Які фактори слід враховувати при виборі машини для буріння тунелів для проекту?

Геологічні та геотехнічні умови, що впливають на вибір машини для буріння тунелів

Оцінка складу ґрунту, гірських порід і стабільності ґрунту

Машини для проходження тунелів (TBM) потребують точного геологічного узгодження для ефективної роботи. Дослідження 2023 року в Scientific Reports виявило, що 70% простою TBM спричинено геологічною несумісністю, особливо в умовах змішаних ґрунтів. Основні аспекти включають:

• Абразивні шари порід призводять до 3-кратного прискореного зносу головки різця порівняно з м'якими ґрунтами
• Формації, багаті глиною вимагають підвищеної потужності обертального моменту, щоб запобігти зупинці машини
• Зони тріщинування вимагає коригування наземної підтримки в режимі реального часу для запобігання обвалам

Оцінка тиску ґрунтових вод і зон розломів

Тиск ґрунтових вод понад 5 бар може порушити цілісність тунелю, тоді як зони розломів збільшують ризик обвалень на 40%. Сучасні ТЩМ оснащуються:

• Гіпербаричні датчики тиску для негайного виявлення проникнення води
• Системи тампонування, що активуються при різниці тиску понад 3 бари
• Сейсмічні передові модулі для картографування ліній розломів у межах 15 метрів від траєкторії буріння

Практичний приклад: адаптація ТЩМ до складної геології у базовому тунелі Ґоттгард

У проекті Ґоттгард було зафіксовано 73 окремі геологічні інтерфейси, зокрема:

1. Метаосадові породи ділянки, що потребують потужності просування 450 кН
2. Зони ґрунтових вод керуються за допомогою двоступеневого водо-відпомповування
3. Зони зсуву зменшуються завдяки модульним сегментним кріпленням

Ця адаптація скоротила затримки, пов’язані з геологічними умовами, на 62% порівняно з традиційними методами, що демонструє вирішальну роль комплексного інженерно-геологічного дослідження при виборі бурової установки для тунелювання

Підбір типів прохідницьких щитів відповідно до геологічних умов

Вибір оптимальної бурової машини для прокладання тунелів (TBM) вимагає узгодження можливостей обладнання із підземними викликами

EPB, шламові та щити для твердих порід: вибір залежно від геології

Балансувальні щитові прохідні комплекси (БЩПК) найкраще працюють у м'яких ґрунтах і міських умовах, де вони використовують стиснутий ґрунт для підтримання стійкості тунельних стінок і мінімізації руху поверхні. У разі насичених водойм слюсарні щитові машини використовують суміш бентонітової глини з водою для утворення суспензії, яка компенсує тиск ґрунтових вод знизу. Щитові прохідні комплекси для твердих порід, оснащені дисковими різцями, можуть досягати продуктивності 15–30 метрів на добу залежно від якості породи. Згідно з нещодавнім дослідженням, опублікованим у 2022 році, коли інженери обирають неправильний тип машини для конкретних геологічних умов, терміни реалізації проектів затягуються приблизно на дві третини довше, ніж очікувалося. Це підкреслює важливість глибокого розуміння того, що знаходиться під поверхнею, перед початком земляних робіт.

Мультимодальні щитові прохідні комплекси для змінних і неоднорідних ґрунтових умов

Сучасні гібридні прохідницькі щити поєднують технології EPB та шламу, що дозволяє їм працювати з різними типами порід без зупинки всього проекту. Візьмемо для прикладу тунель Готтард. Там інженери використовували машину, яка могла перемикатися між режимами кілька разів під час проходження. Зокрема, вона змінювала налаштування близько 14 окремих разів, працюючи через шари вапняку, змішані з м'якшими прошарками мергелю. Ці машини оснащені датчиками, які постійно контролюють те, що відбувається під землею. Коли вони виявляють зміни в породі попереду, система автоматично регулює такі параметри, як обертовий момент і тяга. Це призвело до приблизно 40% скорочення неочікуваних зупинок у складних умовах змішаних порід. Ще одна велика перевага — модульні конструкції різальних головок. Замість того щоб витрачати кілька тижнів на заміну інструментів для різних типів порід, екіпажі тепер можуть виконати ці зміни всього за два дні, що суттєво допомагає дотримуватися графіку проектів.

Розміри тунелю, вирівнювання та вимоги до продуктивності обладнання

Вплив глибини, діаметра тунелю та вирівнювання на вибір ТБМ

Глибина тунелю визначає тиск ґрунту, який він витримує, що означає: прохідницьким комплексам потрібна особливо міцна конструкція, здатна витримувати тиск понад 5 бар під час прокладання дуже глибоких підземних ходів. Має значення також і розмір. Великі машини діаметром понад 12 метрів найкраще працюють із системами балансу тиску ґрунту в міських умовах, де необхідно запобігти просіданню будівель. Менші за 6 метрів можуть використовувати технологію керованого буріння для точного позиціонування. Коли тунелі вигинаються або йдуть прямо вгору/вниз, операторам потрібні машини, здатні достатньо гнути і скручувати — приблизно 8 градусів поворотної здатності допомагає їм справлятися зі складними змінами висоти без руйнування. Останні дослідження прямокутних кінців тунелів показали цікавий результат: якщо висота перевищує ширину більше ніж у 1,5 рази, імовірність виникнення проблем з нестабільністю зростає приблизно на 34%. Це пояснює, чому інженери витрачають так багато часу на проектування різальних головок, адаптованих до конкретних маршрутів тунелювання.

Оптимізація потужності, тяги та швидкості просування для підвищення ефективності проекту

Сучасним прохідним комбайнам потрібно від 2500 до 6000 кілоньютонів тягового зусилля, щоб рухатися вперед із прийнятною швидкістю близько 15–35 міліметрів на хвилину в умовах змішаного грунту. Системи живлення мають бути підібрані відповідно до вимог обертального моменту різального головки, який зазвичай становить від 3 до 15 меганьютон-метра. Працюючи у твердих гірських породах, дискові різці зазвичай обертаються зі швидкістю близько 5–6 обертів на хвилину завдяки двигунам потужністю 350 кіловат. Ситуація значно змінюється, коли ми розглядаємо комбайни з балансом тиску ґрунту, що працюють у м'яких ґрунтах. Ці машини більше зосереджені на управлінні процесом видалення ґрунту, тому вони значною мірою залежать від крутного моменту своїх шнекових конвеєрів, загалом потрібно від 120 до 250 кілоньютон-метра. Деякі цікаві результати досліджень, проведених у 2015 році під час проходження тунелів у м'яких ґрунтах, показали, що внесення корективів у тиск подачі в режимі реального часу може скоротити помилки напрямку майже вдвічі порівняно з використанням фіксованих налаштувань тиску. Оператори тунелепрохідних машин завжди знаходяться на межі між тим, наскільки швидко вони хочуть просуватися крізь ґрунт і як довго будуть служити їхні інструменти. Нещодавні дослідження 2022 року показали, що просте зниження обертів на хвилину на 20% фактично може подвоїти термін служби різців, що працюють у надзвичайно абразивних гранітних породах.

Інтеграція технологій та експлуатаційна ефективність сучасних гірських бурових машин

Сучасні гірські бурові машини (ГБМ) тепер оснащені автоматизацією та системами керування з підтримкою штучного інтелекту що оптимізують точність проходження виробок і зменшують людські помилки. Засоби моніторингу в реальному часі, вбудовані в ці системи, аналізують геологічні дані для динамічної регулювання обертального моменту різців і зусиль подачі, забезпечуючи точність вирівнювання в межах ±10 мм навіть у нестійких шарах ґрунту.

Автоматизація, система керування з підтримкою штучного інтелекту та моніторингу в реальному часі

Сучасні системи штучного інтелекту можуть обробляти понад 500 показань датчиків щосекунди, завдяки чому вони здатні прогнозувати поведінку ґрунту та відповідно коригувати параметри буріння. Це фактично скоротило непередбачені зупинки приблизно на чверть у масштабних проектах, таких як будівництво Готтардського базового тунелю. Щодо управління пульпою, автоматизація підтримує стабільний тиск, що допомагає запобігти обвалам у роботі у вологих ґрунтових умовах. Системи моніторингу в реальному часі також довели свою ефективність, зменшивши проблеми з фільтрацією води приблизно на 40 відсотків порівняно з традиційними ручними методами. І, звичайно, не варто забувати про функції передбачуваного обслуговування, які забезпечують довший термін роботи обладнання, подовжуючи термін експлуатації компонентів приблизно на 30% згідно з польовими звітами кількох інженерних фірм.

Віддалена діагностика та системи керування для підвищення продуктивності

Централізовані центри керування тепер дозволяють віддалене керування ТБМ за допомогою діагностики з підтримкою IoT. Наприклад, алгоритми аналізу вібрації виявляють знос підшипників за 50 годин до виходу з ладу, що дозволяє проводити профілактичний ремонт. У пілотному проекті 2024 року, де використовувалися системи дистанційного керування, вдалося досягти 98% часу безвідмовної роботи під час прокладання міських трубопроводів шляхом оптимізації заміни різців та видалення породи.

Ці удосконалення скорочують терміни проектів на 20–30%, одночасно знижуючи витрати на робочу силу та кількість інцидентів із безпекою.

Загальна вартість володіння, технічне обслуговування та адаптивність персоналу

Витрати протягом життєвого циклу, потреба у технічному обслуговуванні та доступність ремонту

Загальна вартість володіння (TCO) бурової установки для тунелів значно перевищує її початкову ціну, а експлуатація та технічне обслуговування (O&M) становлять 45–60% витрат за весь термін служби. Це включає:

• Періодичне обслуговування : Перевірки різального головки (від 12 тис. до 18 тис. доларів за період) та заміну ущільнень (від 740 тис. до 2,1 млн доларів щороку), щоб запобігти катастрофічним відмовам
• Планові ремонти : Заміну зношених деталей у умовах абразивних гірських порід, що може коштувати до 30% річного бюджету проекту
• Простої : Затримки на 1–2 тижні через відмови підшипників зменшують ефективність проходження тунелю на 18–22%

Доступність ремонту становить 25% витрат на технічне обслуговування в обмежених робочих просторах. Модульні конструкції зі стандартними компонентами скорочують час заміни деталей на 40% порівняно з нестандартними системами.

Навчання операторів, функції безпеки та відповідність місцевим нормам

Кваліфіковані оператори збільшують швидкість проходження на 15%, одночасно зменшуючи знос різального інструменту на 28%. Обов’язкові сертифікації тепер вимагають:

• 120–180 годин навчання на симуляторі для роботи ТБМ у м’яких ґрунтах
• Щотижневі навчання з питань безпеки, що включають гасіння пожеж та аварійну евакуацію
• Відповідність регіональним стандартам, таким як протоколи OSHA щодо входу в обмежені простори (29 CFR 1926.800)

Сучасні тунельні бурильні машини оснащені системами запобігання зіткненням (на 25% менше інцидентів) та автоматичним контролем газів для виконання оновлень Директиви ЄС щодо машинного устаткування 2023 року. У 2023 році проект у Центральній Європі показав, що адаптивні навчальні програми скоротили простої на 30% завдяки аналізу продуктивності в реальному часі.

ЧаП

Які ключові фактори впливають на вибір тунельної бурової установки (TBM)?

Ключовими факторами є геологічна сумісність, зокрема склад порід, тип ґрунту, стабільність ґрунту, тиск підземних вод і наявність зон розломів, що може впливати на ефективність машини та загальний успіх проекту.

Як сучасні ТПМ справляються зі змінними умовами ґрунту?

Сучасні тунельні проривні машини, зокрема гібридні моделі, поєднують технології балансування тиску ґрунту (EPB) і шламові технології, щоб адаптуватися до різних типів порід, використовуючи датчики для моніторингу в реальному часі та автоматичні коригування.

Чому важлива інтеграція технологій у ТПМ?

Інтеграція технологій, таких як системи наведення з підтримкою штучного інтелекту та моніторинг у реальному часі, підвищує точність проходження тунелів, зменшує людські помилки та підвищує загальну експлуатаційну ефективність за рахунок динамічної зміни параметрів головки різця для точного вирівнювання.

Яке навчання потрібно операторам ТПМ?

Операторам, як правило, потрібно пройти 120–180 годин тренажерної підготовки, щотижня брати участь у навчанні з питань безпеки та дотримуватися регіональних стандартів безпеки, таких як протоколи OSHA щодо входу в обмежені простори, аби забезпечити ефективну та безпечну роботу ТБМ.