Główne czynniki geologiczne wpływające na wydajność drążenia maszyn TBM

Jednoosiowa wytrzymałość skały na ściskanie (UCS) jest kluczowym wskaźnikiem oceny przydatności maszyn drążących tunele (TBM) i przewidywania efektywności drążenia, chociaż nie jest jedynym czynnikiem decydującym.

W projektach tunelowania TBM niezbędne są kompleksowe badania geologiczne. Stanowią one podstawę do naukowego doboru i projektowania sprzętu. Ponadto, etap budowy musi być wspierany przez solidne systemy sondowania wyprzedzającego i elastyczne strategie reagowania, aby ostatecznie zapewnić bezpieczne i efektywne postępy TBM.

Jednoosiowa wytrzymałość skały na ściskanie jest jednym z kluczowych czynników geologicznych determinujących efektywność drążenia TBM. Zazwyczaj TBM osiągają optymalną wydajność w twardych skałach o UCS w zakresie od 30 do 150 MPa. Gdy wytrzymałość skały przekracza 150 MPa, a masyw skalny jest zwarty z słabo rozwiniętymi spękaniami, następuje znaczący spadek prędkości drążenia, któremu towarzyszy szereg problemów: nasilone zużycie noży, nienormalne wibracje głowicy tnącej, przyspieszone zużycie, a nawet pękanie szwów spawalniczych. Warunki te znacznie zwiększają czas przestojów na wymianę noży i konserwację sprzętu. W związku z tym wpływ tego czynnika musi być w pełni uwzględniony podczas planowania projektu.

Stopień rozwoju nieciągłości w górotworze (w tym szczelin, spękań, łupkowatości, uskoków drobnych itp.), czyli stopień spękania lub zwartości górotworu, jest kolejnym kluczowym czynnikiem geologicznym wpływającym na efektywność drążenia za pomocą tarczy wiertniczej (TBM). Nawet jeśli skały mają podobną wytrzymałość na ściskanie jednoosiowe (UCS), twardość i ścieralność, wskaźnik penetracji (głębokość urabiania na obrót) i rzeczywista prędkość drążenia TBM mogą się znacznie różnić, jeśli stopień rozwoju nieciągłości jest odmienny.

Parametry takie jak współczynnik integralności górotworu (Kv), objętościowa liczba spękań (Jv) lub wskaźnik jakości skały (RQD) są powszechnie stosowane do kwantyfikacji rozwoju nieciągłości. Ogólnie rzecz biorąc, wyższa rzeczywista prędkość drążenia jest osiągana w górotworach o dobrej integralności i stosunkowo gęsto rozmieszczonych nieciągłościach, ponieważ umiarkowane nieciągłości ułatwiają łamanie skały i zmniejszają opór skrawania.

Jednak sytuacja odwraca się, gdy górotwór jest silnie spękany (np. ekstremalnie wysoka gęstość spękań, skutkująca wartością Kv poniżej 0,25). W takich przypadkach górotwór staje się rozdrobniony lub nawet luźny, jego ogólna wytrzymałość drastycznie spada i brakuje mu zdolności do samonośności. Chociaż frezy TBM mogą osiągnąć większą penetrację (tj. łatwiejsze cięcie) w tak spękanym skalnym podłożu, silnie niestabilny otaczający grunt jest podatny na zawalenie lub deformację konwergencyjną. Wymaga to znacznego nakładu czasu na tymczasowe środki zabezpieczające (np. montaż łuków stalowych, natrysk betonu, kotwienie skalne), aby zapewnić bezpieczeństwo budowy i stabilność ścian tunelu. Te dodatkowe operacje zabezpieczające znacząco pochłaniają czas postępu, ostatecznie prowadząc do zmniejszenia netto prędkości drążenia TBM na tych odcinkach. Dlatego nadmiernie rozwinięte nieciągłości, choć zmniejszają integralną wytrzymałość skały, stają się ograniczeniem dla efektywnego postępu TBM ze względu na drastycznie zwiększone zapotrzebowanie na wsparcie.

Twardość skały jest kluczowym czynnikiem determinującym jej ścieralność. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa twardość skały, tym większa jej ścieralność, co bezpośrednio przyspiesza zużycie frezów TBM (maszyny drążącej tunel). Prowadzi to do szybszego zużycia frezów, co nie tylko zwiększa koszty budowy, ale także powoduje częstsze przestoje na wymianę frezów, a tym samym zmniejsza ogólne tempo postępu prac.

Ścieralność skały jest znacząco wpływana przez jej skład mineralny, w szczególności zawartość i wielkość cząstek twardych minerałów, takich jak kwarc. Wyższa zawartość i większa wielkość cząstek tych materiałów ściernych prowadzą do zwiększonego zużycia dłuta.

Aby obiektywnie ocenić potencjał ścierny skały, międzynarodowo przyjęty jest Test Ścieralności CERCHAR do określenia Wskaźnika Ścieralności Cerchar (CAI). Wartość CAI stała się ważnym wskaźnikiem do kwantyfikacji ścieralności skały i przewidywania jej wpływu na zużycie dłuta oraz efektywność pracy TBM.

Gdy kąt między kierunkiem głównych nieciągłości w górotworze (np. spękań, uławiceń) a osią tunelu jest mniejszy niż 45°, w połączeniu z łagodnym kątem nachylenia (poniżej 30°), w otaczającej skale nad łukami tunelu i w obszarze sklepienia mają tendencję do tworzenia się niestabilne bloki w kształcie klina. Ta niekorzystna kombinacja strukturalna sprawia, że te kliny są bardzo podatne na luzowanie, odpadanie, a nawet wielkoskalowe zawalenia, co nie tylko poważnie zakłóca normalne operacje TBM i zmniejsza wydajność, ale także stanowi bezpośrednie zagrożenie dla bezpieczeństwa sprzętu i personelu.

Należy zauważyć, że kąt między 50 a 70 stopni między głównymi nieciągłościami a osią tunelu jest generalnie najbardziej sprzyjający osiągnięciu wyższych wskaźników postępu.

Dlatego dokładne przedwykonawcze rozpoznanie orientacji nieciągłości masy skalnej jest kluczowe dla przewidywania i zapobiegania takim ryzykom, zapewniając bezpieczną i efektywną budowę za pomocą TBM.