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).

De største TBM
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. Den ble levert til Seattle, Washington, for bygging av en tunnel på Highway 99.Alaskan Way Viaduct - Home. 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.Bertha the Giant Drill Is Ready to Rumble in Seattle  Per 16. mai 2016 hadde Bertha gravd ut 60 cm av den planlagte 2 800 m lange tunnelen.

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.

 Historie 
miniatyr|Fronten på en tunnelboremaskin brukt i Gotthard-basistunnelen i Sveits
miniatyr|En tunnelboremaskin som ble brukt i Yucca Mountain til anlegg av et depot for kjernefysisk avfall
miniatyr|Skjærehode brukt til den nye tunnelen under Elben.
miniatyr|Bilde av en modell av TBM brukt på Gotthard-basistunnelen.

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.

Den første tunnelboremaskinen skal være Henri-Joseph Maus' «Mountain Slicer». 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.Hapgood, Fred, "The Underground Cutting Edge: The innovators who made digging tunnels high-tech",Invention & Technology Vol.20, #2, Fall 2004 

I USA ble den første tunnelbormaskin bygget og brukt i 1853 under byggingen av Hoosac Tunnel. Den var laget av støpejern og  kjent som «Wilsons patenterte stein-skjæremaskin», etter oppfinneren, Charles Wilson. 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.) 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.Charles Wilson, "Dressing stone," U.S. Patent 5,012
 (issued: March 13, 1847).Charles Wilson, "Machine for tunneling rocks, etc.," U.S. Patent 14,483 (issued: March 18, 1856). 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.Ebenezer Talbot, "Machine for tunnelling or boring rock," U.S. Patent 9,774 (issued:  June 7, 1853). 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.John D. Brunton, "Improved machine for sinking shafts," U.S. Patent 80,056 (issued:  July 21, 1868).

Første maskin av betydning
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).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.Frederick Edward Blackett Beaumont, U.K. Patent no. 1904F.E.B. Beaumont, U.K. Patent no. 4,166 (issued:  Dec. 2, 1875).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). 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. Men til tross for denne suksessen, ble kanalprosjektet oppgitt i 1883 etter at britiske militære fryktet tunnelen kunne brukes til å invadere England.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'. 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.

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. TBMer som lignet gigantiske hullsager ble foreslått. Andre TBMer besto av en trommel med metall-pigger på overflaten, en roterende rund plate dekket med tenner eller roterende belter dekket med metalltenner. 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 
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.

venstre|miniatyr|Støttefundamenter på baksiden av en TBM. Denne maskinen ble brukt til å grave den største tunnelen i Yucca Mountain kjernefysiske avfallsdepot i Nevada.
miniatyr|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» 

 Tunnelarbeid i bebygde områder og nær overflaten 
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.Cardenas, IC; Al-Jibouri, SHS; Halman, JIM; van de Linde, W; Kaalberg, F (2013). Cárdenas, IC; Al-Jibouri, SHS; Halman, JIM; van Tol, FA (2013). Cardenas, IC; Al-Jibouri, SHS; Halman, JIM; van Tol, FA (2014). Cardenas, IC; Al-Jibouri, SHS; Halman, JIM; van de Linde, W; Kaalberg, F (2014). Cardenas, IC (2015). Cardenas, IC (2012). 

 TBM i Norge 
Blixtunnelen i Follobanen mellom Oslo og Ski er Nordens lengste jernbanetunnel og ble drevet (boret) med fire samtidige tunnelboremaskiner."Slik spesialutrustes tunnelboremaskinene til å takle norsk granitt", artikkel i Teknisk Ukeblad 21. august 2015. 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. 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  tonn og var drevet av motorer med en effekt på  kilowatt. Dette var den sterkeste TBM som har blitt konstruert. Nordgående brøt ut i dagen i 2018, og sørgående i 2019.

miniatyr|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.

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

 Referanser 

 Eksterne lenker 

 «Tror på ny vår for tunnelboring» , 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 , Bane Nor.

Kategori:Anleggsmaskiner
Kategori:Tunneler