Қатты тау жыныстарында TBM машинасын неге бұрғылау мен жарылуға қарағанда тезірек деп санайды?

Инженерлер мен жобалық басқарушылар қатты тау жыныстары ортасында туннель қазу әдістерін бағалайтын кезде жылдамдық тәжірибеде әрқашан да таластың орталығында болады. Сұрақ тек қай әдіс әлдеқайда заманауи екендігінде емес, сонымен қатар алдыңғы жылдамдықта, құн тиімділігінде және жалпы жобалық кестеде өлшенетін табыстар қайсысын қамтамасыз етеді? ТБМ машинасы туннель қазу машинасы (TBM) инфрақұрылымды дамыту барысында ондаған жылдар бойы өзін тау жыныстарын бұзу мен алып тастаудың негізінен өзгеше тәсілі ретінде дәлелдеген — бұл тәсіл циклдық бұзылуға негізделген дәстүрлі бұрғылау мен жарылу операцияларының орнына үздіксіздікке, механикаландырылған күшке және дәл геометрияға негізделген.

ТБМ машинасының қатты таста жылдамдық артықшылығын қалай алатынын түсіну үшін туннельдеу циклының әрбір сатысын — тастың қалай бұзылуы, қалдықтардың қалай алынып тасталуы, қолдаудың қалай орнатылуы және осы әрекеттердің үздіксіз механикалық жұмыс істеу кезінде қалай өзара байланысуын қарастыру қажет. Делдалдау мен жарылу бұл әрекеттерді реттілікпен орындайды, ал олардың арасында міндетті тоқтап тұру уақыты болады. Ал ТБМ машинасы, керісінше, бұл функциялардың көпшілігін біртұтас, алға қарай қозғалатын жүйеге біріктіреді, ол сирек тоқтайды. Бұл жұмыс үдерісіндегі архитектуралық айырмашылық — екі әдістің де қатты таста жұмыс істеу шарттарында әртүрлі көрсеткіштерін салыстырудың негізі болып табылады.

Үздіксіз кесу циклы мен тоқта-баста жарылу

ТБМ машинасы қалай «өлі уақытты» жояды

Дәстүрлі бұрғылау және жарылу арқылы өткізілетін туннельде жұмыс циклы табиғи түрде бөлінген. Жұмысшылар жарылу үшін тесіктердің белгілі бір үлгісін бұрғылайды, оларға жарылғыш заттарды салады, жарылу жасайды, одан кейін газдардың таралуын күтеді, қайта еніп, жұмыс аймағын тексереді, қопарылған тастан құлаған бөліктерді алып тастайды және соңында бұзылған материалды тазартады. Барлық осы істерден кейін ғана жер қабатын қолдау элементтері орнатылады, содан кейін цикл қайталанады. Толық бір цикл көбінесе туннельдің алдыңғы ұшын бірден төрт метрге дейін жылжытады, ал өнімді емес күту кезеңдері өнімді кезеңдерге кететін уақытқа тең уақыт алады.

TBM машинасы бұл өлі уақыттың көпшілігін механикалық дизайн арқылы жояды. Айналып тұрған қиықшы басы дискілі қиықшыларды бақыланатын итеруші күшпен тас бетіне қысады, олар тасқа созылу сызаттарын туғызып, оны үздіксіз процессте ұсақтап және қабықтатады. Қиықшы басы айналған кезде, қазылған материал тікелей машина денесіне интеграцияланған тасымалдағышқа түседі де, бетке немесе тасымалдау нүктесіне артқа қарай тасымалданады. TBM машинасы әрбір алға жылжу циклынан кейін уақытша тоқтап, желдету қажеттілігінсіз жұмыс істейді, себебі улы газдар шығаратын жарылыс жоқ.

Бұл жұмыс істеу үздіксіздігі тікелей орташа алдын ала берілетін сомалардың жоғарылауына алып келеді. Алдыңғы жағдайда, қатты тастың қолайлы жағдайларында қазып-жару бригадасы күніне оннан он бес метрге дейін жетуі мүмкін, ал сол таужыныста жақсы іріктелген ТБМ машинасы күніне жиырма метрден елу метрге дейін немесе одан да көп алдын ала берілетін сомаларға жетеді — бұл таужыныстың беріктігіне, әйнекке қатысты әсеріне және жабдық конфигурациясына байланысты. Циклдық тоқтап қалудың болмауы — бұл айырмашылықтың ең маңызды себебі.

Айналу күші және таужыныстың бөлшектенуінің тиімділігі

ТБМ машинасының кескіш басына орнатылған дискті кескіштер қатты тау жыныстарының жоғары жүктеме әсерінен пайда болатын табиғи сынуға ұшырау қасиетін пайдалану үшін жобаланған. Әрбір дискті кескіш тау жынысының бетімен әдетте бір кескішке келетін 150–300 килоньютондық жоғары итеруші күшпен дөңгеленгенде, көршілес кескіш іздері арасында бір-біріне параллель бағытталған микросынулар пайда болады. Тау жынысы үшбұрышты немесе жолақты үзінділер — «чиптер» немесе «жолақтар» түрінде ыдырайды. Бұл сыну таралу механизмі энергиялық тұрғыдан тиімді, себебі ол тау жынысының өзінің созылуға қарсы төзімсіздігін пайдаланады, оның қарсылысына қарсы күреспейді.

Бұрғылау және жарылу операциясындағы шағын зарядтар бір уақытта қысу мен созылуға қарсы тұру керек, сонымен қатар энергияның көп бөлігі пайдалы тас үгілуіне емес, жердің тербелісіне, ауадағы жарылысқа және жылуға шашырайды. ТБМ машинасы механикалық энергияны дәл кескіш-тас арасындағы шекарада шоғырландырады, яғни енгізілген энергияның әлдеқайда жоғары үлесі пайдалы қазылуға жұмсалады. Шектелмеген қысу беріктігі 150 МПа-дан жоғары болатын өте қатты, монолитті тастарда ТБМ машинасының дискілі кесу механизмі жарылуға қарағанда тиімдірек жұмыс істейді, себебі тастың сығылғыштығы мен тұрақты микрқұрылымы трещиналардың толық қима бойынша тиімді таралуын қамтамасыз етеді.

Біріктірілген тас қалдығын өңдеу және қолдау орнату

Артқы жүйенің дизайны және үзіліссіз материал ағысы

TBM машинасының жылдамдық артықшылығы тек қана кескіш басынан туындамайды. Оған тең маңызды үлес қосатын фактор — қалдықтарды өңдеу жүйесінің машина денесінің ішіне интеграциялануы. Тас қабаты тұрақты түрде қиылатын кезде, кескіш басындағы скреберлер мен себеттер қиындыларды жинап, оларды ішкі конвейерге төгеді. Бұл конвейер материалды машина арт жағына үздіксіз тасымалдайды, мұнда ол сыртқы конвейер жүйесіне немесе қалдықтарды бетке шығаратын рельстік вагонеткаларға қосылады.

Бұрғылау және жарылу туннелінде тау жыныстарын тазарту үшін бетке тікелей кіруге қабілетті жеке жүктеуші көліктер мен тасымалдау жабдықтары қажет. Жарылу алдында бетте адамдар мен жабдықтар болмауы керек, ал ортаның қауіпсіз екендігі расталғаннан кейін ғана тасымалдау жабдықтары қайта кіреді. Бұл реттілік логикасы тау жыныстарын тазартудың жарылу аяқталғанша басталмайтынын, ал бұрғылаудың тау жыныстарын тазарту аяқталғанша қайта басталмайтынын білдіреді. ТБМ машинасы бұл кезеңдерді бір уақытта жүретін процестерге біріктіреді — қазып алу және тау жыныстарын тасымалдау бір уақытта, үздіксіз қозғалыста жүзеге асады.

Бұл интеграцияланған тәсіл сонымен қатар еңбек шығынын әлдеқайда азайтады. ТБМ машинасының экипажы бірнеше тәуелсіз жабдықтарды ықпалдастырып басқару орнына механикаландырылған жүйені басқарады. Алға жылжу метріне аз ғана адам күші қажет, сонымен қатар физикалық жұмыс ортасы бақыланып отырады, сондықтан қауіпсіздік оқиғалары немесе адамдардың ықпалдастыруындағы кешігулерге кететін уақыт азаяды.

Қазып алу тоқтатылмай, жер қолдауы

Қорғалған ТБМ машинасымен қатты тау жыныстарында туннель қазған кезде жер қолдауы орнатылуы қиып алу басының қорғанысының дереу артындағы қорғалған аймақта жүзеге асады, ал беттің қазылуы әрі қарай жалғасады. Алдыңғы бөлімде қиып алу басы алға жылжыған кезде дайын бетонды сегменттік сақиналар автоматтандырылған орнату иілгіші арқылы машинаңың артқы бөлімінде орнатылады. Бұл параллельді іс-әрекет ТБМ машинасының ұзақтығын қысқарту жағынан қазып-жару әдісіне қарағанда ең қуатты құрылымдық артықшылықтарының бірі болып табылады.

Қатты тау жыныстарында қазып-жару әдісімен салынған туннельдерде әрбір жарылу циклынан кейін жүйелі тау бұрғыларын орнату, сым торын орналастыру және шоткретті қолдану қажет болуы мүмкін. Бұл жұмыстар қолмен немесе механикаландырылған жабдықтарды пайдаланып жұмысшылар тарапынан орындалады, бірақ олар жарылу жүріп жатқан кезде немесе бастықта улы газдар қалған кезде орындала алмайды. ТБМ машинасы бұл шектеуді машина өзінің физикалық ұзындығы арқылы қолдау орнату аймағын белсенді кесу аймағынан бөлу арқылы тиімді түрде жояды.

Нәтижесінде ТБМ машинасы тығыз қолдау орнатуды қажет ететін тау жыныстарында да жуықтағанда үздіксіз алға қозғалыс ұстай алады. Қолдау жұмыстары қазылу уақытынан алынбайды; олар параллельді жүреді, сондықтан машина цикл уақыты қазылу жылдамдығын көрсетеді, біріктірілген қазылу мен қолдау графигін емес.

Тау жыныстарының қолайлылығы және өнімділіктің болжануы

Неге қатты тау жыныстары ТБМ машинасының өнімділігіне қолайлы

ТБМ машинасы үшін қатты тау жыныстары қиындық туғызады деген таралған қате пікір бар, бірақ бұл қатынас одан да тереңірек. Жарамды қатты тау жыныстары — яғни берік, үздіксіз және ірі жарықшақ белдеулерінен бос тау жыныстары — ТБМ машинасының ең жоғары алға жылжу жылдамдығын қамтамасыз етуге идеалды жағдайлар құрады. Тау жыныстары массасының тұрақтылығы кескіштердің оптималды параметрлерде жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, ал бұл көпіршіктер, сазды қоспалар немесе болжанбайтын жарықшақтардың болуынан туындайтын жанама жүктемелердің қатты тербелістерін болдырмауға көмектеседі.

Тесік құю және жарылу әдісі әртүрлі жер бетінде қолданылуға икемді болса да, қатты тастарда пропорционалды жылдамдық артысын бермейді. Қатты тастарды тесу уақыты ұзағырақ, жарылу үшін көбірек шарықтандырғыш зат қажет, сонымен қатар жарылғаннан кейін тастың қиыршықтарын қауіпсіз ету үшін көбірек ұқыптылық қажет, бұлардың барлығы цикл уақытын ұзартады. Туннельдік бұрғылау машинасы (TBM) өзінің өнімділігін тастың беріктігіне қарай тиімдірек арттырады, себебі қаттырақ, сынықша тастар дискілі кескіштердің жүктемесінде тиімдірек ыдырайды. Гранит, базальт, кварцит және осыған ұқсас таужыныстардағы жобаларда TBM машиналарының алға жылжу жылдамдығы дәлелденгендей, тесік құю мен жарылу әдісінің мерзімін қатты асып түседі.

Ұзын қашықтықтағы алға жылжу жылдамдығының тұрақтылығы

ТБМ машинасының қатты тау жыныстарындағы ең стратегиялық маңызды артықшылықтарының бірі — оның алға қарай қозғалу жылдамдығының болжануы. Жоба жоспарлаушылары мен келісімшарттық кестелер құрушылары жергілікті зерттеулерден алынған тау жыныстарының сипаттамасы деректеріне негізделе отырып, машина жұмысын маңызды дәлдікпен болжай алады. Бұл болжану келісімшарттық басқару, ресурстарды жоспарлау, логистикалық ынтымақтастық пен қаржыландыру үшін өте құнды.

Қатты тау жыныстарындағы қазу және жарылу жұмыстарының уақыттық кестесі табиғи түрде айнымалырақ болады. Кездейсоқ кездескен жарықшақ аймағы, абразивті қаттырақ тау жынысының қабаты немесе тұрақсыз үстіңгі құлау жағдайлары жобаның кестесін қатты созуы мүмкін. ТБМ машинасы геологиялық суреттерге толық төзімді емес, бірақ оның механикаландырылған сипаты оған жүйелірек және бақыланған жауап беруге мүмкіндік береді, сонымен қатар оның деректерді жинау жүйелері қазу бетінің алдындағы жердің өзгеріп отырған жағдайлары туралы нақты уақытта ақпарат береді.

Ұзын туннельдердің (әсіресе үштен бес километрге дейінгі) құрылысы кезінде ТБМ машинасының жылдамдық артықшылығы шешуші болады. Жабдықтың орналасуына кететін уақыт және машинаға қатысты салыстырмалы түрде жоғары капиталдық шығындар толық өткел ұзындығы бойынша амортизацияланады, ал тұрақты күндік ілгерілеу дрилл-бласт әдістерімен салыстырғандағы бастапқы инвестициялық айырмашылықтың үстінен көп қамтамасыз етеді.

Жұмысшылар құрамы, қауіпсіздік және кесте интеграциясы

Адамдардың қауіпті жағдайларға ұшырау ықтималдығының азаюы

ТБМ машинасының жылдамдық артықшылығы таза механикалық емес — ол сонымен қатар адамдарды туннельдің ең қауіпті бөліктерінен алыстау арқылы да пайда болады. Дрилл-бласт туннельдерінде жұмысшылар әрбір цикл бойынша бірнеше рет жарылыс бетіне физикалық түрде қатысуға мәжбүр: құрғақ тесу, зарядтау, тау тектерін тазарту және қолдау қондырғыларын орнату үшін. Әрбір бетке қатысу қауіп төндіреді, ал қауіпсіздік бойынша оқиғалар — қаншалықты аз болса да — ұзақ мерзімді жобада уақыттың жоғалуын тудырады.

TBM машинасы көпшілік жұмысшыларды машина корпусының ішіндегі бақыланатын орталарда немесе артқы жабдықтардың артындағы жақсы қалыптасқан аймақта ұстайды. Автоматтандырылған кескіш басы мен конвейерлік жүйелер таза тау жынысына ең қауіпті жақындауды өз қарамағына алады. Бұл жобалау философиясы инциденттердің жиілігін азайтады, сондықтан жобаның мерзімінің сақталуын тікелей қорғайды. Қауіпсіздікке байланысты жұмыс тоқтатуларын болдырмаған жобалар қайталанатын қима инциденттері бар жобаларға қарағанда алға жылжу жылдамдығы бойынша болжамдарын тұрақтырақ сақтайды.

Параллельді жұмыс ағымы және бригадаларды пайдалану

TBM машинасының жобасы дәлелдеу менен құрғақ тәсілді қолдануға болмайтын параллель жұмыс ағымдарын қамтамасыз етеді. Машина алға жылжып келе жатқанда, беткі немесе артқы бөлімде орналасқан бригадалар қазу процесін тоқтатпай-ақ техникалық қызмет көрсету, қорларды толықтыру, сегменттерді жеткізу және логистикалық операцияларды орындай алады. Машина бригадасы мамандандырылған рөлдерге бөлінген — операторлар, техникалық қызмет көрсетушілер, сегмент орнатушы операторлары, конвейердің қызмет көрсетушілері — бұлар бір-бірінің алдындағы әрекетін күтпей, бір уақытта жұмыс істейді.

Бұл параллелизм кесте бойынша жұмыс істеу нәтижелерін көбейтетін күш болып табылады. Метро туннельдері, су өткізгіш жүйелері немесе таулы аймақтар арқылы өтетін автомобиль туннельдері сияқты ірі инфрақұрылымдық жобаларда бір мезгілде бірнеше жұмыс ағымдарын үздіксіз жүргізу мүмкіндігі TBM машинасының жобасын дәлелдеу менен құрғақ тәсілмен жүзеге асыруға физикалық тұрғыдан мүмкін емес қысқартылған мерзімдерге сәйкес келуін қамтамасыз етеді.

Жиі қойылатын сұрақтар

TBM машинасы ең жоғары алға жылжу жылдамдығын қандай түрдегі қатты таста қол жеткізеді?

TBM машинасы гранит, гнейс, базальт немесе кварцит сияқты біркелкі, қатты тау жыныстарында ең жақсы нәтиже көрсетеді, мұнда тау жынысы берік, тұрақты және ірі үзілістер мен сазбен толтырылған жарықтардан салыстырмалы түрде аз болады. Бұл жағдайлар дискілік кескіштердің оптималды итеру мен айналу параметрлерінде жұмыс істеуіне, тиімді ұнтақ түзуіне және тұрақты жақтау шарттарын қамтамасыз етуіне мүмкіндік береді. Тау жынысының массасы неғұрлым біркелкі болса, TBM машинасы күндік ең жоғары алға жылжу қарқынын соғұрлым сенімді ұстай алады.

TBM машинасы қатты тау жыныстарында әрқашан да қазу мен жарылу әдісінен жоғары нәтиже көрсетеді ме?

Әрбір жағдайда емес. Қысқа туннельдерде, бағыты жиі өзгеретін күрделі трассаларда немесе көптеген жарықшақ аймақтары бар әртүрлі тау жыныстарындағы жобаларда бұрғылау мен жарылу әдісінің икемділігі теңестіруші артықшылықтар беруі мүмкін. Алайда, тұрақты қатты тау жыныстары арқылы ұзын түзу немесе жұмсақ иілген туннельдерді өткізу үшін ТБМ машинасы машина толық іске қосылғаннан кейін және логистикалық тізбек қалыптастырылғаннан кейін әдетте әлдеқайда жылдам болады. ТБМ машинасы экономикалық және мерзімдік тұрғыдан тиімді болатын туннельдің шекті ұзындығы жобаның нақты ерекшеліктеріне байланысты әдетте бірден үш километрге дейін қарастырылады.

Қиып алу құралдарын қолданудың қатты тау жыныстарындағы ТБМ машинасының жылдамдығына әсері қандай?

Дискілі кескіштің тозуы — абразивті қатты тау жыныстарында ТБМ машинасы үшін негізгі техникалық қызмет көрсету қиындықтарының бірі. Кесу тиімділігін сақтау үшін тозған немесе зақымданған кескіштерді ауыстыру қажет, ол үшін кескіштерді тексеру мен ауыстыру үшін жоспарланған машина тоқтатулары қажет. Кварцит сияқты абразивті тау жыныстарында кескіштердің тозу қарқыны жоғары болуы мүмкін, ал техникалық қызмет көрсету аралықтары жиі өткізілуі мүмкін. Дегенмен, заманауи ТБМ машиналарының конструкциясы кескіштерді жедел ауыстыру процедураларын қамтиды, сонымен қатар жоспарланған техникалық қызмет көрсету тоқтатулары дәл сол ұзындықтағы «бұрғылау және жарылу» әдісінде жиналатын жоспарланбаған кешігулерге қарағанда әлдеқайда қысқа және болжанған.

Қатты тау жыныстарында тоннель қазу үшін ТБМ машинасын таңдау алдында қандай жобалық деректер дайындалуы керек?

Алаңды зерттеу бір осалықтық қысым күшін, Бразилиялық созылу күшін, тау жыныстарының әшекейлік индексін, жыныс жарықтарының арақашықтығы мен бағытын, су асты жағдайларын, сондай-ақ негізгі жарықтар мен ығысу белдеулерінің болуын қамтитын тау жыныстарының жинағын толық сипаттауды қамтиды. Бұл деректер туннельдік бұрғылау машинасының (TBM) техникалық сипаттамасына, яғни бұрғылау басының итеру қабілетіне, бұрғылау элементтерінің түрі мен орналасуына, қорғаныс қабырғасының конструкциясына және қосымша жабдықтар жиынтығына тікелей енеді. Дәл геотехникалық деректер – берілген жобада TBM машинасының күтілетін жылдамдық артықшылығын қамтамасыз етуін болжау үшін ең маңызды кіріс дерек.