หลักการเปลี่ยนหัวตัดสำหรับ TBM

1. หัวตัดทนอุณหภูมิสูง

ในกระบวนการขุดเจาะด้วยเครื่องเจาะอุโมงค์ (TBM) หัวตัดแบบจานจะเกิดความร้อนจากแรงเสียดทานเนื่องจากการเสียดสีกับหิน ส่งผลให้อุณหภูมิภายในเพิ่มสูงขึ้น เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิและการขยายตัวทางความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ แรงกดจากการกลิ้งอย่างต่อเนื่องของหัวตัดต่อหินทำให้เกิดความเค้นและความเครียดทางความร้อนภายในสลับกันไปมา สิ่งนี้มีแนวโน้มสูงที่จะนำไปสู่ความเสียหายจากความล้า�องหัวตัด ทำให้วงแหวนหัวตัดแตกหัก ในขณะเดียวกัน รอยแตกขนาดเล็กที่เกิดขึ้นในชั้นผิวของวงแหวนหัวตัดจากความเค้นและความเครียดทางความร้อนสลับกันยังจะเร่งการสึกหรอของวงแหวนหัวตัดอีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ประสิทธิภาพของชิ้นส่วนภายใน เช่น ตลับลูกปืนและซีล จะได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้ทำให้ความหนืดของน้ำมันหล่อลื่นลดลง ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของสารหล่อลื่น ลดความสามารถในการรับน้ำหนักของหัวตัด และทำให้อายุการใช้งานสั้นลง ความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูงของหัวตัดทนอุณหภูมิสูงนั้นขึ้นอยู่กับความสามารถในการทนอุณหภูมิสูงของซีลลอยตัวภายในและตัวกลางหล่อลื่นภายในหัวตัดเป็นหลัก

2. หัวตัดทนแรงดันน้ำสูง

ด้วยการพัฒนาอย่างกว้างขวางของพื้นที่ใต้ดินในหลายปีที่ผ่านมา การดำเนินงานขุดเจาะด้วยเครื่องจักรshieldมีเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุโมงค์ข้ามแม่น้ำและข้ามทะเล ในปัจจุบัน การดำเนินงานshieldในสภาพฝังลึกและแรงดันน้ำสูง เช่น อุโมงค์สือจื่อหยาง อุโมงค์ซานหยางลู่หวู่ฮั่น อุโมงค์อ่าวซานโถว และอุโมงค์มาหวัน มีแรงดันน้ำสูงสุดเกิน 10 บาร์ ความสามารถในการรับแรงดันต่างของดิสก์คัตเตอร์ทั่วไปอยู่ที่ 3 บาร์ เมื่อดำเนินงานในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันน้ำสูง จำเป็นต้องใช้คัตเตอร์ที่ทนแรงดันสูง คัตเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับสภาพแวดล้อมแรงดันน้ำสูงนั้นต้องการความเสถียรสูงของประสิทธิภาพการซีลของคัตเตอร์ภายใต้สภาวะแรงดันสูงจากภายนอกเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานปกติ จุดสำคัญคือการ breakthroughs เทคโนโลยีการซีลของดิสก์คัตเตอร์ในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันน้ำสูง

2.1 หลักการของหัวตัดจานทนแรงดันน้ำสูง

มีการสร้างโพรงที่ศูนย์กลางของเพลาหัวตัด ซึ่งเชื่อมต่อกับภายในของหัวตัดแบบจาน ในขณะเดียวกัน มีการติดตั้งลูกสูบแบบเคลื่อนที่ได้ภายในโพรง เมื่อหัวตัดแบบจานทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันน้ำสูง ความดันภายในของหัวตัดจะถูกปรับเปลี่ยนโดยการปรับปริมาตรของอากาศภายใน ซึ่งทำให้เกิดสมดุลแบบพลวัตกับแรงดันสิ่งแวดล้อมของหน้าผิวงานขุด เพื่อให้มั่นใจในเสถียรภาพในการทำงานของการหมุนของหัวตัด ตามคุณสมบัติ PVT (ความดัน-ปริมาตร-อุณหภูมิ) ของก๊าซ โดยการปรับปริมาตรภายในของหัวตัดจะได้ความดันภายในที่ต้องการของหัวตัดแบบจาน ซึ่ง ensures ว่าความแตกต่างของแรงดันระหว่างภายในและภายนอกของหัวตัดไม่เกินขีดจำกัดของความสามารถในการรับความแตกต่างของแรงดันของซีล เมื่อติดตั้งหัวตัดแบบจานประเภทนี้ โดยทั่วไปกำหนดให้โพรงภายในของหัวตัดเต็มไปด้วยน้ำมันหล่อลื่น

2.2 ประเภทของหัวตัดจานทนแรงดันน้ำสูง

หัวตัดจานแรงดันน้ำสูงส่วนใหญ่มีสองประเภท: แบบลูกสูบเคลื่อนที่และแบบกระเพาะปัสสาวะพองตัว แบบลูกสูบเคลื่อนที่สามารถสร้างแรงดันภายในได้สูงสุด 6 บาร์ เมื่อรวมกับความสามารถของซีลลอยในการทนต่อความแตกต่างของแรงดันที่ปลอดภัย 3 บาร์ หัวตัดจานแรงดันน้ำสูงประเภทนี้สามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมของสภาวะการขุดได้ถึง 9 บาร์

2.3 เทคโนโลยีการเปิดห้องใต้ความดันในชั้นหินซึมผ่านสูงภายใต้แรงดันน้ำสูง

ในอุโมงค์เกราะที่ข้ามแม่น้ำและทะเล เมื่อเครื่องขุดอุโมงค์หยุดทำงาน มักจะอยู่ในชั้นดินที่ซับซ้อนซึ่งมีความดันน้ำสูง (>0.5 MPa) และการซึมผ่านสูง (ค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่าน >10⁻² cm/s) ชั้นดินเช่นนี้ไม่มีเงื่อนไขสำหรับการเปิดห้องทำงานภายใต้ความดันบรรยากาศ ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะหลีกเลี่ยงการดำเนินการแทรกแซงภายในห้องภายใต้ความดัน การเปลี่ยนใบตัดภายใต้ความดันมีความเสี่ยงสูง ความคืบหน้าช้า และเป็นอันตรายต่อสุขภาพของบุคลากรอย่างมาก การแทรกแซงภายในห้องภายใต้ความดันสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: การดำเนินการด้วยอากาศอัดแบบธรรมดาและการดำเนินการดำน้ำแบบอิ่มตัวภายใต้ความดัน ประเภทแรกเหมาะสำหรับเงื่อนไขที่มีความลึกตื้น ความดันค่อนข้างต่ำ และระยะเวลาการทำงานสั้น ส่วนประเภทหลังเหมาะสำหรับเงื่อนไขที่มีความลึกมาก ความดันอากาศสูง และระยะเวลาการทำงานยาวนาน

2.3.1 การปฏิบัติงานในห้องอากาศอัดแบบทั่วไปภายใต้ความดัน

อุโมงค์แม่น้ำแยงซีหนานจิงเป็นโครงการตัวอย่างในช่วงแรกของจีนที่นำเทคโนโลยีการเปิดห้องอากาศอัดแบบธรรมดาและการเปลี่ยนใบมีดภายใต้ความดันมาใช้ เมื่อเครื่องขุดเจาะอุโมงค์เจาะลึกลงไปถึง 53.25 เมตรใต้ท้องแม่น้ำ เกิดการสึกหรออย่างรุนแรงที่หัวเจาะและใบมีด ทำให้ไม่สามารถขุดเจาะต่อไปได้ เพื่อให้แน่ใจว่าชั้นดินมีความแน่นหนาต่อก๊าซในระหว่างการปฏิบัติงานด้วยอากาศอัด โครงการจึงได้ปล่อยให้น้ำดินเบนโทไนต์บริสุทธิ์ที่มีความหนาแน่นต่ำและความหนืดต่ำจำนวนมากแทรกซึมเข้าสู่หน้าดินที่ขุด จากนั้นจึงเปลี่ยนน้ำดินภายในห้องความดันด้วยน้ำดินผสมระหว่างเบนโทไนต์และดินเหนียวเพื่อสร้างเค้กน้ำดินที่แน่นหนาและกันก๊าซได้ หลังจากเค้กน้ำดินก่อตัวแล้ว ระดับน้ำดินถูกลดลง 3 เมตรและเปลี่ยนเป็นอากาศอัด ก่อนการเปลี่ยนใบมีด ผู้ปฏิบัติงานเข้าไปในห้องปรับความดันคนเพื่อรับการเพิ่มความดัน และจากนั้นจึงดำเนินการเปลี่ยนใบมีดภายในห้องน้ำดิน เวลาปฏิบัติงานที่มีประสิทธิภาพในแต่ละครั้งอยู่ที่ 45 ถึง 60 นาที โดยมีประสิทธิภาพการทำงานประมาณ 50%

นอกจากนี้ การป้องกันและรักษาโรคจากการลดความกดอากาศ (บารอทรอมา/โรคเคาน์ซอง) ในหมู่ผู้ปฏิบัติงานภายใต้สภาวะอากาศอัดยังเป็นอีกประเด็นสำคัญของเทคโนโลยีนี้ เนื่องจากการเปลี่ยนใบมีดผ่านการเปิดห้องภายใต้ความกดอากาศกำหนดให้ผู้ปฏิบัติงานต้องผ่านกระบวนการเพิ่มความกดอากาศ (โดยทั่วไป 10–20 นาที) สำหรับทุกภารกิจ พวกเขายังต้องผ่านกระบวนการลดความกดอากาศ (โดยทั่วไป 2–3 ชั่วโมง) ภายในห้องปรับความกดอากาศก่อนออกมาหลังจากตรวจสอบและเปลี่ยนหัวตัดและใบมีดเสร็จสิ้น การผ่านกระบวนการเพิ่มและลดความกดอากาศบ่อยครั้งทำให้ผู้ปฏิบัติงานเกิดอาการจากการลดความกดอากาศได้ง่าย ดังนั้น เทคโนโลยีการเปิดห้องอากาศอัดและการเปลี่ยนใบมีดแบบทั่วไปจึงไม่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการดำเนินการเปลี่ยนใบมีดที่มีปริมาณงานมาก

2.3.2 การปฏิบัติงานในห้องดำน้ำอิ่มตัวภายใต้ความดัน

การเปลี่ยนใบมีดตัดผ่านการดำน้ำอิ่มตัวต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะบนเครื่องขุดอุโมงค์ เช่น ห้องพักอาศัยแรงดันสูงแบบอิ่มตัว และล็อกถ่ายโอนบุคลากร (กระสวย) ในช่วงระยะเวลาการเปลี่ยนใบมีดตัด ผู้ปฏิบัติงานเพียงต้องผ่านกระบวนการเพิ่มความดันเพียงครั้งเดียว พวกเขาพักผ่อนและรอในห้องพักอาศัยแรงดันสูงและปฏิบัติงานที่ด้านหน้าใบมีดตัดของผนังขุด หลังจากงานเสร็จสิ้น พวกเขาก็เช่นกันเพียงต้องผ่านกระบวนการลดความดันเพียงครั้งเดียวเพื่อกลับสู่ความดันบรรยากาศ ดังนั้น เมื่อเทียบกับการเปลี่ยนใบมีดตัดด้วยอากาศอัดแบบทั่วไป การเปลี่ยนใบมีดตัดด้วยการดำน้ำอิ่มตัวจึงเหมาะสำหรับชั้นดินที่มีแรงดันน้ำและแรงดันดินสูงกว่า ในขณะเดียวกันก็ไม่จำเป็นต้องเพิ่มและลดความดันหลายครั้ง ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานได้อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อใช้การดำน้ำอิ่มตัวสำหรับการปฏิบัติงานเปลี่ยนใบมีดตัด กะการทำงานเดียวสามารถ lasts ได้นานถึง 6 ถึง 8 ชั่วโมง ประสิทธิภาพการทำงานเป็น 8 ถึง 10 เท่าของการปฏิบัติงานภายใต้ความดันแบบทั่วไป นอกจากนี้ ห้องอิ่มตัวยังสามารถรองรับบุคลากรได้ประมาณ 3 สัปดาห์ ซึ่งช่วยลดโอกาสในการเกิดโรคจากการลดความดันได้อย่างมีประสิทธิภาพ