مبدأ استبدال القواطع لآلة حفر الأنفاق (TBM)

1. قواطع مقاومة لدرجات الحرارة العالية

أثناء عملية الحفر بالآلة المثقابة (TBM)، تولّد القاطع القرصي حرارة احتكاك نتيجة الاحتكاك بالصخور. ويؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارته الداخلية، مما ينتج عنه تدرجات حرارية وتمدد حراري غير متساوٍ. ويؤدي ضغط القاطع المتدحرج المستمر على الصخور إلى إجهادات وانفعالات حرارية داخلية متناوبة. وهذا من شأنه أن يؤدي بسهولة بالغة إلى تلف القاطع بسبب الإجهاد، مما يتسبب في كسر حلقة القاطع. وفي الوقت نفسه، فإن الشقوق الدقيقة المتولدة في الطبقة السطحية لحلقة القاطع بفعل الإجهادات والانفعالات الحرارية المتناوبة ستؤدي أيضاً إلى تسريع تآكل حلقة القاطع. علاوة على ذلك، مع ارتفاع درجة الحرارة، ستتأثر أداء المكونات الداخلية مثل المحامل والأختام بشكل كبير. ويؤدي ذلك إلى انخفاض لزوجة الزيت المزلق، مما قد يؤدي إلى فشل المزلق، وتقليل قدرة القاطع على تحمل الأحمال، وتقصير عمر خدمته. وتعتمد مقاومة الحرارة العالية للقواطع المقاومة للحرارة العالية بشكل أساسي على قدرات درجات الحرارة العالية للأختام العائمة الداخلية والوسائط المزلفة داخل القاطع.

2. قواطع مقاومة لضغط المياه العالي

مع التطور الواسع للفضاء تحت الأرض في السنوات الأخيرة، تزايدت تدريجياً أعمال حفر الأنفاق بالدروع، لا سيما أنفاق عبور الأنهار والبحار. حالياً، شهدت أعمال الدروع العميقة ذات ضغط المياه العالي—مثل نفق شيزيانغ، ونفق طريق ووهان سانيانغ، ونفق خليج شانتو، ونفق ماوان—أقصى ضغوط مياه تتجاوز 10 بار. تبلغ قدرة تحمل فرق الضغط لقواطع الأقراص التقليدية 3 بار. عند العمل في بيئات ذات ضغط مياه عالٍ، يجب استخدام قواطع مقاومة للضغط العالي. تتطلب القواطع المناسبة للبيئات ذات ضغط المياه العالي بشكل أساسي استقراراً عالياً لأداء إحكام القاطع تحت ظروف الضغط العالي الخارجي لضمان التشغيل الطبيعي. ويتركز الاهتمام الرئيسي على اختراق تقنية إحكام قواطع الأقراص في بيئات ضغط المياه العالي.

2.1 مبدأ قواطع الأقراص المقاومة لضغط المياه العالي

يتم إنشاء تجويف في مركز عمود القاطع، يتصل مع الجزء الداخلي لقاطع القرص. في الوقت نفسه، يتم تثبيت مكبس متحرك داخل التجويف. عندما يعمل قاطع القرص في بيئة ذات ضغط ماء عالٍ، يتم تعديل الضغط الداخلي للقاطع عن طريق ضبط حجم الهواء الداخلي. يحقق ذلك توازناً ديناميكياً مع الضغط البيئي لسطح عمل الحفر، مما يضمن استقرار تشغيل دوران القاطع. وفقاً لخصائص PVT (الضغط والحجم ودرجة الحرارة) للغازات، ومن خلال ضبط الحجم الداخلي للقاطع يتم الحصول على الضغط الداخلي المطلوب لقاطع القرص. يضمن ذلك ألا يتجاوز فرق الضغط بين داخل القاطع وخارجه الحد الأقصى لقدرة تحمل فرق الضغط لدى الحاجز. عند تركيب هذا النوع من قواطع القرص، يُشترط عموماً أن يتم ملء التجويف الداخلي للقاطع بالكامل بزيت التشحيم.

2.2 أنواع قواطع الأقراص المقاومة لضغط المياه العالي

تأتي قواطع الأقراص عالية ضغط الماء بشكل رئيسي في نوعين: النوع ذو المكبس المتحرك والنوع ذو المثانة القابلة للنفخ. يمكن للنوع ذو المكبس المتحرك تحقيق ضغط داخلي أقصى يبلغ 6 بار. وبالاقتران مع قدرة الختم العائم على تحمل فرق ضغط آمن يبلغ 3 بار، يمكن لهذا النوع من قواطع الأقراص عالية ضغط الماء تلبية المتطلبات البيئية لظروف الحفر حتى 9 بار.

2.3 تقنية فتح غرفة الضغط تحت ضغط مياه مرتفع - طبقات عالية النفاذية

في الأنفاق المدرعة التي تعبر الأنهار والبحار، عندما يتم إيقاف آلة الحفر المدرعة، غالبًا ما تكون موجودة في طبقات جيولوجية معقدة ذات ضغط مياه مرتفع (>0.5 ميجا باسكال) ونفاذية عالية (معامل النفاذية >10⁻² سم/ثانية). مثل هذه الطبقات لا تمتلك الظروف اللازمة لعمليات فتح الغرفة تحت الضغط الجوي. لذلك، من المستحيل تجنب عمليات التدخل داخل الغرفة تحت الضغط. تغيير أدوات القطع تحت الضغط يحمل مخاطر عالية، وتقدمًا بطيئًا، ويشكل مخاطر صحية كبيرة على الأفراد. يمكن تقسيم عمليات التدخل في الغرفة تحت الضغط إلى نوعين: عمليات الهواء المضغوط التقليدية وعمليات الغوص التشبع تحت الضغط. النوع الأول مناسب للظروف ذات الأعماق الضحلة والضغوط المنخفضة نسبيًا وفترات التشغيل القصيرة. النوع الأخير مناسب للظروف ذات الأعماق الكبيرة وضغوط الهواء العالية وفترات التشغيل الطويلة.

2.3.1 تدخلات غرفة الهواء المضغوط التقليدية تحت الضغط

يُعدّ نفق نهر اليانغتسي في نانجينغ مشروعًا نموذجيًا مبكرًا في الصين اعتمد تقنية فتح غرفة الهواء المضغوط التقليدية وتغيير القواطع تحت الضغط. عندما وصلت آلة حفر الأنفاق إلى عمق 53.25 مترًا تحت قاع النهر، حدث تآكل شديد في رأس القاطع والقواطع، مما جعل مواصلة الحفر مستحيلة. ولضمان إحكام الغاز في الطبقة الأرضية أثناء عمليات الهواء المضغوط، سمح المشروع أولًا لكمية كبيرة من ملاط البنتونيت النقي منخفض الكثافة ومنخفض اللزوجة بالتسرب إلى واجهة الحفر. ثم تم استبدال الملاط داخل غرفة الضغط بملاط مختلط من البنتونيت والطين لتشكيل كعكة ملاط كثيفة ومحكمة للغاز. بعد تشكّل كعكة الملاط، تم خفض مستوى الملاط بمقدار 3 أمتار واستبداله بالهواء المضغوط. قبل تغيير القواطع، دخل المشغلون إلى قفل الأشخاص للخضوع لعملية الضغط، ثم قاموا بعد ذلك بأعمال تغيير القواطع داخل غرفة الملاط. كان وقت التشغيل الفعلي لكل جلسة من 45 إلى 60 دقيقة، بكفاءة عمل تبلغ حوالي 50%.

بالإضافة إلى ذلك، تُعد الوقاية من مرض تخفيف الضغط (رضح الضغط/الانحناءات) وعلاجه لدى المشغلين في الظروف الهوائية المضغوطة قضية رئيسية أخرى لهذه التقنية. نظرًا لأن استبدال القواطع عبر فتح الغرفة تحت الضغط يتطلب من المشغلين الخضوع لعملية ضغط (عادةً 10–20 دقيقة) لكل مهمة، فإنه يتعين عليهم أيضًا الخضوع لعملية تخفيف الضغط (عادةً 2–3 ساعات) داخل غرفة الضغط قبل الخروج بعد إتمام فحص واستبدال رأس القطع والقواطع. إن الخضوع المتكرر لعمليات الضغط وتخفيف الضغط يؤدي بسهولة إلى ظهور أعراض تخفيف الضغط لدى المشغلين. لذلك، فإن تقنية فتح الغرفة الهوائية المضغوطة التقليدية وتغيير القواطع ليست مناسبة تمامًا لعمليات استبدال القواطع ذات عبء العمل الكبير.

2.3.2 تدخلات غرفة الغوص المشبع تحت الضغط

يتطلب استبدال القواطع عبر الغوص التشبعي معدات محددة على آلة حفر الدرع، مثل غرفة معيشة فرط ضغطية تشبعية وقفل نقل الأفراد (المكوك). خلال فترة استبدال القواطع، يحتاج المشغلون فقط إلى الخضوع لعملية ضغط واحدة. يستريحون وينتظرون في غرفة المعيشة فرط الضغطية وينفذون العمل أمام واجهة حفر رأس القاطع. بعد الانتهاء من العمل، يحتاجون بالمثل فقط إلى الخضوع لعملية تخفيف ضغط واحدة للعودة إلى الضغط الجوي. لذلك، مقارنةً باستبدال القواطع التقليدي بالهواء المضغوط، فإن استبدال القواطع بالغوص التشبعي مناسب للطبقات ذات ضغوط المياه والتربة الأعلى. في الوقت نفسه، يلغي الحاجة إلى عمليات ضغط وتخفيف ضغط متعددة، مما يحسن كفاءة العمل بشكل كبير. عند استخدام الغوص التشبعي لعمليات استبدال القواطع، يمكن أن تستمر وردية العمل الواحدة حتى 6 إلى 8 ساعات. كفاءة العمل تعادل 8 إلى 10 أضعاف العمليات التقليدية تحت الضغط. علاوة على ذلك، يمكن لغرفة التشبع استيعاب الأفراد لمدة حوالي 3 أسابيع، مما يقلل فعليًا من احتمالية الإصابة بمرض تخفيف الضغط.