Kas daro TBM mašiną greitesnę nei gręžimo ir sprogdinimo metodas kietoje uolienoje?

Kai inžinieriai ir projektų vadovai vertina tuneliavimo metodus kietojo uolienos aplinkoje, greitis beveik visada yra debatų centre. Klausimas nėra tik tai, kuris metodas yra naujesnis, bet kuris iš jų užtikrina matomus pranašumus įtempimo rate, sąnaudų efektyvumo ir viso projekto grafike. TBM mašina per dešimtmečius infrastruktūros plėtros įrodė savo esminį skirtumą nuo kitų uolienos šalinimo ir suardymo metodų – tai metodas, sukurtas remiantis tęstinumu, mechanizuota jėga ir tikslia geometrija, o ne cikliniu sutrikdymu, kuris būdingas įprastoms gręžimo ir sprogdinimo operacijoms.

Norint suprasti, kodėl TBM mašina turi greičio pranašumą kietoje uolienoje, reikia išnagrinėti kiekvieną tuneliavimo ciklo fazę – kaip skaldoma uoliena, kaip pašalinamas šiukšlių (iškastų uolienos likučių) kiekis, kaip įrengiamas palaikymas ir kaip šios veiklos susijusios viena su kita nuolat veikiančioje mechaninėje sistemoje. Gręžimo ir sprogdinimo metodas šiuos veiksmus atlieka paeiliui, o tarp jų būtina numatyti priverstinį sustojimą. Priešingai, TBM mašina integruoja daugumą šių funkcijų į vieną, tiesiai pirmyn judančią sistemą, kuri retai sustoja. Šis architektūrinis darbo eigos skirtumas yra visų našumo palyginimų tarp šių dviejų metodų pagrindas, kai dirbama kompetentingose kietos uolienos sąlygose.

Nuolatinis pjovimo ciklas prieš sustojimų ir paleidimų sprogdinimą

Kaip TBM mašina pašalina negaminamą laiką

Įprastoje gręžimo ir sprogdinimo tunelyje darbo ciklas yra savo prigimtimi fragmentuotas. Darbininkai išgręžia sprogdinimo skylų schemą, į jas įdeda sprogdinamąsias krovinines, paleidžia sprogimą, tada laukia, kol išsisklaidys dūmai, vėl įeina į tunelį, kad patikrintų jo būklę, nušluostytų atskilusią uolą ir galiausiai pašalintų suskaldytą medžiagą. Tik po visų šių veiksmų įrengiamas žemės palaikymas, o tik tada ciklas kartojamas. Vienas pilnas ciklas paprastai padidina tunelio galą vienu iki keturių metrų, o neproduktyvūs laukimo etapai gali užimti tiek pat laiko, kiek ir produktyvūs.

TBM mašina pašalina daugumą šio negaminamo laiko dėka mechaninės konstrukcijos. Sukantis pjovimo galvai, diskų pjovikliai su kontroliuojama stumties jėga spaudžiami prie uolienos paviršiaus, sukurdami tempimo įtrūkimus, kurie nuošluoja ir nulupa uolieną nuolatiniu procesu. Sukantis pjovimo galvai, iškasta medžiaga nedelsiant krinta ant konvejerio, įmontuoto į mašinos korpusą, ir perduodama atgal į paviršių arba šalinimo vietą. TBM mašinai nereikia sustoti ventiliacijai po kiekvieno pirmyn judėjimo ciklo, nes čia nevyksta sprogstamųjų medžiagų sprogimas, kuris gamintų nuodingų dujų.

Ši veiklos tęstinumas tiesiogiai lemia didesnius vidutinius pažengimo našumo rodiklius. Kol gręžimo ir sprogdinimo brigada gali pasiekti dešimt iki penkiolikos metrų per dieną kietoje uolienoje palankiomis sąlygomis, gerai parinkta TBM mašina toje pačioje uolienoje gali pasiekti dvidešimt iki penkiasdešimties metrų per dieną ar daugiau, priklausomai nuo uolienos stiprumo, abrazyvumo ir įrangos konfigūracijos. Ciklinio prastovos pašalinimas yra vienintelis labiausiai įtakos turintis šio skirtumo veiksnys.

Sukamasis jėgos momentas ir uolienos suskaldymo efektyvumas

Disko pjūklai, montuojami ant tunelių kasantys mašinų (TBM) pjūklo galvos, suprojektuoti taip, kad išnaikintų natūralią kietųjų uolienų trapumą esant suskoncentruotai apkrovai. Kai kiekvienas disko pjūklas ritasi per uolienos paviršių didelės stumties jėgos poveikiu – dažniausiai nuo 150 iki 300 kilonjutonų vienam pjūklui – jis inicijuoja mikroįtrūkimus, kurie plinta į šonus tarp gretimų pjūklo takų. Uoliena atskyla smulkiais, trikampio formos šukomis, vadinamomis šukomis arba skilimais. Šis įtrūkimų plitimo mechanizmas yra energiškai efektyvus, nes jis naudoja pačios uolienos tempimo silpnumą, o ne kovoja su juo.

Sprogstamosios medžiagos gręžimo ir sprogdinimo operacijoje turi įveikti tiek suspaudimo, tiek tempimo pasipriešinimą vienu metu, o daugelis energijos išsisklaido žemės virpėjimuose, oro sprogimuose ir šilumos pavidalu, o ne naudingame uolienų suardyme. TBM mašina mechaninę energiją koncentruoja tiksliai pjoviklio ir uolienos sąlyčio vietoje, todėl daug didesnė įvestos energijos dalis paverčiama naudinga kasimo veikla. Labai kietose, vientisose uolienose, kurių neapribojimo suspaudimo stipris viršija 150 MPa, TBM mašinos diskų pjovimo mechanizmas veikia geriau nei sprogdinimas, nes uolienos trapumas ir nuolatinė mikrostruktūra palankiai veikia efektyvią įtrūkimų plitimą visame kasimo veide.

Integruota šiukšlių (iškasenų) tvarkymo ir atramų montavimo sistema

Užpakalinės sistemos projektavimas ir nepersitrukdantis medžiagų srautas

TBM mašinos greičio pranašumas kyla ne tik iš pjovimo galvos. Lygiai taip pat svarbus indėlis į jį įnešamas dėl šiukšlių tvarkymo sistemos integravimo pačioje mašinos korpuso viduje. Kai tik uoliena suskyla tunelio veide, pjovimo galvos šepečiai ir kibirkštys surenka suskaldytą medžiagą ir perduoda ją į vidinę konvejerinę juostą. Ši juosta nuolat perneša medžiagą į mašinos galą, kur ji jungiasi su išorine konvejerine sistema arba bėgių pagrindu veikiančiomis šiukšlių vežimėliais, kurie perveža medžiagą į paviršių.

Šaudymo ir gręžimo tunelyje šiukšlių pašalinimui reikia atskirų kroviklių ir vežimo įrangos, kurios turi tiesiogiai patekti į darbo veidą. Prieš sprogstant darbo veidas turi būti išvalytas nuo personalo ir įrangos, o po aplinkos saugumo patvirtinimo vežimo įranga vėl turi įvažiuoti į darbo vietą. Šis sekinamasis logikos principas reiškia, kad šiukšlių pašalinimas negali prasidėti, kol nesibaigia sprogdinimas, o gręžimas negali būti atnaujintas, kol nesibaigia šiukšlių pašalinimas. TBM mašina sujungia šiuos etapus į vienu metu vykstančius procesus – iškasimas ir šiukšlių vežimas vyksta tuo pačiu metu, tolydžiai.

Šis integruotas požiūris taip pat žymiai sumažina darbo intensyvumą. TBM mašinos komanda valdo mechanizuotą sistemą, o ne keletą nepriklausomų įrenginių, kuriuos reikia derinti tarpusavyje. Kiekvienam pirmyn judėjimo metrui reikia mažiau darbuotojų, o fizinė darbo aplinka yra labiau kontroliuojama, todėl sumažėja laiko praradimas dėl saugos incidentų ar žmonių koordinavimo delsų.

Grunto palaikymas nepertraukiant iškasimo

Kietojo uolienų tuneliavime su apsaugotu TBM įrenginiu gruntinės atramos montavimas vyksta apsaugotoje zonoje tiesiai už pjovimo galvos skydo, tuo metu kai iškasimo darbai tęsiami tunelio veide. Iš anksto pagamintos betoninės segmentų žiedinės konstrukcijos montuojamos automatinio montavimo rankos pagalba mašinos užpakalinėje dalyje, tuo metu kai pjovimo galva juda pirmyn. Šis lygiagretus veiksmas yra viena iš stipriausių struktūrinių TBM įrenginio privalumų palyginti su sprogstamaisiais metodais, nes leidžia sutrumpinti statybos grafiką.

Kietojo uolienų tuneliavime sprogstamaisiais metodais po kiekvieno sprogdinimo ciklo gali būti reikalaujama sisteminio uolienų tvirtinimo strypų montavimo, vielos tinklelio įrengimo ir šautinio betono taikymo. Šiuos darbus atlieka darbuotojai rankinėmis ar mechanizuotomis priemonėmis, tačiau jie negali būti atliekami tuo metu, kol vyksta sprogdinimas ar kol sprogdinimo dujos vis dar yra tunelio galūnėje. TBM įrenginys efektyviai pašalina šį apribojimą fizinio įrenginio ilgio dėka atskirdamas atramos montavimo zoną nuo aktyvaus pjovimo zonos.

Rezultatas yra tas, kad TBM mašina gali palaikyti beveik nuolatinį judėjimą į priekį net tokiose uolų sąlygose, kurios reikalautų tankios atramos įrengimo. Atramos montavimo darbai neatskaitomi nuo kasimo laiko; jie vyksta lygiagrečiai, užtikrindami, kad mašinos ciklo trukmė atspindėtų kasimo greitį, o ne bendrą kasimo ir atramos įrengimo grafiką.

Uolų sąlygų tinkamumas ir našumo numatymo tikslumas

Kodėl kietos uolos palankesnės TBM mašinos našumui

Dažnai manoma, kad kietesnės uolos yra sudėtingesnės TBM mašinai, tačiau šis ryšys yra subtiliau. Kompetentiškos kietos uolos – t. y. stiprios, vientisos uolos, neturinčios didelių lūžių zonų – iš tikrųjų sukuria idealias sąlygas TBM mašinai pasiekti aukščiausius pažangos rodiklius. Uolų masės vientisumas leidžia pjovikliams veikti beveik optimaliais parametrais be staigių apkrovos svyravimų, kuriuos sukelia tuštumos, molio įsiveržimai ar neprognozuojamos plyšių sistemos.

Gręžimo ir sprogdinimo metodas, nors ir pritaikomas kintamoms gruntų sąlygoms, neleidžia pasiekti proporcingo greičio pranašumo kietesniuose uolienose. Kietesnės uolienos reikalauja ilgesnio gręžimo laiko, didesnių sprogstamųjų medžiagų kiekių ir dažnai atidžesnio po sprogdinimo uolienų nuvalymo, viskas tai padidina ciklo trukmę. Tunelinio kasybos įrenginio (TBM) našumas palankiau keičiasi priklausomai nuo uolienos stiprumo, nes kietesnės ir trapesnės uolienos efektyviau skilinėja diskų pjūklų veikiamos. Projektai, vykdomi granito, bazalto, kvarcito ir panašiose uolienose, nuolat parodė, kad TBM įrenginių pažangos tempai žymiai viršija gręžimo ir sprogdinimo metodais pasiekiamus terminus.

Pastovus pažangos tempas ilguose tuneliuose

Viena svarbiausių strateginių TBM mašinos privalumų kietoje uolienoje yra jos pažengimo našumo numatymas. Projektų planuotojai ir sutarties grafikų sudarytojai gali tiksliai prognozuoti mašinos našumą remdamiesi vietos tyrimų duomenimis apie uolienos charakteristikas. Šis numatymas yra vertingas sutarčių valdymui, išteklių planavimui, logistikos koordinavimui ir finansavimui.

Kietoje uolienoje gręžimo ir sprogdinimo terminai iš esmės yra labiau kintami. Vienas netikėtos lūžio zonos, kietesnio abrazyvaus uolienos sluoksnio ar nestabilių viršutinių nuolaužų sąlygų susidūrimas gali žymiai pratęsti projekto grafiką. TBM mašina nėra nejautri geologinėms netikėtumams, tačiau jos mechanizuota prigimtis leidžia reaguoti sistematiškiau ir kontroliuojamiau, o jos duomenų rinkimo sistemos gali pateikti realiuoju laiku informaciją apie keičiamas gruntinio masyvo sąlygas prieš darbo veidą.

Ilguose tunelių statybos darbuose — ypač tuose, kurių ilgis viršija tris–penkis kilometrus — TBM mašinos greičio pranašumas tampa lemtingas. Mobilizacijos metu prarastas laikas ir santykinai didesnės mašinos kapitalinės sąnaudos išsisklaidomos viso įrengimo ilgyje, o nuolatinis kasdienis pažangos tempas daugiau nei kompensuoja pradinį investicijų skirtumą palyginti su gręžimo ir sprogdinimo metodais.

Darbo jėga, sauga ir grafiko integracija

Sumažinta žmonių veiklos pavojingose sąlygose

TBM mašinos greičio pranašumas nėra tik mechaninis — jis taip pat kyla iš to, kad žmonės pašalinami nuo pavojingiausių tuneliavimo proceso etapų. Gręžimo ir sprogdinimo tunelyje darbuotojai kiekviename cikle turi fiziškai pasiekti sprogdinimo veidą: gręžimui, užtaisymui, uolų nušluostymui ir atramų montavimui. Kiekvienas veido apsilankymas susijęs su rizika, o net nedidelės saugos incidentų atvejai sukelia laiko nuostolius, kurie ilguose projektuose kaupiasi.

TBM mašina daugumą darbuotojų laiko kontroliuojamose aplinkose – arba pačioje mašinos korpuse, arba gerai įrengtoje srityje už vėlinančios įrangos. Automatizuoti pjovimo galvutės ir konvejeriniai sistemos tvarko pavojingiausią artumą prie šviežio uolienos. Ši projektavimo filosofija sumažina įvykių dažnį, kas tiesiogiai apsaugo grafiko vientisumą. Projektai, kurie išvengia saugos susijusių darbo sustabdymų, tikėtina, kad patikimiau laikysis numatytų pažangos tempų nei tie projektai, kuriuose kartotinai įvyksta darbo vietos incidentai.

Lygiagretus darbo srautas ir darbuotojų komandų naudojimas

TBM mašinos projektas leidžia lygiagrečius darbo eigų procesus, kurių negali užtikrinti gręžimo ir sprogdinimo metodai. Kol mašina juda pirmyn, paviršiuje arba už jos esančioje sekcijoje dirbantys darbuotojai gali atlikti techninę priežiūrą, papildyti tiekiamas medžiagas, pristatyti segmentus ir tvarkyti logistiką, nepertraukdami kasimo darbų. Mašinos įgula yra organizuota į specializuotas pareigas – operatoriai, techninės priežiūros technikai, segmentų montavimo operatoriai, konvejerių prižiūrėtojai – kiekvienas iš jų dirba vienu metu, o ne laukia, kol bus baigtas ankstesnis etapas nuoseklioje ciklo eigoje.

Šis lygiagretumas yra laiko naudojimo efektyvumo daugintuvas. Dideliuose infrastruktūros projektuose, tokiuose kaip metro tuneliai, vandens tiekimo sistemos ar kelio tuneliai per kalnų masyvus, galimybė vienu metu vykdyti kelis darbo srautus reiškia, kad TBM mašinos projektas gali įvykdyti suspaustus terminus, kurių fiziniu požiūriu būtų neįmanoma pasiekti naudojant gręžimo ir sprogdinimo metodus.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kokio tipo kietoje uolienoje TBM mašina pasiekia aukščiausius pažangos tempus?

TBM mašina veikia geriausiai stipriame, vientisame, kietame uolienų masyve, pvz., granite, gneise, bazaltuose ar kvarcite, kur uoliena yra stipri, vienalytė ir santykinai laisva nuo didelių plyšių ar molu užpildytų lūžių. Tokios sąlygos leidžia diskams pjauti optimaliu stumiamuoju jėga ir sukimosi parametrais, efektyviai formuojant šipšus ir užtikrinant stabilų darbo paviršių. Kuo vienalytesnė uolienų masė, tuo patikimiau TBM mašina gali palaikyti maksimalius kasdienius pažangos tempus.

Ar TBM mašina visada pranašesnė už gręžimo ir sprogdinimo metodą kietoje uolienoje?

Ne kiekvienu atveju. Trumpiems tuneliams, sudėtingiems trasyje su dažnais krypties pasikeitimais arba projektams, vykdomiems labai kintamose uolienų sąlygose su daugybe lūžių zonų, gręžimo ir sprogdinimo metodas gali siūlyti kompensuojančius privalumus dėl jo lankstumo. Tačiau ilgiems tiesiems ar švelniai išlenktiems tuneliams, kurie statomi tvirtose uolienose, TBM mašina beveik visada yra greitesnė, kai ji jau visiškai veikia ir įsteigta logistinė grandinė. Tunelio ilgis, nuo kurio TBM mašinos naudojimas tampa ekonomiškai ir terminiškai naudingas, paprastai laikomas esąs apie 1–3 km, priklausomai nuo konkrečių projekto sąlygų.

Kaip pjoviklių priežiūra veikia TBM mašinos greitį kietose uolienose?

Disko pjoviklių nusidėvėjimas yra viena pagrindinių priežiūros problemų, su kuriomis susiduria TBM mašina abrazyviuose uolienų sluoksniuose. Nusidėvėjusius ar pažeistus pjoviklius reikia keisti, kad būtų išlaikyta pjovimo efektyvumas, o tai reikalauja numatytų mašinos sustabdymų pjoviklių patikrinimui ir keitimui. Labai abrazyviuose sluoksniuose, pvz., kvarcituose, pjoviklių sunaudojimo normos gali būti aukštos, o priežiūros intervalai – dažni. Tačiau šiuolaikinės TBM mašinų konstrukcijos leidžia greitai keisti pjoviklius, o numatyti priežiūros sustabdymai yra žymiai trumpesni ir tikresni nei netikėti prastovų laikai, kurie kaupiasi sprogdinant ir gręžiant tunelius tokiu pačiu atstumu.

Kokie projektiniai duomenys turi būti parengti prieš parenkant TBM mašiną kietųjų uolienų tuneliavimui?

Vietos tyrimas turėtų apimti išsamią uolienų masės charakterizaciją, apimančią vienašalę gniuždymo stiprumą, brazilų tempimo stiprumą, uolienų šlifuojamumo indeksą, plyšių tarpus ir orientaciją, gruntinio vandens sąlygas bei bet kokių didelių lūžių ar nuožulnių zonų buvimą. Šie duomenys tiesiogiai naudojami tunelinio kasybos įrenginio (TBM) techninėms specifikacijoms nustatyti, įskaitant pjoviklio galvutės stumties pajėgumą, pjoviklių tipą ir išdėstymą, skydo konstrukciją bei pagalbinių sistemų konfigūraciją. Tikslūs geotechniniai duomenys yra vienintelis svarbiausias įvesties duomenų elementas, leidžiantis prognozuoti, ar TBM įrenginys pasieks numatytą greičio pranašumą konkrečiame projekte.