عواملی که باید در انتخاب ماشین حفاری تونل برای یک پروژه در نظر گرفته شود، چیست؟

شرایط زمین‌شناسی و ژئوتکنیکی که بر انتخاب دستگاه حفاری تونل تأثیر می‌گذارند

ارزیابی خاک، ترکیب سنگ و پایداری زمین

دستگاه‌های حفاری تونل (TBMs) برای عملکرد کارآمد به سازگاری دقیق زمین‌شناسی نیاز دارند. مطالعه‌ای در سال 2023 در Scientific Reports دریافت که 70 درصد توقف‌های دستگاه TBM ناشی از عدم سازگاری زمین‌شناسی است، به‌ویژه در محیط‌های خاک ترکیبی. موارد کلیدی شامل:

• لایه‌های سنگ ساینده باعث سایش سریع‌تر سر برشی نسبت به خاک‌های نرم می‌شود
• formations غنی از رس نیازمند ظرفیت گشتاور بالاتر برای جلوگیری از توقف دستگاه
• مناطق شکسته تنظیمات پشتیبانی زمینی بلادرنگ برای جلوگیری از فروپاشی‌ها

ارزیابی فشار آب زیرزمینی و مناطق گسله

فشار آب زیرزمینی که از ۵ بار فراتر رود می‌تواند یکپارچگی تونل را به خطر بیندازد، در حالی که مناطق گسله خطر فروپاشی را تا ۴۰٪ افزایش می‌دهند. دستگاه‌های حفاری تونل مدرن شامل موارد زیر هستند:

• سنسورهای فشار هوای فوق‌العاده (هیپرباریک) برای تشخیص فوری نفوذ آب
• سیستم‌های گROUTING که در آستانه اختلاف فشار ۳ بار فعال می‌شوند
• ماژول‌های پیش‌غربالگری لرزه‌ای برای نقشه‌برداری از خطوط گسل در شعاع ۱۵ متری مسیر حفاری

مطالعه موردی: سازگار کردن دستگاه‌های حفاری تونل با زمین‌شناسی پیچیده در تونل پایه گوتارد

پروژه گوتارد با ۷۳ مرز زمین‌شناسی مجزا روبرو بود، از جمله:

1. سنگ رسوبی متا بخش‌هایی که به ظرفیت پیشرانش ۴۵۰ کیلونیوتن نیاز داشتند
2. مناطق آب های زیرزمینی فرئاتیک مدیریت شده از طریق سیستم تخلیه آب دو مرحله‌ای
3. ناحیه‌های برشی کاهش یافته از طریق سیستم‌های پوشش قطعه‌ای ماژولار

این تطبیق باعث کاهش ۶۲ درصدی تأخیرهای ناشی از عوامل زمین‌شناسی نسبت به روش‌های متعارف شد و نقش حیاتی بررسی جامع ژئوتکنیکال در انتخاب دستگاه حفاری تونل را نشان می‌دهد.

تطبیق انواع دستگاه‌های حفاری تونل با شرایط زمین

انتخاب دستگاه حفاری تونل (TBM) بهینه مستلزم هماهنگی قابلیت‌های دستگاه با چالش‌های زیرسطحی است.

دستگاه‌های EPB، لجنی و حفاری سنگ‌های سخت: انتخاب بر اساس زمین‌شناسی

دستگاه‌های حفاری تونل تعادل فشار خاک (EPB) در خاک‌های نرم و محیط‌های شهری بهترین عملکرد را دارند و از مواد زمین فشرده برای پایدار نگه داشتن دیواره‌های تونل و کاهش حرکت سطحی به حداقل مقدار استفاده می‌کنند. هنگامی که با شرایط زمین اشباع مواجه هستیم، دستگاه‌های سپر لجنی وارد عمل می‌شوند، زیرا آنها خاک رس بنتونیت را با آب مخلوط می‌کنند تا لجنی ایجاد شود که در مقابل فشار آب زیرزمینی از پایین مقاومت کند. دستگاه‌های حفاری تونل در سنگ‌های سخت که مجهز به برش‌دهنده‌های دیسکی هستند، می‌توانند پیشرفت خوبی در فرماسیون‌های سنگی متراکم داشته باشند، حدود ۱۵ تا شاید حتی ۳۰ متر در روز، بسته به کیفیت سنگ. بر اساس یک مطالعه اخیر منتشر شده در سال ۲۰۲۲، وقتی مهندسان نوع نادرست دستگاه را برای شرایط زمین‌شناسی خاصی انتخاب می‌کنند، پروژه‌ها معمولاً حدود دو سوم بیشتر از مدت پیش‌بینی‌شده تأخیر می‌افتند. این موضوع نشان می‌دهد که چقدر مهم است قبل از شروع کارهای حفاری، به درک عمیقی از آنچه در زیر زمین وجود دارد دست یافت.

دستگاه‌های حفاری تونل چندحالته برای شرایط زمین متغیر و ناهمگن

دستگاه‌های حفاری تونل مدرن ترکیبی، فناوری‌های EPB و سلری را با هم ادغام کرده‌اند و به این ترتیب امکان کار در انواع مختلف سنگ را بدون توقف کل پروژه فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، مطالعه موردی تونل دسترسی گوتارد را در نظر بگیرید. در آنجا مهندسان از دستگاهی استفاده کردند که قادر بود در طول حفاری چندین بار بین حالت‌ها تغییر کند. به طور خاص، این دستگاه حدود ۱۴ بار تنظیمات خود را هنگام عبور از لایه‌های آهکی مخلوط با رسوبات نرم‌تر مارل تغییر داد. این ماشین‌ها مجهز به سنسورهایی هستند که به طور مداوم شرایط زیرزمینی را نظارت می‌کنند. هنگامی که تغییراتی در لایه‌های جلوی خود تشخیص می‌دهند، سیستم به صورت خودکار پارامترهایی مانند گشتاور و پیشرانه را تنظیم می‌کند. این امر منجر به کاهش تقریبی ۴۰ درصدی توقف‌های غیرمنتظره در شرایط چهره ترکیبی پیچیده شده است. مزیت بزرگ دیگری که از طراحی ماژولار سر حفاری به دست می‌آید، این است. به جای اینکه تعویض ابزارها برای سنگ‌های متفاوت هفته‌ها طول بکشد، کارگران اکنون می‌توانند این تغییرات را در عرض حدود دو روز کامل انجام دهند که تأثیر بسیار بزرگی در رعایت زمان‌بندی پروژه‌ها دارد.

ابعاد تونل، همترازی و الزامات عملکرد ماشین

تأثیر عمق، قطر و همترازی تونل بر انتخاب دستگاه حفاری تونل (TBM)

عمق تونل تعیین‌کننده فشار وارد بر آن از سطح زمین است، بدین معنا که دستگاه‌های حفاری تونل نیازمند ساختاری بسیار محکم هستند تا بتوانند در برابر فشارهای بالای ۵ بار مقاومت کنند، به‌ویژه هنگامی که در عمق زیادی از زیرزمین حفاری می‌شود. اندازه دستگاه نیز مهم است. دستگاه‌های بزرگ با قطر بیش از ۱۲ متر معمولاً بهترین عملکرد را در محیط‌های شهری با سیستم تعادل فشار خاک دارند، جایی که نمی‌خواهیم ساختمان‌ها فروبریزند. دستگاه‌های کوچک‌تر با قطر زیر ۶ متر می‌توانند از فناوری حفاری هدایت‌شده برای موقعیت‌یابی دقیق استفاده کنند. هنگامی که تونل‌ها منحنی شکل دارند یا به صورت عمودی بالا/پایین می‌روند، اپراتورها به دستگاه‌هایی نیاز دارند که بتوانند تا حد قابل توجهی خم و تاب بخورند؛ داشتن توانایی پیچش حدود ۸ درجه به این دستگاه‌ها کمک می‌کند تا بدون اینکه از هم بپاشند، تغییرات ارتفاعی پیچیده را مدیریت کنند. مطالعات اخیر در مورد انتهای تونل‌های مستطیلی شکل چیزی جالب را نشان داده‌اند. اگر ارتفاع بیش از ۱٫۵ برابر عرض باشد، احتمال بروز مشکلات ناپایداری حدود ۳۴٪ بیشتر می‌شود. این موضوع توضیح می‌دهد که چرا مهندسان وقت زیادی را صرف طراحی سر حفاری می‌کنند تا با مسیرهای خاص تونل سازگار باشد.

بهینه‌سازی توان، نیروی پیشران و نرخ پیشروی برای افزایش کارایی پروژه

ماشین‌های حفاری تونل امروزی برای حرکت به جلو با سرعت مناسبی در حدود ۱۵ تا ۳۵ میلی‌متر در دقیقه در شرایط زمین ترکیبی، نیازمند نیروی پیشرویی بین ۲۵۰۰ تا ۶۰۰۰ کیلونیوتن هستند. سیستم‌های قدرت باید به اندازه‌ای طراحی شوند که بتوانند گشتاور مورد نیاز سر برشی را فراهم کنند که معمولاً بین ۳ تا ۱۵ مگانیوتن متر متغیر است. هنگام کار در لایه‌های سنگ سخت، مته‌های دیسکی معمولاً با موتورهای ۳۵۰ کیلوواتی با سرعت تقریباً ۵ تا ۶ دور در دقیقه می‌چرخند. وضعیت زمانی که به ماشین‌های تعادل فشار خاک که در خاک‌های نرم‌تر کار می‌کنند می‌رسیم، تفاوت قابل توجهی پیدا می‌کند. این ماشین‌ها بیشتر بر مدیریت فرآیند خارج کردن خاک حفاری متمرکز هستند، بنابراین به ظرفیت گشتاور نوار پیچی خود وابسته‌اند که معمولاً نیازمند گشتاوری بین ۱۲۰ تا ۲۵۰ کیلونیوتن متر است. یافته‌های جالبی از کارهای انجام‌شده در حفاری تونل در خاک نرم در سال ۲۰۱۵ نشان داد که انجام تنظیمات لحظه‌ای روی فشار پیشروی می‌تواند خطاهای جهت‌گیری را نسبت به استفاده از تنظیمات فشار ثابت تقریباً به نصف کاهش دهد. اپراتورهای تونلسازی همواره بین سرعت پیشروی مطلوب و عمر ابزارهای خود تعادل برقرار می‌کنند. مطالعات اخیر در سال ۲۰۲۲ نشان داده‌اند که صرفاً کاهش ۲۰ درصدی دور موتور (RPM) می‌تواند عمر مته‌هایی که در تشکیلات گرانیتی بسیار ساینده کار می‌کنند را دو برابر کند.

ادغام فناوری و کارایی عملیاتی در ماشین‌های حفاری تونل مدرن

ماشین‌های حفاری تونل مدرن (TDMs) اکنون دارای سیستم‌های خودکارسازی و هدایت کمکی هوش مصنوعی هستند که دقت حفاری را بهینه می‌کنند و در عین حال خطای انسانی را کاهش می‌دهند. ابزارهای نظارت لحظه‌ای که در این سیستم‌ها تعبیه شده‌اند، داده‌های زمین‌شناسی را تحلیل کرده و به‌صورت پویا گشتاور سربرقچی و نیروهای پیشروی را تنظیم می‌کنند و دقت ترازبندی را در محدوده ±10 میلی‌متر حتی در لایه‌های ناپایدار حفظ می‌کنند.

سیستم‌های خودکارسازی، هدایت کمکی هوش مصنوعی و نظارت لحظه‌ای

سیستم‌های مدرن هوش مصنوعی قادر به پردازش بیش از 500 خواندن سنسور در هر ثانیه هستند و این امکان را فراهم می‌کنند که رفتار زمین را پیش‌بینی کرده و تنظیمات حفاری را به‌طور متناسب تغییر دهند. این امر در پروژه‌های بزرگی مانند ساخت تونل پایه گوتارد، توقف‌های غیرمنتظره را حدوداً به میزان یک چهارم کاهش داده است. در مورد مدیریت گل حفاری، خودکارسازی سطح فشار را متعادل نگه می‌دارد و این امر در جلوگیری از فروپاشی در شرایط خاک مرطوب کمک شایانی می‌کند. همچنین، سیستم‌های نظارت لحظه‌ای بسیار مؤثر بوده‌اند و مشکلات نشت آب را در مقایسه با روش‌های دستی قدیمی، حدود 40 درصد کاهش داده‌اند. و همچنین قابلیت‌های نگهداری پیش‌بینانه را فراموش نکنید که باعث افزایش عمر تجهیزات می‌شوند و طبق گزارش‌های میدانی چندین شرکت مهندسی، عمر قطعات را تقریباً 30 درصد افزایش می‌دهند.

سیستم‌های تشخیص و کنترل از راه دور برای عملکرد بهتر

مراکز کنترل متمرکز اکنون امکان عملیات از راه دور TBM را فراهم می‌کنند با استفاده از تشخیص‌های مبتنی بر اینترنت اشیا. به عنوان مثال، الگوریتم‌های تحلیل ارتعاش، سایش یاتاقان را ۵۰ ساعت قبل از خرابی تشخیص می‌دهند و امکان تعمیر پیش از وقوع خرابی فراهم می‌شود. یک پروژه آزمایشی در سال ۲۰۲۴ که از سیستم‌های راهنمایی از راه دور استفاده می‌کرد، با بهینه‌سازی تعویض دستگاه برش و خارج‌کردن مواد زائد، به نرخ دسترسی ۹۸٪ در نصب خطوط لوله شهری دست یافت.

این پیشرفت‌ها زمانبندی پروژه‌ها را ۲۰ تا ۳۰ درصد کاهش می‌دهند و همزمان هزینه‌های نیروی کار و حوادث ایمنی را نیز پایین می‌آورند.

هزینه کل مالکیت، نگهداری و انطباق‌پذیری نیروی کار

هزینه‌های چرخه حیات، نیازهای نگهداری و دسترسی به تعمیرات

هزینه کل مالکیت (TCO) یک دستگاه حفاری تونل بسیار فراتر از قیمت اولیه آن است، به‌طوری‌که عملیات و نگهداری (O&M) حدود ۴۵ تا ۶۰ درصد از هزینه‌های عمر مفید را شامل می‌شوند. این موارد شامل موارد زیر است:

• نگهداری دوره‌ای : بازرسی‌های سر مته (۱۲ تا ۱۸ هزار دلار در هر دوره) و تعویض آب‌بندها (سالانه ۷۴۰ هزار تا ۲٫۱ میلیون دلار) جهت جلوگیری از شکست‌های فاجعه‌بار
• تعمیرات غیر برنامه‌ریزی‌شده : تعویض قطعات فرسوده در شرایط سنگ‌های ساینده که می‌تواند تا ۳۰ درصد از بودجه سالانه پروژه را به خود اختصاص دهد
• تأثیر توقف : تأخیرهای یک تا دو هفته‌ای ناشی از خرابی یاتاقان‌ها، کارایی حفاری تونل را ۱۸ تا ۲۲ درصد کاهش می‌دهند

دسترسی به تعمیرات ۲۵ درصد از هزینه‌های نگهداری را در فضاهای محدود کاری تحت تأثیر قرار می‌دهد. طراحی‌های ماژولار با قطعات استاندارد، زمان تعویض قطعات را نسبت به سیستم‌های سفارشی ۴۰ درصد کاهش می‌دهند.

آموزش اپراتور، ویژگی‌های ایمنی و انطباق با مقررات محلی

اپراتورهای ماهر نرخ پیشروی را تا ۱۵٪ افزایش داده و سایش ابزار برش را تا ۲۸٪ کاهش می‌دهند. گواهی‌های اجباری اکنون شامل موارد زیر هستند:

• ۱۲۰ تا ۱۸۰ ساعت آموزش شبیه‌سازی برای عملیات TBM در زمین نرم
• تمرین‌های هفتگی ایمنی شامل خاموش کردن آتش و تخلیه اضطراری
• انطباق با استانداردهای منطقه‌ای مانند دستورالعمل‌های OSHA برای ورود به فضاهای محدود (29 CFR 1926.800)

دستگاه‌های نوین حفاری تونل، سیستم‌های جلوگیری از برخورد (۲۵٪ کاهش حوادث) و نظارت خودکار بر گاز را ادغام کرده‌اند تا با به‌روزرسانی‌های دستورالعمل ماشین‌آلات اتحادیه اروپا در سال ۲۰۲۳ مطابقت داشته باشند. یک پروژه در سال ۲۰۲۳ در اروپای مرکزی نشان داد که برنامه‌های آموزشی تطبیقی، توقف‌های غیر برنامه‌ریزی شده را از طریق تحلیل‌های عملکرد بلادرنگ تا ۳۰٪ کاهش داده‌اند.

‫سوالات متداول‬

عوامل کلیدی مؤثر در انتخاب دستگاه حفاری تونل (TBM) چیست؟

عوامل کلیدی شامل سازگاری زمین‌شناسی مانند ترکیب سنگ، نوع خاک، پایداری زمین، فشار آب زیرزمینی و وجود مناطق گسل است که می‌توانند بر کارایی ماشین و موفقیت کلی پروژه تأثیر بگذارند.

دستگاه‌های حفاری تونل مدرن چگونه با شرایط متغیر زمین کار می‌کنند؟

دستگاه‌های حفاری تونل مدرن، به ویژه مدل‌های ترکیبی، فناوری تعادل فشار خاک (EPB) و سیستم گل حفاری را ادغام کرده‌اند تا بتوانند با انواع مختلف سنگ سازگار شوند و از حسگرهای نظارت لحظه‌ای برای پایش و تنظیمات خودکار استفاده کنند.

ادغام فناوری در دستگاه‌های حفاری تونل چرا مهم است؟

ادغام فناوری مانند سیستم‌های هدایت کمک‌شده با هوش مصنوعی و نظارت لحظه‌ای، دقت در حفاری را افزایش می‌دهد، خطای انسانی را کاهش می‌دهد و کارایی عملیاتی کلی را با تنظیمات پویای سر حفار به‌منظور تراز دقیق بهبود می‌بخشد.

برای اپراتورهای دستگاه حفاری تونل چه نوع آموزشی لازم است؟

به‌طور کلی، اپراتورها موظف به داشتن ۱۲۰ تا ۱۸۰ ساعت آموزش در شبیه‌ساز، شرکت در تمرین‌های ایمنی هفتگی و رعایت استانداردهای ایمنی منطقه‌ای مانند پروتکل‌های ورود به فضاهای محدود OSHA هستند تا عملیات ایمن و کارآمد TBM تضمین شود.