Giải thích về Sản xuất TBM: Máy khoan hầm được thiết kế, chế tạo và giao hàng như thế nào

Sản xuất TBM là gì và tại sao nó quan trọng?

Sản xuất TBM đề cập đến kỹ thuật và sản xuất Máy khoan hầm - những thiết bị khổng lồ, chuyên dụng cao được sử dụng để đào đường hầm qua các điều kiện đá, đất, đất sét và mặt đất hỗn hợp. Đây là một trong những cỗ máy phức tạp nhất từng được chế tạo, kết hợp kỹ thuật cơ khí tiên tiến, thủy lực, điện tử và khoa học vật liệu thành một hệ thống tích hợp duy nhất có thể nặng từ vài trăm tấn cho một máy đường hầm tiện ích nhỏ đến hơn 7.000 tấn cho một dự án đường hầm tàu ​​điện ngầm hoặc đường cao tốc đường kính lớn. Quy trình sản xuất máy khoan hầm không giống như sản xuất hầu hết các thiết bị công nghiệp - mỗi máy thực sự là một dự án tùy chỉnh được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về địa chất, đường kính, căn chỉnh và lớp lót cụ thể của một hợp đồng đường hầm.

Nhu cầu toàn cầu về TBM đã tăng đều đặn trong nhiều thập kỷ, do đầu tư cơ sở hạ tầng lớn vào hệ thống đường sắt đô thị, hầm đường bộ, cơ sở hạ tầng cấp nước và xử lý nước thải, hầm thủy điện và mạng lưới hậu cần ngầm. Các thành phố từ London đến Mumbai đến Los Angeles đang tích cực sử dụng TBM để xây dựng cơ sở hạ tầng dưới lòng đất mà không làm gián đoạn cuộc sống trên mặt đất. Nhu cầu này đã tạo ra một môi trường cạnh tranh toàn cầu Sản xuất TBM Ngành công nghiệp này bị thống trị bởi một số ít các nhà sản xuất lớn có khả năng cung cấp các loại máy tùy chỉnh được thiết kế và chế tạo với độ chính xác vượt trội theo thời gian hợp đồng có thể kéo dài 18 tháng trở lên.

Các loại máy khoan hầm và cách sản xuất mỗi loại khác nhau

Sản xuất TBM không phải là một quy trình sản xuất đơn lẻ - nó là một nhóm các thiết kế máy có liên quan nhưng khác nhau rõ rệt, mỗi thiết kế được thiết kế cho các điều kiện mặt đất cụ thể. Loại TBM được chọn cho dự án về cơ bản sẽ định hình phạm vi sản xuất, thông số kỹ thuật của bộ phận và độ phức tạp của việc lắp ráp liên quan.

TBM đá cứng (TBM kẹp)

TBM kẹp được thiết kế để đào hầm xuyên qua các loại đá rắn chắc như đá granit, đá bazan và đá vôi. Máy tiến lên bằng cách đẩy đầu cắt quay vào mặt đá trong khi bộ kẹp thủy lực kéo dài sang hai bên để giằng vào thành hầm, cung cấp lực phản lực cần thiết cho lực đẩy về phía trước. Việc sản xuất TBM kẹp tập trung vào việc sản xuất một đầu cắt cực kỳ chắc chắn — thường được chế tạo từ tấm thép cường độ cao với vỏ dao cắt dạng đĩa được định vị chính xác — và cụm ổ trục chính mạnh mẽ có khả năng truyền lực đẩy cực lớn trong khi quay liên tục. Máy cắt đĩa trên máy đá cứng là các bộ phận cacbua được chế tạo chính xác phải được sản xuất với dung sai kích thước chặt chẽ để đảm bảo độ mòn đều trên mặt đầu cắt.

Máy cân bằng áp suất đất (EPB)

Máy EPB là thiết bị chính của việc đào hầm đô thị trên nền đất yếu, đất hỗn hợp và điều kiện chứa nước. Họ sử dụng chính vật liệu đào - được điều hòa bằng các chất phụ gia xốp, polymer hoặc bentonite - để duy trì áp lực bề mặt và ngăn chặn sự lún đất phía trên đường hầm. Độ phức tạp trong sản xuất của máy TBM EPB tập trung vào hệ thống băng tải trục vít kiểm soát tốc độ trích xuất vật liệu để cân bằng áp suất bề mặt, hệ thống phun bọt được tích hợp vào đầu cắt và thân tấm chắn phải chịu được toàn bộ áp lực đất và nước của mặt đất xung quanh. Hình dạng đầu cắt của máy EPB về cơ bản khác với thiết kế đá cứng — nó kết hợp các lưỡi nạo, gầu xúc và cổng điều hòa đất thay vì vỏ máy cắt đĩa.

TBM lá chắn bùn

Máy TBM bùn được sử dụng trên nền đất xốp, bão hòa nước, nơi mà ngay cả việc điều hòa bề mặt EPB cũng không đủ để duy trì sự ổn định. Chúng duy trì áp lực bề mặt bằng cách sử dụng bùn bentonite có áp suất lấp đầy buồng đào, được hỗ trợ bởi một vách ngăn phía sau đầu cắt. Bùn được bơm lên bề mặt thông qua một đường ống, được xử lý trong nhà máy phân tách để loại bỏ chất thải và tuần hoàn trở lại mặt đất. Việc sản xuất TBM cho máy tạo bùn liên quan đến việc sản xuất nhà máy phân tách như một phần của phạm vi hệ thống tổng thể - một thách thức kỹ thuật bổ sung liên quan đến hydrocyclones, máy ly tâm và cơ sở hạ tầng bơm bùn ngoài bản thân máy.

TBM hỗn hợp trên mặt đất và mật độ thay đổi

Một số máy TBM phức tạp nhất từng được sản xuất là những máy được thiết kế cho các điều kiện bề mặt hỗn hợp - các đường hầm đi qua cả đá và đất mềm trong cùng một mặt cắt đường hầm hoặc chuyển tiếp giữa các vùng đất đá cứng và đất mềm dọc theo tuyến. Các máy TBM có mật độ thay đổi hoặc đất hỗn hợp này phải kết hợp cả máy cắt đĩa và dụng cụ cắt đất mềm trong cùng một đầu máy cắt, với các buồng đào có thể chuyển đổi có thể chuyển đổi giữa chế độ EPB và đá cứng trong quá trình truyền động. Việc sản xuất những máy này đòi hỏi phải giải quyết đồng thời các yêu cầu thiết kế xung đột nhau, đẩy kỹ thuật TBM đến giới hạn của nó.

Các thành phần cốt lõi được sản xuất trong mỗi TBM

Bất kể loại nào, mỗi máy khoan hầm đều có chung một tập hợp các hệ thống con cơ bản phải được thiết kế và sản xuất để hoạt động cùng nhau như một hệ thống tích hợp chính xác. Việc hiểu rõ các thành phần cốt lõi này giải thích tại sao việc sản xuất TBM lại đòi hỏi khắt khe về mặt kỹ thuật và tốn nhiều thời gian.

Quy trình sản xuất TBM từng bước

Quá trình sản xuất máy khoan hầm từ khi trao hợp đồng đến khi nghiệm thu tại nhà máy là một chương trình sản xuất và kỹ thuật kéo dài, nhiều giai đoạn. Hiểu được trình tự sẽ làm rõ lý do tại sao thời gian giao hàng của TBM thường là 12–24 tháng ngay cả đối với các nhà sản xuất có kinh nghiệm với chuỗi cung ứng đã được thiết lập.

Giai đoạn 1 - Phân tích yêu cầu địa kỹ thuật và dự án

Trước khi thiết kế một bộ phận duy nhất, nhóm kỹ thuật của nhà sản xuất TBM thực hiện phân tích chi tiết dữ liệu điều tra địa kỹ thuật do khách hàng cung cấp. Điều này bao gồm nhật ký lỗ khoan, thông số cường độ đá, hồ sơ áp lực nước ngầm, kết quả kiểm tra độ mài mòn và dữ liệu độ thấm của đất dọc theo toàn bộ tuyến đường hầm. Phân tích này trực tiếp định hướng thiết kế đầu cắt, kích thước hệ thống lực đẩy, thông số vòng bi và cấu hình hệ thống điều hòa nền đất. Một máy được thiết kế dựa trên dữ liệu mặt đất không chính xác hoặc không đầy đủ sẽ hoạt động kém hoặc hỏng hóc - phân tích địa kỹ thuật là nền tảng để xây dựng toàn bộ thiết kế.

Giai đoạn 2 - Kỹ thuật và thiết kế tùy chỉnh

Với điều kiện mặt đất đã được thiết lập, nhóm kỹ thuật sẽ phát triển thiết kế TBM hoàn chỉnh bằng phần mềm CAD 3D tiên tiến và phân tích phần tử hữu hạn. Thiết kế kết cấu đầu cắt được phân tích cho các kịch bản tải trọng lực đẩy và mô-men xoắn kết hợp. Tính toán tuổi thọ ổ trục chính được thực hiện bằng cách sử dụng lý thuyết tuổi thọ ổ trục ISO 281 được điều chỉnh cho phổ tải trọng dành riêng cho TBM. Dung sai độ tròn của thân tấm chắn được đặt dựa trên hình dạng hình học của lớp lót phân đoạn. Mỗi mối hàn chính trong chế tạo kết cấu đều được thiết kế và ghi lại theo các mã kết cấu có liên quan. Chỉ riêng giai đoạn thiết kế này thường mất từ ​​3 đến 5 tháng đối với một máy TBM đường kính lớn và tạo ra hàng chục nghìn bản vẽ kỹ thuật và thông số kỹ thuật.

Giai đoạn 3 - Chuỗi cung ứng và mua sắm nguyên liệu

Việc sản xuất TBM đòi hỏi rất nhiều loại vật liệu và linh kiện chuyên dụng, nhiều loại trong số đó có thời gian mua sắm dài. Tấm thép kết cấu cường độ cao dành cho đầu cắt và thân tấm chắn, vòng bi xoay đường kính lớn, hộp số hành tinh mô-men xoắn cao, xi lanh thủy lực được sản xuất theo thông số kỹ thuật về hành trình và áp suất chính xác cũng như hệ thống làm kín chuyên dụng đều yêu cầu mua sắm sớm để tránh trì hoãn chế tạo. Cụm ổ trục chính - một vòng xoay lớn có thể có đường kính vượt quá ba mét đối với một máy TBM lớn - thường có thời gian sản xuất độc lập từ sáu đến chín tháng và thường là hạng mục quan trọng trong toàn bộ lịch trình giao máy TBM.

Giai đoạn 4 - Chế tạo kết cấu

Quá trình chế tạo kết cấu của máy TBM bao gồm việc cắt, tạo hình và hàn các phần thép tấm nặng thành các bộ phận kết cấu chính - đầu cắt, tấm chắn phía trước, tấm chắn phía sau và các bộ phận bánh răng kéo. Công việc này được thực hiện bởi các thợ hàn kết cấu được chứng nhận sử dụng các quy trình hàn đã được thẩm định trước và được kiểm tra bằng thử nghiệm không phá hủy bao gồm siêu âm, hạt từ tính và kiểm tra chụp X quang. Kiểm soát kích thước trong quá trình chế tạo là rất quan trọng - thân tấm chắn phải được làm tròn trong phạm vi dung sai chặt chẽ để có thể lắp đặt các đoạn lót đường hầm với hình dạng khe hở nhất quán. Các cụm kết cấu lớn được gia công sau khi chế tạo để đạt được dung sai giao diện cần thiết ở các bề mặt tiếp xúc.

Giai đoạn 5 - Lắp ráp cơ khí và thủy lực

Khi quá trình chế tạo kết cấu hoàn tất, máy sẽ được lắp ráp dần dần với các hệ thống cơ khí, thủy lực và điện. Ổ trục chính được lắp đặt và mô-men xoắn theo thông số kỹ thuật. Động cơ truyền động và hộp số được gắn và căn chỉnh. Hệ thống xi lanh lực đẩy được lắp đặt và tất cả các xi lanh đều được kiểm tra áp suất riêng lẻ trước khi kết nối với bộ nguồn thủy lực. Cánh tay dựng phân đoạn được lắp ráp và xác minh tầm với, tốc độ và khả năng chịu tải của nó. Hệ thống điều khiển được nối dây và tích hợp, với tất cả đầu vào cảm biến và đầu ra bộ truyền động được xác minh dựa trên tài liệu logic điều khiển. Giai đoạn lắp ráp này đòi hỏi nhiều lao động có tay nghề - Việc lắp ráp TBM yêu cầu các kỹ thuật viên hiểu rõ về việc tích hợp toàn bộ hệ thống chứ không chỉ lắp đặt từng bộ phận riêng lẻ.

Giai đoạn 6 - Thử nghiệm chấp nhận tại nhà máy

Trước khi TBM rời khỏi nhà máy, nó phải trải qua cuộc Kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy (FAT) toàn diện với sự chứng kiến của khách hàng và đại diện kỹ thuật của họ. FAT xác minh rằng tất cả các hệ thống đều hoạt động theo thông số kỹ thuật trong các điều kiện được kiểm soát - tốc độ và mômen quay của đầu cắt, lực đẩy và hành trình xi lanh, phạm vi lắp dựng phân đoạn và khả năng chịu tải, áp suất và dòng chảy của hệ thống thủy lực, chức năng của hệ thống điện và phản hồi của hệ thống điều khiển. Hệ thống hướng dẫn được hiệu chỉnh và xác minh. Bất kỳ thiếu sót nào được xác định trong FAT phải được sửa chữa trước khi máy được phê duyệt để vận chuyển. Bản ghi FAT trở thành một phần tài liệu vĩnh viễn của máy và được tham chiếu trong suốt thời gian hoạt động của máy.

Tiêu chuẩn kỹ thuật chính xác trong sản xuất TBM

Các yêu cầu về độ chính xác của việc sản xuất TBM cạnh tranh với các thiết bị quốc phòng và hàng không vũ trụ hạng nặng. Các dung sai này không phải là tùy ý - chúng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng của máy trong việc xây dựng đường hầm theo hướng quy định, lắp đặt các đoạn lót mà không bị hư hỏng và duy trì các mối nối kín nước giữa các đoạn trong suốt vòng đời của đường hầm.

• Độ tròn của đầu cắt: Đường kính ngoài của đầu cắt phải nằm trong khoảng ±2–3 mm so với đường kính lỗ danh nghĩa để duy trì độ cắt quá mức được thiết kế và ngăn tấm chắn khỏi bị kẹt trong đất. Để đạt được dung sai này trong kết cấu thép chế tạo có đường kính từ 5 đến 12 mét đòi hỏi phải thực hiện trình tự cẩn thận các hoạt động hàn để kiểm soát độ biến dạng và gia công sau hàn của các bề mặt giao diện quan trọng.
• Gia công ghế chịu lực chính: Ổ trục và lỗ khoan của thân ổ định vị cụm ổ trục chính phải được gia công theo dung sai trong phạm vi IT6–IT7 (0,010–0,025mm) và được kiểm tra bằng máy đo tọa độ chính xác. Hình dạng chỗ tựa ổ trục không chính xác làm giảm đáng kể tuổi thọ ổ trục và có thể gây ra hỏng hóc sớm do mỏi sâu dưới lòng đất — một tình huống sửa chữa cực kỳ tốn kém và mất thời gian.
• Độ tròn của thân khiên: Các đoạn tấm chắn phía trước và phía sau phải được lắp ráp và gia công theo dung sai độ tròn thường trong khoảng 5–10 mm trên toàn bộ đường kính, đảm bảo rằng khoảng cách hình khuyên giữa tấm chắn và các đoạn lót được lắp đặt nhất quán xung quanh chu vi. Tính nhất quán này rất quan trọng đối với hiệu quả bịt kín da đuôi - chổi và mỡ bịt kín khe hở giữa đuôi tấm chắn và lớp lót phải tiếp xúc đều để ngăn nước ngầm xâm nhập.
• Đồng bộ hóa hành trình xi lanh lực đẩy: Trong một máy TBM lớn, 30–50 xi lanh lực đẩy riêng lẻ phải kéo dài và rút lại theo nhóm phối hợp chính xác để kiểm soát độ nghiêng và độ nghiêng của máy khi nó di chuyển dọc theo đường hầm. Các xi lanh phải được sản xuất với dung sai hành trình nhất quán và hệ thống điều khiển phải được hiệu chỉnh để duy trì sự đồng bộ hóa vị trí trong phạm vi vài mm trên toàn bộ hành trình xi lanh.
• Vị trí vỏ máy cắt đĩa: Trên các TBM đá cứng, vị trí của mỗi vỏ máy cắt dạng đĩa trên mặt đầu cắt phải được đặt chính xác theo bán kính cắt được thiết kế, đảm bảo rằng tất cả các máy cắt trên cùng bán kính đều theo cùng một rãnh trên mặt đá. Các lỗi vị trí trong khoảng cách giữa các dao cắt gây ra tình trạng quá tải cho từng dao cắt riêng lẻ và tăng tốc độ mài mòn, làm giảm tuổi thọ của dao cắt và tăng tần suất thay dao cắt ngầm tốn thời gian.

Các công nghệ chính thúc đẩy sản xuất TBM hiện đại

Công nghệ sản xuất máy khoan đường hầm tiên tiến nhất đã tiến bộ đáng kể trong những thập kỷ gần đây, do nhu cầu của các dự án đường hầm ngày càng thách thức và việc tích hợp các công cụ kỹ thuật số mà các thế hệ nhà thiết kế TBM trước đó không có được.

Bản sao kỹ thuật số và mô phỏng

Các nhà sản xuất TBM hàng đầu hiện nay đã phát triển các mô hình kỹ thuật số kép đầy đủ của mỗi máy trước khi bắt đầu chế tạo. Các mô hình này tích hợp phân tích cấu trúc, mô phỏng hệ thống thủy lực và mô hình logic điều khiển để xác minh hiệu suất hệ thống trên toàn bộ các điều kiện vận hành dự kiến ​​​​cho dự án cụ thể. Bản sao kỹ thuật số cho phép các kỹ sư xác định xung đột giao diện, tối ưu hóa việc định vị thành phần và mô phỏng các tình huống lỗi trước khi cắt một miếng thép. Trong quá trình vận hành, bản sao kỹ thuật số có thể được cập nhật liên tục với dữ liệu máy thực để hỗ trợ bảo trì dự đoán và khắc phục sự cố từ trung tâm kỹ thuật của nhà sản xuất ở bất kỳ đâu trên thế giới.

Vật liệu đầu cắt tiên tiến và khả năng chống mài mòn

Độ mòn đầu cắt là một trong những yếu tố chính hạn chế tốc độ tiến của TBM và tăng chi phí bảo trì trên nền đất mài mòn. Chế tạo TBM hiện đại kết hợp các chiến lược chống mài mòn tiên tiến bao gồm nút mài mòn cacbua vonfram, tấm phủ cacbua crom và miếng đệm mài mòn bằng composite gốm ở vùng có độ mài mòn cao nhất của đầu cắt. Việc lựa chọn và bố trí lớp bảo vệ chống mài mòn hiện được phân tích bằng cách sử dụng động lực học chất lỏng tính toán và mô hình phần tử rời rạc để dự đoán kiểu mài mòn cho các điều kiện đất và đá cụ thể của dự án, cho phép bảo vệ tập trung ở nơi cần thiết nhất thay vì áp dụng thống nhất.

Hàn tự động và chế tạo robot

Trong khi phần lớn việc chế tạo TBM vẫn dựa vào thợ hàn thủ công có tay nghề cao, việc tích hợp hệ thống hàn tự động đã cải thiện tính nhất quán và năng suất của mối hàn ở các mối hàn khối lượng lớn. Các tế bào hàn robot được sử dụng cho các mối hàn cấu trúc lặp đi lặp lại trong các tấm chắn thân và các phần nan hoa trong đó hình dạng mối hàn nhất quán là rất quan trọng. Hàn hồ quang chìm được sử dụng rộng rãi cho các mối hàn giáp mép nặng ở các phần tấm dày, mang lại độ ngấu sâu và tốc độ lắng đọng cao với chất lượng đáng tin cậy. Những quy trình tự động này giúp thợ hàn có tay nghề cao tập trung vào các mối nối tiếp cận phức tạp, nơi chuyên môn của họ mang lại giá trị cao nhất.

Hệ thống giám sát hiệu suất thời gian thực

Các máy TBM hiện đại được trang bị hàng trăm cảm biến giám sát mọi thứ, từ lực đẩy riêng lẻ của xi lanh đến nhiệt độ ổ trục chính, mô-men xoắn đầu cắt, áp suất mặt, áp suất phun mỡ phớt đuôi và vị trí dựng đoạn. Dữ liệu này được ghi lại theo thời gian thực, hiển thị cho người vận hành, truyền đến văn phòng kỹ sư dự án và trong nhiều trường hợp được chia sẻ an toàn với nhóm kỹ thuật của nhà sản xuất TBM. Khả năng giám sát hiệu suất máy từ xa đã thay đổi cách các nhà sản xuất hỗ trợ thiết bị của họ tại hiện trường, cho phép chẩn đoán nhanh các vấn đề mới nổi trước khi chúng phát triển thành những hỏng hóc tốn kém.

Các nhà sản xuất TBM toàn cầu và nơi họ chế tạo máy móc

Ngành công nghiệp sản xuất TBM tập trung vào một số ít các nhà sản xuất quốc tế lớn, mỗi nhà sản xuất đều có năng lực kỹ thuật chuyên biệt và cơ sở sản xuất có khả năng sản xuất những cỗ máy lớn nhất và phức tạp nhất trên thế giới.

• Herrenknecht AG (Đức): Nhà sản xuất TBM lớn nhất thế giới tính theo khối lượng và doanh thu, có trụ sở chính tại Schwanau, Đức. Herrenknecht sản xuất đầy đủ các loại TBM từ máy tạo đường hầm vi mô nhỏ đến máy EPB và bùn đường kính lớn, với các cơ sở sản xuất lớn ở Đức và hoạt động lắp ráp trên toàn cầu. Họ đã cung cấp máy móc cho một số dự án đào hầm thách thức nhất thế giới, bao gồm Đường hầm Gotthard Base và nhiều hệ thống tàu điện ngầm trên khắp Châu Á và Trung Đông.
• Công ty Robbins (Mỹ): Là một trong những tên tuổi lâu đời nhất và nổi tiếng nhất trong lĩnh vực sản xuất TBM, Robbins đã đi tiên phong trong công nghệ TBM đá cứng và vẫn là công ty dẫn đầu về TBM kẹp dầm chính để đào hầm đá. Họ sản xuất và tân trang máy móc tại các cơ sở ở Hoa Kỳ, đồng thời có mạng lưới hỗ trợ và dịch vụ toàn cầu cho các thiết bị đang hoạt động trên toàn thế giới của họ.
• NFM Technologies (Pháp, một phần của nhóm Bouygues): Một nhà sản xuất TBM của Pháp có chuyên môn vững chắc về máy đào hầm đô thị đường kính lớn, đặc biệt là tấm chắn bùn và các loại EPB dành cho các dự án đầy thách thức của Châu Âu và quốc tế. NFM đã cung cấp máy móc cho các dự án tàu điện ngầm lớn ở Paris, Rome và khắp Đông Nam Á.
• CREG — Tập đoàn Thiết bị Kỹ thuật Đường sắt Trung Quốc: Là nhà sản xuất TBM lớn nhất Trung Quốc và hiện là một trong những nhà sản xuất lớn nhất thế giới về số lượng, CREG đã nhanh chóng phát triển năng lực kỹ thuật và sản xuất của mình thông qua sự kết hợp giữa công nghệ được cấp phép và đầu tư R&D trong nước. CREG cung cấp phần lớn các máy TBM được sử dụng trong các chương trình xây dựng đường hầm đường sắt cao tốc và tàu điện ngầm quy mô lớn đang diễn ra của Trung Quốc và đã bắt đầu xuất khẩu sang thị trường quốc tế.
• Kawasaki Heavy Industries và Mitsubishi Heavy Industries (Nhật Bản): Cả hai tập đoàn kỹ thuật Nhật Bản đều có lịch sử lâu đời trong lĩnh vực sản xuất TBM, chủ yếu phục vụ thị trường nội địa Nhật Bản và các dự án xuất khẩu chọn lọc. Ngành sản xuất TBM của Nhật Bản được biết đến với chất lượng và độ chính xác chế tạo cực kỳ cao, với thế mạnh đặc biệt là công nghệ máy lá chắn dùng để đào hầm đô thị trên nền đất yếu.
• Caterpillar (bộ phận Lovat, Canada): Caterpillar mua lại Lovat, một nhà sản xuất TBM của Canada, và tiếp tục sản xuất EPB và máy phun bùn dưới thương hiệu đào hầm Caterpillar. Máy móc của họ được sử dụng rộng rãi trong các dự án đào hầm cơ sở hạ tầng ở Bắc Mỹ bao gồm cấp nước và vận chuyển đô thị.

Tân trang và tái sản xuất TBM

Một phân khúc quan trọng và đang phát triển của ngành sản xuất TBM là tân trang và tái sản xuất các máy đã qua sử dụng cho các dự án đường hầm mới. Do chi phí khổng lồ của một máy TBM mới - một máy đường kính lớn có thể có giá từ 15 triệu đến 50 triệu USD trở lên - các chủ dự án và nhà thầu ngày càng đánh giá các máy tân trang như một giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí khi điều kiện dự án tương thích với thông số kỹ thuật của máy hiện có.

Việc tân trang TBM thường bao gồm việc tháo rời tất cả các hệ thống chính, kiểm tra và thay thế các bộ phận bị hao mòn, phục hồi các bộ phận kết cấu, đại tu ổ trục chính, thay thế phớt và xi lanh thủy lực, đồng thời xây dựng lại hoàn toàn hệ thống điện và điều khiển. Trong các dự án tân trang lớn hơn, đầu cắt có thể được cơ cấu lại để sửa đổi cách bố trí dao cho các điều kiện mặt đất khác nhau hoặc đường kính tấm chắn có thể được điều chỉnh một chút thông qua việc bổ sung hoặc loại bỏ các miếng thép chèn trong tấm vỏ. Việc tân trang lại được thực hiện tốt có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng của máy bằng một dự án hoàn chỉnh khác và đôi khi nhiều hơn, với chi phí chỉ bằng một phần chi phí của một máy mới.

Những thách thức và xu hướng tương lai trong sản xuất máy khoan hầm

Việc sản xuất TBM phải đối mặt với một loạt thách thức kỹ thuật và thương mại đang diễn ra đang định hình cách ngành này phát triển trong thập kỷ tới. Nhu cầu về các giải pháp đào hầm lớn hơn, sâu hơn và tự động hơn đang đẩy xa giới hạn mà công nghệ TBM hiện tại có thể đạt được và thúc đẩy đầu tư R&D đáng kể trong toàn ngành.

• Tăng đường kính máy: Xu hướng hướng tới đường kính đường hầm lớn hơn cho đường cao tốc và đường hầm kết hợp tàu điện ngầm/đường bộ đang sản xuất ra những cỗ máy có quy mô phi thường. Máy có đường kính trên 15 mét đặt ra những thách thức về kết cấu và hậu cần đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật mới - vận chuyển, lắp ráp và phóng những máy như vậy trong không gian hạn chế của trục phóng đòi hỏi phải lập kế hoạch cẩn thận ở mọi giai đoạn của quá trình sản xuất và giao hàng.
• Hệ thống thay dao tự động: Thay đổi máy cắt đĩa trên TBM đá cứng đòi hỏi công nhân phải vào buồng đào trong điều kiện khí quyển hoặc áp suất để thay thế máy cắt bị mòn bằng tay - một trong những nhiệm vụ đòi hỏi khắt khe và nguy hiểm nhất khi đào hầm. Một số nhà sản xuất đang phát triển các hệ thống robot thay đổi máy cắt có thể thực hiện công việc này từ xa, loại bỏ sự tiếp xúc của công nhân với môi trường đào có áp suất nguy hiểm. Việc phát triển các bộ điều khiển có khả năng xử lý trọng lượng dao cắt vượt quá 200kg trong không gian chật hẹp, ẩm ướt, bị ô nhiễm là một thách thức kỹ thuật đáng kể.
• Điện khí hóa hệ thống truyền động: Việc gia tăng áp lực pháp lý đối với chất lượng không khí dưới lòng đất và lượng khí thải carbon đang thúc đẩy sự phát triển của hệ thống truyền động TBM chạy hoàn toàn bằng điện nhằm loại bỏ dầu thủy lực và năng lượng dựa trên dầu diesel khỏi máy. Động cơ đầu cắt truyền động trực tiếp bằng điện, bộ truyền động xi lanh lực đẩy bằng điện và dịch vụ hậu cần trong đường hầm chạy bằng pin hoặc chạy bằng lưới điện đều đang được các nhà sản xuất lớn tích cực phát triển.
• Khả năng phục hồi của chuỗi cung ứng: Sự gián đoạn toàn cầu trong những năm gần đây đã bộc lộ những lỗ hổng trong chuỗi cung ứng mở rộng mà các nhà sản xuất TBM phụ thuộc vào - đặc biệt đối với vòng bi đường kính lớn, các bộ phận thủy lực chuyên dụng và hệ thống điều khiển điện tử. Các nhà sản xuất đang tích cực làm việc để đủ điều kiện cung cấp các nhà cung cấp thay thế, tăng lượng tồn kho linh kiện chiến lược và trong một số trường hợp đưa việc sản xuất linh kiện thuê ngoài trước đây vào nội bộ để giảm khả năng bị gián đoạn chuỗi cung ứng.
• Hướng dẫn hỗ trợ AI và vận hành tự động: Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống hướng dẫn và điều khiển TBM là một lĩnh vực phát triển tích cực. Các mô hình học máy được đào tạo dựa trên dữ liệu lịch sử của dự án có thể tối ưu hóa các thông số lái, dự đoán chất lượng chế tạo vòng lót và cảnh báo người vận hành về các điều kiện mặt đất đang phát triển trước khi chúng gây ra sự cố vận hành. Vận hành TBM hoàn toàn tự động vẫn là mục tiêu dài hạn, nhưng việc tự động hóa dần dần các nhiệm vụ vận hành thông thường đã được triển khai trong các dự án hiện tại.

Suy nghĩ cuối cùng về sản xuất TBM

Sản xuất máy khoan hầm nằm ở điểm giao thoa của kỹ thuật kết cấu, gia công chính xác, thủy lực, điện tử và khoa học vật liệu - và sản xuất ở quy mô mà ít ngành công nghiệp khác có thể sánh được. Mỗi TBM xuất xưởng là một giải pháp được thiết kế riêng cho một loạt thách thức về địa chất và dự án cụ thể, và chất lượng của kỹ thuật và sản xuất đó cuối cùng được thể hiện ở mức độ tin cậy của máy khoan xuyên qua trái đất, mức độ nhất quán của việc lắp đặt lớp lót đường hầm chất lượng và mức độ an toàn khi đưa công nhân về nhà vào cuối mỗi ca làm việc.

Khi nhu cầu cơ sở hạ tầng toàn cầu tiếp tục thúc đẩy đầu tư vào xây dựng ngầm, các nhà sản xuất TBM phải đối mặt với một tương lai thú vị và đòi hỏi khắt khe - cung cấp các máy có kích thước ngày càng tăng, độ phức tạp và độ phức tạp về công nghệ trong khi quản lý chuỗi cung ứng, phát triển thế hệ kỹ sư và nhà chế tạo tiếp theo, đồng thời tích hợp các công nghệ kỹ thuật số sẽ xác định hình thức khoan đường hầm trong nửa thế kỷ tới. Đối với bất kỳ ai tham gia xây dựng đường hầm, mua sắm hoặc phát triển dự án, việc hiểu cách thiết kế và chế tạo những cỗ máy đặc biệt này là điều cơ bản để đưa ra quyết định sáng suốt về một trong những thiết bị xây dựng phức tạp và quan trọng nhất từng được tạo ra.