เครื่องคว้านอุโมงค์: มันทำงานอย่างไร มีประเภทใดบ้าง และเหตุใดจึงมีความสำคัญ

แนวคิดพื้นฐานเบื้องหลังเครื่องเจาะอุโมงค์

เครื่องคว้านอุโมงค์ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า TBM คืออุปกรณ์ขุดเจาะชิ้นใหญ่ที่เจาะอุโมงค์ทรงกลมผ่านพื้นดินในการดำเนินการต่อเนื่องเพียงครั้งเดียว โดยตัดหินหรือดินที่หน้าในขณะเดียวกันก็ติดตั้งโครงสร้างบุด้านหลังไปพร้อมๆ กัน แนวคิดนี้ตรงไปตรงมาแม้ว่าจะไม่ใช่วิศวกรรมก็ตาม: หัวกัดแบบหมุนได้ที่ด้านหน้าของเครื่องจักรจะขุดวัสดุ เศษที่ขุดออกมาจะถูกกำจัดออกผ่านตัวเครื่อง และอุโมงค์นั้นรองรับด้วยคอนกรีตสำเร็จรูปหรือส่วนเหล็กที่สร้างขึ้นภายในแผงกั้นท้ายของเครื่องจักรในขณะที่เคลื่อนตัวไปข้างหน้า สิ่งที่ปรากฏที่ปลายอีกด้านของไดรฟ์คืออุโมงค์ที่ปูเสร็จเรียบร้อยและพร้อมสำหรับการติดตั้ง

TBM ใช้ในการสร้างเส้นทางรถไฟใต้ดิน อุโมงค์รถไฟ อุโมงค์ถนน อุโมงค์ส่งน้ำ อุโมงค์บำบัดน้ำเสีย อุโมงค์ทางเดินไฟฟ้าพลังน้ำ และทางเดินสาธารณูปโภค สิ่งเหล่านี้ได้ถูกนำมาใช้ในโครงการอุโมงค์ที่ท้าทายและโดดเด่นที่สุดในโลก เช่น อุโมงค์ Channel Tunnel ใต้ช่องแคบอังกฤษ อุโมงค์ Gotthard Base ที่ผ่านเทือกเขาแอลป์ของสวิส อุโมงค์ Thames Tideway ในลอนดอน และระบบรถไฟใต้ดินในเมืองหลายสิบแห่งในเมืองต่างๆ ตั้งแต่โตเกียว อิสตันบูล ไปจนถึงซิดนีย์ ความน่าสนใจของ TBM เหนือการเจาะและระเบิดหรือการขุดเจาะหัวถนนแบบเดิมๆ คือการผสมผสานระหว่างความเร็ว ความปลอดภัย ความแม่นยำ และความสามารถในการขุดและวางแนวอุโมงค์ไปพร้อมๆ กัน โดยไม่ทำให้พื้นที่โดยรอบพังทลายลงอย่างควบคุมไม่ได้

ทันสมัย เครื่องเจาะอุโมงค์ เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ก่อสร้างที่ซับซ้อนและมีราคาแพงที่สุดที่มีอยู่ TBM ที่ใหญ่ที่สุดมีเส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 17 เมตร และมีราคาสูงกว่า 80 ล้านดอลลาร์สหรัฐ แม้แต่เครื่องจักรขนาดเมโทรขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6-9 เมตรก็ต้องใช้เงินลงทุน 15–40 ล้านดอลลาร์ และต้องใช้ทีมวิศวกร เจ้าหน้าที่ปฏิบัติงาน และช่างเทคนิคบำรุงรักษาหลายสิบคนเพื่อทำงานอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของเครื่องจักรเหล่านี้ เหตุใดจึงมีหลายประเภท และสิ่งที่ขับเคลื่อนประสิทธิภาพและต้นทุนในโครงการ TBM ถือเป็นความรู้ที่จำเป็นสำหรับทุกคนที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างพื้นฐานใต้ดินที่สำคัญ

เครื่องเจาะอุโมงค์ขุดและก้าวหน้าได้อย่างไร

วงจรการทำงานของ TBM เป็นแบบซ้ำๆ แต่มีการออกแบบท่าเต้นที่แม่นยำ ที่ด้านหน้าของเครื่องจักร หัวตัดทรงกลมขนาดใหญ่ — ติดตั้งเครื่องมือตัดที่เหมาะสมกับพื้นที่กำลังขุด — หมุนไปตามหน้าอุโมงค์ หัวตัดถูกขับเคลื่อนด้วยชุดมอเตอร์ไฟฟ้าผ่านกระปุกเกียร์หรือโดยระบบขับเคลื่อนไฮดรอลิกโดยตรง ทำให้เกิดทั้งแรงบิดในการหมุนที่จำเป็นในการตัดวัสดุและแรงผลักดันที่จำเป็นในการกดเครื่องมือตัดเข้าที่หน้าตัด แรงผลักดันมาจากกระบอกไฮดรอลิกที่ดันเข้ากับวงแหวนสุดท้ายของส่วนบุอุโมงค์ที่ติดตั้งอยู่ด้านหลังเครื่องจักร

ขณะที่หัวตัดหมุนและเคลื่อนไปข้างหน้า การตัดจะตกลงผ่านช่องเปิดในหน้าหัวตัด ซึ่งเรียกว่าช่องเปิดหรือถังโคลน เข้าไปในห้องรวบรวมด้านหลังหัวตัด จากนั้น ของเสียจะถูกลำเลียงผ่านตัวเครื่องโดยชุดสายพานลำเลียง สกรูลำเลียง หรือท่อส่งของเหลว ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องจักร และขนส่งไปยังพอร์ทัลอุโมงค์หรือเพลาเพื่อนำออกจากไซต์งาน ในขณะเดียวกัน ในพื้นที่รูปวงแหวนด้านหลังหัวตัด เครื่องสร้างเซกเมนต์ ซึ่งเป็นแขนหุ่นยนต์ที่ทำงานอยู่ภายในกระบังส่วนท้าย จะหยิบส่วนบุคอนกรีตสำเร็จรูปที่ส่งมาจากพื้นผิวและสร้างเป็นวงแหวนที่สมบูรณ์ เมื่อสร้างวงแหวนเต็มแล้ว กระบอกสูบดันจะเคลื่อนไปข้างหน้าเพื่อดันวงแหวนใหม่ และวงจรจะเริ่มต้นอีกครั้ง

ในสภาพพื้นที่เอื้ออำนวย TBM ที่ดำเนินการอย่างดีสามารถสร้างวงแหวนได้หลายวงต่อกะ โดยแต่ละวงแหวนแสดงถึงความลึกของอุโมงค์โดยทั่วไป 1.2 ถึง 2.0 เมตร อัตราความก้าวหน้ารายวันของไดรฟ์ TBM ระดับเมืองใหญ่อยู่ระหว่าง 8 ถึง 20 เมตรต่อวันภายใต้สภาวะปกติ โดยประสิทธิภาพภาคพื้นดินและเครื่องจักรที่โดดเด่นในบางครั้งอาจสูงถึง 30 เมตรหรือมากกว่านั้นในระยะเวลา 24 ชั่วโมง ตลอดระยะเวลาขับรถนานหลายเดือน อัตราเหล่านี้จะสะสมเป็นกิโลเมตรของอุโมงค์ที่เสร็จสมบูรณ์ ซึ่งเป็นผลผลิตที่ไม่มีวิธีการขุดแบบเดิมๆ สามารถทำได้ในขนาดที่เท่ากัน

ประเภทหลักของเครื่องเจาะอุโมงค์

ไม่มีการออกแบบ TBM สากลเดียว ต้องเลือกและกำหนดค่าเครื่องจักรสำหรับสภาพพื้นดินเฉพาะตลอดแนวอุโมงค์ และผลที่ตามมาของการเลือกประเภทเครื่องจักรที่ไม่ถูกต้อง มีตั้งแต่ประสิทธิภาพต่ำและการสึกหรอของเครื่องตัดมากเกินไป ไปจนถึงภัยพิบัติที่พื้นถล่มหรือน้ำท่วม การจำแนกประเภทหลักของประเภท TBM เป็นไปตามวิธีการรองรับใบหน้า ซึ่งหมายถึงวิธีที่เครื่องจักรจัดการความมั่นคงของหน้าอุโมงค์ในระหว่างการขุด

TBM ฮาร์ดร็อคแบบเปิดหน้า

ในหินที่สามารถรองรับตัวเองได้ — โดยที่พื้นดินมีความแข็งแรงพอที่จะยืนโดยไม่มีการรองรับที่หน้าอุโมงค์ตลอดระยะเวลาของรอบการขุด — TBM ฮาร์ดร็อคแบบเปิดหน้าคือตัวเลือกมาตรฐาน เครื่องจักรเหล่านี้หรือที่เรียกว่ากริปเปอร์ TBM หรือ TBM ลำแสงหลัก ใช้มือจับไฮดรอลิกขนาดใหญ่ที่ขยายออกไปทางด้านข้างจากตัวเครื่องและกดเข้ากับผนังอุโมงค์เพื่อสร้างแรงปฏิกิริยาสำหรับกระบอกสูบแรงขับ หัวตัดจะติดตั้งด้วยเครื่องตัดแบบดิสก์ — ล้อเหล็กชุบแข็งที่กลิ้งไปบนหน้าหินภายใต้การรับแรงที่มีจุดสูง จะทำให้หินแตกร้าวไปตามรอยแตกที่แพร่กระจายระหว่างรางเครื่องตัดที่อยู่ติดกันและแตกออกเป็นชิ้น ๆ TBM ฮาร์ดร็อคแบบเปิดหน้าสามารถบรรลุอัตราการเจาะที่สูงมากในหินที่แข็งแกร่งและมีความสามารถ และมีหน้าที่รับผิดชอบในการทำสถิติการขุดอุโมงค์ที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยมีการบันทึกมา

ข้อจำกัดของ TBM มือจับแบบเปิดหน้าคือการไม่สามารถรับมือกับพื้นที่อ่อนแอหรือถูกบีบ บริเวณหินที่ร้าว น้ำไหลเข้า หรือสภาวะใดๆ ที่ผนังอุโมงค์ไม่สามารถให้ปฏิกิริยาของมือจับที่เชื่อถือได้ ในคุณภาพพื้นดินผสมหรือหินแปรผัน — ซึ่งพบได้ทั่วไปในอุโมงค์อัลไพน์ยาว — เครื่องจักรจะต้องสามารถติดตั้งมาตรการรองรับภาคพื้นดินชั่วคราว รวมถึงสลักหิน ตาข่าย และคอนกรีตช็อตครีตในพื้นที่วงแหวนรอบๆ หลุมเจาะในขณะที่เดินหน้าต่อไป ซึ่งจะทำให้การผลิตช้าลงอย่างมาก

TBM สมดุลแรงดันดิน

TBM สมดุลแรงดันดิน (EPB TBM) เป็นเครื่องจักรประเภทที่โดดเด่นสำหรับการขุดอุโมงค์ดินอ่อนในสภาพแวดล้อมในเมือง คุณลักษณะที่กำหนดของ EPB TBM คือแผงกั้นแรงดันที่อยู่ด้านหลังหัวตัดซึ่งสร้างห้องขุดแบบปิดผนึก ดินที่ขุดขึ้นมาจะเต็มห้องนี้ และสารปรับสภาพ เช่น น้ำ โฟม โพลีเมอร์ หรือเบนโทไนต์ จะถูกฉีดผ่านช่องต่างๆ ในหัวตัดเพื่อแปลงดินให้เป็นมวลกึ่งของเหลวที่เป็นพลาสติกโดยมีความสม่ำเสมอที่เหมาะสมในการส่งผ่านแรงดัน ความดันในห้องขุดได้รับการควบคุมอย่างแข็งขันเพื่อให้ตรงกับแรงดันดินและน้ำใต้ดินที่หน้าอุโมงค์ ช่วยป้องกันการไหลของดินหรือน้ำ และลดการทรุดตัวของพื้นผิว

ของเสียจะถูกสกัดออกจากห้องขุดด้วยแรงดันโดยใช้สกรูลำเลียง Archimedean ซึ่งเป็นเกลียวหมุนภายในท่อปิดผนึก ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวล็อคแรงดัน ช่วยให้วัสดุถูกระบายออกที่ความดันบรรยากาศที่ด้านบรรยากาศของเครื่อง ในขณะที่ยังคงรักษาแรงกดหน้าที่ต้องการในห้องไว้ EPB TBM มีประสิทธิภาพกับพื้นผิวอ่อนหลายประเภท รวมถึงดินเหนียว ตะกอน ทราย และกรวด และเป็นเครื่องจักรที่ระบุโดยทั่วไปมากที่สุดสำหรับอุโมงค์รถไฟใต้ดินและรถไฟในเมืองทั่วโลก ความสามารถในการควบคุมการเคลื่อนที่ของภาคพื้นดินทำให้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในสภาพแวดล้อมในเมืองที่หนาแน่น ซึ่งการตั้งถิ่นฐานเหนืออุโมงค์จะต้องอยู่ในระยะมิลลิเมตรเพื่อปกป้องอาคารและโครงสร้างพื้นฐาน

Slurry Shield TBM

TBM โล่สารละลายจะรองรับหน้าอุโมงค์โดยใช้สารละลายเบนโทไนต์ที่มีแรงดัน แทนที่จะใช้ดินที่ขุดขึ้นมาเอง ห้องขุดด้านหลังหัวตัดจะเต็มไปด้วยสารละลายภายใต้ความกดดัน และสารละลายจะทำให้พื้นผิวมีความเสถียรและลำเลียงการตัดที่แขวนลอยกลับผ่านท่อสารละลายไปยังโรงแยกพื้นผิว ที่โรงงานแยก กิ่งตัดจะถูกสกัดโดยใช้ตะแกรง ไฮโดรไซโคลน และเครื่องหมุนเหวี่ยง และสารละลายที่ทำความสะอาดแล้วจะถูกปรับสภาพและปั๊มกลับไปที่หน้าอุโมงค์ในวงจรปิด TBM โล่กันโคลนทำงานได้ดีบนพื้นดินเม็ดละเอียด เช่น ทราย กรวด และดินผสมที่อยู่ต่ำกว่าระดับน้ำ โดยที่การควบคุมแรงดันที่หน้า EPB นั้นทำได้ยาก และที่ซึ่งมีความเสี่ยงสูงสุดที่จะเกิดการระเบิดหรือการไหลเข้าที่ไม่สามารถควบคุมได้ นอกจากนี้ยังเป็นประเภทเครื่องจักรที่ต้องการเมื่อทำการขุดอุโมงค์ใต้แม่น้ำ ท่าเรือ หรือแหล่งน้ำอื่นๆ ซึ่งผลที่ตามมาจากความไม่มั่นคงของพื้นผิวอย่างรุนแรง

ข้อเสียเปรียบหลักของ TBM ของสารละลายเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่อง EPB คือความซับซ้อนและความต้องการพื้นที่ของวงจรสารละลายและโรงแยก โรงงานพื้นผิวครอบครองพื้นที่สำคัญ สารละลายต้องมีการจัดการอย่างต่อเนื่องและการปรับคุณสมบัติ และเค้กสารละลายที่กดด้วยตัวกรองที่ผลิตเป็นของเสียจะต้องถูกกำจัดเป็นวัสดุที่ได้รับการจัดการ ในพื้นที่เขตเมืองที่มีข้อจำกัดซึ่งมีพื้นที่จำกัด ความต้องการด้านลอจิสติกส์เพิ่มเติมนี้อาจเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกเครื่องจักร

โล่ผสมและ TBM แบบเปิดประทุน

การวางแนวอุโมงค์ยาวมักจะผ่านพื้นดินหลายประเภท เช่น หินที่ระดับความลึก เปลี่ยนไปเป็นดินผสม จากนั้นจึงผ่านดินอ่อนในเมืองที่อยู่ใกล้กับพอร์ทัล ในการจัดการกับการเปลี่ยนผ่านเหล่านี้โดยไม่ต้องดึงและเปลี่ยนเครื่องจักร ผู้ผลิตจึงเสนอ TBM แบบโล่ผสมและ TBM แบบเปิดประทุนที่สามารถทำงานได้ทั้งในโหมด EPB และถนนลาดยาง หรือที่รวมองค์ประกอบของการออกแบบทั้งฮาร์ดร็อคและพื้นดินอ่อน เครื่องจักรแบบเปิดประทุนนั้นมีราคาแพงกว่าในการจัดหาและซับซ้อนกว่าในการใช้งานและบำรุงรักษา แต่สำหรับโครงการที่มีความแปรปรวนของพื้นดินสูงและค่าใช้จ่ายในการดึงเครื่องจักรกลับเป็นสิ่งที่ห้ามปราม เครื่องจักรเหล่านี้เป็นทางเลือกเดียวที่ใช้งานได้จริง

เครื่องมือออกแบบและตัดหัวคัตเตอร์ TBM

หัวกัดเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดและสึกหรอมากที่สุดของเครื่องคว้านอุโมงค์ การออกแบบ — เส้นผ่านศูนย์กลาง โครงร่างซี่ล้อ อัตราส่วนการเปิด ประเภทและโครงร่างของเครื่องมือคัตเตอร์ — จะเป็นตัวกำหนดว่าเครื่องจักรจะขุดดินได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด การสึกหรอของเครื่องมือเร็วแค่ไหน และความถี่ในการเปลี่ยนใบมีดที่สึกหรอ การได้รับการออกแบบหัวตัดให้เหมาะสมสำหรับธรณีวิทยาเฉพาะของโครงการมีผลกระทบโดยตรงและวัดผลได้ต่ออัตราความก้าวหน้าของโครงการ ต้นทุนเครื่องมือ และกำหนดการโดยรวม

เครื่องตัดแผ่นดิสก์สำหรับหิน

ในฮาร์ดร็อก เครื่องมือตัดหลักคือเครื่องตัดดิสก์ ซึ่งเป็นวงแหวนเหล็กชุบแข็งที่ติดตั้งอยู่บนชุดแบริ่งที่กลิ้งไปทั่วหน้าหินภายใต้การรับแรงที่มีจุดสูงซึ่งใช้โดยแรงผลักดันของ TBM ในขณะที่หัวกัดหมุน เครื่องตัดดิสก์แต่ละอันจะเขียนร่องวงกลมที่หน้าหิน สนามความเค้นระหว่างร่องที่อยู่ติดกันทำให้หินแตกและแตกออกเป็นชิ้นๆ — กระบวนการที่เรียกว่าการบิ่นหรือเป็นหลุม — ซึ่งถูกกวาดเข้าไปในช่องเปิดของโคลนด้วยถังที่มีหัวตัด เส้นผ่านศูนย์กลางของเครื่องตัดดิสก์เพิ่มขึ้นในช่วงหลายทศวรรษของการพัฒนา โดยทั่วไปแล้ว หัวกัดสมัยใหม่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 432 มม. (17 นิ้ว) หรือ 483 มม. (19 นิ้ว) สามารถรองรับแรงแต่ละอันได้ 250–320 kN อัตราการสึกหรอของคัตเตอร์ขึ้นอยู่กับการเสียดสีของหิน — วัดปริมาณโดยดัชนีการขัดถูของ Cerchar — และเป็นหนึ่งในตัวขับเคลื่อนต้นทุนที่โดดเด่นในโครงการ TBM แบบฮาร์ดร็อค โดยการเปลี่ยนคัตเตอร์ในหินที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงในบางครั้งจำเป็นต้องมีการแทรกแซงทุกๆ 50–100 เมตรล่วงหน้า

เครื่องมือตัดกราวด์แบบอ่อน

ในพื้นดินอ่อน เครื่องตัดแผ่นดิสก์จะถูกแทนที่ด้วยหรือเสริมด้วยดอกลาก เครื่องมือขูด และริปเปอร์ที่ตัดและขูดดินแทนที่จะทำให้แตกหักด้วยการโหลดแบบจุด การออกแบบหัวตัดสำหรับพื้นดินอ่อนให้ความสำคัญกับการผสมและการปรับสภาพของวัสดุที่ขุดมากเท่ากับการตัด หัวแบบซี่ลวดที่มีช่องเปิดที่เป็นโคลนขนาดใหญ่ช่วยให้ดินไหลได้อย่างอิสระเข้าไปในห้องขุด ในขณะที่ช่องฉีดที่กระจายไปทั่วใบหน้าจะส่งสารปรับสภาพไปยังจุดตัดโดยตรง ในพื้นดินผสมที่อาจพบหินกรวด ก้อนหิน หรือวงดนตรีหินควบคู่ไปกับดินอ่อน หัวตัดจะต้องถือทั้งดอกลากสำหรับดินและเครื่องตัดแบบจานสำหรับวัสดุแข็ง การรวมกันที่ต้องใช้ระยะห่างของเครื่องมือและการจัดวางเครื่องมืออย่างระมัดระวังเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพกับพื้นดินทุกประเภท

ระบบซับในอุโมงค์ที่ใช้กับ TBM

โครงสร้างภายในอุโมงค์ที่ติดตั้งด้านหลัง TBM ทำหน้าที่หลายอย่างพร้อมกัน: ให้การสนับสนุนโครงสร้างทันทีเพื่อป้องกันการเคลื่อนที่ของพื้นดิน สร้างโครงสร้างโครงสร้างถาวรของอุโมงค์ที่ต้องรับภาระของพื้นดิน แรงดันน้ำ และภาระการบริการตลอดอายุการออกแบบของโครงสร้างพื้นฐาน และใน TBM ที่มีแรงดัน ใบหน้านั้นจะสร้างพื้นผิวปฏิกิริยาที่กระบอกสูบดันผลักเพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรให้ก้าวหน้า การออกแบบและคุณภาพของระบบซับในจึงแยกไม่ออกจากประสิทธิภาพของการทำงานของ TBM เอง

ระบบการบุที่โดดเด่นสำหรับเกราะ TBM ในพื้นดินอ่อนคือการบุแบบแบ่งส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป วงแหวนซับในแต่ละอันประกอบจากชุดส่วนโค้งคอนกรีตสำเร็จรูป ซึ่งโดยปกติแล้วจะมีห้าถึงแปดส่วนบวกกับส่วนหลักปิดที่มีขนาดเล็กกว่า ซึ่งยึดด้วยสลักเกลียวหรือเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน และติดกับวงแหวนที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างเปลือกทรงกระบอกที่ต่อเนื่องกัน ขนาดเซ็กเมนต์ได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำ: ความคลาดเคลื่อนของเส้นผ่านศูนย์กลาง ±1 มม. และความแปรผันของความหนา ±2 มม. เป็นข้อกำหนดด้านคุณภาพโดยทั่วไป เนื่องจากเซ็กเมนต์ต่างๆ จะต้องประกอบเข้าด้วยกันอย่างลงตัวภายใต้รูปทรงเรขาคณิตสามมิติที่ซับซ้อนของวงแหวนที่สร้างขึ้น การยาแนวช่องว่างรูปวงแหวนระหว่างพื้นผิวด้านนอกของส่วนต่างๆ และโปรไฟล์พื้นดินที่ขุดจะดำเนินการผ่านช่องยาแนวในส่วนท้ายของส่วนที่อยู่ด้านหลังแผงป้องกันหาง TBM โดยใช้ยาแนวสององค์ประกอบที่ตั้งค่าอย่างรวดเร็วเพื่อป้องกันการเคลื่อนที่ของพื้นดินเข้าไปในช่องว่างก่อนการบ่มยาแนวหลัก

สำหรับฮาร์ดร็อค TBM ในพื้นที่ที่มีความสามารถ บางครั้งอุโมงค์แบบไม่มีเส้นหรือแบบมีเส้นบางส่วนอาจยอมรับได้สำหรับอุโมงค์น้ำและโครงสร้างพื้นฐานที่ไม่ใช่แบบสาธารณะอื่นๆ โดยมีหินเป็นตัวรองรับโครงสร้างหลัก โดยทั่วไปแล้ว การบุคอนกรีตแบบหล่อเข้าที่หรือการบุแบบแบ่งส่วนแบบพรีคาสท์แบบเรียบง่ายได้รับการติดตั้งเป็นการดำเนินการผ่านครั้งที่สองหลังจากที่ TBM ผ่านไปแล้ว ซึ่งจะช่วยลดแรงกดดันตามกำหนดการทันทีของการสร้างการบุผนังพร้อมกันระหว่างการขับเคลื่อน

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของ TBM ที่ทีมโครงการติดตาม

ประสิทธิภาพโครงการ TBM ได้รับการตรวจสอบผ่านชุดตัวชี้วัดการปฏิบัติงานที่แสดงให้เห็นว่าเครื่องตัดมีประสิทธิภาพเพียงใด เวลาที่สูญเสียไปกับกิจกรรมที่ไม่ก่อให้เกิดประสิทธิผล และสภาพของเครื่องจักรและพื้นดินอยู่ภายในพารามิเตอร์ที่คาดหวังหรือไม่ หน่วยวัดเหล่านี้ได้รับการบันทึกอย่างต่อเนื่องโดยระบบเก็บข้อมูลของเครื่อง และตรวจสอบโดยทีมงานโครงการแบบกะต่อกะ

อัตราการใช้งานสมควรได้รับความสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากเป็นตัวชี้วัดที่ทีมงานโครงการมีอำนาจควบคุมโดยตรงที่สุด TBM ที่มีอัตราการเจาะ 6 มม./รอบ ที่ทำงานที่การใช้งาน 40% จะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าเครื่องจักรที่มีอัตราการเจาะ 4 มม./รอบ ที่ทำงานที่ 70% เวลาที่ไม่น่าเบื่อซึ่งลดการใช้งานจะถูกใช้โดยการสร้างส่วน การตรวจสอบและการเปลี่ยนแปลงเครื่องตัด การบำรุงรักษาซีลส่วนท้าย การเจาะหัววัดล่วงหน้าที่ด้านหน้า การขจัดความล่าช้าด้านลอจิสติกส์ และการบำรุงรักษาที่วางแผนไว้และไม่ได้วางแผนไว้ การวิเคราะห์อย่างเป็นระบบว่าจุดใดที่ระบบหยุดทำงาน และการดำเนินการตามเป้าหมายเพื่อลดผู้มีส่วนร่วมรายใหญ่ที่สุด เป็นหนึ่งในกิจกรรมที่ใช้ประโยชน์สูงสุดสำหรับทีมบริหารโครงการ TBM

การสอบสวนภาคพื้นดินที่แจ้งการเลือกและการออกแบบ TBM

ความสำเร็จของโครงการ TBM ส่วนใหญ่ถูกกำหนดก่อนที่เครื่องจักรจะลงสู่พื้น โดยคุณภาพและความละเอียดถี่ถ้วนของโปรแกรมการตรวจสอบทางธรณีเทคนิคที่กำหนดลักษณะของสภาพพื้นดินตามแนวการวางแนว TBM เป็นอุปกรณ์ที่ผลิตขึ้นตามพารามิเตอร์ทางธรณีวิทยาเฉพาะ เมื่อสร้างและเปิดตัวแล้ว จะไม่สามารถออกแบบใหม่โดยพื้นฐานได้หากพื้นดินแตกต่างไปจากที่คิดไว้ ผลที่ตามมาของการตรวจสอบภาคพื้นดินที่ไม่เพียงพอสำหรับโครงการ TBM เช่น เครื่องจักรที่ติดขัด น้ำไหลเข้าโดยไม่คาดคิด การสึกหรอของเครื่องตัดอย่างรุนแรง การตกลงพื้นผิว หรือการละทิ้งไดรฟ์โดยสิ้นเชิง จะถูกวัดค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมหลายสิบหรือหลายร้อยล้านดอลลาร์ และความล่าช้าของกำหนดการหลายปี

• ระยะห่างและความลึกของหลุมเจาะ: โดยทั่วไป หลุมเจาะสำหรับการสำรวจตามแนวแนว TBM ควรเว้นระยะห่างกัน 50–100 เมตร โดยให้มีระยะห่างมากขึ้นในตำแหน่งที่สำคัญ เช่น ตำแหน่งเพลาส่งและรับ ทางข้ามแม่น้ำ และพื้นที่ที่ทราบว่าซับซ้อนทางธรณีวิทยา หลุมเจาะจะต้องขยายออกไปอย่างน้อยสามเส้นผ่านศูนย์กลางของอุโมงค์ด้านล่างอุโมงค์กลับด้านเพื่อระบุลักษณะเฉพาะของโซนที่มีอิทธิพลต่อการขุดค้น
• การทดสอบความแข็งแรงของหินและการเสียดสี: สำหรับโครงการ TBM แบบฮาร์ดร็อค การทดสอบในห้องปฏิบัติการควรรวมกำลังรับแรงอัดในแนวแกนเดียว (UCS) ความต้านทานแรงดึงของบราซิล ดัชนีโหลดจุด ดัชนีการขัดถูของ Cerchar (CAI) และการวิเคราะห์ส่วนบางของปิโตรกราฟีของตัวอย่างแกนหลักที่เป็นตัวแทนจากแต่ละหน่วยทางหินตามแนวการจัดตำแหน่ง พารามิเตอร์เหล่านี้แจ้งข้อกำหนดเฉพาะของเครื่องตัดแบบดิสก์ ข้อกำหนดแรงกดของหัวตัด และการคาดการณ์ต้นทุนการเปลี่ยนเครื่องตัดโดยตรง
• ลักษณะเฉพาะของน้ำใต้ดิน: หลุมเจาะตรวจสอบแบบ Piezometric ที่ติดตั้งตามการจัดตำแหน่ง — โดยการอ่านค่าจะครอบคลุมวงจรตามฤดูกาลทั้งหมดตามเวลาที่เอื้ออำนวย — สร้างระบบการปกครองน้ำใต้ดินที่ TBM ต้องดำเนินการภายใน สภาพน้ำบาดาล ตารางน้ำที่เกาะอยู่ และโซนที่มีการซึมผ่านสูงที่สามารถรองรับการไหลเข้าจำนวนมากเข้าไปในอุโมงค์ จะต้องได้รับการระบุและวางแผนในระหว่างการออกแบบเครื่องจักรและการพัฒนากลยุทธ์การอัดฉีด
• การจำแนกดินและการกระจายขนาดอนุภาค: สำหรับโครงการ TBM สำหรับดินอ่อน การวิเคราะห์ขนาดอนุภาคโดยละเอียดของตัวอย่างดินจากทั่วทั้งแนวการจัดตำแหน่งถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบการปรับสภาพ EPB และข้อกำหนดวงจรสารละลาย การมีอยู่ของเศษกรวดหรือหินกรวดที่สูงกว่าเปอร์เซ็นต์ที่กำหนดอาจทำให้การทำงานของ EPB เกิดปัญหา และอาจบ่งชี้ถึงเครื่องป้องกันสารละลายเป็นประเภทเครื่องจักรที่เหมาะสมกว่า
• การสำรวจสิ่งกีดขวางและการปนเปื้อน: ในการจัดแนวเขตเมือง การค้นหาสิ่งกีดขวางใต้ดินที่มีอยู่อย่างครอบคลุม เช่น เสาเข็มที่เลิกใช้งาน โครงสร้างอิฐเก่า โครงสร้างพื้นฐานที่ถูกฝัง พื้นดินที่ปนเปื้อน จะต้องทำให้เสร็จสิ้นก่อนการจัดหาเครื่องจักร เพื่อให้หัวตัดได้รับการออกแบบให้มีความสามารถในการทำลายหินหรือการจัดการสิ่งกีดขวางที่เหมาะสม

ความเสี่ยงที่สำคัญของโครงการ TBM และวิธีการจัดการ

การขุดอุโมงค์ TBM เป็นหนึ่งในกิจกรรมที่ซับซ้อนทางเทคนิคและมีความเสี่ยงสูงที่สุดในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง การรวมกันของรายจ่ายฝ่ายทุนจำนวนมาก สภาพการทำงานใต้ดิน ความไม่แน่นอนทางธรณีวิทยา และความเป็นไปไม่ได้ทางกายภาพในการเปลี่ยนแปลงการตัดสินใจเกี่ยวกับอุปกรณ์พื้นฐานเมื่อไดรฟ์เริ่มต้นขึ้น ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่มีความเสี่ยงซึ่งต้องการการจัดการความเสี่ยงที่มีโครงสร้างตั้งแต่ขั้นตอนแรกสุดของการพัฒนาโครงการ

เผชิญกับความไม่มั่นคงและการตั้งถิ่นฐาน

ในการขุดอุโมงค์ดินอ่อน การสูญเสียการควบคุมแรงกดที่หน้าถือเป็นความเสี่ยงที่ร้ายแรงที่สุดประการหนึ่ง หากความดันในห้องขุดของ EPB หรือ TBM ของสารละลายลดลงต่ำกว่าแรงดันดินและน้ำใต้ดินที่รวมกันที่พื้นผิว แม้จะชั่วขณะหนึ่ง พื้นดินก็สามารถไหลเข้าไปในเครื่องจักรได้ ทำให้เกิดหลุมยุบหรือรางน้ำที่พื้นผิวด้านบน ในสภาพแวดล้อมในเมืองที่อุโมงค์ลอดผ่านใต้อาคารที่ถูกยึดครอง ทางรถไฟสด หรือทางแยกถนนที่มีผู้คนพลุกพล่าน แม้แต่เหตุการณ์การทรุดตัวเล็กน้อยเพียง 20–30 มม. ก็สามารถสร้างความเสียหายทางโครงสร้างและการหยุดชะงักซึ่งก่อให้เกิดความเสียหายหลายเท่าของมูลค่าสัญญาการขุดอุโมงค์ การตรวจสอบและควบคุมแรงกดบนใบหน้าจึงมีความต่อเนื่องและสำคัญ โดยมีการแจ้งเตือนอัตโนมัติและโปรโตคอลการแทรกแซงของผู้ปฏิบัติงานสำหรับการเบี่ยงเบนใดๆ ที่เกินขีดจำกัดที่กำหนดไว้ อาร์เรย์ตรวจสอบการทรุดตัวของพื้นผิว ซึ่งโดยทั่วไปคือปริซึมการสำรวจด้วยแสง เกณฑ์มาตรฐานการปรับระดับที่แม่นยำ และเครื่องวัดความลาดเอียงอัตโนมัติบนโครงสร้างที่มีความละเอียดอ่อน ให้การยืนยันอย่างเป็นอิสระว่าการจัดการแรงกดที่ใบหน้าของ TBM บรรลุประสิทธิภาพการทรุดตัวตามที่ต้องการ

ติด TBM

TBM ที่ติดอยู่ในพื้นอย่างถาวร — เนื่องจากการบีบของพื้นรอบเกราะ การสูญเสียการหล่อลื่น การอุดตันของเครื่องตัด หรือการเผชิญกับสิ่งกีดขวางที่สำคัญ — เป็นหนึ่งในสถานการณ์ที่มีราคาแพงที่สุดในการก่อสร้างใต้ดิน การดำเนินการกู้คืนอาจเกี่ยวข้องกับการลดแรงดันในอุโมงค์ การสร้างปล่องกู้ภัยเหนือเครื่องจักรโดยตรง การขุดรอบๆ แผงป้องกันเพื่อลดแรงกดจากพื้นดิน และอาจต้องรื้อและประกอบส่วนประกอบหลักของเครื่องจักรลงใต้ดิน การดำเนินการดังกล่าวใช้เวลาหลายเดือนและมีค่าใช้จ่ายหลายสิบล้านดอลลาร์สำหรับโครงการที่มีชื่อเสียงระดับสูง การป้องกันจะดีกว่าอย่างเห็นได้ชัด: การตรวจสอบอย่างต่อเนื่องของแรงเสียดทานของโล่ การจัดการการหล่อลื่นเชิงรุก การทำแผนที่ใบหน้าด้านหน้าเครื่องจักรโดยใช้การเจาะโพรบ และการมีแผนฉุกเฉินของเครื่องจักรที่ซักซ้อมซึ่งตกลงกับลูกค้าและบริษัทประกันภัยก่อนที่ระบบขับเคลื่อนจะเริ่มต้น ล้วนเป็นมาตรการจัดการความเสี่ยงมาตรฐานสำหรับโครงการ TBM ที่ดำเนินกิจการอย่างดี

น้ำไหลเข้าโดยไม่คาดคิด

การไหลเข้าของน้ำที่สำคัญ - จากข้อผิดพลาด ช่องว่างคาร์สติก เลนส์กรวดที่ซึมเข้าไปได้ หรือหัวเพียโซเมตริกที่สูงอย่างไม่คาดคิด อาจทำให้ความสามารถในการระบายน้ำของ TBM และระบบสำรองล้นเกิน ส่งผลให้อุโมงค์ท่วม และในกรณีที่เลวร้ายที่สุดอาจเป็นอันตรายต่อคนงาน การเจาะหัววัดอย่างเป็นระบบด้านหน้าของหน้า TBM — โดยทั่วไปจะเป็นระยะทาง 30–50 เมตรไปข้างหน้าโดยใช้แท่นเจาะแบบเพอร์คัชซีฟหรือแบบหมุนที่ติดตั้งบนหัวตัดหรือภายในเครื่องจักร — ให้การเตือนล่วงหน้าเกี่ยวกับคุณสมบัติการรับน้ำ การอัดยาแนวก่อนการขุดจากภายในอุโมงค์หรือจากพื้นผิวเหนือแนวการจัดตำแหน่ง สามารถปิดผนึกโซนที่ซึมเข้าไปได้ก่อนที่จะตัดกันด้วยหัวตัด สำหรับอุโมงค์ในพื้นที่ไวต่อน้ำเป็นพิเศษ TBM อาจได้รับการระบุด้วยความสามารถในการแทรกแซงไฮเปอร์แบริก — ความสามารถในการเพิ่มแรงดันในห้องทำงานเพื่อสร้างสมดุลแรงดันน้ำใต้ดิน ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานที่อยู่ในอากาศอัดสามารถเข้าไปในห้องขุดเพื่อเปลี่ยนเครื่องตัดและการตรวจสอบใบหน้า

เทคโนโลยี TBM พัฒนาไปอย่างไรและกำลังมุ่งหน้าไปในทิศทางใด

เครื่องเจาะอุโมงค์ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่ TBM สมัยใหม่ที่ประสบความสำเร็จเครื่องแรก ซึ่งพัฒนาโดย James Robbins สำหรับโครงการอุโมงค์เขื่อน Oahe ในเซาท์ดาโคตาในช่วงต้นทศวรรษ 1950 แต่ละทศวรรษได้นำมาซึ่งความก้าวหน้าในการออกแบบหัวตัด ระบบขับเคลื่อนหัวตัด เทคโนโลยีการสร้างส่วน ความแม่นยำในการแนะนำ และความน่าเชื่อถือของเครื่องจักร ซึ่งได้ขยายขอบเขตของสภาพพื้นดินและขนาดของโครงการอย่างต่อเนื่อง โดยที่ TBM เป็นวิธีการขุดค้นที่ต้องการ

พื้นที่มุ่งเน้นการพัฒนาในปัจจุบันในเทคโนโลยี TBM ได้แก่ การระบุลักษณะพื้นดินแบบเรียลไทม์โดยใช้เซ็นเซอร์ที่ฝังอยู่ในหัวตัด — การวัดการสั่นสะเทือน การกระจายแรงบิด และลายเซ็นเสียง เพื่อระบุการเปลี่ยนแปลงประเภทของหินหรือองค์ประกอบของดินก่อนที่จะทำให้เกิดปัญหาในการปฏิบัติงาน อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องกำลังถูกนำไปใช้กับชุดข้อมูลขนาดใหญ่ที่สร้างโดยระบบควบคุม TBM สมัยใหม่ เพื่อคาดการณ์อัตราการสึกหรอของเครื่องตัด ปรับอัตราการเจาะให้เหมาะสมตามแรงกดที่หน้า และกำหนดเวลาการแทรกแซงการบำรุงรักษาก่อนที่ความล้มเหลวจะเกิดขึ้นแทนที่จะตอบสนองต่อสิ่งเหล่านั้น การจัดการและการสร้างเซกเมนต์แบบอัตโนมัติ — หนึ่งในองค์ประกอบที่ต้องใช้เวลามากที่สุดและเป็นที่ต้องการทางกายภาพมากที่สุดของวงจรการขุดอุโมงค์ — กำลังก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว ด้วยเครื่องสร้างอัตโนมัติเต็มรูปแบบบนเครื่องจักรสมัยใหม่บางเครื่องที่สามารถวางตำแหน่งและขันสลักเซกเมนต์โดยมีส่วนร่วมของมนุษย์น้อยที่สุด

ที่ขอบเขตการพัฒนา TBM นักวิจัยและผู้ผลิตเครื่องจักรกำลังสำรวจเครื่องจักรหลายโหมดที่สามารถคว้านคว้านพร้อมกันในหินและพื้นดินอ่อนโดยไม่ต้องกำหนดค่าใหม่ และตรวจสอบเทคโนโลยีการตัดแบบใหม่ เช่น การแตกหักของหินโดยใช้เลเซอร์ช่วย การตัดด้วยพลังน้ำแรงดันสูง ซึ่งในที่สุดสามารถเสริมหรือแทนที่เครื่องตัดดิสก์เชิงกลแบบทั่วไปในหินประเภทใดประเภทหนึ่งโดยเฉพาะได้ ความท้าทายพื้นฐานยังคงเหมือนเดิม นั่นคือการเพิ่มสัดส่วนของเวลาที่เครื่องจักรใช้ในการตัดและลดสิ่งอื่นๆ ให้เหลือน้อยที่สุด ในการแสวงหาดังกล่าว เครื่องคว้านอุโมงค์ยังคงพัฒนาต่อไปในฐานะหนึ่งในเครื่องจักรทางวิศวกรรมที่เป็นผลสืบเนื่องมากที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา