آشنایی با رودهدر – Roadheader

رودهدر (Roadheader) یک ماشین حفاری تقریباً کوچک است که برای حفر تونل‌های زیرزمینی داخل شهری و حفارهای کوچک استفاده می‌شود. در قسمت جلوی دستگاه یک مته چنگالی چند پره است و بوسیله چرخش این مته حفاری را انجام می‌دهد و خاک‌های حاصله را توسط نوارنقاله به قسمت پشت خود که معمولاً کامیون در آنجا قرار دارد انتقال می‌دهد.

حفر سنگ در تونلسازی توسط ماشین یکی از دو روش اصلی حفر تونل می‌باشد. روش اول حفر بخشی توسط ماشین‌های حفار بازویی است که عبارتست از یک بازویی که بر روی آن سر برشی نصب شده و نیروی حفر سنگ توسط آن اعمال می‌شود. روش دوم حفر تمام مقطع تونل توسط ماشین‌های حفرتونل یا TBM می‌باشد. TBM و کله گاوی‌ها یا ماشین‌های حفار بازویی کاربرد‌های عمومی و گسترده پیدا کرده‌اند.

دستگاه حفاری بازویی رودهدر از گروه دستگاه‌های حفاری مقطعی است. در این دستگاه‌ها، کله حفاری (هد) به مراتب از سطح مقطع حفاری کوچکتر است و حفاری مقطع با حرکت کله توسط یک بازو که به بدنه متصل است تکمیل می‌شود.

این ماشین تشکیل شده از یک بازویی که بر روی آن سر برشی نصب شده و نیروی لازم برای حفر سنگ توسط آن اعمال می‌شود. روی سر برشی قلم‌ها یا دندانه‌های برشی قرار دارند. این ماشین در حفر سنگ‌های لایه‌‌ای به صورت انتخابی موثر می‌باشند. در حقیقت با امکان استخراج انتخابی توسط این ماشین‌ها لایه‌های ضعیف تر حفر و در نتیجه لایه‌های محکم‌تر سنگی ناپایدارتر و امکان استخراج آنها آسان‌تر می‌شود.

با استفاده از این نوع ماشین می‌توان مقاطعی با شکل‌های مستطیلی و قوسی را به آسانی حفر نمود. این ماشین‌ها بیشتر به منظور حفر تونل‌های با مقاطع بزرگ حدود 10 تا 25 متر مربع مورد استفاده قرار می‌گیرند و قابلیت جابجایی بسیار بالایی دارند. در خاک‌های لایه‌‌ای از آنجا که مقاومت لایه‌ها متفاوت می‌باشند و نیاز به ماشین‌های با قابلیت حفر انتخابی می‌باشد، لذا این نوع ماشین می‌تواند با توجه به عملکرد موضعی آن انعطاف پذیری زیادی از خود نشان دهد.

در گذشته ماشین‌های حفار بازویی بیشتر در شرایط سنگی نرم مورد استفاده قرار می‌گرفت و در لایه‌های با مقاومت بیش از 70 مگاپاسکال با مشکل مواجه می‌شد چرا که حفر در ‌‌اینگونه لایه‌ها باعث مصرف بیش از حد قلم‌ها و سرمته‌ها می‌شد و هزینه‌های تعمیر و نگهداری بالا می‌رفت و از طرفی به خود ماشین هم صدمه وارد می‌آمد.

تحقیقات نشان داد که با افزایش وزن ماشین می‌توان این ماشین را برای شرایط سنگی سخت تر نیز بکار برد. از جمله king نشان داد که کاربرد ماشین‌های حفاری بازویی در انگلستان که دارای وزنی بین 5/21 تا 80 تن می‌باشند، برای حفر سنگ‌هایی با مقاومت 60 تا 100 مگاپاسکال توجیه اقتصادی دارند.

بارگیری این نوع ماشین توسط بازوهای جمع کننده صورت می‌گیرد و به ناو زنجیری منتقل می‌شود. حرکت مواد خرد شده در خلاف جهت سینه کار تونل و از طریق ناو زنجیری به طور پیوسته و به سیستم اصلی انتقال مواد خردشده هل داد می‌شود.

 

تاریخچه استفاده از رودهدرها برای حفر تونل‌ها در سال ۱۹۶۰ آغاز شد و در اواخر دهه ۷۰ به طور قابل ملاحظه‌ای در اکثر نقاط دنیا متداول گردید.

 

پارامترهای اصلی انتخاب رودهدر

خصوصیات اصلی ماشین‌های حفار بازویی عبارتند از:

وزن رودهدرها مهمترین خصوصیت در انتخاب آنها می‌باشد. وزن، قدرت، اندازه و بعضی قسمت‌های ماشین را نمی‌توان تغییر داد یا به راحتی تعویض کرد. به همین دلیل پارامترهایی را که نمیتوان بعداً تغییر داد باید به عنوان معیار اصلی انتخاب در نظر گرفت. رودهدرها را میتوان بر مبنای وزن دستگاه، قدرت کله حفار به دستگاه‌های سبک تا خیلی سنگین طبقه بندی کرد، که قادرند در سطح کار تا اندازه ۴۵ متر مربع و در محدوده ۱۴۰ -۲۰ مگاپاسکال مقاومت فشاری سنگ کار کنند جزئیات آن در جدول آورده شده است.

رودهدر	محدوده وزن (تن)	قدرت کله حفار‌ (کیلووات)	رودهدر با محدوده برش استاندارد		رودهدر با محدوده برش اضافی
			حداکثر مقاومت فشاری تک محوره سنگ (مگاپاسکال)	حداکثر مقطع برش (مترمربع)	حداکثر مقاومت فشاری تک محوره‌‌ سنگ (مگاپاسکال)	حداکثر مقطع برش (مترمربع)
سبک	8‌‌ -40	50-170	60 -80	25	20 -40	40
متوسط	40 -70	160-230	80-100	30	40 -60	60
سنگین	70-110	250-300	100-120	40	50 -70	70
خیلی سنگین	>110	350-400	120-140	45	80-110	80

 

همچنین شکل زیر رابطه مابین وزن دستگاه، نیروی آن، مقاومت سنگ، مقطع عرضی تونل و محیط عملیاتی را نشان می‌دهد که راهنمای مفیدی برای انتخاب یک رودهدر می‌باشد.

 

قسمت‌های مختلف دستگاه:

• بدنه
• موتور
• بازو
• سیستم حفاری
• سیستم بارگیری

 

مکانیزم حفاری در رودهدرها

• روش حفاری محوری (Miling)
• روش حفاری متقاطع (Riping)

 

مکانیزم حفاری در برش محوری:

در این سیستم هد برنده حول محور مرکزی بوم می‌چرخد. و حدود 75 درصد از ماشین‌ها از این نوع هستند. و برای سنگ‌های نرم کاربرد دارد. که ماکزیمم مقاومت سنگ‌ 100Mpa‌ می‌باشد.

در روش محوری در مقایسه با عرضی زمان کمتری برای نفوذ اولیه در سنگ سخت لازم است.

 

 

مکانیزم حفاری در برش عرضی:

این روش که برای سنگ‌های سخت مناسب است قطر هد برش معمولا از نوع محوری بزرگتر است و قدرت موتور بیشتری هم دارد.

 

مبانی برش ماشین‌های حفار بازویی

1. طبلکی یا شکافی
2. مخروطی یا سایشی

 

انواع برش در رودهدر

رودهدرها عمل برش را به دو صورت انجام می‌دهند:

• سیستم برش نوع مخروطی

معمول‌ترین نوع تاج برشی در رودهدر مخروطی‌هایی می‌باشند که حول محوری در امتداد محور بازوی ماشین دوران می‌کند. طرح تاج برشی مخروطی و موقعیت نصب آن روی بازو و گونه‌‌ای است که حداکثر نیروی برشی را بر جبهه کار تونل وارد کند و لذا قابلیت اجرایی قابل قبولی در شرایط سنگی سخت از خود نشان می‌دهد.

در روش مخروطی در مقایسه با روش طبلکی، زمان لازم برای خرد کردن یا نفوذ اولیه در شرایط سنگی سست و ضعیف، نفوذ اولیه و تثبیت سر برشی در جبهه کار تونل با مشکل مواجه می‌شود.

 

• سیستم برشی نوع طبلکی

این نوع سیستم برای برش در شرایط نسبتاً ضعیف مانند سنگ‌های رسوبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در چنین شرایطی این مکانیزم سرعت برش خوبی به دست می‌دهد. ماشین‌های حفار طبلکی 20 تا 30 درصد سبکتر از ماشین‌های حفار مخروطی با ظرفیت یکسان هستند.

ویژگی‌های اصلی این نوع سیستم عبارتند از: انطباق پذیری آن با شرایط پیچیده، قابلیت مانور، توانایی برش، سطح مقطع‌های بزرگ و ظرفیت بالای آن. مقایسه تفاوت‌های عملیاتی تاج حفار مخروطی و تاج حفار طبلکی به دو طریق می‌باشد:

• مقایسه نیروی حفر و مقدار تقریبی انرژی حفر بین دو هدر تاج مخروطی و تاج طبلکی با قدرت موتور مشابه
• بررسی نتایج تجربیات عملی در مورد کارایی رودهدر‌های تاج مخروطی و رودهدرهای تاج طبلکی

 

در جدول زیر مشخصات دو نوع رودهدر تاج مخروطی و تاج طبلکی مشخص شده است.

مشخصات	رودهدر تاج طبلکی	رودهدر تاج مخروطی
قدرت موتور تاج حفار	300 (KW)	300 (KW)
وزن	95 (ton)	110 (ton)
تعداد تیغه ها	198	105
سرعت برشی متوسط	2.8 (m/s)	1.5 (m/s)
نیروی حفر در حرکت افقی	85 (KN)	200 (KN)
نیروی حفر در حرکت رو به بالا	300 (KN)	200 (KN)
عرض دستگاه	3 (m)	3.6 (m)
طول دستگاه	12 (m)	13.5 (m)
ارتفاع دستگاه	1.85 (m)	2.7 (m)
فاصله مرکز ثقل تا محور تاج	4.5 (m)	5 (m)

 

توانایی برش رودهدر

تجربه نشان داده که ماشین‌های حفار بازویی قادرند سنگ‌های با دامنه مقاومتی متفاوت را حفر کنند. یکی از عوامل محدود کننده در رابطه با توانایی برش این است که با افزایش قدرت برش هزینه سرمته‌ها زیاد می‌شود. به منظور افزایش عمر سر مته‌ها و حفظ قدرت برش باید سرعت سرمته را کاهش داد و در نتیجه باید از ماشین‌های حفار سنگین‌تر استفاده شود که این امر باعث افزایش هزینه‌ها و کاهش انعطاف پذیری و قابلیت جابجایی می‌شود. در جدول زیر توانایی برش ماشین حفار بازویی آورده شده است.

 

جدول مشخصات انواع مختلف رودهدر

انواع اصلی رودهدر	توانایی یا قدرت برش
ماشین‌های سبک	– قادر به برش سنگ‌هایی با مقاومت 80 مگاپاسکال به نحوه موفقیت آمیز است – در سنگ‌های با مقاومت بیشتر از 80 مگاپاسکال باعث بروز مشکلاتی می‌گردد
ماشین‌های سنگین	–  حفر موفق سنگ‌هایی با مقاومت تا 100 مگاپاسکال –  در سنگ‌هایی با مقاومت بیش از 150 مگاپاسکال نمی‌توان موفق بودن عملیات حفاری را تضمین نمود.

 

در نمونه‌هایی خاص از رودهدرها جهت افزایش راندمان و حفر در دو جهت آن را به دو بازو تجهیز می‌کنند که در شکل زیر می‌توانید نمونه‌ای از آن را ببینید.

بعد از بازو مهمترین بخش هد دستگاه است که با توجه به نوع برش در بخش قبل توضیح آن داده شد نوع طبلکی و مخروطی که با توجه به نوع سنگ و محل حفر تونل و سایر مسائل مرتبط انواع مختلفی از مته بر روی آن قرار می‌گیرد.

انواع مته‌های برش:

• مته‌های گوه ای نیروی برشی
• دیسک‌های برش
• مته‌های دکمه ای
• مته‌های مخروطی
• مته‌های غلطان

 

آبفشان‌های فشار بالا

استفاده از از آبفشان‌ها یا جت آب هایی که تحت فشار بالای 700 بار عمل میکنند طبق گزارش‌ها باعث تقلیل عمده نیروهای برش سرمته می‌شوند. صورت میگیرد و به یک ناو زنجیری منتقل میشود.حرکت مواد خرد شده در خلاف جهت سینه کار تونل و از طریق ناو زنجیری به طور پیوسته به سیستم اصلی انتقال مواد خردشده هل داده می‌شوند.

مزایای استفاده از آبفشان‌های فشار قوی:

• کاهش گردوغبار وخطرات آتش سوزی (در توده‌های دارای گاز متان)
• کاهش استهلاک مته‌ها
• افزایش قدرت حفر و سرعت پیشروی بدون نیاز به افزایش قدرت موتور تاج حفار
• افزایش توانایی ماشین در حفر سنگهای سخت تر بدون نیاز به افزایش وزن‌ ماشین
• کاهش هزینه استخراج هر متر مکعب سنگ ($/m3)‌

 

مخاطرات ژئوتکنیکی تونلسازی با رودهدر

بکارگیری رودهدر برای حفاری تونل در سنگ با مشکلات و محدودیت‌های خاصی همراه است. به همین دلیل ارزیابی دقیق شرایط زمین‌شناسی و خصوصیات ژئومکانیکی توده سنگ برای تخمین راندمان حفاری و فرسایش مته، اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

در هر پروژه به منظور انتخاب رودهدر مناسب، معمولا تحقیقاتی در زمینه پیش‌بینی راندمان حفاری، فرسایش ابزار و هزینه‌های راهبری ماشین انجام می‌شود، اما همواره تنوع شرایط زمین شناسی و تغییرات غیر قابل پیش‌بینی پارامترهای توده سنگ در طول مسیر تونل باعث کاهش راندمان و بعضاً توقف حفاری توسط رودهدر می‌شود.

از جمله این عوامل می‌توان به تغییرات ناگهانی مقاومت سنگ، تناوب لایه‌های سخت و نرم، درصد بالای کوارتز در سنگ و وجود آب زیرزمینی اشاره نمود. مهمترین مخاطرات ژئوتکنیکی عمده تونلسازی با رودهدر به همراه روش‌های رایج کاهش آن در جدول آورده شده است.

مخاطرات ژئوتکنیکی	روش های کاهش مخاطرات
قابلیت حفاری (سختی و سایندگی)	استفاده از رودهدرهای دارای کله حفار قابل تعویض استفاده از دندانه ها، با جنس تنگستن کاربید مقاوم بکارگیری آب فشان بر روی رودهدر اعمال گشتاور بالا
ناپایداری سقف، دیواره و سینه کار تونل	سیستم‌های نگهداری همچون پیچ سنگ، قاب فولادی و شاتکریت پیش تحکیم با چال های تزریق پوشش تونل با قطعات پیش ساخته بتنی استفاده از سپر برای رودهدر
سینه کار مختلط (لایه ایی)	حفاری انتخابی در سینه کار تعویض کله حفار
جریان آب زیرزمینی	گمانه اکتشافی زهکشی پیش تزریق انجماد
زمین های نرم و رسی	کف‌‌ سازی زهکشی طراحی دقیق اولیه مسیر تونل و قرار دادن لایه‌های مقاوم در کف
بارگیری سنگ های خرد شده	استفاده از سیستم خاکبردار ی مناسب استفاده از رودهدر با کله حفار طبلکی

 

به منظور آشنایی بیشتر با برخی مشکلات و مخاطرات پیش بینی نشده ناشی از شرایط زمین شناسی و ژئوتکنیکی، برخی ازپروژه‌های مسئله دار مختلف داخلی و خارجی حفاری با رودهدر به همراه شرایط زمین شناسی، نوع مخاطرات ژئوتکنیکی حین اجرا و رودهدر انتخابی در جدول آورده شده است.

 

مزایای رودهدر

در این روش نیازی به چال زنی و آتشکاری جبهه کار تونل نیست. هم چنین سنگ خرد شده را می‌توان هم زمان با حفر بارگیری نمود، مشروط بر اینکه سطح مقطع تونل به حد کافی بزرگ باشد و قطعات بزرگ سنگ‌های خرد شده را می‌توان با چکش ضربه زن خردتر کرد و به اندازه مورد نظر رساند، در نتیجه امکان انتقال و جابجایی مواد خرد شده تقریباً با کلیه سیستم‌ها حمل و نقل و به ویژه نقاله‌ها (نوارها و …) میسر خواهد بود.

همچنین حفر تمام مقطع تونل با این روش در بسیاری از شرایط ژئوتکنیکی و زمین‌شناسی که سطح مقطع تونل از 30 متر مربع متجاوز است امکان پذیر می‌باشد. نهایتاً محیط تونل با حداقل اضافه حفری یا پس زدگی حفر می‌شود.