ماشین‌های حفاری تونل | TBM

تونل‌سازی در جهان امروز یکی از مشاغل مهم است که در شرایط موجود، راه‌های سخت‌گذر را خیلی آسان ساخته‌است. اکنون تونل‌سازان توانسته‌اند در زیر دریاها، میان کوه‌ها و زیر زمین و حتی برای مقاصد راه اتصالی و انتقال سیم برق و تلفن، خط ریل، مخفی‌گاه‌ها، گدامها، انتقال پایپ لاین، پایپ آب و غیره تونل ایجاد کنند. یکی از کارهای مشکل تونل‌سازی حفر یا ایجاد سوراخ تونل است که باید دقیق به محلی که تونل ختم می‌شود سوراخ شود. بدین منظور، کمپانی‌های مجرب وجود دارد. این کمپانی‌ها از وسایل مدرن به‌نام تی‌بی‌ام (TBM: tunnel boring machine) استفاده می‌کنند. این ماشین‌ها توسط شرکت روبین کانادایی و سایر کمپانی‌ها ساخته می‌شود.

ماشین TBM می‌تواند ۱۶ متر در روز حفر کند. از این ماشین برای سوراخ کردن سنگ و خاک و ریگ استفاده می‌شود و حتی توانایی سوراخ کردن زمین به‌شکل افقی را نیز دارد. قطر این ماشین‌ها، که برای سوراخ کردن سنگ‌ها به‌کار می‌رود ۱۴٫۳ متر است. برای سوراخ کردن خاک و ریگ نیز شرکتی آلمانی با نام Herrenknecht AG توانسته‌است به قطر ۱۵٫۴۳ متر در پروژهٔ شانگهای چین و در سال ۲۰۰۵ قطر ۱۹ متر را تولید کند. در صنعت طراحی و ساخت تونل‌ها کشورهای آمریکا، آلمان، ژاپن، چین و روسیه این فناوری را دارا هستند.

استفاده از ماشین‌های غول‌پیکر در ساختن تونل‌های طویل، کاری است اقتصادی، سریع و به‌صرفه؛ ولی در ساختن تونل‌های کوتاه، این کار جنبهٔ اقتصادی ندارد و از وسایل کوچک‌تر که با نام TBMs شناخته می‌شوند استفاده می‌کنند. تونل‌ها به‌شکل مستطیل و مدوّر ساخته می‌شوند. تونل‌های مدوّر مقاومت خیلی زیاد در برابر وزن واردشده دارند.

روش های حفر تونل :

روش های عمومی حفر تونل عبارت اند از:

• چالزنی و آتش باری
• استفاده از چکش هیدرولیکی
• ماشین حفاری کله گاوی(road header)
• استفاده از دستگاه حفار تونل(TBM)

تاریخچه ماشین های TBM

نخستین سپر محافظ تونل، توسط سر مارک ایزامبارد برونل در سال ۱۸۲۵ و برای حفاری تونل تِیمز ساخته شد. اگرچه این ابتکار تنها به منظور ساخت یک سپر بوده و شامل ساختن یک دستگاه حفاری تونل کامل نبود؛ اما عملیات حفر تونل‌ها نیاز داشت که با استفاده از روش‌های استاندارد حفاری به سرانجام برسد.

مشهور است که نخستین دستگاه حفاری ساخته شده، هنری-جوزف ماوس یک دستگاه برش کوه بوده‌است. این دستگاه در سال ۱۸۴۵ به سفارش پادشاه ساردینیا و به منظور حفر تونل ریلی فرجوس از میان رشته‌کوه‌های آلپ، بین دو کشور فرانسه و ایتالیا ساخته شده بود. عملیات ساخت این دستگاه در یک کارخانه اسلحه‌سازی در نزدیکی تورین و در سال ۱۸۴۶ به پایان رسید. این دستگاه عبارت بوده‌است از بیش از ۱۰۰ مته کوبه‌ای که در قسمت جلویی دستگاهی به اندازه لوکوموتیو نصب شده بود که نیروی رانشی آن از ورودی تونل به صورت مکانیکی اعمال می‌شد. بودجه این پروژه تحت تأثیر انقلاب سال ۱۸۴۸ قرار گرفته و تونل هنوز کامل نشده بود؛ تا اینکه با استفاده از روش‌های مبتکرانه و کم‌هزینه‌ای همچون استفاده از متهٔ پنوماتیک، پس از ۱۰ سال به بهره‌برداری رسید.

نخستین ماشین حفر تونل ساخته شده در ایالات متحده برای ساختن تونل هوساک در سال ۱۸۵۳ مورد استفاده قرار گرفت. این دستگاه، با چدن ساخته شده و به نام ماشین برش سنگ انحصاری ویلسون و به نام مخترعی به اسم ویلسون نام گذاری شد. این ماشین، قبل از شکستن زمین سنگی، ۱۰ فوت را درون سنگ حفاری کرد. تونل مذکور سرانجام بعد از بیش از ۲۰ سال به پایان رسید. در ساخت آن همانند تونل ریلی فرجوس از روش‌های جاه‌طلبانه، کمتر استفاده شد.

در اوایل دههٔ ۱۹۵۰، ف.ک. مایتری برندهٔ مناقصه احداث سد انحرافیِ اوه واقع در پییر در ایالت داکوتای جنوبی شد که با مشاورهٔ جیمز س. رابینز (بنیان‌گذار شرکت رابینز) حفاری زمین‌های سنگ رسی پییر شیل را که مشکل‌ترین عملیات حفاری زمین‌های سنگ رسی در آن زمان بود شروع کرد. شرکت رابینز دستگاهی درست کرد که قادر بود ۱۶۰ فوت از زمین‌های سنگ رسی را در بیست‌وچهار ساعت حفر کند که نسبت به روش‌های رایج در آن هنگام ۱۰ برابر سریع‌تر بود.

چیزی که باعث شد ماشین‌های حفر تونل، کارآمد و مطمئن شوند، اختراع سر گردان آن‌ها بود که به صفحه برش نصب می‌شد. در ابتدا، در دستگاه تی‌بی‌ام رابینز از چکشهای فولادی چرخشی استفاده کردند که با حرکت دایره‌ای خود زمین پیش‌روی‌اش را حفر می‌کرد؛ اما او سریعاً متوجه این شد که این چکش‌ها، علی‌رغم محکم بودنشان کارایی زیادی ندارند؛ زیرا به محض شکستن و کند شدن، باید مکرراً با چکش‌های جدید تعویض می‌شدند. این مشکل با جایگزین کردن صفحات برش بادوام‌تر به جای چکش، به‌طور قابل ملاحظه‌ای برطرف شد. در سال ۱۹۵۶ این طرح، برای اولین بار در تونل فاضلاب و رودخانه هامبر با موفقیت مورد استفاده قرار گرفت (فولی، ۲۰۰۹). از آن زمان تاکنون، در تمام حفاری‌هایی که در زمین‌های سخت، با توفیق همراه بوده‌است، از تی‌بی‌ام‌هایی با چرخ‌های برش گردان و صفحات برش مدور استفاده گردیده‌است.

استفاده از دستگاه حفار تونل(TBM)

دستگاه تی بی ام جزء ماشین آلات ویژه به حساب می آید.

لذا استفاده از این دستگاه به دلیل هزینه‌های بالای سرمایه گذاری تنها در پروژه‌های خاص به صرفه می‌باشد .

تی بی ام‌ها به‌طور اساسی به دو دسته زیر تقسیم بندی شده:

• تی بی ام‌های مخصوص حفاری در سنگ
• تی بی ام‌های مخصوص حفاری در زمین‌های سست.

تی بی ام مخففTunnel Boring Machine می‌باشد .

دستگاه تی بی ام را همچنین با نام مول (mole) نیز می شناسند.

امروزه تی بی ام‌ها با قطرهای مختلف در پروژه‌های حفر تونل به صورت وسیع مورد استفاده می‌باشند.

بزرگ‌ترین تی بی ام موجود که توسط شرکت آلمانی هرنگشت برای پروژه ای در شهر شانگهای ساخته شده‌است دارای قطر ۱۵٫۴۳ متر می‌باشد .

انواع تی بی ام‌ها را بر اساس ویژگی‌های آن‌ها می‌توان به موارد زیر تقسیم نمود:

۱-تی بی ام‌های سپر دار خاکهای سست

۲-تی بی ام سپردار دوغابی (Slurry Shield)

۳-تی بی ام سپردار ای پی بی(EPB)

۴-ﺗی ﺑی ام اکﺴکﺎویﺘﻮر

۵-تی بی ام‌های صخره ای سخت

۶-تی بی ام صخره ای باز

۷-تی بی ام صخره ای سپردار که خود به دو نوع زیر تقسیم بندی می‌شوند:

• ﺗی ﺑی ام ﺻﺨﺮه ای ﺗک ﺳﭙﺮه
• ﺗی ﺑی ام ﺻﺨﺮه ای دو ﺳﭙﺮه

۸-تی بی ام‌های ترکیبی

برای انتخاب نوع تی بی ام موارد بسیار زیادی را باید در نظر گرفت که به صورت اختصاری به شرح زیر می‌باشند:

• منحنی دانه بندی خاک
• نفوذ اب‌های زیر زمینی
• کانی‌شناسی خاک/سنگ
• کیفیت خاک
• مقاومت سنگ