Нов поглед върху строителството на тунели

Населението на света нараства с невиждани темпове. Придвижването на хора и стоки от едно място на друго изисква специфична инфраструктура и организация. Нуждата от транспортни връзки става все по-осезаема. Това е проблем, който още не е намерил своето решение. Дали, вперили поглед напред и нагоре, не подминаваме това, което е под краката ни? Дали не можем да търсим решението под земята? Там все още има огромни неизползвани обеми, защото подземното строителство е рисковано, скъпо и отнема години. Има ли начин то да се извършва полесно, по-безопасно, по-бързо и по-евтино?

Текст: списание Инфрабилд

С отговорите на тези въпроси се заема HyperTunnel - компания от Обединеното кралство, стартирала през 2018г. Компанията започва да разработва нов метод за изграждане на тунели, като съчетава технологични подходи от много други сектори - минно дело, геодезия, пробиване на сондажи, дори триизмерен печат. Предефинират се технологичните операции, където се налага; прилагат се и достиженията в изкуствения интелект. Тази година Vinci Construction Grands Projets инвестираха в HyperTunnel. Когато компания, експерт в откриването на потенциала на иновативни технологии, се доверява на нов метод, добре е ние също да се запознаем с него.

Смелата идея за нов подход при подземното строителство е базирана на възможностите на изкуствения интелект, обучението на машините, 3D печата и технологията на рояка минироботи. Най-общо процесът по изграждането на подземно съоръжение може да бъде описан в четири стъпки - подготовка, строителство, изкопни работи и довършителни дейности.

Подготовка

Винаги задълбочените проучвания и внимателното проектиране предхождат строителния процес. Интересен е критерият за подбор на инженери, възприет от управленския екип, който се е посветил на новия метод за изграждане на тунели. За да се осъществи нова, нестандартна идея, инженерите трябва да бъдат със свежо, необременено мислене. Те се подбират измежду най-талантливите в области, които, на пръв поглед, нямат много общо с тунелите. Такива са, примерно, модерните строителни материали, космическата индустрия, добив на нефт и газ, геонауки и дори моторни спортове! (Малко по-натам ще разберем защо са важни моторните спортове.)

С добре подбраните специалисти се разработват и новите техники за геоложки проучвания, точно такива, каквито са необходими за следващите стъпки. Тези проучвания трябва да улеснят визуализирането на геоложките интерфейси, било то 2D или 3D графични прозорци, но с ясната цел за осигуряване на лесно възприемане на подадените пространствени данни, интерпретации и база за моделиране. Визуализират се и евентуалните препятствия. Най-същественият момент в този етап е създаването на digital twin, цифров близнак, който ще служи като цифров аналог в реално време на физическия обект. Това виртуално представяне ще поддържа технологията за виртуална реалност (VR) и информационно моделиране на сгради (BIM).

За VR и BIM сме писали подробно, сега само ще припомним, че: VR (Virtual reality) е среда, създадена от информационните технологии, която физически не съществува. При проектирането широко се използват 3D моделите на виртуалната реалност, и от конструктори, и от машинни инженери, и в инфраструктурното проектиране. BIM ( Building Information Modeling) дава възможност за обмяна на информация в реално време между различните участници в процеса, като се използва 3D визуализация на съоръжението.

Самата строителна площадка не изисква блокиране на огромни площи, и то за дълъг период от време. Всъщност работната площадка дори може да бъде разположена на разстояние. Необходима е само незначителна площ, непосредствено пред тунела, където ще бъдат позиционирани машините за поставяне на линейните тръбни ограничители на формата на тунела, а след изграждането - фрезите за разбиване на почвата във вътрешността на тунела.

Изграждане

Процесът започва с пробиване на централно разположен „индекс“ с използване на хоризонтално насочено пробиващо устройство. Това осигурява репер, спрямо който ще бъде дефинирана и ограничена границата, формата на съоръжението, посредством още тръбни линейни елементи. По този начин допълнително се предоставя достъп за уредите за наблюдение, които събират данни за дигиталния „близнак“. Тези, последни, най-достоверни структурни оценки и данни, валидиращи предварителните проучвания, са възможни с помощта на допълнителни техники за проверка, осъществени от минироботите. За тях - след малко. Комплексът способи за наблюдение създават уникално подробен чертеж на съоръжението.

И стигнахме до роботите. Ще направим едно малко отклонение на тема AI, Artificial Intelligence или изкуствен интелект. Замисленият технологичен пробив би бил невъзможен без използване на AI. Изкуственият интелект е симулация на процеси на човешкия интелект от машини, особено компютърни системи. AI изисква основа от специализиран хардуер и софтуер за писане и обучение на алгоритми за машинно обучение. Нито един език за програмиране не е синоним на AI, но някои, например Python и Java, са популярни. Като цяло, AI системите работят чрез поемане на големи количества маркирани данни за обучение, анализиране на данните за корелации и модели и използване на тези модели, за да се правят прогнози за бъдещи състояния. По този начин инструмент за разпознаване на изображения може да се научи да идентифицира и описва обекти в изображения, като преглежда милиони примери.

Програмирането с изкуствен интелект се фокусира върху три когнитивни умения: учене, разсъждение и самокорекция. Често това, което се нарича AI, е само единия от компонентите - като машинното обучение. За осъществяване на „учене“, т. е. за машинното обучение, програмирането на изкуствения интелект се фокусира върху придобиването на данни и създаването на правила за превръщане на данните в информация, която може да се използва за дадено действие. Правилата, това са алгоритми, които предоставят на изчислителните устройства инструкции как да изпълнят конкретна задача стъпка по стъпка. По този начин са програмирани и интелигентните роботи.

На строителната площадка се доставят и използват рояци полуавтономни свръхроботи, наричани просто ботове. Те се изпращат в тръбите, които вече са оформили границите на съоръжението. Стотици, дори хиляди, действат като рояк, работят в цялата система, всички едновременно. Ботовете са проектирани така, че да могат да се разминават вътре в тръбата, което осигурява максималната им ефективност. Не се налага спиране и изчакване. Те се движат свободно до различни места, а движението им понякога напомня мотоциклетите, които използват центробежните сили, за да останат в равновесие. Е, специалистите по мотори знаят най-добре... При движението си ботовете изпълняват различни задачи. Те заснемат и инсталират контролирани точки за достъп съобразно геологията.

Същевременно остават да работят в рамките на мрежа за смесване на конструктивен композитен материал, с който изграждат структурната обвивка на тунела, като използват процес, принципно аналогичен на 3D печат. Тук е един от ценните моменти - използването на CNC (Computer Numerical Control) роботизирана ръка. CNC машините всъщност са фрези с ЦПУ (цифрово-програмно управление). Става дума за компютърен „контролер“, който чете инструкции на G-код и управлява механичното устройство, захранвано с електрически ток, с което се отнемаселективно материал. Точността на позициониране осигурява висококачествен краен продукт, а времето, необходимо за това, е сведено до минимум. Така роботизираната ръка с ЦПУ издълбава прецизно камери в геоложките пластове.

Камерите се запълват с подходящ конструктивен материал, така че се оформят блокове. Те могат да се „отливат“ един до друг, за да се създаде трайна непрекъсната структура - триизмерна, високоякостна, създадена стъпка по стъпка, блок след блок, в почвата.  Наличието на вода и лошите условия на земната основа ескалират разходите и могат да имат отрицателно въздействие върху околната среда. За да се противодейства на тези рискове, разработеният конструктивен материал трябва да отговаря на много сложни изисквания - висока якост, ниска деформативност, водонепропускливост, дори качества за уякчаване на почвата.

Изкопни работи

Целта при новия метод е изкопните дейности да са безопасни, машините да се управляват от разстояние, извозените остатъци земна маса да се рециклират лесно, без нужда от допълнителна обработка, и едновременно с извозването да е възможно пръскане с бетонен слой под налягане (SCLsprayed concrete lining). Работи се в следната последователност. В хоризонтално направление, във вътрешността на тунела, която все още е запълнена с материала, описан в геологията на обекта, се насочват фрези и съществуващите структури се разбиват. След това раздробената маса лесно се отстранява.

Използва се технологията за задвижван щит и автономни превозващи машини. С напредване на щита стените на съоръжението се торкретират. Тук трябва да отдадем заслуженото внимание към специалистите, които разработват рецептите за бетона. Той трябва да е подобрен с подходящи пластификатори, за да може да бъде лесно неговото изпомпване и полагане. Същевременно отломките от раздробената земна или скална маса се изгребват и посредством транспортна лента се товарят на автономни „вагони“. По този начин извозването от работната зона е напълно безопасно.

Довършителни работи 

Някои от оригиналните отвори могат да останат на място за осигуряване на достъп до тунела. Стените се подготвят за окончателното пускане в експлоатация. Крайното предназначение на тунела определя и завършващия вътрешен облицовъчен пласт. Необходимите настилки, осветление, вентилация и всички други системи, изисквани от нормативната уредба, се изпълняват по обичайните начини. При финала се усеща още едно от качествата на BIM-моделирането и дигиталния „близнак“ - много лесно и бързо се оформя цялата документация.

Под земята остава една интелигентна структура, която може да бъде следена и поддържана през целия є експлоатационен живот. Подобреното управление на жизнения цикъл ще става с използване на IoT (Internet of Things) концепция, която свежда участието на човека до минимум, като използва взаимовръзката между всички устройства, свързани чрез интернет, за получаване и изпращане на данни. При наличие на такава компютърна мрежа от сензори, датчици, монитори и други необходими устройства може да се осъществява наблюдение, предвиждане, диагностика на възникналите проблеми и дори отстраняването им.

Проучванията и разработките, осъществени досега, потвърждават, че насоката е правилна. Скоростта се увеличава, намаляват рисковете при проектирането, подобрява се точността на планиране, преобразуват се проблемите с безопасността, премахва се известната несигурност при подземния път, намаляват консумативите, минимизира се подземното захранване, разходите като цяло намаляват, преодоляват се неблагоприятните геологични условия преди началото на изкопните работи и съвсем не е без значение, че вредните въздействия върху околната среда намаляват чувствително.

Новината от началото на юни е, че Европейският съвет за иновации подкрепя хипертунела. Финансиране от 1,88 милиона евро ще бъде използвано за завършване на разработването на платформата за подземно строителство на HyperTunnel за усъвършенствана „роботика на рояка“, която трябва да направи изграждането на тунели по-бързо, по-достъпно, по-устойчиво и с по-малък риск. Животът ни се променя неотклонно. Строителството на все повече тунели се превръща в необходимост. Те намаляват задръстванията, замърсяването и шума, запазват повече пространство за природа, осигуряват надеждни и бързи транспортни услуги. Този иновативен метод не е просто преосмисляне на тунелите, той е преосмисляне на бъдещето.