Katere dejavnike je potrebno upoštevati pri izbiri topnilskega stroja za projekt?

Geološki in geotehnični pogoji, ki vplivajo na izbiro stroja za bušenje tunelov

Ocenjevanje sestave tal, kamnin in stabilnosti terena

Stroji za vrtanje tunelov (TBMs) za učinkovito delovanje zahtevajo natančno geološko združljivost. Študija iz leta 2023 v Znanstvena poročila je ugotovila, da 70 % zastojev pri TBMs izhaja iz geološke nezdružljivosti, zlasti v okoljih z mešanimi tlemi. Ključni dejavniki vključujejo:

• Abrazivne plasti kamnin ki povzročajo 3-krat hitrejšo obrabo rezalnega diska v primerjavi s progi zemlje
• Obliki z velikim deležem gline ki zahtevajo povečano navorno zmogljivost, da se prepreči zastoj stroja
• Zlomljena območja zahtevne prilagoditve podpor v realnem času za preprečevanje zrušitev

Ocena tlaka podzemne vode in razломnih con

Tlak podzemne vode, ki presega 5 barov, lahko ogroža celovitost predora, medtem ko razломne cone povečajo tveganje zrušitev za 40 %. Sodobni TBM-ji vključujejo:

• Hiperbarične senzorje za takojšnjo zaznavo prodora vode
• Sistema za injiciranje malte, ki se aktivirata pri mejni vrednosti diferencialnega tlaka 3 bari
• S seizmičnimi moduli za predhodno preslikavo razломnih linij v radiju 15 metrov od poti bušenja

Primer primera: Prilagajanje TBM-jev kompleksni geologiji v osnovnem predoru Gotthard

Projekt Gotthard se je soočil s 73 različnimi geološkimi mejnimi ploskvami, vključno z:

1. Metasedimentarnim kamninam odseki, ki zahtevajo nosilnost potiska 450 kN
2. Območja podzemne vode upravljana z dvostopenjskim odvajanjem vode
3. Zone strižnega poškodovanja zmanjšane s modularnimi segmentnimi oblogovalnimi sistemi

To prilagoditev je zmanjšala geološke zamude za 62 % v primerjavi s konvencionalnimi metodami, kar kaže na ključno vlogo celovite geotehnične raziskave pri izbiri stroja za bušenje tunelov.

Prilagajanje tipov strojev za bušenje tunelov geološkim razmeram

Izbira optimalnega stroja za bušenje tunelov (TBM) zahteva uskladitev zmogljivosti stroja s podzemskimi izzivi.

EPB, muljasti in TBM za trdne kamnine: Izbira glede na geologijo

Tunelski vrtalni stroji z uravnoteženim tlakom zemlje (EPB) delujejo najbolje v mehkih tleh in mestnih okoljih, kjer uporabljajo stisnjeno zemeljsko maso za stabilizacijo tunelskih sten in hkrati zmanjšujejo premike na površju na minimum. Pri zasičenih zemeljskih razmerah prevzamejo sluzni ščiti, ki mešajo bentonitno glino z vodo, da ustvarijo sluz, ki uravnovesi podzemno hidrostatično tlak iz spodnjih plasti. TBMs s ploščnimi rezalniki, namenjeni trdim kamninam, lahko dosegajo dober napredek skozi trdne kamnine, približno od 15 do celo 30 metrov na dan, odvisno od kakovosti kamnine. Po nedavni študiji, objavljeni leta 2022, ko inženirji izberejo napačno vrsto stroja za določene geološke razmere, se zaključek projektov zakasni približno za dve tretjini dlje kot predvideno. To poudarja, kako pomembno je temeljito razumevanje podzemnih razmerij še preden se začne z izkopavanjem.

Večnamenski TBM-ji za spremenljive in heterogene geološke razmere

Sodobni hibridni stroji za vrtanje tunelov združujejo obe tehnologiji, EPB in mulj, kar jim omogoča obravnavanje različnih tipov kamnin brez ustavljanja celotnega projekta. Vzemimo primer dostopnega tunela Gotthard kot primer. Tam so inženirji uporabili stroj, ki je lahko večkrat preklopljal med načini med izkopom. Natančneje, je spremenil nastavitve približno 14-krat, medtem ko je delal skozi plasti apnenca, mešane s mehkejšimi plastmi ilovice. Ti stroji so opremljeni z senzorji, ki nenehno spremljajo dogajanje pod zemljo. Ko zaznajo spremembe v tleh pred seboj, sistem samodejno prilagodi stvari, kot so navor in potisk. To je privedlo do približno 40-odstotnega upada nepričakovanih zaustavitev pri delu v zahtevnih pogojih mešanega čela. Druga velika prednost izhaja iz modularne konstrukcije rezalnih glav. Namesto da bi zamudili tedne za zamenjavo orodij za različne kamnine, lahko ekipe sedaj te zamenjave opravijo v samo dveh dneh, kar bistveno pomaga pri ohranjanju urnika projekta.

Tunelske dimenzije, poravnava in zahteve glede zmogljivosti stroja

Vpliv globine, premera in poravnave tunela na izbiro TBM-ja

Globina, do katere se predira tunel, določa tlak tal, ki ga izkuša, kar pomeni, da morajo stroji za predrtovanje tunelov imeti zelo trdno konstrukcijo, da lahko prenesejo tlake nad 5 barov pri kopanju v zelo velikih globinah. Pomembna je tudi velikost. Veliki stroji s premerom več kot 12 metrov običajno najbolje delujejo s sistemom uravnoteženja tlaka tal v mestnih okoljih, kjer ne želimo, da bi stavbe potonile. Manjši stroji pod 6 metri se lahko zadovoljijo s tehnologijo vodeni predrtovanja za natančno pozicioniranje. Ko se tuneli ukrivljajo ali potekajo navzgor/navzdol, morajo imeti operatorji stroje, ki se lahko precej upognejo in zasučejo – sposobnost obračanja okoli 8 stopinj pomaga pri ravnanju s težavnimi spremembami višine, ne da bi se stroj razbil. Nedavne študije o pravokotnih koncih tunelov so pokazale nekaj zanimivega. Če je višina več kot 1,5-krat večja od širine, je približno 34 % večja verjetnost nastanka problemov nestabilnosti. To pojasnjuje, zakaj inženirji porabijo toliko časa za načrtovanje rezalnih glav, ki ustrezajo določenim potem tunelov.

Optimizacija moči, potiska in hitrosti napredovanja za učinkovitost projekta

Današnji stroji za vrtanje tunelov potrebujejo med 2.500 do 6.000 kilonjutnov potiskne sile, le da bi napredovali s primernimi hitrostmi okoli 15 do 35 milimetrov na minuto pri delu v mešanih geoloških razmerah. Energetske sisteme je treba dimenzionirati glede na navorne zahteve rezalne glave, ki se običajno gibljejo med 3 in 15 meganjutnonmetrov. Pri delu skozi trde kamnine se ploščasti rezalniki običajno vrtijo s približno 5 do 6 obratov na minuto, kar omogočajo motorji z močjo 350 kilovatov. Ko upoštevamo tlačne ravnotežne stroje, ki delujejo v mehkejših tleh, se razmere precej spremenijo. Ti stroji se osredotočajo predvsem na odstranjevanje izkopanega materiala, zato zelo zavzeto uporabljajo navorne zmogljivosti svojih vijačnih transporterjev, pri čemer splošno potrebujejo med 120 in 250 kilonjutnonmetrov. Nekatere zanimive ugotovitve iz dela na področju kopanja tunelov v mehkih tleh iz leta 2015 so pokazale, da lahko prilagajanje tlaka v realnem času zmanjša smerne napake za skoraj polovico v primerjavi s fiksnimi nastavitvami tlaka. Tirovni operaterji vedno hodijo po tanki črti med želeno hitrostjo napredovanja skozi zemljo in življenjsko dobo orodij. Nedavne raziskave iz leta 2022 kažejo, da preprosto zmanjšanje števila obratov za 20 % dejansko podvoji življenjsko dobo rezalnikov pri delu v zelo abrazivnih granitnih formacijah.

Integracija tehnologije in operativna učinkovitost pri sodobnih strojih za vrtanje tunelov

Sodobni stroji za vrtanje tunelov (TDM) zdaj vključujejo avtomatizacijo in sisteme za vodenje z uporabo umetne inteligence ki optimizirajo natančnost izkopavanja in hkrati zmanjšujejo človeške napake. Vgrajeni orodja za spremljanje v realnem času analizirajo geološke podatke, da dinamično prilagajajo navor rezalne glave in potiskne sile ter zagotavljajo natančnost poravnave znotraj ±10 mm tudi v nestabilnih plasteh.

Avtomatizacija, sistemi za vodenje z uporabo umetne inteligence in spremljanje v realnem času

Sodobni sistemi umetne inteligence lahko vsako sekundo obdelajo več kot 500 senzorskih meritev, kar jim omogoča napovedovanje obnašanja tal in prilagajanje nastavitev vrtanja. To je dejansko zmanjšalo nepričakovane zaustavitve za približno četrtino na večjih projektih, kot je gradnja predora Gotthard Base Tunnel. Pri upravljanju mulja avtomatizacija ohranja uravnotežene tlake, kar pomaga preprečiti zrušitve pri delu v mokrih tleh. Sistemi za spremljanje v realnem času so se izkazali tudi za zelo učinkovite in zmanjšali težave z prodorom vode za okoli 40 odstotkov v primerjavi s starinskimi ročnimi metodami. Ne smemo pozabiti niti na funkcije prediktivnega vzdrževanja, ki omogočajo daljše delovanje opreme in podaljšajo življenjsko dobo komponent za približno 30 %, kar potrjujejo poročila iz terena več inženirskih podjetij.

Oddaljeni diagnostični in nadzorni sistemi za izboljšano zmogljivost

Centralizirani nadzorni centri zdaj omogočajo oddaljeno delovanje TBM z uporabo diagnostike na podlagi IoT. Na primer algoritmi za analizo vibracij zaznajo obrabo ležajev 50 ur pred okvaro, kar omogoča preventivne popravke. Pilotni projekt iz leta 2024, ki je uporabljal sisteme za oddaljeno vodenje, je dosegel 98 % obratovalnega časa pri namestitvi mestnih cevovodov z optimizacijo menjave rezalnikov in odstranjevanja izkopanega materiala.

Te izboljšave skrajšajo čas trajanja projektov za 20–30 %, hkrati pa zmanjšujejo stroške dela in število nesreč na delovnem mestu.

Skupni stroški lastništva, vzdrževanja in prilagodljivost kadrov

Stroški življenjske dobe, potrebe po vzdrževanju in dostopnost popravil

Skupni stroški lastništva (TCO) stroja za bruhanje tunelov segajo daleč prek njegove začetne cene, pri čemer operacije in vzdrževanje (O&M) predstavljajo 45–60 % stroškov v celotni življenjski dobi. To vključuje:

• Redna održavanja : Pregledi rezalnega diska (12.000–18.000 $ na interval) in zamenjava tesnil (740.000–2,1 Mio $ letno) za preprečevanje katastrofalnih okvar
• Nepredvideni popravki : Zamenjava obrabljivih delov v abrazivnih kamnitih razmerah, ki lahko stanejo do 30 % letnega proračuna projekta
• Posledice prostojev : Zakasnitve zaradi okvar ležajev za 1–2 tedna zmanjšajo učinkovitost bruhanja tunelov za 18–22 %

Dostopnost popravil povzroča 25 % stroškov vzdrževanja v omejenih delovnih prostorih. Modularne konstrukcije s standardiziranimi komponentami zmanjšajo čas zamenjave komponent za 40 % v primerjavi s prilagojenimi sistemi.

Usposabljanje operaterjev, varnostne funkcije in skladnost z lokalnimi predpisi

Izkušeni operaterji povečajo hitrost napredovanja za 15 %, hkrati pa zmanjšajo obrabo rezil za 28 %. Obvezni certifikati sedaj zahtevajo:

• 120–180 ur usposabljanja na simulatorju za delo s tunelskimi stroji v mehkih tleh
• Tedenske vaje za ukrepanje v primeru požara in evakuacijo pri nesrečah
• Skladnost s regionalnimi standardi, kot so protokoli OSHA za dostop v omejenih prostorih (29 CFR 1926.800)

Sodobni stroji za vrtanje tunelov vključujejo sisteme za preprečevanje trčenja (25 % manj nesreč) in avtomatsko nadzorovanje plinov, da bi izpolnili posodobitve direktive EU o strojih iz leta 2023. Projekt iz leta 2023 v srednji Evropi je pokazal, da prilagodljivi programi usposabljanja zmanjšajo nenameravane izpade za 30 % s pomočjo analitike učinkovitosti v realnem času.

Pogosta vprašanja

Kateri so ključni dejavniki, ki vplivajo na izbiro tunelskega stroja (TBM)?

Ključni dejavniki vključujejo geološko združljivost, kot so sestava kamnin, vrsta tal, stabilnost tal, tlak podzemne vode in prisotnost razломnih con, ki lahko vplivajo na učinkovitost stroja in uspeh projekta v celoti.

Kako sodobni TBM-ji obravnavajo spremenljive geološke pogoje?

Sodobni stroji za vrtanje tunelov, zlasti hibridni modeli, združujejo tehnologiji za uravnoteženje tlaka zemlje (EPB) in sluzi, da se prilagodijo različnim tipom kamnin, pri čemer uporabljajo senzorje v realnem času za spremljanje in samodejne prilagoditve.

Zakaj je integracija tehnologije pomembna pri TBM-jih?

Integracija tehnologije, kot so sistemi vodenja z umetno inteligenco in spremljanje v realnem času, izboljša natančnost pri izkopu, zmanjša človeške napake in poveča skupno operativno učinkovitost z dinamično prilagoditvijo nastavitev rezalnega glavnika za točno poravnavo.

Kakšno usposabljanje je potrebno za operaterje TBM-jev?

Uporabniki morajo praviloma opraviti 120–180 ur usposabljanja na simulatorju, opravljati tedenske vaje za zagotavljanje varnosti ter upoštevati regionalne standarde za varnost, kot so protokoli OSHA za dostop v omejenih prostorih, da bi zagotovili učinkovito in varno delo TBM.