ماشین حفاری تونل: این ماشین های غول پیکر چگونه تونل های زیرزمینی را حفر می کنند

ماشین حفاری تونل چیست و چرا از آن استفاده می کنیم؟

دستگاه حفاری تونل - که معمولاً به اختصار TBM نامیده می شود و گاهی اوقات دستگاه حفاری تونل یا دستگاه حفاری زیرزمینی نامیده می شود - یک قطعه عظیم از تجهیزات مهندسی است که برای حفاری تونل ها از طریق خاک، سنگ یا شرایط زمین مخلوط با سطح مقطع دایره ای طراحی شده است. برخلاف روش قدیمی‌تر حفاری و انفجار، که سنگ را با استفاده از مواد منفجره می‌شکند و سپس به صورت دستی زباله‌ها را پاک می‌کند، یک TBM برش، حفاری و اغلب به طور همزمان تونل را در یک عملیات پیوسته می‌کشد. نتیجه یک تونل هموارتر و از نظر ساختاری سازگارتر است که با اختلال بسیار کمتری در زیرساخت های سطحی و زمینی اطراف تولید می شود.

جذابیت تونل زنی TBM بسیار فراتر از سرعت است. در محیط های شهری - جایی که یک تونل ممکن است از زیر محله های متراکم ساخته شده، خطوط مترو زنده یا تاسیسات حیاتی عبور کند - حفاری کنترل شده و کم لرزش یک دستگاه حفاری تونل اغلب تنها گزینه مناسب است. انفجار معمولی باعث نشست غیرقابل قبول سطحی و آسیب ساختاری به ساختمان های مجاور می شود. TBM ها همچنین می توانند در اعماق بسیار بیشتری نسبت به روش های ساخت و ساز برش و پوشش کار کنند و به مهندسان این امکان را می دهند تا تونل ها را در مسیرهای مستقیم و بهینه بدون پاره کردن منظره خیابان بالا هدایت کنند. این مزایا، دستگاه حفاری تونل را به فناوری غالب برای سیستم‌های ریلی مترو، تونل‌های بزرگراه، تونل‌های آبرسانی و فاضلاب، و به طور فزاینده، راهروهای کابلی و شهری در شهرهای سراسر جهان تبدیل کرده است.

TBM های مدرن در نوع خود شاهکارهای مهندسی خارق العاده ای هستند. بزرگ‌ترین دستگاه‌های حفاری تونل جهان دارای سرهای برش با قطر بیش از 17 متر هستند - پهن‌تر از ارتفاع یک ساختمان چهار طبقه - و وزن آنها به بیش از 7000 تن می‌رسد. حتی یک TBM سایز متوسط ​​که برای یک تونل مترو استاندارد استفاده می‌شود (معمولاً با قطر 6 تا 9 متر) از صدها قطعه مهندسی دقیق که به محل کار حمل شده و در زیر زمین در شفت پرتاب مونتاژ می‌شود، مونتاژ می‌شود. این ماشین‌ها حفاری زمین، حذف مواد زائد، پشتیبانی از زمین و نصب پوشش بتنی را در یک خط تولید متحرک ادغام می‌کنند که بسته به شرایط زمین و نوع ماشین، 10 تا 30 متر در روز پیشرفت می‌کند.

چگونه یک ماشین حفاری تونل واقعاً کار می کند: مکانیک هسته

درک چگونگی عملکرد یک TBM مستلزم نگاه کردن به سیستم‌های کاری اصلی آن است که هر یک نقش مهم و وابسته به یکدیگر را در فرآیند تونل‌زنی ایفا می‌کنند. در حالی که انواع مختلف TBM پشتیبانی از زمین و حذف فساد را به طور متفاوت انجام می دهند (که در بخش بعدی پوشش داده می شود)، مکانیک های اساسی برش و پیشرفت در اکثر خانواده های ماشین آلات مشترک است.

کاترهد

سر برش پایان کسب و کار هر کسی است دستگاه حفاری تونل - یک دیسک چرخان یا ساختار پره ای عظیم که با ابزارهای برشی پوشانده شده است که مستقیماً با زمین در حال حفاری تماس می گیرد. در تونل زنی سنگ، سر برش برش های دیسکی را حمل می کند: چرخ های فولادی سخت شده، معمولاً 432 تا 483 میلی متر (17 تا 19 اینچ) قطر دارند که تحت نیروی رانش بسیار زیاد بر روی سطح سنگ می چرخند. برش دیسک سنگ را خراش نمی دهد. در عوض، آن را از طریق بارگذاری فشاری خرد می‌کنند و شبکه‌ای از شکستگی‌های ریز بین مسیرهای برش مجاور ایجاد می‌کنند که باعث آزاد شدن تراشه‌های سنگ می‌شود. این فرآیند تولید تراشه، که مکانیسم «تراشه و ترک» نامیده می‌شود، بسیار کارآمدتر از سایش مستقیم است و همان چیزی است که تونل TBM را در سنگ سخت زنده می‌کند. در زمین نرم و شرایط مختلط، سر برش به جای له کردن، لقمه‌های کششی، خراش‌دهنده و دندان‌های برش خاک را حمل می‌کند که به جای خرد کردن، مواد را برش داده و جابجا می‌کند.

سر برش توسط حلقه‌ای از موتورهای محرک الکتریکی - معمولاً بین 4 تا 20 موتور بسته به اندازه دستگاه - می‌چرخد که در اطراف محیط آن چیده شده و از طریق گیربکس‌های کاهش دهنده متصل می‌شوند. سرعت چرخش معمولاً آهسته است: 1 تا 6 دور در دقیقه برای ماشین‌های بزرگ، زیرا لبه بیرونی یک سر برش بزرگ در حال حاضر با سرعت خطی بالا حتی در دورهای بسیار پایین حرکت می‌کند. مجموع قدرت درایو کاتر هد نصب شده در یک TBM سنگ سخت بزرگ می تواند از 5000 کیلووات فراتر رود - تقریباً مانند شش موتور فرمول 1 که به طور همزمان کار می کنند، اما به عنوان گشتاور چرخشی آهسته به جای سرعت اعمال می شود.

سیستم‌های رانش و گریپر

چرخاندن سر برش به تنهایی باعث حفاری تونل نمی شود - دستگاه همچنین باید سر برش را با نیروی زیادی به داخل صفحه سنگ فشار دهد تا برش دیسک موثر باشد. این امر از طریق سیستمی از سیلندرهای رانش هیدرولیکی که در اطراف بدنه اصلی دستگاه چیده شده اند انجام می شود. مجموع نیروهای رانش در یک TBM سنگ بزرگ معمولاً بین 20000 تا 60000 کیلو نیوتن متغیر است - معادل وزن 2000 تا 6000 متریک تن فشار بر روی سطح تونل. برای فشار دادن، دستگاه به چیزی نیاز دارد که از آن فشار بیاورد. در تی‌بی‌ام‌های سنگ سخت، این امر توسط پدهای گیره‌ای فراهم می‌شود: سیلندرهای هیدرولیکی بزرگ که به صورت جانبی از بدنه دستگاه امتداد می‌یابند و با نیروی کافی به دیواره‌های تونل فشار می‌آورند تا دستگاه را محکم در جای خود محکم کند در حالی که سیلندرهای رانش سر برش را به جلو می‌برند. هنگامی که دستگاه به طول یک ضربه (معمولاً 1.5 تا 2 متر) رسید، گیره ها آزاد می شوند، قسمت عقب دستگاه به جلو کشیده می شود، گیره ها مجدداً در موقعیت جدید درگیر می شوند و حرکت رانش بعدی آغاز می شود. این توالی در طول عملیات تونل زنی به طور مداوم تکرار می شود.

حذف فساد

مواد بریده شده از سطح تونل - که در اصطلاح تونل زنی "مک" نامیده می شود - باید به طور مداوم از سر برش جدا شده و به سطح منتقل شود. در اکثر TBM ها، گل و لای به سوراخ های سر برش می ریزد و توسط تسمه نقاله ای که از مرکز دستگاه عبور می کند، جمع می شود. این نوار نقاله اصلی گل و لای را به یک سری نوار نقاله های دنباله دار یا ماشین های گل آلودی که روی ریل نصب شده اند منتقل می کند که آن را از طریق تونل به محور پرتاب می برند، جایی که به سطح بالا برده می شود و دور می شود. به طور متوسط، یک مترو TBM با اندازه متوسط ​​که در زمین های مختلط حفاری می کند، 300 تا 600 متر مکعب گل در روز تولید می کند - یک چالش لجستیکی مهم که به یک عملیات دفع سطحی برنامه ریزی شده نیاز دارد که موازی با تونل سازی باشد.

نصب پوشش تونل

بلافاصله در پشت سر برش، اکثر TBM های مدرن یک پوشش تونل دائمی را با پیشروی دستگاه نصب می کنند. رویکرد استاندارد از قطعات بتنی پیش ساخته استفاده می کند - معمولاً شش تا هشت بخش منحنی در هر حلقه، به علاوه یک بخش کوچکتر "کلید" - که توسط یک بازوی نصب کننده قطعه خودکار به موقعیت خود بلند می شوند و به یکدیگر پیچ می شوند یا واشر می شوند تا یک حلقه کامل را تشکیل دهند. هر حلقه در فضای ایجاد شده توسط آخرین ضربه رانش دستگاه نصب می شود و با پیشروی دستگاه به ضربه بعدی، حلقه تکمیل شده به پوسته ساختاری تونل دائمی تبدیل می شود. این نصب پوشش یکپارچه یکی از بزرگترین مزیت های کارایی TBM است: تونل اساساً در پشت دستگاه با پیشروی کامل است و به حداقل کار پیگیری نیاز دارد.

انواع اصلی ماشین های حفاری تونل و زمان استفاده از هر کدام

انتخاب نوع TBM یکی از حیاتی ترین تصمیمات مهندسی در هر پروژه تونل سازی است. نوع اشتباه ماشین برای شرایط زمینی که با آن مواجه می‌شوید می‌تواند منجر به پیشرفت آهسته، آسیب ماشین، نشست زمین یا در موارد شدید، ریزش تونل شود. خانواده های اصلی TBM عمدتاً با نحوه مدیریت زمین جلوتر از سر برش و کنترل فشار آب زیرزمینی متمایز می شوند:

TBM با چهره باز (Gripper) - بهترین برای هارد راک

TBM روباز یا گیره طرح اصلی TBM است و دستگاه انتخابی برای شرایط سنگ سخت پایدار است که در آن سطح تونل خود نگهدار است و فشار آب زیرزمینی قابل کنترل است. همانطور که از نام آن پیداست، سطح تونل باز است - هیچ سیستم پشتیبانی تحت فشاری بین سر برش و زمین حفاری وجود ندارد. این سادگی باعث می شود TBM های گیره در شرایط مناسب سریعتر و مقرون به صرفه تر شوند: بدون سیستم های فشار برای مدیریت، دسترسی تعمیر و نگهداری به سر برش آسان تر است، نرخ های پیشروی بالاتر است، و ماشین ها از نظر مکانیکی ساده تر هستند. آنها انتخاب استاندارد برای تونل های تامین آب، تونل های راه آهن، و پروژه های نیروگاه آبی در زمین های کوهستانی هستند - برنامه هایی که ماشین بیشتر زمان حرکت خود را در سنگ های مناسب صرف می کند. محدودیت به همان اندازه واضح است: در زمین های نرم، خاک های اشباع، یا شرایط مختلط، یک TBM با سطح باز نمی تواند به طور ایمن از سطح تونل پشتیبانی کند، و آن را برای پروژه های شهری که در آن نشست زمین به سازه های سطحی آسیب می رساند، نامناسب می کند.

تعادل فشار زمین (EPB) TBM - بهترین برای زمین نرم و تنظیمات شهری

TBM تعادل فشار زمین پرکاربردترین نوع ماشین برای مترو شهری و تونل سازی زیرساخت در سراسر جهان است. مشکل پشتیبانی زمین نرم را با پر کردن محفظه سر برش - فضای بین سر برش و صفحه دیوار پشت آن - با خاک حفاری شده که با استفاده از فوم، پلیمرها یا آب به قوام مناسب تنظیم شده است، برطرف می کند. این لجن شرطی شده در فشاری حفظ می شود که فشار زمین و آب زیرزمینی را در سطح تونل متعادل می کند و از فروپاشی صورت جلوگیری می کند و حرکت زمین را به حداقل می رساند. لجن تحت فشار از طریق یک نوار نقاله پیچی از محفظه استخراج می شود که سرعت حذف مواد را برای حفظ فشار سطح هدف کنترل می کند. TBM های EPB به ویژه در خاک های غنی از رس، خاک های شنی و زمین های مخلوط با فشار متوسط ​​آب زیرزمینی موثر هستند. آنها نوع ماشین غالب برای ساخت و ساز ریل مترو در شهرهایی مانند لندن، نیویورک، توکیو، پکن و تقریباً هر پروژه بزرگ تونل سازی شهری در 30 سال گذشته هستند.

سپر دوغاب (Mixshield) TBM - بهترین برای زمین های اشباع از آب و درشت

محافظ دوغاب TBM از دوغاب بنتونیت تحت فشار - مخلوط مایع آب و خاک رس - برای حمایت از سطح تونل به جای گل و لای مطبوع استفاده می کند. دوغاب محفظه سر برش را تحت فشار پر می کند و یک کیک فیلتر روی سطح تونل تشکیل می دهد که فشار نگهدارنده را به زمین منتقل می کند. مواد حفاری شده با دوغاب مخلوط می شوند و به عنوان یک سوسپانسیون مایع از طریق یک خط لوله دوغاب به بیرون از تونل پمپ می شوند، به یک کارخانه جداسازی سطحی منتقل می شوند که در آنجا مواد جامد حذف می شوند و دوغاب تمیز شده برای استفاده مجدد به دستگاه برگردانده می شود. این رویکرد مدار دوغابی پیچیده‌تر و گران‌تر از EPB است، اما در شرایطی که EPB با مشکل مواجه است برتری دارد: شن‌ها و ماسه‌های بسیار نفوذپذیر با فشار آب زیرزمینی بالا، زمین مخلوط با تخته سنگ‌ها و عبور از تونل‌های زیر آب. پروژه کراس ریل در لندن، تونل اورسوند بین دانمارک و سوئد، و تونل پل هنگ کنگ-ژوهای-ماکائو همگی از ماشین‌های سپر دوغاب برای چالش‌برانگیزترین بخش‌های زیر آب یا پرفشار آب خود استفاده کردند.

TBM های چند حالته - انعطاف پذیری برای زمین متغیر

دسته رو به رشد ماشین‌های حفاری تونل، TBM قابل تبدیل یا چند حالته هستند که برای جابجایی بین حالت‌های عملیاتی - معمولاً بین EPB و صفحه باز، یا بین EPB و سپر دوغاب - با تغییر شرایط زمین در امتداد تراز تونل طراحی شده‌اند. این ماشین‌ها پیچیده‌تر و گران‌تر از ماشین‌های تک حالته هستند، اما می‌توانند برای پروژه‌هایی که در آن تونل باید از زمین‌شناسی متفاوتی در طول خود عبور کند، ضروری هستند. یک سناریوی رایج، تونلی است که از خاک‌های نرم شهری شروع می‌شود، از یک لایه شنی حامل آب عبور می‌کند و سپس وارد صخره‌های شایسته می‌شود - توالی که هر ماشین تک حالته را به چالش می‌کشد. قابلیت چند حالته به یک دستگاه اجازه می دهد تا کل درایو را بدون گزینه غیرعملی استخراج و جایگزینی تونل میانی دستگاه تکمیل کند.

انواع TBM در یک نگاه: مقایسه کنار هم

عوامل کلیدی که تعیین می کنند TBM با چه سرعتی می تواند پیشرفت کند

نرخ پیش پرداخت - که بر حسب متر در روز یا در هر شیفت اندازه گیری می شود - معیار تولید اولیه برای هر پروژه تونل سازی TBM است و تأثیر زیادی بر هزینه و زمان پروژه دارد. با این حال، نرخ پیشروی صرفاً تابعی از قدرت یا اندازه دستگاه نیست. این نتیجه از تعامل چندین متغیر است که بسیاری از آنها خارج از کنترل تیم پروژه هستند:

• استحکام و سایندگی سنگ: در تونل زنی سنگ سخت، استحکام فشاری سنگ و سایندگی محتوای معدنی (به ویژه محتوای کوارتز) عوامل اصلی تعیین کننده نرخ نفوذ و عمر برش دیسک هستند. گرانیت بسیار سخت و ساینده می تواند عمر برش را به کمتر از 20 متر پیشروی در هر کاتر کاهش دهد، که نیاز به مداخلات مکرر سر برش دارد که به طور قابل توجهی نرخ پیشرفت خالص را کاهش می دهد. سنگ های نرم تر مانند سنگ آهک یا گچ، نرخ نفوذ بسیار بالاتر و عمر برش را طولانی تر می کنند.
• رفتار زمین و ثبات صورت: شرایط ناپایدار زمین - ماسه‌های جاری، خاک رس فشرده یا مناطق سنگی دارای گسل - می‌تواند به مداخلات، درمان زمین یا کاهش سرعت پیشروی برای مدیریت ایمن نیاز داشته باشد. در موارد شدید، TBM ممکن است به دام افتاده یا در زمین فشرده شود، سناریویی که ممکن است هفته ها یا ماه ها طول بکشد تا حل شود و یکی از پرهزینه ترین خطرات در تونل سازی TBM است.
• ظرفیت جابجایی لجن: سیستم دفع گل و لای سطحی باید با خروجی حفاری دستگاه مطابقت داشته باشد. یک گلوگاه در حمل و نقل گل و لای - چه از طریق محدودیت ظرفیت نوار نقاله، کمبود واگن ریلی یا تدارکات دفع سطحی - مستقیماً نرخ پیشروی قابل دستیابی دستگاه را بدون توجه به اینکه چقدر خوب برش می دهد، کاهش می دهد.
• زمان تامین و نصب قطعه: هر حلقه از پوشش تونل باید به دستگاه تحویل داده شود و قبل از شروع ضربه رانش بعدی نصب شود. تأخیر در تحویل بخش، چرخه جرثقیل در محور پرتاب، یا مشکلات کیفی در خود بخش‌ها، همگی نرخ پیشروی خالص را کاهش می‌دهند. پروژه های TBM با عملکرد بالا سرمایه گذاری زیادی در بهینه سازی زنجیره لجستیک بخش می کنند.
• تعمیر و نگهداری و خرابی: TBM ها به صورت شبانه روزی در شیفت های متعدد کار می کنند، اما نیاز به مداخلات تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده دارند - بازرسی سر برش، تغییر برش، روغن کاری، بررسی سیستم - که باید در برنامه تولید لحاظ شود. خرابی برنامه ریزی نشده برای خرابی های مکانیکی متغیر اصلی است که درایوهای TBM با عملکرد خوب را از درایوهای مشکل دار جدا می کند.

کاربردهای عمده ماشین های حفاری تونل در سراسر جهان

ماشین های حفاری تونل در هر قاره (به استثنای قطب جنوب) و در طیف فوق العاده ای از انواع کاربردها در حال کار هستند. مقیاس و تنوع پروژه های TBM در دهه های اخیر منعکس کننده تقاضای رو به رشد برای زیرساخت های زیرزمینی و بلوغ فزاینده فناوری TBM برای پاسخگویی به شرایط چالش برانگیز است.

مترو شهری و تونل های حمل و نقل سریع

بزرگ‌ترین دسته استفاده از TBM در سراسر جهان، تونل‌سازی ریلی متروی شهری است. هر توسعه بزرگ مترو در جهان - از خط الیزابت لندن (Crossrail) گرفته تا شبکه متروی پکن که دائماً در حال گسترش است، از تونل متروی سیدنی تا سیستم جدید متروی ریاض - در درجه اول به ماشین‌های حفاری تونل EPB برای ساخت تونل‌های دوقلو در حال حرکت بین ایستگاه‌ها متکی است. پروژه الیزابت لاین به تنهایی از هشت TBM استفاده کرد که بیش از 42 کیلومتر تونل جدید را در زیر یکی از متراکم‌ترین شهرهای جهان حفاری می‌کردند، با نشست‌های سطحی در بسیاری از مناطق کمتر از 5 میلی‌متر. این سطح از کنترل به سادگی با هیچ روش حفاری دیگری قابل دستیابی نیست.

بزرگراه و تونل جاده

تونل‌سازی جاده‌ای به‌طور فزاینده‌ای از TBM‌هایی با قطر بزرگ استفاده می‌کند که قادر به حفاری تونل‌هایی به اندازه کافی بزرگ برای حمل دو تا چهار خط ترافیک در یک حفره هستند. تونل جایگزینی SR 99 Alaskan Way Viaduct در سیاتل که در سال 2019 تکمیل شد، از برتا - در آن زمان بزرگترین TBM جهان با قطر 17.5 متر - برای حفر یک تونل بزرگراه دو سطحی در زیر مرکز شهر استفاده کرد. TBM های جاده ای باید مقاطع بسیار بزرگ تری را نسبت به تونل های مترو حفاری کنند، که به نیروهای رانش به طور قابل توجهی بالاتر، سر برش های بزرگتر و سیستم های محرک قوی تر نیاز دارد. قطعات بتنی پیش ساخته برای تونل های جاده ای بزرگ می توانند هر کدام 10 تا 15 تن وزن داشته باشند و به تجهیزات بالابر و نصب در دستگاه نیاز دارند.

تونل های آبرسانی، فاضلاب و آبرسانی

تونل های زیرساخت آب یکی از قدیمی ترین و سازگارترین مناطق کاربردی برای TBM ها هستند. تونل های تامین آب در عمق صخره ای - که در عمق 50 تا 200 متری از طریق سنگ بستر مناسب حفاری می شوند - به شهرها اجازه می دهند آب را در فواصل طولانی بدون اختلال در ترانشه های سطحی جابجا کنند. تونل Tideway لندن، یک تونل 25 کیلومتری سرریز فاضلاب ترکیبی که در حال حاضر در زیر رودخانه تیمز قرار دارد، از سه TBM برای سوراخ کردن گچ و خاک رس تا عمق 65 متری استفاده می کند. پروژه تونل عمیق شیکاگو، یکی از بزرگترین سیستم های تونلی ساخته شده تاکنون، از TBM برای حفر بیش از 175 کیلومتر تونل برای ذخیره سازی سرریز فاضلاب و کنترل سیل استفاده کرد. در قطرهای کوچک‌تر، ماشین‌های میکروتونل زنی - که اساساً TBM‌های کوچک‌سازی شده از راه دور بدون کارگران در داخل کار می‌کنند - لوله‌ها و مجاری تاسیساتی را در مناطق شهری بدون ترانشه‌های باز نصب می‌کنند.

تونل های ریلی و ریلی پرسرعت

تونل‌های راه‌آهن راه‌آهن از میان رشته‌های کوهستانی، برخی از چالش‌برانگیزترین و مشهورترین پروژه‌های TBM در تاریخ را نشان می‌دهند. تونل پایه گوتارد در سوئیس - طولانی ترین تونل راه آهن جهان با 57 کیلومتر - در سال 2016 پس از 17 سال ساخت و ساز با استفاده از چندین TBM که باید از پیچیدگی کامل زمین شناسی آلپ سوئیس، از جمله گرانیت سخت، شیست و مناطق گسلی متعدد عبور می کرد، تکمیل شد. تونل مانش که انگلیس و فرانسه را به هم متصل می کند از 11 TBM برای حفر سه تونل (دو تونل جاری و یک تونل خدماتی) در زیر کانال انگلیسی استفاده می کند. پروژه های در حال انجام مانند خط مغناطیسی چو شینکانسن ژاپن شامل تونل هایی است که بیش از 25 کیلومتر از زمین شناسی کوهستانی دشوار امتداد می یابد و فناوری TBM را به سمت مرزهای جدید سوق می دهد.

هزینه واقعی پروژه های ماشین حفاری تونل: چه چیزی اعداد را هدایت می کند

تونل زنی TBM گران است - اغلب فوق العاده است - و درک اینکه چه چیزی باعث این هزینه می شود به صاحبان پروژه و مهندسان کمک می کند تا تصمیمات آگاهانه ای در مورد اینکه چه زمانی تونل TBM در مقابل جایگزین هایی مانند برش و پوشش یا ساخت مته و انفجار انتخاب مناسبی است، بگیرند.

هزینه های معمول تونل TBM در کشورهای توسعه یافته از 50 میلیون دلار تا 300 میلیون دلار در هر کیلومتر برای تونل های مترو، با تنوع قابل توجهی بر اساس قطر، زمین شناسی، پیچیدگی شهری، و هزینه های نیروی کار و مواد خاص کشور متغیر است. این ارقام بالا هستند – اما باید با هزینه کامل گزینه‌ها، از جمله هزینه خرابی سطح، اثرات دارایی، و حق بیمه‌ای که برای ساخت زیرساخت‌های عمیقی که فضای سطح کمیاب یک شهر مدرن را مصرف نمی‌کند، مقایسه شود.

بررسی ژئوتکنیکی: چرا دانش زمین همه چیز در تونل TBM است

هیچ عاملی به اندازه کیفیت بررسی ژئوتکنیکی انجام شده قبل از انتخاب ماشین، بر موفقیت یا شکست پروژه TBM تأثیر بیشتری ندارد. زمین محیط TBM است و شگفتی‌های موجود در زمین - گسل‌های غیرمنتظره، تغییرات ناگهانی فشار آب، تخته‌سنگ‌ها در خاک نرم دیگر، یا وضعیت‌های مختلط قابل جمع شدن - علت اصلی تأخیرهای اصلی پروژه TBM، افزایش هزینه‌ها، و حوادث ایمنی هستند.

یک بررسی جامع ژئوتکنیکی برای یک تونل TBM معمولاً شامل حفاری گمانه در فواصل منظم در امتداد تراز (اغلب هر 50 تا 100 متر برای پروژه‌های شهری)، آزمایش آزمایشگاهی نمونه‌های سنگ و خاک برای استحکام، سایندگی، نفوذپذیری و سایر ویژگی‌ها، پایش فشار آب زیرزمینی، و بررسی‌های ژئوفیزیکی بین موانع یا حفره‌ها برای شناسایی، است. گمانه ها علیرغم هزینه - یک برنامه تحقیقات ژئوتکنیکی کامل می تواند 1 تا 3٪ از کل هزینه پروژه را نشان دهد - مهندسان مجرب تونل زنی به طور جهانی آن را به عنوان بهترین پولی که برای یک پروژه TBM خرج می شود، می دانند. هر دلاری که در تحقیقات زمینی قبل از ساخت و ساز سرمایه گذاری می شود، معمولاً ده دلار یا بیشتر ارزش دارد که در ادعاها و تاخیرهای اجتناب شده در طول ساخت و ساز صرفه جویی می شود.

گزارش پایه ژئوتکنیکی (GBR) - سندی که شرایط مرجع قراردادی را برای رفتار زمین که انتخاب و قیمت گذاری TBM پیمانکار بر اساس آن است، تعیین می کند - یکی از مهم ترین اسناد قرارداد در هر پروژه TBM است. شرایطی که از خط پایه فراتر می رود مکانیسم های تقسیم ریسک قراردادی را بین مالک و پیمانکار راه اندازی می کند. به دست آوردن خط مبنا، بر اساس تحقیقات کامل، برای یک پروژه منصفانه و موفق اساسی است.

نوآوری هایی که آینده ماشین های حفاری تونل را شکل می دهند

فناوری TBM از زمان اولین ماشین‌های موفق در دهه‌های 1950 و 1960 پیشرفت چشمگیری داشته است و سرعت نوآوری به جای کاهش سرعت در حال افزایش است. چندین منطقه در حال توسعه احتمالاً نسل بعدی ماشین‌های حفاری تونل را تعریف می‌کنند:

• نظارت بر سر برش در زمان واقعی و نگهداری پیش بینی شده: TBM های مدرن در حال حاضر صدها حسگر را برای نظارت بر لرزش، گشتاور، رانش، دما و فشار زمین در زمان واقعی حمل می کنند. گام بعدی ادغام هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی برای پیش‌بینی فرسودگی و خرابی دستگاه قبل از وقوع است، که اجازه می‌دهد مداخلات تعمیر و نگهداری به جای واکنش‌پذیر برنامه‌ریزی شود. این پتانسیل بهبود چشمگیر در دسترس بودن دستگاه و نرخ های پیشبرد را با کاهش زمان توقف برنامه ریزی نشده دارد.
• TBM های مستقل و از راه دور: در حالی که اتوماسیون کامل تونل زنی TBM یک هدف بلند مدت باقی مانده است، گام های مهمی به سمت اتوماسیون بیشتر در حال انجام است. نصب‌کننده‌های سگمنت خودکار، سیستم‌های هدایت مبتنی بر GPS، و مدیریت رانش نیمه مستقل اکنون در ماشین‌های پیشرفته استاندارد هستند. چندین تولید کننده در حال توسعه ماشین هایی هستند که قادر به کارکرد طولانی با کمترین مداخله اپراتور، کاهش نیروی کار مورد نیاز در داخل تونل و بهبود ایمنی هستند.
• تکنولوژی های جایگزین برش: برش های دیسک معمولی در توانایی آنها برای نفوذ موثر به سخت ترین انواع سنگ ها محدود است. تحقیقات در زمینه لیزر، مایکروویو، پلاسما و جت آب پرفشار پیش‌تهویه سنگ در جلوی سر برش، با هدف کاهش انرژی مورد نیاز برای حفاری و گسترش دامنه شرایط زمینی که TBM‌ها می‌توانند اقتصادی عمل کنند، ادامه دارد.
• مقاطع TBM غیر دایره ای: TBM های استاندارد تونل های دایره ای تولید می کنند، اما بسیاری از برنامه های زیرساختی - به ویژه تونل های جاده ای و گالری های کاربردی ترکیبی - از سطح مقطع مستطیلی یا نعل اسبی بهره می برند که از فضای موجود به طور موثرتری استفاده می کنند. چندین TBM غیر دایره‌ای آزمایشی در ژاپن و چین توسعه و آزمایش شده‌اند، و در حالی که این فناوری هنوز جریان اصلی نیست، یک مرز مهم برای صنعت است.
• تونل زنی مداوم بدون وقفه حلقه به حلقه: چرخه فعلی توقف-شروع پیشروی TBM (ضربه رانش، سپس توقف برای نصب حلقه قطعه، سپس از سرگیری) نرخ پیشروی خالص دستگاه را معمولاً به 50 تا 70 درصد حداکثر تئوری محدود می کند. تحقیقات در مورد سیستم های تونل زنی پیوسته - که در آن بخش ها به طور همزمان با پیشروی ماشین نصب می شوند و نه متناوب - این پتانسیل را دارد که به طور چشمگیری بهره وری را بهبود بخشد، اگرچه چالش های مهندسی قابل توجه هستند.