بزرگ‌ترین دستگاه حفاری تونل جهان (Tunnel Boring Machine – TBM) از نظر قطر، دستگاهی است که برای پروژه‌های عظیم زیرساختی مانند تونل‌های راه‌آهن، مترو یا کانال‌های انتقال آب استفاده می‌شود. در حال حاضر، عنوان بزرگ‌ترین TBM جهان به دستگاهی به نام “Bertha” تعلق دارد که در پروژه تونل بزرگراه SR 99 در سیاتل، ایالت واشنگتن، ایالات متحده آمریکا استفاده شده است. این دستگاه توسط شرکت هیتاچی زوسن (Hitachi Zosen) ژاپن ساخته شده و ویژگی‌های فنی و ابعاد آن، آن را به یک غول مهندسی تبدیل کرده است.

Bertha: بزرگترین دستگاه حفاری تونل جهان

• قطر حفاری: 17.45 متر (57.3 فوت) – این بزرگ‌ترین قطر برای یک TBM در جهان تا به امروز است.
• طول کل دستگاه: حدود 99 متر (325 فوت)
• وزن: حدود 6,700 تن (6,700,000 کیلوگرم)
• قدرت: توان کلی حدود 18,000 کیلووات (تقریباً 24,000 اسب بخار)
• سازنده: هیتاچی زوسن (Hitachi Zosen Corporation)، ژاپن
• محل استفاده: تونل بزرگراه SR 99 در سیاتل، واشنگتن، ایالات متحده (جایگزینی پل Alaskan Way Viaduct)
• شروع پروژه: 2013
• هدف پروژه: حفاری یک تونل دوطبقه برای بزرگراه زیرزمینی به طول 3.2 کیلومتر (2 مایل) در زیر مرکز شهر سیاتل
• جزئیات فنی:
• Bertha یک TBM از نوع “Earth Pressure Balance” (EPB) است که برای حفاری در خاک‌های نرم و مخلوط طراحی شده است.
• این دستگاه مجهز به 260 تیغه برش در صفحه حفاری خود است که قادر به خرد کردن سنگ‌ها و خاک هستند.
• سرعت حفاری متوسط آن حدود 10.7 متر (35 فوت) در روز بود، اگرچه این مقدار بسته به شرایط زمین‌شناسی متغیر است.
• چالش‌ها:
• Bertha در طی پروژه با مشکلات متعددی مواجه شد، از جمله خرابی در دسامبر 2013 پس از برخورد با یک لوله فولادی که در مسیرش قرار داشت. این حادثه باعث توقف دوساله پروژه شد.
• تعمیرات و بازیابی دستگاه هزینه‌بر و زمان‌بر بود و نیاز به حفر یک گودال دسترسی عمودی به عمق 36 متر داشت.
• با این حال، پروژه در نهایت در سال 2017 تکمیل شد و تونل در سال 2019 افتتاح گردید.

چرا Bertha بزرگترین دستگاه حفاری تونل جهان ؟

Bertha بزرگترین دستگاه حفاری تونل جهان از نظر قطر حفاری، رکورددار جهان است. این دستگاه برای ایجاد تونلی طراحی شده بود که بتواند یک بزرگراه دوطبقه را در خود جای دهد، به همین دلیل قطر آن بسیار بزرگ‌تر از TBM‌های معمولی است که معمولاً برای تونل‌های مترو یا راه‌آهن با قطرهای بین 6 تا 12 متر استفاده می‌شوند. وزن و طول عظیم آن نیز نشان‌دهنده پیچیدگی مهندسی و مقیاس پروژه‌ای است که برای آن ساخته شده بود.شاهکار مهندسی جهان یعنی بزرگترین دستگاه حفاری تونل جهان Bertha نقطه عطفی در تاریخ مهندسی میتوان نام برد.

دیگر دستگاه‌های بزرگ حفاری تونل

در حالی که Bertha از نظر قطر بزرگ‌ترین TBM جهان است، دستگاه‌های دیگری نیز وجود دارند که از نظر قطر یا کاربردهای خاص، قابل توجه هستند. در زیر به چند نمونه اشاره می‌کنم:

1. TBM پروژه Gotthard Base Tunnel (سوئیس):

• قطر: 9.58 متر
• محل: تونل پایه گوتارد، طولانی‌ترین تونل ریلی جهان (57.1 کیلومتر)
• ویژگی: اگرچه قطر آن از Bertha کوچک‌تر است، اما این پروژه به دلیل طول تونل و پیچیدگی زمین‌شناسی (حفاری در کوه‌های آلپ) یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای مهندسی محسوب می‌شود.
• سازنده: Herrenknecht AG (آلمان)
• سال تکمیل: 2016

1. TBM پروژه Crossrail (لندن، انگلستان):

• قطر: 7.1 متر
• محل: خط ریلی Crossrail (الان به نام خط الیزابت شناخته می‌شود)
• ویژگی: 8 دستگاه TBM برای حفاری 42 کیلومتر تونل زیر شهر لندن استفاده شدند. این پروژه یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های زیرساختی اروپا بود.
• سازنده: Herrenknecht AG
• سال تکمیل: 2015

1. TBM پروژه Tuen Mun-Chek Lap Kok Link (هنگ‌کنگ):

• قطر: 17.6 متر (کمی بزرگ‌تر از Bertha در برخی گزارش‌ها، اما به دلیل کاربرد خاص، اغلب Bertha به عنوان بزرگ‌ترین شناخته می‌شود)
• محل: تونل زیر دریا برای اتصال جزایر در هنگ‌کنگ
• ویژگی: این TBM برای حفاری زیر دریا طراحی شده بود و از نظر قطر بسیار نزدیک به Bertha است.
• سازنده: Herrenknecht AG
• سال تکمیل: 2019

مقایسه و توضیحات تکمیلی

در حالی که Bertha از نظر قطر بزرگ‌ترین TBM جهان است، باید توجه داشت که “بزرگ‌ترین” بودن می‌تواند به معیارهای مختلفی بستگی داشته باشد (مانند طول تونل حفاری‌شده، وزن دستگاه، یا پیچیدگی پروژه). به عنوان مثال، TBM‌های استفاده‌شده در تونل گوتارد به دلیل طول تونل و شرایط سخت زمین‌شناسی، از نظر مهندسی چالش‌برانگیزتر بودند، حتی اگر قطرشان کوچک‌تر باشد.

همچنین، شرکت Herrenknecht AG، یک شرکت آلمانی، بزرگ‌ترین تولیدکننده TBM در جهان است و بسیاری از دستگاه‌های رکوردشکن توسط این شرکت ساخته شده‌اند. این شرکت اغلب برای پروژه‌های عظیم مانند تونل‌های زیر دریا یا کوهستانی، دستگاه‌های سفارشی طراحی می‌کند.

زمان اختراع TBM و اولین پروژه ی واقعی

دستگاه‌های حفاری تونل (Tunnel Boring Machines – TBM) به‌عنوان یکی از مهم‌ترین ابزارهای مهندسی عمران مدرن، تاریخچه‌ای طولانی و تکاملی دارند. این دستگاه‌ها برای حفاری تونل‌ها در خاک و سنگ با دقت و سرعت بالا طراحی شده‌اند و جایگزینی برای روش‌های سنتی مانند انفجار و حفاری دستی هستند. در ادامه، به تاریخچه اختراع TBM، اولین پروژه‌هایی که از این فناوری استفاده کردند و جزئیات مربوط به آن‌ها می‌پردازم.

اختراع و تاریخچه اولیه TBM

ایده ساخت دستگاهی مکانیکی برای حفاری تونل به اوایل قرن نوزدهم بازمی‌گردد، زمانی که نیاز به تونل‌سازی برای راه‌آهن، کانال‌های آبی و زیرساخت‌های صنعتی در اروپا افزایش یافت. در این دوران، روش‌های سنتی حفاری با استفاده از دینامیت و نیروی انسانی بسیار زمان‌بر، خطرناک و پرهزینه بودند. این نیاز منجر به طراحی و ساخت اولین دستگاه‌های حفاری مکانیکی شد.

• اولین مفهوم و اختراع: اولین ایده ثبت‌شده برای یک دستگاه حفاری تونل به سال 1818 برمی‌گردد، زمانی که مهندس فرانسوی مارک ایزامبارد برونل (Marc Isambard Brunel) طرحی برای یک “سپر حفاری” (Tunneling Shield) ارائه کرد. این دستگاه، اگرچه کاملاً مکانیکی نبود، اما پایه و اساس TBM‌های مدرن را تشکیل داد. سپر حفاری برونل یک سازه فلزی بود که از کارگران در برابر ریزش تونل محافظت می‌کرد و به آن‌ها اجازه می‌داد به‌صورت دستی خاک را حفر کنند.
• اولین استفاده عملی از سپر حفاری: طرح برونل برای اولین بار در پروژه تونل تیمز (Thames Tunnel) در لندن، انگلستان، بین سال‌های 1825 تا 1843 مورد استفاده قرار گرفت. این تونل، که اولین تونل زیرآبی جهان محسوب می‌شود، از زیر رودخانه تیمز عبور می‌کرد و برای عبور عابران پیاده طراحی شده بود. اگرچه حفاری در این پروژه عمدتاً دستی بود، اما استفاده از سپر حفاری، یک نوآوری بزرگ در تونل‌سازی به شمار می‌رفت.
• تکامل به TBM مدرن: ایده سپر حفاری در طول قرن نوزدهم تکامل یافت و با پیشرفت‌های صنعتی، دستگاه‌های مکانیکی‌تر و مجهز به تیغه‌های برش معرفی شدند. اولین دستگاه‌هایی که می‌توان آن‌ها را به‌عنوان TBM مدرن شناخت، در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم ظاهر شدند. این دستگاه‌ها از موتورهای بخار یا الکتریکی برای چرخاندن صفحه حفاری استفاده می‌کردند.

اولین پروژه با TBM مکانیکی

اولین پروژه‌ای که از یک دستگاه حفاری تونل مکانیکی (مشابه TBM‌های امروزی) استفاده کرد، به اواخر قرن نوزدهم بازمی‌گردد. در این دوره، دستگاه‌های اولیه‌ای طراحی شدند که از تیغه‌های چرخان برای حفاری استفاده می‌کردند، اگرچه هنوز بسیار ساده‌تر از TBM‌های امروزی بودند.

• پروژه تونل هوسیک (Hoosac Tunnel):
• محل: ماساچوست، ایالات متحده آمریکا
• سال شروع: 1851 (حفاری اولیه با روش‌های سنتی آغاز شد، اما بعداً از دستگاه‌های مکانیکی استفاده شد)
• سال تکمیل: 1875
• جزئیات: تونل هوسیک، که برای راه‌آهن طراحی شده بود، یکی از اولین پروژه‌هایی بود که در آن از دستگاه‌های حفاری مکانیکی اولیه استفاده شد. در اواسط قرن نوزدهم، مهندسان آمریکایی شروع به آزمایش دستگاه‌هایی کردند که از تیغه‌های چرخان برای حفاری سنگ استفاده می‌کردند. اگرچه این دستگاه‌ها هنوز کاملاً شبیه TBM‌های مدرن نبودند، اما به‌عنوان پیشگامان این فناوری شناخته می‌شوند.
• اهمیت: این پروژه نشان داد که استفاده از ماشین‌آلات می‌تواند سرعت و ایمنی حفاری را بهبود بخشد، هرچند که دستگاه‌های اولیه اغلب خراب می‌شدند و کارایی محدودی داشتند.

تکامل TBM در قرن بیستم

در قرن بیستم، با پیشرفت فناوری و نیاز به تونل‌های بزرگ‌تر و عمیق‌تر، TBM‌ها به شکل مدرن‌تر و کارآمدتری توسعه یافتند. یکی از اولین TBM‌های مدرن که به‌صورت گسترده مورد توجه قرار گرفت، در پروژه تونل زیرآبی هالند (Holland Tunnel) در نیویورک استفاده شد.

• پروژه تونل هالند (Holland Tunnel):
• محل: نیویورک، ایالات متحده (اتصال منهتن به نیوجرسی از زیر رودخانه هادسون)
• سال شروع: 1920
• سال تکمیل: 1927
• جزئیات: در این پروژه از سپرهای حفاری پیشرفته و دستگاه‌های مکانیکی استفاده شد که شباهت زیادی به TBM‌های امروزی داشتند. این تونل یکی از اولین پروژه‌های بزرگ زیرآبی بود که با موفقیت از فناوری حفاری مکانیکی بهره برد.
• اهمیت: این پروژه نشان‌دهنده جهش بزرگی در فناوری TBM بود و راه را برای پروژه‌های پیچیده‌تر در آینده هموار کرد.

توسعه TBM‌های مدرن

در دهه‌های 1950 و 1960، TBM‌ها با معرفی سیستم‌های هیدرولیکی، موتورهای الکتریکی قدرتمند و تیغه‌های برش مقاوم‌تر، به شکل امروزی خود درآمدند. یکی از پیشگامان این دوره، مهندس آمریکایی جیمز اس. رابینز (James S. Robbins) بود که در سال 1956 اولین TBM مدرن را برای حفاری در سنگ سخت طراحی کرد. دستگاه او در پروژه تونل رودخانه هامبر (Humber River Tunnel) در تورنتو، کانادا استفاده شد و موفقیت چشمگیری به همراه داشت. از آن زمان، شرکت رابینز (Robbins Company) به یکی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان TBM در جهان تبدیل شد.

نتیجه‌گیری

• اولین مفهوم TBM: ایده اولیه دستگاه حفاری تونل به سال 1818 و طرح سپر حفاری مارک ایزامبارد برونل بازمی‌گردد که در پروژه تونل تیمز (1825-1843) استفاده شد.
• اولین پروژه با دستگاه مکانیکی: تونل هوسیک در ماساچوست، ایالات متحده (1851-1875)، یکی از اولین پروژه‌هایی بود که از دستگاه‌های حفاری مکانیکی اولیه بهره برد.
• اولین پروژه بزرگ با TBM نزدیک به مدرن: تونل هالند در نیویورک (1920-1927) که از فناوری پیشرفته‌تری استفاده کرد و به‌عنوان نقطه عطفی در تاریخ تونل‌سازی شناخته می‌شود.

از آن زمان، TBM‌ها به یکی از مهم‌ترین ابزارها در پروژه‌های زیرساختی تبدیل شده‌اند و در پروژه‌های عظیمی مانند تونل کانال مانش (Channel Tunnel) بین انگلستان و فرانسه، تونل پایه گوتارد (Gotthard Base Tunnel) در سوئیس، و تونل‌های مترو در سراسر جهان استفاده شده‌اند.

تونل مانش (Channel Tunnel) یا یوروتونل (Eurotunnel) :

تونل مانش (Channel Tunnel)، که به نام یوروتونل (Eurotunnel) نیز شناخته می‌شود و فرانسه و انگلیس را از زیر دریای مانش به یکدیگر متصل می‌کند، با استفاده از دستگاه‌های حفاری تونل (Tunnel Boring Machines – TBM) ساخته شده است. این پروژه یکی از بزرگ‌ترین و پیچیده‌ترین پروژه‌های مهندسی قرن بیستم است و استفاده از TBM‌ها نقش کلیدی در موفقیت آن داشته است. در ادامه، جزئیات کاملی درباره نحوه ساخت این تونل، نقش TBM‌ها و ویژگی‌های این پروژه ارائه می‌کنم.

تونل مانش: یک شاهکار مهندسی

• موقعیت جغرافیایی: تونل مانش از زیر دریای مانش (English Channel) عبور می‌کند و شهر فولکستون (Folkestone) در کنت، انگلستان را به شهر کوکل (Coquelles) در نزدیکی کاله (Calais)، فرانسه متصل می‌کند.
• طول کل: حدود 50.4550.45 کیلومتر (31.35 مایل)، که از این مقدار، 37.937.9 کیلومتر (23.5 مایل) زیر دریا قرار دارد. این تونل طولانی‌ترین بخش زیرآبی را در میان تونل‌های جهان دارد.
• شروع پروژه: 19881988
• تکمیل پروژه: 19941994
• هدف: ایجاد ارتباط ریلی مستقیم بین انگلستان و قاره اروپا برای قطارهای مسافربری (Eurostar) و قطارهای باری.

نقش TBM‌ها در ساخت تونل مانش

تونل مانش با استفاده از 1111 دستگاه حفاری تونل (TBM) ساخته شد که توسط شرکت‌های مختلف طراحی و تولید شده بودند. این دستگاه‌ها به‌طور خاص برای شرایط زمین‌شناسی منطقه، که عمدتاً از سنگ گچ (Chalk Marl) تشکیل شده بود، طراحی شدند. سنگ گچ یک ماده نسبتاً نرم است که برای حفاری با TBM مناسب است، اما وجود آب دریا در بالای تونل و فشار بالای زمین، چالش‌های بزرگی را ایجاد می‌کرد.

مشخصات و عملکرد TBM‌ها در تونل مانش

• تعداد TBM‌ها: 1111 دستگاه (6 دستگاه از سمت انگلستان و 5 دستگاه از سمت فرانسه)
• سازندگان: شرکت‌های مختلفی از جمله Herrenknecht (آلمان)، Robbins (آمریکا) و شرکت‌های فرانسوی و بریتانیایی در ساخت این دستگاه‌ها مشارکت داشتند.
• قطر حفاری: بسته به نوع تونل، قطر TBM‌ها متفاوت بود. تونل‌های اصلی (دو تونل ریلی) با قطر حدود 7.67.6 متر حفاری شدند، در حالی که تونل خدماتی (بین دو تونل اصلی) با قطر حدود 4.84.8 متر ساخته شد.
• طراحی خاص: TBM‌های استفاده‌شده در این پروژه از نوع “Closed Face” بودند که برای حفاری در محیط‌های پر از آب و تحت فشار بالا مناسب هستند. این دستگاه‌ها مجهز به سیستم‌های آب‌بندی پیشرفته بودند تا از نفوذ آب دریا به داخل تونل جلوگیری کنند.
• سرعت حفاری: متوسط سرعت حفاری حدود 2.52.5 تا 33 متر در ساعت بود، اگرچه این مقدار بسته به شرایط زمین‌شناسی متغیر بود. در مجموع، TBM‌ها توانستند در بهترین شرایط تا 250250 متر در هفته پیش‌روی کنند.
• کاربردها:
  • از سمت انگلستان، TBM‌ها از یک گودال عمیق در نزدیکی فولکستون شروع به حفاری کردند و به سمت فرانسه پیش رفتند.
  • از سمت فرانسه، TBM‌ها از یک شفت در نزدیکی سانگات (Sangatte) شروع به کار کردند.
  • دو تیم حفاری در نهایت در دسامبر 19901990 در زیر دریا به یکدیگر رسیدند، که یکی از لحظات تاریخی این پروژه بود.

ساختار تونل

تونل مانش از سه تونل موازی تشکیل شده است:

1. دو تونل اصلی برای قطارها (یکی برای حرکت به سمت فرانسه و دیگری به سمت انگلستان)، هر کدام با قطر داخلی 7.67.6 متر.
2. یک تونل خدماتی کوچکتر در وسط با قطر 4.84.8 متر، که برای دسترسی اضطراری، تهویه و تعمیرات استفاده می‌شود.

TBM‌ها برای حفاری هر یک از این تونل‌ها به‌کار گرفته شدند و پس از حفاری، دیواره‌های تونل با قطعات بتنی پیش‌ساخته (Segments) پوشانده شدند تا استحکام و ایمنی آن‌ها تضمین شود.

چالش‌های پروژه و نقش TBM‌ها

• شرایط زمین‌شناسی: اگرچه سنگ گچ منطقه نسبتاً نرم بود، اما وجود شکاف‌ها و نفوذ آب دریا چالش‌هایی را ایجاد کرد. TBM‌ها باید در برابر فشار آب بالا مقاومت می‌کردند و از نشت آب به داخل تونل جلوگیری می‌کردند.
• دقت در اتصال: یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها، اتصال دقیق تونل‌ها از دو سمت بود. با استفاده از فناوری‌های پیشرفته هدایت لیزری، تیم‌های حفاری توانستند با اختلاف تنها چند سانتی‌متر در زیر دریا به یکدیگر برسند.
• حجم مواد حفاری‌شده: TBM‌ها میلیون‌ها تن مواد را از زیر دریا خارج کردند. این مواد در انگلستان برای ایجاد یک پارک مصنوعی به نام Samphire Hoe استفاده شدند.

اهمیت استفاده از TBM‌ها و بزرگترین دستگاه حفاری تونل جهان

استفاده از TBM‌ها در تونل مانش چندین مزیت کلیدی داشت:

• سرعت: TBM‌ها سرعت حفاری را نسبت به روش‌های سنتی مانند انفجار بسیار افزایش دادند.
• ایمنی: با کاهش نیاز به نیروی انسانی در مناطق خطرناک، ایمنی کارگران بهبود یافت.
• دقت: TBM‌ها امکان حفاری با دقت بالا را فراهم کردند، که برای اتصال تونل‌ها از دو سمت ضروری بود.
• حفاظت از محیط زیست: استفاده از TBM‌ها نسبت به روش‌های انفجاری، تأثیر کمتری بر محیط زیست دریا داشت.

نتیجه‌ گیری

در حال حاضر، Bertha با قطر 17.45 متر، عنوان بزرگترین دستگاه حفاری تونل جهان از نظر اندازه صفحه حفاری را در اختیار دارد. این دستگاه نمادی از پیشرفت‌های مهندسی مدرن است که قادر به انجام پروژه‌های عظیم زیرساختی در شرایط دشوار است. با این حال، با توجه به پیشرفت سریع فناوری و پروژه‌های جدید در سراسر جهان (مانند تونل‌های زیر دریا در چین یا پروژه‌های ریلی در اروپا)، ممکن است در آینده دستگاه‌های بزرگ‌تری معرفی شوند. در پایان به شما پیشنهاد میکنیم اگر به ماشین الات حفاری علاقه مند هستید بزرگتری دستگاه حفاری جهان Bagger 293 را مطالعه کنید.