Кіріспе
Туннель қазуға арналған құрылғы. Туннельді қазу машинасы (ТБМ), сонымен қатар "моль" деп аталады, туннельдерді қазуға қолданылатын машина. Туннельдер қатты тау жыныстары, ылғал немесе құрғақ топырақ немесе құм арқылы қазылады, олардың әрқайсысы арнайы технологияны талап етеді. Туннельді қазу машиналары бұрғылау және жарылту (D&B) әдістерімен және "қолмен қазуға" қарағанда балама болып табылады. ТБМ-дер қоршаған ортаға тигізетін зиянды шектейді және тегіс туннель қабырғасын жасауға мүмкіндік береді. Бұл туннельді қаптау құнын төмендетеді және қалалық аймақтарда пайдалануға ыңғайлы. ТБМ-ді жасау қымбатқа соғады, ал үлкендерін тасымалдау қиын. Бұл тұрақты шығындар ұзын туннельдер үшін маңыздылығын жояды. TBM-мен қазылған туннельдің қимасы әртүрлі. Тар туннельдер көбінесе TBM-нен гөрі траншеясыз құрылыс әдістерін немесе көлденең бағытталған бұрғылауды пайдаланады. TBM туннельдері көлденең қимасы бойынша әдетте дөңгелек пішіндес, бірақ олар U пішіндес, жылқының жамбасы, шаршы немесе тіктөртбұрышты болуы мүмкін. Туннель қазу жылдамдығы уақыт өте келе артады. Алғашқы ТБМ аптасына 4 метрге дейін қазып шықты. Бұл 40 жылдан кейін аптасына 16 метрге дейін артты. 19 ғасырдың соңында жылдамдық аптасына 30 метрден асты. 21 ғасырдың тау-кен ТБМ-дері аптасына 700 метрден астам қазба жасай алады, ал топырақ туннельдерін қазу машиналары аптасына 200 метрден астам қазба жасай алады. Жылдамдық әдетте туннельдің көлемі ұлғайған сайын төмендейді.
A tunnel boring machine (TBM), also known as a "mole", is a machine used to excavate tunnels. Tunnels are excavated through hard rock, wet or dry soil, or sand, each of which requires specialized technology. Tunnel boring machines are an alternative to drilling and blasting (D&B) methods and "hand mining". TBMs limit the disturbance to the surrounding ground and produce a smooth tunnel wall. This reduces the cost of lining the tunnel, and is suitable for use in urban areas. TBMs are expensive to construct, and larger ones are challenging to transport. These fixed costs become less significant for longer tunnels. TBM bored tunnel cross sections range from to date. Narrower tunnels are typically bored using trenchless construction methods or horizontal directional drilling rather than TBMs. TBM tunnels are typically circular in cross section although they may be u shaped, horseshoes, square or rectangular. Tunneling speeds increase over time. The first TBM peaked at 4 meters per week. This increased to 16 meters per week four decades later. By the end of the 19th century, speeds had reached over 30 meters per week. 21st century rock TBMs can excavate over 700 meters per week, while soil tunneling machines can exceed 200 meters per week. Speed generally declines as tunnel size increases.
XIX ғасыр
Алғашқы сәтті туннельдік қалқанды 1825 жылы Темза туннелін қазу үшін сэр Марк Изамбард Брунел әзірлеген. Алайда, бұл тек қалқан тұжырымдамасының жаңашылдығы болды және толық туннель бұрғылау машинасының құрастырылуын қамтымады, қазу сол кездегі стандартты қазу әдістерімен орындалуы тиіс еді. Бірінші бұрғылау машинасы Анри Маустың «Тау кескіші» болды. 1845 жылы Сардиния королі Альп таулары арқылы Франция мен Италия арасындағы Фрежус теміржол туннелін қазуды тапсырды, Маус оны 1846 жылы Туринге жақын жердегі қару-жарақ фабрикасында салдырды. Ол 100-ден астам соққылық бұрғылардан тұрады, олар локомотив мөлшеріндегі машинаның алдыңғы жағына орнатылған, және туннельдің кіреберісінен механикалық түрде қуат алатын болды. 1848 жылғы төңкеріс қаржыландыруға әсер етті, ал туннель 10 жылдан кейін ғана пневматикалық бұрғылар сияқты инновациялық емес және арзан әдістерді қолдану арқылы аяқталды. АҚШ-та алғашқы бұрғылау машинасы 1853 жылы Массачусетс штатының солтүстік-батысындағы Хусак туннелін салу кезінде пайдаланылды. Ол құйма темірден жасалған, және өнертапқышы Чарльз Уилсонның есімімен «Уилсонның патенттелген тас кесу машинасы» деп аталды. Ол бұрғылау алдында 10 фут (3 метр) қазба жасады (бұл туннель ақырында 20 жылдан астам уақыттан кейін аяқталды, және Фрежус теміржол туннелі сияқты, аз күш жұмсалатын әдістерді қолдана отырып). Уилсонның машинасы қазіргі заманғы ТБМ-ді алдын ала болжады, өйткені ол дискілік тілгіштерге ұқсас кескіш дискілерді қолданды, олар машинаның айналатын басына бекітілді. Дәстүрлі кескішпен қазудан немесе бұрғылаудан және жарылтудан айырмашылығы, осы жаңаша әдіс қарапайым металл дөңгелектерге сүйеніп, тасты сызатын уақытша жоғары қысымды қолданды. 1853 жылы американдық Эбенезер Талбот сонымен қатар Уилсонның кесу дискілерін пайдаланған ТБМ патенттеді, бірақ олар айналатын қолдарға орнатылған, олар өз кезегінде айналатын тақтаға орнатылған. 1870 жылдары Англияның Джон Д. Брантон машина жасады, онда айналып тұрған тақталарға эксцентрикалық орнатылған кескіш дискілер қолданылды. Көлемді қашықтықты туннельдеуге арналған алғашқы ТБМ 1863 жылы ойлап табылды және 1875 жылы британдық армия офицері майор Фредерик Эдвард Блэкетт Бомонт (1833-1895) жетілдірді; Бомонттың машинасы 1880 жылы британдық армия офицері майор Томас Инглиш (1843-1935) жетілдірді. 1875 жылы Француз Ұлттық Ассамблеясы Англия арнасының астынан туннель салуды мақұлдады, ал британ Парламенті Инглиштің ТБМ-ін пайдалануды сынақтан өткізді. Оның кескіш басы бұрғыштың артында екі қарсы тұрған қолдардан тұрды, оларға кескіш дискілер орнатылған. 1882 жылдың маусымынан 1883 жылдың наурызына дейін машина шүберек арқылы жалпы ұзындығы 1840 метрді (6,036 фут) қазды. Француз инженері, Суэц каналы мердігері Александр Лавалье француз жағындағы Сангаттеден 1669 м (5476 фут) бұрғылау үшін ұқсас машинаны қолданды. Алайда, осы табысқа қарамастан, 1883 жылы ағылшын әскері туннельді басып кіру жолы ретінде пайдалануға болады деп қорқытқаннан кейін, каналдан өту туннелі жобасы тоқтатылды. Дегенмен, 1883 жылы бұл ТБМ темір жол желдеткіш туннелін – диаметрі 2,13 м және ұзындығы 2057,40 м – Біркенхед пен Ливерпуль, Англия арасында Мерси өзенінің астындағы құмтас арқылы бұрғылау үшін пайдаланылды. Гудзон өзені туннелі 1889 жылдан 1904 жылға дейін Грейтхед қалқанды ТБМ-мен салынды. Жобаға үңгірлердің құлауын азайту үшін қысылған ауа қолданылды. Алайда, көптеген жұмысшылар үңгірде немесе декомпрессиялық аурудан қайтыс болды.
1900-жылдар
19 ғасырдың соңы мен 20 ғасырдың басында өнертапқыштар темір жол, метро, канализация, сумен жабдықтау және тағы да басқалар үшін туннельдерді салуға арналған TBM-дерді жобалауды, құрастыруды және сынауды жалғастырды. Айналмалы бұрғылар немесе соққылы дрельдер жиынтығын қолданатын TBM-дерге патент алынды. Ірі тесік ашу пиласына ұқсайтын TBM-дер ұсынылды. Басқа TBM-дер сыртқы бетінде металл тістері бар айналмалы барабаннан, немесе тістермен жабылған айналмалы дөңгелек пластинадан, немесе металл тістері бар айналмалы белдеулерден тұрды. Бірақ, бұл TBM-дердің құны жоғары, қолдану қиын және қатты тау жынысын қазуға жарамсыз екені анықталды, сондықтан TBM-дерге деген қызығушылық азайды. Дегенмен, TBM-дерді калий және көмір шахталарында, жұмсақ тау жынысы бар жерлерде жетілдіру жұмыстары жалғасты. Роббинс компаниясы Канаданың Ниагара туннелі жобасы үшін белгілі бір диаметрде TBM-ді өндірді. Бұл машина Ниагара сарқырамасының астындағы гидроэлектрлік туннельді бұрғылау үшін қолданылды. Машина Сэр Адам Бек гидроэлектр станцияларына сілтеме жасай отырып, қосымша гидроэлектрлік туннельді салу мақсатымен "Биг Бекки" деп аталды.
2000 жылдар
2013 жылы Hitachi Zosen Corporation компаниясы Bertha деп аталатын жер қысымымен теңгерілген ТБМ-ді (TBM) өндірді. Ол Сиэтл қаласына, Вашингтон штатына, 99-шы тас жолдың туннель жобасына жеткізілді. Машина 2013 жылдың шілдесінде жұмыс істей бастады, бірақ 2013 жылдың желтоқсанында тоқтады және 2016 жылдың қаңтарына дейін машинаны тоқтатқан күрделі жөндеуді қажет етті. Берта 2017 жылдың 4 сәуірінде туннельді қазуды аяқтады. CREG компаниясы жеткізген екі ТБМ Куала-Лумпур қаласының жылдам транзит жүйесі үшін екі туннель қазып шықты. Қазу диаметрі болды. Ортасы суға қаныққан құмды сазтас, жақпарлы сазтас, күшті ыдыраған сазтас және аллювийден тұрды. Ол айына кемінде м қадаммен жылдамдыққа қол жеткізді. Әлемдегі ең үлкен қатты тау жынысын қазуға арналған ТБМ, Мартина деп аталатын машинаны Herrenknecht AG компаниясы салды. Оның қазу диаметрі , жалпы ұзындығы ; қазу алаңы , итергіш күші 39,485 т, жалпы салмағы 4,500 т, жалпы орнатылған қуаты 18 МВт. Оның жылдық энергия тұтынуы шамамен 62 ГВт/сағ құрады. Ол итальяндық Toto S.p.A. Costruzioni Generali (Toto Group) құрылыс компаниясына тиесілі және Флоренция маңындағы A1 итальяндық автожолының Sparvo галереясы үшін пайдаланылады. Осы компания Гонконгтағы Tuen Mun Chek Lap Kok байланысы үшін француздық Dragages Hong Kong (Bouygues еншілес компаниясы) құрылыс компаниясына тиесілі және басқаратын әлемдегі ең үлкен диаметрлі шламдық ТБМ-ді, қазу диаметрі , салды.
Түрлері
TBM әдетте алдыңғы жағында айналатын кесу дөңгелегі, кесу басы деп аталады, одан кейін негізгі подшипник, итергіш жүйе, қазылған материалды (шламды) шығару жүйесі және қолдау механизмдері орналасқан. Машиналар геологиялық жағдайларға, жер асты суының мөлшеріне және басқа да факторларға байланысты өзгереді. Тау жыныстарын бұрғылайтын машиналар, жерді бұрғылайтын машиналардан туннельді кесу әдісімен, бұрғылау процесін қолдау үшін беріліс жасау тәсілімен және жаңадан салынған туннель қабырғаларын қолдау тәсілімен ерекшеленеді.
Бетон қаптамасы
Қалқанмен қорғалған ТБМ-дар көбінесе топырақта туннельдерді қазу үшін қолданылады. Олар ТБМ-нің артында бетон сегменттерін орнатып, туннель қабырғаларын нығайтады. Машина гидравликалық цилиндрлер арқылы қалқанға қысым жасап, туннельде өзін-өзі бекітеді, бұл ТБМ-ға туннель бетіне күш түсіруге мүмкіндік береді.
Бас сәуле
Негізгі арқалық машиналары кескіштің артына бетон сегменттерін орнатпайды. Оның орнына тау жынысын дөңгелек арқалықтар, тау бұрандалары, шағын бетон, болат жолақтар, болат сақиналар және сым торлары сияқты жерді ұстау әдістерімен тіреп ұстайды.
Қалқан түрлері
Жергілікті геологияның тұрақтылығына байланысты, жаңа қазылған туннель қабырғаларын, кез келген тұрақты қолдау немесе қаптама орнатылар алдында, құлаудың алдын алу үшін дереу қолдау қажет. Көптеген TBM-дер кескіш бастың артынан қабырғаларды тұрақты туннельдік қолдау орнатылғанша қолдау үшін бір немесе бірнеше цилиндрлі қалқандармен жабдықталған. Қабырғалардың тұрақтылығы TBM-нің кесу басына күш түсіру үшін орнында бекітілу әдісіне де әсер етеді. Бұл өз кезегінде машинаның бірден бұрғылау және ілгерілеу мүмкіндігін, немесе осы операциялардың кезекпен орындалуын анықтайды.
Ашылу/Қосу
ТБМ-дар тау жынысты туннельдерде қолданылады. Олар қалқанды пайдаланбай, тікелей нығайтылмаған туннель қабырғаларына қарсы итеріледі. Вирт машинасы сияқты машиналарды тек тұтқыштарын жібергенде ғана жылжытуға болады. Ал басқа машиналар үздіксіз қозғала алады. Вирт бұрғылау циклының соңында тіреу аяқтары жерге түседі, тұтқыштар жиырылады және машина алға жылжиды. Содан кейін тұтқыштар қайтадан бекітіледі және артқы тіреу аяқтары келесі циклге дайындалып көтеріледі.
Бір қалқан
Бір қалқанды ТБМ-де кесу басының артында бір цилиндрлі қалқан орналасады. Қалқаннан кейін бірден тұрақты бетон қаптамасы салынып, TBM осы қаптамаға итермелеп кескіш басына күш түсіреді. Келесі қаптама сақинасы орнатылып жатқанда мұндай итеру мүмкін болмағандықтан, бір қалқанды ТБМ кесу және қаптама режимдерін кезектестіре жұмыс істейді.
Қос қалқан
Қос қалқан (немесе телескопиялық қалқан) TBM-нің кесу басымен бірге ілгерілейтін алдыңғы қалқаны және ұстағыш қызметін атқаратын артқы қалқаны болады. Екі қалқан шектеулі қашықтықта бір-біріне қатысты (яғни телескопиялық түрде) ось бойымен жылға алады. Ұстағыш қалқан TBM-ді бекітеді, соның арқасында кескіш басына қысым жасауға болады, ал бетон қаптамасы бір уақытта салынады.
Туннель бетін қолдау әдістері
Қатты жыныста және жер асты суының аз болуы жағдайында, ТБМ кескіш басының айналасындағы аймақ қысымсыз қалдырылуы мүмкін, себебі ашық жыныс беті өздігінен тұрақтылықты сақтай алады. Ал әлсіз топырақ болғанда немесе жер асты суы көп мөлшерде болғанда, туннельдің бетіне қысым қолданылуы қажет, осылайша құлаудың алдын алуға және/немесе жер асты суының машинаға сіңуіне жол бермеуге болады.
Жер қысымының тепе-теңдігі
Жер қысымын теңгеру (ЖҚТ) машиналары қысымы төмен, жұмсақ топырақтарда қолданылады. Түннель қабырғасындағы қысымды сақтау үшін шығарылған топырақ пайдаланылады. Шығарылған топырақ (немесе кеніш) бұрандалы конвейер арқылы ТБМ-ге жіберіледі. ТБМ-нің топырақ шығару жылдамдығы мен жылжу жылдамдығын реттеу арқылы тұнба қолданбастан, ТБМ қабырғасындағы қысымды басқаруға болады. Бентонит, полимерлер және көбік сияқты қосымша заттарды топырақты тұрақтандыру үшін алдын ала инъекциялауға болады. Мұндай қосымша заттарды кескіш басына және топырақ шығару бұрандасына бөлек-бөлек инъекциялау арқылы, қысымды ұстап тұру және су ағынын шектеу үшін топырақтың жеткілікті деңгейде байланысқа ие болуы қамтамасыз етіледі. Басқа ТБМ түрлері сияқты, ЖҚТ машиналары да бетон сегменттеріне итермелеу арқылы жылға беру үшін итермелі цилиндрлерді пайдаланады. Кескіш басы вольфрам карбидінен жасалған кесу біттерінің, карбидті диск кескіштерінің, сүйрегіш тістің және/немесе қатты тау жынысы диск кескіштерінің комбинациясын қолданады. ЖҚТ машиналары жұмсақ, ылғалды немесе тұрақсыз топырақтарда бұрынғыдан гөрі жылдам және қауіпсіз түрде туннель қазуға мүмкіндік берді. Channel Tunnel, Thames Water Ring Main, Лондон метросының бөлімдері және соңғы 20 жылда әлемде аяқталған көптеген жаңа метро туннельдері осы әдіспен қазылды. ЖҚТ машиналары тарихи түрде тұнбалы қорғаныш әдісімен (төменде қараңыз) бәсекелесіп келді, онда тұнба туннель қабырғасын тұрақтандыру және кенішті жер бетіне тасымалдау үшін қолданылады. ЖҚТ ТБМ машиналары көбінесе ұсақ топырақтарда (мысалы, саз) қолданылады, ал тұнбалы ТБМ машиналары көбінесе дөңгелек топырақтарда (мысалы, қиыршық тас) қолданылады.
Шөгінді қорғанышы
Шламанды қалқандау машиналары жоғары су қысымы бар жұмсақ топырақта немесе бұрандада тығын жасауға мүмкіндік бермейтін құмды және қиыршықты топырақ жағдайларында қолданылуы мүмкін. Кесуші басы, әдетте, бетінде гидростатикалық қысымды қолданатын бентонит балшығынан жасалған қысымды шламмен толтырылады. Шлам, туннельдің сыртында орналасқан шламы бөліп алу қондырғысына құйылатын алдында, шөгіндімен араласады. Шламды бөліп алу қондырғылары көп сатылы сүзгілеу жүйелерін пайдаланады, олар шөгіндіні шламынан бөліп, қайта қолдануға мүмкіндік береді. Шламның "тазалану" дәрежесі шөгіндінің бөлшектерінің салыстырмалы мөлшеріне байланысты. Шламды ТБМ-дер (TBM) балшық пен сазды топырақтар үшін қолайлы емес, себебі шөгіндінің бөлшектерінің мөлшері бентониттен кішідір. Мұндай жағдайда шламынан су алынып, ластанған балшықтан жасалған торт қалдырылады. Кейде жұмысшыларға машинаны басқаруға мүмкіндік беру үшін кесуші басына кассиондық жүйе орналастырылады, бірақ кассиондағы ауа қысымы жоғарылауы мүмкін, сондықтан жұмысшылар медициналық сараптамадан өтіп, "суға түсуге жарамды" деп танылып, қысымды шлюздерді пайдалана білуі керек.
Ашық бет жұмсақ жер
Ашық бетті жұмсақ топырақ TBM-дері қазылған топырақтың қысқа мерзімге қолдаусыз тұруына сүйенеді. Олар топырақтың беріктігі шамамен 0,7 мм-ге дейін және су ағыны аз болған жерлерде қолдануға ыңғайлы. Олар қалқан жиегінен тыс жерде артқы қазу қаруымен немесе кескіш басымен қимасы үлкен туннельдерді қаза алады. Бір циклді қазу аяқталғаннан кейін қалқан алға жылжытылып, жаңа цикл басталады. Топырақтың тұрақтандырылуын алдын ала құйылған бетон немесе кейде сфералық графитті темір (SGI) сегменттері қамтамасыз етеді, олар тіреу сақинасы орнатылғанша бекітіледі немесе қолдауға ие болады. Соңғы сегмент – кілт, ол көмекей пішіндес, және сақина топыраққа тығыз жабысқанша кеңейеді.
Туннельдің көлемі
ТБМ-дердің диаметрі микротуннель қалқандарынан басталады. Микротуннель қалқандары шағын туннельдерді салу үшін қолданылады, бұл жалпы туннель қалқанының кіші нұсқасы болып табылады және әдетте операторлардың жүруіне тым кішкентай туннельдерді қазуға қолданылады.
Сақтық көшірме жүйелері
Барлық типтегі туннель бұрғылау машиналарын туннельдің аяқталған бөлігінде, артта қалпына келтіру жүйесі деп аталатын сүйемелдеу платформалары қоса жүреді. Оның механизмдеріне шламды шығаруға арналған конвейерлер немесе басқа жүйелер, қажет болған жағдайда – шлам құбырлары, бақылау бөлмелері, электрмен жабдықтау, шаңды жою және желдету жүйелері, сондай-ақ алдын ала дайындалған сегменттерді тасымалдау механизмдері кіруі мүмкін.
Қалалық туннельдер және жер бетінен жақын туннельдер
Қалалық туннельдерді қазу ерекше талаптарға ие, оған сәйкес жер бетінің бұзылмауы және жердің шөгуіне жол бермеу қажет. Жұмсақ топырақта мұны жасаудың қалыпты тәсілі – құрылыс кезінде де, содан кейін де топырақ қысымын сақтап тұру. Мұндай жағдайларда, жер қысымын басқару жүйесі бар, мысалы, жер қысымы балансы (EPB) және шламдық қалқан (SS) TBM машиналары қолданылады. Екі типтің де (EPB және SS) топырақ жағдайлары жақсы құжатталған жағдайда, жер бетінің шөгуі және қуыстар пайда болу қаупін азайтуға мүмкіндігі бар. Қалалық аймақта туннель қазу кезінде басқа туннельдер, қолданыстағы инженерлік желілер және терең негіздер ескерілуі керек, сондай-ақ жобада басқа инфрақұрылымға зиян келтірмеу шаралары қарастырылуы тиіс.