Tunnelin porakone: miten se toimii, mitä tyyppejä on olemassa ja miksi sillä on merkitystä

Perusidea tunnelin porakoneen takana

Tunneliporauskone – jota yleisesti kutsutaan TBM:ksi – on suuri kaivulaite, joka poraa pyöreän tunnelin maan läpi yhdellä jatkuvalla toimenpiteellä leikkaaen kiveä tai maata pinnasta ja asentaa samalla rakenteellisen vuorauksen sen taakse. Konsepti on suoraviivainen, vaikka suunnittelu ei olisikaan: koneen etuosassa oleva pyörivä leikkuupää kaivaa materiaalia, kaivettu maaperä poistetaan koneen rungon läpi ja tunnelia tukevat betonielementit tai terässegmentit, jotka pystytetään koneen peräkilven sisään sen edetessä. Aseman toisessa päässä näkyy viimeistelty, vuorattu tunneli, joka on valmis sovitettavaksi.

TBM:iä käytetään metrolinjojen, rautatietunneleiden, tietunneleiden, vesihuoltotunneleiden, viemäritunneleiden, vesivoimatunneleiden ja käyttökäytävien rakentamiseen. Niitä on käytetty joissakin maailman haastavimmista ja ikonisimmista tunneliprojekteista – Englannin kanaalin alla sijaitsevassa kanaalitunnelissa, Sveitsin Alppien läpi kulkevassa Gotthardin perustunnelissa, Lontoon Thames Tideway -tunnelissa ja kymmenissä kaupunkien metrojärjestelmissä kaupungeissa Tokiosta Istanbuliin ja Sydneyyn. TBM:n vetovoima tavanomaiseen poraus- ja räjäytys- tai tienpään kaivamiseen verrattuna on sen yhdistelmä nopeutta, turvallisuutta, tarkkuutta ja kykyä kaivaa ja linjata tunneli samanaikaisesti altistamatta ympäröivää maaperää hallitsemattomalle romahtamiselle.

Moderni tunnelien porauskoneet ovat yksi monimutkaisimmista ja kalleimmista olemassa olevista rakennuskoneista. Suurimmat TBM:t ovat halkaisijaltaan yli 17 metriä ja maksavat yli 80 miljoonaa dollaria. Jopa vaatimattomat metrokokoiset koneet, joiden halkaisija on 6–9 metriä, edustavat 15–40 miljoonan dollarin investointeja ja vaativat kymmenien insinöörien, käyttäjien ja huoltoteknikkojen ryhmien jatkuvan ajon ympäri vuorokauden. Näiden koneiden toiminnan ymmärtäminen, miksi niitä on niin monta eri tyyppiä ja mikä ohjaa TBM-projektien suorituskykyä ja kustannuksia, on tärkeää kaikille, jotka ovat mukana suuressa maanalaisessa infrastruktuurissa.

Kuinka tunneliporauskone kaivaa ja etenee

TBM:n toimintasykli on toistuva, mutta tarkasti koreografoitu. Koneen edessä pyörii tunnelin pintaa vasten suuri pyöreä teräpää, joka on varustettu kaivettavaan maahan sopivilla leikkaustyökaluilla. Leikkuupäätä käyttää sarja sähkömoottoreita vaihteiston läpi tai suoralla hydraulisella käyttövoimalla, mikä tuottaa sekä materiaalin leikkaamiseen tarvittavan pyörimismomentin että työntövoiman, joka tarvitaan leikkaustyökalujen painamiseen kasvoja vasten. Työntövoima saadaan hydraulisylintereistä, jotka painavat koneen taakse asennettua viimeistä valmistunutta tunnelin vuoraussegmenttien rengasta.

Kun leikkuripää pyörii ja etenee, pistokkaat putoavat leikkuupään pinnassa olevien aukkojen kautta - joita kutsutaan mukka-aukoiksi tai kauhoiksi - leikkurin takana olevaan keräyskammioon. Sieltä pila kuljetetaan koneen rungon läpi hihnakuljettimien, ruuvikuljettimien tai lieteputkistojen avulla konetyypistä riippuen ja kuljetetaan tunneliportaaliin tai kuiluun työmaalta poistettavaksi. Samanaikaisesti leikkuupään takana olevassa rengasmaisessa tilassa segmentin pystytin – hännänsuojan sisällä toimiva robottikäsi – poimii pinnasta toimitetut betonielementtivuoraussegmentit ja rakentaa ne täydelliseksi renkaaksi. Kun täysi rengas on pystytetty, työntösylinterit etenevät työntyäkseen uutta rengasta vasten, ja sykli alkaa uudelleen.

Suotuisissa maaolosuhteissa hyvin toimiva TBM voi suorittaa useita renkaita vuoroa kohden, jolloin jokainen rengas edustaa tyypillisesti 1,2–2,0 metrin tunnelin etenemistä. Metron mittakaavan TBM-käyttöjen päivittäiset etenemisnopeudet vaihtelevat 8–20 metristä vuorokaudessa normaaleissa olosuhteissa. Poikkeuksellinen maasto- ja konesuorituskyky saavuttaa toisinaan 30 metriä tai enemmän 24 tunnin aikana. Useita kuukausia kestävän täyden ajon aikana nämä nopeudet kertyvät valmiin tunnelin kilometreiksi – tuottavuus, jota mikään perinteinen kaivumenetelmä ei pysty vastaamaan vastaavassa mittakaavassa.

Tunneliporauskoneiden päätyypit

Ei ole olemassa yhtä yleistä TBM-mallia. Kone on valittava ja konfiguroitava tiettyihin maaolosuhteisiin tunnelin linjauksen varrella, ja väärän konetyypin valinnan seuraukset vaihtelevat huonosta suorituskyvystä ja leikkurin liiallisesta kulumisesta katastrofaaliseen maan romahtamiseen tai tulvimiseen. TBM-tyyppien ensisijainen luokitus noudattaa kasvojen tukimenetelmää – kuinka kone hallitsee tunnelin pinnan vakautta kaivauksen aikana.

Open-Face Hard Rock TBM

Pätevässä itsekantavassa kalliossa – jossa maaperä on riittävän vahva seisomaan tukemattomana tunnelin pinnalla louhintasyklin ajan – avopintainen kova kivi TBM on vakiovalinta. Nämä koneet, joita kutsutaan myös tarttujan TBM:iksi tai kaukopalkkien TBM:iksi, käyttävät suuria hydraulisia tarttujat, jotka ulottuvat sivusuunnassa koneen rungosta ja puristavat tunnelin seiniä vasten työntösylintereille. Leikkuupäässä on kiekkojyrsimet – karkaistuja teräspyöriä, jotka pyörivät kallion pinnan poikki korkeiden pistekuormien alaisena, murtaen kiven halkeamia pitkin, jotka etenevät vierekkäisten leikkuriraitojen välillä ja rikkovat sen lastuiksi. Avopintaiset hard rock TBM:t voivat saavuttaa erittäin korkean tunkeutumisasteen vahvassa, pätevässä kivessä, ja ne ovat olleet vastuussa joistakin nopeimmista koskaan tallennetuista tunnelointiennätyksistä.

Avopintaisten tarttujan TBM:ien rajoituksena on niiden kyvyttömyys selviytyä heikosta tai puristuvasta maaperästä, murtuneista kivivyöhykkeistä, veden sisäänvirtauksista tai muista olosuhteista, joissa tunnelin seinät eivät pysty tarjoamaan luotettavaa tarttujareaktiota. Sekoitettuun maaperän tai vaihtelevan kiven laatuun – yleistä pitkissä alppitunneleissa – koneen on kyettävä asentamaan tilapäisiä maatukitoimenpiteitä, mukaan lukien kalliopultit, verkko ja ruiskubetoni porauksen ympärillä olevaan rengasmaiseen tilaan, samalla kun se jatkaa etenemistä, mikä hidastaa tuotantoa merkittävästi.

Maanpainetasapainon TBM:t

Maanpainetasapainon TBM (EPB TBM) on hallitseva konetyyppi pehmeän maan tunnelointiin kaupunkiympäristöissä. EPB TBM:n ominaispiirre on välittömästi leikkurin takana oleva painelaipio, joka luo tiiviin kaivukammion. Kaivettu maaperä täyttää tämän kammion, ja hoitoaineita - vettä, vaahtoa, polymeeriä tai bentoniittia - ruiskutetaan leikkurin aukkojen kautta, jotta maa muuttuu pehmitetyksi, puolijuoksuiseksi massaksi, jolla on oikea konsistenssi painetta siirtämään. Kaivauskammion painetta ohjataan aktiivisesti vastaamaan yhdistettyä maan ja pohjaveden painetta tunnelin pinnalla, mikä estää maaperän tai veden sisäänvirtauksen ja minimoi pinnan laskeutumisen.

Muste poistetaan paineistetusta louhintakammiosta Archimedean ruuvikuljettimella – pyörivällä kierteellä suljetun putken sisällä –, joka toimii painelukona mahdollistaen materiaalin purkamisen ilmakehän paineessa koneen ilmakehän puolelta säilyttäen samalla vaaditun pintapaineen kammiossa. EPB TBM:t ovat tehokkaita monenlaisissa pehmeissä maaperätyypeissä, mukaan lukien savet, liete, hiekka ja sora, ja ne ovat yleisimmin määritelty kone metro- ja kaupunkirautatietunneleissa maailmanlaajuisesti. Niiden kyky hallita maan liikettä tekee niistä välttämättömiä tiheissä kaupunkiympäristöissä, joissa tunnelin yläpuolella oleva asutus on pidettävä millimetreissä rakennusten ja infrastruktuurin suojelemiseksi.

Slurry Shield TBM:t

Slurry kilpi TBM:t tukevat tunnelin pintaa käyttämällä paineistettua bentoniittilietettä itse louhitun maan sijaan. Leikkuupään takana oleva louhintakammio täytetään paineen alaisena lietteellä, ja liete samanaikaisesti stabiloi pintaa ja kuljettaa pistokkaat suspensiona lieteputkilinjaa pitkin takaisin pintaerotuslaitokseen. Erotuslaitoksella pistokkaat uutetaan seuloilla, hydrosykloneilla ja sentrifugeilla, ja puhdistettu liete kunnostetaan ja pumpataan takaisin tunnelin pinnalle suljetussa kierrossa. Slurry shield TBM:t loistavat kylläisellä rakeisella maaperällä – juoksevalla hiekalla, soralla ja pohjaveden alapuolella olevalla sekamaalla – missä EPB:n kasvopaineen hallinta on vaikeaa ja missä puhalluksen tai hallitsemattoman sisäänvirtauksen riski on suurin. Ne ovat myös suositeltu konetyyppi tunneloitaessa jokien, satamien tai muiden vesistöjen alla, joissa kasvojen epävakauden seuraukset ovat vakavia.

Slurry TBM:ien ensisijainen haitta EPB-koneisiin verrattuna on lietepiirin ja erotuslaitoksen monimutkaisuus ja tilantarve. Pintalaitoksen pinta-ala on merkittävä, liete vaatii jatkuvaa hoitoa ja kiinteistöjen säätöä ja jätetuotteena syntyvä suodatinpuristettu lietekakku on hävitettävä hoidettuna materiaalina. Ahtaissa kaupunkikohteissa, joissa pinta-ala on rajallinen, tämä logistinen lisätarve voi olla merkittävä tekijä koneiden valinnassa.

Mix Shield ja Cabriolet TBM

Pitkät tunnelilinjaukset kulkevat usein useiden erityyppisten maaperätyyppien läpi – kalliot syvyydessä, siirtyvät sekoitettuun maaperään, sitten pehmeä kaupunkimaaperä lähempänä portaalia. Jotta nämä siirtymät voidaan käsitellä ilman koneen noutoa ja vaihtamista, valmistajat tarjoavat sekavaippaisia ​​TBM:itä ja muunnettavia TBM:itä, jotka voivat toimia sekä EPB- että slurry-moodissa tai jotka sisältävät sekä kovan kiven että pehmeän maan suunnittelun elementtejä. Cabriolet koneet ovat kalliimpia hankkia ja monimutkaisempia käyttää ja huoltaa, mutta projekteissa, joissa maaperän vaihtelu on suuri ja koneen noutokustannukset olisivat kohtuuttomat, ne ovat ainoa käytännöllinen vaihtoehto.

TBM-leikkuupään suunnittelu- ja leikkaustyökalut

Teräpää on minkä tahansa tunnelin porakoneen kriittisin ja kuluttavin komponentti. Sen rakenne – halkaisija, pinojen kokoonpano, avautumissuhde, leikkurityökalun tyyppi ja asettelu – määrittää, kuinka tehokkaasti kone kaivaa maata, kuinka nopeasti työkalut kuluvat ja kuinka usein tarvitaan toimenpiteitä kuluneiden terien vaihtamiseksi. Projektin tiettyyn geologiaan sopivan leikkuupään suunnittelulla on suora ja mitattavissa oleva vaikutus projektin etenemisnopeuteen, työkalukustannuksiin ja kokonaisaikatauluun.

Levyleikkurit rockille

Kovassa kivessä ensisijainen leikkaustyökalu on kiekkoleikkuri – karkaistu teräsrengas, joka on asennettu laakerikokoonpanoon, joka pyörii kallion pinnan poikki TBM:n työntövoiman aiheuttamien korkeiden pistekuormien alla. Kun teräpää pyörii, jokainen kiekkojyrsin piirtää kallion pintaan pyöreän uran. Vierekkäisten uraraitojen välinen jännityskenttä saa kiven murtumaan ja lohkeamaan lastuiksi - prosessia, jota kutsutaan lohkeamiseksi tai kraatteriksi -, jotka leikkuupään kauhat pyyhkäisevät mukan aukkoihin. Levyleikkurin halkaisija on kasvanut vuosikymmenten kehityksen aikana; nykyaikaiset leikkurit ovat tyypillisesti halkaisijaltaan 432 mm (17 tuumaa) tai 483 mm (19 tuumaa) ja ne kestävät yksittäisiä 250–320 kN:n kuormia. Leikkurin kulumisnopeus riippuu kiven hankaavuudesta – mitattuna Cerchar Abrasivity Indexin avulla – ja se on yksi hallitsevista kustannustekijöistä kovan kiven TBM-projekteissa. Leikkurin vaihtaminen erittäin hankaavassa kivessä vaatii joskus toimenpiteitä 50–100 metrin välein.

Pehmeät leikkaustyökalut

Pehmeässä maassa lautasleikkurit korvataan tai niitä täydennetään vetoterillä, kaavintyökaluilla ja repijillä, jotka leikkaavat ja raapuvat maaperää sen sijaan, että murtavat sitä pistekuormituksen avulla. Pehmeälle maaperälle tarkoitettu leikkuupään muotoilu priorisoi kaivetun materiaalin sekoittamista ja käsittelyä yhtä paljon kuin leikkaamista – pinnakuvioiset päät, joissa on suuret lika-aukot, mahdollistavat maaperän vapaan virtauksen kaivukammioon, kun taas kasvojen poikki jaetut ruiskutusaukot kuljettavat hoitoaineet suoraan leikkauskohtaan. Sekamaassa, jossa mukulakiviä, lohkareita tai kivinauhoja voi kohdata pehmeän maaperän rinnalla, jyrsinpäässä on oltava sekä maaperän vetokärjet että kovan materiaalin lautasleikkurit, mikä yhdistelmä vaatii huolellista työkaluväliä ja sijoittelua toimiakseen tehokkaasti kaikilla maaperätyypeillä.

Tunnelin vuorausjärjestelmät, joita käytetään TBM:ien kanssa

TBM:n taakse asennettu tunnelin vuoraus palvelee useita toimintoja samanaikaisesti: se tarjoaa välitöntä rakenteellista tukea maan liikkeen estämiseksi, muodostaa tunnelin pysyvän rakenteellisen vaipan, jonka tulee kantaa maaperän kuormitusta, vedenpainetta ja käyttökuormia koko infrastruktuurin suunnittelun ajan, ja paineistetuissa TBM:issä se tarjoaa reaktiopinnan, jota vasten työntökoneen sylinterit työntyvät eteenpäin. Vuorausjärjestelmän suunnittelu ja laatu ovat siksi erottamattomia itse TBM-toiminnan suorituskyvystä.

Hallitseva vuorausjärjestelmä kilpi TBM:ille pehmeässä maassa on betonielementti segmentoitu vuoraus. Jokainen vuorausrengas on koottu joukosta kaarevia betonielementtejä – tyypillisesti viidestä kahdeksaan segmenttiä sekä pienempi sulkuavaimen segmentti –, jotka on pultattu tai yhdistetty toisiinsa ja vierekkäisiin renkaisiin jatkuvan sylinterimäisen kuoren muodostamiseksi. Segmenttien mitat ovat tarkasti hallittuja: halkaisijatoleranssit ±1mm ja paksuusvaihtelut ±2mm ovat tyypillisiä laatuvaatimuksia, koska segmenttien tulee sopia täydellisesti yhteen pystytettävän renkaan monimutkaisen kolmiulotteisen geometrian alla. Segmenttien ulkopinnan ja kaivetun maaprofiilin välisen rengasmaisen tyhjiön injektointi suoritetaan segmenttien päissä välittömästi TBM:n peräsuolen takana olevien laastiporttien kautta käyttämällä kaksikomponenttista laastia, joka kovettuu nopeasti estääkseen maan liikkumisen tyhjiöön ennen kuin ensisijainen laasti kovettuu.

Pätevässä maaperässä oleville koville kiviaineksille vuorattu tai osittain vuorattu tunneli voidaan joskus hyväksyä vesitunneleissa ja muussa ei-julkisessa infrastruktuurissa, jolloin kallio itse tarjoaa ensisijaisen rakenteellisen tuen. Yleisemmin paikoilleen valettu betonivuoraus tai yksinkertaistettu elementtielementtivuoraus asennetaan toisena kierroksena TBM:n ohituksen jälkeen, mikä vähentää välitöntä aikataulupainetta samanaikaisen vuorauksen pystyttämisessä ajon aikana.

TBM:n suorituskykymittarit, joita projektitiimit seuraavat

TBM-projektin suorituskykyä seurataan joukon toimintamittareita, jotka paljastavat kuinka tehokkaasti kone leikkaa, kuinka paljon aikaa menetetään ei-tuottaviin toimintoihin ja ovatko koneen ja maaperän olosuhteet odotettujen parametrien sisällä. Koneen tiedonkeruujärjestelmä tallentaa näitä mittareita jatkuvasti ja projektitiimi tarkistaa ne vuorotellen.

Käyttöaste ansaitsee erityistä huomiota, koska se on mittari, jota projektiryhmällä on suorin määräysvalta. TBM, jonka tunkeutumisnopeus on 6 mm/kierros 40 %:n käyttöasteella, etenee hitaammin kuin kone, jonka tunkeutumisnopeus on 4 mm/kierros ja joka toimii 70 %:n käyttöasteella. Käyttöä vähentävää tylsää aikaa kuluttavat segmenttien pystytys, leikkurien tarkastukset ja vaihdot, perätiivisteiden huolto, koetinporaukset kasvojen edessä, logistiikkaviiveet sekä suunniteltu ja suunnittelematon huolto. Järjestelmällinen analyysi siitä, missä seisokkeja esiintyy – ja kohdennettuja toimia suurimpien osallistujien vähentämiseksi – on yksi TBM-projektinhallintatiimin käytettävissä olevista toiminnoista, joilla on suurin vipuvaikutus.

Maatutkimukset, jotka antavat tietoa TBM:n valinnasta ja suunnittelusta

TBM-projektin onnistuminen määräytyy suurelta osin ennen kuin kone koskaan pääsee maahan – geoteknisen tutkimusohjelman laadusta ja perusteellisuudesta, joka kuvaa maaperän olosuhteita linjauksen varrella. TBM:t ovat mittatilaustyönä valmistettuja laitteita, jotka on valmistettu tiettyjen geologisten parametrien mukaan; kun ne on rakennettu ja otettu käyttöön, niitä ei voida suunnitella perusteellisesti uudelleen, jos maaperä osoittautuu erilaiseksi kuin oletettiin. Puutteellisen maaperätutkimuksen seuraukset TBM-projektissa – jumittuneet koneet, odottamattomat veden sisäänvirtaukset, kova leikkureiden kuluminen, pinnan painumat tai ajokoneen täydellinen hylkääminen – mitataan kymmenien tai satojen miljoonien dollarien lisäkustannuksina ja vuosien aikatauluviiveinä.

• Reiän etäisyys ja syvyys: Tutkimusreiät TBM-linjauksen varrella tulisi tyypillisesti sijoittaa 50–100 metrin välein, ja kriittisissä paikoissa, kuten laukaisu- ja vastaanottokuiluissa, jokien risteyksissä ja tunnetun geologisesti monimutkaisilla alueilla, on oltava pienempiä. Porareikien on ulotuttava vähintään kolmelle tunnelin halkaisijalle tunnelin käänteen alapuolelle, jotta ne kuvaavat kaivauksen koko vaikutusaluetta.
• Kiven lujuuden ja hankauskyvyn testaus: Kovan kiven TBM-projekteissa laboratoriotestien tulisi sisältää yksiakselinen puristuslujuus (UCS), brasilialainen vetolujuus, pistekuormitusindeksi, Cerchar Abrasivity Index (CAI) ja petrografinen ohutleikkausanalyysi edustavista ydinnäytteistä kustakin litologisesta yksiköstä linjauksen varrella. Nämä parametrit kertovat suoraan kiekkoleikkurin spesifikaatioista, teräpään työntövoimavaatimuksista ja leikkurin vaihtokustannusennusteista.
• Pohjaveden luonnehdinta: Linjauksen varrelle asennetut pietsometriset tarkkailureiät, joissa lukemat otetaan koko kausisykliltä, jos aika sallii, muodostavat pohjavesijärjestelmän, jossa TBM:n on toimittava. Arteesiset olosuhteet, pohjavedet ja korkean läpäisevyyden vyöhykkeet, jotka voivat ylläpitää suuria virtauksia tunneliin, on tunnistettava ja suunniteltava koneen suunnittelun ja injektointistrategian kehittämisen aikana.
• Maaperän luokitus ja hiukkaskokojakauma: Pehmeäpohjaisissa TBM-projekteissa maanäytteiden yksityiskohtainen hiukkaskokoanalyysi linjauksesta on olennainen EPB-käsittelyn suunnittelussa ja lietepiirin määrittelyssä. Sora- tai mukulakivifraktioiden esiintyminen tiettyjen prosenttiosuuksien yläpuolella voi tehdä EPB:n toiminnan ongelmalliseksi ja saattaa viitata lietekilpiin sopivampana konetyyppinä.
• Tukos- ja kontaminaatiotutkimukset: Kaupunkilinjauksissa olemassa olevien maanalaisten esteiden – käytöstä poistettujen paalujen, vanhojen muurattujen rakenteiden, haudatun infrastruktuurin, saastuneen maaperän – kattava etsintä on suoritettava ennen konehankintaa, jotta leikkurin pää voidaan suunnitella sopivalla lohkareiden murtamis- tai esteenkäsittelykyvyllä.

TBM-projektien suuret riskit ja niiden hallinta

TBM-tunnelointi on yksi teknisesti monimutkaisimmista ja riskiintensiivisimmista toiminnoista rakennusteollisuudessa. Suurten investointien, maanalaisten työolosuhteiden, geologisen epävarmuuden ja fyysisen mahdottomuuden muuttaa perustavanlaatuisia laitepäätöksiä ajon alettua yhdistelmä luo riskiympäristön, joka vaatii jäsenneltyä riskienhallintaa projektin varhaisimmista kehitysvaiheista lähtien.

Kasvojen epävakaus ja sovinto

Pehmeän maan tunneloinnissa kasvojen paineenhallinnan menetys on yksi vakavimmista riskeistä. Jos paine EPB:n tai liete-TBM:n louhintakammiossa putoaa maan ja pohjaveden yhdistetyn paineen alapuolelle - edes hetkellisesti - maa voi virrata koneen sisään, jolloin yläpinnalle syntyy vajoa tai laskeuma. Kaupunkiympäristöissä, joissa tunneli kulkee asuttujen rakennusten, vilkkaiden rautateiden tai vilkkaiden teiden risteyksien alta, vaatimatonkin 20–30 mm:n asutustapahtuma voi aiheuttaa rakenteellisia vaurioita ja häiriöitä, jotka maksavat moninkertaisen tunnelinrakennusurakan arvon. Kasvojen paineen valvonta ja ohjaus on siksi jatkuvaa ja kriittistä, ja siinä on automaattiset hälytykset ja käyttäjän interventioprotokollat, jos poikkeamat ylittävät asetettuja rajoja. Pinnan painuman valvontajärjestelmä – tyypillisesti optiset mittausprismat, tarkat vaaitusmittauspisteet ja automaattiset kallistusmittarit herkissä rakenteissa – tarjoavat riippumattoman vahvistuksen siitä, että TBM:n pintapaineen hallinta saavuttaa vaaditun painumasuorituskyvyn.

TBM jumissa

TBM, joka juuttuu liikkumattomasti maahan – johtuen maan puristumisesta kilven ympärillä, voitelun katoamisesta, leikkurin tukkeutumisesta tai suuresta tukkeutumisesta – on yksi maanalaisen rakentamisen kalleimmista skenaarioista. Talteenottotoimenpiteet voivat sisältää tunnelin paineenpoiston, pelastuskuilun rakentamisen suoraan koneen yläpuolelle, kaivutyöt suojan ympärille maanpaineen lievittämiseksi ja mahdollisesti koneen tärkeimpien osien purkamisen ja kokoamisen maan alla. Tällaiset toiminnot ovat kestäneet kuukausia ja maksaneet kymmeniä miljoonia dollareita korkean profiilin projekteissa. Ennaltaehkäisy on selkeästi parempi: suojan kitkavoimien jatkuva seuranta, ennakoiva voitelun hallinta, koneen kasvojen kartoitus koetinporauksen avulla ja asiakkaan ja vakuutuksenantajan kanssa sovittu harjoiteltu koneen valmiussuunnitelma ennen ajon alkamista ovat kaikki standardinmukaisia ​​riskinhallintatoimenpiteitä hyvin suoritetuissa TBM-projekteissa.

Odottamaton veden virtaus

Suuret veden sisäänvirtaukset - vaurioista, karstista, läpäisevistä soralinsseistä tai odottamattoman korkeista pietsometrisista nostoista - voivat ylittää TBM:n ja sen varajärjestelmien tyhjennyskapasiteetin, tulvii tunnelin ja pahimmassa tapauksessa vaarantaa työntekijät. Järjestelmällinen koetinporaus TBM-pinnan edessä – tyypillisesti 30–50 metrin etäisyydelle eteenpäin käyttämällä isku- tai pyöriviä poralaitteita, jotka on asennettu leikkuupäähän tai koneen sisään – varoittaa varhaisessa vaiheessa vettä kantavista ominaisuuksista. Esilouhinta injektointi tunnelin sisältä tai linjauksen yläpuolella olevasta pinnasta voi tiivistää läpäisevät vyöhykkeet ennen kuin leikkuripää leikkaa ne. Erityisen vesiherkässä maaperässä oleville tunneleille TBM voidaan määrittää ylipaineisella interventiokyvyllä – kyky paineistaa työkammiota pohjaveden paineen tasapainottamiseksi, jolloin paineilmassa olevat työntekijät pääsevät kaivukammioon leikkurin vaihtoa ja kasvojen tarkastusta varten.

Miten TBM-tekniikka on kehittynyt ja mihin se on menossa

Tunnelin porakonetta on kehitetty jatkuvasti ensimmäisestä onnistuneesta modernista TBM:stä lähtien – James Robbins kehitti Oahe Dam -tunneliprojektia varten Etelä-Dakotassa 1950-luvun alussa. Jokainen vuosikymmen on tuonut edistystä teräpään suunnittelussa, leikkuupään käyttöjärjestelmissä, segmenttien asennustekniikassa, ohjauksen tarkkuudessa ja koneen luotettavuudessa, mikä on asteittain laajentanut maaolosuhteiden ja projektimittakaavojen valikoimaa, joissa TBM:t ovat suosituin kaivumenetelmä.

TBM-tekniikan tämänhetkisiä kehityskohteita ovat reaaliaikainen maan karakterisointi teräpäähän upotetuilla antureilla – mittaamalla tärinää, vääntömomentin jakautumista ja akustisia allekirjoituksia, joiden avulla voidaan tunnistaa muutokset kivilajissa tai maaperän koostumuksessa ennen kuin ne aiheuttavat toimintaongelmia. Koneoppimisalgoritmeja sovelletaan nykyaikaisten TBM-ohjausjärjestelmien luomiin suuriin tietokokonaisuuksiin, jotta voidaan ennustaa leikkureiden kulumisnopeutta, optimoida tunkeutumisnopeus kasvojen painetta vastaan ​​ja ajoittaa huoltotoimenpiteet ennen vikojen ilmenemistä sen sijaan, että ne vastaisivat niihin. Segmenttien käsittelyn ja pystyttämisen automatisointi – yksi aikaa vievistä ja fyysisesti vaativimmista tunnelointisyklin osista – edistyy nopeasti, ja joissakin nykyaikaisissa koneissa on täysin automatisoituja pystytyslaitteita, jotka pystyvät paikantamaan ja pultata segmenttejä minimaalisella ihmisen osallistumisella.

TBM-kehityksen rajalla tutkijat ja koneenvalmistajat tutkivat monimuotoisia koneita, jotka pystyvät poraamaan samanaikaisesti kallioon ja pehmeään maahan ilman uudelleenkonfigurointia, ja tutkivat uusia leikkaustekniikoita – laseravusteista kiven murtumista, korkeapainevesisuihkuleikkausta – jotka voisivat lopulta täydentää tai korvata tavanomaisia ​​mekaanisia kiekkoleikkureita tietyissä kivilajeissa. Perushaaste pysyy samana kuin aina: maksimoida koneen leikkaamiseen käyttämä aika ja minimoida kaikki muu. Tällä pyrkimyksellä tunnelin porakone kehittyy edelleen yhtenä merkittävimmistä koskaan rakennetuista konepajakoneista.