یک ماشین تونل‌کاری میکرو با روش‌های سنتی تونل‌کاری چگونه مقایسه می‌شود؟

دستگاه تونل‌زنی میکرو چیست و چگونه کار می‌کند؟

ماشین‌های حفاری میکرو تونل، یا MTM که به طور رایج اینگونه نامیده می‌شوند، سیستم‌های کنترل از راه دور هستند که به طور خاص برای نصب لوله‌های زیرزمینی بدون حفر خاک طراحی شده‌اند. این ماشین‌ها در حالی که با استفاده از جک‌های هیدرولیک قوی لوله‌های پیش‌ساخته را به داخل زمین هل می‌دهند، همزمان از میان خاک حفاری می‌کنند. تمام این عملیات از محلی به نام شافت راه‌اندازی آغاز می‌شود. از اینجا به بعد، سر برش MTM وارد خاک می‌شود و توسط یک سیستم گل حفاری خاص که تونل را پایدار نگه می‌دارد و خاک و سنگ‌ها را به سطح زمین بازمی‌گرداند، هدایت می‌شود. اپراتورهای این ماشین‌ها قادر هستند به کمک سیستم‌های راهنمای لیزری، ماشین را به صورت لحظه‌ای هدایت کنند که این امر به حفظ مسیر دقیق مطابق با برنامه اولیه کمک می‌کند. هنگامی که به میزان کاهش اختلال در سطح زمین توجه می‌کنیم، گزارش‌های اخیر صنعت نشان می‌دهد که در مقایسه با روش‌های سنتی حفر خاک، حدود ۷۵ درصد کاهش وجود دارد.

اجزای کلیدی: سیستم هدایت، قاب هل دادن، و سر برش

سه مؤلفه، اثربخشی یک دستگاه MTM را تعیین می‌کنند:

• سیستم هدایت : از لیزرها و سنسورهای ژیروسکوپی برای ردیابی انحرافات به اندازه ۵ میلی‌متر استفاده می‌کند و امکان اصلاح مسیر را بدون قطع عملیات فراهم می‌آورد.
• قاب جک : تا ۱,۲۰۰ تن نیروی پیشرانه تولید می‌کند تا لوله‌ها را از طریق تونل‌های حفاری‌شده پیش ببرد و در عین حال یکپارچگی ساختاری را حفظ کند.
• سر برش : با قطعات برشی قابل تعویض و دریچه‌های گل حفاری طراحی شده است تا بتواند انواع خاک‌ها، از رس نرم تا تشکیلات سنگی را مدیریت کند.

کنترل از راه دور و پایش لحظه‌ای برای اجرای دقیق

دستگاه‌های مدرن حفاری تونل اکنون مجهز به سنسورهای متصل به اینترنت و نرم‌افزار هوشمند هستند که اطلاعاتی نظیر فشار زمین، مقدار نیروی پیچشی اعمال‌شده و هم‌راستایی صحیح قطعات را پیگیری می‌کنند. هنگامی که اپراتورها این به‌روزرسانی‌های لحظه‌ای را روی صفحه خود مشاهده می‌کنند، در صورت نیاز می‌توانند تقریباً بلافاصله پارامترها را تنظیم کنند. شاید سرعت سر حفاری را کاهش دهند، غلظت مخلوط سیال (slurry) را تنظیم کنند یا نیروی پیشروی پشت دستگاه را اصلاح نمایند. این سیستم در واقع یک حلقه بازخورد ایجاد می‌کند که در آن اشتباهات کمتر رخ می‌دهد و مشکلات هزینه‌بر مربوط به عدم هم‌راستایی قبل از تبدیل شدن به فاجعه، جلوگیری می‌شود. این موضوع در پروژه‌هایی که زیر جاده‌ها یا نزدیک ساختمان‌ها انجام می‌شوند بسیار مهم است، زیرا حتی خطاهای کوچک نیز می‌توانند بعداً مشکلات بزرگی ایجاد کنند.

یکپارچه‌سازی با روش جکینگ لوله در ساخت تونل بدون حفاری

هنگامی که ماشین‌های حفاری میکروتونل همراه با سیستم‌های جک‌زنی لوله کار می‌کنند، می‌توانند این خطوط زیرزمینی تاسیساتی را بدون دردسرهای حفاری ایجاد کنند. دستگاه به جلو حرکت می‌کند و در عین حال جک‌های هیدرولیکی لوله‌های سنگین بتنی یا فولادی را دقیقاً پشت سر محلی که دستگاه از خاک و سنگ عبور می‌کند، به جلو هل می‌دهند. آنچه این روش را بسیار کارآمد می‌کند، عدم نیاز به کارگران اضافی برای نصب جداگانه لوله‌ها پس از حفاری است. پیمانکاران گزارش می‌دهند که با استفاده از این تکنیک ترکیبی، پروژه‌ها به ویژه در شهرهایی با فضای محدود و نیاز به کاهش اختلال در ترافیک، سریع‌تر به اتمام می‌رسند. هزینه‌های نیروی کار معمولاً بین یک سوم تا نصف هزینه‌های روش‌های سنتی کاهش می‌یابد که دلیل افزایش تمایل شهرداری‌ها به استفاده از این راه‌حل‌های پیشرفته حفاری است.

دقت و صحت: حفاری میکروتونل در مقایسه با حفاری سنتی

ناوبری لیزری و اصلاحات لحظه‌ای در حفاری میکروتونل

دستگاه‌های حفاری میکروتونل به بَرَزش دقت در سطح کمتر از یک اینچ می‌رسند، بخاطر سیستم‌های ناوبری لیزری که به طور مداوم مسیر سر برش را تنظیم می‌کنند. این سیستم‌ها بیش از پنجاه نقطه داده را در هر ثانیه پردازش می‌کنند تا انحراف از مسیر حدود سه دهم درجه حفظ شود. براساس برخی مطالعات موردی از ISTT، این نوع سیستم معمولاً دقتی در حدود ۹۸ درصد را در پروژه‌هایی با طول بیش از هزار فوت فراهم می‌کند. آنچه این قابلیت را واقعاً مفید می‌سازد، این است که اپراتورها می‌توانند مشکلات را بلافاصله تشخیص داده و رفع کنند، در حالی که دستگاه به حفاری ادامه می‌دهد و نیازی به توقف کار نیست. این موضوع زمانی بسیار مهم می‌شود که لوله‌ها و کابل‌های زیرزمینی نزدیکی وجود داشته باشند که نمی‌خواهیم به آنها آسیب برسد.

خطاهای ترازبندی در روش‌های سنتی تونلسازی که به دست‌اندرکار زیادی نیاز دارند

حفاری سنتی هنوز به آن نظرسنجی‌های دستی وابسته است که حدود هر ساعت به‌روزرسانی می‌شوند و این امر می‌تواند باعث تجمع مشکلات ترازبندی در طول زمان شود. ما در مورد انحرافی حدود ۳ اینچی در هر ۵۰۰ فوت حفاری صحبت می‌کنیم. یک مطالعه که در سال ۲۰۲۳ روی حدود ۱۲۰ سایت ساخت‌وساز انجام شد، به‌وضوح نشان داد که کارگران در تقریباً یک‌سوم موارد مجبور به انجام تصحیحات اضافی در حفاری بودند. و هر بار که این اتفاق می‌افتاد، هزینه‌ای حدود ۱۸٫۰۰۰ دلار به هزینه پروژه اضافه می‌شد. در آن شیارهای عمیق که تقریباً دید صفر است، تیم‌ها اکثراً مجبورند از داده‌های موقعیتی قدیمی استفاده کنند. این موضوع فقط با ادامه حفاری مشکل دقت را بدتر می‌کند.

مطالعه موردی: نصب خط لوله در مرکز شهر سیاتل با استفاده از دستگاه حفاری ریزتونل

در حین نصب یک مجاری آب باران به طول ۱,۲۰۰ فوت در زیر منطقه تاریخی پایونیر اسکوئر، کارگران از یک دستگاه حفاری ریزتونل با قطر ۴۸ اینچ استفاده کردند تا هم‌ترازی عمودی را در محدوده تنها ۰٫۲ اینچ حفظ کنند. آنچه این کار را واقعاً چشمگیر می‌کند، نزدیکی بسیار زیاد به زیرساخت‌های موجود است. سیستم هدایت لیزری در طول عملیات توانست در فاصله‌ای حداقل ۱۲ اینچی از خطوط گاز فعال قرار گیرد. این موضوع بسیار شگفت‌انگیز است، با توجه به اینکه در طول ساخت هیچ قطعی خدمت رخ نداد. و اگر این هم کافی نباشد، کل فرآیند حفاری ۱۱ روز کامل زودتر از روش‌های سنتی به پایان رسید که بر اساس برآوردهای صنعتی انجمن بین‌المللی فناوری تونل‌سازی (ISTT) در سال ۲۰۲۲ ارائه شده است.

کارایی پروژه: مقایسه زمان و عملکرد عملیاتی

راه‌اندازی سریع‌تر و حفاری مداوم با ماشین‌های ریزتونل

آماده‌سازی ماشین‌آلات میکروتُنلینگ برای کار حدود ۳ تا ۵ روز طول می‌کشد، که بسیار سریع‌تر از معمول ۲ تا ۳ هفته‌ای است که برای راه‌اندازی تجهیزات تونل‌زنی سنتی لازم است. اندازه کوچک‌تر این ماشین‌ها به معنای اختلال کمتر در محل قبل از شروع کار است و آن‌ها بدون نیاز به حضور کارگران برای خارج کردن دستی خاک و قطعات سنگ، به‌صورت مداوم کار می‌کنند. این موضوع در مجموع به معنای پیشرفت مداوم در زیرزمین است. اپراتورها می‌توانند به‌طور پیوسته پیشروی کنند، حتی در شرایط خاک سخت با مقاومت فشاری حدود ۳۰ مگاپاسکال. نیازی به توقف هر چند ساعت برای تمیز کردن مواد زائد نیست، بنابراین پروژه‌ها سریع‌تر و با مشکلات کمتری به اتمام می‌رسند.

تأثیر آب‌وهوا و اختلالات سطحی بر زمان‌بندی تونل‌زنی سنتی

بر اساس برخی تحقیقات انجام‌شده در سال 2022، روش‌های حفاری تونل باز معمولاً هر ساله بین 18 تا 22 روز کاری را به دلیل مشکلات آب‌وهوایی مانند باران، سرمای شدید و سیلاب روی سطح زمین اتلاف می‌کنند. در پروژه‌های شهری، مشکلات بیشتری نیز وجود دارد. پیمانکاران مجبورند جریان ترافیک را هدایت مجدد کنند، جاده‌های آسیب‌دیده را ترمیم کنند و مردم را به‌صورت ایمن در اطراف محل‌های حفاری بزرگ هدایت کنند. خبر خوب این است که حفاری میکرو تونل از تمام این مشکلات جلوگیری می‌کند، زیرا این روش در زیر سطح زمین انجام می‌شود و شرایط سطحی تأثیر چندانی ندارند. این امر باعث اجرای بسیار روان‌تر پروژه‌ها در مناطق شهری می‌شود که در آن‌ها هر روز اهمیت دارد.

بینش داده: 40٪ سرعت بیشتر در تکمیل پروژه (منبع: ISTT، 2022)

انجمن بین‌المللی فناوری بدون حفاری، ۱۲۷ پروژه لوله‌کشی را در سال‌های ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۱ پیگیری کرد و دریافت که مدت زمان متوسط اتمام پروژه‌ها با روش میکروتونل‌زنی ۱۸٫۷ هفته بوده در مقابل ۳۱٫۱ هفته برای روش‌های سنتی. مشاوران پیشرو در ساخت و ساز این کارایی را به دقت رباتیک که از بازکاری جلوگیری می‌کند — که ۱۲ درصد از زمانبندی پروژه‌های سنتی را تشکیل می‌دهد — و ظرفیت عملیاتی ۲۴ ساعته در فضاهای محدود نسبت می‌دهند.

تحلیل هزینه و مزایای اقتصادی بلندمدت میکروتونل‌زنی

سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر در تجهیزات میکروتونل‌زنی

کارهای حفاری سنتی معمولاً شامل ماشین‌آلات سنگینی هستند که می‌توانند هزینه‌ای معادل بین نیم میلیون تا یک میلیون دلار برای شرکت‌ها به دنبال داشته باشند. حفاری ریز (Micro tunneling) رویکردی کاملاً متفاوت دارد و به جای آن به تجهیزاتی مانند جک‌های هیدرولیک و سیستم‌های پیشرفته ناوبری لیزری نیاز دارد. بر اساس داده‌های صنعتی انجمن فناوری تونل‌سازی (ISTT) در سال ۲۰۲۲، شروع به کار با فناوری حفاری ریز معمولاً در ابتدا هزینه‌ای بین دو تا چهار میلیون دلار دارد. اما اینجاست که موضوع برای برنامه‌ریزان مراقب بودجه جالب می‌شود. این هزینه اولیه بالا در طول زمان و با توجه به هزینه‌های جاری، عایدی خود را دارد. هزینه‌های نیروی کار به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، چون نیاز به نظارت مداوم کمتر است. همچنین کارهای بازسازی پس از تکمیل پروژه گسترده‌تر نیستند. و البته نباید از پول صرفه‌جویی‌شده در مدیریت اختلالات ترافیکی در طول ساخت و ساز نیز غافل شد. وقتی کل تصویر را در طول عمر یک پروژه در نظر بگیریم، این ماشین‌آلات با وجود قیمت بالاتر، در نهایت مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند.

صرفه‌جویی از طریق کاهش نیروی کار، بازسازی و مدیریت ترافیک

دستگاه‌های میکرو تونل‌زنی با اتوماسیون نصب لوله و خاک‌برداری، نیروی کار دستی را تا ۶۰ تا ۷۰ درصد کاهش می‌دهند. یک مطالعه سال ۲۰۲۳ نشان داد که کاهش اختلال در سطح زمین، هزینه‌های بازسازی را به میزان ۲۰۰ تا ۴۰۰ دلار آمریکا در هر متر طولی کاهش می‌دهد. شهرها همچنین با جلوگیری از بسته شدن جاده‌ها و مدیریت دورزنی‌ها، روزانه ۱٫۲ تا ۴٫۵ هزار دلار صرفه‌جویی می‌کنند.

مطالعه موردی هزینه کل: خط لوله فاضلاب در تورنتو

نصب یک خط لوله فاضلاب ۴٫۲ کیلومتری در تورنتو با استفاده از دستگاه میکرو تونل‌زنی، منجر به صرفه‌جویی کلی ۲۲ درصدی در مقایسه با حفاری سنتی شد. عوامل کلیدی شامل عدم برخورد ناخواسته با تأسیسات — که منجر به کاهش ۷۴۰ هزار دلاری هزینه‌های تعمیر شد — و ۱۸ درصد سریع‌تر بودن اتمام پروژه بود. این پروژه دقت محوریت ۹۹٫۸ درصدی را حفظ کرد و از این طریق بازکاری‌های پرهزینه رایج در روش‌های دستی را حذف نمود.

تأثیرات زیست‌محیطی و مزایای ایمنی دستگاه‌های میکرو تونل‌زنی

کاهش اختلال در سطح زمین و حفظ مناظر شهری

هنگامی که از ماشین‌های حفاری میکروتونل استفاده می‌شود، اساساً آنها زیر سطح زمین کار می‌کنند، بنابراین تقریباً هیچ اختلالی در سطح زمین ایجاد نمی‌شود. تنها چیزی که لازم است، ایجاد سوراخ‌های کوچکی در دو انتها برای دسترسی است. شهرها این روش را بسیار می‌پسندند، چون خیابان‌ها سالم باقی می‌مانند، زیستگاه‌های حیات وحش به هم نمی‌ریزند و کسی مجبور نیست پس از آن هزینه‌های گزافی برای ترمیم جاده‌ها یا پارک‌های آسیب دیده بپردازد. نگاهی به اتفاقی بیندازید که سال گذشته رخ داد، وقتی مهندسان لوله‌ها را زیر یک منطقه تالابی که از نظر قانونی محافظت می‌شد، نصب کردند. آنها متوجه شدند که حفاری آنها تنها ۱/۵ آشفتگی را نسبت به روش‌های قدیمی ایجاد کرده است که در آنها شیارهای بزرگی در همه جا حفر می‌شود. علاوه بر این، این ماشین‌ها با یک سیستم دربسته کار می‌کنند که از ورود گِل و آشغال به خاک اطراف جلوگیری می‌کند و این ویژگی آنها را به ویژه مناسب برای مناطقی می‌سازد که طبیعت نیاز به حفاظت دارد. هرچند این فناوری برای تمام موقعیت‌ها مناسب نیست، اما اکثر گروه‌های محیط زیست به نظر می‌رسد از تمیزی که این تکنولوژی در طول پروژه‌های ساخت‌وساز ایجاد می‌کند، راضی هستند.

کاهش انتشار کربن و ردپای ماشین‌آلات

مطابق تحقیقات انجمن بین‌المللی فناوری تونل‌سازی (ISTT) در سال 2022، روش میکروتُنلینگ حدوداً 35 درصد کمتر از روش‌های سنتی بازکردن زمین از نظر انتشار کربن است. روش‌های سنتی حفاری به ماشین‌آلات بزرگ زیادی و جابجایی مداوم مواد نیاز دارند، در حالی که میکروتُنلینگ بسیار دقیق‌تر عمل می‌کند و در نتیجه برش‌های غیرضروری و ضایعات کلی کاهش می‌یابد. مطالعات انجام‌شده در سال گذشته همچنین یافته‌های قابل توجهی در شهرهای پرجمعیت و پرآسمانخراش ارائه کردند. جایگزینی بیل‌های برقی مدرن میکروتُنلینگ به جای بیل‌های دیزلی قدیمی می‌تواند آلودگی ذرات معلق را در این فضاهای شهری متراکم که کیفیت هوای آن‌ها مهم‌تر است، تقریباً 90 درصد کاهش دهد.

بهبود ایمنی کارگران و انطباق با استانداردهای OSHA در پروژه‌های بدون حفاری

کار کردن از راه دور باعث حذف نیاز به حضور افراد در آن نقاط خطرناک زیرزمینی می‌شود. کارگران از طریق اتاق‌های کنترل در سطح زمین، این دستگاه‌های کوچک حفاری تونل را هدایت می‌کنند و در عین حال در امان می‌مانند و از خطراتی مانند فروپاشی ناگهانی، خروج گازهای سمی یا گیر افتادن بین قطعات سنگین ماشین‌آلات در امان هستند. بر اساس برخی گزارش‌های OSHA که اخیراً مشاهده کرده‌ایم، از حدود سال 2021 تاکنون، زمانی که شرکت‌ها به این روش‌های بدون حفاری روی آورده‌اند، تقریباً نصف کاهش در تعداد آسیب‌های ناشی از حفاری شیارها رخ داده است. و همچنین نباید فراموش کرد که این وسایل نظارت پیشرفته همه چیز را به صورت زنده زیر نظر دارند. این وسایل نشانه‌های زمین ناپایدار یا انحراف از مسیر را بسیار زودتر از وقوع هرگونه خطر جدی تشخیص می‌دهند. واقعاً چیزهای قابل توجهی هستند، به خصوص وقتی به تمام خطرات بالقوه زیرزمینی فکر می‌کنید.

‫سوالات متداول‬

مزیت اصلی استفاده از دستگاه‌های میکروتونل چیست؟

دستگاه‌های حفاری میکرو تونلینگ با استفاده از سیستم‌های لیزری دقیق و جک‌های هیدرولیک، نصب لوله را با حداقل اختلال در سطح زمین انجام می‌دهند که منجر به تکمیل سریع‌تر پروژه و کاهش هزینه‌های نیروی کار می‌شود.

دستگاه‌های میکرو تونلینگ چگونه ایمنی را در طول عملیات تضمین می‌کنند؟

اپراتورها دستگاه‌های میکرو تونلینگ را به صورت دورافتاده کنترل می‌کنند که این امر نیاز به حضور کارگران در محیط‌های خطرناک زیرزمینی را حذف می‌کند. علاوه بر این، سیستم‌های نظارتی به‌روزرسانی‌های لحظه‌ای فراهم می‌کنند تا از خطرات احتمالی جلوگیری شود.

چرا شهرداری‌ها ممکن است میکرو تونلینگ را به روش‌های سنتی حفاری ترجیح دهند؟

شهرداری‌ها میکرو تونلینگ را به دلیل مقرون‌به‌صرفه بودن، دقت بالا و اختلال بسیار کم در چشم‌اندازهای شهری ترجیح می‌دهند که این امر باعث جریان روان‌تر ترافیک و تأثیر محیطی کمتر در طول ساخت‌وساز می‌شود.

چه نوع سرمایه‌گذاری اولیه‌ای برای میکرو تونلینگ مورد نیاز است؟

ریزتونل‌زنی نیازمند سرمایه‌گذاری اولیه‌ای در محدوده دو تا چهار میلیون دلار برای تجهیزاتی مانند جک‌های هیدرولیکی، سیستم‌های ناوبری لیزری و سربرق‌ها است، اما صرفه‌جویی در بلندمدت را فراهم می‌کند.