ماشین‌های حفاری تونل (TBM) 🚇 راهـ بازکن‌های زیرزمینی

بیشتربخوانید: 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.

دستگاه‌های حفاری تونل، به‌عنوان جایگزینی برای روش‌های حفاری و انفجار صخره‌ها و کندن زمین با دست مورد استفاده قرار می‌گیرد. تی‌بی‌ام‌ها مزایایی همچون کاهش تعرض به زمین‌های مجاور و ایجاد دیوارهای نرم در تونل را دارند. این دستگاه به صورت قابل توجهی هزینه استرکشی تونل را کاهش می‌دهد که خود این باعث شده برای استفاده در مناطق به شدت شهرنشین مناسب باشند

TBM چگونه کار می‌کند؟

ماشین‌های TBM مانند یک کارخانه متحرک زیرزمینی عمل می‌کنند و دارای بخش‌های مختلفی هستند:

1️⃣ سپر (Shield): محفظه‌ای بزرگ که جلوی دستگاه را پوشانده و از فروریختن تونل جلوگیری می‌کند.
2️⃣ صفحه حفاری (Cutterhead): دیسکی چرخان با تیغه‌های قدرتمند که سنگ و خاک را برش می‌دهد.
3️⃣ سیستم انتقال مواد: نوار نقاله و پمپ‌ها که خاک حفاری‌شده را به بیرون منتقل می‌کنند.
4️⃣ سیستم تقویت تونل: بلافاصله بعد از حفاری، قطعات بتنی (Segments) در دیواره تونل نصب می‌شوند تا آن را پایدار نگه دارند.
5️⃣ موتورهای هیدرولیکی: نیرو را برای حرکت تیغه‌ها و پیشروی دستگاه فراهم می‌کنند.
6️⃣ سیستم هدایت و کنترل: TBM با هوش ماشینی و سنسورهای پیشرفته مسیر تونل را تنظیم و اصلاح می‌کند.

بیشتربخوانید: تونل سازی و روش‌های آن

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)

انواع ماشین‌های حفاری تونل (TBM)

🔸 TBM سپردار (Shielded TBM): دارای محافظ برای جلوگیری از ریزش تونل در خاک‌های نرم و ناپایدار.
🔸 TBM دو سپره (Double Shield TBM): ترکیبی از سپر حفاظتی و قابلیت خودنگه‌دارندگی، مناسب برای سنگ‌های سخت.
🔸 TBM باز (Open TBM): بدون سپر، مناسب حفاری در زمین‌های سخت و پایدار.
🔸 TBM فشار تعادلی زمین (EPB-TBM): مناسب برای خاک‌های سست، با کنترل فشار زمین برای جلوگیری از ریزش.
🔸 TBM دوغابی (Slurry TBM): برای زمین‌های با سطح آب بالا، از دوغاب (Slurry) برای تثبیت خاک و دفع مواد حفاری‌شده استفاده می‌کند.

بزرگترین تی‌بی‌امی که تاکنون ساخته شده با قطر ۱۵٫۴۳ متر توسط کارخانه آلمانی هرنکنشت برای پروژهٔ اخیری در شانگهای چین ساخته شده‌است. این دستگاه برای حفاری زمین سستی حاوی ماسه و خاک رس ساخته شده بود. بیشترین قطر مربوط به تی‌بی‌ام‌هایی که برای زمین‌هایی با سنگ‌های سخت ساخته شده‌اند توسط شرکت رابینز برای پروژه تونل نیاگارا تولید شده‌است. این دستگاه برای حفاری تونلی برق‌آبی در زیر آبشار نیاگارا استفاده شد. دستگاه تی‌بی‌ام مذکور به نام «بکی بزرگ»، با اشاره به سد برق‌آبی «سر آدام بک» نام گذاری شده‌است که این دستگاه، تونلی برای دسترسی اضافی به آن حفاری می‌کند.

 

 

مزایای استفاده از TBM

✅ کاهش لرزش و آسیب به ساختمان‌ها | برعکس حفاری انفجاری، TBM ارتعاش کمتری ایجاد می‌کند.
✅ افزایش سرعت پروژه | حفاری و نصب پوشش تونل هم‌زمان انجام می‌شود.
✅ دقت بالاتر در حفاری مسیرها | با سیستم‌های هدایت لیزری و هوش ماشینی، انحراف حداقلی دارد.
✅ ایمنی بیشتر برای کارگران | کارگران در محفظه‌ای ایمن فعالیت می‌کنند.
✅ امکان حفاری در شرایط سخت زمین‌شناسی | از خاک نرم تا سنگ‌های آذرین، TBM‌ها قادر به حفاری هستند.

چالش‌ها و محدودیت‌های TBM

🔴 هزینه بالا | خرید و راه‌اندازی TBM گران است (گاهی تا 50 میلیون دلار) و نیاز به سرمایه‌گذاری کلان دارد.
🔴 ابعاد بزرگ و حمل‌ونقل دشوار | TBM‌ها باید در محل پروژه مونتاژ شوند که زمان‌بر است.
🔴 محدودیت در مسیرهای پرپیچ‌وخم | مانور دادن TBM در مسیرهای پیچیده سخت‌تر از روش‌های سنتی است.
🔴 مدیریت خاک و مواد حفاری‌شده | باید خاک حفاری‌شده به‌درستی دفع یا بازیافت شود.

نمونه‌های معروف از پروژه‌های تونل‌سازی با TBM

🏗️ تونل گوتارد (Gotthard Base Tunnel) | سوئیس | طولانی‌ترین تونل راه‌آهن جهان (57 کیلومتر)، حفاری با TBM دو سپره انجام شد.
🏗️ متروی شانگهای | چین | یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های مترو با حفاری گسترده TBM.
🏗️ تونل مانش (Channel Tunnel) | بریتانیا – فرانسه | اتصال بریتانیا و فرانسه زیر دریای مانش با TBM فشار تعادلی زمین.
🏗️ پروژه بورینگ کمپانی (Boring Company) | آمریکا | ایلان ماسک برای تونل‌های حمل‌ونقل سریع از TBM‌های کم‌هزینه و سریع‌تر استفاده می‌کند.

نکات حرفه‌ای: آینده ماشین‌های حفاری تونل

جمع‌بندی

دستگاه تی بی ام جزء ماشین آلات ویژه به حساب می آید، لذا استفاده از این دستگاه به دلیل هزینه های بالای سرمایه گذاری تنها در پروژه های خاص به صرفه می باشد؛

تی‌بی‌ام‌ها برای استفاده در ساخت‌وسازها گران‌قیمت بوده و آن‌ها را به سختی می‌توان جابجا کرد. هرچند با وجود طویل بودن تونل‌های مدرن، هزینه استفاده از دستگاه‌های حفاری تونل، در مقابل روش‌های سنتی حفر و انفجار به مراتب پایین‌تر است. به همین دلیل تونل سازی با دستگاه‌های تی‌بی‌ام در یک پروژهٔ کوتاه تأثیر بیشتری دارد.

ماشین‌های حفاری تونل (TBM) دنیای مهندسی را متحول کرده‌اند و امکان ایجاد تونل‌های ایمن، سریع و دقیق را در زمین‌های مختلف فراهم می‌کنند. با پیشرفت در هوش ماشینی، طراحی‌های مدرن و استفاده از انرژی‌های پایدار، آینده این غول‌های مهندسی حتی کارآمدتر و سریع‌تر خواهد شد.

✅ اگر به مهندسی عمران، تونل‌سازی و فناوری‌های حفاری علاقه‌مند هستید، دنیای TBMها یکی از هیجان‌انگیزترین حوزه‌های مهندسی زیرساختی است! 🎯🚀