چگونه میکرو TBM حفاری زیرزمینی را انقلابی کرده است

میکرو تی‌بی‌ام چیست؟ اجزای اصلی و تفاوت‌های کلیدی

تعریف و اجزای اصلی میکرو تی‌بی‌ام

دستگاه حفاری تونل ریز، که معمولاً به آن دستگاه حفاری تونل (TBM) گفته می‌شود، زمانی بهترین عملکرد را دارد که در حال حفر تونل‌هایی با قطر کمتر از ۱٫۵ متر باشد. این دستگاه‌ها مجهز به قطعات کلیدی متعددی از جمله سر برش چرخانی هستند که خاک را حفاری می‌کند، سیستم هیدرولیک برای پیشروی دستگاه و سیستم‌های تخلیه مواد حفاری شده که ممکن است مرطوب یا خشک باشند. آنچه این دستگاه‌ها را واقعاً متمایز می‌کند، سیستم راهنمایی لیزری آنهاست که تمامی خطوط را با دقتی در حد کسری از سانتی‌متر هم‌راستا نگه می‌دارد. طبق گزارش‌های صنعتی سال ۲۰۲۳، این سطح از دقت، مشکلات هم‌راستایی را در مقایسه با روش‌های دستی قدیمی حدود ۱۵٪ کاهش می‌دهد. شهرداری‌ها به ویژه از این نوع TBM برای نصب لوله‌ها و کابل‌ها در زیر خیابان‌های شلوغ بدون تخریب معابر و اختلال در زندگی روزمره سطح زمین استقبال می‌کنند.

تفاوت دستگاه‌های ریز TBM با دستگاه‌های TBM متعارف

دستگاه‌های حفاری تونل معمولی بهترین عملکرد را در تونل‌های بزرگ با عرض بیش از ۶ فوت دارند، اما ماشین‌های حفاری ریز-تونل (Micro TBM) به‌طور خاص برای فضاهای تنگ و محدود طراحی شده‌اند. نسخه‌های قدیمی‌تر به نقاط ورودی بزرگ و حضور دائمی تعداد زیادی کارگر در محل نیاز دارند. اما ماشین‌های Micro TBM قابلیت کنترل از راه دور را دارند و در ضمن حفاری، لوله‌ها را مستقیماً در جای خود نصب می‌کنند. طبق تحقیقات شرکت ماشین‌آلات Realtop در سال گذشته، پروژه‌هایی که از این ماشین‌های کوچک‌تر استفاده می‌کنند، در مناطق شهری شلوغ بین ۲۵٪ تا تقریباً ۴۰٪ سریع‌تر به پایان می‌رسند. علاوه بر این، ساختار ماژولار آن‌ها به این معناست که تیم‌های اجرایی می‌توانند در صورت نیاز به سرعت آن‌ها را جدا کرده و به محل‌های کار دیگر منتقل کنند؛ کاری که با دستگاه‌های بزرگ سنتی که فضای زیادی اشغال می‌کنند امکان‌پذیر نیست.

عملکرد و سیستم‌های کنترل در ماشین‌های حفاری ریز-تونل

نسل جدید ماشین‌های حفاری ریز (Micro TBMs) مجهز به سنسورهای هوشمند متصل از طریق اینترنت اشیا هستند که چیزهایی نظیر سطح گشتاور، نیروی پیشروی و میزان مقاومتی که در برابر انواع خاک در محیط زیرزمینی با آن مواجه می‌شوند را ردیابی می‌کنند. این ماشین‌ها تمام این اطلاعات را به صورت لحظه‌ای به افرادی که روی سطح زمین کار می‌کنند ارسال می‌کنند. برخی از برنامه‌های هوشمند کامپیوتری قادرند تا در واقع پیش‌بینی کنند قطعات چه زمانی دچار خرابی خواهند شد — گاهی اوقات تا ۵۰ ساعت قبل از اینکه هرگونه مشکلی پیش بیاید، بر اساس گزارش‌های صنعتی سال ۲۰۲۳. این نوع بینش پیشگیرانه، توقف‌های غیرمنتظره را حدود ۳۰ درصد کاهش می‌دهد. برای مقابله با شرایط دشوار زمین، این ماشین‌ها دارای سیستم‌های حلقه‌بستهٔ خاصی هستند که همه چیز را به‌درستی متعادل نگه می‌دارند. همچنین سیستم‌های دوربین داخلی وجود دارند که به کارگران دید کاملی از تمام اطراف تونل در حال حفر می‌دهند و به آن‌ها کمک می‌کنند تا از برخورد احتمالی جلوگیری کنند. همه این ویژگی‌ها امکان عملیات بدون وقفه را با نرخ‌های قابل توجهی فراهم می‌کنند و تا حدود ۱۵ متر در روز پیشروی را بدون ایجاد خطر برای سازه‌های اطراف ممکن می‌سازند.

دقت و اتوماسیون: برتری فناوری میکرو تی‌بی‌ام

سیستم‌های هدایت خودکار در عملیات میکرو تی‌بی‌ام

میکرو تی‌بی‌ام‌ها به سیستم‌های هدایت خودکار متکی هستند که فناوری ناوبری لختی، سنسورهای شیب‌سنج و مکانیزم‌های هیدرولیک فرمان را ترکیب می‌کنند تا اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی با دقت میلی‌متری حاصل شود. آنچه این سیستم‌ها را بسیار مؤثر می‌کند، توانایی آن‌ها در تنظیم موقعیت هدر ۵۰ تا ۱۰۰ بار در هر ثانیه است که تقریباً خطاهای ناشی از ترازبندی دستی توسط انسان را حذف می‌کند. اعداد و ارقام نیز موید این هستند — مشکلات ترازبندی حدود ۴۰٪ کاهش یافته‌اند. این موضوع به‌ویژه در حفاری تونل‌های زیر مناطق حساس شهری که در آن ساختمان‌های قدیمی یا خطوط متروی موجود در زیرزمین وجود دارند، اهمیت زیادی دارد. مهندسان می‌توانند با خیال راحت‌تری کار کنند، چرا که می‌دانند ماشین‌ها از مسیر منحرف نخواهند شد و زیرساخت‌های ارزشمند را در طول عملیات آسیب نخواهند دید.

هدایت مبتنی بر لیزر و دوربین مداربسته برای دقت در زمان واقعی

استفاده از لیزر های مختصاتی دوگانه همراه با دوربین‌های امنیتی از نوع PTZ به کارگران اطلاعات فضایی فوری می‌دهد که در صورت نیاز به تنظیمات، بلافاصله بتوانند اقدام کنند. لیزر در واقع به عنوان یک نقطه اتکا روی سر برش عمل می‌کند، در حالی که دوربین‌ها وضعیت واقعی را با آنچه در نقشه‌های دیجیتال نشان داده شده مقایسه می‌کنند. هنگام نصب خطوط فیبر نوری در محله‌های قدیمی لندن در سال ۲۰۲۳، این سیستم‌ها حرکت زمین را کمتر از ۳ میلی‌متر حفظ کردند. این سطح از دقت کاملاً ضروری بود، چرا که ساختمان‌هایی با قدمت قرن‌ها بر روی مسیر تونل‌ها قرار داشتند.

یکپارچه‌سازی اینترنت اشیا برای نظارت بلادرنگ و تحلیل داده‌ها

میکرو تی‌بی‌ام‌ها با حدود 30 تا 50 سنسور اینترنت اشیا که مستقیماً در داخل آنها تعبیه شده‌اند، عرضه می‌شوند و انواع اطلاعات عملیاتی مانند سطح گشتاور، اندازه‌گیری فشار پیشرو و نوع خاکی که از آن عبور می‌کنند را به سیستم‌های ذخیره‌سازی ابری ارسال می‌کنند. این امر به مهندسان اجازه می‌دهد تا در حالی که دستگاه در حال کار است، تنظیمات حفاری را بهینه کنند؛ که این کار در پروژه تونل‌های بزرگ فاضلاب زیر شهر نیویورک، سرعت پیشرفت را حدوداً 22 درصد افزایش داده است. جادوی واقعی در الگوریتم‌های یادگیری ماشین رخ می‌دهد که تشکیلات سنگی و انواع خاک را تحلیل کرده و سپس تنظیمات مناسب دور موتور (RPM) و فشار سیال لجنی مورد نیاز برای شرایط مختلف زمین را پیشنهاد می‌دهند. در عمل، این به معنای اجرای روان‌تر و توقف‌های کمتر در هنگام حرکت تیم‌ها در محیط‌های زیرزمینی پیچیده است.

نگهداری پیش‌بینانه مبتنی بر هوش مصنوعی برای ادامه عملیات

بررسی ارتعاشات ماشین‌آلات و وضعیت سیالات هیدرولیک به سیستم‌های هوش مصنوعی کمک می‌کند تا تشخیص دهند چه زمانی تجهیزات احتمالاً بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ ساعت قبل از خرابی دچار مشکل خواهند شد. توانایی پیش‌بینی این مسائل، توقف‌های غیرمنتظره را حدود دو سوم کاهش می‌دهد که این امر برای پروژه‌های ساخت در شهرها که قوانین سفتی درباره سطح نویز و ساعات کاری دارند، بسیار مهم است. به عنوان مثال، یک پروژه مخابراتی در منطقه کلان‌شهری در سال گذشته را در نظر بگیرید. سیستم هوش مصنوعی آن‌ها در حین بازرسی‌های منظم شبانه، علائم سایش یک یاتاقان اصلی را تشخیص داد. بدون این هشدار زودهنگام، کل عملیات ممکن بود با تأخیر عظیم ۱۴ روزه مواجه شود.

نوآوری‌هایی که ماشین‌آلات میکروتونلزنی مدرن را پیش می‌رانند

طراحی‌های پیشرفته سربرق برای شرایط زمین‌شناسی متنوع

طراحی‌های جدید سر میله‌های حفاری میکرو TBM دارای سیستم‌های ماژولار هستند که به اپراتورها اجازه می‌دهند زوایای برش را بر اساس نیاز تنظیم کنند، همچنین دارای دیسک‌های برش تعویض‌پذیر هستند که در شرایط دشوار ترکیبی از خاک و سنگ، سایش را تا حدود ۴۰٪ کاهش می‌دهند. این موضوع طبق گزارش مجله Tunneling Journal در سال گذشته، بهبود قابل توجهی نسبت به مدل‌های قدیمی با طراحی ثابت محسوب می‌شود. آنچه این دستگاه‌ها را واقعاً متمایز می‌کند، قابلیت دو حالته آنهاست. این دستگاه‌ها قادرند بلافاصله از کار در زمین نرم به حفاری در لایه‌های سنگی سخت تغییر حالت دهند بدون آنکه نیازی به توقف عملیات باشد. این انعطاف‌پذیری در حفاری تونل‌ها زیر خیابان‌های شهری که لایه‌های زیرزمینی از یک نقطه به نقطه دیگر همواره متغیر هستند، کاملاً ضروری است.

سیستم‌های ترکیبی و کارآمد از نظر مصرف انرژی برای پایداری

تولیدکنندگان پیشرو اکنون از سیستم‌های پیشرانه ترکیبی دیزل-الکتریکی استفاده می‌کنند که مصرف سوخت را تا ۲۸٪ کاهش می‌دهند و در عین حال خروجی گشتاور بالا را حفظ می‌کنند. ترمز بازیابی‌کننده، انرژی جنبشی را در هنگام کاهش سرعت جمع‌آوری کرده و آن را برای کاربردهای فرعی مانند پمپاژ لجن مورد استفاده قرار می‌دهد. این پیشرفت‌ها مطابق با اهداف جهانی کاهش کربن هستند و موجب کاهش ۲۲ تن دی‌اکسید کربن در هر کیلومتر حفاری شده می‌شوند.

قابلیت‌های عملیات از راه دور که دقت و ایمنی را افزایش می‌دهند

با هوش مصنوعی در کنترل، اپراتورها اکنون می‌توانند هر جنبه‌ای از عملیات میکرو TBM را دقیقاً از ایستگاه‌های سطحی خود راه‌اندازی کنند و دیگر نیازی به پایین رفتن به داخل تونل‌ها ندارند. این سیستم به طور مداوم آنچه در زیرزمین اتفاق می‌افتد را از طریق داده‌های لحظه‌ای دریافتی از حسگرها نظارت می‌کند. این امر به آن اجازه می‌دهد تا تنظیماتی مانند میزان فشار واردشده در حین پیشروی و سرعت چرخش سر برش را بهینه کند. بر اساس مطالعات اخیر NIOSH در سال 2024، این تنظیمات به دست‌آوردن تراز تقریباً کامل در هنگام نصب کابل‌های فیبر نوری کمک می‌کند — دستیابی به درون تنها ۰٫۴٪ از صافی کامل. خارج کردن کارگران از این مناطق خطرناک زیرزمینی به طور قابل توجهی خطر آسیب‌دیدگی آن‌ها را کاهش می‌دهد. آمار نشان می‌دهد که ما در مورد کاهش حدود سه‌چهارمِ قرار گرفتن در معرض شرایط مضر صحبت می‌کنیم، که این امر تا حد زیادی به حل بسیاری از مسائل ایمنی که OSHA را در صنعت حفاری تونل درگیر نگه داشته است، کمک می‌کند.

ادغام کنترل‌های هوشمند در گردش کارهای MTBM

پنل‌های کنترلی که قادر به تشخیص خودکار مشکلات هستند، اکنون از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای بررسی بیش از ۲۰۰ عامل عملیاتی مختلف استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها می‌توانند در واقع پیش‌بینی کنند که چه زمانی قطعه‌ای ممکن است حداکثر تا ۸۰ ساعت قبل از وقوع خرابی شود. در کارهای ساخت تونل‌های زیرزمینی، سیستم‌های خودکار دوغاب‌ریزی به‌صورت هماهنگ با سرعت حفاری و از طریق دستگاه‌های نظارت بر فشار کار می‌کنند. این امر به جلوگیری از نشست بیش‌ازحد ساختمان‌ها کمک می‌کند، به‌ویژه در مناطقی که لایه‌های رس زیادی در زمین وجود دارد. اعداد و ارقام نیز داستان خود را دارند؛ از اوایل سال ۲۰۲۲، پروژه‌های شهرهای پرجمعیت به‌دلیل به‌کارگیری این فرآیندهای هوشمند، دیگر به‌ندرت با تأخیر مواجه شده‌اند. صحبت از کاهش حدود ۳۴ درصدی آن تأخیرهای آزاردهنده در سراسر مناطق بزرگ‌شهری است.

کاربردها در زیرساخت‌های شهری: کارایی با حداقل اختلال

کاربردهای کلیدی فناوری میکرو TBM

فناوری میکرو TBM به‌طور گسترده برای نصب زیرساخت‌های زیرزمینی حیاتی با حداقل تأثیر روی سطح زمین استفاده می‌شود. کاربردهای اصلی شامل:

• تونل‌های خدماتی برای شبکه‌های آب، فاضلاب و برق
• سیستم‌های زهکشی آب‌های سیلابی برای کاهش سیل‌های شهری
• شبکه‌های کانال‌های مخابراتی حمایت از گسترش 5G
• نصب خطوط لوله گاز در زیر مناطق تاریخی

اندازه کوچک آنها (قطر 0.6 تا 1.5 متر) امکان حرکت در زیر جاده‌ها و ساختمان‌ها را فراهم می‌کند و از حفاری‌های باز یا تقویت سازه‌ها که اختلال‌زا هستند، جلوگیری می‌کند.

کارایی زمانی در محیط‌های شهری شلوغ

در گسترش شبکه مخابراتی مادرید، ماشین‌های حفاری ریز تونل‌زن (Micro TBM) با کار کردن مداوم و بدون مزاحمت در سطح زمین، ۲٫۱ کیلومتر تونل‌گذاری را ۴۰ درصد سریع‌تر از روش‌های باز انجام دادند. داده‌های صنعتی نشان می‌دهد پروژه‌های شهری با استفاده از ماشین‌های Micro TBM ۳۰ تا ۵۰ درصد سریع‌تر از روش‌های حفاری و انفجار به پایان می‌رسند (مجله تونل‌زنی شهری، ۲۰۲۳)، که این امر آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای شهرهایی که هدفشان کاهش بیشترین مزاحمت عمومی است، تبدیل می‌کند.

مهندسی دقیق برای به حداقل رساندن اختلال در سطح زمین

با دقت موقعیت‌یابی در محدوده ±۵ میلی‌متر، ماشین‌های Micro TBM امکان تونل‌گذاری بسیار کنترل‌شده را فراهم می‌کنند، از جمله:

1. عبور ایمن از زیر خطوط متروی فعال با نشست زمین کمتر از ۱ میلی‌متر
2. نصب لوله‌های ۸۰۰ میلی‌متری در عمق ۸ متری زیر بزرگراه‌های شلوغ
3. حرکت در مسیرهای منحنی با شعاعی به کوچکی ۳۰ متر

این دقت منجر به ۷۰ درصد کاهش اختلال در سطح زمین نسبت به روش‌های سنتی می‌شود و در عین حال که زیرساخت‌های تحت‌الزمینی را به‌روز می‌کند، مناظر موجود را حفظ می‌کند.

نمونه‌های عملی: تونل‌های تأسیسات، سیستم‌های آب‌های سیلابی و شبکه‌های مخابراتی

شهر توکیو ۱۲ دستگاه ماشین‌آلات کوچک حفاری تونل به نام Micro TBM را برای نصب حدود ۲۳ کیلومتر لوله فاضلاب زیرزمینی در زیر لایه‌های خاکی به عمق حدود ۱۵ متر به کار گرفت. قابل توجه است که آنها توانستند این پروژه بزرگ را بدون ایجاد اختلالات عمده در زندگی روزمره ساکنان این کلان‌شهر گسترده به اتمام برسانند. خانه برای بیش از ۱۴ میلیون نفر. در همین حال، در لندن، مهندسان با یک دستگاه خاص Micro TBM که تنها ۰٫۹ متر قطر داشت کار کردند و این دستگاه با سرعت ۱۵ متر در روز به طور قابل توجهی در حال پیشروی بود و از میان بنیادهای قدیمی ساختمان‌های دوره ویکتوریایی عبور کرد. این امر باعث شد تا شش هفته کامل از بسته‌شدن‌های ضروری اما آزاردهنده جاده‌ها اجتناب شود. بررسی این مثال‌های واقعی به وضوح نشان می‌دهد که چرا بسیاری از شهرها در حال روی آوردن به این راه‌حل‌های فشرده حفاری تونل هستند تا زیرساخت‌های خود را بدون تخریب خیابان‌ها و ایجاد مشکل برای ساکنان، ارتقا دهند.

مزایای هزینه‌ای، ایمنی و زیست‌محیطی استفاده از Micro TBM

فناوری میکرو تی‌بی‌ام ارائه می‌دهد ۳۰٪ کاهش در هزینه‌های عملیاتی برای پروژه‌های با قطر کوچک (۱٫۵ میلیون یورو)، با کاهش ۴۰٪ در زمان تکمیل در محیط‌های شهری (تحلیل هزینه تونل‌سازی ۲۰۲۳). صرفه‌جویی‌ها ناشی از استفاده دقیق از مواد و کاهش نیاز به نیروی کار است — معمولاً پروژه‌ها به ۶۰٪ کمترین تعداد پرسنل نسبت به روش‌های انفجاری نیاز دارند.

در مقایسه با روش‌های سنتی، میکرو تی‌بی‌ام مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهد:

• ۸۵٪ کاهش در ارتعاشات ، حفاظت از سازه‌های مجاور
• ۹۲٪ کاهش در انتشار ذرات معلق (موسسه پونمون ۲۰۲۳)
• مناطق اختلال سطحی از ۱۵ مترمربع به تنها ۲ مترمربع کاهش می‌یابد؛

از نظر محیط‌زیستی، پروژه‌های میکرو تی‌بی‌ام تولید می‌کنند کاهش ۴۵ درصدی ردپای کربن به دلیل استفاده کارآمد از انرژی و کاهش ۹۸ درصدی حجم ضایعات. سیستم حفاری حلقه‌بسته از آلودگی آب‌های زیرزمینی جلوگیری می‌کند—که به‌ویژه هنگام کار در زیر آبخوان‌های حفاظت‌شده اهمیت بیشتری دارد.

عملکرد ایمنی به‌طور چشمگیری بهبود یافته است، با ۷۳ درصد کاهش تصادفات در محل کارگاه که به عملیات از راه دور و کنترل خودکار فشار نسبت داده می‌شود. این سیستم‌ها قرار گرفتن کارگران در معرض جبهه تونل را حذف می‌کنند و خطر فروپاشی را تا ۶۸ درصد کاهش می‌دهند.

مزایای بلندمدت شامل عمر طولانی‌تر تجهیزات—تشخیص هوش مصنوعی طول عمر قطعات را تا ۳۰ درصد افزایش می‌دهد—و قابلیت استفاده مجدد بالا است، به‌طوری که طراحی ماژولار اجازه می‌دهد تا ۸۵ درصد از قطعات در پروژه‌های مختلف دوباره استفاده شوند. این عوامل با هم منجر به نرخ تکمیل پروژه‌ها تا ۲۲ درصد بیشتر در برنامه‌های چندساله زیرساخت‌های شهری می‌شوند.

بخش سوالات متداول

چیست تی‌بی‌ام میکرو؟

دستگاه حفاری تونل میکرو (Micro TBM) برای پروژه‌های حفاری تونل با قطر کوچک استفاده می‌شود و برای حفر تونل‌هایی با عرض کمتر از ۱٫۵ متر ایده‌آل است.

تفاوت دستگاه Micro TBM با دستگاه‌های TBM معمولی چیست؟

میکرو تی‌بی‌ام‌ها برای فضاهای تنگ طراحی شده‌اند و می‌توان آنها را به صورت از راه دور کنترل کرد. این دستگاه‌ها فشرده و ماژولار هستند، برخلاف تی‌بی‌ام‌های متعارف که نیازمند نقاط ورودی بزرگ و کارگران بیشتری در محل پروژه هستند.

مولفه‌های اصلی یک میکرو تی‌بی‌ام چیست؟

مولفه‌های اصلی شامل یک سر برش چرخان، مکانیزم‌های هیدرولیکی پیشروی، سیستم‌های راهنمایی لیزری و سیستم‌های مدیریت مواد حفاری‌شده است.

مزایای استفاده از میکرو تی‌بی‌ام‌ها چیست؟

میکرو تی‌بی‌ام‌ها دقت بالا، زمان اجرای پروژه کوتاه‌تر، نیاز کمتر به نیروی کار، مزایای زیست‌محیطی مانند ردپای کربن پایین‌تر و ایمنی بهتر به دلیل قابلیت عملیات از راه دور را فراهم می‌کنند.

کاربردهای شهری رایج برای میکرو تی‌بی‌ام‌ها چیست؟

میکرو تی‌بی‌ام‌ها در تونل‌های خدمات، سیستم‌های آب‌های سیلابی، شبکه‌های مخابراتی و نصب خطوط لوله گاز با حداقل اختلال در سطح زمین استفاده می‌شوند.