Tunnelboremaskin

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

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 metoden 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 effektivt og resulterer i forkortet byggetid (når arbeidet er vellykket).

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 39 485 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 Adam Beck som ledet byggingen av vannmagasinet og tunnelen.

Den første vellykkede innvendige kledningen av tunneler ble utviklet av 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 utgravingsmetode.^[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 «Wilsons 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]

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 6 750 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.^{[trenger referanse]} TBMer som lignet gigantiske hullsager ble foreslått.^{[trenger referanse]} Andre TBMer besto av en trommel med metall-pigger på overflaten, en roterende rund plate dekket med tenner eller roterende belter dekket med metalltenner.^{[trenger referanse]} 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.

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.

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» ^[28]

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 føre til skader eller tap av liv, skade på tredjepart, ekstra kostnader, og forsinkelser i gjennomføringen av tunnelprosjektet.^{[29][30][31][32][33][34]}

Blixtunnelen i Follobanen mellom Oslo og Ski er Nordens lengste jernbanetunnel^[35] og ble drevet (boret) med fire samtidige tunnelboremaskiner.^[36] TBMene som var brukt i dette prosjektet har boret en tunnel med en diameter på 9,96 meter og hadde en fremdrift på 12–15 meter per dag fra starten høsten 2016.^[37] TBM-ene på Follobanens anlegg boret en profil på 9,96 meter med en kapasitet på 30 meter fast fjell daglig. Maskinriggen var 150 meter lang, veide 2 400 tonn og var drevet av motorer med en effekt på 6 900 kilowatt. Dette var den sterkeste TBM som har blitt konstruert.^[38] Nordgående brøt ut i dagen i 2018, og sørgående i 2019.^[39][40]

I Bergen ble Ulrikstunnelens nye løp mellom Arna og Bergen laget med TBM (ferdig 2017) med diameter på 9,3 meter.^[41]

Inntil 2009 var det ifølge Teknisk Ukeblad bare drevet fire veitunneler i Norge med TBM.^[42] 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.^[43] 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.^[42] Eidsvågtunnelens andre løp ble boret med «Madam Felle» etter den var ferdig med Fløyfjellestunnelens to løp.^[44] Diameteren på boremaskinen ble øket til 8,5 meter.^[43] Deretter ble «Madam Felle» fraktet til Nordland og brukt til driving av tunneler for kraftverk.^[44]

• (en) Tunnel boring machines – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• (en) Tunnel boring machine – galleri av bilder, video eller lyd på Commons
• «Tror på ny vår for tunnelboring» Arkivert 9. mars 2014 hos Wayback Machine., artikkel fra Teknisk ukeblad, 27. februar 2013
• Aftenposten 19. oktober 2015: Tunnelboremaskinene er tilbake i Norge - vekker begeistring og fortvilelse
• Hvordan en tunnelboremaskin fungerer, video på Youtube fra leverandøren Herrenknecht. (engelsk)
• TBM kontra sprenging Arkivert 21. september 2017 hos Wayback Machine., Bane Nor.