Koje čimbenike treba uzeti u obzir prilikom odabira stroja za vrtanje tunela za projekt?

Geološki i geotehnički uvjeti koji utječu na odabir stroja za bušenje tunela

Procjena sastava tla, stijene i stabilnosti tla

Strojevi za bušenje tunela (TBM) za učinkovit rad zahtijevaju točnu geološku kompatibilnost. Istraživanje iz 2023. godine u Znanstveni izvještaji otkrilo je da 70% vremena neaktivnosti TBM-a proizlazi iz geološke nekompatibilnosti, osobito u slojevitim tlima. Ključni aspekti uključuju:

• Abrasivni slojevi stijene uzrokuju 3 puta brže trošenje glave rezaca u usporedbi s mekim tlima
• Formacije bogate glinom zahtijevaju povećanu okretnu silu kako bi se spriječio zastoj stroja
• Pukotine u stijenama zahtjevne prilagodbe podrške tlu u stvarnom vremenu kako bi se izbjegli urušavanja

Procjena tlaka podzemne vode i zon loma

Tlak podzemne vode koji premašuje 5 bara može ugroziti integritet tunela, dok zone loma povećavaju rizik od urušavanja za 40%. Savremeni TBMs uključuju:

• Hiperbarni senzori tlaka za trenutno otkrivanje prodora vode
• Sustave za injektiranje aktivirane pri razlici tlaka od 3 bara
• Seizmičke module za prethodno skeniranje za mapiranje linija loma unutar 15 metara trase bušenja

Studijski slučaj: Prilagodba TBM-ova složenoj geologiji u bazičnom tunelu Gotthard

Projekt Gotthard suočio se s 73 različita geološka sučelja, uključujući:

1. Meta-sedimentarne stijene dionice koje zahtijevaju nosivost potiska od 450 kN
2. Zone freatske vode upravljanje putem dvostupanjskog odvodnjavanja
3. Zonе smicanja ublažavanje putem modularnih segmentnih obloga

Ova prilagodba smanjila je geološke zadrške za 62% u usporedbi s konvencionalnim metodama, što pokazuje ključnu ulogu sveobuhvatne geotehničke istraživanja pri odabiru stroja za bušenje tunela.

Prilagođavanje tipova strojeva za bušenje tunela uvjetima tla

Odabir optimalnog stroja za bušenje tunela (TBM) zahtijeva usklađivanje mogućnosti stroja s izazovima podzemlja.

EPB, mulj i TBM za tvrdo stijenje: Odabir na temelju geologije

Tunelske bušilice s ravnotežom tlaka zemlje (EPB) najbolje rade u mekim tlima i urbanih područjima, gdje koriste komprimirani zemljani materijal za održavanje stabilnosti tunelskih zidova i minimalizaciju pomaka na površini. Kada se radi u vodom zasićenim tlima, prevladavaju mašine s tekućim oklopom jer miješaju bentonitnu glinu s vodom kako bi stvorile smjesu koja uravnotežuje tlak podzemne vode iz donjih slojeva. TBMs opremljeni diskastim reznicima za tvrdu stijenu mogu ostvariti dobar napredak kroz čvrste stijenske formacije, otprilike od 15 do čak 30 metara dnevno, ovisno o kvaliteti stijene. Prema nedavnoj studiji objavljenoj 2022. godine, kada inženjeri odaberu pogrešan tip stroja za specifične geološke uvjete, projekti se obično kašnje za otprilike dvije trećine duže nego što je predviđeno. To ističe koliko je važno temeljito razumjeti što se nalazi ispod prije početka radova na iskapanju.

Multimodalni TBM-ovi za varijabilne i heterogene geološke uvjete

Suvremene hibridne strojeve za bušenje tunela kombiniraju tehnologije EPB i mulja, što im omogućuje obradu različitih tipova stijena bez zaustavljanja cijelog projekta. Uzmimo Gotthard pristupni tunel kao primjer studije slučaja. Tamo su inženjeri koristili stroj koji je mogao više puta mijenjati načine rada tijekom iskapanja. Konkretno, promijenio je postavke oko 14 zasebnih slučajeva dok je radio kroz slojeve vapnenca pomiješane s mekšim naslagama glinca. Ovi strojevi opremljeni su senzorima koji neprestano nadziru što se događa ispod zemlje. Kada otkriju promjene u tlu ispred, sustav automatski prilagođava stvari poput okretnog momenta i potiska. To je dovelo do otprilike 40% smanjenja neočekivanih zaustavljanja kod rada u zahtjevnim uvjetima miješanih lica. Još jedna velika prednost proizlazi iz modularnih dizajna rezivača. Umjesto da troše tjedne za zamjenu alata za različite formacije stijena, ekipa sada može dovršiti te promjene u samo oko dva dana, što čini ogromnu razliku u održavanju rokova projekta.

Dimenzije tunela, poravnanje i zahtjevi za performanse stroja

Utjecaj dubine, promjera i poravnanja tunela na odabir TBM-a

Dubina do koje tunel ide određuje tlak tla kojem je izložen, što znači da strojevi za bušenje tunela trebaju izuzetno čvrstu konstrukciju kako bi izdržali tlak veći od 5 bara prilikom kopanja vrlo duboko pod zemljom. Važna je i veličina. Veliki strojevi širi od 12 metara obično najbolje rade s sustavima ravnoteže tlaka tla u gradskim područjima gdje ne želimo da zgrade propadnu. Manji strojevi, širi ispod 6 metara, mogu koristiti tehnologiju vođenog bušenja za precizno pozicioniranje. Kada se tuneli zakrivljuju ili idu ravno prema gore/dolje, operaterima su potrebni strojevi koji se mogu znatno savijati i uvijati – sposobnost okretanja od oko 8 stupnjeva pomaže im da upravljaju tim zahtjevnim promjenama nadmorske visine bez raspucavanja. Nedavne studije o tunelskim dijelovima pravokutnog oblika pokazale su nešto zanimljivo. Ako je visina više od 1,5 puta veća od širine, postoji otprilike 34% veća vjerojatnost pojave problema nestabilnosti. To objašnjava zašto inženjeri provode toliko vremena na projektiranju sektora koji odgovaraju specifičnim tunelskim putanjama.

Optimizacija snage, potiska i brzine napredovanja za učinkovitost projekta

Današnji strojevi za bušenje tunela trebaju između 2.500 i 6.000 kilonjutna potiskne sile samo da bi se održala prihvatljiva brzina kretanja od oko 15 do 35 milimetara u minuti u slučaju miješanih geoloških uvjeta. Energetski sustavi moraju biti dimenzionirani prema zahtjevima okretnog momenta rezne glave, koji obično varira od 3 do 15 meganjonmetara. Kada se radi kroz tvrde stijenske formacije, diskaste glave obično se okreću brzinom od 5 do 6 okretaja u minuti, pogonjene motorima od 350 kilovata. Situacija se znatno mijenja kada se promatraju strojevi za uravnoteženje tlaka tla koji rade na mekšim tlima. Ovi strojevi više se usredotočuju na upravljanje procesom uklanjanja iskopanog materijala, pa u velikoj mjeri ovise o okretnom momentu svojih vijčanih transporterima, koji općenito zahtijevaju između 120 i 250 kilonjutmetara. Nekoliko zanimljivih nalaza iz istraživanja provedenih 2015. godine u tuneliranju na mekim tlima pokazalo je da prilagodba tlaka potiska u stvarnom vremenu može smanjiti pogreške u smjeru skoro za polovicu u usporedbi s korištenjem fiksnih postavki tlaka. Operatori tunela uvijek hodaju po tankoj crti između željene brzine prodiranja kroz tlo i vijeka trajanja alata. Nedavne studije iz 2022. godine pokazuju da jednostavno smanjenje broja okretaja za 20% zapravo može udvostručiti vijek trajanja rezaca koji rade na jako abrazivnim granitskim formacijama.

Integracija tehnologije i operativna učinkovitost u modernim strojevima za bušenje tunela

Moderni strojevi za bušenje tunela (TDM) sada imaju automatizaciju i AI-pomoćne sustave vođenja koji optimiziraju točnost iskapanja i smanjuju ljudske pogreške. Alati za nadzor u stvarnom vremenu ugrađeni u ove sustave analiziraju geološke podatke kako bi dinamički prilagodili okretni moment glave za rezanje i potisne sile, osiguravajući preciznost poravnanja unutar ±10 mm čak i u nestabilnim slojevima.

Automatizacija, AI-pomoćni sustavi vođenja i sustavi nadzora u stvarnom vremenu

Suvremeni AI sustavi mogu obraditi više od 500 očitanja senzora svake sekunde, što im omogućuje predviđanje ponašanja tla i prilagođavanje postavki bušenja u skladu s tim. To je u stvarnosti smanjilo neočekivane zaustavljanja za otprilike jednu četvrtinu na velikim projektima poput izgradnje Gotthard Base Tunnela. Kada je riječ o upravljanju muljem, automatizacija održava uravnotežene razine tlaka, što pomaže u sprečavanju urušavanja pri radu u vlažnim tlima. Sustavi za nadzor u stvarnom vremenu također su pokazali izuzetnu učinkovitost, smanjujući probleme s prodorom vode za oko 40 posto u usporedbi s tradicionalnim ručnim tehnikama. I ne smijemo zaboraviti na funkcije prediktivnog održavanja koje osiguravaju duži radni vijek opreme, produžavajući vijek trajanja dijelova za otprilike 30 posto, prema izvještajima s terena iz više inženjerskih tvrtki.

Udaljene dijagnostičke i kontrolne sustave za poboljšanu performansu

Središnji kontrolni centri sada omogućuju udaljeno upravljanje TBM-om korištenjem dijagnostike omogućene IoT-om. Na primjer, algoritmi za analizu vibracija otkrivaju trošenje ležajeva 50 sati prije kvara, omogućujući preventivne popravke. Pilot projekt iz 2024. godine koji je koristio sustave daljinskog vođenja postigao je 98% dostupnosti tijekom ugradnje gradske cjevovoda pojednostavljenjem zamjene rezaca i uklanjanja otpadnog materijala.

Ova napredovanja skraćuju vremenske okvire projekta za 20–30%, smanjujući istovremeno troškove rada i slučajeve nesreća.

Ukupni trošak posjedovanja, održavanje i prilagodljivost radne snage

Troškovi životnog ciklusa, potrebe za održavanjem i dostupnost popravaka

Ukupni trošak posjedovanja (TCO) stroja za bušenje tunela znatno nadilazi njegovu početnu cijenu, pri čemu operacije i održavanje (O&M) čine 45–60% troškova tijekom vijeka trajanja. To uključuje:

• Redovna održavanja : Provjere glave rezaca (12.000 – 18.000 USD po intervalu) i zamjena brtvila (740.000 – 2,1 milijuna USD godišnje) kako bi se spriječili katastrofalni kvarovi
• Nepredviđeni popravci : Zamjena dijelova podložnih habanju u uvjetima abrazivne stijene, što može koštati do 30% godišnjeg budžeta projekta
• Posljedice prostoja : Kašnjenje od 1–2 tjedna zbog kvarova ležajeva smanjuje učinkovitost bušenja tunela za 18–22%

Dostupnost popravaka čini 25% troškova održavanja u ograničenim radnim prostorima. Modularni dizajni sa standardiziranim komponentama smanjuju vrijeme zamjene komponenti za 40% u usporedbi s pojedinačnim sustavima.

Obuka operatora, sigurnosne značajke i sukladnost s lokalnim propisima

Vješti operatori povećavaju napredovanje za 15% dok smanjuju trošenje alata za rezanje za 28%. Obavezne certifikacije sada zahtijevaju:

• 120–180 sati obuke na simulatoru za rad TBM-a u mekanom tlu
• Tjedni vježbi evakuacije u slučaju požara i hitnih slučajeva
• Sukladnost s regionalnim standardima poput OSHA-ovih protokola za ulazak u ograničene prostore (29 CFR 1926.800)

Suvremeni strojevi za bušenje tunela integriraju sustave za izbjegavanje sudara (25% manje incidenta) i automatsko nadziranje plinova kako bi ispunili ažuriranja Europske direktive o strojevima iz 2023. godine. Projekt iz 2023. godine u Srednjoj Europi pokazao je da prilagodljivi programi obuke smanjuju neplanirani prestanak rada za 30% kroz analitiku stvarnog vremena.

Česta pitanja

Koji su ključni faktori koji utječu na odabir stroja za bušenje tunela (TBM)?

Ključni faktori uključuju geološku kompatibilnost poput sastava stijene, vrste tla, stabilnosti tla, tlaka podzemne vode i prisutnosti zonama loma, što može utjecati na učinkovitost stroja i opći uspjeh projekta.

Kako suvremeni TBM-ovi rade s promjenjivim uvjetima tla?

Suvremeni strojevi za bušenje tunela, posebno hibridni modeli, integriraju tehnologije ravnoteže tlaka tla (EPB) i mulja kako bi se prilagodili različitim tipovima stijena, koristeći senzore u realnom vremenu za nadzor i automatske prilagodbe.

Zašto je integracija tehnologije važna kod TBM-ova?

Integracija tehnologije, poput AI-potpomognutih sustava vođenja i nadzora u realnom vremenu, poboljšava točnost iskapanja, smanjuje ljudske pogreške i povećava ukupnu operativnu učinkovitost dinamičkom prilagodbom postavki rezanja za točno poravnanje.

Koja obuka je potrebna za operatere TBM-a?

Operatorima se općenito naređuje da imaju 120-180 sati obuke na simulatoru, te da svakog tjedna provode vježbe sigurnosti i poštuju regionalne standarde sigurnosti, poput OSHA-ovih protokola za ulazak u ograničene prostore, kako bi se osigurale učinkovite i sigurne operacije TBM-a.