مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حفاری مکانیزه (Mechanized Tunneling): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روش های اجرای حفاری مکانیزه

حفاری مکانیزه یک فناوری پیشرفته برای ایجاد تونل‌ها با استفاده از ماشین‌آلات سنگین است. این روش به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:

• تونل‌زنی با دستگاه TBM (Tunnel Boring Machine):

  • استفاده از یک دستگاه غول‌پیکر برای حفاری و نصب همزمان پوشش تونل.

  • مناسب برای تونل‌های طولانی و قطر بزرگ (تا ۱۵ متر).

• حفاری با دستگاه رودهدر (Roadheader):

  • استفاده از یک دستگاه مجهز به سر برش چرخان برای حفاری در سنگ‌های سخت یا نیمه‌سخت.

  • مناسب برای تونل‌های کوتاه‌تر و قطر متوسط.

۲. محاسبات کلیدی

• طراحی مسیر تونل:

  • شعاع خمش (R):
    R=(L2)/(8×D)+D/2​
    L=طول مسیر، D=عمق تونل

  • حداکثر زاویۀ انحراف: ۱-۲ درجه (برای دقت بالا).

• محاسبۀ نیروی رانش (Thrust Force):

  F=μ×W×L+Fسیال+Fخاک

• • μ=ضریب اصطکاک، W=وزن دستگاه، L=طول مسیر

  • Fسیال=مقاومت ناشی از سیال حفاری

  • Fسنگ=مقاومت سنگ

• فشار سیال حفاری:
  P=(Q×ρ)/A​
  Q=دبی سیال، ρ=چگالی، A=سطح مقطع تونل

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• دستگاه TBM:

  • سر مته (Cutterhead): مجهز به دیسک‌های برش (Disc Cutters) برای سنگ‌های سخت یا تیغه‌های برش (Drag Picks) برای خاک‌های نرم.

  • سیستم رانش: جک‌های هیدرولیک با ظرفیت ۱۰۰۰–۵۰۰۰ تُن.

  • سیستم هدایت: لیزر، ژیروسکوپ، یا سیستم‌های اینرشیال.

  • سیستم پوشش‌دهی (Lining): نصب همزمان قطعات پیش‌ساخته (Segments) برای پوشش تونل.

• دستگاه رودهدر (Roadheader):

  • سر برش چرخان: مجهز به تیغه‌های فولادی یا کاربید تنگستن.

  • سیستم حمل مواد: نوار نقاله یا سیستم‌های هیدرولیک.

• سیستم سیال حفاری:

  • دوغاب بنتونیت: برای روانکاری، خنک‌سازی، و حمل مواد.

  • پمپ و مخزن: تزریق مداوم سیال.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه و طراحی:

• مطالعات ژئوتکنیک برای تعیین نوع خاک یا سنگ و سطح آب زیرزمینی.

• طراحی مسیر با نرم‌افزارهای تخصصی (مانند Plaxis یا FLAC).

۲. حفر چاله‌های ورودی و خروجی:

• چالۀ ورودی (Launch Shaft): برای نصب دستگاه.

• چالۀ خروجی (Receiving Shaft): برای جمع‌آوری دستگاه پس از اتمام کار.

۳. نصب دستگاه TBM یا رودهدر:

• مونتاژ دستگاه در چالۀ ورودی و اتصال به سیستم رانش.

• کالیبراسیون سیستم هدایت.

۴. فرآیند حفاری:

• شروع حفاری با سر مته و تزریق سیال حفاری.

• حمل مواد به سطح با سیستم نوار نقاله یا پمپاژ.

• نصب قطعات پوشش تونل (در صورت استفاده از TBM).

۵. هدایت و کنترل مسیر:

• نظارت بر مسیر با سیستم‌های لیزری یا ژیروسکوپی.

• اصلاح انحرافات با تنظیم جک‌های هیدرولیک.

۶. پایان کار و تست نهایی:

• خارج‌کردن دستگاه از چالۀ خروجی.

• تست فشار و آب‌بندی تونل.

۵. چالشها و راهکارها

• ریزش سنگ یا خاک:

  • راهکار: افزایش فشار سیال حفاری یا استفاده از افزودنی‌های پلیمری.

• برخورد با موانع (سنگ‌های سخت یا لایه‌های آبدار):

  • راهکار: تغییر مسیر یا استفاده از مته‌های الماسه.

• انحراف از مسیر:

  • راهکار: کالیبراسیون دقیق سیستم هدایت و نظارت مداوم.

۶. مزایای حفاری مکانیزه

• دقت بالا: انحراف کمتر از ۲۵ میلیمتر در مسیرهای طولانی.

• سرعت اجرا: پیشروی ۱۰-۳۰ متر در روز (بسته به شرایط).

• امنیت: کاهش نیاز به نیروی انسانی در داخل تونل.

• کاهش تخریب سطح: مناسب برای مناطق شهری و محیط‌های حساس.

۷. کاربردهای اصلی

• ایجاد تونل‌های مترو، راه‌آهن، و جاده‌ها.

• نصب خطوط آب، فاضلاب، گاز، و کابل‌های فیبر نوری.

• عبور از زیر رودخانه‌ها، بزرگراه‌ها، فرودگاه‌ها، و مناطق تاریخی.

حفاری مکانیزه به‌عنوان یک روش پیشرفته و کارآمد، برای پروژه‌های بزرگ و پیچیده ایده‌آل است. انتخاب بین TBM و رودهدر به شرایط زمین‌شناسی، قطر تونل، و بودجه پروژه بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب