Kokius veiksnius reikia įvertinti renkantis tunelio būrimo mašiną projektui?

Geologinės ir geotechninės sąlygos, turinčios įtakos tunelių gręžimo mašinų atrankai

Vertinant dirvožemio, uolienų sudėtį ir žemės stabilumą

Tunelių gręžimo mašinos (TBM) reikalauja tikslaus geologinio suderinamumo efektyviam veikimui. 2023 m. žurnale Moksliniai ataskaitos nustatyta, kad 70 % TBM prastovų kyla dėl geologinio nesuderinamumo, ypač mišrių dirvožemių aplinkose. Pagrindiniai apsvarstymo aspektai yra:

• Abrazyvūs uolienų sluoksniai sukeliantys 3 kartus didesnį pjovimo galvos dėvėjimąsi lyginant su minkštais dirvožemiais
• Dirvožemiai, turintys daug molio reikalaujantys padidinto sukimo momento pajėgumų, kad būtų išvengta mašinos sustojimo
• Suskilę zonos reikalaujant realaus laiko žemės palaikymo koregavimo, kad būtų išvengta griuvimų

Vertinant gruntinio vandens slėgį ir lūžių zonas

Gruntinio vandens slėgis, viršijantis 5 bar, gali pažeisti tunelio vientisumą, o lūžių zonos 40 % padidina griuvimo riziką. Šiuolaikiniai TBMs integruoja:

• Hiperbarinius slėgio jutiklius, skirtus nedelsiant aptikti vandens patekimą
• Įpurškimo sistemas, aktyvuojamas pasiekus 3 bar slėgio skirtumo ribą
• Seisminius pirminio tyrimo modulius, siekiant nustatyti lūžių linijas per 15 metrų nuo gręžimo maršruto

Atvejo analizė: TBMs pritaikymas sudėtingai geologijai Gotardo baziniame tunele

Gotardo projektas susidūrė su 73 skirtingomis geologinėmis sąsajomis, įskaitant:

1. Metasedimentinis uolienis sekcijas, reikalaujančias 450 kN stūmos gebos
2. Gruntiniai vandenys valdomi dviem etapais atvandenant
3. Slydimo zonos sumažinamos modulinėmis segmentinėmis apvalkalo sistemomis

Ši adaptacija geologinius vėlavimus sumažino 62 % lyginant su įprastomis metodikomis, kas rodo visapusiškos geotechninės apžiūros svarbą renkantis tunelių gręžimo mašinas.

Tunelių gręžimo mašinų tipų pritaikymas prie dirvožemio sąlygų

Optimalios tunelių gręžimo mašinos (TBM) parinkimas reikalauja suderinti mašinos galimybes su požeminiais iššūkiais.

EPB, skystosios terpės ir kietos uolienos TBM: pasirinkimas, pagrįstas geologija

Žemės slėgio balanso (EPB) tunelių kasimo mašinos geriausiai veikia minkštuose gruntų ir miesto aplinkose, kur jos naudoja suspaustą žemės medžiagą, kad palaikytų tunelio sienas stabilias ir sumažintų paviršiaus judesius iki minimumo. Susidūrus su sočiomis gruntinėmis sąlygomis, naudojamos tirpalo skydo mašinos, kurios maišo bentonitinę molį su vandeniu, kad sukurtų tirpalą, neutralizuojantį požeminio vandens slėgį iš apačios. Kietos uolienos TBMs, įranga diskinių pjoviklių, gali pasiekti gerą pažangą per vientisas uolienų formacijas – apie 15 iki net 30 metrų per dieną, priklausomai nuo uolienos kokybės. Pagal 2022 m. paskelbtą tyrimą, kai inžinieriai parenka netinkamą mašinos tipą konkrečioms geologinėms sąlygoms, projektai vėluoja apie dvigubai ilgiau nei tikėtasi. Tai pabrėžia, kaip svarbu iš tikrųjų suprasti, kas slepiasi po žeme, prieš pradedant žemės darbus.

Daugialypės paskirties TBMs kintamoms ir heterogeniškoms gruntinėms sąlygoms

Šiuolaikiniai hibridiniai tunelių gręžimo įrenginiai sujungia tiek EPB, tiek skystosios masės technologijas, leidžiančias jiems dirbti su skirtingais uolienų tipais, nepertraukiant viso projekto. Paimkime Gotardo prieigos tunelį kaip pavyzdinį atvejį. Ten inžinieriai naudojo įrenginį, kuris galėjo keisti režimus kelis kartus kasdant tunelį. Konkrečiai, jis keitė nustatymus apie 14 atskirų kartų, dirbdamas per klinties sluoksnius, sumaišytus su minkštesniais molio sluoksniais. Šie įrenginiai yra aprūpinti jutikliais, nuolat stebintys, kas vyksta po žeme. Kai jie aptinka pokyčius dirvožemyje priekyje, sistema automatiškai koreguoja tokias charakteristikas kaip sukimo momentas ir stūmos jėga. Dėl to netikėtų sustojimų dėl sudėtingų mišrių paviršių sąlygų sumažėjo maždaug 40 %. Kitas didelis pranašumas kyla iš modulinės pjovimo galvutės dizaino. Vietoj to, kad keisti įrankius skirtingoms uolienų formacijoms per kelias savaites, darbininkai dabar gali šiuos pakeitimus atlikti vos per du dienas, kas labai padeda laikytis projekto grafiko.

Tunelių matmenys, išdėstymas ir mašinos našumo reikalavimai

Tunelio gylio, skersmens ir išdėstymo poveikis TBM pasirinkimui

Tunelio gilumą lemia gruntinė slėgis, kurį jis patiria, o tai reiškia, kad gręžimo mašinos turi būti ypatingai stiprios, kad išlaikytų daugiau nei 5 bar slėgį labai giliai kasant. Svarbus ir dydis. Didelės mašinos, kurių skersmuo viršija 12 metrų, miestų aplinkose paprastai geriausiai veikia su žemės slėgio balansavimo sistemomis, kur nenorime, kad pastatai grimztų. Mažesnės mašinos, kurių skersmuo mažesnis nei 6 metrai, gali naudoti taikomojo gręžimo technologijas tiksliai pozicijai nustatyti. Kai tuneliai vingiuoja arba eina tiesiai aukštyn/žemyn, operatoriams reikia mašinų, kurios geba gerokai lenktis ir suktis – apie 8 laipsnių posūkio geba padeda jiems tvarkytis su sudėtingais aukščio pokyčiais, nesiskaldant. Naujausi tyrimai, nagrinėję stačiakampio formos tunelių galus, parodė kažką įdomaus. Jei aukštis yra daugiau nei 1,5 karto didesnis už plotį, nestabilumo problemų atsiradimo tikimybė yra apie 34 % didesnė. Tai paaiškina, kodėl inžinieriai tiek daug laiko skiria pjovimo galvų projektavimui, atitinkančiam specifinius tunelių maršrutus.

Galios, traukos ir pažangos greičio optimizavimas projektų efektyvumui

Šių dienų gręžimo mašinos reikalauja nuo 2 500 iki 6 000 kilonjūtonų stumos jėgos, kad galėtų toliau judėti į priekį tinkamais greičiais – apie 15–35 milimetrai per minutę, dirbant mišriose gruntų sąlygose. Galios sistemos turi būti tinkamai parinktos pjovimo galvutės sukimo momento reikalavimams, kuris paprastai svyruoja nuo 3 iki 15 meganjontonmetrų. Kai dirbama kietose uolienose, diskiniai pjovikliai paprastai sukasi apie 5–6 apsisukimų per minutę, naudodami 350 kilovatų variklius. Visiškai kitokia situacija, kai kalbama apie dirvos slėgio balansavimo mašinas, veikiančias minkštesniuose dirvožemiuose. Šios mašinos labiau sutelkia dėmesį į išgręžto grunto šalinimo procesą, todėl labai priklauso nuo savosios sraigto paskirstyklės sukimo momento talpos, kuriai bendrai reikia nuo 120 iki 250 kilonjontonmetrų. 2015 m. atliktų tyrimų, susijusių su tunelių kirtimu minkštame grunte, rezultatai parodė, kad realaus laiko reguliavimas stūmos slėgio gali sumažinti krypties nukrypimus beveik dvigubai, lyginant su fiksuotomis slėgio nuostatomis. Tunelių operatoriai visada bando išlaikyti pusiausvyrą tarp to, kaip greitai jie nori prasiveržti pro žemę, ir tarp to, kiek ilgai išliks jų įrankiai. Naujausi 2022 m. tyrimai rodo, kad tiesiog sumažinus apsukas per minutę 20 % faktiškai galima padvigubinti pjoviklių tarnavimo laiką, dirbant itin abrazyviškose granito formacijose.

Technologijų integracija ir operacinis efektyvumas šiuolaikinėse tunelių gręžimo mašinose

Šiuolaikinės tunelių gręžimo mašinos (TDM) dabar turi automatizaciją ir dirbtinio intelekto pagalbą orientavimosi sistemose kurios optimizuoja kasimo tikslumą, tuo pačiu mažindamos žmogaus klaidas. Šiose sistemose integruoti realaus laiko stebėjimo įrankiai analizuoja geologinius duomenis, kad dinamiškai koreguotų pjovimo galvutės sukimo momentą ir pastūmos jėgas, užtikrindami tikslumą ±10 mm net nestabiliose sluoksniuose.

Automatizacija, dirbtinio intelekto pagalba orientavimosi sistemose ir realaus laiko stebėjimo sistemos

Šiuolaikinės dirbtinio intelekto sistemos gali apdoroti daugiau nei 500 jutiklių rodmenų kiekvieną sekundę, leidžiant prognozuoti, kaip elgsis gruntas, ir atitinkamai koreguoti gręžimo parametrus. Tai tikrąja prasme sumažino netikėtus sustojimus apie ketvirtį dideliuose projektuose, tokiuose kaip Gotardo bazinio tunelio statyba. Dirbant su moliūgais, automatizacija išlaiko slėgio lygį subalansuotą, kas padeda išvengti griuvimų dirbant su drėgnomis dirvožemio sąlygomis. Realaus laiko stebėjimo sistemos taip pat pasirodė labai veiksmingos, sumažindamos vandens nutekėjimą apie 40 procentų, palyginti su senaisiais rankiniais metodais. Ir nepamirškime prognozuojamosios techninės priežiūros funkcijų, kurios užtikrina ilgesnį įrangos veikimą, pagal inžinerinių įmonių ataskaitas pratęsdamos detalių tarnavimo laiką maždaug 30 procentų.

Nuotolinės diagnostikos ir valdymo sistemos našumui gerinti

Centralizuoti valdymo centrai dabar leidžia nuotolinį TBM valdymą naudojant IoT įgalintą diagnostiką. Pavyzdžiui, virpėjimo analizės algoritmai aptinka guolių dėvėjimą 50 valandų iki sugedimo, leidžiant iš anksto atlikti remontą. 2024 m. pradėtas projektas, naudojantis nuotolinio nurodymo sistemomis, pasiekė 98 % veikimo laiko miesto vamzdynų montavime, supaprastinant pjūklų keitimą ir grunto šalinimą.

Šie patobulinimai sutrumpina projekto trukmę 20–30 %, tuo pačiu mažindami darbo išlaidas ir saugos incidentus.

Bendrosios savininkystės sąnaudos, techninė priežiūra ir personalo prisitaikomumas

Gyvavimo ciklo sąnaudos, techninės priežiūros poreikiai ir remonto prieinamumas

Tunelių gręžimo mašinos bendrosios savininkystės sąnaudos (TCO) yra žymiai didesnės nei pradinė kaina, o eksploatacijos ir techninės priežiūros (O&M) sąnaudos sudaro 45–60 % visų sąnaudų gyvavimo cikle. Čia įeina:

• Periodinė techninė priežiūra : Gręžimo galvutės apžiūros (12–18 tūkst. USD už vieną intervalą) ir tarpinių sandarų keitimas (740 tūkst.–2,1 mln. USD per metus), siekiant išvengti katastrofiškų gedimų
• Neplanuoti remontai : Dėvi dalių keitimas dirbant su abrazyviais uolienomis, kurio kaina gali pasiekti iki 30 % metinės projekto biudžeto
• Stovėjimo poveikis : 1–2 savaičių delsimas dėl guolių gedimų sumažina tunelių kasimo efektyvumą 18–22 %

Remonto prieinamumas lemia 25 % techninės priežiūros sąnaudų erdvėtose darbo vietose. Moduliniai dizainai su standartizuotais komponentais sumažina komponentų keitimo laiką 40 %, lyginant su nestandartinėmis sistemomis.

Operatorių mokymas, saugos funkcijos ir atitiktis vietiniams reikalavimams

Kvalifikuoti operatoriai padidina gręžimo tempą 15 %, tuo pačiu mažindami pjovimo įrankių dėvėjimąsi 28 %. Privalomi sertifikatai dabar reikalauja:

• 120–180 valandų simulatoriaus mokymo programos minkštame grunte naudojant tunelių gręžimo mašinas
• Savanoriškus saugos pratimus, apimančius gaisro gesinimą ir avarinį evakuavimą
• Atitikties regioniniams standartams, tokiems kaip OSHA apribotų erdvių įėjimo protokolai (29 CFR 1926.800)

Šiuolaikinės tunelių gręžimo mašinos integruoja susidūrimų vengimo sistemas (25 % mažiau incidentų) ir automatinį dujų stebėjimą, kad atitiktų ES Mašinų direktyvos 2023 metų naujinimus. 2023 m. Centrinėje Europoje vykdytas projektas parodė, kad adaptuojamos mokymo programos neplanuotą prastovą sumažino 30 % naudojant realaus laiko našumo analizę.

DUK

Kokie yra pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką Tunelių Gręžimo Mašinos (TGM) pasirinkimui?

Pagrindiniai veiksniai apima geologinį suderinamumą, tokį kaip uolienų sudėtis, dirvožemio tipas, gruntų stabilumas, požeminio vandens slėgis ir lūžių zonų buvimas, kurie gali turėti įtakos mašinos efektyvumui ir viso projekto sėkmei.

Kaip šiuolaikinės TGM susidoroja su kintamomis grunto sąlygomis?

Šiuolaikinės tunelių gręžimo mašinos, ypač hibridinės modeliai, integruoja tiek Žemės Slėgio Balansavimo (ŽSB), tiek skystosios terpės technologijas, kad prisitaikytų prie skirtingų uolienų tipų, naudodamos realaus laiko jutiklius stebėjimui ir automatiniam reguliavimui.

Kodėl technologijų integracija yra svarbi TGM?

Technologijų integracija, tokia kaip dirbtinio intelekto pagalba orientuojamos sistemos ir realaus laiko stebėjimas, padidina kasimo tikslumą, sumažina žmogaus klaidas ir gerina bendrą eksploatacinį efektyvumą dinamiškai koreguojant pjovimo galvutės nustatymus tiksliai alineacijai užtikrinti.

Kokia mokymosi programa reikalinga TGM operatoriams?

Operatoriams paprastai privaloma turėti 120–180 valandų simulatoriaus mokymą, dalyvauti savaitiniuose saugos mokymuose ir laikytis regioninių saugos standartų, tokių kaip OSHA apribotų erdvių įėjimo protokolai, siekiant užtikrinti efektyvų ir saugų TBM veikimą.