دستگاه حفاری تونل (TBM) که تحت عنوان مول (Mole) نیز شناخته می شود، یک دستگاه با مقطع عرضی دوار است که برای کاویدن تونل ها با لایه های مختلف خاک و سنگ مورد استفاده قرار می گیرد. این دستگاه قابلیت حفاری ماسه، سنگ سخت و هر آنچه در مسیرش قرار می گیرد را دارد. امروزه قطر تونل ها در محدوده 16-1 متر قرار دارد و برای تونل هایی که قطرشان کمتر از 1 متر است، از دستگاه های حفاری مستقیم و افقی به جای TBM استفاده می شود.

از جمله مزیت های دستگاه تی بی ام  می توان به محدود کردن ارتعاشات در زمین اطراف پروژه و ایجاد دیوار تونلی صیقلی اشاره نمود که این امر منجر به کاهش هزینه لاینینگ تونل گردیده و تونل را به مکانی مناسب و ایمن برای نواحی پرتردد شهری تبدیل می کند. ایراد اصلی این دستگاه هزینه بالای ساخت و همچنین حمل و نقل دشوار آن می باشد. با این وجود به علت طولانی تر شدن مسیر تونل های نسل جدید هزینه اجرای آنها با استفاده از تی بی ام در مقایسه با روش های سنتی کاهش می یابد، چرا که حفاری با تی بی ام کارآمد تر بود و زمان حفاری را به میزان قابل توجهی تقلیل می دهد.

قطر بزرگترین دستگاه تی بی ام 15.3 متر است که توسط  Herrenknecht AG برای حفاری یک زمین نرم متشکل از ماسه و رس در شانگهای چین مورد اسفاده واقع شده است. بزرگترین دستگاه تی بی ام جهت حفاری سنگ سخت، دارای قطر 14.4 متر است که در حال حاضر برای حفاری یک تونل هیدرو الکتریکی در نواحی تحتانی آبشار نیاگارا در کانادا بکار گرفته شده است. این دستگاه به احترام Adam Beck؛ مدافع انرژیِ برق آبی، Big Becky نامگذاری شده است.

تی بی ام های حفاری سنگ سخت

جهت حفاری سنگ سخت از نوع رو باز یا سپری تی بی ام ها استفاده می شود. در تمام دستگاه های حفاری سنگی از کاترهای دیسکی که در نوک کاتر واقع شده اند استفاده می گردد. کاترهای دیسکی با ایجاد شکستگی های ناشی از تنش های فشاری بر روی سنگ، منجر به جدا شدن آن از جلوی دستگاه که "رخ تونل" نامیده می شود، می گردند. سپس، سنگ حفاری شده از طریق شیارهای موجود در نوک کاتر، به نوار نقاله انتقال یافته و از آنجا به سیستم حامل ها جهت حذف از تونل هدایت می شوند.

تی بی ام های روباز فاقد سپر بوده و ناحیه پشت سر کاتر را جهت اتکاء سنگ، باز نگاه می دارد. جهت پیشروی در مسیر تونل، دستگاه با بهره گیری از سیستم گیره، به دیواره های جانبی تونل فشار وارد می کند که منجر به رانش دستگاه به جلو می شود. در پایان هر ضربه، پایه های عقب دستگاه پایین آمده و با جمع شدن گیره ها و سیلندرهای پیشران، دستگاه به منظور اجرای چرخه بعدی حفاری تغییر موقعیت می دهد. دستگاه های تی بی ام روباز بر خلاف سایر مدل ها، در پشت سر سگمنت گذاری نمی کند، بلکه سنگ با استفاده از روشهایی همچون تیرهای حلقه ای، پیچ های سنگی، شاتکریت، تسمه های فولادی و مش بالا نگه داشته می شود.

در نواحی که شکستگی سنگ ها بیشتر است، از دستگاه های تی بی ام سپری استفاده می شود که با سگمنت گذاری منجر به تقویت دیوارهای ناپایدار تونل در پشت دستگاه می شوند. دستگاه های تی بی ام دوسپری دو حالت دارند؛ در زمین پایدار می توانند با چنگ زدن به دیواره تونل به سمت جلو پیشروی کنند و در زمین های ناپایدار، با انتقال نیرو به سیلندرهای رانش، به سگمنت های تونل پشت دستگاه فشار وارد می شود. مکانیسم عملکرد تی بی ام های تک سپری نیز مانند تی بی ام های دوسپری است با این تفاوت که تنها در زمین های دارای شکستگی مورد استفاده قرار می گیرند.

دستگاه های تی بی ام مورد استفاده در زمین های نرم

در زمین نرم دو نوع تی بی ام مورد استفاده قرار می گیرد: ماشین های تنظیم کننده فشار زمین (EPB) و سپر دوغابی (SS). هر دو مدل دستگاه همانند تی بی ام های تک سپری کار می کنند (بهره گیری از سیلندرهای رانش جهت پیشروی و سگمنت گذاری). دستگاه های تنظیم کننده فشار زمین در زمین های نرم با فشار کمتر از 700000 پاسکال بکار گرفته شده و در نوک کاتر به جای دیسک از از برش دهنده های کاربید تنگستن، کاترهای کاربیدی یا کاترهای دیسکی سنگ سخت استفاده می شود. علت نامگذاری این ماشین ها با این عنوان (EPB)  قابیلت حفظ زمین نرم از طریق برقراریِ تعادل بین زمین و فشار می باشد.

اپراتور تی بی ام، نرخ برداشت خاک را معادل نرخ پیشروی ماشین تنظیم کرده و از این طریق به پایداری محیط زیست کمک می کنند. علاوه بر این با تزریق افزودنی هایی مانند بنتونیت، پلیمرها و فوم ها به زمین، به پایدارسازی هرچه بیشتر آن کمک می کنند.

در زمین های نرم با فشار آب بسیار بالا و مقادیر بالای آب زیرزمینی، استفاده از تی بی ام های سپر دوغابی جهت محصور نمودن کامل محیط ضروری است. در این مدل حفاری پس از ترکیب خاک با دوغاب بنتونیت، مخلوط حاصل میبایست از طریق لوله های خروجی از تونل حذف گردد. در این پروسه به کارخانه های بزرگ جهت جداسازی دوغاب نیاز است تا با جداسازی آلودگی از سطح دوغاب، بتوان آن را مجدد به داخل تول بازیافت نمود. هر چند استفاده از تی بی ام، مشکل نیاز به تعدد نیروی کار در فشارهای بالا را برطرف می کند، اما در پاره ای از مواقع لازم است یک سیستم نگهدارنده ضد آب (caisson)، در نوک کاتر در تی بی ام های سپر دوغابی شکل بگیرد. همچنین لازم است کارکنانی که جهت بازرسی، تعمیر و سخت وارد محیط می شوند، توسط پزشک معاینه شده و بطور تخصصی آموزش ببینند.

سیستم های پشتیبانی

در پشت تمام دستگاه های حفاری تونل، در داخل قسمت تمام شده تونل، سیستم های پشتیبانی قرار دارند. مکانیسم های پشتیبانی این موارد را شامل می شوند : لوله های دوغاب، نوار نقاله، اتاق های کنترل، سیستم های الکتریکی، زدودن گرد و غبار، تهویه و مکانیسم هایی جهت حمل و نقل مقاطع پیش ساخته.

تونل سازی شهری و نزدیک به سطح

مهم ترین مسئله هنگام تونل سازی شهری حفظ ثبات و جلوگیری از ایجاد اختلال است. این بدین معنی است که باید از طریق حفظ فشار خاک حین و پس از اتمام عملیات ساخت، از نشست زمین اجتناب شود که البته تحقق این هدف در نواحی با لایه بندی متفاوت (حفاری در ناحیه ای که قسمت فوقانی رخ تونل تر قسمت تحتانی سنگ سخت است) چالش برانگیز بوده و در این موارد از دستگاه های تی بی ام EPB و SS استفاده می گردد. هر دو مدل ذکر شده در صورت اجرای درست عملیات و داشتن اطلاعات کافی از شرایط زمین، باعث کاهش خطر نشست زمین می گردند.

هنگام تونل زنی در محیط های شهری، لازم است از همان مراحل ابتدایی برنامه ریزی، سایر تونل ها، خطوط انتقال برق و پی های عمیق به دقت بررسی شوند، همچنین لازم است تدابیری جهت کاهش اثرات مضر بر سایر زیرساخت ها در نظر گرفته شود.

دستگاه های تی بی ام تعادل فشار دوغاب (SPM)

وظیفه اصلی این تی بی ام حفظ فشار سطح حین فاز حفاری از طریق پر نمودن اتاقک کار با دوغاب می باشد.

مزایا:

1- امکان اجرای عملیات بر روی زمین نرم، تر و یا ناپایدار با سرعت بالا و ایمنی که پیش از این امکان پذیر نبوده است.

2- مناسب برای زمین های با فشار بالای آب (زیر سطح ایستابی)

3- کاهش نشست زمین و ایجاد دیواره تونلی صیقلی که منجر به کاهش هزینه ایجاد تونل در نواحی پر تردد شهری می گردد.

معایب:

1- مسئله اصلی تأمین سرمایه اولیه می باشد. دستگاه تی بی ام گران قیمت بوده، حمل و نقل آن دشوار می باشد و نیازمند سیستم پشتیبانی مخصوص و برق فشار قوی هستند.

2- تخته سنگ های بزرگ می توانند منجر به صعب العبور شدن مسیر گردند.

مشخصات اصلی

1- احداث تونل با بکارگیری سگمنت های بتنی

2- عملکرد نسبی: 30-5 متر در روز؛ عملکرد بهینه دستگاه تابع شرایط زمین و قطر تونل می باشد.

دستگاه تی بی ام تنظیم کننده فشار زمین (EPB)

در این روش حفاری خاک از طرق نوار نقاله به داخل دستگاه تی بی ام هدایت شده و فشار در سطح دستگاه بدون استفاده از دوغاب متعادل سازی می شود.

مزایا:

1- امکان اجرای عملیات بر روی زمین نرم، تر و یا ناپایدار با سرعت بالا و ایمنی که پیش از این امکان پذیر نبوده است.

2- کاهش نشست زمین و ایجاد دیواره تونلی صیقلی که منجر به کاهش هزینه ایجاد تونل در نواحی پر تردد شهری می گردد.

معایب:

مسئله اصلی تأمین سرمایه اولیه می باشد. دستگاه تی بی ام گران قیمت بوده، حمل و نقل آن دشوار می باشد و نیازمند سیستم پشتیبانی مخصوص و برق فشار قوی هستند.

مشخصات اصلی

1- احداث تونل با بکارگیری سگمنت های بتنی

2- عملکرد نسبی: 35-9 متر در روز؛ عملکرد بهینه دستگاه تابع شرایط زمین و قطر تونل می باشد.

دستگاه تی بی ام حفاری سنگ سخت

در این روش تونل زنی از دستگاه تی بی ام مجهز به سپر نوک کاتر مناسب برای سنگ سخت استفاده می گردد.

مزایا:

ارائه روش کنترل شده و مستمر با نرخ بالای پیشروی تحت شرایط مطلوب

معایب:

1- مسئله اصلی تأمین سرمایه اولیه می باشد. دستگاه تی بی ام گران قیمت بوده، حمل و نقل آن دشوار می باشد و نیازمند سیستم پشتیبانی مخصوص و برق فشار قوی هستند.

2- کاربرد آنها محدود به تونل های طولانی است که نرخ بالای پیشروی و کیفیت تونل بتواند هزینه بالای سرمایه گذاری آنها را جبران کند.

مشخصات اصلی

1- احداث تونل با بکارگیری سگمنت های بتنی/ بتن اسپری شده

2- عملکرد نسبی: 67-12 متر در روز؛ عملکرد بهینه دستگاه تابع شرایط زمین و قطر تونل می باشد.

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .