Zasada wymiany noży dla TBM

1. Noże odporne na wysoką temperaturę

Podczas procesu drążenia TBM (maszyną do drążenia tuneli) noże tarczowe generują ciepło tarcia w wyniku tarcia o skałę. Powoduje to wzrost ich temperatury wewnętrznej, co prowadzi do powstawania gradientów temperatury i nierównomiernego rozszerzania cieplnego. Ciągły nacisk tocznego noża na skałę tworzy naprzemienne wewnętrzne naprężenia i odkształcenia termiczne. W wysokim stopniu prowadzi to do uszkodzenia zmęczeniowego noża, powodując pęknięcie pierścienia noża. Jednocześnie mikropęknięcia powstające w warstwie powierzchniowej pierścienia noża pod wpływem naprzemiennych naprężeń i odkształceń termicznych również przyspieszają zużycie pierścienia noża. Ponadto wraz ze wzrostem temperatury wydajność elementów wewnętrznych, takich jak łożyska i uszczelnienia, ulega znacznemu pogorszeniu. Powoduje to spadek lepkości oleju smarowego, co może prowadzić do awarii smaru, zmniejszenia nośności noża i skrócenia jego okresu eksploatacji. Odporność wysokotemperaturowa noży odpornych na wysokie temperatury zależy przede wszystkim od zdolności do pracy w wysokich temperaturach wewnętrznych uszczelnień pływających i mediów smarowych w nożu.

2. Noże odporne na wysokie ciśnienie wody

Wraz z obszernym rozwojem przestrzeni podziemnej w ostatnich latach, prace związane z drążeniem tarczowym stopniowo rosły, szczególnie w przypadku tuneli pod rzekami i pod morzem. Obecnie w głęboko położonych tunelach drążonych tarczą przy wysokim ciśnieniu wody — takich jak Tunel Shiziyang, Tunel na drodze Wuhan Sanyang, Tunel w Zatoce Shantou i Tunel Mawan — maksymalne ciśnienie wody przekraczało 10 barów. Zdolność conventionalnych noży tarczowych do różnicy ciśnień wynosi 3 bary. Podczas pracy w środowiskach o wysokim ciśnieniu wody należy stosować noże odporne na wysokie ciśnienie. Noże odpowiednie do środowisk o wysokim ciśnieniu wody wymagają przede wszystkim wysokiej stabilności uszczelnienia noża w warunkach zewnętrznego wysokiego ciśnienia, aby zapewnić normalną pracę. Kluczowym celem jest przełamanie technologii uszczelniania noży tarczowych w środowiskach o wysokim ciśnieniu wody.

2.1 Zasada działania noży tarczowych odpornych na wysokie ciśnienie wody

W środku wału noża tworzy się wnęka, która łączy się z wnętrzem noża tarczowego. Jednocześnie wewnątrz wnęki zamontowany jest ruchomy tłok. Gdy nóż tarczowy pracuje w środowisku o wysokim ciśnieniu wody, ciśnienie wewnętrzne noża jest modyfikowane poprzez regulację objętości wewnętrznego powietrza. Osiąga się w ten sposób dynamiczną równowagę z ciśnieniem otoczenia na przodku roboczym wykopu, zapewniając stabilność operacyjną obrotu noża. Zgodnie z właściwościami PVT (ciśnienie-objętość-temperatura) gazów, poprzez regulację wewnętrznej objętości noża uzyskuje się wymagane ciśnienie wewnętrzne noża tarczowego. Zapewnia to, że różnica ciśnień między wnętrzem a zewnętrzem noża nie przekracza limitu zdolności uszczelnienia do przenoszenia różnicy ciśnień. Podczas instalacji tego typu noża tarczowego generalnie wymaga się, aby wewnętrzna wnęka noża była w pełni wypełniona olejem smarowym.

2.2 Rodzaje noży tarczowych odpornych na wysokie ciśnienie wody

Wysokociśnieniowe noże tarczowe występują głównie w dwóch typach: z ruchomym tłokiem oraz z nadmuchiwanym pęcherzem. Typ z ruchomym tłokiem umożliwia osiągnięcie maksymalnego ciśnienia wewnętrznego na poziomie 6 barów. W połączeniu ze zdolnością uszczelnienia pływającego do wytrzymania bezpiecznej różnicy ciśnień wynoszącej 3 bary, ten typ wysokociśnieniowego noża tarczowego spełnia wymagania środowiskowe dla warunków wykopu do 9 barów.

2.3 Otwieranie komory pod ciśnieniem w warunkach wysokiego ciśnienia wody i wysokiej przepuszczalności warstw

W tunelach tarczowych przechodzących pod rzekami i morzami, gdy maszyna tarczowa jest zatrzymana, często znajduje się ona w złożonych warstwach gruntu o wysokim ciśnieniu wody (>0,5 MPa) i wysokiej przepuszczalności (współczynnik przepuszczalności >10⁻² cm/s). Takie warstwy gruntu nie posiadają warunków do prowadzenia prac w komorze przy ciśnieniu atmosferycznym. Dlatego nie można uniknąć prac interwencyjnych wewnątrz komory pod ciśnieniem. Wymiana noży pod ciśnieniem wiąże się z wysokim ryzykiem, powolnym postępem i stwarza znaczne zagrożenie dla zdrowia personelu. Prace interwencyjne w komorze pod ciśnieniem można podzielić na dwa rodzaje: konwencjonalne prace ze sprężonym powietrzem oraz prace metodą nurkowania saturowanego pod ciśnieniem. Pierwszy rodzaj jest odpowiedni dla warunków o małej głębokości, stosunkowo niskim ciśnieniu i krótkim czasie prowadzenia prac. Drugi rodzaj jest odpowiedni dla warunków o dużej głębokości, wysokim ciśnieniu powietrza i długim czasie prowadzenia prac.

2.3.1 Konwencjonalne interwencje w komorze sprężonego powietrza pod ciśnieniem

Nanjing Yangtze River Tunnel to typowy wczesny projekt w Chinach, w którym zastosowano konwencjonalną technologię otwierania komory sprężonego powietrza i wymiany noży pod ciśnieniem. Gdy tarcza drążąca dotarła do głębokości 53,25 m pod dnem rzeki, wystąpiło poważne zużycie tarczy skrawającej i noży, uniemożliwiając dalsze drążenie. Aby zapewnić szczelność gazową warstwy gruntu podczas operacji sprężonym powietrzem, w projekcie najpierw pozwolono dużej ilości czystej zawiesiny bentonitowej o niskiej gęstości i niskiej lepkości przeniknąć do przodka. Następnie zawiesinę wewnątrz komory ciśnieniowej zastąpiono mieszaną zawiesiną bentonitu i gliny, tworząc gęsty, gazoszczelny placek zawiesinowy. Po uformowaniu placka zawiesinowego poziom zawiesiny obniżono o 3 m i zastąpiono sprężonym powietrzem. Przed wymianą noży operatorzy weszli do śluzy osobowej w celu przeprowadzenia procesu sprężania, a następnie wykonali prace związane z wymianą noży wewnątrz komory zawiesinowej. Efektywny czas pracy na jedną sesję wynosił od 45 do 60 minut, a wydajność pracy wynosiła około 50%.

Dodatkowo, zapobieganie i leczenie choroby dekompresyjnej (barotraumy/choroby kesonowej) wśród operatorów pracujących w warunkach pneumatycznych jest kolejnym kluczowym zagadnieniem tej technologii. Ponieważ wymiana noży poprzez otwarcie komory pod ciśnieniem wymaga od operatorów przejścia procesu sprężania (zazwyczaj 10–20 min) przy każdym zadaniu, muszą oni również przejść proces dekompresji (zazwyczaj 2–3 h) wewnątrz śluzy dla ludzi przed wyjściem po zakończeniu inspekcji i wymiany tarczy tnącej oraz noży. Częste poddawanie się procesom sprężania i dekompresji łatwo prowadzi do objawów dekompresyjnych u operatorów. Dlatego konwencjonalna technologia otwierania komory sprężonym powietrzem i wymiany noży nie jest zbyt odpowiednia do operacji wymiany noży o dużym nakładzie pracy.

2.3.2 Interwencje w komorze nurkowej z nasyceniem pod ciśnieniem

Wymiana noży za pomocą nurkowania saturowanego wymaga specjalnego wyposażenia na maszynie tarczowej, takiego jak komora hiperbaryczna saturowana i śluza do transportu personelu (shuttle). Podczas wymiany noży operatorzy przechodzą tylko jeden proces sprężania. Odpoczywają i czekają w komorze hiperbarycznej oraz wykonują pracę przed przodkiem wydobywczym tarczy skrawającej. Po zakończeniu pracy również przechodzą tylko jeden proces dekompresji, aby powrócić do ciśnienia atmosferycznego. Dlatego w porównaniu z konwencjonalną wymianą noży w sprężonym powietrzu, wymiana noży metodą nurkowania saturowanego jest odpowiednia dla gruntów o wyższych ciśnieniach wody i gruntu. Jednocześnie eliminuje potrzebę wielokrotnego sprężania i dekompresji, znacznie poprawiając wydajność pracy. Podczas wymiany noży metodą nurkowania saturowanego jedna zmiana robocza może trwać do 6 do 8 godzin. Wydajność pracy jest 8 do 10 razy większa niż w przypadku konwencjonalnych operacji pod ciśnieniem. Ponadto komora saturowana może pomieścić personel przez około 3 tygodnie, skutecznie zmniejszając prawdopodobieństwo wystąpienia choroby dekompresyjnej.