Tunnelboormachines (TBM's) banen zich een weg honderden meters onder het oppervlak-niveau en door uitdagende omstandigheden en hebben een revolutie teweeggebracht in de ondergrondse infrastructuur
Sommige tunnels zijn wel 60 km lang en wel 2,4 km diep en vormen daarmee een van de zwaarste technische uitdagingen ter wereld. Deze enorme projecten slingeren door bergen en onder rivieren en zeeën en worden alleen mogelijk gemaakt door middel van staal-gebouwde apparatuur. Het is staal dat de sterkte en het gewicht bevat waar de TBM's die deze ondergrondse wegen en spoorwegen creëren op vertrouwen.
Bij eerdere tunnelbouw waren technieken betrokken, zoals handmatig uitgraven of het gebruik van explosieven, die de mogelijkheden voor ondergrondse projecten ernstig beperkten. Vervolgens werd begin jaren vijftig de eerste moderne TBM ontwikkeld door James Robbins voor het Oahe Dam Project in de VS. Deze eerste machine is ontworpen voor het uitgraven van zwakke schalierotsformaties met behulp van haltervormige frezen. De behoefte aan uitgraving van hard gesteente leidde er uiteindelijk toe dat Robbins in 1956 de rollende schijffrees ontwikkelde, die de ontwerpbasis werd voor alle moderne boormachines.
Een onvervangbaar materiaal
Ondanks de opmars van koolstofcomposieten in veel industrieën, evenals het potentieel voor aluminium en titanium, kan niets de kwaliteiten van staal evenaren als het gaat om de unieke technische uitdagingen van TBM's.
"Er is niet echt een ander materiaal waar je [TBM's] van kunt bouwen. Ik bedoel, je zou er ogenschijnlijk een kunnen bouwen van aluminium of titanium of een ander materiaal, maar het zou onrealistisch duur zijn", zegt Tyler Sandell, directeur bedrijfsontwikkeling van Robbins, de oorspronkelijke fabrikant uit de jaren vijftig die tot op de dag van vandaag nog steeds TBM's produceert.
Moderne boormachines kunnen wel 400 meter lang worden en tot 1.000 ton wegen, met een cirkelvormige dwarsdoorsnede aan de kop die verschillende grondsoorten en rotsen uitgraaft om de tunnel te creëren. Deze industriële giganten gebruiken schijfmessen van gehard staal en achter de kop van de eenheid, ook wel het voorschild genoemd, bevindt zich een reeks hightech bewakings- en back-apparatuur en een transportband zodat tijdens het uitgraven voortdurend grond en gesteente kan worden verwijderd.
Ondergrondse constructie
Twee voorbeelden van tunnelprojecten die onmogelijk zouden zijn zonder moderne TBM-technologie zijn de 14,5 km-lange Euraziëtunnel die de Europese en Aziatische oevers van de Bosporus in Turkije verbindt, en de Gotthard-basistunnel die onder de Zwitserse Alpen doorloopt. De Eurasia is gebouwd voor wegvervoer en heeft de verkeersopstoppingen in de drukke straten van Istanboel verminderd, terwijl de Gotthard op het diepste punt een spoorlijn huisvest van ongeveer 2,4 km diep, die bijna twintig jaar in beslag nam.
"We hebben bijna geen ruimte meer aan de oppervlakte, dus je moet ondergronds gaan om je infrastructuur te creëren", legt Sandell uit. De aanleg van ondergrondse spoorlijnen en wegen begon serieus in de 19e eeuw. Vroege TBM's hadden verschillende graafwerktuigen aan de voorkant die de grond en het gesteente zouden afbreken, maar deze buit zou niet door de machine worden opgevangen. In plaats daarvan zou het terug naar het ingangspunt van de TBM worden overgebracht door een schroeftransporteur die onder de voortbewegende machine liep in plaats van in de eenheid zelf te worden geïntegreerd.
"De hele constructie, vooral het voorschild waar de tunneling in zit, bestaat uit plaatstaal"
Wolfram Hoelling, Dillinger
Tot de vooruitgang op het gebied van TBM's sindsdien behoort onder meer de cirkelvormige snijkop die de verschillende bodems en rotsen met een verschillende mate van hardheid en watergehalte uitgraaft. Er zijn drie verschillende soorten TBM, één voor harde rotsen, één voor zachte grond en de derde, de zogenaamde dual mode, is voor een mix van de twee. Onder welke omstandigheden een boormachine ook werkt, de trillingen die worden gegenereerd door de wrijving tussen de snijkop en de grond of het gesteente vereisen een sterke, zware constructie die hiertegen bestand is. Om deze reden is de zware plaat die voor het voorschild wordt gebruikt, gemaakt van fijnkorrelig staal volgens de internationale structurele norm EN 10 O25. Zonder deze kracht zou de tunneleenheid zichzelf tijdens het uitgraven in stukken kunnen schudden.
Een stalen-gebouwde kolos
"De hele constructie, vooral het voorschild waar de tunnels worden gemaakt, bestaat uit staalplaat", zegt Wolfram Hoelbling, hoofd van zware machines, bouwapparatuur en het staalservicecentrum op de marketing- en technische ondersteuningsafdeling van Dillinger. Dillinger is een fabrikant van zware staalplaten gevestigd in Dillingen, Duitsland, die levert aan TBM-bouwers. "Ik zou zeggen dat het voorste deel van een tunnelmachine min of meer volledig van zware plaat is gemaakt", legt hij uit. "De hele constructie is van staal, maar ook de onderdelen die de tunnelmachine aandrijven zijn gemaakt van zware staalplaatcomponenten."
Hoelbling zegt dat hij door de jaren heen een “stapsgewijze verandering in de eisen” voor staalsoorten voor boormachines heeft gezien. Deze kleine verschuivingen hadden tot doel het staal dat voor TBM's wordt gebruikt beter te maken voor lassen en een "hogere taaiheid" te vertonen.
Koolstofcomposieten hebben hun intrede gedaan in andere industrieën, maar zijn van weinig nut voor tunnelbouwmachines. Koolstofcomposieten worden afgewezen omdat "we in deze industrie erg kostengevoelig zijn", legt Sandell uit, "en het onbetaalbaar zou zijn en, eerlijk gezegd, zonde om dergelijke materialen op een tunnelboormachine te gebruiken".
De Eurazië-tunnel die onder de Bosporus in Istanbul loopt, werd mogelijk gemaakt door TBM-technologie
Het maken van de snede
Voor de messen die de grond en het gesteente uitgraven, wordt gereedschapsstaal gebruikt. "Aan de zakelijke kant van de machine zijn de schijfmessen allemaal gemaakt van staal", legt Sandell uit. "We hebben geen beter materiaal gevonden met dezelfde taaiheidseigenschappen en schadetolerantie in hard-gesteente als schijffrezen en we bouwen ze uit gereedschapsstaal."
Een Robbins-snijschijf begint zijn leven als gesmolten staal in een vlamboogoven, die vervolgens vacuümontgassing ondergaat en vanaf de bodem in blokvormen wordt gegoten terwijl hij is gehuld in argongas. De blokken worden gebruikt voor het smeden van de snijschijven. De smeedstukken worden vervolgens machinaal bewerkt en met warmte behandeld. Volgens Sandell hadden de kleinste frezen die Robbins maakte in de begindagen van het bedrijf en "op machines met een kleine diameter" een diameter van 6,5 inch (16,5 centimeter). Hij voegt eraan toe dat in de industrie, hoewel een TBM kan worden beschreven met behulp van metrische eenheden, frezen nog steeds in inches worden gemeten.
"Aan de zakelijke kant van de machine zijn de schijffrezen allemaal gemaakt van staal. We hebben geen beter materiaal gevonden met dezelfde taaiheidseigenschappen en schadetolerantie in hard-gesteente."
Tyler Sandell, Robbins
Op grote boormachines kunnen de frezen een diameter hebben van wel 20 inch. "Voor een tunnelboormachine van volledige- grootte, die we beschouwen als een diameter van meer dan drie meter, zijn de kleinste frezen die we erop plaatsen 14 inch", zegt Sandell., die eraan toevoegt dat de meest voorkomende schijffrezen 17 en 19 inch zijn.
De structuur, het graafgereedschap en de interne werking van de tunnelmachine zijn allemaal van staal, omdat dit de trillingsabsorberende massa levert die nodig is. Dit is ook nodig om te voorkomen dat de machine onder bepaalde omstandigheden gaat zweven, legt Sandell uit. "Een paar jaar geleden was er een groot project in Japan. Het was een onderzeese snelweg in Tokio. Ze moesten veel ballast aan de tunnelboormachine toevoegen omdat deze in de grond met een hoog-watergehalte zou gaan drijven, en daarvoor gebruikten ze ook staal."
Fijnkorrelig staal, gereedschapsstaal, smeedwerk en warmtebehandeling – van begin tot eind kan de TBM zijn werk alleen doen dankzij één materiaal. De sterkte en massa van staal overwint trillingen en mogelijke flotatie, terwijl het uithoudingsvermogen de ruggengraat vormt van de doorslijpschijven die een enorme fysieke belasting ondergaan terwijl ze door harde kristallijne rotsformaties heen kauwen. Het zijn deze kwaliteiten die hebben bijgedragen aan de realisatie van enorme projecten met unieke ondergrondse technische uitdagingen over de hele wereld.
