آشنایی با طراحی و اجرای تونل‌های مکانیزه با قطر بزرگ (Mega-TBM)

صادق طریق ازلی – مهندسین مشاور رهسازطرح

تونل‌های مکانیزه با قطر بزرگ (Mega-TBM) به عنوان راهکاری کلیدی در توسعه زیرساخت‌های شهری و بین‌شهری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تونل‌ها در پروژه‌هایی مانند مترو، بزرگراه‌ها و خطوط ریلی کاربرد دارند و با وجود مزایای فراوان، چالش‌های فنی و اجرایی قابل توجهی نیز به همراه دارند.

ماشین‌های حفاری تونل(TBM) از نوع EPB (Earth Pressure Balance) و به‌ویژه مدل‌های بزرگ‌تر از ۱۴متر که به MEGA TBM معروف هستند، ابزارهای پیشرفته‌ای برای حفاری تونل‌های بزرگ و پیچیده هستند. در ادامه اطلاعاتی در مورد این ماشین‌ها ارائه می‌شود:

۱-قیمت ماشین

- قیمتTBM‌ها به قطر و پیچیدگی طراحی و نو یا دست دوم بودن بستگی دارد. برای ماشین‌های با قطر بزرگ‌تر از ۱۴ متر، هزینه می‌تواند به 35 تا 50 میلیون دلار یا بیشتر برسد.

۲- زمان ساخت و تحویل

- ساخت و تحویل یک TBM بزرگ معمولاً بین ۱۸ تا ۲۴ ماه زمان می‌برد، بسته به پیچیدگی طراحی و نیازهای پروژه.

۳- کارخانه سگمنت‌سازی

چون قطعات تونل های قطر بزرگ به ۲۰ تن میرسد لذا کارخانه‌های سگمنت‌سازی معمولاً در نزدیکی محل پروژه ساخته می‌شوند تا هزینه‌های حمل‌ونقل کاهش یابد. این کارخانه‌ها قطعات بتنی پیش‌ساخته‌ای تولید می‌کنند که برای پوشش دیواره‌های تونل استفاده می‌شوند. ظرفیت تولید این کارخانه‌ها به نیاز پروژه تنظیم می‌شود.

۴- نرخ حفاری سالانه

- یکMEGA TBM می‌تواند بسته به شرایط زمین‌شناسی و کارایی تیم عملیاتی و همچنین صعوبتهای اجرایی، بین ۳ تا ۵ کیلومتر در سال تونل حفاری کند.

۵-هزینه ساخت هر کیلومتر تونل

- هزینه ساخت هر کیلومتر تونل با استفاده از MEGA TBM بسته به شرایط زمین شناسی و صعوبت های اجرایی می‌تواند بین ۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ میلیارد تومان باشد. این هزینه شامل خرید ماشین، عملیات حفاری، سگمنت‌سازی تونل است.

۶- ویژگی‌های خاص EPB (Earth Pressure Balance)

ماشین‌های حفاری نوع EPB (Earth Pressure Balance) به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند در شرایط خاک نرم و حتی سنگ یا زمین‌های ناپایدار به حفاری تونل بپردازند، بدون اینکه زمین فرو بریزد. این دستگاه‌ها در عین حال فشار زمین را متعادل می‌کنند و به همین دلیل به این نام معروف شده‌اند. به زبان ساده:

1. حفاری: جلوی ماشین یک تیغه چرخنده بزرگ (Cutterhead) به نام کاترهد وجود دارد که خاک و سنگ را برش می‌دهد. این بخش خاک را خرد کرده و به داخل محفظه جلویی ماشین هدایت می‌کند.

2. کنترل فشار: محفظه جلویی خاک را نگه می‌دارد و فشار را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که از ریزش یا فشار بیش‌ازحد خاک جلوگیری شود. این کار با استفاده از پیچ انتقال (Screw Conveyor) و کنترل فشار داخل محفظه انجام می‌شود.

3. خروج خاک: مواد حفاری‌شده از طریق پیچ انتقال از تونل به بیرون منتقل می‌شوند. این سیستم اجازه می‌دهد که خاک به تدریج و با کنترل کامل از جلوی تونل خارج شود.

4. ساخت پوشش تونل: در حالی که ماشین جلو می‌رود، پشت سر آن قطعات بتنی پیش‌ساخته (سگمنت‌ها) نصب می‌شوند تا دیواره‌های تونل را بپوشانند و تقویت کنند.

5. سیستم ایمنی: سیستم‌های حسگر پیشرفته دائماً فشار و شرایط زمین‌شناسی را پایش می‌کنند تا مطمئن شوند عملکرد ماشین ایمن و بهینه است.

۷- کاربردهای تونل‌های مکانیزه با قطر بزرگ

- متروهای شهری: افزایش ظرفیت حمل و نقل عمومی با امکان جای دادن چندین خط قطار.

- تونل‌های جاده‌ای و بزرگراهی: کاهش ترافیک سطحی و بهبود جریان ترافیک در مناطق پرتردد.

- پروژه‌های ریلی بین‌المللی: مانند تونل مانش که اتصال بین کشورها را فراهم می‌کند.

۸- فرصت‌ها

- کاهش تأثیرات منفی بر محیط زیست و سازه‌های سطحی.

- افزایش سرعت و ایمنی حفاری به دلیل استفاده از ماشین‌آلات پیشرفته.

- کاهش زمان و هزینه‌های کلی پروژه در مقایسه با روش‌های سنتی.

- طراحی بهینه فضای داخلی تونل و جانمایی سازه‌های جانبی.

- قطر بزرگ: معمولاً بیش از ۱۴ متر، مناسب برای پروژه‌های بزرگ مانند تونل‌های جاده‌ای چندلاینه.

- سرعت حفاری بالا: برخی از این ماشین‌ها می‌توانند تا ۱۰متر در روز پیشروی کنند.

- پایداری بالا: طراحی شده برای مقابله با شرایط زمین‌شناسی پیچیده و فشارهای بالا.

۹- چالش‌ها

۹-۱- پیچیدگی‌های فنی و طراحی:

- کنترل فشار در اتاقک حفاری و مدیریت گپ بین زمین و شیلد.

- شرایط زمین‌شناسی متغیر و جبهه کار مختلط (خاک/سنگ).

- فشار بالای آب زیرزمینی و نیاز به سیستم‌های کنترل آب.

۹-۲- هزینه‌های سرمایه گذاری اولیه بالا:

- نیاز به تجهیزات پیشرفته و نیروی انسانی متخصص.

- هزینه‌های اولیه خرید و نگهداری ماشین‌های حفار(TBM).

۹-۳- محدودیت‌های مکانی:

- نیاز به فضای بزرگ برای کارگاه‌ها و مونتاژ دستگاه‌ها.

- چالش‌های لجستیکی در حمل و نقل قطعات بزرگ.

۹-۴- نگهداری و تعمیرات:

- زمان‌بر بودن تعمیرات در صورت بروز خرابی

۵- مطالعات موردی

۱. دستگاه حفاری تونل "جیانگهای" (Jianghai)

چین در سال ۲۰۲۳ از دستگاه حفاری تونل "جیانگهای" رونمایی کرد که با قطر ۱۶.۶۴ متر، یکی از بزرگ‌ترین مگا تی‌بی‌ام‌های جهان به‌شمار می‌رود. این دستگاه با وزن تقریبی ۵۰۰۰ تن و طول ۱۴۵ متر، برای حفاری تونلی به طول ۱۱.۲ کیلومتر در عمق ۷۵ متری زیر رودخانه یانگ‌تسه طراحی شده است. پیش‌بینی می‌شود که این پروژه تا سال ۲۰۲۸ تکمیل شود. ​

۲. دستگاه حفاری تونل "توئن مون-چک لپ کوک" (Tuen Mun-Chek Lap Kok)

این دستگاه با قطر ۱۷.۶ متر، بزرگ‌ترین تی‌بی‌ام جهان محسوب می‌شود و برای حفاری تونلی ۵ کیلومتری در هنگ‌کنگ به‌کار گرفته شده است. پروژه حفاری این تونل در اکتبر ۲۰۱۸ آغاز و تا پایان سال ۲۰۲۰ تکمیل شد

۳. دستگاه حفاری تونل "برتا" (Bertha)

"برتا" با قطر ۱۷.۵ متر، پیش از معرفی دستگاه "توئن مون-چک لپ کوک"، عنوان بزرگ‌ترین تی‌بی‌ام جهان را داشت. این دستگاه در سیاتل آمریکا برای حفاری تونلی زیرزمینی به‌کار گرفته شد و در آوریل ۲۰۱۷ عملیات حفاری را به پایان رساند

۴. دستگاه حفاری تونل "سانتا لوسیا" (Santa Lucia)

این دستگاه با قطر ۱۵.۸ متر، تونلی ۷.۵ کیلومتری با سه خط را در ایتالیا احداث کرده است. عملیات حفاری این تونل در ژوئیه ۲۰۱۷ آغاز و در ژوئن ۲۰۲۰ تکمیل شد

۵. دستگاه حفاری تونل "مارتینا" (Martina)

"مارتینا" با قطر ۱۵.۶ متر، بزرگ‌ترین دستگاه حفاری تونل سنگ سخت در جهان است. این دستگاه در ایتالیا برای حفاری دو تونل در بزرگراه "اسپاروو" به‌کار گرفته شد و عملیات حفاری در ژوئیه ۲۰۱۳ به پایان رساند.

۶- تونل اوراسیا (استانبول):

- موفقیت: اجرای تونل دوطبقه زیر تنگه بسفر با استفاده ازTBM با قطر ۱۳.۷متر.

منابع:

۱. تین نیوز (۱۴۰۳). "برگزاری همایش فرصت ها و چالش های به کارگیری دستگاه های حفار مکانیزه بزرگ مقطع در ایران".

https://www.aparat.com/v/lhd6i17

۲. سخنرانی دکتر صادق طریق ازلی در برگزاری همایش فرصت ها و چالش های به کارگیری دستگاه های حفار مکانیزه بزرگ مقطع در ایران

https://civilica.com/profile/note/10511/