Millised tegurid tuleb arvesse võtta projekti jaoks sobiva tunneliporrimehe valimisel?

Geoloogilised ja geotehnilised tingimused, mis mõjutavad tõmmetunneli tehnika valikut

Mulla, kivimi koostise ja pinnase stabiilsuse hindamine

Tõmmetunneli tehnika (TBM) nõuab täpset geoloogilist ühilduvust, et töötada tõhusalt. 2023. aasta uurimuses ajakirjas Scientific Reports leiti, et 70% TBM seismisest tuleneb geoloogilisest mitteühilduvusest, eriti segatud mullakeskkondades. Peamised kaalutlused hõlmavad:

• Karedad kivikihid põhjustavad 3 korda kiiremat lõikurpea kulumist võrreldes pehmema mullaga
• Savirohked formatioonid nõuavad suurendatud pöördemomendit, et vältida masina seiskumist
• Lõhestunud tsoonid nõudlik reaalajas maapinnatugede kohandamine kokkuvarisemiste vältimiseks

Grundvee rõhu ja murdevööndite hindamine

Grundvee rõhk, mis ületab 5 bar'i, võib ohustada tunneli terviklikkust, samas kui murdevööndid suurendavad kokkuvarisemise ohtu 40%. Kaasaegsed TBM-d on varustatud:

• Hüperbaarsete rõhuseadmetega kohe vee sissetungimise tuvastamiseks
• Kergetesüsteemidega, mis aktiveeruvad 3 bar'i erineva rõhu piirmääras
• Seismiliste eelkontrolli moodulitega, et kaardistada murdeliinesid boori liini 15 meetri raadiuses

Juhtumiuuring: TBM-de kohandamine keerulisse geoloogiasse Gotthardi põhitunneli ehitamisel

Gotthardi projektile tuli silmitsi 73 erineva geoloogilise piiriga, sealhulgas:

1. Metasedimentaarse kivimi lõigud, kus nõutav suru jõud oli 450 kN
2. Põhjavee tsoonid haljatud kaheastmeline veemaheldussüsteem
3. Lihtrikkepiirkonnad vähendatud mooduliste segmentaalsete katabkiitide süsteemide abil

See kohandus vähendas geoloogilisi viivitusi 62% võrreldes tavapäraste meetoditega, mis näitab põhjaliku geotehnilise uuringu olulist rolli tunneliboorimisemasina valikul.

Tunneliboorimismasinate tüüpide sobivus pinnaseolengutele

Optimaalse tunneliboorimismasina (TBM) valimine nõuab seadme võimete vastavust aluspinnase raskustele.

EPB, sulam- ja kõva kivimi TBM-d: Valik geoloogia alusel

Maa rõhu tasakaalustavatel (EPB) sihiveosturitel on parim tulemus pehmetes muldades ja linnapiirkondades, kus need kasutavad tihendatud maa materjali, et hoida sihivee seinu stabiilsed ja minimeerida pinnaliikumisi. Niisketes pinnases tingimustes kasutatakse sulamkiltmasinaid, mis segavad bentoniiti vee ning loovad sulami, mis kompenseerib allavoolo veerõhku. Kõvade kivimite TBM-id, mis on varustatud ketastega, suudavad edeneda tahketes kivimites umbes 15 kuni isegi 30 meetri võrra päevas, olenevalt kivimi kvaliteedist. Välja antud 2022. aastal tehtud uuringu kohaselt viib vale tüüpi masina valimine konkreetsetele geoloogilistele tingimustele projekti viivitusele ligikaudu kahe kolmandiku võrra pikemaks kui planeeritud. See rõhutab, kui tähtis on enne kaevandustööde alustamist mõista, mis asub maapinna all.

Multimodaalsed TBM-id muutlike ja heterogeensete pinnase tingimuste jaoks

Kaasaegsed hübristunneliboorimismasinaid ühendavad nii EPB- kui ka slärritehnoloogiat, mis võimaldab neil erinevaid kivitüüpe töödelda, ilma et peaks kogu projekti peatama. Võtke näiteks Gotthardi ligipääsutunneli projekt. Seal kasutasid insenerid masinat, mis suutis mitu korda ehitustööde käigus režiimi vahetada. Konkreetsemalt muudeti seadistusi umbes 14 erineval korral, kui töödeldi kihiseid koos lubjakivi ja pehmemate marlitoodetitega. Need masinad on varustatud anduritega, mis jälgivad pidevalt, mis toimub maapinnal all. Kui need tuvastavad ees oleva pinnase muutusi, kohandab süsteem automaatselt selliseid parameetreid nagu pöördemoment ja tõukejõud. See on viinud ligikaudu 40% languse ootamatute peatusteni keeruliste segatüüpi pindade juures. Teine suur pluss tuleneb moodulitest lõikepea konstruktsioonidest. Selle asemel, et veeta nädalaid tööriistade vahetamiseks erinevate kiviformatsioonide jaoks, saavad meeskonnad nüüd teha need muudatused vaid umbes kahe päevaga, mis aitab oluliselt kaasa sellele, et projektid jääksid ajakavale.

Tunneli mõõtmed, paigutus ja masina jõudluse nõuded

Tunneli sügavuse, läbimõõdu ja paigutuse mõju TBM valikule

Selle järgi, kui sügaval tunnel asub, määratakse kindlaks maapinnal tekkinud rõhk, mis tähendab, et tunneliboorimismasinatel peab olema eriti tugev konstruktsioon, et suudaksid taluda rohkem kui 5 bar rõhku, kui kaevatakse väga sügaval allmaa. Suurus on samuti oluline. Linnapiirkondades, kus ei soovita, et hooned settiksid, toimivad parimini üle 12 meetri läbimõõduga suured masinad, millel on muldrõhu tasakaalustamise süsteem. Alla 6-metriste väikeste masinate puhul piisab täpse positsioneerimise tagamiseks juhitud booreerimistehnoloogiast. Kui tunnelid käigavad või kulgevad otse üles/alla, vajavad operaatoreid masinaid, mis suudavad märkimisväärselt painduda ja keerata – umbes 8-kraadine pöörlemisvõime aitab neil toime tulla nende keeruliste kõrguse muutustega ilma purunemiseta. Hiljutised uuringud ristkülikukujuliste tunnelilõppude kohta näitasid midagi huvitavat. Kui kõrgus on rohkem kui 1,5 korda suurem kui laius, on ebastabiilsuse tekkimise oht ligikaudu 34% võrra suurem. Sellest tulenevalt kulutavad insenerid palju aega lõikepeade kavandamisele, et need sobiksid konkreetsetesse tunneliteedesse.

Projekti tõhususe huvides võimsuse, tõukejõu ja edasiliikumise kiiruse optimeerimine

Tänapäevastele tunneliboreerimismasinatele on vaja edasiliikumiseks sobivas kiiruses umbes 15 kuni 35 millimeetrit minutis segatud maapõhjade korral juba 2500 kuni 6000 kilonjuutoni surujõudu. Energiasüsteemid tuleb õigesti mõõtmetada lõikepea väänetusmomendile, mis on tavaliselt 3 kuni 15 meganjuutonmeetrit. Kui tööd tehakse rasketes kivimites, pöörlevad ketastükeldid tavaliselt 5 kuni 6 pööret minutis ja neid toidetakse 350 kW mootoritega. Olukord muutub märkimisväärselt, kui vaadata EPB-masinaid (earth pressure balance), mis töötavad pehmemates muldades. Need masinad keskenduvad rohkem kaevandustoodangu eemaldamise protsessile, seega sõltuvad nad paljuski nende kruuside väänetusmomendi võimest, mis on üldiselt 120 kuni 250 kilonjuutonmeetrit. Aastal 2015 pehmete muldade läbitunnelimisel tehtud töö huvitavatest tulemustest selgus, et rõhulõõtsuse reaalajas kohandamine võib suunavigade arvu poole väiksemaks vähendada võrrelduna fikseeritud rõhiseadetega. Tunnelioperaatorid seisavad alati kitsas piiril selle vahel, kui kiiresti nad soovivad maasse edasi liikuda ja kui kaua nende tööriistad kestavad. Hiljutised 2022. aasta uuringud näitasid, et lihtsalt 20% võrra väiksema pöördearvu kasutamine võib tegelikult kahekordistada tükeldajate eluea eriti abrasiivsetes graniidkivimites.

Tehnoloogia integreerimine ja toimivuse tõhusus kaasaegsetes tunneliboorimismasinates

Kaasaegsed tunneliboorimismasinad (TDM-d) on varustatud automaatika ja AI-toetatud juhtimissüsteemidega mis optimeerivad kraavihaavet täpsust, samal ajal kui vähendatakse inimlikke vigu. Nendesse süsteemidesse sisse ehitatud reaalajas jälgimisvahendid analüüsivad geoloogilisi andmeid, et dünaamiliselt kohandada lõikurpea momendi ja surutugevuse, tagades täpsuse ±10 mm piires isegi ebastabiilsetes kihindites.

Automaatika, AI-toetatud juhtimine ja reaalajas jälgimissüsteemid

Modernsed AI-süsteemid suudavad töödelda üle 500 anduriloetise iga sekund, võimalustades neil ennustada, kuidas maa käitub, ja kohandada vastavalt puurimisseadeid. See on tegelikult vähendanud ootamatuid seiskamisi umbes veerandi võrra suurtes projektides, nagu Gotthardi põhja tunneli ehitus. Tihendi haldamisel hoiab automatiseerimine rõhitasemeid tasakaalus, mis aitab vältida kokkuvarisemist niiske mulla tingimustes töötamisel. Reaalajas jälgimissüsteemid on osutunud samuti väga tõhusaks, vähendades vee sullumisprobleeme umbes 40 protsenti võrreldes vanade käsitsi meetoditega. Ja ärgem unusta ka need ennetava hoolduse funktsioonid, mis hoiavad varustust kauem töös, pikendades osade eluiga ligikaudu 30% võrra, nagu näitavad väljatööde aruanded mitmetest insenerifirmadest.

Kaughaldused ja kontrollisüsteemid suurendatud jõudluse jaoks

Keskendatud juhtimiskeskused võimaldavad nüüd kaugjuhtimist TBM-d kasutades IoT-võimega diagnostikat. Näiteks tuvastavad vibreerimisanalüüsi algoritmid rulllaagrite kulumise 50 tundi enne katkemist, võimaldades ennetavaid remonte. Aastal 2024 läbi viidud pilootprojekt, mis kasutas kaugjuhtimissüsteeme, saavutas 98% tööajaväljundit linnapiirkondade torujuhtmete paigaldamisel, lihtsustades lõikurivahetust ja purustusmaterjali eemaldamist.

Need edasijõudmused lühendavad projekti ajagraafikuid 20–30%, samal ajal kui vähenevad tööjõukulud ja ohutusjuhtumid.

Omandamiskogukulu, hooldus ja töötajate kohanduvus

Eluea kulu, hooldusvajadused ja remondilisus

Tunneliboreerimismasina omandamiskogukulu (TCO) ulatub palju kaugemale algsest hinnast, kus ekspluatatsioon ja hooldus (O&M) moodustavad 45–60% eluea kogukulusid. See hõlmab:

• Perioodiline hooldus : Lõikepea kontrollid ($12 000–$18 000 intervalliga) ja tihendite vahetused ($740 000–$2,1 miljonit aastas), et vältida katastrofaalseid rikkeid
• Plaanipärased remondid : Kulumisosalte vahetamine abrasiivsetes kivikeskkondades, mille maksumus võib ulatuda kuni 30% aastasest projektieelarvest
• Seisakute mõju : 1–2 nädala viivitused laagrite rikke korral vähendavad tunnelitegurite efektiivsust 18–22%

Remondilisus tekitab 25% hoolduskuludest kitsendatud töökohas. Moodulidisain standardkomponentidega vähendab komponentide vahetusaega 40% võrrelduna kohandatud süsteemidega.

Operaatari koolitus, ohutusfunktsioonid ja vastavus kohalikele eeskirjadele

Kvalifitseeritud operaatoreid kasutades suurendatakse edasiliikumise kiirust 15% ja vähendatakse lõiketerade kulumist 28%. Kohustuslikeks sertifikaatideks nõutakse nüüd:

• 120–180 tundi simulaatorikoolitust pehmetes pinnases toimivate TBM-de jaoks
• Nädalased ohutusharjutused, mis hõlmavad tulekustutamist ja hädaolukorras evakueerimist
• Vastavus piirkondlikele standarditele, nagu OSHA piiratud ruumidesse sissemise protokollid (29 CFR 1926.800)

Kaasaegsed tunneliboorimismasinad on varustatud kokkupõrkevältimissüsteemidega (25% vähem õnnetusi) ja automaatse gaasijälgimisega, et vastata EL masinate direktiivi 2023 uuendustele. Kesk-Euroopas läbi viidud projekt 2023. aastal näitas, et paindlikud koolitusprogrammid vähendasid planeerimata seismise aega 30%, kasutades reaalajas jõudlusanalüüsi.

KKK

Millised on olulisemad tegurid, mis mõjutavad Tunneliboorimismasina (TBM) valikut?

Olulised tegurid hõlmavad geoloogilist ühilduvust, nagu kivimi koostis, mulla tüüp, pinnase stabiilsus, grundi-vee rõhk ja murdvööndide esinemine, mis võivad mõjutada masina tõhusust ja projekti üldist edu.

Kuidas toime tulevad kaasaegsed tunneliboorimismasinad (TBM) muutliku pinnasega?

Kaasaegsed tunneliboorimismasinad, eriti hübridsed mudelid, kasutavad nii maa surve tasakaalustamise (EPB) kui ka sulami tehnoloogiat, et kohaneda erinevate kivimitüüpidega, ning varustatakse reaalajas anduritega jälgimiseks ja automaatseteks kohandusteks.

Miks on tehnoloogia integreerimine oluline TBM-del?

Tehnoloogia integreerimine, näiteks AI-ga toetatud juhtimissüsteemid ja reaalajas jälgimine, parandab vältimise täpsust, vähendab inimlikke vead ja suurendab üldist toimimise tõhusust, kohandades boorpea seadeid dünaamiliselt täpseks joonduseks.

Millist koolitust nõutakse TBM-de operaatrite jaoks?

Operaatoreid peetakse üldiselt nõudma 120–180 tundi simulaatorikoolitust, osalema nädalasides ohutusõppustel ja järgima piirkondlikke ohutusstandardeid, nagu OSHA kitsendatud ruumide sissemiskonna protokollid, et tagada TBM-de ohutu ja tõhus toimimine.