टीबीएम के लिए कटर प्रतिस्थापन का सिद्धांत

1. उच्च तापमान प्रतिरोधी कटर

TBM (टनल बोरिंग मशीन) की खुदाई प्रक्रिया के दौरान, डिस्क कटर चट्टान के साथ घर्षण के कारण घर्षण ऊष्मा उत्पन्न करता है। इससे इसका आंतरिक तापमान बढ़ जाता है, जिसके परिणामस्वरूप तापमान प्रवणता और असमान तापीय विस्तार होता है। चट्टान के विरुद्ध कटर का निरंतर घूर्णन दबाव आंतरिक प्रत्यावर्ती तापीय प्रतिबल और विकृति उत्पन्न करता है। यह अत्यधिक सरलता से कटर की थकान क्षति का कारण बनता है, जिससे कटर रिंग का भंग हो जाता है। साथ ही, प्रत्यावर्ती तापीय प्रतिबल और विकृति द्वारा कटर रिंग की सतह परत में उत्पन्न सूक्ष्म-दरारें भी कटर रिंग के घिसाव को तेज करेंगी। इसके अतिरिक्त, तापमान बढ़ने के साथ, बेयरिंग और सील जैसे आंतरिक घटकों का प्रदर्शन महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित होगा। इससे स्नेहक तेल की श्यानता में कमी आती है, जिससे संभावित रूप से स्नेहक विफलता हो सकती है, कटर की भार-वहन क्षमता कम हो सकती है, और इसका सेवा जीवन छोटा हो सकता है। उच्च-तापमान प्रतिरोधी कटरों का उच्च-तापमान प्रतिरोध मुख्य रूप से कटर के भीतर आंतरिक फ्लोटिंग सील और स्नेहन माध्यम की उच्च-तापमान क्षमताओं पर निर्भर करता है।

2. उच्च जल-दबाव प्रतिरोधी कटर

हाल के वर्षों में भूमिगत स्थान के व्यापक विकास के साथ, शील्ड टनलिंग कार्यों में क्रमशः वृद्धि हुई है, विशेष रूप से नदी-पार और समुद्र-पार सुरंगों के लिए। वर्तमान में, गहरे-दबे, उच्च-जल-दबाव वाले शील्ड संचालन—जैसे शिज़ियांग सुरंग, वुहान सैनयांग रोड सुरंग, शान्तोउ खाड़ी सुरंग, और मावान सुरंग—में अधिकतम जल दबाव 10 बार से अधिक देखा गया है। पारंपरिक डिस्क कटर की दबाव-अंतर क्षमता 3 बार है। उच्च-जल-दबाव वाले वातावरण में संचालन करते समय, उच्च-दबाव प्रतिरोधी कटर का उपयोग किया जाना चाहिए। उच्च-जल-दबाव वाले वातावरण के लिए उपयुक्त कटर के लिए मुख्य रूप से बाहरी उच्च-दबाव स्थितियों के तहत कटर के सीलिंग प्रदर्शन की उच्च स्थिरता की आवश्यकता होती है ताकि सामान्य संचालन सुनिश्चित हो सके। मुख्य ध्यान उच्च-जल-दबाव वाले वातावरण में डिस्क कटर की सीलिंग तकनीक को तोड़ने पर है।

2.1 उच्च जल-दबाव डिस्क कटर का सिद्धांत

कटर शाफ्ट के केंद्र में एक गुहा बनाई जाती है, जो डिस्क कटर के आंतरिक भाग से जुड़ी होती है। साथ ही, गुहा के अंदर एक चलायमान पिस्टन लगाया जाता है। जब डिस्क कटर उच्च जल-दाब वाले वातावरण में कार्य करता है, तो आंतरिक वायु के आयतन को समायोजित करके कटर का आंतरिक दाब परिवर्तित किया जाता है। इससे उत्खनन कार्य-फलक के पर्यावरणीय दाब के साथ गतिक संतुलन प्राप्त होता है, जिससे कटर के घूर्णन की परिचालन स्थिरता सुनिश्चित होती है। गैसों के PVT (दाब-आयतन-तापमान) गुणों के अनुसार, कटर के आंतरिक आयतन को समायोजित करके डिस्क कटर का आवश्यक आंतरिक दाब प्राप्त किया जाता है। यह सुनिश्चित करता है कि कटर के अंदर और बाहर के बीच का दाब अंतर सील की दाब अंतर क्षमता की सीमा से अधिक न हो। इस प्रकार के डिस्क कटर को स्थापित करते समय, सामान्यतः आवश्यक होता है कि कटर की आंतरिक गुहा पूर्णतः स्नेहक तेल से भरी हो।

2.2 उच्च जल-दबाव डिस्क कटर के प्रकार

उच्च जल-दाब डिस्क कटर मुख्यतः दो प्रकार के होते हैं: चल पिस्टन प्रकार और फुलाने योग्य ब्लैडर प्रकार। चल पिस्टन प्रकार अधिकतम 6 बार तक आंतरिक दाब उत्पन्न कर सकता है। फ्लोटिंग सील की 3 बार के सुरक्षित दाब अंतर को सहन करने की क्षमता के साथ, इस प्रकार का उच्च जल-दाब डिस्क कटर 9 बार तक की खुदाई स्थितियों की पर्यावरणीय आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है।

2.3 उच्च जल दबाव-अत्यधिक पारगम्य स्तरों में दबाव के अंतर्गत चैंबर खोलने की तकनीक

नदियों और समुद्रों को पार करने वाली शील्ड सुरंगों में, जब शील्ड मशीन बंद होती है, तो यह अक्सर उच्च जल दबाव (>0.5 MPa) और उच्च पारगम्यता (पारगम्यता गुणांक >10⁻² cm/s) वाली जटिल परतों में स्थित होती है। ऐसी परतों में वायुमंडलीय चैंबर खोलने के संचालन की स्थितियाँ नहीं होती हैं। इसलिए, दबाव में चैंबर के अंदर हस्तक्षेप संचालन से बचना असंभव है। दबाव में कटर बदलना उच्च जोखिम वाला, धीमी प्रगति वाला होता है और कर्मियों के लिए महत्वपूर्ण स्वास्थ्य खतरे उत्पन्न करता है। दबाव में चैंबर हस्तक्षेप को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: पारंपरिक संपीड़ित वायु संचालन और दबाव में संतृप्ति गोताखोरी संचालन। पूर्व उथली गहराई, अपेक्षाकृत कम दबाव और कम संचालन अवधि वाली स्थितियों के लिए उपयुक्त है। बाद वाला अधिक गहराई, उच्च वायु दबाव और लंबी संचालन अवधि वाली स्थितियों के लिए उपयुक्त है।

2.3.1 दबाव के अंतर्गत पारंपरिक संपीड़ित वायु चैंबर हस्तक्षेप

नानजिंग यांग्त्ज़ी नदी सुरंग चीन में एक विशिष्ट प्रारंभिक परियोजना है जिसमें पारंपरिक संपीड़ित वायु कक्ष खोलने और दबाव में कटर बदलने की तकनीक अपनाई गई थी। जब शील्ड ने नदी तल के नीचे 53.25 मीटर की गहराई तक सुरंग खोदी, तो कटरहेड और कटरों पर गंभीर घिसाव हुआ, जिससे आगे की खुदाई असंभव हो गई। संपीड़ित वायु संचालन के दौरान स्तर की गैस-रोधकता सुनिश्चित करने के लिए, परियोजना ने पहले बड़ी मात्रा में कम घनत्व, कम श्यानता वाली शुद्ध बेंटोनाइट घोल को खुदाई के मुख में प्रवेश करने दिया। फिर, दबाव कक्ष के अंदर के घोल को बेंटोनाइट और मिट्टी के मिश्रित घोल से बदल दिया गया ताकि एक घना, गैस-रोधक घोल केक बन सके। घोल केक बनने के बाद, घोल का स्तर 3 मीटर कम किया गया और उसे संपीड़ित वायु से बदल दिया गया। कटर बदलने से पहले, ऑपरेटर दबाव बढ़ाने के लिए मैन लॉक में प्रवेश करते थे, और इसके बाद घोल कक्ष के अंदर कटर बदलने का कार्य करते थे। प्रत्येक सत्र के लिए प्रभावी संचालन समय 45 से 60 मिनट था, जिसमें कार्य दक्षता लगभग 50% थी।

इसके अतिरिक्त, वायवीय परिस्थितियों में ऑपरेटरों के बीच विसंपीडन रोग (बैरोट्रॉमा/बेंड्स) की रोकथाम और उपचार इस तकनीक के लिए एक अन्य प्रमुख मुद्दा है। चूंकि दबाव में चैंबर खोलकर कटर प्रतिस्थापन के लिए ऑपरेटरों को प्रत्येक कार्य के लिए दबाव बढ़ाने की प्रक्रिया (आमतौर पर 10–20 मिनट) से गुजरना पड़ता है, इसलिए कटरहेड और कटर का निरीक्षण और प्रतिस्थापन पूरा करने के बाद बाहर निकलने से पहले उन्हें मैन लॉक के अंदर विसंपीडन प्रक्रिया (आमतौर पर 2–3 घंटे) से भी गुजरना पड़ता है। बार-बार दबाव बढ़ाने और विसंपीडन प्रक्रियाओं से गुजरने से ऑपरेटरों में आसानी से विसंपीडन लक्षण उत्पन्न हो जाते हैं। इसलिए, पारंपरिक संपीड़ित वायु चैंबर खोलने और कटर बदलने की तकनीक अधिक कार्यभार वाले कटर प्रतिस्थापन कार्यों के लिए बहुत उपयुक्त नहीं है।

2.3.2 दबाव के अंतर्गत संतृप्ति डाइविंग चैंबर हस्तक्षेप

सैचुरेशन डाइविंग के माध्यम से कटर प्रतिस्थापन के लिए शील्ड मशीन पर विशिष्ट उपकरण की आवश्यकता होती है, जैसे सैचुरेशन हाइपरबेरिक लिविंग चैंबर और कार्मिक स्थानांतरण लॉक (शटल)। कटर प्रतिस्थापन अवधि के दौरान, ऑपरेटरों को केवल एक बार दबाव बढ़ाने की प्रक्रिया से गुजरना होता है। वे हाइपरबेरिक लिविंग चैंबर में आराम करते हैं और प्रतीक्षा करते हैं तथा कटरहेड खुदाई के मुख्य भाग के सामने कार्य करते हैं। कार्य पूरा होने के बाद, उन्हें वायुमंडलीय दबाव में लौटने के लिए इसी तरह केवल एक बार दबाव कम करने की प्रक्रिया से गुजरना होता है। इसलिए, पारंपरिक संपीड़ित वायु कटर प्रतिस्थापन की तुलना में, सैचुरेशन डाइविंग कटर प्रतिस्थापन अधिक जल और मृदा दबाव वाली परतों के लिए उपयुक्त है। साथ ही, यह कई बार दबाव बढ़ाने और घटाने की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे कार्य कुशलता में उल्लेखनीय सुधार होता है। कटर प्रतिस्थापन कार्यों के लिए सैचुरेशन डाइविंग का उपयोग करते समय, एक कार्य शिफ्ट 6 से 8 घंटे तक चल सकती है। कार्य कुशलता दबाव में पारंपरिक कार्यों की तुलना में 8 से 10 गुना अधिक है। इसके अलावा, सैचुरेशन चैंबर लगभग 3 सप्ताह तक कार्मिकों को समायोजित कर सकता है, जिससे डीकंप्रेशन सिकनेस होने की संभावना प्रभावी रूप से कम हो जाती है।