دستگاه حفاری تونل

دستگاه حفاری تونل (به انگلیسی: Tunnel Boring Machine) یا تی‌بی‌ام که با نام مول (به انگلیسی: Mole) نیز شناخته می‌شود، دستگاهی است که برای حفاری تونل‌ها از آن استفاده می‌گردد. این دستگاه با استفاده از یک سطح مقطع مدور، قادر است در قشرهای خاکی و سنگی زمین حفاری کند. این نوع از ماشین‌آلات توانایی ایجاد حفره در هر نوع زمینی، از سنگ سخت گرفته تا ماسه را دارد. قطر تونل‌هایی که این دستگاه ایجاد می‌کند در محدوده یک متر (با استفاده از میکرو-تی‌بی‌ام‌ها) تا نزدیکی ۱۶ متر (تی‌بی‌ام‌های امروزی) قرار دارند. برای کندن تونل‌هایی که کم‌تر از یک متر قطر دارند، به طور معمول، به جای استفاده از تی‌بی‌ام‌ها، از روش ساخت‌وساز بدون گودال یا حفاری افقی استفاده می‌کنند.

دستگاه‌های حفاری تونل، به عنوان 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. ایراد عمده این دستگاه قیمت بالای آن است. تی‌بی‌ام‌ها برای استفاده در ساخت‌وسازها گران قیمت 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 پایین تر است. به همین دلیل تونل سازی با دستگاه‌های تی‌بی‌ام در یک پروژهٔ کوتاه تاثیر بیشتری دارد.

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.

تاریخچه تی‌بی‌ام

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 تاثیر انقلاب سال ۱۸۴۸ قرار گرفته و تونل هنوز کامل نشده بود؛ تا اینکه با استفاده از روش‌های مبتکرانه و کم‌هزینه‌ای همچون استفاده از مته 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 دهه ۱۹۵۰، اف. کِی. مایتری برنده مناقصه احداث سد انحرافی 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 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.

برای تقسیم بندی ماشین های TBMاز روش های مختلف استفاده شده است اما یکی از رایج ترین آنها به شرح ذیل می باشد:

    open TBM

    single shielded TBM

    Double shielded TBM

قسمت های اصلی این نوع ماشین ها به شرح زیر است:

    بدنه

    صفحه حفار

    ابزار برش

    چنگ زنها

    جک های رانش صفحه حفار

نحوه تخلیه مواد حفر شده توسط ماشین تی بی ام :

مواد حفر شده به وسیله سیستم ویزه ای که معمولاً مرکب از سطل های تعبیه شده پیرامون صفحه حفار است 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 گرچه معمولاً محدودیتی برای ابعاد مواد حفاری شده و انتقال آنها وجود ندارد اما اگر ابعاد حفاری شده خیلی زیاد باشد ممکن است گیر کنند وعمل انتقال را متوقف سازند.

از طرفی مواد خیلی نرم نیز علاوه بر مشکل تهویه ممکن است مخلوطی را تولید کنند که به شدت ساینده باشند. در بعضی از این نوع ماشین ها در مجاورت صفحه حفار پرده هائی تعبیه می شود که گرد و غبار را می گیرند این ذرات در اثر اسپری آب جدا می شوند.

قیمت ماشین های تی بی ام :

قیمت TBM به نوع سفارش داده شده به کارخانه سازنده و نوع سنگ های حفر شونده بستگی دارد . ولی در کل قیمت آنها را می توان در حدود 7 یا 8 میلیارد تومان در نظر گرفت البته این حدود قیمت است و بسته به شرایط قیمت آنها ممکن است کمتر یا بیشتر باشد

هزینه دستگاه TBM مترو شیراز:

اين دستگاه با 16 ميليـون يـورو معـادل 160 ميليارد ريال از كشور فرانسه خريداري شده است . براي ايجاد قطار شهرى شيراز 31 كيلـومتـر تونل با عمـق 16 متـر و قـطر 6 متـر و 88 سانتي متر, احداث ميشود. . از مهم ترین سازند گان این نوع ماشین ها می توان از شرکت ویرث،روبین،اطلس کوپکو ، کاترپیلار،کوماتسوو هرنکنشت نام برد

دستگاه حفر تونل سپر باز OPEN TBM

 این نوع روش برای حفر تونل درسنگ های سخت بکار می رود این ماشین ها طراحی متفاوتی دارند ولی در کل دو سیستم دوکفشکه و تک کفشکه، دارای عمومیت بیشتری در میان سازندگان این نوع ماشین ها می باشد

با توجه به مطالعات اولیه پروفیل و پلان مسیر و عمق و ارتفاع کف خط ریلی مترو واقع در آن سطح زمین، استفاده از ماشین حفار TBM برای قسمتی از مسیر به لحاظ سرعت در اجرا، هزینه، ایمنی و ...همچنين با در نظر گرفتن بالا بودن سطح آبهای زیرزمینی منطقه تنها روش ايمن و قابل اعتماد براي حفاري تونل در قطعه جنوبي خط 6 مترو تهران می باشد.

روش حفاری با دستگاه های TBM امکان ایجاد فضاهای زیرزمینی با پوشش کم در زمین های ناپایدار و شرایط آبهای زیرزمینی بدون ایجاد نشست قابل ملاحظه و اغتشاش در سطح فراهم می گردد.

امروزه تونل سازی با دستگاه های TBM در زمین های نامناسب، دارای ترافیک عبوری زیاد، یک روش مناسب و اقتصادی و با نرخ پیشروی مناسب می باشد. لذا با توجه به موقعیت فیزیکی مسیر و محل اجرای پروژه قطعه دوم خط 6 مترو تهران که بعضا در مرکز و اماکن شلوغ شهر تهران واقع گردیده است حفاری با TBM موثرترین و مناسب ترین گزینه می باشد. از عمده مزایای خفاری با TBM می توان موارد زیر را نام برد:

1- تاثیرگذاری کمتر عملیات حفاری بر ترافیک محدوده اجرای پروژه نسبت به سایر روش ها

2- نرخ پیشروی بالاتر

3- ایمنی بالا با توجه به نصب سریع پوشش

4- کنترل نشست زمین با توجه به وجود ساختمان ها و محدوده مسکونی- اداری در طول مسیر

5- عمر طولانی و کیفیت مطلوب تونل های ساخته شده با TBM

6- سازگاری با محیط زیست و آلودگی کمتر صوتی

7- زیبایی و یکنواختی بدنه تونل (با توجه به یکسان بودن قالب بندی سگمنت های آن)

8- وابستگی کمتر به نیروی انسانی تونل سازي با استفاده از TBM به منظور كاهش هر چه بيشتر ريزش خاك ،كنترل و محدود كردن نشست هاي سطحي زمين توسعه يافته است.

همراه با كنترل حجم خاك حفاري شده، مديريت فشار مورد نياز براي نگهداري جبهه تونل از مهمترين عوامل تضمين كننده بهره برداري و عملكرد موفقيت آميز دستگاه TBM است. تغيير شكل هاي زمين كه احتمالاً تأثيرات نامطلوبي بر سازه هاي بالاي تونل دارد با استفاده از سيستم پوشش نهايي اجرا شده در تونل سازي مكانيزه در شرايط كاملاً آب بندي شده به حداقل مي رسد.

بدين صورت كه سگمنت هاي (قطعات) بتني آماده شده در كارخانه سگمنت سازي توسط دستگاه (MSV ( Multi Service Vehicles که شرح آن در ادامه خواهد آمد، توسط راه هاي دسترسي با شيب 5 درصد وارد شفت شده و در محل مخصوص خود داخل دستگاه TBM قرار مي گيرند. دستگاه توسط بازوهاي خود بلافاصله پس از حفر تونل، سگمنتهاي بتني را جايگذاري مي كند و گروت آماده شده را به محل درزهاي سگمنت ها تزريق كرده تا بدنه تونل به صورت يك قطعه يكپارچه درآيد. لازم به ذكر است گروت در تانك هاي مخصوص از محل ساخت گروت توسط دستگاه MSV وارد شفت و سپس وارد محل مخصوص خود در داخل دستگاه TBM مي شود. روند كار حفاري بدين صورت است كه نيروي فشاري ايجاد شده توسط ماشين حفاري از طريق جك هاي فشاري كه در پشت ديواره جداكننده قرار دارند، به خاك محصور شده در محفظه پشت سر حفار منتقل مي شود. يك نقاله مارپيچ، خاك حفاري شده داخل محفظه را خارج مي كند.

منابع:

https://en.wikipedia.org

http://civiltect.com

http://variant.loxblog.com

• آرشیو مقاله های آهن آلات ...