انواع ماشينهاي حفر تونل در سنگ (Hard Rock TBMs)

در سالهاي اخير با پيشرفت تکنولوژي، ماشينهاي حفر تونل نيز پيشرفت قابل ملاحظهاي يافتهاند .

امروزه اين ماشينها در دو دسته کلي حفاري در خاک و حفاري در سنگ تقسيم بندي مي شوند، بعضاً آنها را در دو دسته کلي ماشينهاي داراي سپر (Shielded Machines) و ماشينهاي باز (Open Machines) نيز دسته بندي مينمايند . صرفنظر از تمام اين دسته بندي ها، و به دليل سنگي بودن جنس مسير تونل، در اين قسمت از گزارش تنها به معرفي اجمالي ماشينهاي حفر تونل در سنگ پرداخته شده است .

اين ماشينها (Hard Rock TBMs) به سه نوع زير تقسيم بندي مي شوند :

1- ماشينهاي حفر تونل از نوع باز (Open TBM)

2- ماشينهاي حفر تونل تک سپره(Single Shield TBM )

3- ماشينهاي حفر تونل با سپر تلسکوپي Double Shield or Telescopic Shield TBM))

ماشينهاي حفر تونل از نوع باز(Open TBM)

به طور کلي ماشينهاي Open در مواردي که توده سنگ درونگير تونل از مقاومت کافي جهت تحمل فشار کفشکهاي TBM برخوردار باشد و حالت ريزشي نيز نداشته باشد، بهترين گزينه هستند . اين ماشينها طراحيهاي متفاوتي دارند ولي در کل دو سيستم دو کفشکه (Double Gripper Type) و محور اصلي (Main Beam Type) عموميت بيشتري در ميان سازندگان اين نوع ماشينها دارند .

مهمترين مزيت ماشينهاي Open نسبت به سپرها، امکان دستيابي به سرعتهاي بالاي حفاري مي باشد . اين ماشينها، عمل حفاري و نصب نگهداري موقت را تقريباً همزمان انجام مي دهند و به همين جهت سرعت بالايي در اجرا دارند . در پروژه هايي که امکان حذف لاينينگ نهايي و يا اجراي سريع آن وجود دارد و شرايط سنگ نيز مناسب است، اين ماشين ارجح و انتخاب اول است .

سيکل کاري اين ماشينها خيلي ساده بوده و شامل مراحل زير است :

- بازديد اوليه : اين بازديد در شروع شيفت کاري انجام شده و شامل مشاهده وضعيت سينه کار و ديسکهاي حفاري مي باشد . در اين مرحله اگر نيازي به تعويض، ترميم يا تعمير ديسکها باشد، انجام شده و پس از آن ماشين آماده به کار بوده و سيکل حفاري شروع مي شود .

استقرار کفشکها بر روي ديواره و تنظيم فشار آن : پس از فشردن کفشک (Gripper) در ديواره و ايجاد نيروي اصطکاک کافي جهت عکس العمل به نيروي پيشروي، موتورهاي کله حفاري روشن مي شود و ضمن درگير کردن کلاج شروع به چرخش مي کند . قبل از شروع به چرخش کله حفاري سيستم هاي تهويه و نوارهاي نقاله راه اندازي شدهاند .

پيشروي کله حفاري به سمت جلو : پس از تنظيم فشار مناسب براي سيلندر هاي هيدروليک پيش برنده کله (Thrust Cylinder) که به بدنه جکهاي کفشکها متکي هستند، کله حفاري به سمت سينه کار حرکت داده ميشود. در ضمن حرکت، کله حفاري به تدريج با سنگ درگير شده و فشار سيلندر ها توسط اپراتور تا حد مناسب زياد ميشود، به نحوي که نيروي لازم بر روي ديسک ها جهت حفاري بهينه تامين گردد . در اين حالت موتورهاي کله تا حدود 95 % توانشان استفاده مي شوند .

توقف عمليات چرخش کله حفاري : پس از ادامه حفاري و پيشروي کله در سنگ، سيلندرهاي هيدروليک به انتهاي کورس خود نزديک مي شوند . در اين زمان، اپراتور به تدريج فشار پشت کله حفاري را کاهش داده و پيشروي کله متوقف مي شود . کله حفاري پس از توقف پيشروي، حدود 30-60 ثانيه به چرخش خود ادامه مي دهد تا سنگ شکسته شده در سينه کار به طور کامل تخليه شود .

استقرار ماشين بر روي زمين ( کف تونل ): پس از تخليه سنگهاي خرد شده از جلوي سينه کار، حرکت کله حفاري متوقف شده و نوار نقاله ها نيز به تبع آن متوقف مي شوند در اين زمان پاچه هاي عقبي ماشين توسط جکهاي هيدروليک خودشان بيرون رانده شده و وزن عقب ماشين بر روي اين پاشنه ها منتقل و بدين ترتيب ماشين بر روي زمين (کف تونل ) مستقر و نگهداري مي شود .

حرکت رو به جلوي کفشکها : پس از استقرار ماشين بر روي کف تونل، کفشک ها رها شده و به داخل کشيده ميشوند و توسط سيلندرهاي پيشروي به طرف جلوي ماشين کشيده شده و به محل استقرار شان منتقل مي شوند . پس از جلو رفتن کفشکها، دوباره به ديواره فشار وارد کرده و سيکل حفاري از مرحله 2 دوباره شروع مي شود .

قبل از شروع سيکل جديد در صورتيکه در اثر چرخش ماشين حول محورش انحرافي ايجاد شده باشد و تصحيحاتي در جهت عمودي، افقي و پيچشي ماشين درمسير تونل نياز باشد، توسط قاب در برگيرنده کفشکها و سيلندرهاي تنظيم جهت ماشين، انجام مي گيرد . لازم به ذکر است که همزمان با عمليات حفاري ماشين نصب نگهداري موقت همانند مش و شاتکريت، بولت و يا قاب (در صورت نياز ) انجام مي پذيرد . سيکل فوق الذکر براي تمام ماشينهاي باز (Open TBM) صادق است، منتهي تفاوتهاي جزيي در انجام تصحيحات يا ايجاد قوسهاي افقي يا عمودي در طول مسير بين ماشينهاي Main Beam و ماشينهاي Kelly typeوجود دارد . در نوع اول به دليل وجود يک دست کفشک، تصحيحات در حين سيکلانجام ميگيرد . ليکن در نوع دوم، قبل از شروع سيکل، مسير تنظيم شده و در طول هر سيکل، يک کورس مستقيم که در طول خط محوري ماشين است، حفر مي شود .

دستگاه حفاري تمام مقطع براي سازندهاي سخت (Hard rock or Open TBM)

....................................

- ماشينهاي حفر تونل تک سپره (Single Shied TBM)

در ماشينهاي Single Shield حرکت روبه جلو، از طريق اعمال نيرو توسط جکهاي هيدروليکي Hydraulic Thrust Jacks)) برقطعات بتني ((Segment نصب شده در انتهاي سپر مي باشد.

توجه شود که اين ماشينها در شرايطي به کار مي روند که توده سنگ درونگير تونل به قدري سست باشد که امکان استفاده از کفشک براي تامين نيروي پيشروي منتفي است . نصب قطعات بتني در داخل سپر از ريزش ديواره ها جلوگيري کرده و محيط مناسب براي فعاليت کارگران فراهم مي شود .

سرعت پيشروي اين ماشينها در زمينهاي سست و احياناً ريزشي، عموماً محدود به سرعت نصب سيستم نگهداري درون سپر مي باشد . در چنين زمينهايي، به علت مقاومت پايين توده سنگ، عمل کندن و حفاري به آساني و با سرعت انجام ميگيرد، ليکن لزوم نصب نگهداري سگمنتي، عملاً زمان انجام يک سيکل کامل پيشروي را افزايش ميدهد .

سينه کار اين ماشينها به هر دو صورت باز و بسته ميتواند طراحي شود که اين مورد بيشتر به ميزان آب ورودي از جبهه کار بستگي دارد .

همانطور که ذکر شد، اين ماشينها در زمينهاي سست و ريزشي استفاده مي شوند . دراين زمينها، برعکس زمينهاي سخت، کفشکهاي ماشين ( در صورت وجود ) قابل استفاده نيستند، چرا که تحت تاثير فشار پشت کفشک، به درون زمين فرو رفته و ايجاد اشکال مي کنند .

ماشينهاي Single Shield به صورت يک استوانه داراي پوشش بوده که در قسمت جلوي آن، کله حفاري و در قسمت عقب، دستگاه نصب سگمنت و جکهاي پيش برنده قرار گرفته اند .

سيکل عمليات حفاري اين ماشينها به ترتيب زير مي باشد :

- بازديد اوليه : بازديد از کله، مته ها و ديسکهاي حفاري و ساير قسمتهاي مکانيکي دستگاه .

شروع چرخش کله حفاري : پس از شروع کار سيستم تخليه ماشين ( نوار نقاله ) و آمادگي سيستم تخليه تونل، چرخش کله حفاري آغاز ميشود .

انجام حفاري و پيشروي همزمان ماشين به جلو : پس از اين که کله حفاري، شروع به چرخش نمود، با اعمال فشار از طريق سيلندرهاي پيش برنده بر روي سگمنتهايي که قبلاً در پشت دستگاه نصب شده اند، عمليات حفاري انجام شده و ماشين نيز همزمان به جلو رانده ميشود .

توقف بازوهاي هيدروليک پيش برنده : با پايان يافتن کورس بازوهاي هيدروليک، در واقع سيکل پيشروي نيز پايان مييابد .

تخليه مواد باقيمانده در سينه کار : پس از اتمام کورس بازوهاي هيدروليک، کله حفاري براي چند ثانيه به چرخش خود ادامه ميدهد، تا کليه مواد خرده شده، از جلوي سينه کار تخليه شوند .

نصب سگمنتها : با توجه به اين که فشار بازوهاي هيدروليک بر سگمنتهاي نگهداري، نيروي پيش برنده دستگاه را فراهم مي کند، نصب سگمنتها را مي توان جزيي از سيکل عمليات حفاري به حساب آورد . پس از توقف چرخش کله حفاري، بازوهاي هيدروليکي که يک يا چند عدد از آنها روي هر قطعه از سگمنتها قرار گرفته اند، رها شده و پس از نصب قطعه، با اعمال فشار ناچيزي، سگمنت را نگهداري مي کنند . در اين حالت ساير بازوها، در محل قبلي خود باقي هستند تا نوبت قطعه تحت فشار آنها برسد .

در ماشينهاي Single Shield به دليل عدم وجود کفشک، تصحيحات چرخش ماشين حول محور، از طريق چرخش عکس کله در هر سيکل تأمين مي شود . بدين ترتيب که در يک سيکل کله در جهت عقربههاي ساعت و در سيکل بعدي در خلاف جهت عقربه هاي ساعت چرخش مي کند .

ماشينهاي حفر تونل تک سپره (Single Shield TBM )

ماشينهاي حفر تونل با سپر تلسکوپي Telescopic or Double Shield TBM

ايده ساخت ماشيني با توانايي کار هم در زمينهاي بسيار خرد شده و ضعيف و هم در زمينهاي نيمه خرد شده و مناسب مطرح و اين ماشين تحت عنوانDouble Shield TBM ساخته شد .

اين ماشين داراي دو سپر جلو و عقب است و هم مجهز به کفشک ( همانند ماشينهايOpen ) و هم مجهز به جکهاي رانش ( همانند ماشينهاي Single Shield) مي باشد . به همين دليل توانايي کار هم در زمينهاي ريزشي و هم در زمينهاي با مقاومت مناسب براي کفشک را دارد .

در حالتي که زمين مقاومت مناسب را براي ايجاد رانش با کمک کفشک دارد، ماشين مي تواند به حفاري و سگمنت گذاري مستقل و همزمان بپردازد و به همين دليل سرعت حفاري ماشينهاي Shield Double به طور تئوريک دو برابر ماشينهاي Single Shield و در عمل در پروژه هاي مشابه،30 درصد بيشتر است .

در زمينهاي ريزشي و خرد شده که امکان کفشک زدن وجود ندارد، ماشين D.S.TBM دقيقاً همانند يک ماشين Single Shield پيشروي مي کند، يعني عمل حفاري با کمک ايجاد نيروي رانش توسط جکهاي انتهاي سپر و سپس نصب سگمنت پس از جمع شدن بازوها و جکهاي هيدروليکي صورت ميگيرد.

دستگاه حفاري تمام مقطع تلسكوپي (Telescopic shield TBM)

دستگاه حفاري تمام مقطع تلسكوپي (Telescopic shield TBM)

مونتاژ شده در پرتال خروجي تونل دره دايي به انوج ( قطعه پنجم)

انواع پوشش گذاري براي ديواره تونلها

Different type of Lining for Tuels

- پوشش موقت : ( Temporary lining )

1. بتون پاشي

1. Shotcrete

1. قاب گذاري فولادي

2. Steel Arch Installation

2- پوشش دائم : ( Permanent lining systems )

1. قالببندي و بتون ريزي درجا

1. Framing and Fresh Concrete

2. نصب قطعات بتوني پيش ساخته

2. Prefabricated Concrete Segments Installation