العوامل الجيولوجية الرئيسية التي تؤثر على كفاءة حفر آلات الحفر النفقي (TBM)

تعتبر قوة الضغط أحادي المحور (UCS) للصخر مؤشرًا رئيسيًا لتقييم مدى ملاءمة آلات حفر الأنفاق (TBMs) والتنبؤ بكفاءة القيادة، على الرغم من أنها ليست العامل المحدد الوحيد.

في مشاريع حفر الأنفاق باستخدام آلات حفر الأنفاق (TBM)، تعد التحقيقات الجيولوجية الشاملة ضرورية. تشكل هذه التحقيقات الأساس للاختيار العلمي للمعدات والتصميم. علاوة على ذلك، يجب دعم مرحلة البناء بأنظمة استكشاف متقدمة قوية واستراتيجيات استجابة مرنة لضمان التقدم الآمن والفعال لآلة حفر الأنفاق (TBM) في النهاية.

تُعدّ مقاومة الصخور للانضغاط أحادي المحور أحد العوامل الجيولوجية الحاسمة التي تحدد كفاءة قيادة آلات الحفر النفقي (TBMs). بشكل عام، تحقق آلات الحفر النفقي الأداء الأمثل في الصخور الصلبة ذات مقاومة انضغاط أحادي المحور تتراوح بين 30 و 150 ميجا باسكال. عندما تتجاوز قوة الصخر 150 ميجا باسكال وتكون الكتلة الصخرية سليمة مع فواصل ضعيفة التطور، يحدث انخفاض كبير في معدل الاختراق، مصحوبًا بسلسلة من المشكلات: تآكل متزايد للقواطع، اهتزاز غير طبيعي لرأس القاطع، تآكل متسارع، وحتى تشقق درزات اللحام. تزيد هذه الظروف بشكل كبير من وقت التوقف لاستبدال القواطع وصيانة المعدات. وبالتالي، يجب أخذ تأثير هذا العامل في الاعتبار بشكل كامل أثناء جدولة المشروع.

تعتبر درجة تطور الانقطاعات داخل الكتلة الصخرية (بما في ذلك الفواصل، والطبقات، والصفائح، والصدوع الثانوية، وما إلى ذلك)، أي درجة تكسر الكتلة الصخرية أو سلامتها، عاملاً جيولوجيًا حاسمًا آخر يؤثر على كفاءة قيادة آلة حفر الأنفاق (TBM). حتى لو كانت الصخور تتمتع بنفس قوة الضغط أحادي المحور (UCS)، والصلابة، والتآكل، فإن معدل الاختراق (عمق القطع لكل دورة) ومعدل القيادة الصافي لآلة حفر الأنفاق يمكن أن يختلف بشكل كبير إذا اختلفت درجة تطور الانقطاعات.

تُستخدم معلمات مثل معامل سلامة الكتلة الصخرية (Kv)، أو عدد الفواصل الحجمي (Jv)، أو مؤشر جودة الصخور (RQD) بشكل شائع لقياس تطور الانقطاعات. بشكل عام، يتم تحقيق معدل قيادة صافٍ أعلى في الكتل الصخرية ذات السلامة الجيدة والانقطاعات المتباعدة نسبيًا، حيث تسهل الانقطاعات المعتدلة تكسير الصخور وتقلل من مقاومة القطع.

ولكن، ينعكس الوضع عندما تكون الكتلة الصخرية متشققة بشدة (على سبيل المثال، كثافة وصلات عالية للغاية تؤدي إلى قيمة Kv أقل من 0.25). في مثل هذه الحالات، تصبح الكتلة الصخرية مكسورة أو حتى مفككة، وتنخفض قوتها الإجمالية بشكل كبير، وتفتقر إلى القدرة على دعم نفسها. على الرغم من أن قواطع آلات حفر الأنفاق (TBM) قد تحقق اختراقًا أكبر (أي، قطع أسهل) في مثل هذه الصخور المتشققة، إلا أن الأرض المحيطة غير المستقرة للغاية تكون عرضة للانهيار أو تشوه التقارب. هذا يتطلب استثمارًا كبيرًا في الوقت لإجراءات الدعم المؤقت (على سبيل المثال، تركيب أقواس فولاذية، والتبطين بالخرسانة المقذوفة، وتثبيت الصخور بالمسامير) لضمان سلامة الإنشاء واستقرار جدار النفق. تستهلك عمليات الدعم الإضافية هذه وقت التقدم بشكل كبير، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض معدل التقدم الصافي لآلة حفر الأنفاق (TBM) في هذه الأقسام. لذلك، تصبح الفواصل المتطورة بشكل مفرط، بينما تقلل من قوة الصخر السليم، قيدًا على تقدم آلة حفر الأنفاق (TBM) بكفاءة بسبب الزيادة الدراماتيكية في الطلب على الدعم.

تعتبر صلابة الصخور عاملاً حاسماً يحدد قابليتها للتآكل. بشكل عام، كلما زادت صلابة الصخور، زادت قابليتها للتآكل، مما يؤدي مباشرة إلى تسريع تآكل قواطع آلات حفر الأنفاق (TBM). ينتج عن ذلك استهلاك أسرع للقواطع، مما لا يزيد التكاليف الإنشائية فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى فترات توقف متكررة لاستبدال القواطع، وبالتالي تقليل معدل التقدم الإجمالي.

يتأثر تآكل الصخور بشكل كبير بتركيبها المعدني، لا سيما محتوى وحجم جسيمات المعادن الصلبة مثل الكوارتز. يؤدي المحتوى الأعلى والحجم الأكبر لهذه المواد الكاشطة إلى زيادة تآكل القواطع.

لتقييم إمكانية تآكل الصخور بموضوعية، تم اعتماد اختبار تآكل سيرشار (CERCHAR Abrasivity Test) دوليًا لتحديد مؤشر تآكل سيرشار (CAI). أصبحت قيمة CAI مؤشرًا مهمًا لقياس تآكل الصخور والتنبؤ بتأثيره على تآكل القواطع وكفاءة قيادة آلة حفر الأنفاق (TBM).

عندما تكون الزاوية بين اتجاه التصدعات الرئيسية في الكتلة الصخرية (مثل الفواصل، الطبقات) ومحور النفق أقل من 45 درجة، بالإضافة إلى زاوية ميل لطيفة (أقل من 30 درجة)، تميل إلى تشكل كتل غير مستقرة على شكل إسفين في الصخور المحيطة فوق أكتاف النفق وفي منطقة التاج. هذا المزيج الهيكلي غير المواتي يجعل هذه الأوتاد عرضة بشكل كبير للفك، السقوط، أو حتى الانهيار على نطاق واسع، مما لا يعطل العمليات الطبيعية لآلات حفر الأنفاق ويقلل الكفاءة فحسب، بل يشكل أيضًا تهديدات مباشرة لسلامة المعدات والأفراد.

تجدر الإشارة إلى أن الزاوية بين 50-70 درجة بين الانقطاعات الرئيسية ومحور النفق تكون بشكل عام الأكثر ملاءمة لتحقيق معدلات تقدم أعلى.

لذلك، فإن المسح الدقيق قبل الإنشاء لاتجاهات عدم استمرارية الكتلة الصخرية أمر بالغ الأهمية للتنبؤ بهذه المخاطر ومنعها، مما يضمن بناء آمن وفعال لآلات حفر الأنفاق (TBM).