نقشه برداران دانشکده سازمان نقشه برداری کشور

وب سایت تخصصی مهندسین نقشه بردار دانشکده سازمان نقشه برداری کشور

عضو شوید

عضویت سریع

ماشین آلات حفاری تونل(TBM)

مقدمه :

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.

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 :

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، ف. ک. 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.

تقسیم بندی ماشین های TBM :
1. open TBM
2. single TBM
3. d.s TBM
قسمت های اصلی این نوع ماشین ها به شرح زیر است:
1. بدنه
2. صفحه حفار
3. ابزار برش
4. چنگ زنها
5. جک های رانش صفحه حفار
نحوه تخلیه مواد حفر شده توسط ماشین :
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 این ماشین ها :
قیمت TBM گران است و بیشتر 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 باید دوباره بگویم که حدود قیمت این است و بسته به شرایط قیمت آنها ممکن است کمتر یا بیشتر باشد.
از مهم ترین سازند گان این نوع ماشین ها می توان از شرکت ویرث نام برد.