เครื่องเจาะอุโมงค์: เครื่องจักรยักษ์เหล่านี้ขุดอุโมงค์ใต้ดินได้อย่างไร

เครื่องเจาะอุโมงค์คืออะไร และทำไมเราถึงใช้มัน?

เครื่องเจาะอุโมงค์ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า TBM และบางครั้งเรียกว่าเครื่องคว้านอุโมงค์หรือเครื่องคว้านใต้ดิน เป็นอุปกรณ์ทางวิศวกรรมชิ้นใหญ่ที่ออกแบบมาเพื่อขุดอุโมงค์ผ่านดิน หิน หรือสภาพพื้นดินผสมที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม แตกต่างจากวิธีการเจาะและระเบิดแบบเก่า ซึ่งหักหินโดยใช้วัตถุระเบิดแล้วจึงแยกเศษออกด้วยตนเอง TBM จะตัด ขุด และมักจะวางแนวอุโมงค์ไปพร้อมๆ กันในการดำเนินการต่อเนื่องเพียงครั้งเดียว ผลลัพธ์ที่ได้คืออุโมงค์ที่นุ่มนวลกว่าและมีโครงสร้างสม่ำเสมอมากขึ้น โดยรบกวนพื้นดินและโครงสร้างพื้นฐานพื้นผิวโดยรอบน้อยกว่ามาก

ความน่าดึงดูดของการขุดอุโมงค์ TBM ทำได้ดีกว่าความเร็ว ในสภาพแวดล้อมในเมือง — ที่ซึ่งอุโมงค์อาจลอดใต้ย่านใกล้เคียงที่มีการสร้างหนาแน่น รถไฟใต้ดินหรือสาธารณูปโภคที่สำคัญ — การขุดเจาะอุโมงค์ที่มีการควบคุมและสั่นสะเทือนต่ำมักเป็นทางเลือกเดียวที่ใช้งานได้ การระเบิดแบบธรรมดาจะทำให้เกิดการทรุดตัวของพื้นผิวที่ยอมรับไม่ได้และความเสียหายทางโครงสร้างต่ออาคารใกล้เคียง TBM ยังสามารถทำงานได้ที่ระดับความลึกมากกว่าวิธีการก่อสร้างแบบตัดและปิด ทำให้วิศวกรสามารถกำหนดเส้นทางอุโมงค์ในเส้นทางตรงและเหมาะสมที่สุดโดยไม่ทำให้ทิวทัศน์ถนนด้านบนเสียหาย ข้อได้เปรียบเหล่านี้ทำให้เครื่องเจาะอุโมงค์เป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่นสำหรับระบบรถไฟใต้ดิน อุโมงค์ทางหลวง อุโมงค์ส่งน้ำและบำบัดน้ำเสีย และทางเดินเคเบิลและสาธารณูปโภคในเมืองต่างๆ ทั่วโลกเพิ่มมากขึ้น

TBM สมัยใหม่ถือเป็นผลงานทางวิศวกรรมที่ไม่ธรรมดาในตัวมันเอง เครื่องเจาะอุโมงค์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกมีหัวตัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 17 เมตร ซึ่งกว้างกว่าอาคารสี่ชั้นสูง และมีน้ำหนักมากกว่า 7,000 เมตริกตัน แม้แต่ TBM ขนาดกลางที่ใช้สำหรับอุโมงค์รถไฟใต้ดินมาตรฐาน (โดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6-9 เมตร) ก็ยังประกอบจากส่วนประกอบที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำหลายร้อยชิ้นที่จัดส่งไปยังไซต์งานและประกอบลงใต้ดินในปล่องปล่อย เครื่องจักรดังกล่าวผสมผสานการขุดดิน การกำจัดของเสีย การรองรับพื้นดิน และการติดตั้งการบุคอนกรีตไว้ในสายการผลิตแบบเคลื่อนย้ายเส้นเดียวซึ่งจะก้าวหน้าได้ 10–30 เมตรต่อวัน ขึ้นอยู่กับสภาพพื้นดินและประเภทของเครื่องจักร

เครื่องเจาะอุโมงค์ทำงานอย่างไร: กลศาสตร์หลัก

การทำความเข้าใจว่าฟังก์ชัน TBM จำเป็นต้องพิจารณาถึงระบบการทำงานหลัก ซึ่งแต่ละระบบมีบทบาทสำคัญและพึ่งพาอาศัยกันในกระบวนการขุดอุโมงค์ แม้ว่า TBM ประเภทต่างๆ จะจัดการกับการรองรับภาคพื้นดินและการกำจัดของเสียต่างกัน (จะกล่าวถึงในหัวข้อถัดไป) กลไกการตัดขั้นพื้นฐานและความก้าวหน้าจะมีการแบ่งปันกันในตระกูลเครื่องจักรส่วนใหญ่

หัวตัด

เครื่องตัดหัวตัดถือเป็นจุดสิ้นสุดของธุรกิจใดๆ เครื่องเจาะอุโมงค์ — จานหมุนขนาดใหญ่หรือโครงสร้างซี่ล้อที่มีเครื่องมือตัดซึ่งสัมผัสกับพื้นที่กำลังขุดโดยตรง ในการขุดอุโมงค์หิน หัวตัดจะบรรทุกเครื่องตัดแบบดิสก์: ล้อเหล็กชุบแข็ง โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 432–483 มม. (17–19 นิ้ว) ซึ่งม้วนเข้าหาหน้าหินภายใต้แรงผลักดันมหาศาล เครื่องตัดแผ่นดิสก์ไม่ขูดหิน แต่จะบดขยี้มันด้วยแรงอัด ทำให้เกิดเครือข่ายของรอยแตกขนาดเล็กระหว่างรางคัตเตอร์ที่อยู่ติดกัน ซึ่งทำให้เศษหินหลุดออกมา กระบวนการสร้างชิปนี้เรียกว่ากลไก "ชิปและรอยแตก" ประหยัดพลังงานมากกว่าการเสียดสีโดยตรง และเป็นสิ่งที่ทำให้การขุดอุโมงค์ TBM ทำงานได้ในฮาร์ดร็อก ในสภาพดินอ่อนและสภาพผสม หัวตัดจะขนเศษลาก เครื่องขูด และฟันตัดดินแทน ซึ่งจะตัดและขับวัสดุออกแทนที่จะบดขยี้

หัวตัดถูกหมุนโดยวงแหวนของมอเตอร์ขับเคลื่อนไฟฟ้า โดยทั่วไปจะมีมอเตอร์ 4 ถึง 20 ตัว ขึ้นอยู่กับขนาดของเครื่องจักร โดยจัดเรียงไว้รอบเส้นรอบวงและเชื่อมต่อผ่านกระปุกเกียร์แบบลดความเร็ว โดยทั่วไปความเร็วในการหมุนจะช้า: 1–6 RPM สำหรับเครื่องจักรขนาดใหญ่ เนื่องจากขอบด้านนอกของหัวตัดขนาดใหญ่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเชิงเส้นสูงอยู่แล้วแม้ที่ RPM ต่ำมากก็ตาม กำลังขับหัวตัดที่ติดตั้งทั้งหมดบน TBM ฮาร์ดร็อคขนาดใหญ่สามารถเกิน 5,000 กิโลวัตต์ - ใกล้เคียงกับเครื่องยนต์ Formula 1 หกเครื่องที่ทำงานพร้อมกัน แต่ใช้เป็นแรงบิดในการหมุนที่ช้าแทนที่จะเป็นความเร็ว

ระบบแรงขับและกริปเปอร์

การหมุนหัวตัดเพียงอย่างเดียวไม่สามารถขุดอุโมงค์ได้ เครื่องจะต้องดันหัวตัดเข้าไปในหน้าหินด้วยแรงมหาศาลเพื่อให้เครื่องตัดแบบจานมีประสิทธิภาพ ซึ่งทำได้สำเร็จโดยอาศัยระบบกระบอกสูบไฮดรอลิกที่จัดเรียงไว้รอบๆ ตัวเครื่องหลักของเครื่องจักร แรงผลักดันทั้งหมดบนหินขนาดใหญ่ TBM โดยทั่วไปมีช่วงตั้งแต่ 20,000 ถึง 60,000 กิโลนิวตัน ซึ่งเทียบเท่ากับน้ำหนัก 2,000 ถึง 6,000 เมตริกตันที่กดทับหน้าอุโมงค์ ในการดันเครื่องนั้นต้องการบางสิ่งที่จะดันออกมา ในฮาร์ดร็อค TBM สิ่งนี้ได้มาจากแผ่นกริปเปอร์: กระบอกไฮดรอลิกขนาดใหญ่ที่ขยายออกไปทางด้านข้างจากตัวเครื่องและกดกับผนังอุโมงค์ด้วยแรงเพียงพอที่จะยึดเครื่องจักรให้เข้าที่อย่างแน่นหนาในขณะที่กระบอกสูบดันเคลื่อนหัวตัดไปข้างหน้า เมื่อเครื่องจักรเคลื่อนไปหนึ่งระยะชัก (โดยทั่วไปคือ 1.5–2 เมตร) มือจับจะคลายออก ด้านหลังของเครื่องจักรจะถูกดึงไปข้างหน้า มือจับกลับเข้าที่ตำแหน่งใหม่ และจังหวะแรงขับครั้งถัดไปจะเริ่มต้นขึ้น ลำดับนี้จะเกิดขึ้นซ้ำอย่างต่อเนื่องตลอดการดำเนินการอุโมงค์

การกำจัดสิ่งเน่าเสีย (การจัดการโคลน)

วัสดุที่ตัดจากหน้าอุโมงค์ ซึ่งเรียกว่า "โคลน" ในศัพท์เฉพาะของอุโมงค์ ต้องถูกกำจัดออกจากหัวตัดอย่างต่อเนื่อง และขนย้ายไปยังพื้นผิว ใน TBM ส่วนใหญ่ โคลนจะตกลงไปในช่องเปิดในหัวตัด และสายพานลำเลียงที่วิ่งผ่านตรงกลางของเครื่องจักรจะหยิบขึ้นมา สายพานลำเลียงหลักนี้จะถ่ายโอนโคลนไปยังชุดสายพานลำเลียงแบบลากหรือไปยังรถโคลนที่ติดตั้งบนรางซึ่งจะขนกลับผ่านอุโมงค์ไปยังเพลาส่งตัว ซึ่งจะถูกยกขึ้นสู่พื้นผิวและลากออกไป โดยเฉลี่ยแล้ว TBM ของรถไฟใต้ดินขนาดกลางที่ขุดในพื้นที่ผสมจะก่อให้เกิดโคลน 300–600 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน ซึ่งเป็นความท้าทายด้านลอจิสติกส์ที่สำคัญที่ต้องมีการดำเนินการกำจัดพื้นผิวที่วางแผนไว้อย่างดีซึ่งดำเนินการควบคู่ไปกับการขุดอุโมงค์

การติดตั้งซับในอุโมงค์

TBM ที่ทันสมัยส่วนใหญ่จะติดตั้งการบุอุโมงค์ถาวรไว้ด้านหลังหัวตัดทันทีในขณะที่เครื่องจักรก้าวหน้า วิธีการมาตรฐานใช้ส่วนคอนกรีตสำเร็จรูป ซึ่งโดยทั่วไปจะมีส่วนโค้ง 6-8 ส่วนต่อวงแหวน บวกกับส่วน "กุญแจ" ที่เล็กกว่า ซึ่งจะถูกยกเข้าตำแหน่งด้วยแขนสร้างส่วนอัตโนมัติ และยึดด้วยสลักเกลียวหรือปะเก็นเข้าด้วยกันเพื่อสร้างวงแหวนที่สมบูรณ์ วงแหวนแต่ละวงได้รับการติดตั้งในพื้นที่ที่สร้างขึ้นโดยจังหวะแทงสุดท้ายของเครื่องจักร และเมื่อเครื่องจักรเคลื่อนเข้าสู่จังหวะถัดไป วงแหวนที่เสร็จสมบูรณ์จะกลายเป็นโครงสร้างโครงสร้างของอุโมงค์ถาวร การติดตั้งซับในแบบรวมเป็นหนึ่งในข้อดีด้านประสิทธิภาพสูงสุดของ TBM: โดยพื้นฐานแล้วอุโมงค์จะเสร็จสมบูรณ์ด้านหลังเครื่องจักรในขณะที่เครื่องจักรก้าวหน้า โดยต้องมีการติดตามผลน้อยที่สุด

ประเภทหลักของเครื่องเจาะอุโมงค์และเวลาที่มีการใช้แต่ละเครื่อง

การเลือกประเภท TBM เป็นหนึ่งในการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่สำคัญที่สุดในโครงการขุดอุโมงค์ ประเภทเครื่องจักรที่ไม่ถูกต้องสำหรับสภาพพื้นดินที่พบอาจส่งผลให้ความคืบหน้าช้า เครื่องจักรได้รับความเสียหาย การทรุดตัวของพื้น หรือในกรณีร้ายแรง อุโมงค์พัง ตระกูล TBM ที่สำคัญมีความโดดเด่นเป็นหลักด้วยวิธีการจัดการพื้นดินที่อยู่ข้างหน้าหัวตัดและควบคุมแรงดันน้ำใต้ดิน:

Open-Face (กริปเปอร์) TBM — ดีที่สุดสำหรับฮาร์ดร็อค

TBM แบบหน้าเปิดหรือแบบมือจับคือการออกแบบ TBM แบบดั้งเดิม และยังคงเป็นตัวเลือกเครื่องจักรสำหรับสภาพฮาร์ดร็อคที่มั่นคง โดยที่หน้าอุโมงค์รองรับตัวเองได้และสามารถจัดการแรงดันน้ำใต้ดินได้ ตามชื่อที่แสดง หน้าอุโมงค์เปิดอยู่ ไม่มีระบบรองรับแรงดันระหว่างหัวตัดกับพื้นดินที่ขุด ความเรียบง่ายนี้ทำให้มือจับ TBM เร็วขึ้นและคุ้มต้นทุนมากขึ้นในสภาวะที่เหมาะสม: หากไม่มีระบบแรงดันมาจัดการ การบำรุงรักษาหัวตัดก็ง่ายขึ้น อัตราล่วงหน้าจะสูงขึ้น และเครื่องจักรก็ใช้กลไกง่ายกว่า เป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับอุโมงค์ส่งน้ำ อุโมงค์รถไฟ และโครงการไฟฟ้าพลังน้ำในภูมิประเทศแบบภูเขา ซึ่งเป็นการใช้งานที่เครื่องจักรจะใช้เวลาส่วนใหญ่ขับเคลื่อนไปในหินที่มีความสามารถ ข้อจำกัดมีความชัดเจนไม่แพ้กัน: ในดินอ่อน ดินอิ่มตัว หรือสภาพผสม TBM แบบหน้าเปิดไม่สามารถรองรับหน้าอุโมงค์ได้อย่างปลอดภัย ทำให้ไม่เหมาะสำหรับโครงการในเมืองที่การทรุดตัวของพื้นดินอาจสร้างความเสียหายให้กับโครงสร้างพื้นผิว

สมดุลแรงดันดิน (EPB) TBM — ดีที่สุดสำหรับพื้นดินอ่อนและการตั้งค่าในเมือง

Earth Pressure Balance TBM เป็นประเภทเครื่องจักรที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับรถไฟใต้ดินในเมืองและอุโมงค์โครงสร้างพื้นฐานทั่วโลก แก้ไขปัญหาการรองรับพื้นดินอ่อนโดยการเติมห้องหัวตัด — ช่องว่างระหว่างหัวตัดและแผ่นกั้นด้านหลัง — ด้วยการปรับสภาพดินที่ขุดให้มีความสม่ำเสมอที่เหมาะสมโดยใช้โฟม โพลีเมอร์ หรือน้ำ โคลนปรับสภาพนี้ได้รับการดูแลที่แรงดันที่ทำให้สมดุลระหว่างแรงดันดินและน้ำใต้ดินที่หน้าอุโมงค์ ป้องกันการพังทลายของหน้าและลดการเคลื่อนที่ของพื้นดิน โคลนที่มีแรงดันจะถูกดึงออกจากห้องผ่านสกรูลำเลียง ซึ่งควบคุมอัตราการกำจัดวัสดุเพื่อรักษาแรงกดที่หน้าเป้าหมาย EPB TBM มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในดินที่มีดินเหนียว ดินทราย และพื้นที่ผสมที่มีแรงดันน้ำใต้ดินปานกลาง เป็นประเภทเครื่องจักรที่โดดเด่นสำหรับการก่อสร้างรถไฟใต้ดินในเมืองต่างๆ เช่น ลอนดอน นิวยอร์ก โตเกียว ปักกิ่ง และแทบทุกโครงการอุโมงค์ในเมืองใหญ่ๆ ในช่วง 30 ปีที่ผ่านมา

โล่สารละลาย (Mixshield) TBM — ดีที่สุดสำหรับพื้นผิวที่มีน้ำอิ่มตัวและหยาบ

แผ่นป้องกันสารละลาย TBM ใช้สารละลายเบนโทไนต์ที่มีแรงดัน ซึ่งเป็นส่วนผสมของเหลวระหว่างน้ำและดินเหนียว เพื่อรองรับหน้าอุโมงค์แทนที่จะใช้โคลนปรับสภาพ สารละลายจะเติมห้องหัวตัดภายใต้ความกดดันและสร้างเค้กกรองบนหน้าอุโมงค์ที่ส่งแรงดันรองรับไปที่พื้น วัสดุที่ขุดออกมาจะผสมกับสารละลายและถูกสูบออกจากอุโมงค์เพื่อเป็นสารแขวนลอยของเหลวผ่านท่อส่งสารละลาย ลำเลียงไปยังโรงแยกพื้นผิวที่ซึ่งของแข็งจะถูกกำจัดออก และสารละลายที่ทำความสะอาดแล้วจะถูกส่งกลับไปยังเครื่องจักรเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ วิธีการวงจรสารละลายนี้มีความซับซ้อนและมีราคาแพงกว่า EPB แต่ทำได้ดีกว่าในสภาวะที่ EPB ต้องดิ้นรน: กรวดและทรายที่สามารถซึมผ่านได้สูงที่มีแรงดันน้ำใต้ดินสูง ดินผสมกับก้อนหิน และทางข้ามอุโมงค์ใต้น้ำ โครงการ Crossrail ในลอนดอน อุโมงค์ Øresund ระหว่างเดนมาร์กและสวีเดน และอุโมงค์สะพานฮ่องกง-จูไห่-มาเก๊า ต่างก็ใช้เครื่องป้องกันสารละลายสำหรับส่วนใต้น้ำหรือบริเวณที่มีแรงดันน้ำสูงที่ท้าทายที่สุด

TBM แบบหลายโหมด — ความยืดหยุ่นสำหรับกราวด์ที่แปรผัน

ประเภทของเครื่องเจาะอุโมงค์ที่กำลังเติบโตคือ TBM แบบเปิดประทุนหรือหลายโหมด ซึ่งออกแบบมาเพื่อสลับระหว่างโหมดการทำงาน — โดยทั่วไประหว่าง EPB และหน้าเปิด หรือระหว่าง EPB และแผงป้องกันสารละลาย — เนื่องจากสภาพพื้นดินเปลี่ยนแปลงไปตามการวางแนวอุโมงค์ เครื่องจักรเหล่านี้มีความซับซ้อนและมีราคาแพงกว่าเครื่องจักรโหมดเดี่ยว แต่อาจจำเป็นสำหรับโครงการที่อุโมงค์ต้องผ่านธรณีวิทยาที่แตกต่างกันอย่างมากตลอดความยาวของอุโมงค์ สถานการณ์ทั่วไปคืออุโมงค์ที่เริ่มต้นในดินอ่อนในเมือง เปลี่ยนผ่านชั้นทรายที่มีน้ำ จากนั้นเข้าสู่หินที่มีความสามารถ ซึ่งเป็นลำดับที่จะท้าทายเครื่องจักรโหมดเดี่ยวใดๆ ความสามารถหลายโหมดช่วยให้เครื่องหนึ่งสามารถขับเคลื่อนไดรฟ์ทั้งหมดได้อย่างสมบูรณ์ โดยไม่ต้องใช้ตัวเลือกการแยกเครื่องจักรและการเปลี่ยนอุโมงค์กลาง

ข้อมูลสรุปประเภท TBM: การเปรียบเทียบแบบเทียบเคียงกัน

ปัจจัยสำคัญที่กำหนดว่า TBM สามารถก้าวหน้าได้เร็วแค่ไหน

อัตราล่วงหน้า — วัดเป็นเมตรต่อวันหรือต่อกะ — เป็นตัวชี้วัดการผลิตหลักสำหรับโครงการขุดอุโมงค์ TBM และมีผลกระทบอย่างมากต่อต้นทุนและกำหนดการของโครงการ อย่างไรก็ตาม อัตราล่วงหน้าไม่ได้เป็นเพียงหน้าที่ของกำลังหรือขนาดของเครื่องจักรเท่านั้น มันเป็นผลมาจากการโต้ตอบของตัวแปรหลายตัว ซึ่งหลายตัวอยู่นอกการควบคุมของทีมงานโครงการ:

• ความแข็งแรงของหินและการเสียดสี: ในการขุดอุโมงค์ฮาร์ดร็อค กำลังรับแรงอัดของหินและความเสียดทานของปริมาณแร่ธาตุ (โดยเฉพาะปริมาณแร่ควอทซ์) เป็นปัจจัยหลักในการกำหนดอัตราการเจาะและอายุของเครื่องตัดจาน หินแกรนิตที่แข็งและมีฤทธิ์กัดกร่อนอย่างมากสามารถลดอายุการใช้งานของเครื่องตัดให้เหลือน้อยกว่า 20 เมตรในการเคลื่อนที่ล่วงหน้าต่อเครื่องตัด ซึ่งจำเป็นต้องมีการแทรกแซงหัวตัดบ่อยครั้งซึ่งจะช่วยลดอัตราการล่วงหน้าสุทธิได้อย่างมาก หินที่นิ่มกว่า เช่น หินปูนหรือชอล์กทำให้มีอัตราการเจาะที่สูงขึ้นมากและอายุการใช้งานของเครื่องตัดยาวนานขึ้น
• ลักษณะการยึดพื้นและความมั่นคงของหน้า: สภาพพื้นดินที่ไม่แน่นอน เช่น ทรายที่วิ่งอยู่ ดินเหนียวที่ถูกบีบ หรือโซนหินที่มีรอยเลื่อน อาจต้องมีการแทรกแซง การบำบัดพื้นดิน หรือลดความเร็วล่วงหน้าเพื่อจัดการอย่างปลอดภัย ในกรณีที่ร้ายแรง TBM อาจติดหรือ "ติด" อยู่ในพื้นที่อัดแน่น ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่อาจใช้เวลาหลายสัปดาห์หรือหลายเดือนในการแก้ไข และแสดงถึงหนึ่งในความเสี่ยงที่มีค่าใช้จ่ายสูงที่สุดในการขุดอุโมงค์ TBM
• ความสามารถในการจัดการโคลน: ระบบกำจัดโคลนที่พื้นผิวจะต้องให้สอดคล้องกับเอาท์พุตการขุดของเครื่อง ปัญหาคอขวดในการขนส่งโคลน ไม่ว่าจะผ่านขีดจำกัดความจุของสายพานลำเลียง การขาดแคลนรถราง หรือโลจิสติกส์ในการกำจัดพื้นผิว ช่วยลดอัตราการล่วงหน้าของเครื่องจักรได้โดยตรง ไม่ว่าเครื่องตัดจะดีแค่ไหนก็ตาม
• การจัดหาและเวลาในการติดตั้งส่วน: วงแหวนซับในอุโมงค์แต่ละอันจะต้องถูกส่งไปยังเครื่องจักรและติดตั้งก่อนจึงจะสามารถเริ่มจังหวะแทงครั้งถัดไปได้ ความล่าช้าในการส่งมอบส่วนต่างๆ รอบของเครนในเพลาปล่อย หรือปัญหาด้านคุณภาพของส่วนต่างๆ ล้วนลดอัตราการล่วงหน้าสุทธิ โครงการ TBM ที่มีประสิทธิภาพสูงลงทุนอย่างมากในการเพิ่มประสิทธิภาพห่วงโซ่โลจิสติกส์ของเซ็กเมนต์
• การบำรุงรักษาและการหยุดทำงาน: TBM ทำงานตลอดเวลาในหลายกะ แต่ต้องมีการแทรกแซงการบำรุงรักษาตามกำหนดเวลา — การตรวจสอบหัวตัด การเปลี่ยนเครื่องตัด การหล่อลื่น การตรวจสอบระบบ ซึ่งจะต้องคำนึงถึงปัจจัยในกำหนดการผลิต เวลาหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนสำหรับความล้มเหลวทางกลไกเป็นตัวแปรหลักที่แยกไดรฟ์ TBM ที่มีประสิทธิภาพดีออกจากไดรฟ์ที่มีปัญหา

การใช้งานหลักๆ ของเครื่องเจาะอุโมงค์ทั่วโลก

เครื่องคว้านอุโมงค์ใช้งานได้ในทุกทวีป (ยกเว้นทวีปแอนตาร์กติกา) และการใช้งานประเภทต่างๆ ที่ไม่ธรรมดา ขนาดและความหลากหลายของโครงการ TBM ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา สะท้อนให้เห็นถึงความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับโครงสร้างพื้นฐานใต้ดิน และความพร้อมที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยี TBM เพื่อตอบสนองเงื่อนไขที่ท้าทาย

อุโมงค์รถไฟใต้ดินในเมืองและอุโมงค์รถไฟฟ้า

ประเภทเดียวที่ใหญ่ที่สุดของการใช้ TBM ทั่วโลกคืออุโมงค์รถไฟใต้ดินในเมือง การขยายตัวของรถไฟใต้ดินหลักๆ ทุกแห่งในโลก ตั้งแต่สาย Elizabeth Line (Crossrail) ของลอนดอน ไปจนถึงเครือข่ายรถไฟใต้ดินของปักกิ่งที่ขยายตัวอย่างต่อเนื่อง จากอุโมงค์รถไฟใต้ดินของซิดนีย์ไปจนถึงระบบรถไฟใต้ดินใหม่ของริยาด อาศัยเครื่องคว้านอุโมงค์ EPB เป็นหลักในการสร้างอุโมงค์วิ่งคู่ที่บรรทุกรถไฟระหว่างสถานี โครงการ Elizabeth Line เพียงอย่างเดียวใช้ TBM แปดเครื่องที่เจาะอุโมงค์ใหม่ยาวกว่า 42 กิโลเมตรใต้เมืองที่มีการก่อสร้างหนาแน่นที่สุดแห่งหนึ่งของโลก โดยมีการทรุดตัวบนพื้นผิวในหลายพื้นที่ไม่เกิน 5 มิลลิเมตร การควบคุมระดับนี้ไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการขุดแบบอื่น

อุโมงค์ทางหลวงและถนน

การขุดอุโมงค์ถนนใช้ TBM ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่มากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งสามารถขุดอุโมงค์ที่มีขนาดใหญ่พอที่จะบรรทุกช่องจราจรสองถึงสี่เลนในช่องเดียว อุโมงค์ทดแทน SR 99 Alaskan Way Viaduct ในซีแอตเทิล สร้างเสร็จในปี 2019 ใช้ Bertha ซึ่งเป็น TBM ที่ใหญ่ที่สุดในโลกซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 17.5 เมตร ในการเจาะอุโมงค์ทางหลวงสองระดับใต้ใจกลางเมือง TBM บนถนนจะต้องขุดพื้นที่หน้าตัดที่ใหญ่กว่าอุโมงค์ใต้ดินมาก ซึ่งต้องใช้แรงผลักดันที่สูงกว่า หัวตัดที่ใหญ่กว่า และระบบขับเคลื่อนที่ทรงพลังกว่ามาก ส่วนคอนกรีตสำเร็จรูปสำหรับอุโมงค์ถนนขนาดใหญ่สามารถรับน้ำหนักได้ 10-15 ตันต่อชิ้น และต้องใช้อุปกรณ์การยกและการติดตั้งที่สร้างขึ้นโดยเฉพาะภายในเครื่องจักร

น้ำประปา ท่อระบายน้ำ และอุโมงค์สาธารณูปโภค

อุโมงค์โครงสร้างพื้นฐานทางน้ำเป็นหนึ่งในพื้นที่การใช้งาน TBM ที่เก่าแก่และสม่ำเสมอที่สุด อุโมงค์ส่งน้ำหินลึก — เจาะที่ระดับความลึก 50–200 เมตรผ่านหินที่มีความสามารถ — ช่วยให้เมืองต่างๆ สามารถเคลื่อนย้ายน้ำในระยะทางไกลโดยไม่กระทบต่อการขุดร่องบนพื้นผิว อุโมงค์ Tideway ในลอนดอน ซึ่งเป็นอุโมงค์ระบายน้ำล้นรวมความยาว 25 กิโลเมตรซึ่งปัจจุบันอยู่ใต้แม่น้ำเทมส์ ใช้ TBM 3 ตัวในการเจาะผ่านชอล์กและดินเหนียวที่ระดับความลึกสูงสุด 65 เมตร โครงการอุโมงค์ลึกในชิคาโก ซึ่งเป็นหนึ่งในระบบอุโมงค์ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยสร้างมา ใช้ TBM เจาะอุโมงค์ยาวกว่า 175 กิโลเมตร เพื่อจัดเก็บท่อระบายน้ำล้นแบบรวมและควบคุมน้ำท่วม ที่เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า เครื่องจักรในอุโมงค์ขนาดเล็ก ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือ TBM ย่อส่วนที่ทำงานจากระยะไกลโดยไม่มีคนงานอยู่ภายใน ติดตั้งท่อสาธารณูปโภคและท่อร้อยสายในเขตเมืองโดยไม่มีการขุดร่องแบบเปิด

อุโมงค์รถไฟและรถไฟความเร็วสูง

อุโมงค์รถไฟทางไกลที่ตัดผ่านเทือกเขาเป็นตัวแทนของโครงการ TBM ที่ท้าทายและโด่งดังที่สุดในประวัติศาสตร์ อุโมงค์ Gotthard Base Tunnel ในสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งเป็นอุโมงค์รถไฟที่ยาวที่สุดในโลกที่ 57 กิโลเมตร เสร็จสมบูรณ์ในปี 2559 หลังจากใช้เวลาก่อสร้าง 17 ปีโดยใช้ TBM หลายแห่งที่ต้องเจาะผ่านความซับซ้อนทางธรณีวิทยาของเทือกเขาแอลป์ของสวิส รวมถึงหินแกรนิตแข็ง รอยแยก และโซนรอยเลื่อนหลายแห่ง อุโมงค์ช่องแคบที่เชื่อมระหว่างอังกฤษและฝรั่งเศสใช้ 11 TBM ในการเจาะอุโมงค์ 3 อุโมงค์ (อุโมงค์วิ่ง 2 อุโมงค์และอุโมงค์บริการ 1 อุโมงค์) ใต้ช่องแคบอังกฤษ โครงการที่กำลังดำเนินการอยู่ เช่น สายแม็กเลฟชูโอชินคันเซ็นของญี่ปุ่นประกอบด้วยอุโมงค์ที่ทอดยาวกว่า 25 กิโลเมตรผ่านธรณีวิทยาบนภูเขาที่ยากลำบาก ซึ่งผลักดันเทคโนโลยี TBM ไปสู่ขอบเขตใหม่

ต้นทุนที่แท้จริงของโครงการเครื่องเจาะอุโมงค์: อะไรเป็นตัวขับเคลื่อนตัวเลข

การขุดอุโมงค์ TBM มีราคาแพง — ซึ่งมักจะพิเศษเป็นพิเศษ — และการทำความเข้าใจว่าอะไรเป็นตัวขับเคลื่อนต้นทุนจะช่วยให้เจ้าของโครงการและวิศวกรตัดสินใจได้อย่างชาญฉลาดว่าเมื่อใดที่การขุดอุโมงค์ TBM เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมเมื่อเทียบกับทางเลือกอื่น เช่น การก่อสร้างแบบตัดแล้วปิดหรือเจาะและระเบิด

ต้นทุนอุโมงค์ TBM โดยทั่วไปในประเทศที่พัฒนาแล้วอยู่ในช่วงตั้งแต่ 50 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ถึง 300 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อกิโลเมตรสำหรับอุโมงค์ขนาดเมืองใหญ่ โดยมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลาง ธรณีวิทยา ความซับซ้อนของเมือง และต้นทุนแรงงานและวัสดุเฉพาะประเทศ ตัวเลขเหล่านี้สูง แต่ต้องเปรียบเทียบกับต้นทุนทางเลือกอื่นทั้งหมด ซึ่งรวมถึงต้นทุนการหยุดชะงักของพื้นผิว ผลกระทบต่อทรัพย์สิน และค่าใช้จ่ายพรีเมียมสำหรับการสร้างโครงสร้างพื้นฐานเชิงลึกที่ไม่ใช้พื้นที่ผิวที่ขาดแคลนของเมืองสมัยใหม่

การสืบสวนทางธรณีเทคนิค: เหตุใดความรู้ภาคพื้นดินจึงเป็นทุกสิ่งทุกอย่างในการขุดอุโมงค์ TBM

ไม่มีปัจจัยใดที่มีผลกระทบต่อความสำเร็จหรือความล้มเหลวของโครงการ TBM มากไปกว่าคุณภาพของการตรวจสอบทางธรณีเทคนิคที่ดำเนินการก่อนที่จะเลือกเครื่องจักรด้วยซ้ำ พื้นเป็นสื่อของ TBM และความประหลาดใจในพื้นดิน เช่น ข้อผิดพลาดที่ไม่คาดคิด การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของแรงดันน้ำ ก้อนหินในดินอ่อน หรือสภาพหน้าดินที่ยุบได้ เป็นสาเหตุหลักของความล่าช้าของโครงการ TBM ที่สำคัญที่สุด ต้นทุนเกินกำหนด และเหตุการณ์ด้านความปลอดภัย

การตรวจสอบทางธรณีเทคนิคที่ครอบคลุมสำหรับอุโมงค์ TBM โดยทั่วไปจะรวมถึงการขุดเจาะหลุมเจาะเป็นระยะๆ ตามแนวการวางแนว (บ่อยครั้งทุกๆ 50–100 เมตรสำหรับโครงการในเมือง) การทดสอบในห้องปฏิบัติการของตัวอย่างหินและดินเพื่อความแข็งแรง การเสียดสี การซึมผ่าน และคุณสมบัติอื่นๆ การตรวจสอบแรงดันน้ำใต้ดิน และการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์เพื่อระบุสิ่งกีดขวางที่ฝังอยู่ โพรง หรือความผิดปกติระหว่างหลุมเจาะ แม้จะมีค่าใช้จ่าย — โปรแกรมการตรวจสอบทางธรณีเทคนิคอย่างละเอียดสามารถคิดเป็น 1–3% ของต้นทุนโครงการทั้งหมด — วิศวกรอุโมงค์ที่มีประสบการณ์ในระดับสากลถือว่านี่เป็นเงินที่ดีที่สุดที่ใช้ในโครงการ TBM โดยทั่วไปแล้วทุกดอลลาร์ที่ลงทุนในการตรวจสอบภาคพื้นดินก่อนการก่อสร้างจะมีมูลค่าตั้งแต่สิบดอลลาร์ขึ้นไปที่ประหยัดได้ในการเรียกร้องที่หลีกเลี่ยงไม่ได้และความล่าช้าในระหว่างการก่อสร้าง

รายงานพื้นฐานทางธรณีเทคนิค (GBR) ซึ่งเป็นเอกสารที่กำหนดเงื่อนไขอ้างอิงตามสัญญาสำหรับพฤติกรรมภาคพื้นดินซึ่งการเลือก TBM และราคาของผู้รับเหมาเป็นพื้นฐาน เป็นหนึ่งในเอกสารสัญญาที่สำคัญที่สุดในโครงการ TBM ใดๆ เงื่อนไขที่เกินเกณฑ์พื้นฐานจะกระตุ้นให้เกิดกลไกการแบ่งปันความเสี่ยงตามสัญญาระหว่างเจ้าของและผู้รับเหมา การได้รับสิทธิพื้นฐานจากการสอบสวนอย่างละเอียดถือเป็นพื้นฐานของโครงการที่ยุติธรรมและประสบความสำเร็จ

นวัตกรรมที่กำหนดอนาคตของเครื่องเจาะอุโมงค์

เทคโนโลยี TBM ก้าวหน้าไปอย่างน่าทึ่งนับตั้งแต่เครื่องจักรที่ประสบความสำเร็จเครื่องแรกในทศวรรษ 1950 และ 1960 และก้าวแห่งนวัตกรรมกำลังเร่งตัวมากกว่าที่จะชะลอตัว พื้นที่ที่กำลังพัฒนาหลายแห่งมีแนวโน้มที่จะกำหนดเครื่องคว้านอุโมงค์เจเนอเรชันถัดไป:

• การตรวจสอบหัวตัดแบบเรียลไทม์และการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์: TBM สมัยใหม่มีเซ็นเซอร์หลายร้อยตัวคอยติดตามการสั่นสะเทือน แรงบิด แรงขับ อุณหภูมิ และแรงดันภาคพื้นดินแบบเรียลไทม์ ขั้นตอนต่อไปคือการผสานรวม AI และการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อคาดการณ์การสึกหรอและความล้มเหลวของเครื่องตัดก่อนที่จะเกิดขึ้น ช่วยให้สามารถวางแผนการแทรกแซงการบำรุงรักษาได้มากกว่าที่จะเกิดปฏิกิริยา สิ่งนี้มีศักยภาพในการปรับปรุงความพร้อมของเครื่องจักรได้อย่างมากและอัตราล่วงหน้าโดยการลดเวลาหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนไว้
• TBM ที่ทำงานอัตโนมัติและควบคุมจากระยะไกล: แม้ว่าระบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบของอุโมงค์ TBM ยังคงเป็นเป้าหมายระยะยาว แต่ขั้นตอนสำคัญสู่ระบบอัตโนมัติที่ดียิ่งขึ้นกำลังดำเนินการอยู่ เครื่องสร้างส่วนอัตโนมัติ ระบบนำทางด้วย GPS และการจัดการแรงขับแบบกึ่งอัตโนมัติกลายเป็นมาตรฐานในเครื่องจักรขั้นสูงแล้ว ผู้ผลิตหลายรายกำลังพัฒนาเครื่องจักรที่มีความสามารถในการขยายการทำงานโดยมีการแทรกแซงของผู้ปฏิบัติงานน้อยที่สุด ซึ่งช่วยลดจำนวนพนักงานที่ต้องใช้ภายในอุโมงค์และปรับปรุงความปลอดภัย
• เทคโนโลยีการตัดทางเลือก: เครื่องตัดจานแบบทั่วไปมีความสามารถในการเจาะหินประเภทที่แข็งที่สุดได้อย่างมีประสิทธิภาพจำกัด การวิจัยเกี่ยวกับการปรับสภาพเบื้องต้นด้วยเลเซอร์ ไมโครเวฟ พลาสมา และแรงดันน้ำแรงดันสูงของหินก่อนหัวตัดกำลังดำเนินอยู่ โดยมีเป้าหมายในการลดพลังงานที่จำเป็นสำหรับการขุดค้น และขยายขอบเขตของสภาพพื้นดินที่ TBM สามารถทำงานได้ในเชิงเศรษฐกิจ
• หน้าตัด TBM ที่ไม่ใช่วงกลม: TBM มาตรฐานสร้างอุโมงค์ทรงกลม แต่การใช้งานโครงสร้างพื้นฐานจำนวนมาก โดยเฉพาะอุโมงค์ถนนและแกลเลอรีสาธารณูปโภคแบบรวม จะได้รับประโยชน์จากหน้าตัดรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือรูปเกือกม้าที่ใช้พื้นที่ที่มีอยู่อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น TBM แบบไม่วงกลมเชิงทดลองจำนวนมากได้รับการพัฒนาและทดสอบในญี่ปุ่นและจีน และแม้ว่าเทคโนโลยีจะยังไม่ใช่กระแสหลัก แต่ก็ถือเป็นพรมแดนที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรม
• การขุดอุโมงค์อย่างต่อเนื่องโดยไม่มีการหยุดชะงักแบบวงแหวนต่อวงแหวน: วงจรหยุด-สตาร์ทในปัจจุบันของการล่วงหน้า TBM (จังหวะแทง จากนั้นหยุดเพื่อติดตั้งวงแหวนส่วน จากนั้นกลับมาทำงานต่อ) จะจำกัดอัตราการล่วงหน้าสุทธิของเครื่องโดยทั่วไปไว้ที่ 50–70% ของค่าสูงสุดทางทฤษฎี การวิจัยเกี่ยวกับระบบการขุดอุโมงค์แบบต่อเนื่อง ซึ่งมีการติดตั้งส่วนต่างๆ พร้อมๆ กับความก้าวหน้าของเครื่องจักร แทนที่จะสลับกัน มีศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตได้อย่างมาก แม้ว่าความท้าทายทางวิศวกรรมจะมีนัยสำคัญก็ตาม