Що робить машину ТБМ швидшою за метод свердловинно-вибухових робіт у твердих породах?

Коли інженери та керівники проектів оцінюють методи прохідництва для умов твердих порід, швидкість майже завжди є центральним питанням дискусії. Питання полягає не просто в тому, який із методів є більш сучасним, а в тому, який із них забезпечує вимірні переваги щодо швидкості прохідництва, економічної ефективності та загального графіку реалізації проекту. Машина TBM тБМ протягом десятиліть розвитку інфраструктури довела свою ефективність як принципово інший підхід до руйнування та видалення гірських порід — підхід, спроектований навколо безперервності, механізованої сили та точної геометрії, а не циклічного руйнування, що є характерним для традиційних свердловинно-вибухових робіт.

Розуміння того, що надає машині ТБМ перевагу в швидкості при проходженні твердих гірських порід, вимагає розгляду кожного етапу циклу прохідництва — як руйнуються породи, як видаляються породні відходи, як встановлюється кріплення та як ці процеси взаємопов’язані в умовах безперервної механічної роботи. При буровибуховому способі ці етапи виконуються послідовно з обов’язковими перервами між ними. Натомість машина ТБМ інтегрує більшість із цих функцій у єдину систему, що рухається вперед і зупиняється дуже рідко. Ця архітектурна відмінність у робочому процесі є основою всіх порівнянь ефективності цих двох методів у умовах твердих гірських порід.

Безперервний цикл різання проти циклу «старт–стоп» при вибуховому способі

Як машина ТБМ усуває простої часу

У традиційному тунелі, пройденому методом свердлино-вибухових робіт, робочий цикл за своєю природою є фрагментованим. Робітники пробурюють систему вибухових свердлин, завантажують їх вибуховими зарядами, проводять вибух, після чого очікують, доки розсіються гази, знову входять у виробку для огляду, відбивають незакріплені уламки породи та, нарешті, вивантажують розрушену породу. Лише після всіх цих операцій встановлюють кріплення породи, після чого цикл повторюється. Кожен повний цикл, як правило, забезпечує просування забою на один–чотири метри, а неексплуатаційні фази очікування можуть тривати стільки ж часу, скільки й експлуатаційні.

Машина TBM усуває більшу частину цього простою завдяки механічному дизайну. Обертовий різальний барабан прикладає дискові різці до гірської породи з контрольованим тяговим зусиллям, створюючи розтягнені тріщини, що відколюють і обшарпують породу в неперервному процесі. Під час обертання різального барабана видобута порода одразу потрапляє на конвеєр, вбудований у корпус машини, і транспортується назад до поверхні або місця утилізації. Машині TBM не потрібно зупинятися для провітрювання після кожного циклу проходження, оскільки відсутнє детонаційне вибухове навантаження, що виробляє токсичні гази.

Ця безперервність роботи безпосередньо призводить до вищих середніх швидкостей проходження. Тоді як бригада, що виконує проходження методом свердловинно-вибухових робіт, може досягти десяти–п’ятнадцяти метрів на добу у твердих породах за сприятливих умов, добре підібраний тунелепрохідницький механізований комплекс (TBM), що працює в тій самій гірській породі, здатен забезпечити швидкість проходження двадцять–п’ятдесят метрів на добу або більше — залежно від міцності породи, її абразивності та конфігурації обладнання. Усунення циклічних простоїв є єдиним найважливішим чинником, що зумовлює цю різницю.

Обертальна сила та ефективність руйнування гірської породи

Дискові різаки, встановлені на різальній головці машини ТБМ, проектуються так, щоб використовувати природну крихкість твердих гірських порід під концентрованим навантаженням. Коли кожен дисковий різак котиться по поверхні породи під високим осьовим зусиллям — зазвичай в межах від 150 до 300 кілоньютонів на різак — він ініціює мікротріщини, які поширюються поперечно між сусідніми слідами різаків. Порода відкалюється у вигляді клиноподібних уламків, які називають чіпсами або лусочками. Цей механізм поширення тріщин є енергоефективним, оскільки він використовує власну розтягнуту слабкість породи замість того, щоб долати її.

Вибухові речовини під час бурови-вибухової роботи повинні одночасно подолати як стискувальну, так і розтягувальну міцність порід, при цьому значна частина енергії розсіюється у вигляді коливань ґрунту, повітряної хвилі та тепла замість продуктивного руйнування порід. Тунельно-прохідницька машина (TBM) концентрує механічну енергію точно в зоні контакту різального інструменту з породою, що означає, що набагато більша частка вхідної енергії перетворюється на корисне проходження тунелю. У дуже твердих масивних породах з межею міцності на одноосевий стиск понад 150 МПа дискова різальна система TBM навіть ефективніша за вибуховий спосіб, оскільки крихкість порід та їх однорідна мікроструктура сприяють ефективному поширенню тріщин по всьому забою.

Інтегрована система транспортування породи та монтажу кріплення

Конструкція задньої системи та безперервний потік матеріалів

Перевага в швидкості машини TBM походить не лише від різального диска. Також важливим чинником є інтеграція системи транспортування породи всередині самого корпусу машини. Щойно гірська порода руйнується на забої, скребки та ковші на різальному диску збирають відходи буріння й завантажують їх на внутрішню стрічкову конвеєрну установку. Ця стрічка безперервно транспортує матеріал до задньої частини машини, де вона з’єднується зі зовнішньою конвеєрною системою або залізничними візками для транспортування породи, які доставляють матеріал на поверхню.

У тунелі, пробитому методом свердловинно-вибухових робіт, видалення породи вимагає окремих завантажувальних машин і транспортного обладнання для вивезення, які повинні мати безпосередній доступ до забою. Перед вибухом у забої мають бути виведені всі люди й обладнання, а після підтвердження безпечності умов транспортне обладнання знову має ввійти в забій. Ця послідовна логіка означає, що видалення породи не може початися раніше завершення вибухових робіт, а буріння не може відновитися, доки видалення породи не буде завершено. Тунельно-прохідницький комплекс (ТПК) об’єднує ці етапи в одночасні процеси — видобуток породи й транспортування породи відбуваються одночасно, в одному неперервному русі.

Цей інтегрований підхід також значно зменшує трудомісткість робіт. Екіпаж ТПК керує механізованим комплексом замість того, щоб координувати роботу кількох незалежних одиниць обладнання. На кожен метр прохідки потрібно менше працівників, а фізичні умови праці є більш контролюваними, що зменшує втрату часу через нещасні випадки або затримки, пов’язані з людською координацією.

Кріплення гірських порід без припинення видобутку

При проходці тунелів у твердих гірських породах за допомогою щитового ТБМ-комплексу кріплення гірських порід виконується в захищеній зоні безпосередньо позаду щита різального органу, тоді як вибірка порід триває на забої. Збірні бетонні сегментні кільця монтуються автоматичним монтажним механізмом у хвостовій частині комплексу, поки різальний орган рухається вперед. Ця паралельна робота є однією з найважливіших структурних переваг ТБМ-комплексу порівняно з методом свердловинно-вибухових робіт з точки зору скорочення термінів будівництва.

При проходці тунелів у твердих гірських породах методом свердловинно-вибухових робіт може знадобитися систематичне кріплення порід анкерами, укладання дротяної сітки та нанесення набризк-бетону після кожного вибухового циклу. Ці роботи виконують робітники за допомогою ручного або механізованого обладнання, проте їх неможливо проводити під час вибухів або доки вибухові гази залишаються в забої. ТБМ-комплекс ефективно усуває це обмеження, фізично розділяючи зону монтажу кріплення та активну зону різання завдяки власній довжині.

Результатом є те, що прохідницька машина TBM може підтримувати майже безперервний рух уперед навіть у скелястих умовах, які вимагали б щільної установки кріплення. Роботи з кріпленням не зменшують час проходження; вони виконуються паралельно, забезпечуючи, що цикловий час машини відображає швидкість проходження, а не загальний графік проходження й кріплення.

Відповідність умовам скелястого середовища та передбачуваність продуктивності

Чому тверді породи сприяють ефективності роботи машини TBM

Існує поширена думка, що твердіші породи створюють більші труднощі для машини TBM, проте цей взаємозв’язок є складнішим. Стійкі тверді породи — тобто породи, що характеризуються високою міцністю, суцільністю та вільними від великих розломів — насправді забезпечують ідеальні умови для досягнення машинами TBM найвищих швидкостей проходження. Однорідність масиву порід дозволяє різальним інструментам працювати за майже оптимальними параметрами без раптових змін навантаження, спричинених порожнинами, включеннями глини або непередбачуваними системами тріщин.

Буріння та вибухові роботи, хоча й адаптовані до змінних грунтів, не забезпечують пропорційної переваги у швидкості у випадку твердіших порід. У твердіших породах потрібен більший час на буріння, вищі заряди вибухових речовин і часто більш ретельне відбивання породи після вибуху, що в цілому збільшує тривалість циклу. Продуктивність машини ТПМ краще масштабується зі зростанням міцності породи, оскільки твердіші й крихкіші породи ефективніше крошаться під навантаженням дискових різців. Проекти в граніті, базальті, кварциті та подібних породах постійно демонстрували темпи прохідки за допомогою машин ТПМ, які значно перевершують терміни, отримані методом буріння та вибухів.

Стабільність темпу прохідки на тривалих ділянках

Одна з найважливіших стратегічних переваг тунельно-прохідницької машини (TBM) у твердих породах — це передбачуваність її швидкості проходження. Планувальники проектів та спеціалісти з розробки графіків контрактів можуть з достатньою точністю прогнозувати продуктивність машини на основі даних про характеристики гірських порід, отриманих під час інженерно-геологічних вишукувань на місцевості. Ця передбачуваність має велике значення для управління контрактами, планування ресурсів, координації логістичних процесів та фінансування.

Терміни виконання робіт методом буріння й вибуху в твердих породах за своєю природою є значно більш змінними. Навіть одне неочікуване зустріч з розломом, ділянкою більш твердої абразивної породи або умовами нестабільного надбурення може суттєво затягнути графік реалізації проекту. Тунельно-прохідницька машина (TBM) також не застрахована від геологічних несподіванок, проте завдяки своїй механізованій природі дозволяє реагувати на них більш системно та контрольовано, а її системи збору даних можуть надавати інформацію в реальному часі про зміни геологічних умов перед забоєм.

Під час проходження довгих тунелів — зокрема тих, довжина яких перевищує три–п’ять кілометрів — накопичена перевага в швидкості машини ТБМ стає вирішальною. Витрати часу на мобілізацію та порівняно вищі капітальні витрати на машину розподіляються на загальну довжину прохідки, а стабільний щоденний прогрес більш ніж компенсує початкову різницю у витратах порівняно з методом свердловинно-вибухових робіт.

Робоча сила, безпека та інтеграція графіку

Зниження експозиції працівників небезпечним умовам

Перевага в швидкості машини ТБМ має не лише механічну природу — вона також зумовлена вилученням людей із найнебезпечніших етапів процесу прохідки тунелів. У тунелі, пройденому методом свердловинно-вибухових робіт, працівники повинні фізично підходити до вибухового забою повторно протягом кожного циклу: для буріння, заряджання, відбивання порід та встановлення кріплення. Кожне відвідування забою несе ризик, а будь-які інциденти, пов’язані з безпекою праці (навіть незначні), призводять до втрат часу, які накопичуються протягом тривалого проекту.

Машина TBM утримує більшість робітників у контрольованих середовищах всередині корпусу машини або в добре встановленій зоні позаду тягового обладнання. Автоматизовані системи різального диска та конвеєрів виконують найбільш небезпечні операції в безпосередній близькості до свіжої породи. Така філософія проектування зменшує частоту інцидентів, що безпосередньо забезпечує цілісність графіку. Проекти, які уникнули зупинок робіт через проблеми з безпекою, надійніше дотримуються прогнозованих темпів проходження, ніж ті, де регулярно виникають інциденти на забої.

Паралельний робочий процес та використання бригад

Проект із застосуванням ТБМ-машини дозволяє реалізовувати паралельні робочі процеси, які неможливо організувати при буровибухових роботах. Поки машина просувається вперед, екіпажі на поверхні або в тягловій частині можуть виконувати технічне обслуговування, поповнювати запаси матеріалів, доставляти тунельні сегменти та вирішувати логістичні завдання, не перериваючи процес прохідництва. Екіпаж машини структурований за спеціалізованими ролями — оператори, техніки з технічного обслуговування, оператори монтажу сегментів, обслуговуючі конвеєрів — і всі вони працюють одночасно, а не чекають завершення попереднього етапу в послідовному циклі.

Цей паралелізм є кратним посилювачем ефективності виконання графіку. У великих інфраструктурних проектах — таких як метротунелі, системи водопостачання або дорожні тунелі у гірських хребтах — здатність одночасно підтримувати кілька робочих потоків означає, що проект із застосуванням ТБМ-машини може відповідати стиснутим термінам, які фізично неможливо виконати за допомогою буровибухових методів.

Часті запитання

У якому типі твердих порід ТБМ-машина досягає найвищих швидкостей прохідництва?

Тунелепрохідницька машина (TBM) працює найкраще в монолітних масивах твердих гірських порід, таких як граніт, гнейс, базальт або кварцит, де порода є міцною, однорідною й порівняно вільною від значних розривів або глинистих розломів. Такі умови дозволяють дисковим різцям працювати за оптимальними параметрами осьового навантаження та обертання, забезпечуючи ефективне утворення стружки й стабільні умови на забої. Чим однорідніший масив гірської породи, тим надійніше TBM може підтримувати максимальні щоденні темпи прохідництва.

Чи завжди тунелепрохідницька машина (TBM) перевершує метод буріння й вибуху в твердих гірських породах?

Не в кожному сценарії. Для коротких тунелів, складних трас із частими змінами напрямку або проектів у умовах дуже неоднорідних гірських порід із численними розломами гнучкість методу підриву може забезпечити компенсуючі переваги. Однак для довгих прямих або плавно викривлених проходок крізь міцні гірські породи тунельно-прохідницька машина (ТПМ) майже завжди швидша, як тільки вона повністю введена в експлуатацію й організована логістична ланцюг. Критична довжина тунелю, при якій застосування ТПМ стає економічно та терміново вигідним, зазвичай становить близько одного–трьох кілометрів, залежно від специфіки проекту.

Як обслуговування різців впливає на швидкість роботи ТПМ у твердих гірських породах?

Знос дискових різців є однією з основних задач технічного обслуговування машини ТБМ у абразивних твердих породах. Зношені або пошкоджені різці потрібно замінювати, щоб підтримувати ефективність різання, а для цього необхідні планові зупинки машини на огляд і заміну різців. У високоабразивних породоутвореннях, таких як кварцит, темпи споживання різців можуть бути високими, а інтервали технічного обслуговування — частими. Однак сучасні конструкції машин ТБМ передбачають швидкі процедури заміни різців, а планові зупинки на технічне обслуговування значно коротші й передбачуваніші, ніж непланові затримки, що накопичуються при проходженні вибуховим способом на таку саму відстань.

Які проектні дані слід підготувати до вибору машини ТБМ для проходження тунелів у твердих породах?

Дослідження майданчика має включати детальну характеристику гірської маси, зокрема межу міцності на одноосьове стиснення, межу міцності на розтяг у циліндричному зразку (випробування за методом Бразилії), індекс абразивності гірських порід, відстань між тріщинами та їх орієнтацію, умови підземних вод, а також наявність будь-яких великих розломів або зон зсуву. Ці дані безпосередньо використовуються при визначенні технічних характеристик машини прохідницького щита (TBM), зокрема потужності тиску головки різального механізму, типу та розстановки різців, конструкції щита та конфігурації допоміжної системи. Точні геотехнічні дані є найважливішим вхідним параметром для прогнозування того, чи забезпечить машина TBM очікувану перевагу у швидкості прохідництва на конкретному проекті.