เครื่องเจาะหินไฮดรอลิกเฉพาะสำหรับงานอุโมงค์: เสียงรบกวนต่ำ ความมั่นคงสูง และมีประสิทธิภาพสูงแม้ในพื้นที่แคบ

อุโมงค์ถนนคามินิโกะในจังหวัดฮิโรชิมะเจาะผ่านหินแกรนิตที่มีความแข็งแรงในการรับแรงอัดมากกว่า 200 เมกะพาสคาล โดยมีอาคารที่พักอาศัยตั้งอยู่เหนือส่วนยอดของอุโมงค์ (crown) 70 เมตร การใช้ระเบิดจึงไม่สามารถทำได้ในช่วงทางยาวหลายช่วง ทีมงานก่อสร้างจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องเจาะหินไฮดรอลิกที่สามารถขุดหน้าตัดแบบเปิด (free-face forming) ได้ด้วยอัตรา 3.5 ตารางเมตรต่อชั่วโมง ในหินแข็ง ภายในหัวอุโมงค์ (heading) ซึ่งไม่มีพื้นที่เพียงพอสำหรับการจัดวางหรือเคลื่อนย้ายอุปกรณ์ขนาดใหญ่ และไม่สามารถยอมให้เกิดความเสียหายต่อโครงสร้างพื้นดินบริเวณด้านบนอันเนื่องจากการสั่นสะเทือนได้เลย

นี่คือชุดข้อจำกัดที่กำหนดลักษณะเฉพาะของการเจาะอุโมงค์—ไม่ใช่แค่พื้นที่ที่แคบลงเท่านั้น แต่ยังหมายถึงขอบเขตงานวิศวกรรมที่แตกต่างโดยสิ้นเชิงอีกด้วย ทั้งระดับเสียง ความมั่นคงภายใต้การสั่นสะเทือนในพื้นที่จำกัด ประสิทธิภาพในการล้างเศษหิน (flushing efficiency) ภายใต้การไหลเวียนของอากาศที่จำกัด และรูปทรงของแขนกล (boom geometry) ที่สามารถครอบคลุมหน้าตัดทั้งหมดได้อย่างสมบูรณ์ โดยไม่ต้องใช้เครื่องจักรที่มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะผ่านหน้าตัดที่มันถูกออกแบบมาเพื่อเจาะ

ข้อจำกัดด้านเรขาคณิต: ทำไมความกะทัดรัดจึงไม่ได้หมายความว่ากำลังต่ำ

เครื่องเจาะอุโมงค์แบบจัมโบ้ (Tunnel jumbo drills) จัดประเภทตามพื้นที่หน้าตัดที่สามารถเจาะได้ ไม่ใช่ตามขนาดของตัวรถบรรทุก (carrier) เครื่องเจาะที่ออกแบบให้ใช้งานได้กับพื้นที่หน้าตัด 7–35 ตารางเมตร จำเป็นต้องมีโครงสร้างแขนยึด (boom geometry) ที่สามารถเข้าถึงรูปทรงหน้าตัดทั้งหมดได้—ทั้งส่วนยอด (crown), ส่วนพื้น (floor) และผนังข้าง (sidewalls)—โดยไม่ต้องปรับตำแหน่งตัวรถบรรทุก ซึ่งต้องอาศัยการออกแบบแขนยึดแบบมีข้อต่อ (articulated boom design) พร้อมความสามารถในการยึดแบบขนาน (parallel holding capability) เพื่อให้ลำแสงป้อนเครื่องเจาะ (feed beam) คงอยู่ในแนวตั้งฉากกับรูปแบบการเจาะ (drill pattern) ไม่ว่าแขนยึดจะอยู่ในตำแหน่งใด

สิ่งนี้ส่งผลต่อตัวเครื่องเจาะหินโดยตรงดังนี้: เครื่องเจาะต้องสามารถส่งกำลังกระทบ (percussion power) ได้ 12–20 กิโลวัตต์ ในตัวเรือนเครื่องเจาะแบบดริฟเตอร์ (drifter body) ที่มีขนาดกะทัดรัด โดยการออกแบบลูกสูบแบบขั้นบันได (stepped piston design) ซึ่งใช้ในเครื่องเจาะดริฟเตอร์บางรุ่นที่ออกแบบสำหรับงานอุโมงค์ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายโอนพลังงานกระทบได้อย่างแม่นยำ เพราะมุ่งเน้นการเพิ่มความหนาแน่นของกำลัง (power density) มากกว่าพลังงานสูงสุด (peak energy) เครื่องเจาะดริฟเตอร์แบบลูกสูบขั้นบันได 15 กิโลวัตต์ ที่ใช้งานในหน้าตัดขนาด 3.5 เมตร × 1.8 เมตร สามารถรักษาอัตราการเจาะลึกได้ที่ 2 เมตร/นาที ในหินที่มีความแข็งแรง 80–120 เมกะพาสคาล (MPa) ขณะยังคงสามารถติดตั้งบนตัวรถบรรทุกที่สามารถผ่านทางเข้าอุโมงค์ (access drift) ที่มีขนาด 2.5 เมตร × 1.5 เมตร ได้

การจัดวางโครงสร้างแบบต่ำ (low-profile) — เช่น รุ่นคลาส KJ212 ที่ออกแบบมาสำหรับงานขุดแนวหัวทางเข้า (headings) ที่มีขนาดเล็กมากถึง 3.5 เมตร × 1.8 เมตร — ใช้แขนกลแบบพับได้โดยเฉพาะ เพื่อให้เครื่องจักรสามารถขับผ่านช่องเปิดขนาด 2.5 เมตร × 1.5 เมตร ได้ จากนั้นจึงกางแขนกลออกสู่ความสูงในการทำงานเต็มรูปแบบเมื่อถึงหน้าตัดงาน ซึ่งไม่ใช่การพิจารณาเพิ่มเติมภายหลัง แต่เป็นข้อกำหนดพื้นฐานด้านการออกแบบสำหรับงานขุดแนวหัวทางเข้าในเหมืองที่มีแร่ชั้นแคบ

เสียงรบกวนในอุโมงค์: เมื่อข้อกำหนดมาตรฐานกลายเป็นประเด็นด้านการปฏิบัติตามกฎหมาย

การเจาะหินแบบเปิดโล่งสร้างระดับเสียง 95–115 เดซิเบล ณ ตำแหน่งผู้ปฏิบัติงานในพื้นที่เปิดโล่ง ในขณะที่ในแนวหัวทางเข้าอุโมงค์ขนาด 5 เมตร × 5 เมตร พลังงานการตีของเครื่องเจาะจะไม่มีที่กระจายออกไป — เสียงที่สะท้อนกลับจากผนังคอนกรีตหรือผนังฉีดพ่นคอนกรีต (shotcrete) จะเพิ่มระดับเสียงสะท้อน (reverberation) อีก 10–15 เดซิเบล การสัมผัสเสียงระดับสูงกว่า 85 เดซิเบลเป็นเวลานานจะกระตุ้นให้ต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันการสูญเสียการได้ยินตามข้อบังคับด้านการประกอบอาชีพในเหมืองของส่วนใหญ่ของประเทศ; และเมื่อระดับเสียงเกิน 100 เดซิเบลในพื้นที่ปิด ระยะเวลาการทำงานต่อกะจะถูกจำกัด

การออกแบบเครื่องเจาะแบบลดเสียงรบกวนทำงานที่สองระดับ: คือการแยกการสั่นสะเทือนระหว่างโมดูลการตีและโครงสร้างตัวรองรับ (เพื่อลดการถ่ายโอนเสียงผ่านโครงสร้างเข้าสู่แขนยึดและโครงหลัก) และการลดเสียงจากไอเสียที่ปล่อยออกมาขณะล้างด้วยอากาศ สำหรับการล้างด้วยน้ำนั้นโดยธรรมชาติสามารถลดเสียงจากการตีบางส่วนได้ในตัวเอง พร้อมทั้งควบคุมฝุ่นไปพร้อมกัน—ซึ่งทั้งสองปัจจัยนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อดำเนินการภายในช่องขุดอุโมงค์ที่ฝุ่นสะสมเร็วกว่าที่ระบบระบายอากาศจะกำจัดออกได้

ข้อกำหนดทางกฎหมายสำหรับโครงการอุโมงค์ในเขตเมือง—เช่น โครงการถนนและรถไฟที่วางใต้พื้นที่มีสิ่งปลูกสร้าง—มักกำหนดความเร็วของการสั่นสะเทือนสูงสุดที่ผิวดิน ไม่ใช่เพียงแค่ระดับเสียงที่หน้าตัดการขุดเท่านั้น วิธีการเจาะแบบมีพื้นผิวเปิด (Free-face drilling) ที่ใช้แรงกระแทกไฮดรอลิกแทนการระเบิด สามารถบรรลุความสามารถในการขุดหน้าตัดได้ที่ 3.5 ตารางเมตรต่อชั่วโมง ในหินแกรนิตที่มีความแข็งแรงมากกว่า 200 MPa ขณะยังคงควบคุมการสั่นสะเทือนที่ผิวดินให้อยู่ภายในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ ซึ่งวิธีการระเบิดไม่สามารถทำได้

ข้อกำหนดจำเพาะของเครื่องเจาะอุโมงค์: พื้นที่หน้าตัด แขนยึด และประเภทเครื่องเจาะ

จัมโบ้สองแขนกลไกที่สามารถเจาะรูได้ครบทั้งหน้าตัดแบบ 50 รู ด้วยระยะก้าวหน้า 3.5 เมตรต่อรอบ โดยทั่วไปจะใช้เวลาประมาณ 2.5–3 ชั่วโมงในการเสร็จสิ้นวงจรการเจาะในหินที่แข็งแรงสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม เวลาต่อรอบจะเพิ่มขึ้นอย่างมากในพื้นที่ที่มีรอยแยกหรือมีดินเหนียวแทรกซึม ซึ่งทำให้ระบบป้องกันการติดขัดทำงานบ่อยครั้ง — นี่คือจุดที่การควบคุมพารามิเตอร์อัตโนมัติเข้ามามีบทบาทสำคัญ โดยช่วยลดความล่าช้าในการตอบสนองของมนุษย์ ซึ่งหากไม่มีระบบนี้อาจทำให้แท่งเจาะเกิดการติดขัดได้

ความมั่นคงภายใต้แรงโหลดแบบไซเคิลสูงในพื้นที่จำกัด

เครื่องเจาะหินที่ติดตั้งอยู่บนแขนจัมโบ้ (jumbo boom) จะส่งแรงสั่นสะเทือนเข้าสู่โครงแชสซีของรถบรรทุกผ่านคานป้อน (feed beam) ฐานรองรับแท่นยึด (cradle mounts) และท่อน้ำมันไฮดรอลิก ในอุโมงค์ แชสซีไม่มีพื้นดินนุ่มๆ รองรับด้านล่างเพื่อดูดซับแรงสั่นสะเทือนนี้—แต่จะวางตัวอยู่บนพื้นคอนกรีตหรือวัสดุหินอัดแน่น ซึ่งส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนทั้งหมดอย่างเต็มที่ ระบบเบรกให้บริการแบบหลายแผ่นดิสก์เปียก (wet multi-disc service brakes) และระบบเบรกจอดรถแบบสปริงใช้งานพร้อมปล่อยด้วยแรงดันไฮดรอลิก (spring-applied hydraulic-release parking brakes) เป็นมาตรฐานในจัมโบ้อุโมงค์รุ่นใหม่ โดยเฉพาะเพื่อป้องกันไม่ให้รถบรรทุกเคลื่อนตัวขณะเจาะแบบกระทบ (percussion) ซึ่งอาจทำให้ตำแหน่งหลุมเจาะเปลี่ยนไปจากแผนที่กำหนดไว้

ความแม่นยำในการจัดตำแหน่งแขนจัมโบ้ที่ ±2 ซม. สามารถทำได้ด้วยระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับรักษาความขนาน (automatic parallel-holding systems) และการจัดแนวด้วยเลเซอร์ (laser alignment) แต่ก็ต่อเมื่อรถบรรทุกมีความมั่นคงอย่างสมบูรณ์ในช่วงเวลาที่เริ่มเจาะ (collar) เท่านั้น หากรถบรรทุกขยับตัว 5 มม. ระหว่างการเจาะเมตรแรก จะส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนของหลุมเจาะสะสมจนถึง 50–80 มม. เมื่อเจาะลึกถึง 4 เมตร—ซึ่งมากพอที่จะทำลายรูปแบบการระเบิด (blast pattern) และก่อให้เกิดการขุดเกินขนาด (overbreak) ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการพ่นคอนกรีตแบบฉีด (shotcrete) เพิ่มขึ้นในทุกวงรอบของการระเบิด

การบำรุงรักษาซีลและวงจรล้างในสภาวะอุโมงค์

เครื่องเจาะอุโมงค์สะสมชั่วโมงการตี (percussion hours) ได้เร็วกว่าอุปกรณ์ที่ใช้งานบนพื้นผิวดิน เนื่องจากเครื่องมักไม่สามารถเคลื่อนย้ายระหว่างรูเจาะได้อย่างคล่องตัวเท่ากับแท่นเจาะบนพื้นผิวดิน เวลาในการเคลื่อนย้าย (tramming time) ที่ลดลงจึงหมายความว่ามีเวลาการเจาะเพิ่มขึ้นต่อแต่ละกะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวงจรการล้างจะรับภาระหนักเป็นพิเศษ: การล้างด้วยน้ำในบริเวณหัวเจาะที่จำกัดพื้นที่ทำให้ของไหลที่กลับคืนมาพามวลเศษหินละเอียดผ่านบริเวณรอยต่อระหว่างซีลกับกล่องล้างอย่างต่อเนื่อง แทนที่จะทิ้งเศษหินให้ตกตะกอนอย่างชัดเจนเหมือนในกรณีที่เจาะรูเปิดบนพื้นผิวดิน

HOVOO จัดจำหน่ายชุดซีลสำหรับเครื่องเจาะอุโมงค์ (tunnel drifters) ที่ใช้งานบนแพลตฟอร์มจัมโบ้หลัก—รวมถึงรุ่นที่ออกแบบให้สอดคล้องกับข้อกำหนดของเครื่องเจาะอุโมงค์ยี่ห้อ Epiroc, Sandvik และ Montabert โดยเนื่องจากอัตราการสึกหรอของกล่องล้าง (flushing box) สูงกว่าในงานใต้ดิน จึงมีการออกแบบให้ชุดล้าง (flushing kit) และชุดกระทบ (percussion kit) เป็นชิ้นส่วนที่สามารถเปลี่ยนแยกกันได้—แทนที่จะรวมเป็นชุดเดียว—เพื่อให้สามารถเปลี่ยนเฉพาะส่วนที่สึกหรอจริงตามสภาพการใช้งาน ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนทั้งสองชุดพร้อมกันตามช่วงเวลาที่กำหนด ชุดซีลที่ออกแบบเฉพาะสำหรับแต่ละรุ่นสามารถดูได้ที่ hovooseal.com