Μηχάνημα διάνοιξης σηράγγων

Το μηχάνημα διάνοιξης σηράγγων (TBM, αρκτικόλεξο από τα αγγλικά Tunnel Boring Machine) είναι ένα μηχάνημα που χρησιμοποιείται για την εκσκαφή σηράγγων με κυκλική διατομή μέσα από μια ποικιλία εδαφών και στρωμάτων πετρωμάτων. Μπορούν να σκάψουν μέσα σε σκληρό πέτρωμα, άμμο, και οτιδήποτε ενδιάμεσα. Η διάμετρος της σήραγγας μπορεί να είναι από ένα μέτρο (με την χρήση μικρο-ΤΒΜ) έως σχεδόν 16 μέτρα στις μέρες μας. Σήραγγες μικρότερες του ενός μέτρου σε διάμετρο μπορούν να εκσκαφούν μέσω οριζόντιας κατευθυνόμενης διάτρησης αντί του TBM.

Ένα Μηχάνημα Διάνοιξης Σηράγγων που χρησιμοποιήθηκε στη Νεβάδα των Η.Π.Α.

Μηχανήματα διάνοιξης σηράγγων χρησιμοποιούνται σαν εναλλακτική στις μεθόδους διάτρησης και έκρηξης (D&B, Drilling and Blasting) σε πετρώδες έδαφος και στις συμβατικές χειρωνακτικές μεθόδους σε χώμα. Ένα TBM έχει τα πλεονεκτήματα της ελαχιστοποίησης της διαταραχής του περιβάλλοντος εδάφους και της δημιουργίας ενός λείου τοιχώματος στη σήραγγα. Αυτό μειώνει σημαντικά το κόστος επένδυσης των τοιχωμάτων της σήραγγας και καθιστά τα TBM περισσότερα κατάλληλα για χρήση σε έντονα αστικοποιημένες περιοχές. Το κυριότερο μειονέκτημα είναι το υψηλό αρχικό κόστος. Τα TBM είναι ακριβά στην κατασκευή τους, δύσκολο να μεταφερθούν και απαιτούν σημαντικές υποδομές. Το μεγαλύτερο μηχάνημα κατασκευάστηκε από την Γερμανική εταιρεία Herrenknecht AG για να σκάψει την σήραγγα Γκόταρντ μήκους 57 χιλιομέτρων. Έχει διάμετρο 9,58 μέτρα.

Ιστορία

Ασπίδα Κοπής σε χρήση για την κατασκευή της καινούριας σήραγγας Ελμπ.

Κάτοψη του TBM που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή της σήραγγας Γκόταρντ.

Υδραυλικοί γρίλοι σε TBM.

Οι υποστηρικτικές κατασκευές στο πίσω μέρος ενός TBM.

Μηχάνημα διάνοιξης σηράγγων πριν την εγκατάστασή του.

Η πρώτη πετυχημένη ασπίδα κοπής αναπτύχθηκε από τον Μαρκ Ισαμπαρντ Μπρουνέλ (sir Marc Isambard Brunel) για να την διάνοιξη της σήραγγας του Τάμεση στο Λονδίνο το 1825. Βέβαια, αυτή ήταν μόνο η εφεύρεση της ιδέας ασπίδας κοπής και δεν αφορούσε την κατασκευή ενός ολοκληρωμένου μηχανήματος διάνοιξης σηράγγων, καθώς το σκάψιμο ακόμα έπρεπε να γίνει με τις μεθόδους της εποχής (κυρίως χειρωνακτική εργασία).

Το πρώτο μηχάνημα διάνοιξης σηράγγων αναφέρεται ότι κατασκευάστηκε από τον Χένρι Τζόζεφ Μάους (Henri Joseph Maus) και ονομάζονταν «τεμαχιστής βουνών» (Mountain Slicer). Ήταν παραγγελία του Βασιλιά της Σαρδηνίας Αλμπερτ το 1845 για να ανοιχθεί η σιδηροδρομική σήραγγα Φρέγιους (Fréjus) μεταξύ Γαλλίας και Ιταλίας διαμέσου των Άλπεων. Ο Μάους το κατασκεύασε το 1846 σε ένα εργοστάσιο όπλων κοντά στο Τορίνο. Βασικά αποτελούνταν από περισσότερα από 100 κρουστικά δράπανα τοποθετημένα μπροστά σε μηχάνημα μεγέθους βαγονιού τρένου με μηχανική ισχύ από την είσοδο της σήραγγας. Δυστυχώς, η επανάσταση του 1848 επηρέασε ανεπανόρθωτα την χρηματοδότηση του έργου και η σήραγγα ολοκληρώθηκε 10 χρόνια αργότερα, με την χρήση εξίσου καινοτόμων αλλά λιγότερο ακριβών μεθόδων, όπως πνευματικά δράπανα..

Στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής το πρώτο μηχάνημα διάνοιξης σηράγγων που κατασκευάστηκε ήταν φτιαγμένο από χυτοσίδηρο και χρησιμοποιήθηκε το 1853 κατά την κατασκευή της σήραγγας Χούσακ (Hoosac Tunnel). Αρχικά, έσκαψε 3 μέτρα μέσα στο πέτρωμα και στην συνέχεια έπαθε βλάβη. Η σήραγγα τελικά ολοκληρώθηκε περισσότερο από 20 χρόνια αργότερα χρησιμοποιώντας (όπως και στην σήραγγα Φρέγιους) λιγότερο φιλόδοξες μεθόδους.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, ο Φ.Κ. Μίτρη κέρδισε ένα συμβόλαιο για την κατασκευή μιας εκτροπής για το φράγμα Οάχε στην Νότια Ντακότα, και συμβουλεύτηκε τον Τζέιμς Σ. Ρόμπινς για την διάνοιξη της εκτροπής μέσα από ιδιαίτερα δύσκολο έδαφος. Ο Ρόμπινς κατασκεύασε ένα μηχάνημα που μπορούσε να σκάψει 55 μέτρα σε 24 ώρες, που ήταν δέκα φορές γρηγορότερα από οποιαδήποτε άλλη μέθοδο εκσκαφής της εποχής.

Η εφεύρεση που έκανε τα μηχανήματα διάνοιξης σηράγγων αποτελεσματικά, οικονομικά και αξιόπιστα ήταν η περιστρεφόμενη κεφαλή, η οποία βασίζεται στις ίδιες αρχές με την κεφαλή με κρουστικά δράπανα του Χένρι Τζόζεφ Μάους, αλλά με βελτιωμένη απόδοση. Η βελτίωση οφείλεται στην μείωση του αριθμού των στοιχείων τριβής και στην περιστροφή τους σαν σύνολο μπροστά στο μέτωπο του εδάφους. Αρχικά ο Ρόμπινς χρησιμοποίησε ισχυρά καρφιά που περιστρέφονταν σε κυκλική κίνηση για να σκάψουν το μέτωπο την εκσκαφής, αλλά γρήγορα ανακάλυψε ότι όσο ισχυρά και να ήταν τα καρφιά, έσπαζαν συχνά και έπρεπε να αλλάζονται συνεχώς. Αλλάζοντας αυτά το καρφιά με μεγαλύτερης διάρκειας ζωής δίσκους κοπής το πρόβλημα αυτό μειώθηκε σημαντικά. Από τότε, όλα τα πετυχημένα μηχανήματα διάνοιξης σηράγγων έχουν περιστρεφόμενες κεφαλές με δίσκους κοπής.