ปัจจัยทางธรณีวิทยาหลักที่มีผลต่อประสิทธิภาพการขุดเจาะของ TBM

กำลังอัดของหินแบบแกนเดียว (UCS) เป็นตัวบ่งชี้สำคัญในการประเมินความเหมาะสมของเครื่องจักรเจาะอุโมงค์ (TBM) และคาดการณ์ประสิทธิภาพการขุดเจาะ แม้ว่าจะไม่ใช่ปัจจัยเดียวที่กำหนดก็ตาม

ในโครงการอุโมงค์ TBM การสำรวจทางธรณีวิทยาอย่างครอบคลุมเป็นสิ่งจำเป็น สิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับการเลือกและออกแบบอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ นอกจากนี้ ระยะการก่อสร้างจะต้องได้รับการสนับสนุนจากระบบการสำรวจล่วงหน้าที่แข็งแกร่งและกลยุทธ์การตอบสนองที่ยืดหยุ่น เพื่อให้มั่นใจถึงความก้าวหน้าที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพของ TBM ในท้ายที่สุด

กำลังอัดแกนเดียวของหินเป็นปัจจัยทางธรณีวิทยาที่สำคัญอย่างหนึ่งในการกำหนดประสิทธิภาพการขับเคลื่อนของ TBM โดยทั่วไป TBM จะมีประสิทธิภาพสูงสุดในหินแข็งที่มีค่า UCS อยู่ระหว่าง 30 ถึง 150 MPa เมื่อความแข็งแรงของหินเกิน 150 MPa และมวลหินมีความสมบูรณ์ มีรอยแตกที่พัฒนาไม่ดี จะส่งผลให้ความเร็วในการเจาะลดลงอย่างมาก พร้อมกับปัญหาต่างๆ เช่น การสึกหรอของหัวเจาะที่รุนแรงขึ้น การสั่นสะเทือนที่ผิดปกติของหัวเจาะ การสึกหรอที่เร่งขึ้น และแม้กระทั่งการแตกร้าวของรอยเชื่อม เงื่อนไขเหล่านี้จะเพิ่มเวลาหยุดทำงานสำหรับการเปลี่ยนหัวเจาะและการบำรุงรักษาอุปกรณ์อย่างมาก ดังนั้นจึงต้องพิจารณาผลกระทบของปัจจัยนี้อย่างเต็มที่ในระหว่างการวางแผนโครงการ

ระดับการพัฒนาของรอยแตกภายในมวลหิน (รวมถึงรอยต่อ ชั้นหิน ระนาบแตก ระนาบชั้นหิน รอยเลื่อนขนาดเล็ก ฯลฯ) หรือกล่าวคือ ระดับการแตกหักหรือความสมบูรณ์ของมวลหิน เป็นปัจจัยทางธรณีวิทยาที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพการขับเคลื่อนของ TBM แม้ว่าหินจะมี UCS ความแข็ง และการขัดถูที่คล้ายคลึงกัน แต่อัตราการเจาะ (ความลึกของการตัดต่อรอบ) และอัตราการขับเคลื่อนสุทธิของ TBM อาจแตกต่างกันอย่างมาก หากระดับการพัฒนาของรอยแตกแตกต่างกัน

พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์ความสมบูรณ์ของมวลหิน (Kv) จำนวนรอยแตกเชิงปริมาตร (Jv) หรือค่าการจำแนกคุณภาพหิน (RQD) มักใช้ในการวัดระดับการพัฒนาของรอยแตก โดยทั่วไป อัตราการขับเคลื่อนสุทธิที่สูงขึ้นจะทำได้ในมวลหินที่มีความสมบูรณ์ดีและมีรอยแตกที่ค่อนข้างถี่ เนื่องจากรอยแตกในระดับปานกลางช่วยในการแตกหักของหินและลดแรงต้านทานการตัด

อย่างไรก็ตาม สถานการณ์จะกลับกันเมื่อมวลหินมีการแตกหักอย่างรุนแรง (เช่น ความหนาแน่นของรอยแตกสูงมาก ส่งผลให้ค่า Kv ต่ำกว่า 0.25) ในกรณีเช่นนี้ มวลหินจะกลายเป็นเศษหินหรือแม้กระทั่งหลวม ความแข็งแรงโดยรวมจะลดลงอย่างมาก และขาดความสามารถในการรองรับตัวเอง แม้ว่าหัวเจาะ TBM อาจเจาะได้ลึกขึ้น (กล่าวคือ ตัดได้ง่ายขึ้น) ในหินที่แตกหักเช่นนี้ แต่ดินโดยรอบที่ไม่เสถียรอย่างมากมีแนวโน้มที่จะพังทลายหรือเสียรูปทรงเข้าหากัน สิ่งนี้จำเป็นต้องใช้เวลาลงทุนอย่างมากสำหรับมาตรการค้ำยันชั่วคราว (เช่น การติดตั้งโครงเหล็ก การพ่นคอนกรีต การยึดด้วยสลักหิน) เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยของการก่อสร้างและความมั่นคงของผนังอุโมงค์ การดำเนินการค้ำยันเพิ่มเติมเหล่านี้จะใช้เวลาในการเดินหน้าอย่างมาก ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การลดอัตราการเดินหน้าสุทธิของ TBM ในส่วนเหล่านี้ ดังนั้น รอยแตกที่พัฒนามากเกินไป แม้จะลดความแข็งแรงของหินที่สมบูรณ์ แต่ก็กลายเป็นข้อจำกัดในการเดินหน้า TBM อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากการเพิ่มขึ้นอย่างมากของความต้องการในการค้ำยัน

ความแข็งของหินเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดความสามารถในการขัดถู โดยทั่วไปแล้ว ความแข็งของหินที่สูงขึ้นจะทำให้มีความสามารถในการขัดถูมากขึ้น ซึ่งจะเร่งการสึกหรอของหัวเจาะ TBM (Tunnel Boring Machine) โดยตรง ส่งผลให้หัวเจาะสึกหรอเร็วขึ้น ไม่เพียงแต่เพิ่มต้นทุนการก่อสร้างเท่านั้น แต่ยังนำไปสู่การหยุดทำงานบ่อยครั้งเพื่อเปลี่ยนหัวเจาะ ซึ่งจะลดอัตราความคืบหน้าโดยรวม

ความสามารถในการเสียดสีของหินได้รับอิทธิพลอย่างมากจากองค์ประกอบของแร่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณและขนาดอนุภาคของแร่แข็ง เช่น ควอตซ์ ปริมาณที่สูงขึ้นและขนาดอนุภาคที่ใหญ่ขึ้นของวัสดุที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเหล่านี้จะนำไปสู่การสึกหรอของหัวเจาะที่เพิ่มขึ้น

เพื่อประเมินศักยภาพการสึกหรอของหินอย่างเป็นกลาง การทดสอบความสามารถในการเสียดสีของ CERCHAR (CERCHAR Abrasivity Test) ได้รับการยอมรับในระดับสากลเพื่อกำหนดดัชนีความสามารถในการเสียดสีของ CERCHAR (CAI) ค่า CAI ได้กลายเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญสำหรับการวัดปริมาณความสามารถในการเสียดสีของหินและการคาดการณ์ผลกระทบต่อการสึกหรอของหัวเจาะและประสิทธิภาพการขับเคลื่อน TBM

เมื่อมุมระหว่างแนวรอยแตกหลักของมวลหิน (เช่น รอยต่อ ชั้นหิน) กับแกนอุโมงค์น้อยกว่า 45 องศา ร่วมกับมุมเทที่น้อย (ต่ำกว่า 30 องศา) จะมีแนวโน้มเกิดเป็นมวลหินรูปทรงลิ่มที่ไม่เสถียรในหินรอบอุโมงค์เหนือส่วนโค้งของอุโมงค์และบริเวณยอดอุโมงค์ การรวมตัวของโครงสร้างที่ไม่เอื้ออำนวยนี้ทำให้มวลหินรูปทรงลิ่มเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะหลุดร่วงหรือแม้กระทั่งพังทลายในวงกว้าง ซึ่งไม่เพียงแต่รบกวนการทำงานปกติของ TBM อย่างรุนแรงและลดประสิทธิภาพ แต่ยังก่อให้เกิดภัยคุกคามโดยตรงต่อความปลอดภัยของอุปกรณ์และบุคลากรอีกด้วย

ควรสังเกตว่ามุมระหว่าง 50-70 องศาระหว่างรอยแตกหลักและแกนอุโมงค์โดยทั่วไปจะเอื้ออำนวยมากที่สุดในการบรรลุอัตราความคืบหน้าที่สูงขึ้น

ดังนั้น การสำรวจค่าความต่อเนื่องของมวลหินก่อนการก่อสร้างอย่างแม่นยำจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการคาดการณ์และป้องกันความเสี่ยงดังกล่าว เพื่อให้การก่อสร้างด้วย TBM เป็นไปอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ