Tunnelboremaskiner (TBM'er) har revolutioneret den underjordiske infrastruktur, der har hugget sig hundrede af meter under overfladen- og gennem udfordrende forhold
Med nogle, der er op til 60 km lange og så dybe som 2,4 km, repræsenterer tunneler nogle af de hårdeste tekniske udfordringer i verden. Disse enorme projekter, der væver sig gennem bjerge og under floder og have, er kun muliggjort gennem-stålbygget udstyr. Det er stål, der holder den styrke og vægt, som de TBM'er, der skaber disse underjordiske veje og jernbaner, er afhængige af.
Tidligere tunneling involverede teknikker, såsom håndgravning eller brug af sprængstoffer, der i høj grad begrænsede mulighederne for underjordiske projekter. Så, i begyndelsen af 1950'erne, blev den første moderne TBM udviklet af James Robbins til Oahe Dam Project i USA. Denne første maskine blev designet til at udgrave svage skiferklippeformationer ved hjælp af håndvægtformede fræsere. Behovet for udgravning af hårde sten fik til sidst Robbins til at udvikle den rullende skiveskærer i 1956, som blev designgrundlaget for alle moderne TBM'er.
Et uerstatteligt materiale
På trods af kulstofkompositternes fremmarch i mange industrier, såvel som potentialet for aluminium og titanium, kan intet matche stålets kvaliteter, når det kommer til de unikke tekniske udfordringer ved TBM'er.
"Der er ikke rigtig et andet materiale, du kan bygge [TBM'er] ud af. Jeg mener, du kunne tilsyneladende bygge et af aluminium eller titanium eller nogle andre materialer, men det ville være urealistisk dyrt," siger Tyler Sandell, direktør for forretningsudvikling for Robbins, den oprindelige producent fra 1950'erne, som stadig producerer TBM'er den dag i dag.
Moderne TBM'er kan blive op til 400 meter lange og veje op til 1.000 tons, med et cirkulært tværsnit i hovedet, der udgraver forskellige jordtyper og sten for at skabe tunnelen. Disse industrielle giganter bruger hærdede stålskiveskærere, og bag enhedens hoved, kendt som frontskjoldet, er der et tog af højteknologisk overvågnings- og-backup-udstyr og en transportør, så jord og sten konstant kan fjernes under udgravning.
Underjordisk konstruktion
To eksempler på tunnelprojekter, der ville være umulige uden moderne TBM-teknologi, er den 14,5 km-lange Eurasia-tunnel, der forbinder de europæiske og asiatiske kyster af Bosporus-floden i Tyrkiet og Gotthard-basetunnelen, der løber under de schweiziske alper. Eurasia blev bygget til vejtransport og har mindsket trængslen i Istanbuls travle gader, mens Gotthard huser en jernbanelinje på omkring 2,4 km dyb på dets dybeste punkt, som det tog næsten 20 år at bygge.
"Vi er ved at løbe tør for plads på overfladen, så du er nødt til at gå under jorden for at skabe din infrastruktur," forklarer Sandell. Oprettelsen af underjordiske jernbanelinjer og veje begyndte for alvor i det 19. århundrede. Tidlige TBM'er havde adskillige udgravningsværktøjer foran, der ville nedbryde jorden og stenen, men dette bytte ville ikke blive fanget af maskinen. I stedet ville det blive overført tilbage til TBM'ens indgangspunkt af en skruetransportør, der løb under fremføringsmaskinen i stedet for at blive integreret i selve enheden.
"Hele konstruktionen, især frontskjoldet, hvor tunneleringen udføres, består af stålplade"
Wolfram Hoelbling, Dillinger
Fremskridtene inden for TBM'er siden har omfattet det cirkulære skærehoved, der udgraver de forskellige jorde og klipper med forskellige grader af hårdhed og vandindhold. Der er tre forskellige typer TBM, en til hård sten, en til blød jord og den tredje, kaldet dual mode, er til blandinger af de to. Uanset hvilke forhold en TBM arbejder inden for, kræver vibrationerne, der genereres af friktionen mellem skærehovedet og jorden eller stenen, en stærk, tung struktur, der kan modstå dem. Af denne grund er den tunge plade, der bruges til frontskjoldet, lavet af finkornet stål til den internationale strukturelle standard EN 10 O25. Uden denne styrke kan tunnelenheden potentielt ryste sig selv i stykker under udgravningen.
En stål-bygget gigant
"Hele konstruktionen, især frontskjoldet, hvor tunneleringen udføres, består af stålplade," siger Wolfram Hoelbling, chef for tunge maskiner, entreprenørmaskiner og stålservicecenteret i Dillingers marketing- og tekniske supportafdeling. Dillinger er en producent af tunge stålplader med base i Dillingen, Tyskland, som leverer til TBM-byggere. "Jeg vil sige, at den forreste del af en tunnelmaskine er mere eller mindre fuldstændig lavet af tung plade," forklarer han. "Hele strukturen er lavet af stål, men også de dele, der driver tunnelmaskinen, er også lavet af tunge stålpladekomponenter."
Hoelbling siger, at han har set "inkrementelle ændringer i kravene," for stål til boremaskiner gennem årene. Disse mindre skift har handlet om at gøre de stål, der bruges til TBM'er, bedre til svejsning og til at udvise en "højere sejhed".
Kulstofkompositter har gjort indtog i andre industrier, men de er til ringe nytte til tunneleringsmaskiner. Kulstofkompositter afvises, fordi "vi er meget omkostningsfølsomme i denne industri", forklarer Sandell, "og det ville være uoverkommeligt og ærligt talt spild at bruge sådanne materialer på en tunnelboremaskine".
Den Eurasien-tunnel, der løber under Bosporus-strædet i Istanbul, blev muliggjort gennem TBM-teknologi
At lave snittet
Til fræserne, der udgraver jord og sten, anvendes værktøjsstål. "I virksomhedens ende af maskinen er skiveskærerne alle lavet af stål," forklarer Sandell. "Vi har ikke fundet et bedre materiale med samme sejhedsegenskaber og skadetolerance i hård-sten som skiveskærere, og vi bygger dem af værktøjsstål."
En Robbins skæreskive begynder livet som smeltet stål i en lysbueovn, som derefter undergår vakuumafgasning og hældes i ingot-forme fra bunden, mens den er indhyllet i argongas. Barrerne bruges til smedning for at danne skæreskiverne. Smedegodset bearbejdes derefter og varmebehandles. Ifølge Sandell, tilbage i firmaets tidlige dage og "på maskiner med lille diameter" var de mindste fræsere Robbins lavede 6,5 tommer (16,5 centimeter) i diameter. Han tilføjer, at i branchen, mens en TBM kan beskrives ved hjælp af metriske enheder, måles kuttere stadig i tommer.
"I virksomhedens ende af maskinen er skiveskærerne alle lavet af stål. Vi har ikke fundet et bedre materiale med samme sejhedsegenskaber og skadetolerance i hård-klippe."
Tyler Sandell, Robbins
Kutterne kan være så store som 20 tommer i diameter på store boremaskiner. "For en tunnelboremaskine i fuld-størrelse, som vi betragter som noget over tre meter i diameter, er de mindste fræsere, vi sætter på dem, 14 tommer," siger Sandell., der tilføjer, at de mest almindelige skiveskærere er 17- og 19-tommer.
Strukturen, graveværktøjet og den indvendige funktion af tunnelmaskinen er alle stål, da dette giver den vibrationsabsorberende masse, der kræves. Dette er også nødvendigt for at undgå, at maskinen flyder under visse forhold, som Sandell forklarer. "Der var et stort projekt i Japan for et par år siden. Det var en undersøisk motorvej i Tokyo. De var nødt til at tilføje en masse ballast til tunnelboremaskinen, fordi den skulle flyde i jorden med højt-vandindhold, og det brugte de også stål til."
Finkornsstål, værktøjsstål, smedegods og varmebehandling – fra ende til anden er TBM'en kun i stand til at udføre sit arbejde på grund af ét materiale. Stålets styrke og masse overvinder vibrationer og mulig flotation, mens dets udholdenhed danner rygraden i skæreskiverne, der udsættes for en enorm fysisk belastning, når de tygger sig gennem hårde krystallinske klippeformationer. Det er disse egenskaber, der har hjulpet med at realisere massive projekter, der involverer unikke underjordiske tekniske udfordringer over hele kloden.
