TBM از مهمترین ماشین الات حفر تونل

T.B.M يا tunnel boring machine يکي از مهمترين ماشین آلات حفر تونل
مي باشند که قادرند تونل را به صورت تمام مقطع حفر کنند.
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 میک کنند.

بعد از سال ها تلا ش 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 ۱۹۵۷ 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 حفر سنگ های محکم کند است. به عنوان مثال عملکرد نوعی از این دستگاه ها که مجهز به هر دو سیستم برش ناخنی و ديسکی بود برای حفر در سنگهای آهکی سیلیتی که در بین آنها لایه هایی با مقاومت۱۴۰mpa 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.
قطر آن ۴,۳۰ متر و طول دستگاه اصلي ۷,۵ متر و با احتساب قسمت پشتيباني و تداركات طول آن برابر ۸۰ متر است. اين دستگاه از نوع EPB كامل است كه براحتي قادر به كار در زير عمق آب است.

طول قسمت سر مته و پوسته فوروارد ، ۲,۶۰ متر است و ۸ دريچه كنترلي دارد كه با باز كردن آنها مواد حفاري شده از سينه تونل از اين دريچه ها به نوار نقاله هدايت مي شود. سر مته ، بوسيله سه موتور برقي اصلي كه قدرت هر كدام حدود ۳۰۰ كيلو وات است و ۱۶ پيستون يا جك به قدرت هر كدام ۱۲۵ تن جمعا” ۲,۰۰۰ تن به حركت در مي آيد.
◄ تقسیم بندی ماشین های t.b.m :
1. open t.b.m
2. single t.b.m
3. d.s t.b.m
اين دستگاه در ضمن حركت دوراني بوسيله جك ها با فشار زياد به جلو رانده مي شود. نتيجه اين دو حركت ، كندن خاك از سينه تونل است كه از طريق دريچه ها به نوار نقاله هدايت مي شوند. پوسته ايستگاهي كه بعد از سر مته برش قرار دارد محل استقرار اپراتور ماشين حفار مي باشد. دستگاه تئودوليت ، كامپيوتر و تمام شاسيها و كليدهاي ماشين حفار در اين قسمت تعبيه شده است.
آخرين قسمت اصلي ، شيلد انتهائي نام دارد. دستگاه نصب كننده قطعات پيش ساخته بتني و پوشش داخلي تونل در اين قسمت قرار دارد. مجموع طول اين سه قسمت ، ۷,۵ متر و وزن ماشين حدود ۲۳۰ تن مي باشد.

خاكها و مواد حفاري شده از سينه تونل از طريق دريچه هاي كنترلي كه در كنار سر مته هاي حفاري تعبيه شده اند به نوار نقاله اوليه كه طول آن حدود ۹ متر است هدايت مي شود و بعد بوسيله نوار نقاله انتهائي كه طول آن حدود ۳۰ متر است به واگنهاي حمل خاك ريخته مي شود. اين واگنها خاكها را به خارج تونل برده و آنها را در محل مخصوصي تخليه مي كنند. خاكهاي دپو شده بعدا” بوسيله كاميون به خارج كارگاه حمل مي شوند.

پس از حفر۱,۲۰ متر طول كه حجم خاك آن حدود ۱۵ متر مكعب و زمان اجراي آن حدود ۲۰ دقيقه است ، عمليات حفاري متوقف شده و قطعات پيش ساخته بتني كه در كارگاه ديگري توليد و با تريلي به محل حفاري حمل شده ، توسط واگنهاي مخصوص حمل SegmentCar به داخل تونل و جلوي دستگاه برده مي شوند.
سپس اين قطعات پيش ساخته به ترتيب توسط دستگاه حمل كننده يا Erector،كه قادر است ۳۶۰ درجه حول محور خود بچرخد در جاي خود قرار گرفته و بلافاصله بوسيله پيچ و مهره هاي قوسي شكل به قطعات نصب شده قبلي متصل و تثبيت مي گردند.

هر رينگ بتني از ۵ قطعه پيش ساخته بتني نوع A,B,C و يك قطعه كوچك بتني نوع K يا Key تشكيل شده است. قطعات اصلي در محور ۶۷۵ درجه و قطعه كليد شامل ۲۲۵ درجه است و به همين جهت ، با تغيير موقعيت نصب قطعه كليد ، مي توان جدار تونل را در مسير مستقيم يا قوسي پوشش نمود.

ضخامت قطعات بتني ۲۵ سانتي متر و عرض آنها ۱,۲۰ متر است. با توجه به اينكه حفاري ۴,۳۰ متر ، قطر داخلي تونل ۳,۷۰ متر و قطر خارجي ۴,۲۰ متر است بنابراين بين قطر حفاري و قطر خارجي تونل ، پس از نصب قطعات به فاصله ۵ سانتي متر فضاي خالي باقي مي ماند.
اين فضا بوسيله دوغاب سيماني با فشار پمپ از دستگاه تانكر مخصوص و از طريق سوراخهاي مخصوصي كه در وسط قطعات پيش ساخته تعبيه شده ، به پشت قطعات تزريق و پر مي گردد. دوغاب سيمان ياد شده در خارج تونل تهيه و سپس بوسيله پمپ به تانكر مخصوص تخليه مي گردد.

دور هر قطعه پيش ساخته بتني ، يك نوار لاستيكي آب بند يا Gasket قرار داده مي شود بطوريكه با نصب قطعات در كنار يكديگر هيچگونه درز يا فاصله اي در محل اتصال آنها پيدا نمي شود و آب نمي تواند به خارج از تونل نفوذ نمايد.
پس از عمليات نصب ، حفاري تونل مجددا” شروع و عمليات ساخت تونل دنبال مي گردد. ماشين حفار بطور معمولي در دو شيفت كار مي كند ، و بطور متوسط روزانه ۲۰ رينگ يا ۲۴ متر طول تونل حفاري و قطعات پيش ساخته آن نصب مي شود. در حالت معمولي ، ماشين در هر ۵۵ دقيقه ، ۱,۲۰ متر حفاري و قطعات پيش ساخته بتني را نصب مي كند.
حفاري مهمترین بخش شبکه جمع آوری و هدایت آبهای سطحی یعنی تونل خيام و تونل بهمنيار بوسيله اين دستگاه انجام گردید که راهبري و اجرای تونل بهمنیار تماماً بدست توانمند متخصصان ايراني انجام پذیرفت.
ماشینهای حفر تونل از نوع باز
به طور کلی ماشینهای حفر تونل از نوع باز یا Open TBM در مواردی که توده سنگ درونگیر تونل از مقاومت کافی جهت تحمل فشار کفشکهای TBM برخوردار باشد و حالت ریزشی نیز نداشته باشد، بهترین گزینه هستند. این ماشینها طراحی های متفاوتی دارند ولی دو سیستم دو کفشکه (Double Gripper Type) و محور اصلی (Main Beam Type) عمومیت بیشتری در میان سازندگان این نوع ماشینها دارند. شکل زیر نمایی از سیستم دو کفشکه به همراه سیکل کاری آن را نمایش می دهد.

 

مهمترین مزیت ماشینهای Open نسبت به سپرها، امکان دستیابی به سرعتهای بالای حفاری می باشد. این ماشینها، عمل حفاری و نصب نگهداری موقت را تقریباً همزمان انجام می دهند و به همین جهت سرعت بالایی در اجرا دارند. در پروژه هایی که امکان حذف لاینینگ نهایی و یا اجرای سریع آن وجود دارد و شرایط سنگ نیز مناسب است، این ماشین ارجح و انتخاب اول است.

ماشینهای حفر تونل تک سپره
ماشینهای حفر تونل تک سپره یا Single Shield TBM به صورت یک استوانه دارای پوشش می باشند که در قسمت جلوی آن، کله حفاری و در قسمت عقب، دستگاه نصب سگمنت و جکهای پیش برنده قرار گرفته اند. در این ماشینها، حرکت روبه جلو، از طریق اعمال نیرو توسط جکهای هیدرولیکی (Hydraulic Thrust Jacks) بر قطعات بتنی (Segment) نصب شده در انتهای سپر تأمین می شود. از

این ماشینها در شرایطی استفاده می شود که سست بودن توده سنگ درونگیر تونل، امکان استفاده از کفشک برای تامین نیروی پیشروی را منتفی سازد. نصب قطعات بتنی در داخل سپر از ریزش دیواره ها جلوگیری کرده و محیط مناسب برای فعالیت کارگران را فراهم می سازد.
سرعت پیشروی این ماشینها در زمینهای سست و احیاناً ریزشی، عموماً محدود به سرعت نصب سیستم نگهداری درون سپر می باشد. در چنین زمینهایی، به علت مقاومت پایین توده سنگ، عملیات حفاری به آسانی و با سرعت انجام می گیرد، لیکن لزوم نصب نگهداری سگمنتی، عملاً زمان انجام یک سیکل کامل پیشروی را افزایش می دهد. سینه کار این ماشینها به هر دو صورت باز و بسته می تواند طراحی شود و این مورد، به میزان آب ورودی از جبهه کار بستگی دارد.
همانطور که ذکر شد، این ماشینها در زمینهای سست و ریزشی استفاده می شوند. دراین زمینها، برعکس زمینهای سخت، کفشکهای ماشین (در صورت وجود) قابل استفاده نیستند، چرا که تحت تأثیرفشار پشت کفشک، به درون زمین فرو رفته و ایجاد اشکال می کنند. در شکل ۳ نمایی از این ماشین به همراه سیکل حفاری و سگمنت گذاری آن ارائه شده است.
ماشینهای حفر تونل با سپر تلسکوپی
برای اولین بار شرکت پیمانکاری SELI از ایتالیا که سابقه ای طولانی در پروژه های حفاری مکانیزه تونل دارد، ایده ساخت ماشینی با توانایی کار در زمین های بسیار خرد شده و ضعیف و نیز در زمینهای با مقاومت مناسب را مطرح کرد و این ماشین تحت عنوان ماشین حفر تونل با سپر تلسکوپی یا Double Shield TBM توسط کارخانه . Robbins آمریکا ساخته شد.

این ماشین دارای دو سپر اصلی جلو و عقب است و مجهز به هر دو سیستم تأمین رانش با کفشک می باشد. به همین (Single Shield و با جکهای رانش (همانند ماشینهای ( Open (همانند ماشینهای دلیل توانایی کار هم در زمینهای ریزشی و هم در زمینهای با مقاومت مناسب برای کفشک را دارد. در حالتی که زمین مقاومت مناسب برای ایجاد رانش با تکیه کفشک بر دیواره های تونل را دارد، ماشین می تواند به حفاری و سگمنت گذاری مستقل و همزمان بپردازد.

◄ قسمت های اصلی این نوع ماشین ها به شرح زیر است:
۱٫ بد نه
۲٫صفحه حفار
۳٫ابزار برش
۴٫چنگ زنها
۵٫جک های رانش صفحه حفار
نوع ماشین حفر تونل مزایا معایب
ماشین باز
Open TBM
1. هزینه سرمایه گذاری پایین
۲٫ سرعت پیشروی بالا
۳٫ سیستم کاری ساده
۱٫ عدم امکان پیشروی در سنگهای سست
۲٫ عدم امکان کنترل ریزش سینه کار و فضای
حفاری شده
۳٫ اضافه شدن هزینه نگهداری موقت به پروژه
۴٫ اضافه شدن زمان بتن ریزی به مدت زمان
حفاری پروژه
ماشین تک سپره

Single Shield TBM
1. امکان کار در زمینهای ریزشی
۲٫ امکان کنترل نفوذ آب با سپر بسته و پمپاژ
۳٫ نصب همزمان نگهداری نهایی سگمنتی
۴٫ تزریق پشت سگمنت همزمان با اجرا
۱٫ نرخ پیشروی کمتر آن نسبت به دو نوع
دیگر