ควรพิจารณาปัจจัยใดบ้างเมื่อเลือกเครื่องเจาะอุโมงค์สำหรับโครงการ?

สภาพทางธรณีวิทยาและวิศวกรรมธรณีที่มีผลต่อการเลือกเครื่องเจาะอุโมงค์

การประเมินองค์ประกอบของดิน หิน และความมั่นคงของพื้นดิน

เครื่องจักรเจาะอุโมงค์ (TBMs) ต้องมีความเข้ากันได้ทางธรณีวิทยาอย่างแม่นยำเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ การศึกษาปี 2023 ใน Scientific Reports พบว่า 70% ของช่วงเวลาที่เครื่อง TBM หยุดทำงานเกิดจากความไม่เข้ากันทางธรณีวิทยา โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมของดินผสม สิ่งที่ควรพิจารณาเป็นหลัก ได้แก่:

• ชั้นหินที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ทำให้หัวตัดสึกหรอเร็วกว่าถึง 3 เท่า เมื่อเทียบกับดินอ่อน
• ชั้นดินที่มีดินเหนียวเป็นส่วนประกอบสูง ต้องการความสามารถในการส่งแรงบิดที่สูงขึ้น เพื่อป้องกันไม่ให้เครื่องหยุดทำงาน
• เขตที่มีรอยแตก ต้องการการปรับเปลี่ยนการสนับสนุนพื้นดินแบบเรียลไทม์เพื่อป้องกันการถล่ม

ประเมินแรงดันน้ำใต้ดินและเขตแนวรอยเลื่อน

แรงดันน้ำใต้ดินที่เกิน 5 บาร์สามารถทำให้โครงสร้างอุโมงค์เสียหาย ในขณะที่เขตแนวรอยเลื่อนเพิ่มความเสี่ยงการถล่มถึง 40% อุปกรณ์ขุดเจาะอุโมงค์ทันสมัย (TBM) มีการรวมระบบต่างๆ ดังนี้:

• เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบไฮเปอร์บาเรียสำหรับตรวจจับการรั่วซึมของน้ำทันที
• ระบบฉีดปูนเกราутที่ทำงานเมื่อแรงดันต่างเกินระดับ 3 บาร์
• โมดูลตรวจสอบล่วงหน้าด้วยคลื่นไหวสะเทือน เพื่อแผนที่เส้นแนวรอยเลื่อนภายในระยะ 15 เมตรจากเส้นทางขุดเจาะ

กรณีศึกษา: การปรับใช้อุปกรณ์ขุดเจาะอุโมงค์ (TBM) ให้เหมาะสมกับธรณีวิทยาที่ซับซ้อนในอุโมงค์โกเธิร์ด เบส

โครงการโกเธิร์ดเผชิญกับขอบเขตทางธรณีวิทยาที่แตกต่างกัน 73 แห่ง รวมถึง:

1. หินตะกอนแปร ส่วนที่ต้องการกำลังผลักดัน 450 กิโลนิวตัน
2. เขตแหล่งน้ำใต้ดินแบบผิวหน้า จัดการโดยการลดระดับน้ำสองขั้นตอน
3. เขตเลื่อน บรรเทาด้วยระบบซับในแบบโมดูลาร์แยกส่วน

การปรับตัวนี้ช่วยลดความล่าช้าจากปัจจัยทางธรณีวิทยาลง 62% เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม แสดงให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของการสำรวจทางเทคนิคด้านธรณีอย่างครอบคลุมในการเลือกเครื่องเจาะอุโมงค์

การจับคู่ประเภทเครื่องเจาะอุโมงค์กับสภาพพื้นดิน

การเลือกเครื่องเจาะอุโมงค์ (TBM) ที่เหมาะสมที่สุด จำเป็นต้องสอดคล้องกับศักยภาพของเครื่องจักรกับความท้าทายใต้ผิวดิน

เครื่อง EPB, Slurry และเครื่องเจาะหินแข็ง TBM: การเลือกตามลักษณะทางธรณี

เครื่องเจาะอุโมงค์แบบดุลยภาพแรงดันดิน (EPB) ทำงานได้ดีที่สุดในชั้นดินอ่อนและพื้นที่ในเมือง โดยใช้วัสดุดินที่ถูกบีบอัดเพื่อรักษาระดับความมั่นคงของผนังอุโมงค์ และควบคุมการเคลื่อนตัวของผิวดินให้น้อยที่สุด เมื่อต้องเผชิญกับสภาพพื้นดินที่อิ่มตัวด้วยน้ำ เครื่องจักรประเภทสแลรี่ชิลด์จะเข้ามาทำหน้าที่แทน โดยการผสมดินเบนโทไนต์กับน้ำเพื่อสร้างของเหลวสแลรี่ที่สามารถต้านทานแรงดันน้ำใต้ดินจากด้านล่างได้ ส่วนเครื่องเจาะอุโมงค์สำหรับหินแข็งที่ติดตั้งตัวตัดแบบดิสก์ สามารถก้าวหน้าได้ดีผ่านชั้นหินแข็ง โดยเฉลี่ยประมาณ 15 ถึงอาจถึง 30 เมตรต่อวัน ขึ้นอยู่กับคุณภาพของหิน ตามรายงานการศึกษาล่าสุดที่เผยแพร่ในปี 2022 พบว่า เมื่อวิศวกรเลือกใช้เครื่องจักรชนิดที่ไม่เหมาะสมกับสภาพทางธรณีวิทยาเฉพาะเจาะจง โครงการมักเกิดความล่าช้าประมาณสองในสามของระยะเวลาที่คาดการณ์ไว้ สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการทำความเข้าใจอย่างแท้จริงว่ามีอะไรอยู่ใต้พื้นดิน ก่อนเริ่มงานขุดเจาะ

เครื่องเจาะอุโมงค์แบบมัลติโมดอลสำหรับสภาพพื้นดินที่หลากหลายและไม่สม่ำเสมอ

เครื่องเจาะอุโมงค์ไฮบริดสมัยใหม่รวมเทคโนโลยี EPB และสแลรี่เข้าไว้ด้วยกัน ทำให้สามารถจัดการกับหินประเภทต่างๆ ได้โดยไม่ต้องหยุดโครงการทั้งหมด ตัวอย่างกรณีศึกษาเช่น อุโมงค์เข้าถึงโกธาร์ด (Gotthard Access Tunnel) ซึ่งวิศวกรใช้เครื่องจักรที่สามารถเปลี่ยนโหมดการทำงานได้หลายครั้งในระหว่างการขุด เฉพาะอย่างยิ่ง มีการปรับตั้งค่าประมาณ 14 ครั้ง ขณะทำงานผ่านชั้นหินปูนที่ปะปนกับตะกอนหินอ่อนนิ่ม เครื่องจักรเหล่านี้มาพร้อมกับเซ็นเซอร์ที่คอยตรวจสอบสภาพใต้ดินอย่างต่อเนื่อง เมื่อตรวจพบการเปลี่ยนแปลงของพื้นดินด้านหน้า ระบบจะปรับค่าต่างๆ เช่น แรงบิดและแรงดันโดยอัตโนมัติ ส่งผลให้จำนวนการหยุดชะงักที่ไม่คาดคิดลดลงประมาณ 40% เมื่อเผชิญกับสภาพหน้าตัดแบบผสมที่ซับซ้อน อีกหนึ่งข้อได้เปรียบสำคัญคือการออกแบบหัวตัดแบบโมดูลาร์ แทนที่จะใช้เวลาหลายสัปดาห์ในการเปลี่ยนเครื่องมือให้เหมาะกับชั้นหินแต่ละประเภท ตอนนี้ทีมงานสามารถเปลี่ยนแปลงได้ภายในเวลาเพียงประมาณสองวัน ซึ่งส่งผลอย่างมากในการรักษากำหนดเวลาของโครงการ

มิติของอุโมงค์ การจัดแนว และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของเครื่องจักร

ผลกระทบของความลึก เส้นผ่านศูนย์กลาง และการจัดแนวของอุโมงค์ที่มีต่อการเลือกเครื่องเจาะอุโมงค์ (TBM)

ความลึกของอุโมงค์มีผลต่อแรงดันจากพื้นดินที่อุโมงค์ต้องเผชิญ ซึ่งหมายความว่าเครื่องเจาะอุโมงค์จำเป็นต้องมีโครงสร้างที่แข็งแรงเป็นพิเศษเพื่อรับแรงดันที่สูงกว่า 5 บาร์เมื่อขุดลึกลงไปใต้ดินอย่างมาก ขนาดของเครื่องก็มีความสำคัญเช่นกัน เครื่องขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 12 เมตร มักทำงานได้ดีที่สุดร่วมกับระบบสมดุลแรงดันดินในเขตเมือง โดยที่เราไม่ต้องการให้อาคารทรุดตัว เครื่องขนาดเล็กกว่า 6 เมตรสามารถใช้เทคโนโลยีการเจาะแบบนำทางได้ ซึ่งเหมาะสำหรับการจัดตำแหน่งที่แม่นยำ เมื่ออุโมงค์มีการโค้งหรือขึ้นลงในแนวตั้ง ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องใช้เครื่องที่สามารถงอและบิดเบี้ยวได้มากพอ — ความสามารถในการเลี้ยวประมาณ 8 องศาจะช่วยให้สามารถควบคุมการเปลี่ยนแปลงระดับความสูงที่ซับซ้อนเหล่านี้ได้โดยไม่ทำให้เครื่องแตกหัก การศึกษาล่าสุดที่พิจารณาปลายอุโมงค์รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าพบสิ่งที่น่าสนใจ หากความสูงของอุโมงค์มากกว่าความกว้างถึง 1.5 เท่า จะมีโอกาสเกิดปัญหาความไม่มั่นคงสูงขึ้นประมาณ 34% นั่นอธิบายได้ว่าทำไมวิศวกรจึงใช้เวลานานมากในการออกแบบหัวตัดที่เหมาะสมกับเส้นทางอุโมงค์เฉพาะแต่ละแห่ง

การเพิ่มประสิทธิภาพด้านกำลัง แรงผลัก และอัตราการเคลื่อนที่ เพื่อประสิทธิผลของโครงการ

เครื่องเจาะอุโมงค์ในปัจจุบันต้องการแรงขับเคลื่อนระหว่าง 2,500 ถึง 6,000 กิโลนิวตัน เพื่อรักษาระดับความเร็วในการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างเหมาะสมที่ประมาณ 15 ถึง 35 มิลลิเมตรต่อนาที เมื่อทำงานในสภาพพื้นดินแบบผสมผสาน ระบบขับเคลื่อนจำเป็นต้องมีขนาดที่เหมาะสมกับความต้องการแรงบิดของหัวตัด ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 3 ถึง 15 เมกะนิวตัน-เมตร เมื่อทำงานผ่านชั้นหินแข็ง เครื่องตัดแบบจานมักหมุนที่ประมาณ 5 ถึง 6 รอบต่อนาที โดยใช้มอเตอร์กำลัง 350 กิโลวัตต์ สิ่งต่าง ๆ จะเปลี่ยนแปลงไปค่อนข้างมากเมื่อพิจารณาเครื่องดุลแรงดันดิน (earth pressure balance machines) ที่ทำงานในชั้นดินนิ่มกว่า เครื่องเหล่านี้เน้นการควบคุมกระบวนการนำเศษดินออกมากกว่า จึงต้องอาศัยความสามารถในการสร้างแรงบิดของสายพานลำเลียงเกลียวเป็นหลัก โดยทั่วไปต้องการแรงบิดระหว่าง 120 ถึง 250 กิโลนิวตัน-เมตร งานวิจัยที่น่าสนใจจากโครงการขุดอุโมงค์ในดินนิ่มเมื่อปี 2015 แสดงให้เห็นว่า การปรับแรงดันขับเคลื่อนแบบเรียลไทม์สามารถลดข้อผิดพลาดด้านทิศทางได้เกือบครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับการใช้ค่าแรงดันคงที่ ผู้ควบคุมการขุดอุโมงค์มักต้องเดินอยู่บนเส้นบางๆ ระหว่างความเร็วที่ต้องการในการเจาะผ่านพื้นดิน กับอายุการใช้งานของเครื่องมือ งานศึกษาล่าสุดในปี 2022 ระบุว่า การลดความเร็วรอบ (RPM) ลงเพียง 20% สามารถยืดอายุการใช้งานของใบตัดที่ทำงานในชั้นหินแกรนิตที่มีความกัดกร่อนสูงได้ถึงสองเท่า

การผสานเทคโนโลยีและประสิทธิภาพในการดำเนินงานของเครื่องเจาะอุโมงค์สมัยใหม่

เครื่องเจาะอุโมงค์สมัยใหม่ (TDMs) ปัจจุบันมาพร้อมกับ ระบบอัตโนมัติและระบบนำทางที่ได้รับการช่วยเหลือจากปัญญาประดิษฐ์ ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำในการขุดเจาะ และลดข้อผิดพลาดจากมนุษย์ เครื่องมือตรวจสอบแบบเรียลไทม์ที่ติดตั้งอยู่ในระบบเหล่านี้ วิเคราะห์ข้อมูลทางธรณีวิทยาเพื่อปรับแรงบิดและแรงดันของหัวตัดแบบไดนามิก ทำให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำในการจัดแนวภายในช่วง ±10 มม. แม้ในชั้นดินที่ไม่มั่นคง

ระบบอัตโนมัติ ระบบนำทางที่ได้รับการช่วยเหลือจากปัญญาประดิษฐ์ และระบบตรวจสอบแบบเรียลไทม์

ระบบปัญญาประดิษฐ์ที่ทันสมัยสามารถจัดการข้อมูลจากเซ็นเซอร์ได้มากกว่า 500 รายการต่อวินาที ทำให้สามารถคาดการณ์พฤติกรรมของชั้นดินและปรับค่าการเจาะได้อย่างเหมาะสม ส่งผลให้ลดการหยุดทำงานที่ไม่คาดคิดลงได้ประมาณหนึ่งในสี่ในโครงการขนาดใหญ่ เช่น การก่อสร้างอุโมงค์เก็ตทาร์ดเบส สำหรับการจัดการโคลนนั้น การใช้งานระบบอัตโนมัติช่วยรักษาความสมดุลของแรงดัน ซึ่งช่วยป้องกันการถล่มเมื่อทำงานในสภาพดินเปียก ระบบที่ตรวจสอบแบบเรียลไทม์ยังพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพอย่างมาก โดยลดปัญหาน้ำซึมได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเทคนิคการควบคุมด้วยมือแบบเดิม อีกทั้งยังมีฟีเจอร์การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ที่ช่วยให้อุปกรณ์ทำงานได้นานขึ้น โดยตามรายงานภาคสนามจากบริษัทวิศวกรรมหลายแห่งระบุว่าอายุการใช้งานของชิ้นส่วนเพิ่มขึ้นประมาณ 30%

ระบบวินิจฉัยและการควบคุมระยะไกลเพื่อประสิทธิภาพที่เหนือกว่า

ศูนย์ควบคุมกลางในปัจจุบันสามารถทำให้ การดำเนินงาน TBM จากทางไกล โดยใช้การวินิจฉัยที่รองรับระบบอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ตัวอย่างเช่น อัลกอริธึมการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนสามารถตรวจจับการสึกหรอของแบริ่งได้ก่อนที่จะเกิดความเสียหาย 50 ชั่วโมง ทำให้สามารถซ่อมแซมล่วงหน้าได้ โครงการนำร่องในปี 2024 ที่ใช้ระบบแนะนำระยะไกล ประสบความสำเร็จในการทำงานต่อเนื่อง 98% ในการติดตั้งท่อในเขตเมือง โดยปรับปรุงกระบวนการเปลี่ยนใบตัดและการขนถ่ายดินโคลนให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ความก้าวหน้าเหล่านี้ช่วยลดระยะเวลาโครงการลง 20–30% ขณะเดียวกันก็ลดต้นทุนแรงงานและอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย

ต้นทุนการเป็นเจ้าของรวม การบำรุงรักษา และความสามารถในการปรับตัวของแรงงาน

ต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน ความต้องการด้านการบำรุงรักษา และการเข้าถึงเพื่อซ่อมแซม

ต้นทุนการเป็นเจ้าของรวม (TCO) ของเครื่องเจาะอุโมงค์มีมากกว่าราคาเริ่มต้นอย่างมาก โดยค่าดำเนินงานและการบำรุงรักษา (O&M) คิดเป็นสัดส่วน 45–60% ของค่าใช้จ่ายตลอดอายุการใช้งาน ซึ่งรวมถึง:

• การบำรุงรักษาประจำ : การตรวจสอบหัวตัด ($12k–$18k ต่อรอบ) และการเปลี่ยนซีล ($740k–$2.1M ต่อปี) เพื่อป้องกันความล้มเหลวที่รุนแรง
• การซ่อมแซมที่ไม่ได้กำหนดไว้ล่วงหน้า : การเปลี่ยนชิ้นส่วนที่สึกหรอในสภาพหินที่กัดกร่อน ซึ่งอาจมีค่าใช้จ่ายสูงถึง 30% ของงบประมาณโครงการต่อปี
• ผลกระทบจากเวลาหยุดทำงาน : การล่าช้า 1–2 สัปดาห์จากการเสียหายของแบริ่ง ทำให้ประสิทธิภาพการขุดอุโมงค์ลดลง 18–22%

การเข้าถึงเพื่อซ่อมแซมเป็นปัจจัยที่ก่อให้เกิด 25% ของค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาในพื้นที่ทำงานจำกัด การออกแบบแบบโมดูลาร์ที่ใช้ชิ้นส่วนมาตรฐานสามารถลดเวลาการเปลี่ยนชิ้นส่วนได้ 40% เมื่อเทียบกับระบบที่ออกแบบเฉพาะ

การฝึกอบรมผู้ปฏิบัติงาน คุณสมบัติด้านความปลอดภัย และการปฏิบัติตามกฎระเบียบในท้องถิ่น

ผู้ปฏิบัติงานที่มีทักษะสามารถเพิ่มอัตราการขุดล่วงหน้าได้ 15% ขณะเดียวกันก็ลดการสึกหรอของเครื่องมือตัดได้ 28% ปัจจุบันใบรับรองที่จำเป็นต้องมี ได้แก่

• การฝึกอบรมด้วยซิมูเลเตอร์ 120–180 ชั่วโมง สำหรับการดำเนินงาน TBM ในชั้นดินนิ่ม
• การซ้อมความปลอดภัยรายสัปดาห์ ครอบคลุมการดับเพลิงและการอพยพฉุกเฉิน
• การปฏิบัติตามมาตรฐานภูมิภาค เช่น ขั้นตอนการเข้าพื้นที่จำกัดตามข้อกำหนดของ OSHA (29 CFR 1926.800)

เครื่องเจาะอุโมงค์รุ่นใหม่มาพร้อมระบบหลีกเลี่ยงการชนกัน (ลดเหตุการณ์ได้ 25%) และระบบตรวจสอบก๊าซอัตโนมัติ เพื่อให้สอดคล้องกับการปรับปรุงข้อบังคับเครื่องจักรของสหภาพยุโรป ปี 2023 โครงการหนึ่งในยุโรปกลางเมื่อปี 2023 แสดงให้เห็นว่า โปรแกรมการฝึกอบรมเชิงปรับตัวสามารถลดเวลาหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้ได้ 30% โดยใช้การวิเคราะห์ประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์

คำถามที่พบบ่อย

ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการเลือกเครื่องเจาะอุโมงค์ (TBM) มีอะไรบ้าง

ปัจจัยสำคัญรวมถึงความเข้ากันได้ทางธรณีวิทยา เช่น องค์ประกอบของหิน ประเภทของดิน ความมั่นคงของพื้นดิน แรงดันน้ำใต้ดิน และการมีอยู่ของเขตแนวรอยเลื่อน ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องจักรและความสำเร็จโดยรวมของโครงการ

เครื่องเจาะอุโมงค์รุ่นใหม่จัดการกับสภาพพื้นดินที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างไร

เครื่องเจาะอุโมงค์รุ่นใหม่ โดยเฉพาะรุ่นไฮบริด ใช้เทคโนโลยีทั้งแบบสมดุลแรงดันดิน (EPB) และแบบสลารี่ร่วมกัน เพื่อปรับตัวให้เข้ากับประเภทหินที่แตกต่างกัน โดยใช้เซ็นเซอร์ตรวจสอบแบบเรียลไทม์เพื่อติดตามและปรับตั้งค่าอัตโนมัติ

เหตุใดการผสานรวมเทคโนโลยีจึงมีความสำคัญในเครื่องเจาะอุโมงค์

การผสานรวมเทคโนโลยี เช่น ระบบนำทางที่ใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการขุด เสริมความถูกต้อง ลดข้อผิดพลาดจากมนุษย์ และยกระดับประสิทธิภาพการดำเนินงานโดยรวม ด้วยการปรับตั้งค่าหัวตัดแบบไดนามิกเพื่อให้ตำแหน่งตรงเป๊ะ

ผู้ควบคุมเครื่องเจาะอุโมงค์ต้องผ่านการฝึกอบรมอะไรบ้าง

โดยทั่วไป ผู้ปฏิบัติงานจะต้องได้รับการฝึกอบรมในซิมูเลเตอร์เป็นเวลา 120-180 ชั่วโมง ผ่านการฝึกซ้อมด้านความปลอดภัยรายสัปดาห์ และปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยระดับภูมิภาค เช่น ขั้นตอนการเข้าพื้นที่จำกัดของ OSHA เพื่อให้มั่นใจในการดำเนินงาน TBM อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัย