Кои фактори трябва да се имат предвид при избора на тунелна буряща машина за проект?

Геоложки и геотехнически условия, влияещи върху избора на тонелни сондиращи машини

Оценка на състава на почвата, скалите и устойчивостта на терена

Тонелните пробивни машини (TBMs) изискват прецизна геоложка съвместимост, за да работят ефективно. Проучване от 2023 г. в Научни доклади установи, че 70% от прекъсванията в работата на TBM се дължат на геоложка несъвместимост, особено в смесени почвени среди. Основните аспекти включват:

• Абразивни скални слоеве които причиняват 3 пъти по-бързо износване на резачния диск в сравнение с меки почви
• Формации, богати на глина които изискват увеличена въртяща сила, за да се предотврати спиране на машината
• Нарушени зони изискващи коригиране на реално време на подпорната система, за да се избегнат обвали

Оценка на налягането на подпочвените води и зоните на разломи

Налягането на подпочвените води, надвишаващо 5 бара, може да компрометира цялостта на тунела, докато зоните на разломи увеличават риска от обвали с 40%. Съвременните ТБМ включват:

• Хипербарни сензори за незабавно откриване на проникване на вода
• Системи за инжектиране, активирани при прагове на диференциално налягане от 3 бара
• Сейсмични предварителни модули за картиране на линиите на разломи в радиус до 15 метра от тонела

Примерно проучване: Адаптиране на ТБМ към сложна геология в основния тунел Готхард

Проектът Готхард се сблъсква с 73 различни геоложки интерфейса, включително:

1. Мета-седиментни скали секции, изискващи капацитет на тласка от 450 kN
2. Зони на фреатични води управлявани чрез двустепенна система за осушаване
3. Зони на изрязване предотвратени чрез модулни сегментни облицовъчни системи

Тази адаптация намали геологичните закъснения с 62% в сравнение с конвенционалните методи, което показва ключовата роля на задълбоченото геотехническо проучване при избора на сондажна машина за тунели.

Съпоставяне на типовете сондажни машини за тунели със състоянието на почвата

Изборът на оптимална сондажна машина за тунели (СМТ) изисква съгласуване на възможностите на машината с подпочвените предизвикателства.

СМТ с електрическо уплътнение, сламови и СМТ за твърди скали: Избор въз основа на геологията

Машините за пробиване на тунели с балансирано налягане на земния натиск (EPB) дават най-добри резултати в меки почви и градски условия, където използват компресирани земни материали, за да осигурят стабилност на тунелните стени и да минимизират движението на повърхността. При наситени почвени условия се използват машини с шламов щит, тъй като те смесват бентонитова глина с вода, за да създадат шлам, който уравновесява подпочвеното налягане отдолу. TBMs за твърди скали, оборудвани с дискови резци, могат да постигнат добър напредък през масивни скални формации – около 15 до може би дори 30 метра на ден, в зависимост от качеството на скалата. Според скорошно проучване, публикувано през 2022 г., когато инженерите изберат неподходящ тип машина за конкретните геоложки условия, проектите често закъсняват с приблизително две трети повече от очакваното. Това подчертава колко е важно истински да се разбере какво се намира под земята, преди да започне земните работи.

Мултимодални ТБМ за променливи и хетерогенни почвени условия

Съвременните хибридни тонелни проходчи машини комбинират технологиите EPB и слама, което им позволява да работят с различни видове скали, без да спират целия проект. За пример може да се вземе достъпният тонел „Готхард“. Там инженерите използваха машина, която можеше да превключва режими многократно по време на изкопните работи. Конкретно, тя е променяла настройките около 14 отделни пъти, докато работела в пластове варовик, смесени с по-меки слоеве марен. Тези машини са оборудвани със сензори, които постоянно следят какво се случва под земята. Когато открият промени в почвата пред тях, системата автоматично регулира параметри като въртящ момент и напор. Това доведе до намаляване с около 40% на непредвидените спирания при работа в трудни условия със смесени скални лица. Друго голямо предимство идва от модулните конструкции на рязещите глави. Вместо да отнемат седмици за смяна на инструменти при различни скални формации, екипажите сега могат да извършват тези промени за около два дни, което прави голяма разлика за спазването на графиките на проектите.

Размери на тунела, подравняване и изисквания за производителността на машината

Влияние на дълбочината, диаметъра и подравняването на тунела върху избора на TBM

Дълбочината, до която минава един тунел, определя налягането от почвата, което изпитва, което означава, че проходните машини се нуждаят от изключително здрава конструкция, за да издържат на налягания над 5 бара при копаене наистина дълбоко под земята. Има значение и размерът. Големите машини с диаметър над 12 метра обикновено работят най-добре със системи за балансиране на налягането на почвата в градски среди, където не искаме сградите да потъват. По-малките машини с диаметър под 6 метра могат да използват технологии за насочено копаене за по-точно позициониране. Когато тунелите завиват или вървят право нагоре/надолу, операторите се нуждаят от машини, които могат значително да се огъват и усукват – възможност за завиване около 8 градуса им помага да преодоляват тези сложни промени в нивото без разпадане. Наскорошни проучвания на правоъгълни форми на краищата на тунели показаха нещо интересно. Ако височината е повече от 1,5 пъти по-голяма от широчината, вероятността от проблеми с нестабилност е с около 34% по-висока. Това обяснява защо инженерите прекарват толкова много време в проектирането на режещи глави, които отговарят на конкретните тунелни трасета.

Оптимизация на мощността, тягата и скоростта на напредване за ефективност на проекта

Съвременните тонелни пробивни машини имат нужда от тласкова сила между 2500 и 6000 килонютона, за да поддържат устойчиво напредване със скорост около 15 до 35 милиметра в минута при работа в смесени геоложки условия. Енергийните системи трябва да бъдат проектирани съобразно въртящия момент на режещата глава, който обикновено варира между 3 и 15 меганютон метра. При работа в твърди скални формации дисковите резци обикновено се въртят с около 5 до 6 оборота в минута, задвижвани от електродвигатели с мощност 350 киловата. Положението се променя значително при машини за балансиране на налягане в почвата, работещи в по-меки почви. Тези машини се фокусират предимно върху процеса за отстраняване на изкопания материал и затова разчитат силно на въртящия момент на своите шнекови транспортьори, като обикновено се нуждаят от 120 до 250 килонютон метра. Интересни резултати от изследвания през 2015 година в областта на тонелиране в меки почви показаха, че правенето на корекции в реално време на тласковото налягане може да намали наполовина грешките в посоката на пробиване в сравнение с използването на фиксирани настройки на налягане. Операторите на тонели винаги следват тънка граница между желаната скорост на напредване и продължителността на живот на инструментите. Нови изследвания от 2022 година показват, че просто понижаването на оборотите с 20% може всъщност да удвои живота на резците при работа в много абразивни гранитни формации.

Интеграция на технологии и оперативна ефективност при съвременните тонелни борове

Съвременните тонелни борове (ТБ) вече разполагат с автоматизация и насочващи системи с помощта на изкуствен интелект които оптимизират точността на изкопните работи, като в същото време намаляват човешката грешка. Вградени инструменти за наблюдение в реално време анализират геоложки данни, за да регулират динамично въртящия момент на резачния диск и тласкащите сили, осигурявайки прецизност в подравняването в рамките на ±10 мм дори при нестабилни пластове.

Автоматизация, насочващи системи с помощта на изкуствен интелект и системи за наблюдение в реално време

Съвременните системи с изкуствен интелект могат да обработват над 500 показания от сензори всяка секунда, което им позволява да прогнозират поведението на почвата и да коригират параметрите на буренето съответно. Това всъщност е намалило неочакваните спирания с около една четвърт при големи проекти като строителството на тунела Готард Бейз. Когато става въпрос за управлението на шлам, автоматизацията поддържа балансирано налягане, което помага за предотвратяване на срутвания при работа във влажни почвени условия. Системите за мониторинг в реално време също са доказали своята ефективност, като са намалили проблемите с филтрирането на вода с около 40 процента в сравнение със старомодните ръчни методи. И нека не забравяме функциите за предиктивно поддръжване, които удължават живота на оборудването, увеличавайки срока на живот на части с около 30% според полеви доклади на няколко инженерни фирми.

Дистанционни диагностични и системи за контрол за подобрена производителност

Централизирани командни центрове сега позволяват дистанционно управляване на TBM с използване на диагностика чрез IoT. Например, алгоритми за анализ на вибрации засичат износване на лагери 50 часа преди повреда, което позволява превантивен ремонт. През 2024 г. пилотен проект с използване на системи за дистанционно ръководство постигна 98% работно време при градски тръбопроводни инсталации, като оптимизира смяната на резци и отстраняването на отпадъци.

Тези постижения съкращават графиките на проекти с 20–30%, като едновременно намаляват разходите за труд и инцидентите, свързани с безопасността.

Обща стойност на притежание, поддръжка и адаптивност на работната сила

Разходи през жизнения цикъл, нужди от поддръжка и достъпност при ремонт

Общата стойност на притежание (TCO) на машина за пробиване на тунели надхвърля значително първоначалната цена, като разходите за експлоатация и поддръжка (O&M) представляват 45–60% от разходите през целия живот. Това включва:

• Периодично поддържане : Проверки на рязещия диск ($12 000 – $18 000 на интервал) и смяна на уплътненията ($740 000 – $2,1 млн. годишно), за да се предотвратят катастрофални повреди
• Необичайни ремонти : Смяна на износени части при абразивни скални условия, което струва до 30% от годовия бюджет на проекта
• Влияние на простоите : Забавяния от 1–2 седмици вследствие на повреди в лагерите намаляват ефективността на тунелирането с 18–22%

Достъпността при ремонт определя 25% от разходите за поддръжка в ограничени работни пространства. Модулните конструкции със стандартизирани компоненти съкращават времето за смяна на компоненти с 40% в сравнение с персонализирани системи.

Обучение на оператори, функции за безопасност и съответствие с местните разпоредби

Квалифицираните оператори увеличават скоростта на напредване с 15%, като едновременно намалят износването на режещите инструменти с 28%. Задължителните сертификати изискват:

• 120–180 часа обучение на симулатор за работа с ТБМ в меки грунтове
• Седмични учения по безопасност, включващи гасене на пожари и аварийна евакуация
• Съответствие с регионални стандарти като протоколите на OSHA за достъп до затворени пространства (29 CFR 1926.800)

Съвременните машини за пробиване на тунели интегрират системи за избягване на сблъсъци (с 25% по-малко инциденти) и автоматизирано следене на газовете, за да отговарят на актуализациите на Директивата на ЕС за машини от 2023 г. Проект от 2023 г. в Централна Европа показа, че адаптивните програми за обучение намаляват неплановите прекъсвания с 30% чрез анализ на производителността в реално време.

ЧЗВ

Какви са ключовите фактори, които влияят върху избора на проникваща тунелна машина (TBM)?

Ключови фактори включват геоложка съвместимост, като например състава на скалите, типа на почвата, устойчивостта на терена, налягането на подпочвените води и наличието на зони на разломи, които могат да повлияят на ефективността на машината и общия успех на проекта.

Как съвременните ТБМ се справят с променливите условия на почвата?

Съвременните тонелни пробивни машини, особено хибридните модели, комбинират технологиите за балансиране на налягане на почвата (EPB) и сламови системи, за да се адаптират към различни типове скали, като използват сензори в реално време за наблюдение и автоматични корекции.

Защо интеграцията на технологии е важна при ТБМ?

Интеграцията на технологии, като системи за насочване с помощта на изкуствен интелект и мониторинг в реално време, подобрява точността при пробиването, намалява човешките грешки и повишава общата оперативна ефективност чрез динамично настройване на параметрите на пробивната глава за прецизно подравняване.

Какво обучение е необходимо за операторите на ТБМ?

На операторите обикновено се налага да преминат 120–180 часа симулаторно обучение, да участват в седмични учения по безопасност и да спазват регионалните стандарти за безопасност, като протоколите на OSHA за достъп до затворени пространства, за да се осигури ефективна и безопасна работа с TBM.