Жоба үшін туннель борудың машинасын таңдау кезінде қарастырылу керек қандай факторлар бар?

Тоннельді бұрғылау машинасын таңдауға әсер ететін геологиялық және геотехникалық жағдайлар

Топырақтың, тау жыныстарының құрамын және жер қабатының тұрақтылығын бағалау

Тоннельді бұрғылау машиналары (TBM) тиімді жұмыс істеу үшін дәл геологиялық сәйкестікті талап етеді. Бір 2023 жылғы зерттеуде Scientific Reports tBM-ның тоқтау уақытының 70%-ы геологиялық сәйкессіздіктен туындайтыны анықталды, әсіресе аралас топырақ ортасында. Негізгі назар аударатын факторларға мыналар жатады:

• Абразивті тау жыныстары жұмсақ топыраққа қарағанда 3 есе тезірек бұрғылау дискісінің тозуына әкеледі
• Сазды көп қабаттар машина тоқтауын болдырмау үшін момент қуатын арттыру қажет
• Сыну аймақтары құлатылудан қашу үшін нақты уақытта жергілікті қолдау талап ететін бейімделу

Жер асты суларының қысымы мен жарықшақ аймақтарын бағалау

5 бардан асатын жер асты суларының қысымы тоннельдің беріктігін бұзуы мүмкін, ал жарықшақ аймақтары құлатылу қаупін 40% арттырады. Қазіргі заманғы ТБМ-дар мыналарды қамтиды:

• Су кіруін дереу анықтау үшін гипербариялық қысым сенсорлары
• 3 бар айырмашылық қысым порогында іске қосылатын цементтеу жүйелері
• Бұрғылау жолының 15 метр шеңберінде жарықшақ сызықтарын карталастыру үшін сейсмикалық алдын-ала тексеру модульдері

Зерттеу жағдайы: Готтхард негізгі тоннеліндегі күрделі геологияға ТБМ-дарды бейімдеу

Готтхард жобасы мыналарды қоса алғанда, 73 әртүрлі геологиялық интерфейстермен кездесті:

1. Мета-шөгінді тау жыныстары 450 кН итеру қабілеті талап етілетін бөліктер
2. Фреатикалық су аймақтары екі сатылы су тарту арқылы басқарылады
3. Жылу аймақтары модульді бөлшекті кірпіш қалау жүйелері арқылы еңселеу

Бұл бейімделу геологиялық кешеуілдерді дәстүрлі әдістермен салыстырғанда 62% қысқартты, бұл тоннель қазғыш машиналарды таңдауда толық геотехникалық зерттеудің маңызды рөлін көрсетеді.

Тоннель қазғыш машиналардың түрлерін жер асты жағдайларына сәйкестендіру

Тоннель қазғыш машина (ТҚМ) таңдау үшін машина мүмкіндіктерін жер асты қиындықтарымен үйлестіру қажет.

EPB, сұйық қоспа және қатты тау жыныстары үшін ТҚМ: Геологияға сәйкес таңдау

Жер қысымының тепе-теңдігін (EPB) қамтамасыз ететін тоннель қазғыш машиналар топырақтың беріктігін сақтау үшін қысылған жер материалдарын пайдаланып, беткі қозғалысты минимум деңгейде ұстайтын жұмсақ топырақтар мен қала жағдайларында ең жақсы нәтиже көрсетеді. Суға насықталған жер жағдайларымен жұмыс істегенде, сулы шаңды қоршау машиналары табандағы су қысымына қарсы тепе-теңдік орнату үшін бентонит сазын судың араласпасымен араластырады. Дискілі кескіштермен жабдықталған қатты тау жыныстары үшін арналған ТБМ-дер тау жынысының сапасына байланысты тәулігіне шамамен 15 метрден, мүмкін, 30 метрге дейін алға жылжуы мүмкін. 2022 жылы жарияланған соңғы зерттеулерге сәйкес, инженерлер белгілі геологиялық жағдайлар үшін машиналардың дұрыс емес түрін таңдаса, жобалар күтілетін уақыттан шамамен екі есе ұзақ кешігеді. Бұл жер астында не жатқанын түсіну қазба жұмыстарын бастамас бұрын қаншалықты маңызды екенін көрсетеді.

Әртүрлі және әркелкі жер жағдайлары үшін көптүрлі ТБМ-дер

Заманауи гибридті тоннель қазғыш машиналар EPB және сұйықтық технологияларын біріктіреді, бүкіл жобаны тоқтатпай-ақ әртүрлі тау жыныстарымен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Готтхард Қол жеткізу Тоннелін мысал ретінде қарастырайық. Онда инженерлер қазу кезінде бірнеше рет режимдерді ауыстыра алатын машина пайдаланды. Нақты айтқанда, ол әктас қабаттары мен жұмсақ марж тұнбаларының қоспасында жұмыс істеген кезде шамамен 14 рет бөлек жағдайларда параметрлерді өзгертті. Бұл машиналар жер астында болып жатқан оқиғаларды тұрақты түрде бақылайтын сенсорлармен жабдықталған. Алдарындағы жердегі өзгерістерді сезген кезде жүйе автоматты түрде момент және итеру сияқты параметрлерді реттейді. Бұл күрделі аралас беттік жағдайлармен жұмыс істегенде күтпеген тоқтаулар санын шамамен 40% -ға дейін төмендетті. Тағы бір үлкен артықшылық модульді кескіш басының дизайнынан туындайды. Әртүрлі тау жыныстары үшін құралдарды ауыстыру үшін аптамен уақыт жұмсамай, енді бригадалар осындай өзгерістерді тек қана екі күн ішінде аяқтай алады, бұл жобаларды уақытында орындауда үлкен айырмашылық жасайды.

Тоннель өлшемдері, бағытталуы және машина өнімділігі талаптары

ТБҚ таңдауға тоннельдің тереңдігі, диаметрі мен бағытталуының әсері

Тоннельдің қаншалықты тереңдікке дейін созылуы оның түсірілетін жер қысымын анықтайды, бұл өте терең жерлерді қазған кезде 5 бардан астам қысымды шыдай алатындай етіп, тоннель қазатын машиналардың қосымша берік құрылысы қажет екенін білдіреді. Көлем де маңызды. 12 метрден кең машиналар әдетте ғимараттардың шөгіп кетуін қаламайтын қалалық орталарда жер қысымын теңестіру жүйелерімен жұмыс істеуге қолайлы. Ал 6 метрден кіші машиналар нақты орын ауыстыруды қамтамасыз ететін бағытталған құралау технологиясымен шектелуі мүмкін. Тоннельдер иілгенде немесе тік жоғары/төмен бағытталғанда, операторлар бөлшектерін сындырмай-ақ күрделі биіктік өзгерістерін басқару үшін шамамен 8 градус иілу мен бұралу қабілеті бар машиналарға ия болады. Тікбұрышты пішіндегі тоннель соңына зерттеулер жүргізген кезде қызықты нәтиже алынды. Егер биіктігі енінен 1,5 еседен артық болса, тұрақсыздық проблемаларының пайда болу ықтималдығы шамамен 34% жоғары болады. Сондықтан инженерлер белгілі бір тоннель жолдарына сәйкес келетін қию басын жобалауға көп уақыт жұмсайды.

Жобаның тиімділігі үшін Қуат, Итеру және Алға Жылжу Жылдамдығының Оптимизациялануы

Қазіргі тоннель қазғыш машиналардың аралас жерлермен жұмыс істеген кезде минутына шамамен 15-35 миллиметр жақсы жылдамдықпен алға қарай қозғала беруі үшін 2,500-6,000 килоньютондық итеру күшіне мұқтажы болады. Күштік жүйелер орамалардың басының бұрау моментінің талаптарына сәйкес дұрыс өлшемделуі керек, бұл әдетте 3-15 меганьютон метр аралығында болады. Қатты тау жыныстары арқылы жұмыс істегенде, дискілі кескіштер әдетте 350 киловатт қозғалтқыштарымен қамтамасыз етілген 5-6 айналым сағатына тең жылдамдықпен айналады. Жұмсақ топырақта жұмыс істейтін топырақ қысымын тепе-теңдікте ұстау машиналарын қарастырған кезде жағдайлар мүлде өзгереді. Бұл машиналар қоқысты шығару процесін басқаруға көбірек назар аударады, сондықтан олар әдетте 120-ден 250 килоньютон метрге дейінгі бұрау моменті қабілетіне ие болатын винтті конвейерлерге негізгі сүйенеді. 2015 жылы жұмсақ топырақта тоннель қазу бойынша жүргізілген зерттеулердің қызықты нәтижелері көрсеткенінше, бағытталған қателіктерді тұрақты қысымдық параметрлерді сақтауға қарағанда жартыға дейін қысқарту үшін итеру қысымын нақты уақыт режимінде реттеу керек. Тоннель операторлары әрқашан жерді қаншалықты тез басып өтулері мен құралдарының қанша уақыт жұмыс істейтіні арасындағы теңдестікті сақтайды. 2022 жылғы соңғы зерттеулер қатты үйлесімсіз гранитті формацияларда жұмыс істейтін кескіштердің қызмет ету мерзімін шынымен екі есе арттыру үшін RPM-ді 20% төмендету жеткілікті екенін көрсетті.

Қазіргі тоннель құралдарындағы технологиялық интеграция мен жұмыс өнімділігі

Қазіргі заманның тоннель бұрғылау машиналары (TDMs) енді автоматтандыру және жасанды интеллект көмегімен басқару жүйелерін қамтиды, бұл жер астындағы жұмыстардың дәлдігін арттырады және адамзат қатесін азайтады. Осы жүйелерге ендірілген нақты уақытта бақылау құралдары геологиялық деректерді талдап, кескіш басының айналу моменті мен итеру күштерін динамикалық түрде реттейді, тұрақсыз қабаттарда да ±10 мм-ге дейінгі дәлдікті қамтамасыз етеді.

Автоматтандыру, Жасанды Интеллект Көмегімен Басқару және Нақты Уақытта Бақылау Жүйелері

Қазіргі заманғы жасанды интеллект жүйелері секундына 500-ден астам сенсорлық көрсеткішті өңдей алады, жердің қалай әлсірейтінін болжауға және оған сәйкес тесу параметрлерін реттеуге мүмкіндік береді. Бұл Готтхард негізгі тоннелі сияқты ірі жобаларда күтпеген тоқтап қалуларды шамамен төрттен бір бөлігіне дейін азайтты. Сорпа менеджментіне келетін болсақ, автоматтандыру қысым деңгейлерін тепе-теңдікте ұстайды, бұл ылғалды топырақ жағдайларында жұмыс істегенде құлдырауға кедергі жасайды. Нақты уақыт режиміндегі бақылау жүйелері де өте тиімді болып шықты, ескі, қолмен басқарылатын әдістермен салыстырғанда су өткізбеушілік мәселелерін шамамен 40 пайызға дейін азайтты. Сонымен қатар, болжау негізіндегі техникалық қызмет көрсету функцияларын да ұмытпау керек, олар жабдықтардың ұзағырақ жұмыс істеуін қамтамасыз етеді, инженерлік фирмалардың деректері бойынша бөлшектердің қызмет ету мерзімі шамамен 30 пайызға ұзартылды.

Өнімділікті арттыру үшін қашықтан диагностикалау және басқару жүйелері

Орталықтандырылған басқару орындары қазір tBM-ды қашықтан басқаруға мүмкіндік береді ioT-мен қамтамасыз етілген диагностика қолдану арқылы. Мысалы, тербеліс талдау алгоритмдері ашықжарғыштың 50 сағат бұрын майлануын анықтайды, бұл уақытынан бұрын жөндеуге мүмкіндік береді. Қашқын өзектерді ауыстыруды және қоқысты шығаруды жеңілдету арқылы 2024 жылғы пилоттық жоба қалалық құбырлардың орнатылуы кезінде 98% жұмыс істеу уақытын қамтамасыз етті.

Бұл жаңалықтар жобаның уақыт шеңберін 20–30% қысқартып, сонымен қатар еңбекақы шығындары мен қауіпсіздікке байланысты оқиғаларды төмендетеді.

Иелік құрылғысының жалпы құны, техникалық қызмет көрсету және жұмысшылардың бейімделуі

Жұмыс істеу мерзімі бойынша шығындар, техникалық қызмет көрсету қажеттілігі және жөндеуге қол жетімділік

Тоннель қазу машинасының иелік құрылғысының жалпы құны (TCO) бастапқы бағасынан әлдеқайда асып түседі, ал пайдалану және техникалық қызмет көрсету (O&M) барлық кезеңдегі шығындардың 45–60% құрайды. Оған мыналар жатады:

• Периодтық техникалық қызмет : Катастрофалық істен шығуларды болдырмау үшін интервал сайын өткізілетін қырқыш дискілерді тексеру ($12 мың – $18 мың) және сальниктерді ауыстыру ($740 мың – $2,1 млн жылына)
• Жоспарланбаған жөндеу жұмыстары : Абразивті тау жыныстарында қосалқы бөлшектерді ауыстыру жылдық жоба бюджетінің 30% дейінгі мөлшерде шығын әкелуі мүмкін
• Тоқтап тұру әсері : Подшипниктердің істен шығуынан 1–2 аптаға созылатын кешігу тоннель қазу тиімділігін 18–22% төмендетеді

Тұйық жұмыс аймақтарында жөндеу қолжетімділігі техникалық қызмет көрсетудің 25% шығынын құрайды. Стандартталған компоненттері бар модульді конструкциялар компоненттерді ауыстыру уақытын тиесілі жүйелерге қарағанда 40% қысқартады.

Операторларды оқыту, қауіпсіздік ерекшеліктері және жергілікті нормативтік талаптарға сәйкестік

Білікті операторлар алға жылжу жылдамдығын 15% арттырады және кескіш құралдардың тозуын 28% азайтады. Міндетті сертификаттау талап етеді:

• жұмсақ жерлерде TBM жұмыстары үшін 120–180 сағаттық симуляторлық оқыту
• Өрт сөндіру және авариялық эвакуацияны қамтитын әр аптасына бір рет өткізілетін қауіпсіздік жаттығулары
• OSHA-ның тұйық кеңістікке кіру протоколдары (29 CFR 1926.800) сияқты аймақтық стандарттарға сәйкестік

Қазіргі заманғы тоннельді тесу машиналары соқтығысудан сақтандыру жүйелерін (инциденттер 25% аз) және ЕО Машиналар Директивасының 2023 жылғы жаңартылған талаптарына сай болу үшін автоматтандырылған газ бақылау жүйелерін ықпалдасырады. Орталық Еуропадағы 2023 жылғы жоба адаптивті оқыту бағдарламалары нақты уақыт режиміндегі өнімділік аналитикасы арқылы күтпеген тоқтап қалуларды 30% қысқартатынын көрсетті.

Жиі қойылатын сұрақтар

Тоннель қазатын машиналарды (TBM) таңдауды қандай негізгі факторлар әсер етеді?

Негізгі факторларға тау жыныстарының құрамы, топырақ түрі, жердің тұрақтылығы, су қысымы және сынғақ аймақтардың болуы сияқты геологиялық сәйкестік жатады, бұл машина тиімділігіне және жобаның жалпы сәттілігіне әсер етуі мүмкін.

Қазіргі заманғы ТҚМ айнымалы жер жағдайларымен қалай жұмыс істейді?

Әсіресе гибридті модельдер болып табылатын қазіргі заманғы тоннель қазатын машиналар әртүрлі тау жыныстарына бейімделу үшін Жер Қысымын Тепе-теңдікте Сақтау (EPB) және сұйық қоспалар технологияларын біріктіреді және бақылау үшін нақты уақыттағы сенсорларды пайдаланып, автоматты түзетулер жасайды.

ТҚМ-да технологияларды интеграциялау неге маңызды?

Жасанды интеллект көмегімен басқару жүйелері мен нақты уақыттағы бақылау сияқты технологияларды интеграциялау қазуда дәлдікті арттырады, адамзаттық қателерді азайтады және қатаң туралау үшін фрезерлеу басының параметрлерін динамикалық түрде реттеу арқылы жалпы жұмыс тиімділігін арттырады.

ТҚМ операторлары үшін қандай дайындық қажет?

Операторларға жалпы алғанда 120-180 сағаттық симуляторлық дайындықтан өту, әр аптасына бір рет қауіпсіздік бойынша жаттығуларға қатысу және TBM-мен жұмыс істеу кезінде тиімділік пен қауіпсіздікті қамтамасыз ету үшін OSHA-ның шектеулі кеңістікке кіру сияқты аймақтық қауіпсіздік стандарттарына бағыну қажет.