اصل تعویض کاتر برای TBM

۱. کاترهای مقاوم در برابر دمای بالا

در طول فرآیند حفاری TBM (ماشین حفاری تونل)، کاتر دیسکی به دلیل اصطکاک با سنگ، گرمای اصطکاکی تولید می‌کند. این امر باعث افزایش دمای داخلی آن شده و در نتیجه گرادیان دما و انبساط حرارتی ناهموار ایجاد می‌شود. فشار غلتشی مداوم کاتر بر روی سنگ، تنش و کرنش حرارتی داخلی متناوب ایجاد می‌کند. این امر به راحتی بسیار زیاد منجر به آسیب خستگی کاتر شده و باعث شکستن حلقه کاتر می‌شود. در همان زمان، ریزترک‌های ایجاد شده در لایه سطحی حلقه کاتر توسط تنش و کرنش حرارتی متناوب نیز سایش حلقه کاتر را تسریع می‌کنند. علاوه بر این، با افزایش دما، عملکرد اجزای داخلی مانند بلبرینگ‌ها و آب‌بندها به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار می‌گیرد. این امر باعث کاهش ویسکوزیته روغن روان‌کننده شده و بالقوه منجر به خرابی روان‌کننده، کاهش ظرفیت تحمل بار کاتر و کوتاه شدن عمر مفید آن می‌شود. مقاومت در برابر دمای بالا کاترهای مقاوم در برابر دمای بالا در درجه اول به قابلیت‌های دمای بالای آب‌بندهای شناور داخلی و محیط‌های روان‌کننده درون کاتر بستگی دارد.

۲. کاترهای مقاوم در برابر فشار آب بالا

با توسعه گسترده فضای زیرزمینی در سال‌های اخیر، عملیات حفاری با سپر به تدریج افزایش یافته است، به‌ویژه برای تونل‌های عبوری از رودخانه و دریا. در حال حاضر، عملیات سپر با عمق زیاد و فشار آب بالا—مانند تونل شیزینیانگ، تونل جاده سانیانگ ووهان، تونل خلیج شانتو و تونل ماوان—شاهد حداکثر فشار آب بیش از ۱۰ بار بوده‌اند. ظرفیت تحمل اختلاف فشار کاترهای دیسکی متعارف ۳ بار است. هنگام عملیات در محیط‌های با فشار آب بالا، باید از کاترهای مقاوم در برابر فشار بالا استفاده شود. کاترهای مناسب برای محیط‌های با فشار آب بالا عمدتاً نیازمند پایداری بالا در عملکرد آب‌بندی کاتر تحت شرایط فشار بالای خارجی برای اطمینان از عملکرد عادی هستند. تمرکز اصلی بر شکستن فناوری آب‌بندی کاترهای دیسکی در محیط‌های با فشار آب بالا است.

۲.۱ اصل کاترهای دیسکی مقاوم در برابر فشار آب بالا

در مرکز شفت کاتر یک حفره ایجاد می‌شود که با فضای داخلی کاتر دیسکی در ارتباط است. همزمان، یک پیستون متحرک در داخل حفره نصب می‌شود. هنگامی که کاتر دیسکی در محیطی با فشار آب بالا کار می‌کند، فشار داخلی کاتر با تنظیم حجم هوای داخلی تغییر می‌کند. این امر تعادل دینامیکی با فشار محیطی سطح کار حفاری را برقرار می‌کند و پایداری عملیاتی چرخش کاتر را تضمین می‌نماید. بر اساس خواص PVT (فشار-حجم-دما) گازها، با تنظیم حجم داخلی کاتر، فشار داخلی مورد نیاز کاتر دیسکی به دست می‌آید. این امر تضمین می‌کند که اختلاف فشار بین داخل و خارج کاتر از حد ظرفیت تحمل اختلاف فشار آب‌بند تجاوز نکند. هنگام نصب این نوع کاتر دیسکی، عموماً لازم است که حفره داخلی کاتر کاملاً با روغن روان‌کننده پر شود.

۲.۲ انواع کاترهای دیسکی مقاوم در برابر فشار آب بالا

کاترهای دیسکی فشار آب بالا عمدتاً در دو نوع موجود هستند: نوع پیستون متحرک و نوع کیسه بادی. نوع پیستون متحرک می‌تواند حداکثر فشار داخلی ۶ بار را ایجاد کند. با توجه به توانایی آب‌بند شناور در تحمل اختلاف فشار ایمن ۳ بار، این نوع کاتر دیسکی فشار آب بالا می‌تواند الزامات زیست‌محیطی شرایط حفاری تا ۹ بار را برآورده کند.

۲.۳ باز کردن محفظه تحت فشار در تکنولوژی فشار آب بالا - لایه‌های بسیار نفوذپذیر

در تونل‌های سپری که از رودخانه‌ها و دریاها عبور می‌کنند، هنگامی که دستگاه سپر متوقف می‌شود، اغلب در لایه‌های زمین‌شناسی پیچیده با فشار آب بالا (بیش از ۰/۵ مگاپاسکال) و نفوذپذیری بالا (ضریب نفوذپذیری بیش از ۱۰⁻² سانتی‌متر بر ثانیه) قرار دارد. چنین لایه‌هایی شرایط لازم برای عملیات ورود به اتاق تحت فشار اتمسفر را ندارند. بنابراین، اجتناب از عملیات مداخله در داخل اتاق تحت فشار امکان‌پذیر نیست. تعویض تیغه‌های برش تحت فشار با خطرات بالا، پیشرفت کند و خطرات بهداشتی قابل‌توجهی برای پرسنل همراه است. مداخلات در اتاق تحت فشار را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: عملیات با هوای فشرده متعارف و عملیات غواصی اشباع تحت فشار. نوع اول برای شرایط با عمق کم، فشار نسبتاً پایین و مدت زمان عملیات کوتاه مناسب است. نوع دوم برای شرایط با عمق زیاد، فشار هوای بالا و مدت زمان عملیات طولانی مناسب است.

۲.۳.۱ مداخلات متعارف محفظه هوای فشرده تحت فشار

تونل رودخانه یانگ‌تسه نانجینگ یک پروژه معمول اولیه در چین است که از فناوری متعارف باز کردن اتاق هوای فشرده و تعویض کاتر تحت فشار استفاده کرده است. زمانی که سپر به عمق ۵۳٫۲۵ متری زیر بستر رودخانه حفاری کرد، سایش شدید در کله‌حفار و کاترها رخ داد و حفاری بیشتر غیرممکن شد. برای تضمین گازبندی لایه زمین در حین عملیات هوای فشرده، پروژه ابتدا اجازه داد مقدار زیادی دوغاب بنتونیت خالص با چگالی و گرانروی پایین به جبهه حفاری نفوذ کند. سپس، دوغاب داخل اتاق فشار با دوغاب مخلوط بنتونیت و رس جایگزین شد تا یک کیک دوغابی متراکم و گازبند تشکیل شود. پس از تشکیل کیک دوغابی، سطح دوغاب ۳ متر پایین آورده شد و با هوای فشرده جایگزین گردید. پیش از تعویض کاترها، اپراتورها وارد قفل انسانی شدند تا تحت فشار قرار گیرند و سپس کار تعویض کاتر را در داخل اتاق دوغاب انجام دادند. زمان عملیات مؤثر برای هر جلسه ۴۵ تا ۶۰ دقیقه بود و بازده کاری تقریباً ۵۰٪ بود.

علاوه بر این، پیشگیری و درمان بیماری کاهش فشار (باروتروما/خمیدگی) در میان اپراتورها در شرایط پنوماتیک، مسئله کلیدی دیگری برای این فناوری است. از آنجا که تعویض کاتر از طریق باز کردن محفظه تحت فشار مستلزم آن است که اپراتورها برای هر وظیفه فرآیند افزایش فشار (معمولاً ۱۰ تا ۲۰ دقیقه) را طی کنند، آن‌ها همچنین باید پیش از خروج پس از تکمیل بازرسی و تعویض سر کاتر و کاتر، فرآیند کاهش فشار (معمولاً ۲ تا ۳ ساعت) را در داخل قفل انسانی طی کنند. قرار گرفتن مکرر در معرض فرآیندهای افزایش و کاهش فشار به‌راحتی منجر به بروز علائم کاهش فشار در اپراتورها می‌شود. بنابراین، فناوری متعارف باز کردن محفظه هوای فشرده و تعویض کاتر چندان برای عملیات تعویض کاتر با حجم کاری زیاد مناسب نیست.

۲.۳.۲ مداخلات محفظه غواصی اشباع تحت فشار

تعویض کاتر از طریق غواصی اشباع نیازمند تجهیزات خاصی روی دستگاه حفاری سپری است، مانند اتاقک زندگی هایپرباریک اشباع و قفل انتقال پرسنل (شاتل). در طول دوره تعویض کاتر، اپراتورها تنها نیاز به یک بار فرآیند افزایش فشار دارند. آن‌ها در اتاقک زندگی هایپرباریک استراحت و انتظار می‌کشند و در جلوی سطح حفاری کله‌کاتر کار انجام می‌دهند. پس از اتمام کار، آن‌ها به همین ترتیب تنها نیاز به یک بار فرآیند کاهش فشار دارند تا به فشار اتمسفر بازگردند. بنابراین، در مقایسه با تعویض کاتر با هوای فشرده متعارف، تعویض کاتر با غواصی اشباع برای لایه‌هایی با فشار آب و خاک بالاتر قابل استفاده است. در همان زمان، نیاز به افزایش و کاهش فشار چندگانه را حذف می‌کند و کارایی کار را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. هنگام استفاده از غواصی اشباع برای عملیات تعویض کاتر، یک شیفت کاری می‌تواند تا 6 تا 8 ساعت طول بکشد. کارایی کار 8 تا 10 برابر عملیات متعارف تحت فشار است. علاوه بر این، اتاقک اشباع می‌تواند پرسنل را برای حدود 3 هفته در خود جای دهد و به طور مؤثر احتمال ابتلا به بیماری کاهش فشار را کاهش می‌دهد.