Что делает проходческую машину ТБМ быстрее, чем метод бурения и взрывания в скальных породах?

Когда инженеры и менеджеры проектов оценивают методы проходки тоннелей в условиях твёрдых пород, скорость почти всегда находится в центре дискуссии. Вопрос заключается не просто в том, какой метод является более современным, а в том, какой из них обеспечивает измеримые преимущества по скорости проходки, экономической эффективности и соблюдению общего графика проекта. Щитовой проходческий комплекс на протяжении десятилетий развития инфраструктуры зарекомендовал себя как принципиально иной подход к разрушению и удалению горных пород — подход, основанный на непрерывности процесса, механизированной силе и точной геометрии, а не на циклическом воздействии, характерном для традиционных методов бурения и взрывания.

Понимание того, что обеспечивает тоннельному буровому щиту (TBM) преимущество в скорости при проходке в твёрдых породах, требует анализа каждого этапа цикла проходки — как происходит разрушение горной породы, как удаляется порода («выемка»), как устанавливается крепь и как эти процессы взаимосвязаны при непрерывной механической работе. При проходке методом бурения и взрывания эти операции выполняются последовательно с обязательными перерывами между ними. В отличие от этого, TBM интегрирует большинство из этих функций в единую систему, перемещающуюся вперёд и почти не останавливающуюся. Именно это архитектурное различие в организации рабочего процесса лежит в основе всех сравнений эффективности двух методов в условиях прочных твёрдых пород.

Непрерывный цикл резания против цикла «стоп-старт» при взрывании

Как TBM устраняет простои

В традиционном тоннеле, проходимом методом бурения и взрыва, рабочий цикл изначально фрагментирован. Рабочие пробуривают шахтное поле взрывных скважин, заряжают их взрывчатыми веществами, производят взрыв, после чего ожидают рассеивания газов, вновь входят в забой для осмотра, удаляют незакреплённую породу («скалируют») и, наконец, выгружают разрушенный материал. Только после выполнения всех этих операций устанавливается крепь выработки, после чего цикл повторяется. Каждый полный цикл, как правило, обеспечивает продвижение забоя на один–четыре метра, а неэффективные фазы ожидания могут занимать столько же времени, сколько и продуктивные операции.

Машина ТПМ устраняет большую часть этого простоев за счёт механической конструкции. Вращающаяся режущая головка прижимает дисковые резцы к горной породе с контролируемой толкающей силой, создавая трещины растяжения, в результате чего порода откалывается и осыпается в непрерывном процессе. По мере вращения режущей головки вынутый грунт сразу же попадает на конвейер, встроенный в корпус машины, и транспортируется назад на поверхность или в место утилизации. Машине ТПМ не требуется останавливаться для проветривания после каждого цикла проходки, поскольку взрывчатые вещества не используются и, следовательно, не образуются токсичные газы.

Эта непрерывность работы напрямую приводит к более высоким средним скоростям проходки. В то время как бригада, выполняющая проходку методом взрывания, может достичь десяти–пятнадцати метров в день в твёрдой породе при благоприятных условиях, хорошо подобранная машина проходческого щита (TBM), работающая в той же породной толще, способна обеспечить скорость проходки двадцать–пятьдесят метров в день и более — в зависимости от прочности породы, её абразивности и конфигурации оборудования. Устранение циклических простоев является единственным наиболее значимым фактором, обуславливающим данную разницу.

Вращающий момент и эффективность дробления породы

Дисковые резцы, установленные на рабочем органе тоннельного проходческого щита (TBM), спроектированы так, чтобы использовать естественную хрупкость твёрдой породы под сосредоточенной нагрузкой. По мере того как каждый дисковый резец катится по поверхности породы под высоким осевым усилием — обычно в диапазоне от 150 до 300 килоньютонов на резец — он инициирует микротрещины, которые распространяются в поперечном направлении между соседними следами резцов. Порода откалывается в виде клинообразных фрагментов, называемых чипсами или слайверами. Механизм распространения трещин энергетически эффективен, поскольку он использует собственную растяжимую слабость породы, а не борется с ней.

Взрывчатые вещества при буровзрывных работах должны одновременно преодолевать как сжимающее, так и растягивающее сопротивление, причём значительная часть энергии рассеивается в виде колебаний грунта, воздушной ударной волны и тепла, а не затрачивается на эффективное разрушение пород. Тоннельно-проходческий щит (TBM) концентрирует механическую энергию точно в зоне контакта резцов с породой, что означает, что значительно большая доля подводимой энергии расходуется на полезное проходческое производство. В очень твёрдых массивных породах с пределом прочности на одноосное сжатие выше 150 МПа механизм дискового резания TBM демонстрирует относительно лучшую производительность по сравнению со взрывным способом, поскольку хрупкость породы и её однородная микроструктура способствуют эффективному распространению трещин по всей забойной поверхности.

Комплексная система транспортировки породы и установки крепи

Конструкция задней части комплекса и непрерывный поток материалов

Преимущество тоннельно-проходческого щитового комплекса (TBM) в скорости достигается не только за счёт рабочего органа. Не менее важную роль играет интеграция системы транспортировки породы непосредственно в корпус машины. Как только порода разрушается на забое, скребки и ковши рабочего органа собирают отбитую породу и подают её на внутреннюю конвейерную ленту. Эта лента непрерывно перемещает материал к задней части машины, где она соединяется с прицепной конвейерной системой или железнодорожными вагонетками для вывоза породы на поверхность.

При проходке тоннеля методом бурения и взрыва погрузка породы требует использования отдельных погрузчиков и транспортных средств для вывоза, которые должны напрямую подъезжать к забою. Перед взрывом забой должен быть полностью освобождён от персонала и оборудования, после чего транспортные средства могут вновь войти в забой только после подтверждения безопасности обстановки. Такая последовательная логика означает, что погрузка породы не может начаться до завершения взрыва, а бурение не может возобновиться до окончания погрузки. Тоннельно-проходческий щит (TBM) объединяет эти этапы в одновременные процессы — разработка породы и транспортировка породы происходят одновременно и непрерывно.

Такой интегрированный подход также значительно снижает трудоёмкость работ. Экипаж TBM управляет механизированной системой вместо того, чтобы координировать работу нескольких независимых единиц оборудования. На каждый погонный метр проходки требуется меньше персонала, а физические условия труда более контролируемые, что сокращает простои, вызванные аварийными ситуациями или задержками, связанными с человеческой координацией.

Крепление породы без остановки проходки

При проходке твердых пород щитовой машиной TBM крепление выработки осуществляется в защищенной зоне непосредственно за щитом резцового барабана, в то время как проходка продолжается на забое. Сборка колец из готовых бетонных сегментов выполняется автоматизированным монтажным устройством в хвостовой части машины по мере продвижения резцового барабана. Такая параллельная работа является одним из наиболее значимых конструктивных преимуществ машины TBM по сравнению с методом «бурение и взрыв» с точки зрения сокращения сроков строительства.

При проходке туннелей в твердых породах методом «бурение и взрыв» после каждого цикла взрыва может потребоваться систематическая установка анкеров, укладка проволочной сетки и нанесение набрызг-бетона. Эти работы выполняются персоналом с использованием ручного или механизированного оборудования, однако их невозможно проводить во время взрывных работ или пока в забое присутствуют взрывные газы. Машина TBM эффективно устраняет это ограничение, физически разделяя зону установки крепи и активную зону резания длиной самой машины.

Результат заключается в том, что проходческий щитовой комплекс (TBM) может поддерживать почти непрерывное продвижение вперёд даже в скальных условиях, требующих установки плотной крепи. Работы по креплению не сокращают время проходки; они выполняются параллельно, обеспечивая, что цикловое время машины отражает скорость проходки, а не совокупный график проходки и крепления.

Соответствие условий залегания скальных пород и предсказуемость производительности

Почему твёрдые породы способствуют эффективной работе TBM

Существует распространённое заблуждение, что более твёрдые породы создают большие трудности при работе проходческого щитового комплекса (TBM), однако эта взаимосвязь является более сложной. Способные твёрдые породы — то есть породы, обладающие высокой прочностью, сплошностью и отсутствием крупных разломных зон — фактически создают идеальные условия для достижения TBM максимальных скоростей проходки. Однородность массива пород позволяет резцам работать вблизи оптимальных параметров без резких колебаний нагрузки, вызываемых пустотами, включениями глины или непредсказуемым расположением трещин.

Бурение и взрыв, хотя и адаптируемый к изменяющимся геологическим условиям метод, не обеспечивает пропорционального увеличения скорости проходки в более твёрдых породах. В более твёрдых породах требуется больше времени на бурение, большие заряды взрывчатых веществ, а также зачастую более тщательная расчистка забоя после взрыва — всё это увеличивает продолжительность цикла проходки. Производительность тоннельно-проходческого комплекса (ТПК) возрастает более благоприятным образом с ростом прочности породы, поскольку более твёрдые и хрупкие породы эффективнее разрушаются дисковыми резцами под нагрузкой. На проектах в гранитных, базальтовых, кварцитовых и аналогичных формациях показатели скорости проходки ТПК последовательно превышают темпы проходки методом бурения и взрыва с существенным отрывом.

Стабильность скорости проходки на протяжённых участках

Одним из наиболее стратегически важных преимуществ тоннельно-проходческого щитового комплекса (TBM) в твёрдых породах является предсказуемость его скорости проходки. Планировщики проектов и составители графиков контрактов могут с высокой степенью точности прогнозировать производительность машины на основе данных о характеристиках горных пород, полученных в ходе инженерно-геологических изысканий на площадке. Такая предсказуемость имеет большое значение для управления контрактами, планирования ресурсов, координации логистики и финансирования.

Сроки проходки методом бурения и взрывания в твёрдых породах изначально более изменчивы. Встреча с неожиданной зоной разлома, участком более твёрдой абразивной породы или условиями неустойчивого вывалообразования может значительно удлинить сроки реализации проекта. Тоннельно-проходческий щитовый комплекс (TBM) также не застрахован от геологических сюрпризов, однако его механизированный характер позволяет реагировать на них более системно и контролируемо, а системы сбора данных обеспечивают получение информации в реальном времени об изменяющихся условиях массива впереди забоя.

При проходке длинных тоннелей — особенно протяжённостью более трёх–пяти километров — суммарное преимущество в скорости проходческого щита (TBM) становится решающим. Потери времени на мобилизацию и относительно более высокая капитальная стоимость машины распределяются на всю длину проходки, а стабильный ежедневный темп продвижения более чем компенсирует разницу в первоначальных инвестициях по сравнению с методом бурения и взрывания.

Рабочая сила, безопасность и интеграция графика работ

Снижение степени воздействия опасных условий на персонал

Преимущество в скорости проходческого щита (TBM) обусловлено не только механическими факторами — оно также достигается за счёт исключения персонала из наиболее опасных участков процесса проходки. При проходке тоннеля методом бурения и взрывания рабочие должны физически многократно подходить к забою в рамках каждого цикла: для бурения, заряжания, удаления нависающих пород и установки крепи. Каждый выход к забою сопряжён с риском, а происшествия, связанные с безопасностью, даже незначительные, приводят к потерям времени, которые накапливаются в течение длительного проекта.

СТМ-машина размещает большую часть рабочей силы в контролируемых условиях внутри корпуса машины или в хорошо освоенной зоне позади задней тележки. Автоматизированные системы режущей головки и конвейеров выполняют наиболее опасные операции в непосредственной близости от свежего массива породы. Такая философия проектирования снижает частоту происшествий, что напрямую обеспечивает сохранение графика работ. Проекты, в которых удаётся избежать простоев, вызванных нарушениями техники безопасности, с большей надёжностью соблюдают прогнозируемый темп проходки по сравнению с проектами, где регулярно возникают инциденты на забое.

Параллельный рабочий процесс и использование бригад

Проект с использованием тоннельно-проходческого щита (TBM) позволяет реализовывать параллельные рабочие процессы, которые невозможны при буровзрывном способе проходки. По мере продвижения щита бригады на поверхности или в хвостовой части могут выполнять техническое обслуживание, пополнение запасов материалов, доставку тюбинговых колец и логистические операции без остановки проходческих работ. Экипаж щита разделён на специализированные роли — машинисты, техники по техническому обслуживанию, операторы монтажа тюбингов, обслуживающий персонал конвейерных систем — каждый из которых работает одновременно, а не дожидается завершения предыдущего этапа в последовательном цикле.

Такая параллельность выступает в роли множителя производительности по графику. В крупных инфраструктурных проектах — таких как строительство метротоннелей, систем водоснабжения или автомобильных тоннелей сквозь горные хребты — возможность одновременного выполнения нескольких рабочих потоков позволяет проектам с применением TBM укладываться в сжатые сроки, достижение которых физически невозможно при использовании буровзрывного способа.

Часто задаваемые вопросы

В каком типе твёрдой породы тоннельно-проходческий щит (TBM) достигает наибольших скоростей проходки?

Тоннельно-проходческий щит (TBM) показывает наилучшие результаты при проходке массивных, прочных пород, таких как гранит, гнейс, базальт или кварцит, где горная порода обладает высокой прочностью, однородностью и относительно свободна от крупных нарушений или глинистых разломов. Такие условия позволяют дисковым резцам работать при оптимальных значениях осевого усилия и частоты вращения, обеспечивая эффективное образование крошения и устойчивость забоя. Чем более однородна горная масса, тем надёжнее ТПМ может поддерживать максимальные суточные темпы проходки.

Всегда ли тоннельно-проходческий щит (TBM) превосходит метод буровзрывных работ в условиях твёрдых пород?

Не во всех случаях. Для коротких тоннелей, сложных трасс с частыми изменениями направления или проектов в условиях сильно изменчивых горных пород с многочисленными зонами разломов гибкость метода «бурение и взрыв» может обеспечить компенсирующие преимущества. Однако для длинных прямых или слегка изогнутых выработок в устойчивых твёрдых породах тоннельно-проходческий щит (TBM) почти всегда обеспечивает более высокую скорость проходки после полного ввода машины в эксплуатацию и налаживания логистической цепочки. Длина тоннеля, при которой применение TBM становится экономически и по срокам выполнения выгодным (точка безубыточности), как правило, составляет от одного до трёх километров и зависит от специфики конкретного проекта.

Как обслуживание резцов влияет на скорость работы тоннельно-проходческого щита (TBM) в твёрдых породах?

Износ дисковых резцов является одной из основных задач технического обслуживания тоннельно-проходческого щита (ТПЩ) при проходке в абразивных твёрдых породах. Изношенные или повреждённые резцы необходимо заменять для поддержания эффективности резания, что требует запланированных остановок машины для осмотра и замены резцов. В высокоабразивных породных формациях, таких как кварцит, темпы расхода резцов могут быть высокими, а интервалы между техническим обслуживанием — частыми. Однако современные конструкции ТПЩ предусматривают быструю замену резцов, а запланированные остановки на техническое обслуживание значительно короче и предсказуемее незапланированных простоев, накапливающихся при проходке методом бурения и взрывания на том же протяжении.

Какие проектные данные следует подготовить перед выбором тоннельно-проходческого щита для проходки тоннелей в твёрдых породах?

Исследование площадки должно включать детальную характеристику горного массива, охватывающую предел прочности на одноосное сжатие, предел прочности на растяжение по методу Бразилии, индекс абразивности породы, расстояние между трещинами и их ориентацию, условия грунтовых вод, а также наличие крупных разломов или зон сдвига. Эти данные напрямую используются при определении технических характеристик тоннельно-проходческого комплекса (ТПК), включая усилие на забое щитовой установки, тип и шаг расположения резцов, конструкцию щита и конфигурацию вспомогательной системы. Точная геотехническая информация является единственным наиболее важным входным параметром для прогнозирования того, обеспечит ли ТПК ожидаемое преимущество в скорости проходки на конкретном проекте.