Tunnelboremaskin

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Jump to navigation Jump to search
Fronten på en tunnelboremaskin brukt i Gotthard-Basetunnelen i Sveits

Tunnelboremaskin (TBM) er en stor maskin som brukes for å grave ut tunneler, resultatet blir en sirkelrund tunnel. En TBM kan arbeide i alt fra sand til hardt fjell og diameter kan variere fra en meter opp til 19,5 meter.

En tunnelboremaskin som ble brukt i Yucca Mountain til anlegg av et depot for kjernefysisk avfall

Den er også kjent som en «muldvarp», en maskin som brukes til å grave eller bore tunneler med et sirkulært tverrsnitt gjennom jord, stein eller fjell. De kan også brukes til mindre tunneler. De kan bore gjennom alt fra hardt fjell til sand. Tunneldiameteren kan variere fra en meter (gjøres med micro-TBMer) til 19,25 meter som er den største i dag. Tunneler som er mindre enn en meter eller så i diameter blir vanligvis utført ved hjelp en horisontal konstruksjonsmetode eller retningsboring, snarere enn med TBM.

Tunnelbormaskiner brukes som et alternativ til boring, minering og sprengning, den konvensjonelle metode som er brukt siden sprengstoffet ble oppfunnet. TBM begrenser forstyrrelser i nabolaget og produserer en jevn tunnelvegg. Dette gir en betydelig reduksjon i kostnadene med å fôre, eller «kle» tunnelen og gjør maskinen velegnet til bruk i bebyggede områder. Ulempen er den store kostnaden. TBM er dyre å bygge og kan være vanskelige å transportere. De må som oftest demonteres og bygges opp igjen på arbeidsstedet. Men ettersom moderne tunneler blir lengre, blir totalkostnaden ved bygging av store tunneler med TBM kontra minering og sprengning faktisk lavere. Dette er fordi tunnelbygging med TBM er mer effektitv og resulterer i forkortet byggetid (når arbeidet er vellykket).

De største TBM[rediger | rediger kilde]

En av verdens største TBMer ble bygget av Hitachi Zosen Corporation i 2013, en TBM kjent som «Bertha» med en innvendig diameter på 17,45 meter.[1] Den ble levert til Seattle, Washington, for bygging av en tunnel på Highway 99.[2]. Maskinen ble satt i drift i juli 2013, men stoppet i desember 2013, og det var nødvendig med betydelige reparasjoner før den kunne fortsette arbeidet i januar 2016.[3] Per 16. mai 2016 hadde Bertha gravd ut 60 cm av den planlagte 2 800 m lange tunnelen.[4]

Herrenknecht AG har bygget verdens største TBM med en diameter på 15,62 meter og en total lengde 130 m. Det utgravde areal er på 192 m², veier 39&mbsp;485 tonn og en totalvekt på hele 4 500 tonn, bruker 18 MW og et årlig energiforbruk på 62& 000 000 kWt. Den er eid og opereres av det italienske byggefirmaet Toto S.s.A. Costruzioni Generali (Toto Gruppen) og bygger nå Sparvo-tunnelen på den italienske motorveien A1 ("Alternativ di Valico A1"), i nærheten av Firenze.

Herrenknecht AG har også bygget en av verdens største TBMer for bruk i leire med en diameter på 17,6 m. Den eies og drives av det franske byggefirmaet Dragages Hong Kong (Bouygues' datterselskap) for bygging av Tuen Mun Chek Lap Kok-forbindelsen i Hongkong.

Den tidligere største TBM, som også hadde den største diameter på den tiden, var en TBM med en innvendig diameter på 14,4 m som ble produsert av The Robbins Co. for Canadas Niagaratunnel-prosjekt. Maskinen ble brukt til å bore en vann-tunnel under Niagarafallene. Maskinen ble kalt "Big Becky" med referanse til Sir Adam Beck som ledet byggingen av vannmagasinet og tunnelen.

Historie[rediger | rediger kilde]

Skjærehode brukt til den nye tunnelen under Elben.
Bilde av en modell av TBM brukt på Gotthard-Basetunnelen.

Den første vellykkede innvendige kledningen av tunneler ble utviklet av Sir Marc Isambard Brunel under graving av Themsentunnelen i 1825. Dette var imiidlertid bare oppfinnelsen av et skjold-konsept, og innebar ikke bygging av en komplett tunnelboremaskin. Graving måtte fortsatt gjøres for hånd som var den daværende standard utgravingsmetoder.[5]

Den første tunnelboremaskinen skal være Henri-Joseph Maus' «Mountain Slicer».[6][7][8][9][10] bygget på oppdrag fra Kongen av Sardinia i 1845 for å grave Frejustunnelen mellom Frankrike og Italia gjennom Alpene. Maus fikk den bygget i 1846 i en våpenfabrikk i nærheten av Torino. Den bestod av mer enn 100 roterende skiver montert i front av en lokomotiv-stor maskin. Revolusjonene i 1848 påvirket finansieringen, og tunnelen ble ikke ferdig før ti år senere ved å bruke mindre nyskapende og billigere metoder som trykkluftbor.[11]

I USA ble den første tunnelbormaskin bygget og brukt i 1853 under byggingen av Hoosac Tunnel.[12] Den var laget av støpejern og kjent som «Wilson's patenterte stein-skjæremaskin», etter oppfinneren, Charles Wilson.[13] Det ble boret 10 meter inn i fjellet før den brøt sammen. (Tunnelen ble til slutt bygget mer enn 20 år senere, og i likhet med Fréjus Jernbane-tunnel ved å bruke mindre ambisiøse metoder.[14]) Wilsons maskin liknet på moderne TBMer i den forstand at det var montert skjæreskiver, lik de som brukes i en skålharv som var festet til det roterende hodet på maskinen.[15][16][17] I motsetning til den tradisjonelle metoden med meisling eller boring og sprengning, var dette en ny metode for å fjerne stein ved hjelp av enkle metallhjul og høyt trykk mot fjellet.

I 1853 tok Ebenezer Talbot fra USA patent på en TBM som ble kalt Wilsons kutteplater. De var montert på roterende armer, som i sin tur var montert på en roterende plate.[18] I 1870-årene bygget John D. Brunton i England en maskin med skjæreplater som var montert eksentrisk på roterende plater, som i sin tur ble montert eksentrisk på en roterende plate, slik at kutteplatene ville dekke over nesten alt fjell som skulle fjernes.[19][20]

Første maskin av betydning[rediger | rediger kilde]

Den første TBM av betydning ble oppfunnet i 1863 og forbedret i 1875 av den britiske offiseren, major Fredrik Edward Blackett Beaumont (1833-1895). Beaumonts maskin ble ytterligere forbedret i 1880 av den britiske offiseren, major Thomas English (1843-1935).[21][22][23][24][25] I 1875 godkjente den franske nasjonalforsamlingen bygging av en tunnel under Den engelske kanal, og det britiske Parlamentet tillot en prøve for en britisk-bygget TBM som ble valgt for prosjektet. Skjærehodet på den engelske TBMen besto av et konisk bor bak det som var et par av motstående armer hvor det var montert skjæreplater. Fra juni 1882 til mars 1883 skar denne maskinen seg gjennom kritt i en lengde på 1 840 m.[10] Men til tross for denne suksessen, ble kanalprosjektet oppgitt i 1883 etter at britiske militære fryktet tunnelen kunne brukes til å invadere England.[10][26] Likevel, i 1883 ble denne TBMen ble brukt til å bygge en ventilasjonstunnel — 2,1 m i diameter og 6&mbsp750 meter lang til Liverpool Birkenhead, England, gjennom sandstein under Merseyelven.[27]

I løpet av slutten av det 19. og tidlig i det 20. århundre, fortsatte oppfinnere å tegne, bygge og teste TBMer etter behovet for tunneler for jernbane, T-baner, kloakk, vannforsyning, etc. TBM med roterende matriser eller hammere ble patentert.[28] TBMs som lignet gigantiske hullsager ble foreslått.[29] Andre TBMer besto av en trommel med metall-pigger på overflaten,[29] en roterende rund plate dekket med tenner[29] eller roterende belter dekket med metalltenner.[29] Men alle disse TBMene viste seg for dyre, tungvinte, og ute av stand til å grave i hardt fjell; interessen for TBM dalte. Likevel fortsatte utviklingen av TBM og de ble brukt i pottaske- og kullgruver, der fjellet var mykere.

Beskrivelse[rediger | rediger kilde]

Moderne TBMer består av det roterende bore-hodet, etterfulgt av den viktigste delen, et system som skyver borehodet fremover og etterfølgende mekanismer som tar hånd om den utgravde massen. Den type maskin som brukes avhenger av den spesielle geologien i prosjektet, mengden av grunnvann og andre faktorer.

Støttefundamenter på baksiden av en TBM. Denne maskinen ble brukt til å grave den største tunnelen i Yucca Mountain kjernefysiske avfallsdepot i Nevada.
Hydrauliske jekker som holder TBM på plass når borehodet presses fremover.

I alle typer hardt fjell bruker TBM et skjærehode montert i forkant. Skjærehodet kutter og trykkbelastningen forårsaker sprekker i berget. Større og mindre steinblokker løsner foran maskinen og den utgravde steinen ledes gjennom åpninger i skjærehodet og overføres til et transportbånd som går gjennom hele maskinen til enden hvor lastebiler kjører den ut av tunnelen.

De fleste maskinene kan samtidig kle tunnelen innvendig;

  • enten med ferdigstøpte betongsegmenter som ble satt på plasse og danner en fullstendig kledd tunnelvegg, eller
  • i stedet blir det sprøytet betong på veggene og i taket. Dette ble forsterket ved bruk av armering, for eksempel ringbjelker, bolter, stålbånd og netting ol. I begge tilfeller etterlate denne operasjonen et gigantisk «rør» [30]

Tunnelarbeid i bebygde områder og nær overflaten[rediger | rediger kilde]

Tunnelarbeid i bebygdte områder stiller spesielle krav til at bakken må være uforstyrret. Dette betyr at setninger må unngås. Den vanlige måten å gjøre dette på er å opprettholde trykket under og bak tunnelen. Det er noen problemer med å gjøre dette, spesielt i variert jordlag (for eksempel i et område hvor den øvre delen av tunnelen er våt sand og den nedre delen er fast fjell

Når det skal bores i bebygde områder, eller hvor det eksisterer andre tunneler, rørledninger, eller annen infrastruktur må de tas hensyn tidlig i planleggingsfasen for å redusere eventuelle skadevirkninger for annen infrastruktur. Innsynkning er ikke det eneste problemet. Flere kritiske feil kan føre til ustabilitet, sammenbrudd og deformasjoner som kan kan føre til skader eller tap av liv, skade på tredjepart, ekstra kostnader, og forsinkelser i gjennomføringen av tunnelprosjektet.[31][32][33][34][35][36]

TBM i Norge[rediger | rediger kilde]

Den nye jernbanetraseen Follobanen mellom Oslo og Ski blir Nordens lengste jernbanetunnel[37] og skal drives (bores) med fire samtidige tunnelboremaskiner.[38] TBMene som brukes i dette prosjektet vil bore ut en tunnel med en diameter på 9,96 m og ha en fremdrift på 12–15 m per dag fra de startet høsten 2016 [39].

Gjennombrudd i Ulrikstunnelen 29. august 2017. Boremaskinen «Ulrikke» kommer til syne ved Fløen i Bergen.

I Bergen ble Ulrikstunnelens nye løp mellom Arna og Bergen laget med TBM (ferdig 2017) med diameter på 9,3 meter.[40]

Inntil 2009 var det ifølge Teknisk Ukeblad bare drevet fire tunneler i Norge med TBM.[41] Før 1980-tallet ble alle samferdselstunneler i Norge sprengt, fullprofilboring hadde bare blitt brukt til tekniske anlegg for blant annet vannkraft og kloakk. De eksisterende maskinene hadde blant annet for liten profil. For å oppnå full vegbredde uten «strossing» må boremaskinen ha en profil på over 10 meter. Svartistunnelen (7,6 km) ble som første veitunnel fullprofilboret i 1986, NVE forskutterte tunnelen for Statens vegvesen. Maskinen brukt i Svartistunnelen hadde en diameter på 6,25 meter.[42] Syv kilometer av Fløyfjellstunnelen ble drevet med TBMen «Madam Felle» i 1984-1986. Diameteren var litt for liten og det var nødvendig med en god del etterarbeid (strossing, utvidelse av sirkelprofilens nedre del) for å få ønsket veibredde.[41] Eidsvågtunnelens andre løp ble boret med «Madam Felle» etter den var ferdig med Fløyfjellestunnelens to løp.[43] Diameteren på boremaskinen ble øket til 8,5 meter.[42] Deretter ble «Madam Felle» fraktet til Nordland og brukt til driving av tunneler for kraftverk.[43]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ Shield Tunneling Machines
  2. ^ Alaskan Way Viaduct - Home
  3. ^ Bertha the Giant Drill Is Ready to Rumble in Seattle Arkivert 7. januar 2016 hos Wayback Machine.
  4. ^ Oxley, Dyer (13. mai 2016). «Bertha stops for a break under Seattle». MyNorthwest.com. Besøkt 15. mai 2016. 
  5. ^ Bagust 2006, s. 65
  6. ^ Drinker 1883, s. 191-194
  7. ^ Bancroft 1908, s. 58
  8. ^ West 1988
  9. ^ Maidl et al. 2008
  10. ^ a b c Hemphill 2013
  11. ^ Hapgood, Fred, "The Underground Cutting Edge: The innovators who made digging tunnels high-tech",Invention & Technology Vol.20, #2, Fall 2004 Arkivert 15. mars 2005 hos Wayback Machine.
  12. ^ Maidl et al. 2008, s. 1
  13. ^ Smith, Gary. «FINDING AID FOR THE HOOSAC TUNNEL COLLECTION at the NORTH ADAMS PUBLIC LIBRARY». Hooac Tunnel Historical Notes. North Adams Public Library. Arkivert fra originalen 2013-01-21. Besøkt 14. juli 2011. 
  14. ^ Howes, M. «Hoosac Tunnel History - Abridged Timeline». Besøkt 14. juli 2011. 
  15. ^ Bancroft 1908, s. 65
  16. ^ Charles Wilson, "Dressing stone," U.S. Patent 5,012 (issued: March 13, 1847).
  17. ^ Charles Wilson, "Machine for tunneling rocks, etc.," U.S. Patent 14,483 (issued: March 18, 1856).
  18. ^ Ebenezer Talbot, "Machine for tunnelling or boring rock," U.S. Patent 9,774 (issued: June 7, 1853).
  19. ^ West 1988, s. 239-242
  20. ^ John D. Brunton, "Improved machine for sinking shafts," U.S. Patent 80,056 (issued: July 21, 1868).
  21. ^ West 1988, s. 243-247
  22. ^ David William Brunton and John Allen Davis, Modern Tunneling: With Special Reference to Mine and Water-supply Tunnels (New York, New York: John Wiley & Sons, 1914), p. 182.
  23. ^ Frederick Edward Blackett Beaumont, U.K. Patent no. 1904
  24. ^ F.E.B. Beaumont, U.K. Patent no. 4,166 (issued: Dec. 2, 1875).
  25. ^ Thomas English, U.K. Patent no.s 4,347 (issued: October 25, 1880) and 5,317 (issued: December 5, 1881); "Tunneling-machine," U.S. Patent 307,278 (filed: June 4, 1884 ; issued: October 28, 1884).
  26. ^ Terry Gourvish, The Official History of Britain and the Channel Tunnel (Abington, England: Routledge, 2006), Chapter 1, § 2: The commercial possibilities: Lord Richard Grosvenor, Sir Edward Watkin and the 'Manchester to Paris Railroad'.
  27. ^ West 1988, s. 248
  28. ^ See:
  29. ^ a b c d Se:
  30. ^ Stack 1995
  31. ^ Cardenas, IC; Al-Jibouri, SHS; Halman, JIM; van de Linde, W; Kaalberg, F (2013).
  32. ^ Cárdenas, IC; Al-Jibouri, SHS; Halman, JIM; van Tol, FA (2013).
  33. ^ Cardenas, IC; Al-Jibouri, SHS; Halman, JIM; van Tol, FA (2014).
  34. ^ Cardenas, IC; Al-Jibouri, SHS; Halman, JIM; van de Linde, W; Kaalberg, F (2014).
  35. ^ Cardenas, IC (2015).
  36. ^ Cardenas, IC (2012).
  37. ^ «Follobanen - Jernbaneverket». www.jernbaneverket.no. Besøkt 15. februar 2016. 
  38. ^ "Slik spesialutrustes tunnelboremaskinene til å takle norsk granitt", artikkel i Teknisk Ukeblad 21. august 2015.
  39. ^ AGJV. «Innovasjon». agjv.no. Besøkt 15. februar 2016. 
  40. ^ «Arna - Bergen - Jernbaneverket». www.jernbaneverket.no. Besøkt 15. februar 2016. 
  41. ^ a b «Håper på TBM-vendepunkt». Teknisk Ukeblad (norsk). 22. april 2009. Besøkt 20. september 2017. 
  42. ^ a b Færøyvik, Frode (1989). Fra feisel til fullprofil: fjellsprengere i samfunnets tjeneste. Oslo: Norsk forening for fjellsprengningsteknikk. ISBN 8299195209. 
  43. ^ a b Rødland, Kjartan (1938-) (2000). Tut og køyr!: vegar og vegplanar i Hordaland 1970-2000. Bergen: Alma mater og Statens vegvesen Hordaland. s. 115-116. ISBN 8241902638. 

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]