จะเลือกแรงดันแบบแจ็ค (jacking force) ที่เหมาะสมสำหรับเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็ก (microtunneling machine) ที่ทำงานในทรายแน่นได้อย่างไร?

การเลือกแรงดันสำหรับการขับเคลื่อนเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็กที่เหมาะสมสำหรับ เครื่องไมโครท่อ การใช้งานในทรายแน่น ถือเป็นหนึ่งในการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่มีน้ำหนักมากที่สุดในการก่อสร้างแบบไม่ขุดร่อง (trenchless construction) ทุกโครงการ หากประเมินค่าแรงดันต่ำเกินไป ท่านอาจเสี่ยงต่อการหยุดเดินเครื่องกลางคัน ความเสียหายของท่อ หรือความล่าช้าอย่างรุนแรงต่อโครงการ หากประเมินค่าแรงดันสูงเกินไป ท่านจะต้องเผชิญกับต้นทุนอุปกรณ์ที่ไม่จำเป็น สึกหรออย่างรุนแรงของชิ้นส่วนที่รับแรงผลัก และอาจก่อให้เกิดการรบกวนโครงสร้างพื้นดินเหนือแนวอุโมงค์ได้ การคำนวณค่าแรงดันนี้ให้แม่นยำจำเป็นต้องอาศัยความเข้าใจเชิงระบบเกี่ยวกับกลศาสตร์ของดิน ขีดความสามารถของเครื่องจักร และตัวแปรในการปฏิบัติงาน ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องทำงานร่วมกันอย่างสอดคล้องกัน

ทรายแน่นสร้างสภาพแวดล้อมที่มีความท้าทายอย่างยิ่งเฉพาะตัวสำหรับเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็ก (microtunneling machine) ทุกชนิด เนื่องจากมุมแรงเสียดทานภายในสูง แนวโน้มที่จะเกิดการโค้งและล็อกตัวรอบๆ ท่อที่ถูกดันเข้าไป รวมทั้งความไวต่อสภาวะของน้ำใต้ดิน ทำให้เกิดรูปแบบแรงโหลดแบบไดนามิกซึ่งเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาในระหว่างการดันท่อ ต่างจากดินเหนียวอ่อนหรือวัสดุถมที่หลวม ทรายแน่นต้านการตัดและการเคลื่อนย้าย จึงก่อให้เกิดแรงดันหน้าตัด (face pressure) แรงเสียดทานผิวท่อ (skin friction) และแรงต้านการรับน้ำหนัก (bearing resistance) พร้อมกันและในระดับสูง การเข้าใจแรงเหล่านี้—รวมทั้งการคำนวณค่าแรงเหล่านี้อย่างแม่นยำก่อนเริ่มปฏิบัติงาน—คือพื้นฐานสำคัญของการดำเนินการดันท่ออย่างมีประสิทธิภาพ

การเข้าใจแรงที่กระทำต่อเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็กในทรายแน่น

แรงต้านหน้าตัดและความต้องการทอร์กในการตัด

เมื่อเครื่องขุดอุโมงค์แบบไมโคร (microtunneling machine) ขับเคลื่อนผ่านทรายแน่น หัวตัด (cutterhead) จะต้องเอาชนะแรงดันดินแบบพาสซีฟ (passive earth pressure) ที่หน้าตัดของอุโมงค์ ทรายแน่นมีมุมแรงเสียดทานสัมพัทธ์ค่อนข้างสูง โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 35 ถึง 45 องศา ขึ้นอยู่กับขนาดเม็ดทราย การกระจายขนาดของเม็ดทราย (gradation) และความหนาแน่นสัมพัทธ์ (relative density) ซึ่งส่งผลโดยตรงให้เกิดแรงต้านที่หน้าตัดสูงขึ้น จึงจำเป็นต้องคำนึงถึงแรงนี้เป็นองค์ประกอบหลักของแรงดันรวม (total jacking force) รูปทรงเรขาคณิตของหัวตัด อัตราส่วนพื้นที่เปิด (opening ratio) และการจัดเรียงของใบมีด (tool configuration) ล้วนมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพในการแยกและกำจัดวัสดุออกจากหน้าตัด แต่แรงดันดินพื้นฐานยังคงเป็นตัวแปรควบคุมหลัก

เครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็กต้องรักษาความดันหน้าตัดให้อยู่ในภาวะสมดุล เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการทรุดตัวของผิวดินเนื่องจากการรองรับที่ไม่เพียงพอ หรือการยกตัวของผิวดินเนื่องจากความดันสูงเกินไป ในทรายแน่น การบรรลุภาวะสมดุลนี้จำเป็นต้องมีการตรวจสอบความดันของสารละลาย (slurry pressure) หรือความดันของดิน (earth pressure) แบบเรียลไทม์ ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องจักร ผู้ปฏิบัติงานที่อาศัยเพียงการคำนวณล่วงหน้าแบบสถิตย์ก่อนเริ่มขุด มักประสบปัญหาแรงต้านการตัดที่เพิ่มขึ้นอย่างไม่คาดคิด เมื่อความหนาแน่นของดินเพิ่มขึ้นตามความลึก หรือเมื่อสภาพน้ำใต้ดินเปลี่ยนแปลง การผสานระบบตอบกลับความดันแบบต่อเนื่องเข้ากับการจัดการแรงดันผลัก (jacking force) นั้นไม่ใช่ทางเลือก — แต่เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งต่อการปฏิบัติงาน

แรงบิดในการตัดและแรงดันแนวแกนมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด หัวตัดที่ต้องทำงานหนักเพื่อฝ่าทรายที่แน่นจะต้องการแรงบิดที่สูงขึ้น และหากเครื่องจักรนั้นอยู่ภายใต้แรงดันแนวแกนไม่เพียงพอในขณะเดียวกัน ก็อาจทำให้เครื่องหยุดทำงาน (stall) หรือเกิดการสึกหรอมากเกินไปต่อระบบแบริ่ง โครงยึดสำหรับการดันท่อ (jacking frame) ต้องสามารถส่งแรงดันที่เรียบเนียนและสม่ำเสมอเป็นช่วงๆ ได้ เพื่อให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถปรับตัวตอบสนองต่อสภาพหน้าตัดที่เปลี่ยนแปลงไปได้โดยไม่เกิดการกระแทกของโหลดอย่างฉับพลัน ซึ่งอาจทำให้ท่อชุด (pipe string) เกิดความเครียดหรือทำให้เครื่องจักรเคลื่อนออกจากแนวที่ตั้งไว้

แรงเสียดทานผิวตามความยาวท่อชุด

นอกเหนือจากแรงที่กระทำที่หน้าตัดของเครื่องเจาะแล้ว ปัจจัยหลักที่มีส่วนทำให้เกิดแรงยกโดยรวม (jacking force) ขณะขับแท่งท่อผ่านชั้นทรายที่แน่นเป็นระยะทางยาว คือ แรงเสียดทานผิวที่สะสมขึ้นตามความยาวทั้งหมดของท่อที่ถูกตอกเข้าไปในดิน แรงเสียดทานนี้เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวด้านนอกของท่อกับดินรอบข้าง และเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับความยาวของการตอกท่อ ในชั้นทรายที่แน่น ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างท่อกับดินจะสูงกว่าในดินเชิงยึดเกาะ (cohesive soils) นอกจากนี้ แรงดันดินในแนวข้าง (lateral earth pressure) ซึ่งกระทำตั้งฉากกับพื้นผิวด้านนอกของท่อ ยังส่งผลให้แรงเสียดทานเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

การหล่อลื่นด้วยสารผสมเบนโทไนต์เป็นกลยุทธ์หลักในการลดแรงเสียดทานผิวหน้าในงานขุดอุโมงค์ขนาดเล็ก (microtunneling) ผ่านทรายแน่น ระบบหล่อลื่นที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมจะฉีดสารผสมเบนโทไนต์ผ่านช่องเปิดที่จัดเรียงอยู่ตามความยาวของท่อ ซึ่งจะสร้างโซนแหวนรอบท่อที่มีแรงเสียดทานต่ำบริเวณผิวด้านนอกของท่อ อย่างไรก็ตาม ทรายแน่นอาจทำให้สารผสมเบนโทไนต์เคลื่อนตัวออกจากบริเวณแหวนได้อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะในชั้นหินหรือดินที่มีความสามารถในการซึมผ่านสูง การรักษาระดับความดันการหล่อลื่นและปริมาตรการฉีดที่เพียงพอตลอดระยะการขุดนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมแรงเสียดทานผิวหน้าให้อยู่ภายในช่วงที่คำนวณไว้

วิศวกรที่คำนวณแรงดันเพื่อยก (jacking force) ต้องพิจารณาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่เป็นจริง แทนที่จะใช้ค่าในอุดมคติ ค่าที่เผยแพร่ไว้สำหรับสภาวะที่มีการหล่อลื่นในทรายมักอยู่ในช่วง 0.1 ถึง 0.3 แต่สภาวะจริงในสนาม—เช่น การสูญเสียการหล่อลื่นบางส่วน การบีบอัดของดินรอบท่อ และการหยุดการตอก (drive interruptions) ซึ่งทำให้ดินเกิดการแน่นตัว (consolidation) รัดเข้ากับท่อ—อาจทำให้ค่าแรงเสียดทานที่แท้จริงสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ การใช้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานแบบระมัดระวัง (conservative friction factor) แล้วควบคุมการหล่อลื่นอย่างแข็งขันเพื่อให้บรรลุค่านั้น จะให้ความน่าเชื่อถือมากกว่าการพึ่งพาค่าทฤษฎีที่ค่อนข้างมองโลกในแง่ดี

การคำนวณแรงดันรวมเพื่อยก (Total Jacking Force) ภายใต้สภาวะทรายแน่น

สูตรพื้นฐานสำหรับแรงดันเพื่อยก (Basic Jacking Force Formula) และองค์ประกอบของมัน

แรงยกทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับเครื่องขุดอุโมงค์แบบไมโคร (microtunneling machine) คือผลรวมของแรงต้านที่หน้าตัดการขุด (face resistance force) กับแรงเสียดทานผิว (skin friction force) ตลอดความยาวของชุดท่อทั้งหมด แรงต้านที่หน้าตัดการขุดคำนวณได้จากผลคูณของพื้นที่หน้าตัดการขุดกับแรงดันสุทธิของดินและน้ำที่หน้าอุโมงค์ ซึ่งปรับค่าแล้วด้วยปัจจัยต้าน (resistance factor) ที่พิจารณาประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตัดและการรบกวนโครงสร้างดิน ส่วนแรงเสียดทานผิวคำนวณได้จากการนำความยาวรอบรูปของท่อคูณด้วยความยาวของการเจาะ (drive length) คูณด้วยความเค้นปกติ (normal stress) ที่กระทำต่อท่อ คูณด้วยสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างผิวท่อและดิน (friction coefficient of the pipe-soil interface)

ในทรายที่มีความหนาแน่นสูงและระดับน้ำใต้ดินสูง ต้องใช้วิธีการวิเคราะห์จากความเค้นที่มีประสิทธิภาพ (effective stress approach) แทนวิธีการวิเคราะห์จากความเค้นรวม (total stress) ความดันของน้ำใต้ดินจะเพิ่มเข้าไปโดยตรงในสมดุลของแรงที่หน้าตัด และทำให้ความเค้นปกติ (normal stress) ที่กระทำต่อชุดท่อเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ทั้งแรงต้านที่หน้าตัด (face resistance) และแรงเสียดทานผิว (skin friction) เพิ่มขึ้นพร้อมกัน เครื่องขุดอุโมงค์แบบไมโครทันเนลลิ่ง (microtunneling machine) ที่ทำงานอยู่ใต้ระดับน้ำใต้ดินในทรายอิ่มตัวที่มีความหนาแน่นสูง จะต้องใช้แรงดัน (jacking force) สูงกว่ามากเมื่อเทียบกับเครื่องเดียวกันที่ทำงานในสภาพแห้งที่ความลึกเท่ากัน แม้ว่าความหนาแน่นของดินจะเท่ากันก็ตาม

ใช้ปัจจัยด้านความปลอดภัยกับแรงยกที่คำนวณได้ เพื่อกำหนดความสามารถที่จำเป็นของระบบยก ปัจจัยดังกล่าวมักอยู่ในช่วง 1.5 ถึง 2.0 ในสภาวะพื้นดินที่ซับซ้อน ค่าเผื่อนี้จะช่วยให้มั่นใจว่า การเพิ่มขึ้นอย่างไม่คาดคิดของแรงต้านดิน—อันเนื่องมาจากก้อนหินขนาดใหญ่ ชั้นดินที่แข็งตัวจากซีเมนต์ หรือการล้มเหลวของระบบหล่อลื่น—จะไม่เกินขีดจำกัดเชิงกลของท่อหรือโครงรับแรงผลัก ความสามารถในการยกที่ระบุไว้ของเครื่องขุดอุโมงค์แบบไมโคร (microtunneling machine) จะต้องสูงกว่าค่าแรงยกรวมที่ผ่านการคูณด้วยปัจจัยดังกล่าวอย่างชัดเจน ก่อนที่โครงการจะได้รับการอนุมัติให้ดำเนินการต่อ

สถานียกกลางและบทบาทของสถานีเหล่านี้ในการกระจายแรง

สำหรับการขับขี่เป็นระยะเวลานานในทรายที่แน่นหนา แรงยกสะสมอาจเกินความสามารถเชิงโครงสร้างของท่อก็ได้ หรืออาจเกินค่าแรงผลักสูงสุดที่กรอบผลักหลักสามารถสร้างขึ้นได้ก็ได้ สถานีผลักกลาง (Intermediate jacking stations) ซึ่งมักเรียกกันว่าอินเทอร์แจ็ก (interjacks) คือชุดกระบอกสูบไฮดรอลิกที่ติดตั้งอยู่ภายในแนวท่อตามช่วงระยะที่วางแผนไว้ล่วงหน้า สถานีเหล่านี้แบ่งแนวท่อออกเป็นส่วนย่อยที่สั้นลง และทำให้แต่ละส่วนสามารถถูกดันไปข้างหน้าได้อย่างอิสระ จึงป้องกันไม่ให้แรงโหลดรวมสะสมตัวตลอดความยาวทั้งหมดพร้อมกัน

การจัดวางสถานีรองรับแบบยกกลางต้องคำนวณจากค่าประมาณแรงเสียดทานสะสมในแต่ละขั้นตอนของการขับเจาะ สำหรับทรายแน่นซึ่งมีความต้องการสารหล่อลื่นสูง สถานีเหล่านี้มักจะถูกจัดวางให้อยู่ห่างกันน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับดินที่มีความเหนียว สถานีแต่ละแห่งต้องสามารถทำงานร่วมกับระบบควบคุมของเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็กได้ เพื่อให้เกิดการกระทำที่สอดคล้องกัน ซึ่งช่วยรักษาท่อให้เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง และป้องกันไม่ให้ดินแข็งตัวกดทับส่วนของท่อที่หยุดนิ่งระหว่างช่วงพัก

การใช้สถานีรองรับแบบกลางช่วยยืดระยะการขับเคลื่อนที่เป็นไปได้จริงให้ยาวขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ ภายใต้ข้อกำหนดของท่อและกำลังรับน้ำหนักของโครงขับเคลื่อนที่กำหนดไว้ อย่างไรก็ตาม แต่ละสถานีจะเพิ่มความซับซ้อนทางกล สร้างจุดที่อาจเกิดการไม่ขนานกันได้ และต้องมีการวางแผนวงจรหล่อลื่นอย่างรอบคอบ โครงการที่ดำเนินการในทรายแน่นซึ่งมีความยาวเกิน 150 ถึง 200 เมตร มักจำเป็นต้องมีสถานีรองรับแบบกลางอย่างน้อยหนึ่งแห่งเกือบทั้งหมด และการจำลองแรงขับเคลื่อนอย่างละเอียดในขั้นตอนการออกแบบจะเป็นตัวกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนและจำนวนสถานีที่จำเป็น

ข้อกำหนดด้านการสำรวจดินก่อนระบุแรงขับเคลื่อน

ข้อมูลทางวิศวกรรมธรณีวิทยาที่สำคัญต่อการประมาณค่าแรงขับเคลื่อน

การระบุค่าแรงยกที่แม่นยำสำหรับเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็ก (microtunneling machine) เริ่มต้นจากการสำรวจทางธรณีเทคนิคที่มีคุณภาพสูง ในสภาพแวดล้อมของทรายแน่น ข้อมูลผลการทดสอบที่ให้ข้อมูลเชิงลึกมากที่สุดได้แก่ ผลการทดสอบการเจาะมาตรฐาน (Standard Penetration Tests), ผลการทดสอบการเจาะแบบกรวย (Cone Penetration Tests) และผลการทดสอบแรงเฉือนแบบสามแกนในห้องปฏิบัติการ (laboratory triaxial shear tests) ซึ่งสามารถวัดค่ามุมแรงเสียดทาน ความหนาแน่นสัมพัทธ์ และความสามารถในการถูกบีบอัดได้โดยตรง ค่า N จากการทดสอบ SPT ที่สูงกว่า 30 ในแนวระนาบที่วางท่อเป็นสัญญาณที่ชัดเจนว่าอยู่ในสภาพทรายแน่น ซึ่งจำเป็นต้องปรับเพิ่มค่าประมาณแรงยกมาตรฐานขึ้น

การแจกแจงขนาดอนุภาคก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ทรายแน่นที่มีการแจกแจงขนาดอนุภาคอย่างสมบูรณ์ (well-graded dense sands) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคหลายขนาด มักจะเกิดการล็อกตัวกันอย่างรุนแรงรอบท่อ และต้านทานการแทรกซึมของสารหล่อลื่นเบนโทไนต์ (bentonite lubrication) ได้ดีกว่าทรายที่มีการแจกแจงขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ (uniformly graded sands) การทราบค่าขนาดเม็ดดิน D50 และสัมประสิทธิ์ความสม่ำเสมอ (uniformity coefficient) จะช่วยให้วิศวกรสามารถเลือกความหนืดของเบนโทไนต์และแรงดันที่ใช้ฉีดเข้าไปได้อย่างเหมาะสม รวมทั้งปรับปรุงสมมุติฐานเกี่ยวกับสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่ใช้ในการคำนวณแรงยก

ต้องวิเคราะห์สภาพน้ำใต้ดินอย่างครบถ้วน รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล ซึ่งเครื่องขุดอุโมงค์แบบไมโครทันเนลลิ่งที่ออกแบบมาสำหรับสภาพดินในช่วงฤดูแล้งอาจประสบกับแรงดันไฮโดรสแตติกที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ หากระดับน้ำใต้ดินเพิ่มสูงขึ้นระหว่างการก่อสร้าง การวัดค่าความดันน้ำด้วยปิโซมิเตอร์ (Piezometer) ตลอดระยะเวลาการเฝ้าระวังจะให้ภาพที่เชื่อถือได้มากที่สุดเกี่ยวกับพฤติกรรมของน้ำใต้ดิน และการคำนวณแรงดันขณะผลัก (jacking force) ควรใช้เงื่อนไขของน้ำใต้ดินที่เลวร้ายที่สุดแต่ยังเป็นไปได้จริง ไม่ใช่ระดับเฉลี่ยที่สังเกตเห็นได้

การใช้การขับขี่ทดลองและการวิเคราะห์ข้อมูลการเฝ้าระวังเพื่อยืนยันสมมุติฐานเกี่ยวกับแรง

แม้จะมีการสำรวจทางวิศวกรรมธรณีอย่างละเอียดแล้วก็ตาม การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ในช่วงระยะแรกของการขับเคลื่อนเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็ก (microtunneling machine) ยังคงให้ข้อมูลยืนยันความถูกต้องของค่าแรงดันล่วงหน้า (jacking force) ที่คำนวณไว้ก่อนการขับเคลื่อนได้แม่นยำที่สุด ระบบขุดอุโมงค์ขนาดเล็กสมัยใหม่ส่วนใหญ่บันทึกค่าแรงดันล่วงหน้า ความเร็วในการเจาะล้ำหน้า แรงบิดของหัวเจาะ (cutterhead torque) และความดันที่ผิวหน้า (face pressure) อย่างต่อเนื่อง ซึ่งสร้างชุดข้อมูลแบบเรียลไทม์ที่สามารถนำมาเปรียบเทียบกับแบบจำลองโหลดที่คาดการณ์ไว้ได้ ความเบี่ยงเบนระหว่างค่าแรงดันล่วงหน้าที่คาดการณ์ไว้กับค่าจริงในช่วง 20–30 เมตรแรกของการขับเคลื่อน ถือเป็นสัญญาณที่ชัดเจนว่าควรทบทวนและปรับแต่งพารามิเตอร์การปฏิบัติงานก่อนที่จะดำเนินการขับเคลื่อนจนครบความยาวทั้งหมด

หากแรงยกจริงเกินค่าที่คาดการณ์ไว้มากกว่าร้อยละ 20 ในช่วงระยะเริ่มต้นของการขับเจาะ ผู้ปฏิบัติงานควรตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบหล่อลื่นเป็นอันดับแรก โดยตรวจสอบปริมาตรการฉีดหล่อลื่น ความดันที่พอร์ต และอัตราการไหลย้อนกลับในบริเวณแหวนรอบ (annular return flow) หากยืนยันได้ว่าระบบหล่อลื่นมีประสิทธิภาพแล้ว แต่แรงยกยังคงสูงอยู่ อาจจำเป็นต้องปรับปรุงแบบจำลองดิน และอาจต้องลดระยะห่างระหว่างสถานียกชั่วคราว (intermediate jacking station spacing) ลง การเข้าแทรกแซงตั้งแต่เนิ่นๆ จะมีต้นทุนต่ำกว่าการควบคุมความเสียหายแบบตอบสนองภายหลังในระหว่างการขับเจาะ

ข้อมูลจากการขับเคลื่อนในอดีตในเขตธรณีวิทยาที่คล้ายคลึงกันสามารถช่วยเพิ่มความแม่นยำของการทำนายแรงดันในการยก (jacking force) สำหรับโครงการใหม่ในพื้นที่เดียวกันได้อย่างมาก การจัดทำฐานข้อมูลโครงการซึ่งเชื่อมโยงข้อมูลการสำรวจดินเข้ากับบันทึกแรงดันในการยกจริง (as-built jacking force records) เป็นแนวทางปฏิบัติที่ผู้รับเหมาที่มีประสบการณ์ใช้บ่อย โดยเฉพาะผู้ที่ทำงานกับเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็ก (microtunneling machine) เป็นประจำในสภาพดินที่ท้าทาย ความรู้เชิงสถาบันนี้ช่วยลดขอบเขตของความไม่แน่นอนในการประมาณการโครงการใหม่ และส่งผลให้ข้อกำหนดเกี่ยวกับอุปกรณ์มีความกระชับและน่าเชื่อถือยิ่งขึ้น

การเลือกและกำหนดค่าอุปกรณ์สำหรับสภาวะการยกในทรายแน่น

การปรับความสามารถในการสร้างแรงดันของเครื่องจักรให้สอดคล้องกับความต้องการของโครงการ

เครื่องขุดอุโมงค์แบบไม่ขุดเปิด (microtunneling machine) ที่เลือกใช้สำหรับโครงการในชั้นทรายแน่น ต้องมีความสามารถในการดัน (jacking capacity) ที่กำหนดไว้ (rated) สูงกว่าแรงดันรวมที่ผ่านการคูณด้วยปัจจัยความปลอดภัย (factored total jacking force) อย่างมีระยะเผื่อที่เพียงพอ เครื่องจักรผู้ผลิตจะระบุทั้งค่าแรงดันต่อเนื่องที่กำหนดไว้ (continuous rated thrust) และค่าแรงดันสูงสุด (peak thrust capacity) โดยผู้กำหนดรายละเอียดทางเทคนิคควรใช้ค่าแรงดันต่อเนื่องที่กำหนดไว้เป็นพื้นฐานในการออกแบบ แทนที่จะใช้ค่าแรงดันสูงสุด ซึ่งไม่สามารถรักษาไว้ได้อย่างยั่งยืนตลอดรอบการขับเคลื่อน (drive cycle) ทั้งหมด สำหรับสภาพชั้นทรายแน่น มักจำเป็นต้องใช้เครื่องจักรที่มีค่าแรงดันต่อเนื่องที่กำหนดไว้ระหว่าง 200 ถึง 500 ตัน ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อกับความยาวของการขับเคลื่อน

โครงสร้างสำหรับการยกต้องสอดคล้องกับกำลังผลักดันที่เครื่องจักรสามารถให้ได้ และความสามารถในการรับน้ำหนักเชิงโครงสร้างของท่อที่กำลังติดตั้ง ท่อคอนกรีตสำหรับการยกมีค่าความต้านทานแรงยกที่กำหนดไว้ซึ่งห้ามเกินไม่ว่าเครื่องจักรจะสามารถสร้างแรงยกได้มากเพียงใดก็ตาม หากแรงยกที่คำนวณได้ใกล้เคียงกับขีดจำกัดเชิงโครงสร้างของท่อ ทางออกเดียวคือ ลดความยาวของการขับเคลื่อน เพิ่มสถานียกกลาง ปรับเปลี่ยนไปใช้ท่อที่มีความแข็งแรงสูงขึ้น หรือปรับปรุงประสิทธิภาพการหล่อลื่นเพื่อลดแรงเสียดทาน

การออกแบบแหวนรับแรงดันและการเลือกแผ่นรองรับมีผลอย่างมากต่อวิธีการถ่ายโอนแรงจากโครงสร้างยกขึ้นไปยังชุดท่อมากน้อยเพียงใด ในกรณีที่ขับท่อผ่านทรายแน่นซึ่งมีแรงยกสะสมสูง การกระจายโหลดไม่สม่ำเสมอที่รอยต่อของท่ออาจทำให้เกิดการบดอัดหรือการลอกเป็นชั้นบริเวณจุดเฉพาะ การใช้แผ่นรองรับไม้อัดคุณภาพสูงที่มีความหนาเพียงพอ และเปลี่ยนแผ่นรองรับเป็นประจำตลอดระยะเวลาการขับท่อ จะช่วยรักษาการถ่ายโอนโหลดอย่างสม่ำเสมอ และปกป้องความสมบูรณ์ของท่อภายใต้สภาวะแรงดันสูงอย่างต่อเนื่อง

การจัดวางหัวตัดและอุปกรณ์ตัดสำหรับทรายแน่น

หัวตัดของเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็กที่ใช้ในทรายแน่นต้องได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับสภาวะการตัดที่มีความถูกกัดกร่อนสูงและมีแรงเสียดทานมาก ใบมีดแบบจาน (Disc cutters), ดอกสว่านแบบลาก (drag bits) ที่ปลายเคลือบด้วยคาร์ไบด์ และชุดที่ขูดอย่างแข็งแรงนั้นเหมาะสมกว่าเครื่องมือตัดแบบมาตรฐานสำหรับดินนุ่ม ซึ่งจะสึกหรออย่างรวดเร็วในดินเม็ดละเอียดที่แน่น และลดประสิทธิภาพการตัดลงตามระยะเวลา การลดลงของประสิทธิภาพการตัดบังคับให้ผู้ปฏิบัติงานต้องเพิ่มแรงดันในการผลัก (jacking force) เพื่อรักษาระดับอัตราการเจาะล่วงหน้า ซึ่งจะยิ่งทำให้ชิ้นส่วนทั้งหมดที่รับแรงดันสึกหรอมากขึ้น

อัตราส่วนการเปิดของหน้าจานตัดมีผลต่อความรุนแรงที่วัสดุเข้าสู่ห้องตัด โดยในทรายที่มีความหนาแน่นสูง อัตราส่วนการเปิดที่สูงขึ้นจะช่วยให้วัสดุไหลผ่านได้ดีขึ้น แต่อาจทำให้ดินที่ถูกบดอัดเกิดการโค้งตัว (arching) ขึ้นบริเวณพื้นผิวหน้าจานตัดระหว่างช่องเปิด ส่งผลให้แรงต้านที่หน้าจานตัดเพิ่มขึ้น การปรับสมดุลระหว่างอัตราส่วนการเปิดกับความต้องการการรองรับหน้าจานตัดจึงเป็นการตัดสินใจด้านการกำหนดค่าเครื่องจักร ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความต้องการแรงดันในการเจาะตลอดแนวการขับเคลื่อน ผู้ผลิตและผู้รับเหมาที่มีประสบการณ์ในการทำงานในทรายที่มีความหนาแน่นสูงควรได้รับการปรึกษาเมื่อกำหนดพารามิเตอร์เหล่านี้สำหรับโครงการเฉพาะ

ระบบตรวจสอบการสึกหรอที่แจ้งเตือนผู้ปฏิบัติงานเมื่อเครื่องมือตัดบนหัวตัดเริ่มเสื่อมสภาพระหว่างการขับเคลื่อน ถือเป็นการลงทุนที่คุ้มค่าสำหรับโครงการขุดในทรายแน่น เมื่อเครื่องมือตัดสึกหรออย่างมาก ตัวเครื่องจะต้องใช้แรงดันแนวหน้า (thrust) สูงขึ้นเพื่อรักษาระดับอัตราการเจาะล่วงหน้า (advance rate) ให้คงที่ และแรงดันจากการดัน (jacking force) ที่เพิ่มขึ้นอาจไม่ปรากฏชัดเจนทันที หากผู้ปฏิบัติงานไม่มีข้อมูลอ้างอิงเกี่ยวกับแรงดันที่คาดว่าจะใช้ต่อเมตรภายใต้เงื่อนไขที่เครื่องมืออยู่ในสภาพดี การตรวจสอบเครื่องมือเชิงรุกผ่านช่องเข้าถึง (access ports) — โดยเฉพาะเมื่อขนาดของเครื่องเอื้ออำนวย — หรือการดำเนินการขับเคลื่อนเพื่อตรวจสอบตามแผนที่วางไว้ล่วงหน้า จะช่วยป้องกันไม่ให้การสูญเสียเครื่องมือโดยไม่ได้ตรวจพบพัฒนาไปสู่ความเสียหายต่อโครงสร้างของเครื่องขุดแบบไมโครทันเนลลิ่ง (microtunneling machine) หรือท่อที่ติดตั้งแล้ว

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการจัดการแรงดันจากการดัน (Jacking Force) สำหรับงานขุดในทรายแน่น

ความเร็วในการขับเคลื่อน การจัดการการหยุดชะงัก และการควบคุมแรง

การรักษาอัตราการเจาะล่วงหน้าอย่างสม่ำเสมอเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการควบคุมแรงดันผลัก (jacking force) ขณะขุดเจาะในชั้นทรายแน่น เมื่อเครื่องขุดเจาะแบบไมโครทันเนล (microtunneling machine) หยุดทำงานชั่วคราวระหว่างการขับเคลื่อน ทรายแน่นรอบๆ ท่อจะเกิดการบีบตัวเข้าหากันและฟิล์มหล่อลื่นจากเบนโทไนต์ (bentonite lubrication film) จะถูกทำลาย การเริ่มขับเคลื่อนใหม่หลังจากการหยุดพักเกือบเสมอจะต้องใช้แรงดันผลักเริ่มต้นที่สูงกว่าเงื่อนไขการขับเคลื่อนอย่างต่อเนื่อง (steady-state driving conditions) ซึ่งบางครั้งอาจสูงขึ้นอย่างมาก การวางแผนการขับเคลื่อนให้มีการหยุดชะงักน้อยที่สุด—ผ่านการจัดเตรียมวัสดุไว้ล่วงหน้า การจัดทำขั้นตอนสำรองไว้พร้อมใช้งาน และการจัดตารางกะงานให้หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนกะระหว่างการติดตั้งท่อ—จะช่วยลดความต้องการแรงดันผลักสูงสุดที่ระบบจำเป็นต้องรองรับโดยตรง

เมื่อการหยุดชะงักหลีกเลี่ยงไม่ได้ การรักษาระดับความดันของเบนโทไนต์ในโซนแอนนูลาร์ระหว่างช่วงหยุดพักจะช่วยรักษาฟิล์มหล่อลื่นไว้ และลดการบีบอัดของดินที่ผิวท่อ บางระบบเครื่องขุดไมโครทันเนลลิ่งมีวงจรการบำรุงรักษาสารหล่อลื่นแบบอัตโนมัติซึ่งจะทำงานโดยอัตโนมัติในช่วงเวลาหยุดพัก คุณลักษณะนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งโดยเฉพาะในทรายแน่น ซึ่งอัตราการเสื่อมสภาพของสารหล่อลื่นสูง การเริ่มต้นใหม่ด้วยการใช้แรงดันผลัก (jacking force) อย่างควบคุมและค่อยเป็นค่อยไป แทนที่จะใช้แรงดันเต็มที่แบบทันทีทันใด จะช่วยลดแรงกระแทกต่อชุดท่อและชิ้นส่วนของเครื่อง

การบันทึกข้อมูลแบบบังคับตลอดช่วงการขับเคลื่อนให้ทีมปฏิบัติการได้รับรู้ข้อมูลเชิงลึกแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับรูปแบบแรงยก (jacking force) ที่เปลี่ยนแปลงไปตามการดำเนินงาน การพล็อตกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงยกกับระยะทางที่ขับเคลื่อนจะเผยให้เห็นแนวโน้มต่าง ๆ เช่น การเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อระยะทางการขับเคลื่อนยาวขึ้น การเปลี่ยนแปลงแบบก้าวกระโดดซึ่งสัมพันธ์กับการเปลี่ยนผ่านชั้นดิน หรือการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันที่บ่งชี้ถึงความต้านทานเฉพาะจุด โครงการที่บริหารจัดการได้ดีจะใช้ข้อมูลเหล่านี้ในการตัดสินใจเชิงรุกเกี่ยวกับการปรับปรุงระบบหล่อลื่น การเปลี่ยนแปลงความเร็วในการขับเคลื่อน และการเปิดใช้งานสถานียกกลาง (intermediate jacking station) ก่อนที่แรงยกจะเข้าใกล้ค่าขีดจำกัดวิกฤต แทนที่จะรอจนกระทั่งเกิดความเสียหายแล้วจึงดำเนินการ

การออกแบบระบบหล่อลื่นและแนวทางการตรวจสอบติดตาม

ระบบหล่อลื่นเบนโทไนต์เป็นตัวแปรที่สำคัญที่สุดตัวเดียว ซึ่งทีมโครงการสามารถควบคุมได้อย่างแข็งขันเพื่อจัดการแรงดันขณะขับท่อในทรายที่แน่นหนา การออกแบบระบบต้องคำนึงถึงความสามารถในการซึมผ่านที่สูงของทราย ซึ่งจำเป็นต้องใช้ปริมาตรและแรงดันของการฉีดที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับการขับท่อในดินเชิงโคฮีซีฟที่มีความยาวเท่ากัน ช่องฉีดควรติดตั้งอยู่ใกล้กัน—โดยทั่วไปจะเว้นระยะห่างทุกสองถึงสามความยาวของท่อในทรายที่แน่นหนา—และส่วนผสมเบนโทไนต์ควรจัดสูตรให้เกิดเจลอย่างรวดเร็วทันทีที่สัมผัสกับน้ำในรูพรุนของดิน เพื่อป้องกันไม่ให้ไหลเคลื่อนออกจากบริเวณรอบท่อ

การติดตามผลประสิทธิภาพของการหล่อลื่นจำเป็นต้องวัดปริมาตรการฉีดและการวัดความดันรอบวงพร้อมกัน หากปริมาตรการฉีดสูงแต่ความดันรอบวงยังคงต่ำ แสดงว่าเบนโทไนต์กำลังซึมเข้าสู่ดินแทนที่จะก่อตัวเป็นชั้นหล่อลื่นที่มีเสถียรภาพ จึงไม่สามารถลดแรงเสียดทานได้ตามเป้าหมาย การปรับความหนืดของเบนโทไนต์ การเติมสารโพลิเมอร์เพิ่มเติม หรือการลดความดันการฉีดชั่วคราว สามารถช่วยสร้างฟิล์มรอบวงที่มีเสถียรภาพได้ ทีมขับเคลื่อนเครื่องขุดอุโมงค์แบบไมโคร (microtunneling) ที่บริหารจัดการประสิทธิภาพการหล่อลื่นอย่างแข็งขันแบบเรียลไทม์ จะสามารถบรรลุแรงดันแทรก (jacking forces) ที่ต่ำกว่าอย่างสม่ำเสมอ เมื่อเทียบกับทีมที่ใช้งานระบบด้วยอัตราคงที่ที่ตั้งไว้ล่วงหน้า

บันทึกการหล่อลื่นหลังการขับเคลื่อนควรได้รับการทบทวนเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการปิดโครงการ และนำเข้าสู่ฐานข้อมูลบทเรียนที่ได้รับ (lessons-learned database) การเปรียบเทียบปริมาณสารหล่อลื่นที่ใช้ต่อเมตรของการขับเคลื่อนกับข้อมูลแรงดันจั๊ค (jacking force) จะช่วยเปิดเผยประสิทธิภาพจริงในการลดแรงเสียดทาน และช่วยปรับค่าสมมุติฐานสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสำหรับโครงการในอนาคตที่ดำเนินงานในสภาพดินที่คล้ายคลึงกัน แนวทางการปรับปรุงอย่างเป็นระบบเช่นนี้ ถือเป็นลักษณะเด่นของผู้รับเหมาไมโครทันเนลลิ่งที่มีความเชี่ยวชาญทางเทคนิคสูง ซึ่งสามารถให้ผลลัพธ์ของแรงดันจั๊คที่คาดการณ์ได้อย่างสม่ำเสมอ แม้ในสภาพธรณีวิทยาที่แตกต่างกัน

คำถามที่พบบ่อย

ช่วงแรงดันจั๊ครวมโดยทั่วไปสำหรับเครื่องไมโครทันเนลลิ่งในทรายแน่นคือเท่าใด

แรงดันรวมสำหรับเครื่องขุดอุโมงค์แบบไม่ขุดเปิด (microtunneling machine) ที่ทำงานในทรายแน่นนั้นมีความแปรผันกว้างมาก ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ความยาวของการขุด ความลึก สถานะของระดับน้ำใต้ดิน และประสิทธิภาพของการหล่อลื่น สำหรับท่อขนาดกลางที่ขุดผ่านชั้นทรายแน่นใต้ระดับน้ำใต้ดินในระยะทาง 100 ถึง 200 เมตร มักพบแรงดันรวมอยู่ระหว่าง 100 ถึง 400 ตัน โดยบางโครงการที่ใช้ท่อขนาดใหญ่หรือมีระยะการขุดยาวอาจมีแรงดันสูงเกิน 600 ตันก่อนที่จะติดตั้งสถานีดันกลาง (intermediate jacking stations) ดังนั้น ควรคำนวณค่าเฉพาะสำหรับแต่ละโครงการโดยใช้ข้อมูลการสำรวจดินจริง แทนที่จะอาศัยช่วงค่าอ้างอิงทั่วไป

ระดับน้ำใต้ดินมีผลต่อแรงดันในการขุดอุโมงค์แบบไม่ขุดเปิดในทรายแน่นอย่างไร

น้ำใต้ดินเพิ่มแรงดันในการเจาะ (jacking force) อย่างมีนัยสำคัญในทรายแน่น โดยการเพิ่มความดันไฮโดรสแตติกเข้าไปในการคำนวณความต้านทานที่หน้าตัด (face resistance) และโดยการเพิ่มความเค้นปกติที่มีประสิทธิภาพ (effective normal stress) ซึ่งกระทำต่อชุดท่อ ทำให้แรงเสียดทานผิว (skin friction) เพิ่มขึ้น สำหรับเครื่องขุดอุโมงค์ขนาดเล็ก (microtunneling machine) ที่ขับเคลื่อนผ่านทรายแน่นที่อิ่มตัวน้ำภายใต้ระดับน้ำใต้ดินสูง อาจต้องใช้แรงดันในการเจาะสูงกว่าถึงร้อยละ 30 ถึง 60 เมื่อเทียบกับการขับเคลื่อนแบบเดียวกันในสภาพแห้ง การระบุลักษณะของน้ำใต้ดินอย่างแม่นยำในระหว่างการสำรวจทางวิศวกรรมธรณีเทคนิค (geotechnical investigation) และการใช้ระดับน้ำใต้ดินในกรณีเลวร้ายที่สุด (worst-case groundwater levels) ในการคำนวณออกแบบ ถือเป็นขั้นตอนสำคัญอย่างยิ่งในโครงการใด ๆ ที่ดำเนินในพื้นที่ทรายแน่น

การหล่อลื่นด้วยเบนโทไนต์สามารถกำจัดแรงเสียดทานผิวในทรายแน่นได้อย่างสมบูรณ์หรือไม่?

การหล่อลื่นด้วยเบนโทไนต์ช่วยลดแรงเสียดทานระหว่างผิวหนังกับทรายแน่นได้อย่างมีนัยสำคัญ แต่ไม่สามารถขจัดแรงเสียดทานนี้ออกไปได้ทั้งหมดภายใต้สภาวะจริงในสนามงาน เนื่องจากทรายแน่นมีความสามารถในการซึมผ่านสูง ทำให้เบนโทไนต์เคลื่อนย้ายออกจากบริเวณแหวนรอบๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่การตอกเสาหยุดชะงัก ส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานในทางปฏิบัติมักสูงกว่าค่าที่ได้จากการทดลองในห้องปฏิบัติการภายใต้สภาวะอุดมคติเสมอ ระบบหล่อลื่นที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสม พร้อมปริมาตรการฉีดที่เพียงพอ สูตรผสมเบนโทไนต์ที่เหมาะสม และการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องระหว่างการตอกเสา สามารถบรรลุค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานในช่วง 0.1 ถึง 0.15 สำหรับทรายแน่น อย่างไรก็ตาม การออกแบบที่ระมัดระวังควรใช้ค่าที่สูงกว่าหรือเท่ากับ 0.2 เสมอ เพื่อรองรับความแปรปรวนที่เกิดขึ้นจริงในสนามงาน

ควรใช้สถานีจั๊คกลางเมื่อใดในการตอกเสาลงในทรายแน่น?

ควรพิจารณาใช้สถานีรองรับการดันกลางทางทุกครั้งที่แรงดันรวมที่คำนวณได้สำหรับความยาวการดันทั้งหมดใกล้เคียงกับความจุเชิงโครงสร้างสูงสุดของท่อ หรือแรงดันต่อเนื่องสูงสุดที่โครงสร้างหลักสำหรับการดันรับได้ ในการดันผ่านทรายแน่นพร้อมระบบหล่อลื่นแบบใช้งาน (active lubrication) มักจะถึงค่าเกณฑ์นี้ที่ความยาวการดัน 120 ถึง 180 เมตร สำหรับท่อคอนกรีตมาตรฐานที่ใช้ในการดัน ทั้งนี้ การตัดสินใจใช้สถานีรองรับการดันกลางทางควรทำในขั้นตอนการออกแบบ โดยอิงจากผลการคำนวณแรงดัน ไม่ใช่การตัดสินใจแบบตอบสนองภายหลังระหว่างการก่อสร้าง ซึ่งในขณะนั้นตัวเลือกสำหรับการแทรกแซงจะมีจำกัดมากขึ้นและมีต้นทุนสูงขึ้นอย่างมาก