لقد أحدثت آلات حفر الأنفاق (TBMs) التي شقت طريقها على عمق مئات الأمتار تحت مستوى السطح-وخلال ظروف صعبة، ثورة في البنية التحتية تحت الأرض
ويصل طول بعض الأنفاق إلى 60 كيلومترًا ويصل عمقها إلى 2.4 كيلومترًا، وتمثل الأنفاق بعضًا من أصعب التحديات الهندسية في العالم. من خلال النسيج عبر الجبال وتحت الأنهار والبحار، لم يكن من الممكن تنفيذ هذه المشاريع الضخمة إلا من خلال المعدات المصنوعة من الفولاذ-. إنه الفولاذ الذي يحمل القوة والوزن الذي تعتمد عليه آلات حفر الأنفاق التي تنشئ هذه الطرق والسكك الحديدية تحت الأرض.
كانت عمليات حفر الأنفاق السابقة تتضمن تقنيات، مثل الحفر اليدوي أو استخدام المتفجرات، مما أدى إلى الحد بشدة من نطاق المشاريع تحت الأرض. ثم، في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، تم تطوير أول آلة حفر حديثة على يد جيمس روبنز لمشروع سد أواهي في الولايات المتحدة. تم تصميم هذه الآلة الأولى لحفر التكوينات الصخرية الضعيفة باستخدام قواطع على شكل دمبل. أدت الحاجة إلى التنقيب في الصخور الصلبة في النهاية إلى قيام روبنز بتطوير آلة القطع القرصية الدوارة في عام 1956، والتي أصبحت أساس التصميم لجميع آلات TBM الحديثة.
مادة لا يمكن الاستغناء عنها
على الرغم من تقدم مركبات الكربون في العديد من الصناعات، فضلاً عن إمكانات الألومنيوم والتيتانيوم، عندما يتعلق الأمر بالتحديات الهندسية الفريدة لآلات TBM، لا شيء يمكن أن يضاهي جودة الفولاذ.
يقول تايلر ساندل، مدير تطوير الأعمال في شركة Robbins، الشركة المصنعة الأصلية من الخمسينيات والتي لا تزال تنتج آلات TBM حتى يومنا هذا: "لا توجد في الواقع مادة أخرى يمكنك صنع آلات TBM منها. أعني، يمكنك ظاهريًا بناء واحدة من الألومنيوم أو التيتانيوم أو بعض المواد الأخرى، لكنها ستكون مكلفة بشكل غير واقعي".
يمكن أن يصل طول آلات الحفر الحديثة إلى 400 متر ويصل وزنها إلى 1000 طن، مع وجود مقطع عرضي دائري عند الرأس يحفر أنواعًا مختلفة من التربة والصخور لإنشاء النفق. تستخدم هذه الشركات الصناعية العملاقة قواطع أقراص فولاذية صلبة وخلف رأس الوحدة، المعروفة بالدرع الأمامي، يوجد قطار من معدات المراقبة والنسخ الاحتياطي عالية التقنية- وناقل بحيث يمكن إزالة التربة والصخور باستمرار أثناء الحفر.
البناء تحت الأرض
هناك مثالان على مشاريع حفر الأنفاق التي قد تكون مستحيلة بدون تكنولوجيا TBM الحديثة، وهما نفق أوراسيا الذي يبلغ طوله 14.5 كيلومترًا- ويربط بين الشواطئ الأوروبية والآسيوية لنهر البوسفور في تركيا ونفق جوتهارد الأساسي الذي يمر تحت جبال الألب السويسرية. تم بناء أوراسيا للنقل البري وخفف الازدحام في شوارع إسطنبول المزدحمة، في حين يضم جوتهارد خط سكة حديد يبلغ عمقه حوالي 2.4 كيلومتر في أعمق نقطة له واستغرق بناؤه ما يقرب من 20 عامًا.
يشرح ساندل قائلاً: "لم يعد لدينا مساحة كافية على السطح، لذلك يتعين عليك النزول تحت الأرض لإنشاء البنية التحتية الخاصة بك". بدأ إنشاء خطوط السكك الحديدية والطرق تحت الأرض بشكل جدي في القرن التاسع عشر. كانت آلات TBM المبكرة تحتوي على العديد من أدوات الحفر في المقدمة والتي من شأنها تفتيت التربة والصخور، لكن هذه الغنيمة لم تكن لتلتقطها الآلة. وبدلاً من ذلك، سيتم نقلها مرة أخرى نحو نقطة دخول آلة TBM بواسطة ناقل لولبي يتم تشغيله أسفل الآلة المتقدمة بدلاً من دمجها داخل الوحدة نفسها.
"يتكون البناء بأكمله، وخاصة الدرع الأمامي حيث يتم حفر الأنفاق، من صفيحة فولاذية"
ولفرام هولبلينج، ديلينجر
وقد شملت التطورات في آلات TBM منذ ذلك الحين رأس القطع الدائري الذي يحفر التربة والصخور المختلفة بدرجات متفاوتة من الصلابة والمحتوى المائي. هناك ثلاثة أنواع مختلفة من آلات TBM، واحدة للصخور الصلبة، وواحدة للتربة الناعمة، والثالثة، تسمى الوضع المزدوج، وهي مخصصة لمزيج من الاثنين. مهما كانت الظروف التي تعمل فيها آلة TBM، فإن الاهتزازات الناتجة عن الاحتكاك بين رأس القطع والتربة أو الصخور، تتطلب بنية قوية وثقيلة يمكنها مقاومتها. لهذا السبب، فإن اللوحة الثقيلة المستخدمة للدرع الأمامي مصنوعة من الفولاذ الحبيبي الناعم وفقًا للمعايير الهيكلية الدولية EN 10 O25. وبدون هذه القوة، من المحتمل أن تهتز وحدة الأنفاق نفسها إلى أجزاء أثناء الحفر.
عملاق-مبني من الفولاذ
يقول ولفرام هويلبلنج، رئيس قسم الآلات الثقيلة ومعدات البناء ومركز خدمة الصلب في قسم التسويق والدعم الفني بشركة Dillinger: "يتكون البناء بأكمله، وخاصة الدرع الأمامي حيث يتم حفر الأنفاق، من ألواح فولاذية". Dillinger هي شركة تصنيع ألواح فولاذية ثقيلة مقرها في Dillingen، ألمانيا، والتي تقوم بتوريد صانعي TBM. ويوضح قائلاً: "أود أن أقول إن الجزء الأمامي من آلة حفر الأنفاق مصنوع بالكامل تقريبًا من لوحة ثقيلة". "الهيكل بأكمله مصنوع من الفولاذ، ولكن أيضًا الأجزاء التي تحرك آلة حفر الأنفاق مصنوعة أيضًا من مكونات ألواح فولاذية ثقيلة."
يقول هويللينج إنه شهد "تغيرًا تدريجيًا في متطلبات" الفولاذ المستخدم في آلات الثقب على مر السنين. كانت هذه التحولات الطفيفة تدور حول جعل الفولاذ المستخدم في آلات TBM أفضل للحام وإظهار "صلابة أعلى".
وقد شقت مركبات الكربون طريقها إلى صناعات أخرى، لكنها قليلة الفائدة في آلات حفر الأنفاق. يشرح ساندل أنه يتم رفض مركبات الكربون لأننا "حساسون للغاية من حيث التكلفة في هذه الصناعة"، "وسيكون استخدام مواد مثل تلك في آلة حفر الأنفاق باهظ التكلفة، وبصراحة، يعد مضيعة للوقت".
أصبح نفق أوراسيا الذي يمر تحت مضيق البوسفور في إسطنبول ممكنا من خلال تكنولوجيا TBM
صنع القطع
بالنسبة للقواطع التي تحفر التربة والصخور، يتم استخدام الأدوات الفولاذية. يوضح ساندل: "في الجانب التجاري للآلة، تكون قواطع الأقراص كلها مصنوعة من الفولاذ". "لم نعثر على مادة أفضل تتمتع بنفس خصائص الصلابة وتحمل الضرر في الصخور الصلبة-مثل قواطع الأقراص، ونحن نبنيها من فولاذ الأدوات."
يبدأ قرص قطع روبنز حياته كالفولاذ المصهور في فرن القوس الكهربائي الذي يخضع بعد ذلك لتفريغ الغاز بالتفريغ ويتم سكبه في قوالب سبيكة من الأسفل بينما يُغطى بغاز الأرجون. يتم استخدام السبائك للتزوير لتشكيل أقراص القطع. يتم بعد ذلك تشكيل المطروقات ومعالجتها بالحرارة. وفقًا لساندل، في الأيام الأولى للشركة، "وعلى الآلات ذات القطر الصغير"، كان قطر أصغر القواطع التي صنعها روبنز 6.5 بوصة (16.5 سم). ويضيف أنه في الصناعة، بينما يمكن وصف آلة TBM باستخدام الوحدات المترية، لا يزال يتم قياس أدوات القطع بالبوصة.
"في الجانب التجاري للماكينة، يتم تصنيع جميع قواطع الأقراص من الفولاذ. ولم نعثر على مادة أفضل بنفس خصائص الصلابة وتحمل الضرر في الصخور الصلبة{{1}".
تايلر ساندل، روبنز
يمكن أن يصل قطر القواطع إلى 20 بوصة في آلات الحفر الكبيرة. "بالنسبة لآلة حفر الأنفاق ذات الحجم الكامل-، والتي نعتبرها أي شيء يزيد قطره عن ثلاثة أمتار، فإن أصغر قواطع نضعها عليها هي 14 بوصة،" كما يقول ساندل، الذي يضيف أن قواطع الأقراص الأكثر شيوعًا هي 17 و19 بوصة.
الهيكل وأدوات الحفر والأعمال الداخلية لآلة حفر الأنفاق كلها مصنوعة من الفولاذ، مما يوفر كتلة امتصاص الاهتزاز المطلوبة. وهذا ضروري أيضًا لتجنب طفو الآلة في ظروف معينة، كما يوضح ساندل. "كان هناك مشروع كبير في اليابان قبل بضع سنوات. كان عبارة عن طريق سريع تحت سطح البحر في طوكيو. وكان عليهم إضافة الكثير من الصابورة إلى آلة حفر الأنفاق لأنها كانت ستطفو على التربة ذات المحتوى المائي العالي-، كما استخدموا الفولاذ أيضًا في ذلك."
الفولاذ ذو الحبيبات الدقيقة، وفولاذ الأدوات، والمطروقات، والمعالجة الحرارية - من النهاية إلى النهاية، لا تستطيع آلة TBM القيام بعملها إلا بسبب مادة واحدة. تتغلب قوة الفولاذ وكتلته على الاهتزازات والطفو المحتمل، في حين تشكل قدرته على التحمل العمود الفقري لأقراص القطع التي تتعرض لإجهاد بدني هائل أثناء مضغها عبر التكوينات الصخرية البلورية القاسية. وقد ساعدت هذه الصفات في تحقيق مشاريع ضخمة تنطوي على تحديات هندسية فريدة تحت الأرض في جميع أنحاء العالم.
