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  ۱۰۰مته 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 تاثیر  قرار گرفته و تونل هنوز کامل نشده بود؛ تا اینکه با استفاده از روش‌های مبتکرانه و کم‌هزینه‌ای همچون استفاده از ، پس از ۱۰ سال به بهره‌برداری رسید.

نخستین ماشین حفر تونل ساخته شده در ایالات متحده برای ساختن 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

در اوایل دهه ۱۹۵۰، ف. ک. مایتری برنده مناقصه احداث سد انحرافی اوه واقع در پییر در ایالت داکوتای جنوبی شد  که با مشاوره 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 بیست و چهار 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 کارآیی 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، به طور 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

ماشین آلات حفر تونل TBM

دستگاهای T.B.M یا Tunnel Boring Machine یکی از مهمترین ماشین آلات حفر تونل می باشند که قادرند تونل را به صورت تمام مقطع حفر کنند. مواد حفر شده به وسیله سیستم ویزه از جلوی جبهه کار جمع آوری شده و به داخل نوار نقاله ای که از داخل دستگاه می گذرد به پشت ماشین هدایت می شود.

تکامل و گسترش این دستگاه ها سبب شده است که آهنگ پیشروی تونل ها در حد قابل توجهی افزایش یابد. امروزه در سنگ های نسبتا سخت نیز برای حفر تونل از این ماشین ها استفاده می کنند.
بعد از سال ها تلاش و ساخت انواعی از این نوع ماشین ها کوشش های بعدی به منظور ساخت ماشین های تمام مقطعی بود که شرایط سخت زمبن شناختی قادر به حفر تونل باشد که آهنگ پیشرفت و تکامل در این زمینه در مقایسه با پیشرفت های اولیه این ماشین ها محدود تر است. در واقع شروع این تحقیقات کوشش های رابینز در سال 1957 میلادی برای ساخت ماشین هایی بود که بتواند در سنگ های خیلی سخت نیز با راندمان معقول تونل حفر کند.
در آن زمان به تدریج این دستگاه ها سنگینتر و محکم تر شد ند و توان آنها نیز افزایش یافت اما پیشرفت آنها در زمینه حفاری سنگ های محکم کند است. به عنوان مثال عملکرد نوعی از این دستگاه ها که مجهز به هر دو سیستم برش ناخنی و دیسکی بود برای حفر در سنگهای آهکی سیلیتی که در بین آنها لایه هایی با مقاومت140مگا پاسکال وجود داشت راضی کننده نبود. سر انجام ناخن ها به طور کلی حذف شد و حفر تونل تنها با استفاده از دیسک های حفار ادامه یافت

ساختار زمین در مسیر تونل عمیق از رسوبات دوره چهارم و عمدتاً از دانه های شن، سیلیت، رس( با خاصیت خمیری زیاد) و قلوه سنگ تشکیل شده است،تراز سطح آبهای زیرزمینی در مسیر تونل 10 متر تا 18 متر در تغییر است. به لحاظ گذر از زیربافت مسکونی و واقع شدن در محل های پر ازدحام وپرترافیک، حفاری با روشهای معمول کُند و پوش
CUT AND COVER))  و روش حفاری دستی ( NATM) سخت و امکان ناپذیر بود ونیاز به استفاده از روشهای مکانیزه حفاری بود که به تبع آن دو دستگاه حفار تمام مقطع TBM ـ   EPBباقطر 6،88 متر انتخاب گردید. این دو دستگاه قابلیت حفاری و نصب قطعات پیش ساخته بتنی را برای دیوار گذاری آن ( LINING) نیز دارد. با توجه به شرایط خاص زمین شناسی و عوامل مؤثر بر پروژه در یک سیکل کاری هر دستگاه قابلیت حفاری و رینگ گذاری 20 تا 25 طول را دارد.

مشخصات فنی دستگاههای حفار خط یک قطار شهری تبریز

 دستگاههای حفار تونل از نوع EPB ( Earth pressure balance ) می باشند. این نوع دستگاهها به طور معمول در خاک های ریز دانه و خاکهایی که دارای آب های زیر زمینی هستند کاربرد دارد. طراحی دستگاههای TBM براساس خاکهایی از نوع Soft ground می باشد.

در اوخر دهه 1970 حفاری تونل های کم عمق در مناطق شهری و خصوصا در خاک نرم با استفاده از ماشین های TBM از طریق کنترل کامل جبهه کار پیشرفت های قابل ملاحظه ای نمود. در جایی که استفاده از فن آوری های پیشین حفاری تونل منجر به اختلالات بسیاری در تأسیسات سطحی و ایجاد محیط کاری پرخطر برای کارگران در داخل تونل می شد، کنترل کامل جبهه کار تونل باعث افزایش ایمنی و کاهش اجرای پر دردسر تونل در خاکهای نرم گردید.

سپرهایی که از هوای فشرده جهت نگهداری جبهه کار تونل استفاده می کردند تنها فن آوری کنترل جبهه کار تونل قبل از ساخت TBMهای نوع دوغابی و نوع EPB بودند. به علّت مشکلات وخطراتی که برای پرسنل فنی داخل تونل ایجاد می شد استفاده از سپر هوای فشرده به تدریج منسوخ شد. امروزه عمدتا از انواع ماشین های TBM مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:

1ـ  ماشین حفاری تمام مقطع تونل از نوع متعادل کننده فشار زمین یا EPB- TBM

1ـ ماشین حفاری تمام مقطع تونل از نوع دوغابی یا SLURRY TBM

ترکیب دو ماشین فوق تحت عنوان سپر ترکیبی یا MIX SHIELD که قابلیت استفاده همزمان به صورت EPB و دوغابی را دارد، شناخته می شود.

در حالی که هر دو ماشین TBM نوع دوغابی و EPB قابلیت کنترل کامل جبهه کار تونل را دارند اما درنحوه کنترل و نگهداری جبهه کار تونل تفاوت زیربنایی دارند.

در روش متعادل کننده فشار زمین نگهداری مدوام جبهه کار تونل از طریق ایجاد تعادل بین فشار خارجی زمین و فشارآب در مقابل نیروی فشاری ماشین و نرخ خروج مصالح حفاری شده از ماشین انجام می گیرد.

TBM نوع دوغابی پایداری جبهه کار تونل را توسط دوغاب گل حفاری  تأمین می نماید. گِل حفاری (بنتونیت) یک نوع رُس است که در مجاورت آب متورم شده، دوغاب در خاک جبهه کار تونل نفوذ کرده و یک پوسته در اطراف جبهه کار تونل ایجاد می کند که باعث حفظ فشار بر جبهه کار تونل خواهد شد.

TBM های نوع  EPB   از منظر زیست محیطی بر TBM   های نوع دوغابی مزیت دارند. زیرا در این ماشینها نیاز به جداسازی و تخلیه دوغاب گل حفاری نمی باشد. معمولا در فضاهای داخل شهر و خصوصا در مترو از TBM های نوع EPB استفاده می شود.

از فوم برای بهسازی خاک در TBM های نوع EPB استفاده می کنند با تبدیل خاک به خمیر آبکی با اصطکاک داخلی کم و نفوذپذیری کم می توان راندمان حفاری را بالا بُرد. بهسازی خاک با فوم عموما باعث بهبود کنترل خاک ـ کاهش سایش ابزارهای بُرشی، کاهش چسبندگی در مسیر انتقال خاک و کاهش نفوذ پذیری را باعث می شود.

اجزای اصلی دستگاههای TBM از نوع EPB

با توجه به اینکه نوع دستگاههای TBM مورد استفاده در خط یک قطار شهری تبریز از نوع EPB می باشد. توضیح مختصری را در مورد این نوع، بیان می کنیم؛

اصولا ویژگی های اصلی تمام TBM های از نوع EPB بدون توجه به سازنده مشابه است. سپر، یک سازه فولادی متشکل از سه قسمت می باشد. بخش جلویی که شامل سر حفار، سیستم محرک اصلی و نقاله مارپیچ می باشد. قسمت میانی که شامل سیستم رانش و سیستم نقاله بوده ویک سپر انتهایی آن شامل  تجهیزات نصب پوشش تونل است.نیروی رانش بوسیله مجموعه ای از جک های فشاری که قسمت جلویی را با استفاده از لبه  پوشش اجرا شده تونل به عنوان سکوی عکس العمل به سمت جلو رانده، فراهم می گردد. جک های فشاری بطور جداگانه  عمل کرده یا در گروههایی برای فراهم نمودن   قابلیت هدایت اصلی برای سپر جلویی عمل می کنند. برای هدایت در قوس هایی با شعاع کم، سپر بین قوس میانی وقوس عقبی بصورت اتصال مفصلی ساخته می شود.

برای انجام حفاری در روی کله حفار به یک سری ابزار برش مورد نیاز می باشد که جنس ونوع این ابزارهای برشی متناسب با شرایط ژئوتکنیک زمین انتخاب می گردند. بعد از حفاری با یک طول کورس معین، تونل نیاز به یک سیستم پوشش بتنی پیش ساخته دارد که لاینینگ تونل نامیده می شود. این قطعات به نام سگمنت در یک کارخانه مجزا با استفاده از قالب های مخصوص و فراوری بخار با مقاومت بالا تا 700 کیلوگرم بر سانتی متر مربع، تولید و جهت نصب به داخل تونل انتقال می یابند.

مشخصات فنی عمده دستگاههای TBM تبریز به شرح ذیل می باشد:

1ـ قطر حفاری                                                                     6/88 متر

2ـ قطر خارجی تونل                                                             6/60 متر

3ـ قطر داخلی تونل                                                               6 متر

4ـ طول دستگاه                                                                   102 متر

5ـ وزن دستگاه                                                                    620 تن

6ـ ماگزیمم پیشروی دستگاه                                                80 میلی متر بر دقیقه

7ـ توان مصرفی دستگاه                                                       1820 کیلو وات

8ـ تعداد سگمنت                                                                 (1+5) 6

9ـ وزن کل رینگ                                                                   22 تن

10ـ تعداد ابزار برش روی کله حفار                                          185

11ـ نیروی جلو برندگی دستگاه                                             44000 کیلونیوتن

12ـ حداقل شعاع افقی قوس های قابل حفاری                       300 متر
13ـ حداقل شعاع قائم قوس های قابل حفاری                        2000 متر




 

سفری به درون بزرگ ترین ماشین حفاری تونل جهان TBM

در روزهای گذشته یک ماشین حفاری تونل (TBM) بسیار بزرگ که حتی بزرگ تر از مرغ افسانه ای رعد و برق به نظر می رسد، به شهری در سیاتل اختصاص داده شد. این ماشین با نام برتا، بزرگ ترین ماشین حفاری تونل جهان به حساب می آید و قرار است 14 ماه آینده را به حفر یک تونل 2.7 کیلومتری در زیر سطح شهر به عنوان بخشی از پروژه 1.2 میلیارد دلاری برای جایگزینی پل آسیب دیده در زلزله سال 2001 مشغول شود. به عنوان یک تور مطبوعاتی، وزارت حمل و نقل آمریکا به سایت گیزمگ اجازه ورود به درون این ماشین غول پیکر را داده است.

اولین چیزی که در مواجهه با برتا به چشم می آید، وسعت آن است. با طول 99.3 متر و عرض 17.5 متر، 7000 تن فولاد و ماشین آلات و تجهیزات، عمق 24.3 متری این دستگاه را پر کرده اند.

این تیم بازدید به رهبری KaDeena Yerkan، مدیر ارتباطات و مشارکت عمومی در برنامه جایگزین پل بتنی SR 99 Alaskan Way، شامل نیمی از افراد مطبوعات‌ عمومی بودند که با کلاه های ایمنی و جلیقه های شب نما، وارد این گودال شدند. با وجود تعطلات آخر هفته ای، گودال تحت عملیات شدیدی برای کنار هم قرار دادن آخرین قطعات برتا، بوده است.

در بالای گودال، ما قادر به دیدن و شنیدن دلایل این فعالیت ها در این مکان بودیم. هدف برتا حفر یک جایگزین برای پل بتونی SR 99 Alaskan Way است که پیرامون اسکله سیاتل را احاطه کرده است. این پل که در سال 1950 ساخته شده بود، یک بزرگراه بتونی دوطبقه با قابلیت حمل روزانه 110000 خودرو بود و برای بیش از نیم قرن مورد علاقه و تنفر ساکنان محلی قرار داشت. برای برخی افراد، این پل فرصتی برای لذت بردن از چشم اندازهای زیبای Puget Sound در رفت و آمدهای روزانه بود و برای برخی دیگر این یک هیولای بتنی بر روی اسکله موجب جدا کردن آن از شهر بود.