Tunnelboremaskiner (TBM-er) har revolusjonert underjordisk infrastruktur, som skjærer seg hundrevis av meter under overflaten- og gjennom utfordrende forhold
Med noen som er opptil 60 km lange og så dype som 2,4 km, representerer tunneler noen av de tøffeste tekniske utfordringene i verden. Veving gjennom fjell og under elver og hav, er disse enorme prosjektene bare muliggjort gjennom-stålbygget utstyr. Det er stål som holder styrken og vekten som TBM-ene som lager disse underjordiske veiene og jernbanene er avhengige av.
Tidligere tunneling involverte teknikker, som håndgraving eller bruk av eksplosiver, som sterkt begrenset omfanget for underjordiske prosjekter. Så, på begynnelsen av 1950-tallet, ble den første moderne TBM utviklet av James Robbins for Oahe Dam Project i USA. Denne første maskinen ble designet for å grave ut svake skiferbergformasjoner ved å bruke hantelformede kuttere. Behovet for utgraving av hard stein førte til at Robbins utviklet rulleskivekutteren i 1956, som ble designgrunnlaget for alle moderne TBM-er.
Et uerstattelig materiale
Til tross for fremskritt av karbonkompositter i mange bransjer, så vel som potensialet for aluminium og titan, når det kommer til de unike tekniske utfordringene til TBM-er, kan ingenting matche stålkvalitetene.
"Det er egentlig ikke noe annet materiale du kan bygge [TBM] av. Jeg mener, du kan tilsynelatende bygge en av aluminium eller titan eller andre materialer, men det ville vært urealistisk dyrt," sier Tyler Sandell, direktør for forretningsutvikling for Robbins, den opprinnelige produsenten fra 1950-tallet som fortsatt produserer TBMer den dag i dag.
Moderne TBM-er kan bli så mye som 400 meter lange og veie opp til 1000 tonn, med et sirkulært tverrsnitt i toppen som graver ut forskjellige jordtyper og stein for å lage tunnelen. Disse industrigigantene bruker skivekuttere av herdet stål, og bak enhetens hode, kjent som frontskjoldet, er det et tog med høyteknologisk overvåkings- og-backup-utstyr og en transportør slik at jord og stein hele tiden kan fjernes under utgraving.
Underjordisk konstruksjon
To eksempler på tunnelprosjekter som ville vært umulige uten moderne TBM-teknologi er den 14,5 km-lange Eurasia-tunnelen som forbinder de europeiske og asiatiske breddene av Bosporos-elven i Tyrkia og Gotthard-basetunnelen som går under de sveitsiske alper. Eurasia ble bygget for veitransport og har lettet trafikkbelastningen i Istanbuls travle gater, mens Gotthard huser en jernbanelinje på rundt 2,4 km dyp på det dypeste punktet som det tok nesten 20 år å bygge.
"Vi går tom for plass på overflaten, så du må gå under jorden for å lage din infrastruktur," forklarer Sandell. Opprettelsen av underjordiske jernbanelinjer og veier begynte for alvor på 1800-tallet. Tidlige TBM-er hadde flere graveverktøy foran som ville bryte ned jorda og steinen, men dette byttet ville ikke bli fanget opp av maskinen. I stedet ville den bli overført tilbake til TBMs inngangspunkt av en skruetransportør som løp under fremføringsmaskinen i stedet for å være integrert i selve enheten.
"Hele konstruksjonen, spesielt frontskjoldet der tunneleringen utføres, består av stålplate"
Wolfram Hoelbling, Dillinger
Fremskrittene i TBM-er siden har inkludert det sirkulære skjærehodet som graver ut forskjellige jordsmonn og bergarter med ulik grad av hardhet og vanninnhold. Det er tre forskjellige typer TBM, en for hard stein, en for myk jord og den tredje, kalt dual mode, er for blandinger av de to. Uansett hvilke forhold en TBM opererer innenfor, krever vibrasjonene som genereres av friksjonen mellom skjærehodet og jorda eller steinen en sterk, tung struktur som kan motstå dem. Av denne grunn er den tunge platen som brukes til frontskjoldet laget av finkornet stål til den internasjonale strukturelle standarden EN 10 O25. Uten denne styrken kan tunnelanlegget potensielt riste seg selv i stykker under utgraving.
En stål-bygget gigant
– Hele konstruksjonen, spesielt frontskjoldet der tunneleringen utføres, består av stålplate, sier Wolfram Hoelbling, leder for tungt maskineri, anleggsutstyr og stålservicesenteret i Dillingers markeds- og tekniske støtteavdeling. Dillinger er en produsent av tunge stålplater med base i Dillingen, Tyskland, som leverer TBM-byggere. "Jeg vil si at den fremre delen av en tunnelmaskin er mer eller mindre fullstendig laget av tung plate," forklarer han. "Hele strukturen er laget av stål, men også delene som driver tunnelmaskinen er også laget av tunge stålplatekomponenter."
Hoelbling sier at han har sett «inkrementell endring i kravene» for stål til boremaskiner gjennom årene. Disse mindre endringene har handlet om å gjøre stålene som brukes til TBM-er bedre for sveising og for å vise en "høyere seighet".
Karbonkompositter har gjort inntog i andre industrier, men de er til liten nytte for tunnelmaskiner. Karbonkompositter avvises fordi "vi er veldig kostnadssensitive i denne industrien", forklarer Sandell, "og det ville være uoverkommelig og, ærlig talt, bortkastet å bruke slike materialer på en tunnelboremaskin".
Eurasia-tunnelen som går under Bosporos-stredet i Istanbul ble muliggjort gjennom TBM-teknologi
Gjør kuttet
Til kutterne som graver ut jord og stein brukes verktøystål. "I forretningsenden av maskinen er alle skivekuttere laget av stål," forklarer Sandell. "Vi har ikke funnet et bedre materiale med samme seighetsegenskaper og skadetoleranse i hard-bergart som skivekuttere, og vi bygger dem av verktøystål."
En Robbins kutterskive begynner livet som smeltet stål i en lysbueovn som deretter gjennomgår vakuumavgassing og helles i ingotformer fra bunnen mens den er innhyllet i argongass. Ingotene brukes til smiing for å danne kutteskivene. Smiene blir deretter maskinert og varmebehandlet. I følge Sandell var de minste kutterne Robbins laget i de tidlige dagene av firmaet og «på maskiner med liten diameter» 6,5 tommer (16,5 centimeter) i diameter. Han legger til at i bransjen, mens en TBM kan beskrives ved hjelp av metriske enheter, måles kuttere fortsatt i tommer.
"I forretningsenden av maskinen er skiveskjærene alle laget av stål. Vi har ikke funnet et bedre materiale med samme seighetsegenskaper og skadetoleranse i hard-bergart."
Tyler Sandell, Robbins
Kutterne kan være så store som 20 tommer i diameter på store boremaskiner. "For en tunnelboremaskin i full-størrelse, som vi vurderer alt som er over tre meter i diameter, er de minste kutterne vi setter på dem 14 tommer," sier Sandell., som legger til at de vanligste skivekutterne er 17- og 19-tommers.
Strukturen, graveverktøyene og den innvendige funksjonen til tunnelmaskinen er helt i stål, da dette gir den vibrasjonsabsorberende massen som kreves. Dette er også nødvendig for å unngå at maskinen flyter under visse forhold, som Sandell forklarer. "Det var et stort prosjekt i Japan for noen år siden. Det var en undersjøisk motorvei i Tokyo. De måtte legge til mye ballast til tunnelboremaskinen fordi den skulle flyte i jord med høyt-vanninnhold, og de brukte også stål til det."
Finkornstål, verktøystål, smiing og varmebehandling – fra ende til annen er TBM bare i stand til å gjøre jobben sin på grunn av ett materiale. Stålets styrke og masse overvinner vibrasjoner og mulig flyteevne, mens dets utholdenhet danner ryggraden i skjæreskivene som utsettes for enorm fysisk belastning når de tygger seg gjennom tøffe krystallinske fjellformasjoner. Det er disse egenskapene som har bidratt til å realisere massive prosjekter som involverer unike underjordiske ingeniørutfordringer over hele verden.
