دستگاه حفاری تونل

دستگاه حفاری تونل (Tunnel Boring Machine - TBM) | معرفی، اجزا، انواع و کاربردها

دستگاه حفاری تونل (TBM) یک ماشین سنگین و پیشرفته است که برای حفر تونل در زمین‌های مختلف، از خاک نرم گرفته تا سنگ‌های سخت، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه با استفاده از یک سر برش دوار، خاک و سنگ را خرد کرده و تونل را با دقت بالا و در شرایط ایمن ایجاد می‌کند.

استفاده از TBM در مقایسه با روش‌های سنتی حفاری، باعث افزایش سرعت اجرا، کاهش هزینه‌های نیروی انسانی و افزایش ایمنی در پروژه‌های زیرزمینی می‌شود. این فناوری در پروژه‌های مترو، تونل‌های جاده‌ای و ریلی، تونل‌های انتقال آب و حتی در صنایع نفت و گاز کاربرد گسترده‌ای دارد.

اجزای اصلی دستگاه حفاری تونل (TBM)

TBM از چندین بخش کلیدی تشکیل شده است که هرکدام نقش مهمی در فرآیند حفاری ایفا می‌کنند:

1. سر برش (Cutter Head)

این بخش حیاتی‌ترین قسمت TBM است و در جلوی دستگاه قرار دارد. سر برش شامل مجموعه‌ای از دیسک‌های برش فولادی و ابزارهای برنده است که بسته به نوع زمین، می‌توانند از تیغه‌های کاربیدی یا دیسک‌های چرخان ساخته شوند. وظیفه این بخش، خرد کردن خاک و سنگ و هدایت آن به سیستم انتقال مواد حفاری‌شده است.

2. سیستم انتقال مواد حفاری‌شده (Muck Removal System)

پس از برش خاک و سنگ، مواد حفاری‌شده باید از تونل خارج شوند. برای این کار، TBM از سیستم‌های مختلفی مانند نوار نقاله، لوکوموتیو ریلی یا پمپ‌های مکش (در مدل‌های دوغابی) استفاده می‌کند. این سیستم نقش مهمی در افزایش بهره‌وری حفاری دارد.

3. سیستم تقویت و پشتیبانی تونل (Tunnel Lining System)

یکی از مزایای اصلی TBM نسبت به روش‌های سنتی، امکان تقویت دیواره تونل همزمان با حفاری است. در بسیاری از مدل‌ها، سگمنت‌های بتنی پیش‌ساخته در داخل تونل نصب شده و به کمک سیستم هیدرولیکی TBM در جای خود قفل می‌شوند. این کار از ریزش تونل جلوگیری کرده و پایداری آن را تضمین می‌کند.

4. واگن‌های پشتیبانی و تجهیزات کنترلی (Backup System)

در قسمت عقب TBM، مجموعه‌ای از واگن‌ها وجود دارد که شامل تجهیزات پشتیبانی مانند اتاق کنترل، موتورهای تأمین‌کننده انرژی، پمپ‌های هیدرولیک، مخازن روغن و آب و سایر سیستم‌های نگهداری است. این بخش مانند پایگاه عملیاتی دستگاه عمل می‌کند و اپراتورها از اینجا عملکرد ماشین را کنترل می‌کنند.

5. سیستم نیروی محرکه و هیدرولیک (Drive System)

TBM دارای موتورهای قدرتمند الکتریکی یا هیدرولیکی است که نیروی لازم برای چرخش سر برش و حرکت دستگاه را تأمین می‌کنند. بسته به نوع تونل، قدرت این موتورها می‌تواند از چند صد کیلووات تا چندین مگاوات متغیر باشد.

انواع دستگاه حفاری تونل (TBM)

TBMها بسته به شرایط زمین‌شناسی و نوع پروژه در مدل‌های مختلفی طراحی و ساخته می‌شوند.

1. TBM سپردار (Shielded TBM)

🔹 دارای یک پوسته محافظ است که از دیواره‌های تونل در برابر ریزش خاک محافظت می‌کند.
🔹 برای حفاری در زمین‌های نرم، ماسه‌ای، رسی و سست مناسب است.
🔹 معمولاً در پروژه‌های مترو و تونل‌های شهری که نیاز به پایداری بالا دارند، استفاده می‌شود.

2. TBM بدون سپر (Open TBM)

🔹 برای حفاری در سنگ‌های سخت و پایدار طراحی شده است.
🔹 فاقد سپر محافظ است و نیازی به تقویت فوری دیواره‌های تونل ندارد.
🔹 در معادن و حفاری‌های سنگی مانند تونل‌های کوهستانی استفاده می‌شود.

3. TBM تعادلی فشار زمین (EPB-TBM)

🔹 برای زمین‌های نرم، خاک‌های رسی و آبرفتی مناسب است.
🔹 از خاک حفاری‌شده برای ایجاد تعادل فشار در تونل استفاده می‌کند.
🔹 در متروها و تونل‌های شهری کاربرد زیادی دارد.

4. TBM دوغابی (Slurry TBM)

🔹 مخصوص حفاری در زمین‌های آب‌دار و ماسه‌ای است.
🔹 از دوغاب مخصوص برای پایداری دیواره‌های تونل استفاده می‌کند.
🔹 در پروژه‌های عبور از رودخانه‌ها و مناطق ساحلی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

5. TBM ترکیبی (Hybrid TBM)

🔹 قابلیت تغییر عملکرد بین حالت EPB و دوغابی را دارد.
🔹 مناسب پروژه‌هایی با شرایط زمین‌شناسی متغیر است.

مزایای استفاده از TBM

✔ افزایش سرعت حفاری: روش‌های سنتی حفاری بسیار زمان‌بر هستند، اما TBM می‌تواند روزانه چندین متر پیشروی کند.
✔ کاهش هزینه‌های نیروی انسانی: به دلیل خودکار بودن بسیاری از فرآیندها، نیاز به نیروی انسانی کاهش می‌یابد.
✔ ایمنی بالا: در حفاری سنتی، ریزش تونل یک خطر جدی است، اما TBM با استفاده از سیستم‌های پشتیبانی، ایمنی را افزایش می‌دهد.
✔ دقت بالا: حفاری با TBM بسیار دقیق است و نیازی به اصلاحات گسترده پس از حفاری ندارد.
✔ کاهش تأثیرات زیست‌محیطی: در روش‌های سنتی حفاری، لرزش و آلودگی صوتی زیادی ایجاد می‌شود، اما TBM این مشکلات را کاهش می‌دهد.

کاربردهای TBM

✅ ساخت مترو و خطوط قطار سریع‌السیر
✅ حفر تونل‌های جاده‌ای و ریلی در کوهستان‌ها
✅ تونل‌های انتقال آب و فاضلاب
✅ حفاری در معادن برای استخراج مواد معدنی
✅ تونل‌های نفت و گاز برای خطوط لوله زیرزمینی

معروف‌ترین پروژه‌های حفاری با TBM

🔹 تونل مانش (Channel Tunnel): که انگلستان را به فرانسه متصل می‌کند و از TBM برای حفر 50 کیلومتر تونل زیر دریا استفاده شد.
🔹 تونل گوتارد (Gotthard Base Tunnel): در سوئیس، طولانی‌ترین تونل ریلی جهان با 57 کیلومتر طول.
🔹 مترو تهران: در ساخت برخی از خطوط مترو از دستگاه‌های TBM استفاده شده است.