Какво прави машината за профилно бурене (TBM) по-бърза от метода „бурене и взривяване“ в твърди скали?

Когато инженерите и мениджърите на проекти оценяват методите за профилно бурене в среда от твърди скали, скоростта почти винаги е в центъра на дебата. Въпросът не е просто кой метод е по-модерен, а кой осигурява измерими предимства по отношение на скоростта на напредване, икономическа ефективност и общия график на проекта. Тунелен бурег машината за профилно бурене (TBM) е доказала своята ефективност през десетилетията на развитие на инфраструктурата като принципно различен подход за разбиване и отстраняване на скални маси — подход, който е проектиран около непрекъснатост, механизирана сила и прецизна геометрия, а не около цикличното разрушение, което характеризира конвенционалните операции по метода „бурене и взривяване“.

Разбирането на това, което дава на машината TBM предимство по скорост при проходка в твърда скала, изисква анализ на всеки етап от цикъла на проходката — как се разрушава скалата, как се отстранява изкопаният материал (отпадъците), как се монтира подпората и как тези дейности са взаимно свързани при непрекъснатата механична работа. При метода „сверли и взривявай“ тези стъпки се извършват последователно, като между тях има задължителни периоди на простостване. Напротив, машината TBM интегрира повечето от тези функции в една единствена система, която се движи напред и рядко спира. Тази архитектурна разлика в работния процес е основата на всяко сравнение на ефективността между двата метода при условия на компетентна твърда скала.

Непрекъснатият рязан цикъл срещу метода на взривяване с промеждутъци

Как машината TBM елиминира мъртвото време

При традиционното пробиване и взривяване на тунел работният цикъл по своята същност е фрагментиран. Работниците пробиват шаблон от взривни дупки, зареждат ги с експлозивни заряди, извършват взрива, след което чакат отпадането на газовете, влизат отново, за да извършат инспекция, отстраняват нестабилни скални маси и най-накрая изваждат разбития материал. Едва след всичко това се монтира подкрепата на почвата, преди цикълът да се повтори. Всеки пълен цикъл обикновено напредва забоя с едно до четири метра, а непродуктивните фази на изчакване могат да отнемат време, равно на това на продуктивните фази.

Машината TBM елиминира по-голямата част от това мъртво време чрез механична конструкция. Въртящата се резачна глава прилага контролирана тласкова сила, за да притисне дисковите резачи към скалната повърхност, като създава напречни пукнатини, които откъртват и отронват скалата в непрекъснат процес. Докато резачната глава се върти, изкопаните материали незабавно падат върху конвейер, интегриран в корпуса на машината, и се транспортират назад към повърхността или до място за отстраняване. Машината TBM не е необходимо да спира за проветряване след всеки цикъл на напредване, тъй като няма експлозивно детониране, което генерира токсични газове.

Тази непрекъснатост на операцията директно се отразява в по-високите средни скорости на напредване. Докато екип за пробиване и взривяване може да постигне десет до петнадесет метра на ден в твърда скала при благоприятни условия, добре подбрана машина за тунелно бурене (TBM), работеща в същата скална формация, може да постигне скорости на напредване от двадесет до петдесет метра на ден или повече, в зависимост от якостта на скалата, нейната абразивност и конфигурацията на оборудването. Елиминирането на цикличното просто стояне е единственият най-влиятелен фактор, който обяснява тази разлика.

Въртяща сила и ефективност на скалното дробене

Дисковите резачи, монтирани на резачната глава на машина за профилно бурене (TBM), са проектирани така, че да използват естествената крехкост на твърдата скала под концентрирано натоварване. Докато всяка дискова резача се търкаля по повърхността на скалата под високо тласково усилие — обикновено в диапазона от 150 до 300 килонютона на резача — тя инициира микропукнатини, които се разпространяват латерално между съседните следи от резачите. Скалата се отделя в клиновидни фрагменти, наречени „чипове“ или „резки“. Този механизъм на разпространение на пукнатини е енергийно ефективен, тъй като използва собствената ослабена зона на скалата при опън, а не я противодейства.

Експлозивите при бушене и взривяване трябва едновременно да преодолеят както компресионното, така и тензионното съпротивление, като значителна част от енергията се разсейва в земни вибрации, въздушни вълни и топлина, а не в продуктивно раздробяване на скалата. Машината за тунелно бурене (TBM) концентрира механичната енергия точно в зоната на контакт между резачките и скалата, което означава, че далеч по-голяма част от входящата енергия води до полезно изкопаване. При много твърди, масивни скали с неподкрепена компресионна якост над 150 MPa дисковият режещ механизъм на машината TBM действа по-ефективно в сравнение с взривяването, тъй като крехкостта и хомогенната микроструктура на скалата подпомагат ефикасно разпространение на пукнатините по цялата лицева повърхност.

Интегрирана система за обработка на изкопаната скала и монтаж на подпори

Конструкция на задната система и непрекъснат поток на материали

Предимството в скоростта на тунелна пробивна машина (TBM) не идва само от резачната глава. Равно важен принос има интеграцията на системата за премахване на изкопаната скална маса в собственото тяло на машината. Веднага щом скалата се разбие в лицевата част, скреберите и кофите на резачната глава събират отпадъците и ги поставят върху вътрешна конвейерна лента. Тази лента непрекъснато премества материала към задната част на машината, където се свързва със следваща конвейерна система или с релсови вагонетки за изкопана маса, които транспортират материала до повърхността.

При тунелиране с бурене и взривяване изваждането на отпадъчната скална маса (мъкънг) изисква отделни товарни машини и транспортно оборудване, които трябва да имат директен достъп до лицевата част. Преди взривяването лицевата част трябва да бъде изчистена от персонал и оборудване, а след потвърждаване на безопасността на средата транспортното оборудване трябва да влезе отново. Тази последователна логика означава, че мъкънгът не може да започне, преди взривяването да приключи, а буренето не може да продължи, докато мъкънгът не бъде завършен. Машината за тунелиране с щит (TBM) обединява тези етапи в едновременни процеси — изкопаването и транспортирането на отпадъчната скална маса протичат едновременно и в непрекъснато движение.

Този интегриран подход също значително намалява физическата тежест върху работниците. Екипът, управляващ машината TBM, управлява механизирана система, а не работи с множество независими единици оборудване, които трябва да бъдат координирани помежду си. За всеки метър напредък са необходими по-малко хора, а физическата работна среда е по-контролирана, което намалява загубеното време поради инциденти, свързани с безопасността, или забавяния, причинени от човешката координация.

Монтиране на подпора на почвата без спиране на изкопаването

При проходка на твърд скален масив с щитова ТБМ-машина монтажът на подкрепата на почвата се извършва в защитената зона непосредствено зад щита на резачната глава, докато проходката продължава в лицевата част. Предварително изработените бетонни сегментни пръстени се монтират от автоматизирана монтираща ръка в опашната част на машината, докато резачната глава напредва. Тази паралелна дейност е едно от най-силните структурни предимства на ТБМ-машината спрямо метода „сверли и взривявай“ по отношение на компресия на графика.

Тунелите, проходени чрез метода „сверли и взривявай“ в твърд скален масив, може да изискват системно монтиране на скални анкери, поставяне на мрежа от стоманена жица и нанасяне на торкрет бетон след всяка серия взривове. Тези задачи се изпълняват от работници с ръчно или механизирано оборудване, но не могат да се извършват по време на взривяване или докато газовете от взрива още са присъстващи в главния профил. ТБМ-машината ефективно отстранява това ограничение, като физически разделя зоната за монтаж на подкрепа от активната зона на рязане чрез самата дължина на машината.

Резултатът е, че машината TBM може да поддържа почти непрекъснато напредване дори при скални условия, които биха изисквали инсталиране на плътна подпора. Работата по подпората не намалява времето за изкопаване; тя се извършва паралелно, което гарантира, че цикълното време на машината отразява скоростта на изкопаване, а не комбиниран график на изкопаване и подпора.

Пригодност за скални условия и предсказуемост на производителността

Защо твърдите скали благоприятстват производителността на машината TBM

Съществува разпространено предположение, че по-твърдите скали са по-трудни за обработка с машина TBM, но връзката е по-тонка. Компетентните твърди скали — т.е. скали, които са здрави, непрекъснати и свободни от големи разломни зони — всъщност осигуряват идеални условия за постигане на най-високите темпове на напредване от страна на машината TBM. Еднородността на скалния масив позволява резците да работят при почти оптимални параметри, без внезапни промени в натоварването, причинени от празнини, глинести вмеждания или непредсказуеми системи от пукнатини.

Буренето и взривяването, макар и адаптивно към променливи геоложки условия, не осигурява пропорционално предимство по отношение на скоростта при по-твърди скали. По-твърдите скали изискват по-дълги периоди на бурене, по-високи заряди експлозиви и често по-внимателно отстраняване на откъснатите скални маси след взривяването, което общо удължава цикъла на работа. Производителността на тунелната пробивна машина (TBM) се подобрява по-благоприятно с нарастване на якостта на скалата, тъй като по-твърдите и по-крехки скали обикновено се разрушават по-ефективно под натоварването на дисковите резачи. Проектите в гранит, базалт, кварцит и подобни формации последователно са демонстрирали напредъчни скорости на TBM машините, които надминават сроковете за бурене и взривяване със значителна разлика.

Постоянство на напредъчната скорост при дълги проходи

Един от най-стратегически важните предимства на машината TBM при пробиване в твърда скала е предсказуемостта на скоростта ѝ на напредване. Планиращите специалисти и съставителите на договорни графици могат да прогнозират производителността на машината със значима точност въз основа на данните за характеризиране на скалата, получени при изследването на площадката. Тази предсказуемост е ценна за управлението на договорите, планирането на ресурсите, координацията на логистиката и финансирането.

Графиците за бурене и взривяване в твърда скала по своята същност са по-променливи. Само едно неочаквано срещане със зоната на разлом, по-твърда леща от абразивна скала или нестабилни условия на надмърно разрушаване може значително да удължи графика на проекта. Машината TBM не е имунна към геоложки изненади, но нейният механизиран характер позволява по-системни и контролирани реакции, а нейните системи за събиране на данни могат да предоставят информация в реално време относно променящите се условия на почвата пред фронта на прохода.

При дълги тунелни проходи — особено при такива с дължина над три до пет километра — натрупаният предимство по скорост на машина за тунелиране с щит (TBM) става решаващ. Времето, загубено за мобилизиране, и относително по-високата капиталистична стойност на машината се разпределят върху общата дължина на прохода, а постоянното ежедневно напредване напълно компенсира първоначалната разлика в инвестиции спрямо метода „сверли и взривявай“.

Работна сила, безопасност и интеграция в графика

Намалено човешко излагане на опасни условия

Предимството по скорост на машината TBM не е чисто механично — то произтича също така от изключването на работниците от най-опасните части на процеса на тунелиране. При тунелиране по метода „сверли и взривявай“ работниците трябва да имат физически достъп до лицевата повърхност многократно през всеки цикъл: за сверлене, зареждане, отстраняване на откъснати скални парчета и монтиране на подкрепа. Всяко посещение на лицевата повърхност носи риск, а инциденти, свързани с безопасността — дори и най-малките — водят до загуба на време, която се натрупва през целия срок на проекта.

Машината TBM поддържа повечето от работната сила в контролирани среди вътре в корпуса на машината или в добре установената зона зад задното оборудване. Автоматизираните резачна глава и транспортни системи извършват най-опасната работа в непосредствена близост до свежата скала. Тази философия на проектиране намалява честотата на инцидентите, което директно гарантира запазването на график-плановете. Проектите, които избягват спиране на работата поради причини, свързани с безопасността, по-надеждно изпълняват прогнозираните си темпове на напредък в сравнение с проектите, при които се наблюдават повторящи се инциденти на забоя.

Паралелен работен процес и използване на екипи

Проектът с машина TBM позволява паралелни работни процеси, които методите на пробиване и взривяване не могат да осигурят. Докато машината напредва, екипите на повърхността или в задната секция могат да извършват поддръжка, попълване на запасите, доставка на сегменти и логистични операции, без да спират пробиването. Екипът на машината е организиран в специализирани роли — оператори, техници по поддръжка, оператори на машини за монтиране на сегменти, обслужващи персонал на конвейерите — всеки от които работи едновременно, а не чака предишната стъпка в последователен цикъл.

Тази паралелност е множител на ефективността по отношение на график на изпълнение. При големи инфраструктурни проекти като метрополитенни тунели, системи за водоснабдяване или пътни тунели през планински вериги способността да се поддържат едновременно множество работни потоци означава, че проектът с машина TBM може да изпълни изискванията на стеснени срокове, които биха били физически невъзможни при използване на методите на пробиване и взривяване.

Често задавани въпроси

В какъв тип твърда скала машината TBM постига най-високите скорости на напредване?

ТБМ машината работи най-добре в здрава, масивна твърда скала, като гранит, гнейс, базалт или кварцит, където скалата е здрава, хомогенна и относително свободна от големи прекъсвания или пълни с глина разломи. Тези условия позволяват на дисковите резачи да работят при оптимизирани параметри на тласък и въртене, което осигурява ефективно образуване на стружка и стабилни условия на лицевата повърхност. Колкото по-еднородна е скалната маса, толкова по-надеждно ТБМ машината може да поддържа максимални дневни скорости на напредване.

Винаги ли ТБМ машината надвишава производителността на метода „сверловка и взривяване“ в твърда скала?

Не във всеки случай. За кратки тунели, сложни трасета с чести промени в посоката или проекти в условия на силно променливи скални условия с множество разломни зони гъвкавостта на метода „сверли и взривявай“ може да предложи компенсиращи предимства. Въпреки това, за дълги праволинейни или леко извити проходи през здрави твърди скали тунелопробивната машина (TBM) почти винаги е по-бърза, след като машината е напълно в експлоатация и логистичната верига е установена. Дължината на тунела, при която TBM става икономически и по отношение на графика предимна, обикновено се счита за около един до три километра, в зависимост от спецификата на проекта.

Как поддръжката на резачите влияе върху скоростта на тунелопробивната машина (TBM) в твърди скали?

Износът на дисковите резачи е една от основните предизвикателства при поддръжката на TBM-машина в абразивни твърди скали. Износените или повредени резачи трябва да се заменят, за да се запази ефективността на рязането, а това изисква планирани спирания на машината за инспекция и замяна на резачите. В силно абразивни формации, като кварцит, скоростта на консумация на резачи може да е висока, а интервалите между поддръжките — чести. Въпреки това съвременните конструкции на TBM-машини позволяват бързи процедури за замяна на резачите, а планираните спирания за поддръжка са значително по-кратки и по-предсказуеми в сравнение с непланираните забавяния, които се натрупват при метода „сверлене и взривяване“ за същото разстояние.

Какви проектни данни трябва да бъдат подготвени преди избора на TBM-машина за тунелиране в твърди скали?

Проучването на площадката трябва да включва подробна характеристика на скалната маса, охващаща едноосната компресивна якост, бразилската опънна якост, индекса на абразивност на скалите, разстоянието и ориентацията на пукнатините, условията на подземните води, както и наличието на големи разломи или смързани зони. Тези данни се използват директно при специфицирането на машината за тунелиране с щит (TBM), включително капацитетът на тласковото усилие на резачната глава, типа и разположението на резачите, конструкцията на щита и конфигурацията на резервната система. Точните геотехнически данни са единственият най-важен входен параметър за прогнозиране дали машината за тунелиране с щит (TBM) ще осигури очакваното предимство по скорост за даден проект.