حفاري مکانيزه و  انتخاب TBM در سنگ

 مقدمه

روش حفاري با TBM يک سرمايه­گذاري زياد با قابليت انعطاف­پذيري بسيار کم است ولي به طور بالقوه روشي بسيار سريع براي حفاري و نگهداري تونل در سنگ قلمداد مي‌شود.

TBMها براي حفاري تونلي با مقطع دايره­اي شکل کاربرد دارند و در نصب نگهداري موقت و پوشش نهايي تونل نيز سطح بالايي از مکانيزاسيون را از خود نشان مي­دهند. به علت فرايند حفاري مکانيکي، اين روش حفاري موجب کاهش آشفتگي در سنگ شده  و پروفيل دقيقي از تونل را ايجاد مي­کند.

حفر تونل با TBM

• مزايا

-         کاهش سطح مقطع براي تونل­هاي آب؛

-         حفاري سريع و کاهش زمان احداث؛

-         سطح حفاري صاف­تر با پايداري بيشتر؛

-         کاهش هزينه­هاي نگهداري سنگهاي مجاور تونل به واسطه سست شدگي6 کم­تر؛

-         کاهش بيش شکستگي؛

-         کاهش ارتعاشات به علت عدم استفاده از آتشباري و متعاقبا کاهش تاثير بر روي سازه­هاي مجاور؛

-         محيط کاري ايمن تر به علت عدم به کارگيري مواد خطرناکي مانند مواد منفجره براي حفاري تونل؛

-         قابليت کنترل از راه دور و اتوماسيون به سبب پيوستگي عمليات.

• معايب

-       هزينه سرمايه­گذاري بالا؛

-       زمان ساخت و تحويل ماشين جديد، زياد است؛

-       تجهيزات، زمان و هزينه مصرف زياد؛

-       ريسک زمين شناسي بالا با توجه به نرخ پيشروي، مصرف برش دهنده­ها و هزينه­ها؛

-       انعطاف­پذيري کم در برخورد با شرايط مختلف زمين؛

-       ريسک خرابي ماشين در اثر شکست ياتاقان اصلي؛

-       افزايش سريع هزينه‌هاي تونلسازي در نواحي خرد شده و مشکل­آفرين؛

-       نرخ پيشروي کم در سنگ­هاي بسيار قوي و يا بسيار ضعيف.

 انتخاب TBM

دامنه کاربرد TBMها به علت شرايط پيچيده زمين­شناسي بسيار محدود مي­باشد و لذا بايد با بررسي‌هاي دقيق و همه جانبه شرايط ماشين و زمين، انتخاب شوند. در سال­هاي اخير TBMها از نظر جنبه­هاي مکانيکي (نيروي محوري و گشتاور)  و خصوصا از لحاظ توانايي حفاري در سنگ سخت، پيشرفت­هاي چشمگيري داشته­اند و از لحاظ مقاومت فشاري سنگ، قابليت کار در شرايط وسيع زمين شناسي از سنگ نرم تا سخت را کسب کرده­اند. همچنين توسعه برش­دهنده­هاي غلتکي با قطر بزرگ­تر و مقاومت بيشتر در برابر سايش، توانايي TBMها را براي حفاري در سنگ سخت افزايش داده است.

انتخاب TBM مناسب بايد به گونه­اي باشد که بتواند در شرايط نامطلوب و غيرمترقبه نيز حفاري تونل را با عملکرد قابل قبولي ادامه دهد. شرايط نامطلوب در تونلسازي با TBM ممکن است از طريق توده­­هاي سنگي ضعيف که منجر به ناپايداري ديواره و يا سينه‌کار تونل مي­شود و يا به وسيله توده­هاي ­سنگي با کيفيت بسيار خوب (توده سنگ توده­اي و قوي) که باعث کاهش نرخ پيشروي مي­شود، اتفاق بيفتد. بنابراين معمولا TBMها بر اساس شرايط زمين، طراحي، ساخته و انتخاب مي­شوند که اين شرايط شامل سنگ سخت، زمين نرم و و بعضا سينه کاري با زمين مرکب است. TBMهاي مورد استفاده جهت حفاري در سنگ هاي سخت محدوديت اجرا و اعمال نيروي محوري را دارند، زيرا نيروي محوري بيشتري براي نفوذ در اين نوع سنگ ها لازم است؛ از طرف ديگر در زمين­هاي نرم،TBM ها بيشتر محدوديت اعمال نيرو دارند. زيرا نيروي غلتش بالاتري براي نفوذ عميق براي سطح مشخصي از نيروي محوري، لازم است. در زمين­هاي نرم با سينه کار مرکب، TBMها نمي­توانند هميشه کارايي مناسبي داشته باشند، زيرا ارتعاشات کله حفار و ناپايداري سينه کار مانع آن مي­شود.

TBMها اغلب به خاطر داشتن نرخ پيشروي بيشتر نسبت به روش­هاي سنتي از لحاظ هزينه­اي تنها براي حفر تونل هايي با طول زياد به کار مي­روند. ارائه حداقل طول تونل، عملا ممکن نيست و به عوامل­ بيشماري که خاص هر پروژه است بستگي دارد. ولي به طور کلي استفاده از TBM از طول تقريبا 2 کيلومتر آغاز مي شود که بستگي به قطر ماشين دارد. 

در زير به برخي از مهمترين عوامل زمين‌شناسي و ژئومکانيکي موثر بر انتخاب TBM اشاره شده است:

-       مقاومت سنگ

-       شرايط درزه و لايه­بندي

-       شرايط آب

-       وجود گسل

-       شرايط مچاله­شوندگي

TBMها براي حفاري سنگ­هايي با مقاومت متوسط تا زياد (mm²/ N300-50) مناسب هستند. به شرط اينکه سنگ سايندگي زيادي نداشته باشد؛ زيرا افزايش سايندگي سنگ که بيشتر ناشي از کاني‌هايي با درجه سختي بالا است (مانند کوارتز)، منجر به فرسايش ابزارهاي برش­دهنده خواهد شد. همچنين سيستم پشتيباني TBMها بايد در هر شرايطي که در طول مسير تونل اتفاق مي­افتد، توانايي کار را داشته باشد.