرآیندی به نام بریدگی یا دهانه - که توسط سطل‌های سر برش به دهانه‌های گل و لای کشیده می‌شوند. قطر برش دیسک در طول چندین دهه توسعه افزایش یافته است. برش‌های مدرن معمولاً 432 میلی‌متر (17 اینچ) یا 483 میلی‌متر (19 اینچ) قطر دارند و می‌توانند بارهای جداگانه 250 تا 320 کیلونیوتن را تحمل کنند. نرخ سایش برش به سایندگی سنگ بستگی دارد - که توسط شاخص سایندگی Cerchar کمیت می شود - و یکی از محرک های هزینه اصلی در پروژه های TBM سنگ سخت است، با جایگزینی کاتر در سنگ های بسیار ساینده گاهی اوقات نیاز به مداخله در هر 50 تا 100 متر پیشروی دارد.

ابزار برش زمین نرم

در زمین های نرم، برش های دیسکی با بیت های کششی، ابزارهای خراش دهنده و چاک دهنده ها جایگزین یا تکمیل می شوند که به جای شکستن آن توسط بارگذاری نقطه ای، خاک را برش داده و خراش می دهند. طراحی سر برش برای زمین نرم، اختلاط و تهویه مواد حفاری شده را به همان اندازه برش در اولویت قرار می دهد - سرهای طرح دار با دهانه های گل و لای بزرگ به خاک اجازه می دهند آزادانه به داخل محفظه حفاری جریان یابد، در حالی که پورت های تزریق که در سرتاسر صورت توزیع شده اند، مواد حالت دهنده را مستقیماً به نقطه برش می رسانند. در زمین های مختلط که ممکن است سنگفرش ها، تخته سنگ ها یا نوارهای سنگی در کنار خاک نرم دیده شوند، سر برش باید هر دو قطعه کش برای خاک و برش دیسک برای مواد سخت را حمل کند، ترکیبی که نیاز به فاصله گذاری و چیدمان دقیق ابزار دارد تا به طور موثر در طیف وسیعی از انواع زمین عمل کند.

سیستم های پوشش تونل مورد استفاده با TBM

پوشش تونل نصب شده در پشت یک TBM چندین عملکرد را به طور همزمان انجام می دهد: پشتیبانی سازه ای فوری برای جلوگیری از حرکت زمین، پوشش ساختاری دائمی تونل را تشکیل می دهد که باید بارهای زمین، فشار آب و بارهای خدماتی را در طول عمر طراحی زیرساخت حمل کند، و در TBM های سطح تحت فشار که باعث پیشروی دستگاه رانده می شود. بنابراین طراحی و کیفیت سیستم آستر از عملکرد خود عملیات TBM جدا نیست.

سیستم پوشش غالب برای TBM های محافظ در زمین نرم، پوشش سگمنتال بتنی پیش ساخته است. هر حلقه آستر از مجموعه‌ای از بخش‌های بتنی پیش‌ساخته منحنی - معمولاً پنج تا هشت بخش به اضافه یک بخش کلید بسته‌کننده کوچک‌تر - که به هم و به حلقه‌های مجاور وصل می‌شوند تا یک پوسته استوانه‌ای پیوسته را تشکیل دهند، مونتاژ می‌شود. ابعاد قطعه دقیقاً کنترل می شود: تحمل قطر ± 1 میلی متر و تغییرات ضخامت ± 2 میلی متر الزامات کیفی معمولی هستند، زیرا قطعات باید کاملاً در زیر هندسه سه بعدی پیچیده حلقه نصب شده با هم قرار گیرند. تزریق حفره حلقوی بین وجه بیرونی قطعات و پروفیل زمین حفاری شده از طریق پورت های دوغاب در انتهای قطعه بلافاصله در پشت سپر دم TBM انجام می شود، با استفاده از دوغاب دو جزئی که به سرعت تنظیم می شود تا از حرکت زمین به داخل حفره قبل از خشک شدن دوغاب اولیه جلوگیری کند.

برای TBM های سنگ سخت در زمین های مناسب، گاهی اوقات یک تونل بدون خط یا نیمه خط دار برای تونل های آبی و سایر زیرساخت های غیر عمومی قابل قبول است، که خود سنگ پشتیبان ساختاری اولیه را فراهم می کند. معمولاً، یک آستر بتنی ریخته‌شده در محل یا یک آستر سگمنتال پیش‌ساخته ساده‌شده به‌عنوان عملیات گذر دوم پس از عبور TBM نصب می‌شود و فشار برنامه فوری نصب آستر همزمان در طول درایو را کاهش می‌دهد.

معیارهای عملکرد TBM که تیم های پروژه پیگیری می کنند

عملکرد پروژه TBM از طریق مجموعه‌ای از معیارهای عملیاتی نظارت می‌شود که نشان می‌دهد ماشین چقدر کارآمد برش می‌دهد، چقدر زمان برای فعالیت‌های غیرمولد از دست می‌رود، و اینکه آیا ماشین و شرایط زمین در پارامترهای مورد انتظار هستند یا خیر. این معیارها به طور مداوم توسط سیستم جمع آوری داده های ماشین ثبت می شود و توسط تیم پروژه به صورت شیفت به شیفت بررسی می شود.

نرخ بهره‌برداری مستحق توجه ویژه است زیرا این معیاری است که تیم پروژه مستقیم‌ترین کنترل را بر آن دارد. یک TBM با نرخ نفوذ 6 میلی‌متر بر دور که با بهره‌برداری 40 درصد کار می‌کند، کندتر از دستگاهی با نرخ نفوذ 4 میلی‌متر بر دور که با بهره‌برداری 70 درصد کار می‌کند، پیشرفت می‌کند. زمان غیر خسته کننده ای که استفاده را کاهش می دهد توسط نصب قطعه، بازرسی ها و تغییرات برش، تعمیر و نگهداری دم دم، حفاری کاوشگر جلوتر، تاخیرهای لجستیکی مختل، و تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده و برنامه ریزی نشده مصرف می شود. تجزیه و تحلیل سیستماتیک محل وقوع خرابی - و اقدام هدفمند برای کاهش بزرگترین مشارکت کنندگان - یکی از فعالیت‌های دارای بالاترین اهرم در دسترس برای تیم مدیریت پروژه TBM است.

بررسی های زمینی که انتخاب و طراحی TBM را اطلاع می دهد

موفقیت یک پروژه TBM تا حد زیادی قبل از اینکه ماشین وارد زمین شود مشخص می شود - با کیفیت و دقیق برنامه بررسی ژئوتکنیکی که شرایط زمین را در امتداد تراز مشخص می کند. TBM ها قطعات سفارشی تجهیزاتی هستند که بر اساس پارامترهای زمین شناسی خاص تولید می شوند. پس از ساخت و راه اندازی، اگر زمین با آنچه که در نظر گرفته شده بود متفاوت باشد، نمی توان آنها را اساساً دوباره طراحی کرد. عواقب تحقیقات زمینی ناکافی در پروژه TBM - ماشین‌های گیر کرده، جریان‌های آب غیرمنتظره، سایش شدید برش، نشست‌های سطحی، یا رها شدن کامل درایو - با ده‌ها یا صدها میلیون دلار هزینه اضافی و سال‌ها تاخیر در برنامه اندازه‌گیری می‌شود.

• فاصله و عمق گمانه: گمانه‌های بررسی در امتداد تراز TBM معمولاً باید در فواصل 50 تا 100 متری با فاصله نزدیک‌تر در مکان‌های حیاتی مانند موقعیت‌های راه‌اندازی و شفت پذیرش، گذرگاه‌های رودخانه و مناطقی با پیچیدگی زمین‌شناسی شناخته شده قرار گیرند. گمانه ها باید تا حداقل سه قطر تونل در زیر معکوس تونل گسترش یابد تا منطقه نفوذ کامل حفاری مشخص شود.
• تست مقاومت سنگ و سایندگی: برای پروژه‌های TBM سنگ سخت، آزمایش‌های آزمایشگاهی باید شامل مقاومت فشاری تک محوری (UCS)، استحکام کششی برزیلی، شاخص بار نقطه‌ای، شاخص سایندگی Cerchar (CAI) و تجزیه و تحلیل مقطع نازک سنگ‌نگاری نمونه‌های هسته نماینده از هر واحد سنگ‌شناسی در امتداد تراز باشد. این پارامترها به طور مستقیم مشخصات برش دیسک، الزامات رانش سر برش و پیش بینی هزینه جایگزینی برش را نشان می دهد.
• مشخصات آب های زیرزمینی: گمانه های پایش پیزومتریک نصب شده در امتداد تراز - با خوانش هایی که در یک چرخه فصلی کامل که زمان اجازه می دهد - رژیم آب زیرزمینی را ایجاد می کند که TBM باید در آن کار کند. شرایط آرتزین، جداول آب نشسته، و مناطق با نفوذپذیری بالا که می‌توانند جریان‌های ورودی بزرگ به تونل را حفظ کنند، باید در طول طراحی ماشین و توسعه استراتژی تزریق، شناسایی و برنامه‌ریزی شوند.
• طبقه بندی خاک و توزیع اندازه ذرات: برای پروژه های TBM زمین نرم، تجزیه و تحلیل اندازه ذرات دقیق نمونه های خاک از سراسر تراز برای طراحی تهویه EPB و مشخصات مدار دوغاب ضروری است. وجود قطعات سنگریزه یا سنگفرش بالاتر از درصدهای معین می تواند عملکرد EPB را مشکل ساز کند و ممکن است حفاظ دوغاب را به عنوان نوع ماشین مناسب تر نشان دهد.
• بررسی انسداد و آلودگی: در ترازهای شهری، جستجوی جامع برای موانع زیرزمینی موجود - شمع‌های از کار افتاده، سازه‌های بنایی قدیمی، زیرساخت‌های مدفون، زمین‌های آلوده - باید قبل از تهیه ماشین تکمیل شود تا بتوان سر برش را با قابلیت مناسب برای شکستن سنگ‌شکن یا انسداد طراحی کرد.

خطرات عمده پروژه های TBM و نحوه مدیریت آنها

تونل سازی TBM یکی از پیچیده ترین و پر ریسک ترین فعالیت های فنی در صنعت ساخت و ساز است. ترکیبی از مخارج بزرگ سرمایه، شرایط کار زیرزمینی، عدم قطعیت زمین شناسی، و عدم امکان فیزیکی تغییر تصمیمات تجهیزات اساسی پس از شروع حرکت، یک محیط ریسک ایجاد می کند که مدیریت ریسک ساختار یافته را از مراحل اولیه توسعه پروژه می طلبد.

بی‌ثباتی و استقرار چهره

در تونل زنی زمین نرم، از دست دادن کنترل فشار صورت یکی از جدی ترین خطرات است. اگر فشار در محفظه حفاری یک EPB یا دوغاب TBM از فشار ترکیبی زمین و آب زیرزمینی در سطح پایین‌تر بیاید - حتی به صورت لحظه‌ای - زمین می‌تواند به داخل دستگاه جاری شود و باعث ایجاد یک فرورفتگی یا فرورفتگی در سطح بالا شود. در محیط‌های شهری که تونل از زیر ساختمان‌های اشغالی، خطوط راه‌آهن زنده یا تقاطع‌های جاده‌ای شلوغ عبور می‌کند، حتی یک رخداد نشست متوسط ​​۲۰ تا ۳۰ میلی‌متری می‌تواند باعث آسیب‌های ساختاری و اختلالاتی شود که هزینه‌ای چند برابر ارزش قرارداد تونل‌سازی دارد. بنابراین نظارت و کنترل فشار صورت، با هشدارهای خودکار و پروتکل‌های مداخله اپراتور برای هرگونه انحراف فراتر از محدودیت‌های تعیین‌شده، مستمر و حیاتی است. یک آرایه نظارت بر نشست سطحی - معمولاً منشورهای بررسی نوری، معیارهای تراز دقیق، و شیب‌سنج‌های خودکار روی سازه‌های حساس - تأیید مستقلی را ارائه می‌کند که مدیریت فشار چهره TBM به عملکرد نشست مورد نیاز دست می‌یابد.

TBM گیر کرده است

TBM که به طور غیرقابل حرکت در زمین گیر می کند - به دلیل فشرده شدن زمین در اطراف سپر، از بین رفتن روغن کاری، انسداد برش یا مواجهه با یک مانع بزرگ - یکی از گران ترین سناریوها در ساخت و ساز زیرزمینی است. عملیات بازیابی می تواند شامل کاهش فشار تونل، ساخت یک محور نجات مستقیماً بالای دستگاه، حفاری در اطراف سپر برای کاهش فشار زمین، و به طور بالقوه برچیدن و مونتاژ مجدد اجزای اصلی ماشین در زیر زمین باشد. چنین عملیاتی ماه ها طول کشیده است و ده ها میلیون دلار برای پروژه های پرمخاطب هزینه کرده است. پیشگیری آشکارا ارجح است: نظارت مستمر نیروهای اصطکاک سپر، مدیریت روانکاری پیشگیرانه، نقشه برداری چهره جلوی دستگاه با استفاده از حفاری کاوشگر، و داشتن یک برنامه اضطراری گیر افتاده مجدد ماشین که با مشتری و بیمه گر قبل از شروع درایو توافق شده است، همه اقدامات استاندارد مدیریت ریسک در پروژه های TBM به خوبی اجرا هستند.

ورود آب غیرمنتظره

جریان‌های عمده آب – از گسل‌ها، حفره‌های کارستی، عدسی‌های سنگ‌ریزه‌ای نفوذپذیر، یا سرهای پیزومتریک غیرمنتظره بالا – می‌تواند ظرفیت زهکشی TBM و سیستم‌های پشتیبان آن را تحت تأثیر قرار دهد، تونل را سیل کند و در بدترین موارد کارگران را به خطر بیندازد. حفاری سیستماتیک کاوشگر جلوتر از صفحه TBM - معمولاً تا فاصله 30 تا 50 متر جلوتر با استفاده از دکل های مته ضربه ای یا چرخشی که روی سر برش یا داخل دستگاه نصب شده اند - هشدار اولیه را در مورد ویژگی های حامل آب ارائه می دهد. تزریق قبل از حفاری از داخل تونل، یا از سطح بالای تراز، می تواند مناطق نفوذ پذیر را قبل از اینکه توسط سر برش قطع شود، آب بندی کند. برای تونل‌ها در زمین‌های حساس به آب، TBM ممکن است با قابلیت مداخله هایپرباریک مشخص شود - توانایی تحت فشار قرار دادن محفظه کار برای متعادل کردن فشار آب زیرزمینی، که به کارگران در هوای فشرده اجازه می‌دهد تا برای تغییر برش و بازرسی چهره وارد محفظه حفاری شوند.

فناوری TBM چگونه تکامل یافته و به کجا می رود

ماشین حفاری تونل از زمان اولین موفقیت آمیز TBM مدرن - توسعه یافته توسط جیمز رابینز برای پروژه تونل سد اواهه در داکوتای جنوبی در اوایل دهه 1950، دستخوش توسعه مداوم بوده است. هر دهه پیشرفت‌هایی در طراحی سر برش، سیستم‌های درایو سر برش، فناوری نصب بخش، دقت هدایت و قابلیت اطمینان ماشین به ارمغان آورده است که به تدریج دامنه شرایط زمین و مقیاس پروژه را که در آن TBM ها روش حفاری ترجیحی هستند، گسترش داده است.

حوزه‌های تمرکز توسعه فعلی در فناوری TBM شامل تعیین خصوصیات زمین در زمان واقعی با استفاده از حسگرهای تعبیه‌شده در سر برش - اندازه‌گیری ارتعاش، توزیع گشتاور، و امضاهای صوتی برای شناسایی تغییرات در نوع سنگ یا ترکیب خاک قبل از ایجاد مشکلات عملیاتی است. الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای مجموعه داده‌های بزرگ تولید شده توسط سیستم‌های کنترل مدرن TBM برای پیش‌بینی نرخ سایش برش، بهینه‌سازی نرخ نفوذ در برابر فشار صورت، و برنامه‌ریزی مداخلات تعمیر و نگهداری قبل از وقوع خرابی و نه در پاسخ به آنها اعمال می‌شوند. اتوماسیون جابجایی و نصب بخش - یکی از زمان‌برترین و از نظر فیزیکی سخت‌ترین عناصر چرخه تونل‌زنی - به سرعت در حال پیشرفت است، با نصب‌کننده‌های کاملاً خودکار در برخی از ماشین‌های مدرن که قادر به موقعیت‌یابی و پیچ‌کردن بخش‌ها با حداقل دخالت انسان هستند.

در مرز توسعه TBM، محققان و سازندگان ماشین‌ها در حال کاوش در ماشین‌های چند حالته هستند که می‌توانند به طور همزمان در سنگ و زمین نرم بدون پیکربندی مجدد حفاری کنند و فناوری‌های جدید برش را بررسی می‌کنند - شکستن سنگ به کمک لیزر، برش با جت آب با فشار بالا - که در نهایت می‌تواند مکمل یا جایگزین برش‌کننده‌های دیسکی معمولی در انواع مکانیکی خاص باشد. چالش اساسی همان چیزی است که همیشه بوده است: حداکثر کردن نسبت زمانی که ماشین صرف برش می کند و به حداقل رساندن هر چیز دیگری. در این پیگیری، دستگاه حفاری تونل به عنوان یکی از مهم‌ترین قطعات ماشین‌آلات مهندسی که تا کنون ساخته شده است، به تکامل خود ادامه می‌دهد.