Jarðvegsborunarvélar (TBM) hafa gjörbylt neðanjarðarinnviðum, sem rista sig hundruðum metra undir yfirborð-yfirborðs og í erfiðum aðstæðum
Þar sem sum eru allt að 60 km löng og allt að 2,4 km djúp, eru jarðgöng einhver af erfiðustu verkfræðiáskorunum í heimi. Þessi risastóru verkefni vefjast í gegnum fjöll og undir ám og sjó og eru aðeins möguleg með stál-byggðum búnaði. Það er stál sem heldur styrk og þyngd sem TBM sem búa til þessa neðanjarðarvegi og járnbrautir eru háðar.
Fyrri jarðgangagerð fól í sér tækni, eins og handgröft eða notkun sprengiefna, sem takmarkaði verulega svigrúm neðanjarðarframkvæmda. Síðan, snemma á fimmta áratugnum, var fyrsta nútíma TBM þróað af James Robbins fyrir Oahe Dam Project í Bandaríkjunum. Þessi fyrsta vél var hönnuð til að grafa upp veikburða leirsteinsmyndanir með því að nota handlóðlaga skera. Þörfin fyrir grjótuppgröft varð að lokum til þess að Robbins þróaði rúllandi skífuskeri árið 1956, sem varð hönnunargrundvöllur allra nútíma TBM.
Óbætanlegt efni
Þrátt fyrir framfarir kolefnissamsettra efna í mörgum atvinnugreinum, sem og möguleika á áli og títan, getur ekkert jafnast á við eiginleika stáls þegar kemur að einstökum verkfræðilegum áskorunum TBM.
"Það er í rauninni ekki annað efni sem þú getur smíðað [TBM] úr. Ég meina, þú gætir að því er virðist smíðað úr áli eða títan eða einhverju öðru efni, en það væri óraunhæft dýrt," segir Tyler Sandell, forstöðumaður viðskiptaþróunar hjá Robbins, upprunalega framleiðandanum frá 1950 sem framleiðir TBM enn þann dag í dag.
Nútíma TBM-vélar geta orðið allt að 400 metrar að lengd og allt að 1.000 tonn að þyngd, með hringlaga þversnið í höfðinu sem grafar upp mismunandi jarðvegsgerðir og berg til að búa til göngin. Þessir iðnaðarrisar nota diskaskera úr hertu stáli og á bak við höfuð einingarinnar, þekktur sem framhlíf, er lest af hátæknivöktunar- og-bakbúnaði og færibandi þannig að stöðugt sé hægt að fjarlægja jarðveg og grjót við uppgröft.
Neðanjarðarbygging
Tvö dæmi um jarðgangagerð sem væri ómöguleg án nútíma TBM tækni eru 14,5 km -löng Evrasíugöng sem tengja saman evrópskar og asísku strendur Bosporusfljóts í Tyrklandi og Gotthard-grunngöngin sem liggja undir svissnesku Ölpunum. Eurasia var byggt fyrir vegasamgöngur og hefur dregið úr þrengslum á fjölförnum götum Istanbúl, en Gotthard hýsir járnbrautarlínu sem er um 2,4 km dýpi á dýpsta punktinum sem tók næstum 20 ár að byggja.
„Við erum að verða uppiskroppa með pláss á yfirborðinu, svo þú verður að fara neðanjarðar til að búa til innviði þína,“ útskýrir Sandell. Sköpun neðanjarðar járnbrautarlína og vega hófst af alvöru á 19. öld. Fyrstu TBM-vélarnar voru með nokkur uppgröftarverkfæri að framan sem myndu brjóta niður jarðveginn og grjótið en þetta herfang náðist ekki af vélinni. Í staðinn yrði það flutt aftur í átt að inngangsstað TBM með skrúfufæri sem lá undir framdrifandi vélinni í stað þess að vera samþætt í einingunni sjálfri.
„Öll smíðin, sérstaklega framhlífin þar sem jarðgangagerð er gerð, samanstendur af stálplötu“
Wolfram Hoelbling, Dillinger
Framfarirnar í TBM síðan hafa falið í sér hringlaga skurðhausinn sem grafir upp mismunandi jarðveg og steina með mismunandi hörku og vatnsinnihaldi. Það eru þrjár mismunandi gerðir af TBM, ein fyrir hart berg, ein fyrir mjúkan jarðveg og sú þriðja, sem kallast tvískiptur hamur, er fyrir blöndur af þessu tvennu. Hvaða aðstæður sem TBM starfar innan, kallar titringurinn sem myndast af núningi milli skurðarhaussins og jarðvegsins eða bergsins sterka, þunga uppbyggingu sem getur staðist þá. Af þessum sökum er þunga platan sem notuð er fyrir framhlífina gerð úr fínkorna stáli samkvæmt alþjóðlega byggingarstaðlinum EN 10 O25. Án þessa styrks gæti jarðgangagerðin hugsanlega hrist sig í sundur við uppgröft.
Stál-smíðuð gæja
„Allar framkvæmdir, sérstaklega framhlífin þar sem jarðgangagerð er gerð, samanstendur af stálplötu,“ segir Wolfram Hoelbling, yfirmaður þungavinnuvéla, byggingartækja og stálþjónustumiðstöðvar í markaðs- og tækniaðstoð Dillinger. Dillinger er þungur stálplötuframleiðandi með aðsetur í Dillingen, Þýskalandi, sem útvegar TBM smiðjum. „Ég myndi segja að framhluti jarðgangagerðarvélar væri meira og minna algjörlega úr þungri plötu,“ útskýrir hann. "Allt uppbyggingin er úr stáli, en einnig eru hlutarnir sem knýja jarðgangavélina einnig úr þungum stálplötuíhlutum."
Hoelbling segist hafa séð „stigvaxandi breytingar á kröfum“ fyrir stál fyrir borvélar í gegnum árin. Þessar minniháttar breytingar hafa snúist um að gera stálin sem notuð eru í TBM betri til suðu og sýna „meiri hörku“.
Kolefnissamsetningar hafa slegið í gegn í öðrum atvinnugreinum en þær nýtast lítið fyrir jarðgangagerð. Kolefnissamsetningum er hafnað vegna þess að „við erum mjög kostnaðarnæm í þessum iðnaði,“ útskýrir Sandell, „og það væri ofboðslegt og í hreinskilni sagt sóun að nota efni eins og þessi í jarðgangaborvél“.
Evrasíugöngin sem liggja undir Bosporussundinu í Istanbúl voru möguleg með TBM tækni
Að gera skurðinn
Fyrir skera sem grafa upp jarðveg og berg er notað verkfærastál. „Í viðskiptaenda vélarinnar eru diskaklippurnar allar úr stáli,“ útskýrir Sandell. "Við höfum ekki fundið betra efni með sömu seigjueiginleika og skaðaþol í hörðu-bergi og diskaskera og við smíðum þá úr verkfærastáli."
Robbins skurðarskífa byrjar líf sem bráðið stál í ljósbogaofni sem síðan gengst undir lofttæmingu og er hellt í hleifamót frá botninum á meðan hann er hulinn argongasi. Hleifarnar eru notaðar til að móta til að mynda skurðarskífurnar. Smíðin eru síðan unnin og hitameðhöndluð. Að sögn Sandell voru minnstu klippurnar sem Robbins gerði 6,5 tommur (16,5 sentimetrar) í þvermál á fyrstu dögum fyrirtækisins og „á vélum með litlum þvermál“. Hann bætir við að í greininni, þótt hægt sé að lýsa TBM með mælieiningum, séu skeri enn mæld í tommum.
"Í viðskiptaenda vélarinnar eru diskaskurðarnir allir úr stáli. Við höfum ekki fundið betra efni með sömu seigleikaeiginleika og skaðaþol í hörðu-bergi."
Tyler Sandell, Robbins
Skerirnir geta verið allt að 20 tommur í þvermál á stórum leiðindavélum. „Fyrir göngborunarvél í fullri-stærð, sem við teljum allt yfir þrjá metra í þvermál, eru minnstu klippurnar sem við setjum á þær 14 tommur,“ segir Sandell., sem bætir við að algengustu diskaklippurnar séu 17 og 19 tommur.
Uppbygging, uppgröftur og innri starfsemi jarðgangagerðarvélarinnar er allt úr stáli þar sem þetta gefur titringsdeyfandi massa sem þarf. Þetta er líka nauðsynlegt til að forðast að vélin fljóti við ákveðnar aðstæður, eins og Sandell útskýrir. "Það var stórt verkefni í Japan fyrir nokkrum árum. Þetta var neðansjávarhraðbraut í Tókýó. Þeir þurftu að bæta mikilli kjölfestu í jarðgangaborvélina því hún ætlaði að fljóta í jarðveginum með-miklu vatnsinnihaldi og þeir notuðu líka stál til þess."
Fínkorna stál, verkfærastál, smíðar og hitameðhöndlun - frá enda til enda getur TBM aðeins unnið starf sitt vegna eins efnis. Styrkur og massi stáls sigrast á titringi og hugsanlegu floti, en þol þess myndar burðarás skurðarskífanna sem verða fyrir gríðarlegu líkamlegu álagi þegar þeir tyggja sig í gegnum harðar kristallaðar bergmyndanir. Það eru þessir eiginleikar sem hafa hjálpað til við að átta sig á stórum verkefnum sem fela í sér einstaka neðanjarðarverkfræðiáskoranir um allan heim.
