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

Геологиялық жағдайлар: Топырақ тұрақтылығы, тау жыныстарының қаттылығы және су әсері

Тоннель қазатын машиналарды таңдау үшін жер бетінің геологиялық және геотехникалық талдауын бағалау

2023 жылғы соңғы геологиялық зерттеулерге сәйкес, жердің құрамын толық тексерген құрылыс бригадаларында тоннель қазу жұмыстарының кешігуі шамамен 62% төмендеді. Тоннель қазғыш машиналарды таңдаған кезде инженерлер жер асты қабаттарының қаншалықты жарылғанын, жердің пластикалық көрсеткіштерін және су деңгейінің өткен уақыттағы қозғалыс үлгілерін тексеруі қажет. Бұл дұрыс болуы машиналарды нақты жер асты жағдайларына сәйкестендіруге көмектеседі. Барлық осы ақпаратты пайдалану машиналардың төменде күтпеген қиындықтарға тап болмай, дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар бұл бүкіл жобаның жалпы уақыт шеңберін бақылауға мүмкіндік береді.

Жер мен тау жыныстарының құрамының тоннельді қазу машиналарының жұмысына әсері

Тау жыныстарының қаттылығы мен топырақтың үйкеліске төзімділігі тоннель қазатын машиналардың жұмыс істеуіне және уақыт өте келе олардың тозуына үлкен әсер етеді. Қысым беріктігі 150 МПа-дан жоғары болатын өте қатты гранитпен жұмыс істегенде, бұл машиналар шамамен 380 кН/см² итеру күшін қолдана алатын кескіш бас бөліктерге ие болуы керек. Бұл көрсеткіш жұмсақ саздан жасалған топырақтарды өңдегенде қажетті күштен шамамен 45 пайызға артық. Енді бір мәселе аллювиалды шөгінділердегі үлкен тастардың кездесуінен туындайды. Мұндай жағдайлар дискілі кескіштердің біркелкі сланецті қабаттарда жұмыс істегендегіден шамамен 32 пайызға тезірек тозуына әкеледі. Осындай тозу жөндеу бригадаларының жұмысты жиі тоқтатып, жабдық зақымдануын жоюға қосымша ақша жұмсауын талап етеді. Мұндай қиындықтарға тап болған жобалар үшін кескіш құралдары мықтырақ және қазу кезінде жағдайлар өзгерген сайын итеру қысымын реттей алатын жүйелері бар машиналарға инвестиция салу маңызды.

Жұмсақ жерде тоннель қазуда су асты суларының болуы мен қысымын бағалау

30 литрден астам су өткізгіштігі бар ластанған топырақтардың болуы инженерлердің тоннель қазатын машиналарды (ТҚМ) пайдалануын қажет етеді, әйтпесе қазылатын бет толығымен құлап кетуі мүмкін. Гидравликалық қысым 2,5 бардан жоғары болған кезде жағдай одан да күрделенеді. Дәл осы сәтте тоннель қазу кезінде тұрақтылықты сақтау үшін бентонитті енгізу жүйелері маңызды рөл атқарады. Бұл қалалық аймақтарда ерекше маңызды, себебі күтпеген су ағыны жақын орналасқан ғимараттарға, жолдарға немесе жер асты коммуникацияларына зиян келтіруі мүмкін. Су асты суларын тиімді басқару тек қана жұмысшылардың қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін ғана емес, сонымен қатар жабдықтың тоқтап тұруын немесе құрылымның бұзылуын тұрақсыз қылып, құрылыс бригадаларының ылғалды топырақ қабаттары арқылы қаншалықты тез ілгерілей алатынын туындатады.

Тоннель қазатын машиналардың жұмыс істеуі үшін аралас жер жағдайларының қиындықтары

Тоннель қазатын машиналар жұмсақ топырақтан қатты жынысқа өткенде, олардың жылдамдығы біраз төмендейді. Саланың деректері бойынша, мұндай ауысулар орташа алға жылжу жылдамдығын шамамен 27% азайтуы мүмкін. Жақсы жағы – арнайы гибридті кескіштері бар модульді ТБМ-дер әрекеттесуші жерлерде шынымен жақсырақ жұмыс істейді. Бұл машиналар қиын материалдарды сындыру үшін рипперлер мен тегіс бөліктерді кесу үшін дискілі кескіштерді қолданады, бұл құмтастың және саздың қабаттарымен жұмыс істеген кезде тиімділікті шамамен 18% арттырады. Инженерлер мұндай икемді конструкцияларды бағалайды, себебі олар күрделі жыныстар арқылы қазу кезінде туындайтын тұрақсыздық пен болжамсыздыққа баса назар аударуға көмектеседі.

Тоннель қазатын машиналар (ТБМ) түрлері: EPB, Slurry, Shield және Multimodal нұсқалар

Жобаның қажеттіліктеріне негізделген ТБМ түрлерін және таңдау критерийлерін түсіну

Тоннельді қазатын машина таңдағанда инженерлер әдетте үш негізгі нәрсені ескереді: қандай жерде жұмыс істейтіні, жобаның көлемі және қолданылуы мүмкін экологиялық шектеулер. Соңғы жылдары құрылыс компанияларының хабарлауынша, EPB машиналары әлемдегі метрополитен салу жұмыстарының шамамен 62% үлесін құрайтын, қалалардың жұмсақ жерлерінде тоннель қазу үшін негізгі таңдау болып табылады. Топырақ ылғалды және суға насық болатын жерлерде суспензиялы ТБМ-дер жақсырақ жұмыс істейді, ал қатты тау жыныстары арқылы жұмыс істегенде қатты тау жыныстары үшін арналған нұсқалар үздік нәтиже көрсетеді. Көпфункционалды ТБМ-дер стандартты модельдерге қарағанда бастапқы кезде шамамен 15-20% қымбат болады, бірақ бұл қосымша инвестиция уақыт өте жемқор болады, себебі бұл көпфункционалды машиналар қазу кезінде әртүрлі материалдарға кездескенде момент пен итеру параметрлерін нақты түзете алады, бұл болжамсыз жергілікті жағдайлармен байланысты қауіптерді минималдандыруға көмектеседі.

EPB, шайыр және қатты тау жыныстарын өңдейтін ТБМ: Тоннельді бұрғылау машиналарын жергілікті жағдайларға сәйкестендіру

Жер қысымын теңгеретін тоннель бұрғылау машиналары (EPB) қазылып жатқан топырақ қысымы мен машина камерасының ішкі қысымын теңестіру арқылы қазба алдындағы беткейді тұрақтандырады. Бұл оларды саздан және шаңдайынан тұратын желімді топырақта өте жақсы жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Су астындағы тоннель жобалары үшін шайыр жүйелері қолданылады. Бұл жүйелер бентонитті сазды сумен қысым жасап, герметикалық бекітпе жасайды. Жер асты суларының сүзілуі тереңде үлкен проблема болып табылады және осындай мәселелерді шешу өткен жылғы Ponemon зерттеуі бойынша 740 мыңнан аса доллар тұруы мүмкін. Гранит немесе базальт сияқты қатты тау жыныстарымен жұмыс істегенде басқа машиналар қажет. Қатты тау жыныстары үшін арналған ТБМ-дерде шамамен 250 мегапаскаль қысымға шыдайтын вольфрам карбидті дискті кескіштері бар. Бұл берік кішкене құралдар операторларға тиімділікті жоғалтпай-ақ ең қатты тау жыныстарының қабаттары арқылы өтуге мүмкіндік береді.

Күрделі немесе әртекті геологиялар үшін көптүрлі және айнымалы тығыздықтағы ТБМ-дар

Топырақ пен тау жыныстарының қабаттары үнемі өзгеріп отыратын құрылыс алаңдарымен жұмыс істегенде, бұл көлденең елдің теміржол жобаларының шамамен 38 пайызында кездесетін құбылыс, көптүрлі тоннель қазғыш машиналар шынымен тиімді. Мұндай машиналардың ерекшелігі олардың өздерінің астындағы жер құрамы өзгерген сайын топырақ қысымының тепе-теңдігі режимінен сұйықтықтық режиміне ауыса алу қабілетінде. Кейбір алдыңғы қатарлы модельдерге айнымалы тығыздық жүйелері де қосылады. Бұл жүйелер кесуші басының жылдамдығын реттеп және сұйықтық қоспасының қоюлығын нақты уақытта өзгерте отырып, ақылды жұмыс істейді. Жергілікті сынақтар мұндай нақты уақыттағы бейімделу қиын аралас беттер арқылы жұмыс істеген кезде күтпеген тоқтап қалуларды шамамен жиырма пайызға дейін азайтатынын көрсетті. Геотехникалық инженерия журналында өткен жылы жарияланған соңғы зерттеу осы тұжырымдарды растады.

Тоннельдік бұрғылау машиналарының әртүрлі түрлеріндегі кескіш басының құрылымы мен құралдарды орналастыру

Кескіш басының құрылымы оның жұмыс істеуінің тиімділігіне және қызмет ету мерзіміне әлдекайсыма әсер етеді. Топырақты-балшықты грунттармен жұмыс істейтін EPB машиналарында топырақты тиімді жылжыту үшін спиральді скребоктар қолданылады. Қатты жыныстарды өңдейтін ТБМ-дер басқаша тәсіл қолданады, яғни тасты тиімді бұзу үшін 17-ден 25 дискілі кескішке дейінгі шама концентрлі сақиналар бойынша орналасады. Кейбір жаңа құрылымдар гибридті кескіш басы арқылы құралдарды қажеттілігіне қарай ауыстыру мүмкіндігін береді. 2023 жылғы Тоннельдеу ассоциациясының деректеріне сәйкес, абразивті құмтаста жұмыс істеген кезде осындай гибридті жүйелердің қызмет ету мерзімі шамамен 30% ұзақ болады. Мұндай жақсартулар тоннель жобаларының тоқтап тұрмауын қамтамасыз етеді және уақыт өте келе техникалық қызмет көрсетудің шығындарын төмендетуге көмектеседі.

Жобаның масштабы мен өнімділік талаптары: Ұзындық, Диаметр және Алға жылжу жылдамдығы

Тоннельдің ұзындығы тоннельдік бұрғылау машиналарын орнату мен тиімділікке әсері

Ұзын тоннельдер қазған кезде, тоннель қазу машиналарының берік болып жасалуы және ұзақ уақыт бойы тоқтамай жұмыс істеуі қажет. 5 километрден астам жобалар үшін инженерлер, әдетте, 25 пайыздан, ал мүмкін, 30 пайызға дейін берік болатын қырқыш тетіктерді және тоннель сегменттерін орнату үшін автоматтандырылған жүйелерді көрсетеді, сондықтан операциялар тоқтап қалмайды. Өткен жылғы геотехникалық конференцияда жарияланған соңғы зерттеулерге сәйкес, машиналар 3 км белгісінен әрі қарай жұмыс істеген кезде итеру цилиндрлері тозуы 18 пайызға дейін тезірек болады. Бұл табылу, жақсы техникалық қызмет көрсетудің кестесінің қазіргі кезде қаншалықты маңызды екенін нақты көрсетеді, себебі ешкім маңызды кезеңдерде жөндеу күтіп отыруды қаламайды.

Алға жылжу жылдамдығы талаптарын машина мүмкіндігі мен дәлдігімен сәйкестендіру

Тоннельдің қаншалықты тез ілгерілейтіні бүкіл жобаның қанша уақытқа созылатынымен тығыз байланысты. Көбінесе қалалық метрополитен құрылысы күніне шамамен 15-20 метр жылдамдықты көздеп отырады. Алайда, ғылыми зерттеулер немесе геологиялық зерттеулер үшін тереңірек қазатын болсақ, жылдамдықтан гөрі дәлдік маңыздырақ болады, сондықтан мұндай жобалар күніне тек 5-8 метр ғана ілгерілейді. Тиімділіктің ең тиімді нүктесі — машина килоньютон-метрмен өлшенетін 4000-12000 аралығындағы айналдыру моментінің шығысы қазылатын тау жыныстарының беріктігіне дәл сәйкес келгенде пайда болады. Жұмсартылған жер үшін тым қуатты машиналар 2024 жылғы соңғы деректерге сәйкес қосымша энергияның 14-18 пайызын шығындарға жұмсайды. Бұл әртүрлі топырақ жағдайлары үшін механикалық сипаттамаларды дұрыс таңдаудың қаншалықты маңызды екенін көрсетеді.

Тоннельдің геометриясы, бағыты және тереңдігіне негізделе отырып машина диаметрін таңдау

Диаметрді таңдау құрылымдық, функционалдық және геомеханикалық факторларды қамтиды:

• Коммуналдық тоннельдер : 3–5 метрлік бұрғылау құрылғылары тығыз қалалық аймақтардағы кеңістікті оптимизациялайды
• Теміржол тоннельдері : 8–12 метрлік диаметрлер жолдың орналасуы мен тазарту талаптарын қамтиды
• Гидроэлектр станцияларының құбырлары : 14–18 метрлік тоннельдер су ағынының жоғары көлемін басқарады

Тереңдік әліп құрылымды әсер етеді — 100 метр сайын тау жынысының қысымы 2,7 МПа-ға артады, сондықтан құрылымдық беріктікті сақтау үшін сегментті кірпіштердің қалыңдығы 15–20% артық болуы керек.

Қалалық және терең бұрғылау жобалары: Өлшем, қолжетімділік және жұмыс шектеулерін теңестіру

Қалалық тоннель қазатын машиналар бұрыннан бар жер астындағы құбырлар, кабельдер мен ғимараттар салдарынан шамамен 40 пайызға көбірек кеңістік шектеулерімен кездеседі, бұл оларды толық емес, бөлшектерге бөліп іске қосуды міндеттейді. Ал 500 метрден тереңірек өтетін таулы аймақтағы тоннельдер түбегейлі басқа қиындықтарға тап болады. Мұндай жер астындағы дәу машиналар 10 барға дейінгі су қысымына төтеп беруі керек, сондықтан инженерлер оларды стабильдікті сақтау үшін арнайы қысымды беттік жүйелермен жабдықтайды. Нақты 87 жобаның деректерін талдау қызықты нәтиже көрсетті: тығыз қалалық аймақтарда жұмыс істейтін құрылыс бригадалары ашық кеңістіктерде жұмыс істейтіндерге қарағанда күн сайын 22% азырақ метр тоннель қазады. Мұндай ақпарат тоннель жұмыстары үшін жабдық таңдаған кезде машиналардың нақты жергілікті жағдайларға байланысты өнімділігін модельдеудің қаншалықты маңызды екенін көрсетеді.

Тоннель қазғыш машиналардың өнімділігіндегі итеру күші, бұраушы момент және механикалық сыйымдылық

Айнымалы геологиялық кедергі кезінде итеру күші мен бұраушы моментті өлшеу

Тоннель қазатын машинаға қажетті итеру күші мен бұраушы моменттің мөлшері инженерлерге оның әр түрлі жыныстар мен топырақтар арқылы қаншалықты жақсы кесіп өтуі мүмкін екендігін көп нәрсе айтады. 2025 жылы Nature журналында жарияланған соңғы зерттеу машина қандай материалмен жұмыс істейтініне байланысты осы талаптардың қаншалықты өзгеруі мүмкін екенін көрсетті. Қатты құмтастан гөрі жұмсақ шөгінділерге әлдеқайда азырақ күш қажет, кейде қажетті итеру күшінің үш есе айырмашылығы болуы мүмкін. Осындай әртүрлілікті шешу үшін инженерлер Жерге Ену Индексі есептеулері деп аталатын нәрсеге сүйенеді. Бұл оларға кескіш басы шатақ болып қалмау үшін бұрау моментінің баптауларын реттеуге көмектеседі. Мысалы, біріктірілген сазды алу үшін көбінесе машиналарға шаршы метрге 12-ден 18 килоньютонға дейін күш қажет. Ал гранитке көшкенде, бірден шаршы метрге 35-тен 50 кН/м²-ге дейін қажет болады. Мұндай секіру жер астындағы жағдайлар өзгерген сайын қуат шығысын нақты уақыт режимінде реттей алатын ақылды жүйелердің заманауи ТБМ-дерге қандай маңызды екендігін түсінікті етеді.

Механикалық қуатты жергілікті жағдаймен үйлестіру арқылы оптималды тиімділік қамтамасыз ету

Тиімді тоннельдеу үшін момент қисықтарын және итеру профилдерін жергілікті геологиялық жағдайларға сәйкестендіру қажет. Өткен жылғы кейбір салалық хабарламаларға сәйкес, жұмсақ жерде тым көп қысым жасасаңыз, қосымша 20-25% энергия шығындалады. Керісінше, қатты тау жыныстарын өңдеген кезде жеткіліксіз қуатты машиналар қалыптыдан шамамен 40% тезірек тозады. Бұл туралы 2025 жылғы GEplus зерттеуінде де айтылады, бірақ лабораториялық нәтижелердің нақты жергілікті жағдайлармен қаншалықты сәйкес келетіні әрқашан сұрақ туғызады. Қазіргі тоннель қазғыш машиналар қозғалыс барысында қырқыш дискілердің тербелісін және тау жынысының тығыздығын бақылайтын ақылды басқару жүйелерімен жабдықталған. Осындай жүйелер айналу жылдамдығын, қажетті итеру күшінің мөлшерін және шлам ағынын автоматты түрде реттейді. Нәтижесінде операторлар тұрақсыз әрі үнемі өзгеріп отыратын қоспалы жергілікті жағдайларда қозғалған кезде тиімділікті 93%-дан 97%-ға жуық деңгейде ұстап тұра алады.

Шығындар: бастапқы инвестиция, жұмыс және жөндеу және меншіктің жалпы құны (TCO)

Тоннельді бұрғылау машиналарын сатып алу үшін бастапқы инвестициялық талдау

Тоннельді бұрғылау машиналарының бағасы қандай машинаға қажеттігіне байланысты өте көп өзгереді. EPB-нің шағын үлгілері әдетте 2 миллион доллардан басталады, ал үлкен туннельдер үшін ірі шөгінді машиналары 20 миллионнан асады. Шынымен де бағаны не көтереді? Қаптаманың жекешелендіруі негізгі бағаның шамамен 15 - 25 пайызын құрайды. Жерді тұрақтандыру жүйелері де бюджетке зиян келтіреді, әрі масштаб мәселесі де бар. Егер жобаға бұрғылау диаметрі 6 метрден 12 метрге дейін екі есе ұлғаю керек болса, онда шығын 180-220 пайызға дейін көтеріледі деп күтіңіз. Осындай ірі сатып алуларды алдын ала жасайтын кез келген адам үшін қазір не қажет екенін ғана емес, сонымен қатар жер астындағы болжау мүмкін емес жағдайлардың тіпті ең жақсы жоспарланған жоспарларға да кедергі болатынын ойлау маңызды.

Тоннельді бұрғылау машиналарының түрлері бойынша жұмыс істеу және техникалық қызмет көрсету (ЖӘТҚ) құны

ЖӘТҚ шығындары машина түрі мен геологияға байланысты едәуір өзгеліктерге ие болады. Қатты жыныстардағы ТБМ-дердің құрал-жабдықтарын ауыстыру құны жұмсақ топырақтағы ЭҚБ машиналарымен салыстырғанда 35–45% жоғары болады — гранитте орташа сағатына 580 доллар құрайды. Негізгі құн факторлары мыналар:

• Энергия пайдалануы : Кедергіге байланысты сағатына 480–900 кВт·сағ
• Жұмыс : Тәуліктің әрбір сағатында 12–18 техник
• Тозу бөлшектері : Дискті кескіштер кварцитте 80–120 сағат, ал сазда 300 сағаттан астам уақыт жұмыс істейді

Бұл айнымалылар жағдайға байланысты техникалық қызмет көрсету стратегияларының маңыздылығын көрсетеді.

Ұзақ мерзімді тоннельдеу жобалары үшін иемденудің жалпы құнын есептеу

Иелік шығындарының жалпы сомасы, әдетте қысқартылған ТСО деп аталады, жабдықтың шамамен 10-15 жылдағы тозуын, сонымен қатар машиналар істен шыққан кезде жоғалтылған қымбат сағаттарды қамтиды. Ойланып көріңіз: тек үлкен қалаларда ғана тоқтап қалу сағатына 12 мыңнан 45 мың долларға дейін тұруы мүмкін! Сонымен қатар болжамсыз жер асты жағдайлары әдетте шығындарды шамамен 25%-дан 40%-ға дейін көтеретін геологиялық қауіптер де бар. Алайда, 2025 жылғы соңғы зерттеулер қызықты нәрсе көрсетті. Компаниялар ақылды техникалық қызмет көрсету жүйесі бар жаңа тоннель қазғыш машиналарға инвестиция салған кезде, бастапқы шығындары шамамен 22% қымбат болса да, жалпы алғанда ақша үнемдейді. Қалалық аймақтар өздерінің қиыншылықтарын туғызады. Дыбыс шектеулері, бар коммуникацияларды көшіру және операциялар үшін шектеулі кеңістікпен жұмыс істеу себепті қалалардағы жобалар километріне шамамен 30% қымбат болып шығады. Сондықтан кез келген жобаны жоспарлау үшін бірінші күннен бастап шығындарды нақты бағалау өте маңызды.

Жиі қойылатын сұрақтар

Тоннель қазатын машина таңдаған кезде негізгі қарастырылатын факторлар қандай?

Тоннель қазатын машина (TBM) таңдаудың негізгі факторларына жергілікті жағдайлар, жобаның масштабы, экологиялық шектеулер және диаметр мен алға жылжу жылдамдығы сияқты нақты инженерлік талаптар жатады.

Әртүрлі жергілікті жағдайлар TBM жұмысына қалай әсер етеді?

Қоспалы жергілікті жағдайлар жұмсақ топырақтан қатты тастан өткенде TBM жұмысын шамамен 27% баяулатуы мүмкін. Дегенмен, гибридті кескіш басы бар модульді TBM осындай жағдайларда тиімділікті шамамен 18% арттыруы мүмкін.

TBM үшін негізгі құнының факторлары қандай?

TBM үшін негізгі құнының факторларына машина түрі мен дараландыру деңгейіне байланысты алғашқы сатып алу бағасы, сонымен қатар энергия тұтынуы, еңбек ақы және тозу бөлшектерін ауыстыру сияқты жұмыс істеу және техникалық қызмет көрсету шығындары жатады.

EPB, сұйылтылған және қатты тастан қазатын TBM арасындағы айырмашылық неде?

EPB TBMs жұмсақ топырақ жағдайларында қолданылады және беттік тұрақтылықты қысымдық тепе-теңдік арқылы сақтайды. Slurry TBMs суға насық топырақтар үшін қолайлы және герметиктік жасау үшін бентонитті пайдаланады. Қатты тау жыныстары үшін арналған TBMs қатты тау жыныстары арқылы өту үшін берік компоненттерге ие.

Тоннельдің ұзындығы машина әсер етуіне қалай әсер етеді?

Ұзын тоннельдер күштірек резактары бар және сегменттерді орнату жүйелерінің тиімділігін қажет етеді. Егер 3 километрден асатын жобалар үшін машинаны жеткілікті түрде қолдап отырмаса, тиімділік 18% төмендей алады.