عوامل اصلی زمین‌شناسی مؤثر بر راندمان حفاری دستگاه حفاری تونل (TBM)

مقاومت فشاری تک‌محوری (UCS) سنگ، شاخص کلیدی برای ارزیابی قابلیت کاربرد ماشین‌های حفاری تونل (TBM) و پیش‌بینی راندمان حفاری است، اگرچه تنها عامل تعیین‌کننده نیست.

در پروژه‌های حفاری تونل با TBM، تحقیقات جامع زمین‌شناسی ضروری است. این تحقیقات مبنایی برای انتخاب و طراحی علمی تجهیزات فراهم می‌کند. علاوه بر این، مرحله ساخت باید با سیستم‌های پیشرفته کاوش قوی و استراتژی‌های پاسخ انعطاف‌پذیر پشتیبانی شود تا در نهایت پیشرفت ایمن و کارآمد TBM تضمین گردد.

مقاومت فشاری تک‌محوری سنگ یکی از عوامل حیاتی زمین‌شناسی است که راندمان حفاری دستگاه‌های حفاری تونل (TBM) را تعیین می‌کند. به طور کلی، TBM ها در سنگ‌های سخت با مقاومت فشاری تک‌محوری (UCS) بین 30 تا 150 مگاپاسکال به بهترین عملکرد دست می‌یابند. هنگامی که مقاومت سنگ از 150 مگاپاسکال فراتر می‌رود و توده سنگی سالم با درزهای ضعیف توسعه یافته باشد، کاهش قابل توجهی در نرخ نفوذ رخ می‌دهد که با مجموعه‌ای از مشکلات همراه است: سایش تشدید شده مته‌ها، لرزش غیرعادی سر مته، سایش تسریع شده و حتی ترک خوردگی درزهای جوش. این شرایط به طور قابل توجهی زمان توقف برای تعویض مته و نگهداری تجهیزات را افزایش می‌دهد. در نتیجه، تأثیر این عامل باید در طول زمان‌بندی پروژه به طور کامل در نظر گرفته شود.

درجه توسعه ناپیوستگی‌ها در توده سنگ (شامل درزها، لایه‌ها، شِکَفت‌ها، گسل‌های کوچک و غیره)، یعنی درجه شکستگی یا یکپارچگی توده سنگ، یکی دیگر از عوامل مهم زمین‌شناسی است که بر راندمان پیشروی ماشین حفار تونل (TBM) تأثیر می‌گذارد. حتی اگر سنگ‌ها دارای مقاومت فشاری تک‌محوری (UCS)، سختی و سایش مشابهی باشند، نرخ نفوذ (عمق برش در هر دور چرخش) و نرخ پیشروی خالص یک TBM می‌تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد اگر درجه توسعه ناپیوستگی‌ها متفاوت باشد.

پارامترهایی مانند ضریب یکپارچگی توده سنگ (Kv)، تعداد حجمی درزها (Jv) یا شاخص کیفیت سنگ (RQD) معمولاً برای کمی‌سازی توسعه ناپیوستگی‌ها استفاده می‌شوند. به طور کلی، نرخ پیشروی خالص بالاتری در توده‌های سنگی با یکپارچگی خوب و ناپیوستگی‌های نسبتاً نزدیک به هم به دست می‌آید، زیرا ناپیوستگی‌های متوسط به شکستگی سنگ کمک کرده و مقاومت برش را کاهش می‌دهند.

با این حال، وضعیت زمانی معکوس می‌شود که توده سنگی به شدت شکسته باشد (به عنوان مثال، تراکم بسیار بالای درزها که منجر به مقدار Kv کمتر از ۰.۲۵ می‌شود). در چنین مواردی، توده سنگی خرد شده یا حتی سست می‌شود، استحکام کلی آن به شدت کاهش می‌یابد و فاقد ظرفیت خودنگهداری است. اگرچه مته‌های TBM ممکن است در چنین سنگ شکسته شده‌ای نفوذ بیشتری (یعنی برش آسان‌تر) داشته باشند، اما زمین اطراف که بسیار ناپایدار است، مستعد ریزش یا تغییر شکل همگرایی است. این امر سرمایه‌گذاری زمانی قابل توجهی را برای اقدامات حمایتی موقت (مانند نصب طاق‌های فولادی، شاتکریت، بولت‌گذاری سنگ) برای اطمینان از ایمنی ساخت و ساز و پایداری دیواره تونل ضروری می‌سازد. این عملیات پشتیبانی اضافی به طور قابل توجهی زمان پیشروی را مصرف می‌کند و در نهایت منجر به کاهش نرخ پیشروی خالص TBM در این بخش‌ها می‌شود. بنابراین، ناپیوستگی‌های بیش از حد توسعه یافته، ضمن کاهش استحکام یکپارچه سنگ، به دلیل افزایش چشمگیر تقاضا برای پشتیبانی، مانعی برای پیشروی کارآمد TBM می‌شوند.

سختی سنگ عامل حیاتی تعیین‌کننده فرسایش‌پذیری آن است. به طور کلی، هرچه سختی سنگ بیشتر باشد، فرسایش‌پذیری آن نیز بیشتر است که مستقیماً باعث تسریع سایش تیغه‌های TBM (دستگاه حفاری تونل) می‌شود. این امر منجر به مصرف سریع‌تر تیغه‌ها شده و نه تنها هزینه‌های ساخت را افزایش می‌دهد، بلکه باعث توقف‌های مکرر برای تعویض تیغه‌ها شده و در نتیجه سرعت کلی پیشروی را کاهش می‌دهد.

سایش‌پذیری سنگ به طور قابل توجهی تحت تأثیر ترکیب معدنی آن، به ویژه میزان و اندازه ذرات مواد معدنی سخت مانند کوارتز قرار دارد. میزان بالاتر و اندازه ذرات بزرگتر این مواد ساینده منجر به افزایش سایش کاتر می‌شود.

برای ارزیابی عینی پتانسیل سایش سنگ، آزمون سایش‌پذیری CERCHAR به طور بین‌المللی برای تعیین شاخص سایش‌پذیری سرچار (CAI) پذیرفته شده است. مقدار CAI به یک شاخص مهم برای کمی‌سازی سایش‌پذیری سنگ و پیش‌بینی تأثیر آن بر سایش کاتر و راندمان پیشروی TBM تبدیل شده است.

هنگامی که زاویه بین راستای گسل‌های اصلی در توده سنگ (مانند درزها، لایه‌ها) و محور تونل کمتر از ۴۵ درجه باشد، همراه با زاویه شیب ملایم (کمتر از ۳۰ درجه)، بلوک‌های گوه شکل ناپایدار تمایل به تشکیل در سنگ اطراف در قسمت‌های بالایی تونل و ناحیه تاج دارند. این ترکیب نامطلوب ساختاری باعث می‌شود این گوه ها به شدت مستعد سست شدن، ریزش یا حتی فروپاشی در مقیاس بزرگ باشند، که نه تنها عملیات عادی دستگاه حفاری تونل (TBM) را به شدت مختل کرده و کارایی را کاهش می‌دهد، بلکه تهدیدات مستقیمی برای ایمنی تجهیزات و پرسنل ایجاد می‌کند.

لازم به ذکر است که زاویه بین ۵۰ تا ۷۰ درجه بین ناپیوستگی‌های اصلی و محور تونل به طور کلی برای دستیابی به نرخ پیشروی بالاتر مساعدتر است.

بنابراین، بررسی دقیق پیش از ساخت جهت‌گیری ناپیوستگی‌های توده سنگ برای پیش‌بینی و جلوگیری از چنین خطراتی، تضمین‌کننده ساخت ایمن و کارآمد TBM است.