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

Геологічні умови: стабільність ґрунту, твердість гірських порід і вплив ґрунтових вод

Оцінка геологічного та геотехнічного аналізу місцевості для вибору бурової установки для тунелювання

Згідно з нещодавнім геологічним дослідженням 2023 року, бригади, які провели ретельне тестування ґрунту, зафіксували зменшення затримок при прокладанні тунелів приблизно на 62%. Підбираючи прохідницькі комплекси, інженери мають враховувати ступінь тріщинуватості материнської породи, перевіряти показники пластичності ґрунту та аналізувати дані щодо попередньої активності ґрунтових вод. Правильний підхід дозволяє точно підібрати обладнання відповідно до реальних умов під землею. Використання всієї цієї інформації забезпечує безперебійну роботу машин та запобігає неочікуваним проблемам на глибині. Крім того, це дає кращий контроль над загальними термінами виконання всього проекту.

Вплив складу ґрунту та гірських порід на продуктивність бурових установок для тунелювання

Твердість гірських порід і абразивність ґрунту суттєво впливають на ефективність роботи прохідницьких щитів і ступінь їх зносу з часом. У разі роботи з дуже твердим гранітом, який має межу міцності на стиск понад 150 МПа, прохідницькі щити повинні мати різальні головки, здатні створювати близько 380 кН на квадратний сантиметр зусилля просування. Це приблизно на 45 відсотків більше, ніж потрібно для роботи у м'яких глинистих ґрунтах. Іншу проблему становлять ділянки з великою кількістю валунів у алювіальних відкладеннях. У таких умовах дискові різці зношуються приблизно на 32 відсотки швидше, ніж під час роботи в однорідних сланцевих пластах. Такий знос призводить до того, що ремонтним бригадам доводиться частіше зупиняти роботу та витрачати додаткові кошти на усунення пошкоджень обладнання. Для проектів, де виникають такі складнощі, доцільно інвестувати в машини, оснащені більш міцними різальними інструментами та системами, здатними регулювати тиск просування відповідно до змін умов під час проходження тунелю.

Оцінка наявності та тиску ґрунтових вод при прокладанні тунелів у м’яких ґрунтах

Пористі ґрунти створюють особливі виклики, коли через них протікає вода зі швидкістю понад 30 літрів на секунду. На таких рівнях інженерам зазвичай потрібно використовувати прохідницькі щити з підвищеним тиском у передовій частині (TBM), щоб просто запобігти повному обвалюванню виробки. Ситуація ускладнюється ще більше, коли гідравлічний тиск перевищує 2,5 бар. У цей момент системи ін’єкції бентоніту стають абсолютно необхідними для забезпечення стабільності під час прохідницьких робіт. Це має велике значення, особливо в міських умовах, де неочікувані витоки води можуть пошкодити будівлі, дороги чи підземні комунікації, розташовані поруч. Ефективне управління ґрунтовими водами важливе не лише для безпеки працівників. Воно безпосередньо впливає на швидкість, з якою будівельні бригади можуть просуватися крізь водонасичені шари ґрунту, не стикаючись постійно з простоями обладнання чи конструкційними пошкодженнями.

Виклики, пов’язані з умовами змішаних ґрунтів для роботи тунелепрохідницьких щитів

Коли прохідницькі комплекси переходять із м'якого ґрунту на тверде каміння, їхній прогрес значно уповільнюється. Дані галузі показують, що такі переходи можуть зменшити середні темпи проходження приблизно на 27%. Добра новина полягає в тому, що модульні ТПМ із спеціальними гібридними головками різців насправді краще працюють у складних геологічних умовах. Ці машини поєднують рипери для руйнування твердих матеріалів із дисковими різцями для більш рівних ділянок, що підвищує ефективність приблизно на 18% під час роботи з прошарками піщаника та глини. Інженери дуже цінують такі гнучкі конструкції, оскільки вони допомагають упоратися з постійними несподіванками, які виникають під час проходження складних гірських порід, де ніщо довго не залишається передбачуваним.

Типи тунельних прохідницьких механізмів (ТПМ): EPB, шламові, щитові та багатофункціональні варіанти

Розуміння типів ТПМ та критеріїв вибору залежно від потреб проекту

При виборі правильного тунельного проривної машини інженери зазвичай враховують три основні фактори: тип грунту, розмір проекту та можливі екологічні обмеження. Машини EPB стали найпоширенішим варіантом для прокладання тунелів у м'яких грунтах у міських районах, на їх частку припадає близько 62% усіх підземних будівельних робіт у метрополітенах світу згідно з останніми звітами фірм, що займаються підземним будівництвом. У районах із дуже вологим і насиченим водою ґрунтом краще підходять шламові ТБМ, тоді як версії для твердих порід добре себе показують при роботі у міцних, стабільних скелястих формаціях. Багатофункціональні ТБМ коштують приблизно на 15–20% дорожче стандартних моделей, але ці додаткові витрати виправдовуються з часом, оскільки ці універсальні машини можуть оперативно регулювати обертовий момент і тягове зусилля під час проходження різних типів матеріалів, що допомагає мінімізувати ризики, пов’язані з непередбачуваними умовами грунту.

EPB проти шламу проти TBM для твердих порід: підбір прохідницьких щитів відповідно до геологічних умов

Щити з урівноваженням тиску ґрунту підтримують стабільність упору, зрівнюючи тиск від вигрібаного ґрунту з тиском у камері щита. Це забезпечує їх ефективну роботу у важких ґрунтах, таких як глина та суглинок. Для підводних тунельних проектів застосовуються шламові системи. Ці системи подають під тиском бентонітову глину до упору, створюючи водонепроникне ущільнення. Протікання ґрунтових вод є серйозною проблемою на глибині, а усунення цих проблем може коштувати понад 740 тисяч доларів США, згідно з дослідженням Ponemon минулого року. У разі роботи з твердими породами, такими як граніт або базальт, потрібні інші машини. Щити для твердих порід мають спеціальні дискові різці з вольфрамового карбіду, здатні витримувати великі тиски гірської породи — приблизно 250 мегапаскалей. Ці міцні маленькі інструменти дозволяють операторам проходити навіть найстійкіші шари скельних порід без втрати ефективності.

Мультимодальні та багатофункціональні ТБМ для складних або неоднорідних геологічних умов

Під час роботи на будівельних майданчиках, де шари ґрунту та гірських порід постійно змінюються, що відбувається приблизно в 38 відсотках усіх залізничних проектів через всю країну, мультимодальні прохідницькі комплекси справді вирізняються. Їхня перевага полягає в здатності перемикатися з режиму балансу тиску ґрунту на пульповий режим щоразу, коли змінюється склад ґрунту під ними. Деякі передові моделі також оснащені системами змінної густини. Ці системи розумно працюють, коригуючи швидкість різального головки та оперативно регулюючи густину пульпової суміші. Польові випробування показали, що така адаптація в реальному часі скорочує непередбачені зупинки приблизно на двадцять відсотків під час роботи в таких складних умовах змішаних ґрунтів. Нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі «Geotechnical Engineering Journal», підтверджує ці результати минулого року.

Конструкція різального головки та розташування інструментів у різних типах бурових установок для тунелювання

Те, як спроектовано різальні головки, суттєво впливає на їхню ефективність та термін служби. У машинах з герметичним щитом гелікоподібні скрепери ефективно переміщують ґрунт. У тунельних пристроях для твердих порід підхід інший — використовуються від 17 до 25 дискових різців, розташованих концентричними кільцями, щоб ефективно руйнувати скелю. Деякі новіші конструкції поєднують особливості обох типів завдяки гібридним різальним головкам, які дозволяють операторам замінювати інструменти за необхідності. Згідно з даними Асоціації з тунелювання за 2023 рік, такі гібридні системи служать приблизно на 30% довше під час роботи у абразивному пісковику. Таке покращення означає більший час роботи тунельних проектів без простою та допомагає знизити витрати на обслуговування з часом.

Масштаб проекту та експлуатаційні вимоги: довжина, діаметр та швидкість проходження

Як довжина тунелю впливає на розгортання та ефективність бурових установок

Під час прокладання довших тунелів, прохідницькі комплекси мають бути міцнішими та працювати безперервно протягом тривалого періоду. Для проектів довжиною понад 5 кілометрів інженери зазвичай передбачають використання різальних головок, які на 25 і навіть до 30 відсотків міцніші, а також автоматизовані системи для монтажу тунельних сегментів, щоб уникнути зупинки робіт. Згідно з останніми дослідженнями минулорічної геотехнічної конференції, штоки підпорного механізму зношуються приблизно на 18% швидше, коли обладнання працює понад позначку 3 км. Цей висновок ще раз підкреслює важливість правильного графіку технічного обслуговування, адже ніхто не хоче, щоб проект простояв через ремонт у критичні фази.

Відповідність швидкості просування вимогам щодо можливостей і точності обладнання

Швидкість, з якою прокладається тунель, безпосередньо впливає на загальну тривалість проекту. Більшість міських метрополітенів розраховані на проходження приблизно 15–20 метрів на добу. Проте швидкість змінюється під час глибокого буріння для наукових досліджень або геологічних вивчень, де важливіша точність, ніж швидкість, тому такі проекти можуть просуватися лише на 5–8 метрів на добу. Оптимальна ефективність досягається тоді, коли крутний момент машини, який зазвичай становить від 4000 до 12 000 кілоньютон-метров, правильно узгоджується з міцністю породи, що буриться. Машини, надто потужні для м’якших ґрунтів, фактично витрачають зайві 14–18 відсотків енергії, згідно з останніми даними галузі за 2024 рік. Це ще раз підкреслює важливість правильного підбору технічних характеристик залежно від типу ґрунту.

Вибір діаметра машини залежно від геометрії, напрямку та глибини тунелю

Вибір діаметра враховує структурні, функціональні та геомеханічні аспекти:

• Комунікаційні тунелі : 3–5 метрові діаметри свердловин оптимізують простір у густонаселених міських районах
• Залізничні тунелі : діаметри 8–12 метрів забезпечують розміщення колій та відповідні зазори
• Гідроелектричні водоводи : 14–18 метрові тунелі забезпечують транспортування великих обсягів води

Глибина додатково впливає на проектування — кожне збільшення покривних порід на 100 метрів підвищує тиск гірської породи на 2,7 МПа, що вимагає збільшення товщини секційних облицювань на 15–20 % для збереження структурної цілісності.

Міські та глибокі свердловинні проекти: балансування розміру, доступу та експлуатаційних обмежень

Міські прохідницькі комплекси стикаються з обмеженнями простору приблизно на 40 відсотків більше через усі підземні труби, кабелі та будівлі, що вже існують, що зазвичай означає необхідність запуску машин по частинах, а не цілком. Проте гірські тунелі, які йдуть глибше за 500 метрів, стикаються з абсолютно іншими викликами. Ці підземні велети працюють за тиску води до 10 бар, тому інженери зазвичай оснащують їх спеціальними герметизованими передніми системами для забезпечення стабільності. Аналіз даних 87 реальних проектів виявив цікавий факт: будівельні бригади, що працюють у тісних міських умовах, виконують лише на 22% менше метрів на добу порівняно з тими, що працюють на відкритих територіях. Така інформація справді підкреслює важливість моделювання продуктивності обладнання залежно від конкретних умов роботи під час вибору техніки для тунельних робіт.

Тиск, Крутячий момент та Механічна потужність у роботі прохідницької машини

Вимірювання осьового зусилля та крутного моменту за змінного геологічного опору

Кількість тяги та крутного моменту, яку потребує прохідницький щит, багато говорить інженерам про те, наскільки добре він може різати різні типи гірських порід і ґрунтів. Нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі Nature ще у 2025 році, показало, наскільки ці вимоги можуть змінюватися залежно від матеріалу, з яким працює машина. М'які осадові породи потребують значно меншої сили порівняно з міцним пісковиком, іноді різниця досягає потрійної величини необхідної тяги. Щоб впоратися з такою варіативністю, інженери покладаються на розрахунки індексу проникнення в ґрунт. Це допомагає їм коригувати налаштування крутного моменту, щоб різальний орган не застряв. Візьмемо, наприклад, зв'язний ґлин, — більшості машин потрібно близько 12–18 кілоньютонів на квадратний метр, щоб пройти крізь нього. Але перейдемо до граніту, і раптом нам знадобиться вже 35–50 кН/м². Такий стрибок чітко пояснює, чому сучасні ТБМ потребують розумних систем, здатних оперативно регулювати потужність у міру зміни умов під землею.

Балансування механічної потужності з умовами ґрунту для досягнення оптимальної ефективності

Досягнення ефективного проходження тунелів означає узгодження кривих обертового моменту та профілів тяги з можливостями місцевої геології. Якщо надто сильно тиснути в розчинних ґрунтах, ми витрачаємо приблизно на 20-25% більше енергії, згідно з деякими галузевими звітами минулого року. Навпаки, обладнання, яке недостатньо потужне під час проходження твердих порід, має термін зносу компонентів приблизно на 40% швидший, ніж зазвичай. Дослідження GEplus 2025 року підтверджує це, хоча завжди виникають питання щодо порівняння умов на місці з лабораторними результатами. Сучасні прохідницькі комплекси оснащені розумними системами керування, які постійно контролюють вібрації різального барабана та щільність порід під час роботи. Ці системи автоматично регулюють оберти, застосовують оптимальний рівень тяги та керують потоком суспензії. У результаті оператори можуть підтримувати ефективність у діапазоні від 93% до майже 97%, навіть коли працюють у змішаних ґрунтових умовах, які постійно змінюються під землею.

Витратні міркування: початкові інвестиції, експлуатація та обслуговування, загальні витрати на володіння (TCO)

Аналіз початкових інвестицій при закупівлі прохідницьких комплексів

Ціна на прохідницькі комплекси досить сильно варіюється залежно від типу необхідного обладнання. Компактні моделі EPB зазвичай починаються приблизно з 2 мільйонів доларів, тоді як великі шламові машини для більших тунелів можуть легко перевищувати 20 мільйонів. Що найбільше збільшує вартість? Саме налаштування різального головки окремо становить близько 15–25 відсотків базової ціни. Системи стабілізації ґрунту також значно впливають на бюджет, а ще є питання масштабу. Коли проект вимагає подвоєння діаметра проходження з 6 до 12 метрів, слід очікувати зростання вартості на 180–220 відсотків. Для тих, хто робить такі великі закупівлі вперед, важливо враховувати не лише поточні потреби, але й те, як непередбачені умови під землею можуть порушити навіть найкращі плани в майбутньому.

Витрати на експлуатацію та обслуговування (О&О) для різних типів тунельних пристроїв

Витрати на О&О значно варіюються залежно від типу машини та геології. Витрати на заміну інструментів для ТБМ у твердих породах на 35–45% вищі — у середньому 580 $/год у граніті — порівняно з машинами EPB у м’яких ґрунтах. Основні чинники витрат включають:

• Використання енергії : 480–900 кВт·год на годину, залежно від опору
• Роботи : 12–18 техніків для цілодобових змін
• Зношувані деталі : Дискові різці працюють 80–120 годин у кварциті проти понад 300 годин у глині

Ці змінні підкреслюють важливість стратегій обслуговування, заснованих на стані обладнання.

Розрахунок сукупної вартості володіння для довгострокових тунельних проектів

Загальні витрати на утримання, або TCO, як їх часто називають, включають такі фактори, як амортизація обладнання протягом приблизно 10–15 років, а також усі ті дорогі години, втрачені через поломки машин. Замисліться: лише в межах великих міст простої можуть коштувати від 12 000 до 45 000 доларів щогодини! Потім існують геологічні ризики, коли непередбачувані підземні умови зазвичай збільшують витрати приблизно на 25–40%. Проте останні дослідження 2025 року показали цікавий результат: коли компанії інвестують у сучасні прохідницькі комплекси, оснащені інтелектуальними системами технічного обслуговування, вони фактично економлять кошти загалом, навіть попри те, що початкові витрати приблизно на 22% вищі. І не варто забувати, що урбанізовані території створюють власні виклики. Проекти в містах зазвичай коштують приблизно на 30% дорожче за кілометр через обмеження щодо шуму, необхідність переміщення існуючих комунікацій і складнощі з обмеженим простором для робіт. Саме тому реалістичний підхід до витрат з самого початку має важливе значення для будь-якого проектного планування.

ЧаП

Які основні аспекти слід враховувати при виборі прохідницького щита?

Основними аспектами при виборі тунельного бурового комплексу (TBM) є тип грунтових умов, масштаб проекту, екологічні обмеження та специфічні інженерні вимоги, такі як діаметр і швидкість проходження.

Як змінні грунтові умови впливають на роботу TBM?

Змінні грунтові умови можуть значно уповільнити роботу TBM приблизно на 27%, коли відбувається перехід від м’яких ґрунтів до твердої породи. Однак модульні TBM з гібридними головками можуть підвищити ефективність приблизно на 18% за таких умов.

Які ключові фактори вартості для TBM?

До ключових факторів вартості TBM належать початкова ціна придбання, яка залежить від типу машини та ступеня унікальності, а також поточні витрати на експлуатацію та технічне обслуговування, зокрема споживання енергії, робоча сила та заміна зношених деталей.

У чому різниця між TBM з герметичним щитом, шламовим та твердорозчинними TBM?

EPB TBMs використовуються в умовах м'яких ґрунтів і забезпечують стабільність лицьової частини за рахунок балансу тиску. Шламові TBM підходять для насичених водою ґрунтів і використовують бентоніт для утворення ущільнень. TBM для твердих порід мають більш міцні компоненти для проходження масивів твердої породи.

Як довжина тунелю впливає на ефективність машини?

Довші тунелі потребують більш потужних ТПМ з міцнішими головками різців і ефективними системами монтажу сегментів. Ефективність може знизитися на 18%, якщо обладнання не підтримуватиметься належним чином для проектів, що перевищують 3 кілометри.