Tunnel Boring Machine: Hvordan disse gigantiske maskiner faktisk graver tunneler under jorden

Hvad er en tunnelboremaskine, og hvorfor bruger vi dem?

En tunnelboremaskine - almindeligvis forkortet som TBM og nogle gange kaldet en tunnelboremaskine eller underjordisk boremaskine - er et massivt stykke teknisk udstyr designet til at udgrave tunneller gennem jord, sten eller blandede jordforhold med et cirkulært tværsnit. I modsætning til den ældre bore-og-sprængningsmetode, der brækker sten ved hjælp af sprængstoffer og derefter manuelt rydder affaldet, skærer, udgraver en TBM tunnelen, og ofte samtidig forer den i en enkelt kontinuerlig operation. Resultatet er en glattere, mere strukturelt konsistent tunnel produceret med langt mindre forstyrrelse af den omgivende jord og overfladeinfrastruktur.

Tiltrækningen ved TBM-tunneling går langt ud over hastighed. I bymiljøer - hvor en tunnel kan passere under tætbyggede kvarterer, levende undergrundslinjer eller kritiske forsyningsselskaber - er den kontrollerede, lavvibrerende udgravning af en tunnelboremaskine ofte den eneste levedygtige mulighed. Konventionel sprængning vil forårsage uacceptabel overfladesætning og strukturelle skader på nærliggende bygninger. TBM'er kan også arbejde på meget større dybder end cut-and-cover byggemetoder, hvilket giver ingeniører mulighed for at dirigere tunneler i lige, optimale stier uden at rive gadebilledet ovenover. Disse fordele har gjort tunnelboremaskinen til den dominerende teknologi for metro-jernbanesystemer, motorvejstunneller, vandforsynings- og kloaktunneler og i stigende grad kabel- og forsyningskorridorer i byer verden over.

Moderne TBM'er er ekstraordinære ingeniørbedrifter i sig selv. Verdens største tunnelboremaskiner har skærehoveder på over 17 meter i diameter - bredere end en fire-etagers bygning er høj - og vejer op mod 7.000 tons. Selv en mellemstørrelse TBM, der bruges til en standard metrotunnel (typisk 6-9 meter i diameter), er samlet af hundredvis af præcisionskonstruerede komponenter, der sendes til arbejdspladsen og samles under jorden i affyringsskakten. Maskinerne integrerer jordudgravning, fjernelse af snavs, jordstøtte og installation af betonbeklædning i en enkelt bevægelig produktionslinje, der bevæger sig 10-30 meter om dagen afhængigt af jordforhold og maskintype.

Hvordan en tunnelboremaskine faktisk fungerer: kernemekanikken

At forstå, hvordan en TBM fungerer, kræver, at man ser på dens vigtigste arbejdssystemer, som hver især spiller en kritisk og indbyrdes afhængig rolle i tunnelingsprocessen. Mens forskellige TBM-typer håndterer jordstøtte og fjernelse af snavs forskelligt (behandlet i næste afsnit), er den grundlæggende skære- og fremføringsmekanik delt på tværs af de fleste maskinfamilier.

Kutterhovedet

Kutterhovedet er forretningsenden på enhver tunnelboremaskine — en massiv roterende skive eller egerstruktur besat med skærende værktøjer, der er i direkte kontakt med jorden, der udgraves. Ved klippetunneldrift bærer skærehovedet skiveskærere: Hårdne stålhjul, typisk 432-483 mm (17-19 tommer) i diameter, som ruller mod klippefladen under en enorm trykkraft. Skiveskærerne skraber ikke stenen; i stedet knuser de det gennem kompressionsbelastning, hvilket skaber et netværk af mikrobrud mellem tilstødende skærespor, der får stenspåner til at bryde fri. Denne chip-genereringsproces, kaldet "chip-and-crack"-mekanismen, er langt mere energieffektiv end direkte slid og er det, der gør TBM-tunneling levedygtig i hård sten. Under blød jord og blandede forhold bærer skærehovedet i stedet trækbits, skrabere og jordskæretænder, som skærer og løsner materiale i stedet for at knuse det.

Knivhovedet roteres af en ring af elektriske drivmotorer - typisk mellem 4 og 20 motorer afhængigt af maskinens størrelse - arrangeret rundt om dets omkreds og forbundet gennem reduktionsgearkasser. Rotationshastigheden er typisk langsom: 1–6 omdr./min. for store maskiner, da den ydre kant på et stort skærehoved allerede kører med høj lineær hastighed, selv ved meget lave omdrejninger. Den samlede installerede klippehoveddrivkraft på en stor hard-rock TBM kan overstige 5.000 kW - omtrent det samme som seks Formel 1-motorer, der kører samtidigt, men anvendt som langsomt rotationsmoment snarere end hastighed.

Tryk- og gribesystemer

At rotere skærehovedet alene udgraver ikke en tunnel - maskinen skal også skubbe skærehovedet ind i klippefladen med enorm kraft for at gøre tallerkenskærene effektive. Dette opnås gennem et system af hydrauliske trykcylindre arrangeret rundt om maskinens hoveddel. Samlede trykkræfter på en stor sten TBM varierer normalt fra 20.000 til 60.000 kN - svarende til vægten af ​​2.000 til 6.000 tons, der presser mod tunnelens overflade. For at skubbe imod har maskinen brug for noget at skubbe fra. I hard rock TBM'er leveres dette af gribepuder: store hydrauliske cylindre, der strækker sig sideværts fra maskinlegemet og presser mod tunnelvæggene med tilstrækkelig kraft til at forankre maskinen fast på plads, mens trykcylindrene fremfører skærehovedet. Når først maskinen er gået en slaglængde frem (typisk 1,5-2 meter), frigives griberne, maskinens bagende trækkes frem, griberne går i indgreb igen i den nye position, og det næste trykslag begynder. Denne sekvens gentages kontinuerligt under hele tunneloperationen.

Fjernelse af snavs (mudderhåndtering)

Materialet skåret fra tunnelfladen - kaldet "muck" i tunnelterminologi - skal kontinuerligt fjernes fra skærehovedet og transporteres til overfladen. I de fleste TBM'er falder snavs ned i åbninger i skærehovedet og samles op af en båndtransportør, der løber gennem midten af ​​maskinen. Denne hovedtransportør overfører møddingen til en række bagende transportører eller til skinnemonterede møgvogne, der fører det tilbage gennem tunnelen til udskydningsskakten, hvor det løftes til overfladen og trækkes væk. I gennemsnit producerer en mellemstor metro-TBM, der udgraver i blandet jord, 300-600 kubikmeter møg om dagen - en væsentlig logistisk udfordring, der kræver en velplanlagt overfladebortskaffelse, der løber parallelt med tunneleringen.

Montering af tunnelbeklædning

Umiddelbart bag skærehovedet installerer de fleste moderne TBM'er en permanent tunnelbeklædning, efterhånden som maskinen rykker frem. Standardmetoden bruger præfabrikerede betonsegmenter - typisk seks til otte buede segmenter pr. ring, plus et mindre "nøgle"-segment - der løftes på plads af en automatiseret segmentrejserarm og boltes eller tætnes sammen for at danne en komplet ring. Hver ring installeres i det rum, der er skabt af maskinens sidste trykslag, og efterhånden som maskinen går videre til næste slag, bliver den færdige ring den strukturelle skal af den permanente tunnel. Denne integrerede foringsinstallation er en af ​​TBM'ens største effektivitetsfordele: Tunnelen er i det væsentlige komplet bag maskinen, mens den rykker frem, hvilket kræver minimalt opfølgningsarbejde.

De vigtigste typer af tunnelboremaskiner og hvornår de er brugt

Valget af en TBM-type er en af de mest kritiske ingeniørbeslutninger i ethvert tunnelprojekt. Den forkerte maskintype til jordforholdene kan resultere i langsom fremdrift, maskinskade, jordsætning eller i alvorlige tilfælde tunnelkollaps. De store TBM-familier udmærker sig primært ved, hvordan de styrer jorden foran skærehovedet og kontrollerer grundvandstrykket:

Open-Face (Gripper) TBM — Bedst til Hard Rock

TBM med åben flade eller griber er det originale TBM-design og forbliver den foretrukne maskine til stabile hårde klippeforhold, hvor tunnelfladen er selvbærende og grundvandstrykket er håndterbart. Som navnet antyder, er tunnelfladen åben - der er intet tryksat støttesystem mellem skærehovedet og den udgravede jord. Denne enkelhed gør griber-TBM'er hurtigere og mere omkostningseffektive under passende forhold: Uden tryksystemer til styring er vedligeholdelsesadgang til skærehovedet lettere, fremrykningshastigheder er højere, og maskinerne er mekanisk enklere. De er standardvalget til vandforsyningstunneller, jernbanetunneler og vandkraftprojekter i bjergrigt terræn - applikationer, hvor maskinen vil tilbringe det meste af sin køretur i kompetent klippe. Begrænsningen er lige så klar: i blød jord, mættet jord eller blandede forhold kan en åben TBM ikke sikkert understøtte tunnelfladen, hvilket gør den uegnet til byprojekter, hvor jordbebyggelse ville skade overfladestrukturer.

Jordtryksbalance (EPB) TBM — Bedst til blødt underlag og byindstillinger

Earth Pressure Balance TBM er den mest udbredte maskintype til urban metro- og infrastrukturtunnelering på verdensplan. Det løser problemet med den bløde jordstøtte ved at fylde skærehovedets kammer - mellemrummet mellem skærehovedet og en skotplade bagved - med udgravet jord, der er konditioneret til den rigtige konsistens ved hjælp af skum, polymerer eller vand. Dette konditionerede møg holdes ved et tryk, der afbalancerer jord- og grundvandstrykket ved tunnelfladen, hvilket forhindrer ansigtskollaps og minimerer jordens bevægelse. Det tryksatte muck udtages fra kammeret gennem en skruetransportør, som styrer hastigheden af ​​materialefjernelse for at opretholde målfladetrykket. EPB TBM'er er særligt effektive i lerrig jord, sandjord og blandet jord med moderat grundvandstryk. De er den dominerende maskintype til konstruktion af metrobaner i byer som London, New York, Tokyo, Beijing og stort set alle større bytunnelprojekter i de sidste 30 år.

Slurry Shield (Mixshield) TBM — Bedst til vandmættet og grov jord

Gylleskjoldet TBM bruger tryksat bentonit-gylle - en flydende blanding af vand og ler - til at understøtte tunnelfladen i stedet for konditioneret møg. Gyllen fylder skærehovedkammeret under tryk og danner en filterkage på tunnelfladen, der overfører støttetrykket til jorden. Udgravet materiale blandes med gyllen og pumpes ud af tunnelen som en flydende suspension gennem en gyllerørledning, transporteres til et overfladesepareringsanlæg, hvor de faste stoffer fjernes, og den rensede gylle returneres til maskinen til genbrug. Denne gyllekredsløbstilgang er mere kompleks og dyr end EPB, men udmærker sig under forhold, hvor EPB kæmper: meget permeabelt grus og sand med højt grundvandstryk, blandet jord med kampesten og undersøiske tunnelkrydsninger. Crossrail-projektet i London, Øresundstunnelen mellem Danmark og Sverige og Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge-tunnelen brugte alle gylleskjoldmaskiner til deres mest udfordrende undervands- eller højvandssektioner.

Multi-Mode TBM'er — Fleksibilitet for variabel jord

En voksende kategori af tunnelboremaskiner er den konvertible eller multi-mode TBM, designet til at skifte mellem driftstilstande - typisk mellem EPB og åben flade eller mellem EPB og gylleskjold - efterhånden som jordforholdene ændrer sig langs tunnelens linjeføring. Disse maskiner er mere komplekse og dyrere end single-mode maskiner, men kan være essentielle til projekter, hvor tunnelen skal passere gennem en dramatisk anderledes geologi langs dens længde. Et almindeligt scenarie er en tunnel, der begynder i blød byjord, går gennem et vandbærende sandlag og derefter går ind i kompetent sten - en sekvens, der ville udfordre enhver enkelt-mode maskine. Multi-mode kapacitet gør det muligt for én maskine at fuldføre hele drevet uden den upraktiske mulighed for maskinudtrækning og udskiftning midt i tunnelen.

TBM-typer på et blik: Side-by-side sammenligning

Nøglefaktorer, der bestemmer, hvor hurtigt en TBM kan udvikle sig

Forskudshastighed - målt i meter pr. dag eller pr. skift - er den primære produktionsmåling for ethvert TBM-tunnelprojekt, og det har enorm indflydelse på projektomkostninger og tidsplan. Forskudsraten er dog ikke blot en funktion af maskinkraft eller størrelse. Det er resultatet af interaktionen mellem flere variabler, hvoraf mange er uden for projektteamets kontrol:

• Stenstyrke og slibeevne: Ved tunneldrift i hårde bjergarter er stenens trykstyrke og mineralindholdets slibeevne (især kvartsindhold) de primære determinanter for gennemtrængningshastigheden og skiveskærerens levetid. Ekstremt hård og slibende granit kan reducere skærenes levetid til mindre end 20 meters fremføring pr. fræser, hvilket kræver hyppige skærehovedindgreb, der væsentligt reducerer nettofremføringshastigheden. Blødere sten som kalksten eller kridt tillader meget højere gennemtrængningshastigheder og længere levetid for skæreren.
• Jordadfærd og ansigtsstabilitet: Ustabile jordforhold - rindende sand, klemme ler eller forkastede stenzoner - kan kræve indgreb, jordbehandling eller reduceret fremrykningshastighed for at klare sig sikkert. I ekstreme tilfælde kan TBM'en blive fanget eller "fast" i klemme jorden, et scenarie, der kan tage uger eller måneder at løse og repræsenterer en af ​​de mest kostbare risici ved TBM-tunneling.
• Muckhåndteringskapacitet: Systemet til bortskaffelse af overflademøg skal følge med maskinens udgravningsydelse. En flaskehals i møgtransporten - hvad enten det er på grund af transportbåndskapacitetsbegrænsninger, mangel på jernbanevogne eller logistik for bortskaffelse af overfladen - reducerer direkte maskinens opnåelige fremrykningshastighed, uanset hvor godt den skærer.
• Segment levering og installationstid: Hver ring af tunnelbeklædning skal leveres til maskinen og installeres, før næste trykslag kan begynde. Forsinkelser i segmentlevering, krancyklusser i udskydningsskakten eller kvalitetsproblemer med selve segmenterne reducerer alle netto fremrykningshastigheden. Højtydende TBM-projekter investerer massivt i at optimere segmentets logistikkæde.
• Vedligeholdelse og nedetid: TBM'er arbejder døgnet rundt i flere skift, men de kræver planlagte vedligeholdelsesindgreb - inspektion af skærehoveder, skæreskift, smøring, systemtjek - der skal indregnes i produktionsplanen. Uplanlagt nedetid for mekaniske fejl er den vigtigste variabel, der adskiller velfungerende TBM-drev fra problemfyldte.

Store anvendelser af tunnelboremaskiner rundt om i verden

Tunnelboremaskiner er på arbejde på alle kontinenter (undtagen Antarktis) og på tværs af en ekstraordinær række anvendelsestyper. Omfanget og mangfoldigheden af ​​TBM-projekter i de seneste årtier afspejler både den stigende efterspørgsel efter underjordisk infrastruktur og den stigende modenhed af TBM-teknologi til at møde udfordrende forhold.

Urban Metro og Rapid Transit Tunneler

Den største enkeltkategori af TBM-brug på verdensplan er tunneling af metrobaner i byer. Enhver større metroudvidelse i verden - fra Londons Elizabeth Line (Crossrail) til Beijings konstant voksende undergrundsnetværk, fra Sydneys metrotunnel til Riyadhs nye metrosystem - er primært afhængig af EPB-tunnelboremaskiner til at konstruere de to kørende tunneler, der transporterer tog mellem stationerne. Elizabeth Line-projektet alene brugte otte TBM'er, der borede over 42 kilometer ny tunnel under en af ​​verdens tættest byggede byer, med overfladebebyggelse i mange områder holdt til mindre end 5 millimeter. Dette niveau af kontrol er simpelthen ikke opnåeligt med nogen anden udgravningsmetode.

Motorvejs- og vejtunneler

Vejtunnelering bruger i stigende grad TBM'er med stor diameter, der er i stand til at udgrave tunneler, der er store nok til at transportere to til fire vejbaner i en enkelt boring. SR 99 Alaskan Way Viaduct-erstatningstunnelen i Seattle, færdiggjort i 2019, brugte Bertha - på det tidspunkt verdens største TBM med 17,5 meter i diameter - til at bore en to-niveau motorvejstunnel under byens centrum. Vej-TBM'er skal udgrave langt større tværsnit end metrotunneler, hvilket kræver væsentligt højere trykkræfter, større skærehoveder og kraftigere drivsystemer. De præfabrikerede betonsegmenter til store vejtunneller kan veje 10-15 tons hver og kræver specialbygget løfte- og opstillingsudstyr i maskinen.

Vandforsyning, kloak og forsyningstunneller

Vandinfrastrukturtunneler er et af de ældste og mest konsistente anvendelsesområder for TBM'er. Vandforsyningstunneler med dyb klippe - boret i dybder på 50-200 meter gennem kompetent grundfjeld - giver byer mulighed for at flytte vand over lange afstande uden at forstyrre overfladegravning. Londons Tideway Tunnel, en 25 kilometer lang kombineret kloakoverløbstunnel i øjeblikket under Themsen, bruger tre TBM'er til at bore gennem kridt og ler på dybder på op til 65 meter. Chicagos Deep Tunnel-projekt, et af de største tunnelsystemer, der nogensinde er bygget, brugte TBM'er til at bore over 175 kilometer tunnel til kombineret kloakoverløbsopbevaring og oversvømmelseskontrol. Ved mindre diametre installerer mikrotunneleringsmaskiner - i det væsentlige miniaturiserede TBM'er, der betjenes eksternt uden arbejdere indeni - forsyningsrør og ledninger i byområder uden åbne render.

Jernbane- og højhastighedstogtunneler

Langdistance jernbanetunneler gennem bjergkæder repræsenterer nogle af de mest udfordrende og berømte TBM-projekter i historien. Gotthard Base Tunnel i Schweiz - verdens længste jernbanetunnel på 57 kilometer - blev færdig i 2016 efter 17 års konstruktion ved hjælp af flere TBM'er, der skulle bore gennem den fulde geologiske kompleksitet af de schweiziske alper, herunder hård granit, skifer og flere forkastningszoner. Kanaltunnelen, der forbinder England og Frankrig, brugte 11 TBM'er til at bore tre tunneler (to løbende tunneler og en servicetunnel) under Den Engelske Kanal. Igangværende projekter som Japans Chuo Shinkansen maglev-linje omfatter tunneler, der strækker sig mere end 25 kilometer gennem vanskelig bjerggeologi, og skubber TBM-teknologi til nye grænser.

De reelle omkostninger ved tunnelboremaskineprojekter: Hvad driver tallene

TBM-tunneling er dyrt - ofte ekstraordinært - og at forstå, hvad der driver omkostningerne, hjælper projektejere og ingeniører med at træffe informerede beslutninger om, hvornår TBM-tunneling er det rigtige valg i forhold til alternativer som cut-and-cover eller bor-og-sprængning.

Typiske TBM-tunnelomkostninger i udviklede lande spænder fra 50 millioner USD til 300 millioner USD per kilometer for tunneler i metrostørrelse, med betydelig variation baseret på diameter, geologi, bykompleksitet og landespecifikke arbejds- og materialeomkostninger. Disse tal er høje - men de skal sammenlignes med de fulde omkostninger ved alternativer, herunder omkostningerne ved overfladeforstyrrelser, ejendomspåvirkninger og den præmie, der er lagt på at bygge dyb infrastruktur, der ikke forbruger den knappe overflade i en moderne by.

Geoteknisk undersøgelse: Hvorfor jordviden er alt i TBM-tunneling

Ingen enkelt faktor har større indflydelse på TBM-projektets succes eller fiasko end kvaliteten af den geotekniske undersøgelse, der er udført før maskinen overhovedet er valgt. Jorden er TBM'ens medium, og overraskelser i jorden - uventede fejl, pludselige ændringer i vandtrykket, kampesten i ellers blød jord eller sammenklappelige blandede ansigtsforhold - er årsagen til de fleste større TBM-projektforsinkelser, omkostningsoverskridelser og sikkerhedshændelser.

En omfattende geoteknisk undersøgelse for en TBM-tunnel omfatter typisk boring med jævne mellemrum langs linjeføringen (ofte for hver 50-100 meter for byprojekter), laboratorietest af sten- og jordprøver for styrke, abrasivitet, permeabilitet og andre egenskaber, overvågning af grundvandstryk og geofysiske forhindringer mellem boringer eller nedgravede boringer, for at identificere et nedgravet borehul. På trods af omkostningerne – et grundigt geoteknisk undersøgelsesprogram kan repræsentere 1-3 % af de samlede projektomkostninger – betragter erfarne tunnelingeniører det generelt som de bedste penge brugt på et TBM-projekt. Hver dollar, der investeres i jordundersøgelser før byggeriet, er typisk ti eller flere dollars værd, sparet i undgåede krav og forsinkelser under byggeriet.

Den geotekniske basislinjerapport (GBR) - et dokument, der fastlægger de kontraktmæssige referencebetingelser for jordadfærd, som entreprenørens TBM-udvælgelse og prisfastsættelse er baseret på - er et af de vigtigste kontraktdokumenter i ethvert TBM-projekt. Forhold, der overstiger basislinjen, udløser de kontraktlige risikodelingsmekanismer mellem ejer og entreprenør. At få den rigtige baseline, baseret på grundig undersøgelse, er grundlæggende for et retfærdigt og succesfuldt projekt.

Innovationer, der former fremtiden for tunnelboremaskiner

TBM-teknologien har udviklet sig bemærkelsesværdigt siden de første succesrige maskiner i 1950'erne og 1960'erne, og innovationstempoet accelererer snarere end aftager. Flere udviklingsområder vil sandsynligvis definere den næste generation af tunnelboremaskiner:

• Overvågning af skærehoveder i realtid og forudsigelig vedligeholdelse: Moderne TBM'er bærer allerede hundredvis af sensorer, der overvåger vibrationer, drejningsmoment, tryk, temperatur og jordtryk i realtid. Det næste trin er at integrere kunstig intelligens og maskinlæring for at forudsige skæreslid og fejl, før det opstår, hvilket gør det muligt at planlægge vedligeholdelsesindgreb i stedet for at reaktive. Dette har potentialet til dramatisk at forbedre maskintilgængeligheden og fremskynde rater ved at reducere uplanlagt nedetid.
• Autonome og fjernbetjente TBM'er: Mens fuld automatisering af TBM-tunnelering fortsat er et langsigtet mål, er væsentlige skridt i retning af større automatisering allerede i gang. Automatiserede segmentoprettere, GPS-baserede styresystemer og semi-autonom trykstyring er nu standard på avancerede maskiner. Adskillige producenter udvikler maskiner, der er i stand til længere drift med minimal operatørindgriben, hvilket reducerer den nødvendige arbejdsstyrke inde i tunnelen og forbedrer sikkerheden.
• Alternative skæreteknologier: Konventionelle skiveskærere er begrænset i deres evne til effektivt at trænge igennem de hårdeste stentyper. Forskning i laser-, mikrobølge-, plasma- og højtryksvandjet-forkonditionering af sten foran skærehovedet er i gang med det mål at reducere den energi, der kræves til udgravning og udvide rækken af ​​jordforhold, hvor TBM'er kan fungere økonomisk.
• Ikke-cirkulære TBM-tværsnit: Standard TBM'er producerer cirkulære tunneler, men mange infrastrukturapplikationer - især vejtunneler og kombinerede forsyningsgallerier - vil drage fordel af rektangulære eller hesteskoformede tværsnit, der bruger den tilgængelige plads mere effektivt. Adskillige eksperimentelle ikke-cirkulære TBM'er er blevet udviklet og testet i Japan og Kina, og selvom teknologien endnu ikke er mainstream, repræsenterer den en vigtig grænse for industrien.
• Kontinuerlig tunneling uden ring-for-ring-afbrydelse: Den aktuelle stop-start-cyklus for TBM-fremføring (trykslag, stop derefter for at installere segmentring og genoptag) begrænser maskinens nettofremføringshastighed til typisk 50–70 % af dens teoretiske maksimum. Forskning i kontinuerlige tunnelsystemer – hvor segmenter installeres samtidigt med maskinfremføring i stedet for skiftevis – har potentialet til dramatisk at forbedre produktiviteten, selvom de tekniske udfordringer er betydelige.