Xianglong: Το πρώτο υβριδικό μηχάνημα διάνοιξης σηράγγων με ενσωματωμένα εκρηκτικά από την Κίνα

Σύνοψη

• Το Xianglong είναι το πρώτο υβριδικό μηχάνημα στον κόσμο που συνδυάζει μηχανική εκσκαφή και χρήση εκρηκτικών (Boring and Blasting Machine).
• Αναπτύχθηκε από τον κινεζικό όμιλο China Railway Science & Industry Group (CRSIC) και το Πανεπιστήμιο Tsinghua, διαθέτοντας διάμετρο 4,5 μέτρων.
• Η διαδικασία περιλαμβάνει την υποχώρηση της κεφαλής κοπής, την τοποθέτηση εκρηκτικών μέσω ειδικών καναλιών και την απορρόφηση της πίεσης από την προστατευτική θωράκιση.
• Υπόσχεται αύξηση της αποδοτικότητας των εκσκαφών κατά 30% σε μικτά γεωλογικά εδάφη, όπου συνυπάρχουν μαλακά χώματα και σκληρά πετρώματα.
• Η εφαρμογή τέτοιων τεχνολογιών και στη χώρα μας θα μπορούσε να μειώσει δραστικά τον χρόνο ολοκλήρωσης μεγάλων έργων υποδομής με σύνθετο γεωλογικό υπόβαθρο.

Η κατασκευή μεγάλων υπόγειων υποδομών ανέκαθεν αποτελούσε μια από τις μεγαλύτερες μηχανικές προκλήσεις για τις κατασκευαστικές εταιρείες, απαιτώντας βαρύ εξοπλισμό που μπορεί να αντεπεξέλθει στις συχνά απρόβλεπτες γεωλογικές συνθήκες. 

Η Κίνα, μέσω της στενής συνεργασίας του ομίλου China Railway Science & Industry Group (CRSIC) στην Ουχάν και του Πανεπιστημίου Tsinghua, παρουσίασε επισήμως το πρώτο παγκοσμίως υβριδικό μηχάνημα διάνοιξης και ανατίναξης σηράγγων, το οποίο γεφυρώνει το τεχνολογικό χάσμα μεταξύ της μηχανικής κοπής μαλακών εδαφών και της διάτρησης εξαιρετικά σκληρών πετρωμάτων. Ο νέος σχεδιασμός έρχεται να προσφέρει μια εναλλακτική λύση στα παραδοσιακά συστήματα, ενσωματώνοντας καινοτομίες που υπόσχονται να επιταχύνουν δραματικά τους ρυθμούς των δημόσιων και ιδιωτικών έργων σε διεθνές επίπεδο.

Τι είναι το μηχάνημα διάνοιξης σηράγγων Xianglong;

Το Xianglong (Τυχερός Δράκος) είναι το πρώτο υβριδικό μηχάνημα Boring and Blasting Machine (BBM) στον κόσμο, κατασκευασμένο στην Κίνα. Με διάμετρο 4,5 μέτρων, συνδυάζει την παραδοσιακή κοπή εδάφους με την ικανότητα τοποθέτησης και πυροδότησης εκρηκτικών για τη διάνοιξη συμπαγών πετρωμάτων, αυξάνοντας την αποδοτικότητα εκσκαφής κατά 30%.

Ιστορικά, η βιομηχανία των κατασκευών στηρίζεται σε δύο βασικούς τύπους μηχανημάτων, γνωστά ως Tunnel Boring Machines (TBM), για τη δημιουργία υπόγειων οδών και δικτύων. Ο πρώτος τύπος αφορά τα μηχανήματα μαλακού εδάφους, τα οποία χρησιμοποιούν μια τεράστια περιστρεφόμενη ασπίδα καλυμμένη με κοπτικά εργαλεία, ιδανικά για να τεμαχίζουν χώμα, άργιλο, άμμο ή χαλίκι. Η ασπίδα αυτή όχι μόνο σκάβει, αλλά υποστηρίζει ενεργά το μέτωπο της σήραγγας ώστε να αποτραπεί η κατάρρευση του κατά την αφαίρεση των υλικών μέσω ενός ειδικού κοχλιοφόρου μεταφορέα. Στις περιπτώσεις όπου το έδαφος κρίνεται εξαιρετικά ασταθές, πραγματοποιείται έγχυση πολτού μπεντονίτη υπό πίεση για την ενίσχυση της σταθερότητας. Ο δεύτερος τύπος περιλαμβάνει τα μηχανήματα σκληρού βράχου (Hard Rock TBM), τα οποία είναι κατασκευασμένα αποκλειστικά για να αντιμετωπίζουν συμπαγή στρώματα πετρωμάτων όπως ο γρανίτης και ο ψαμμίτης, πιάνοντας απευθείας στα τοιχώματα του βράχου για υποστήριξη, καθώς βαριά κοπτικά εργαλεία τρίβουν αργά το συμπαγές υλικό, συνήθως χωρίς την παρουσία προστατευτικής ασπίδας πίσω από την κεφαλή.

Το νέο κινεζικό σύστημα επιχειρεί να λύσει το πρόβλημα των μικτών γεωλογικών πεδίων, όπου οι μηχανικοί συχνά συναντούν συνεχή εναλλαγή μεταξύ εξαιρετικά μαλακών εδαφών και συμπαγών βραχωδών όγκων. Μέχρι σήμερα, τα υπάρχοντα υβριδικά μηχανήματα αποτελούσαν κυρίως λύσεις συμβιβασμού, με περιορισμένη αποτελεσματικότητα και συχνές μηχανικές καταπονήσεις όταν έρχονταν αντιμέτωπα με μεγάλους ογκόλιθους ενσωματωμένους σε μαλακό έδαφος. Το Xianglong ενσωματώνει μια προηγμένη κεφαλίδα κοπής που διαθέτει ένα κοίλο κεντρικό τμήμα, προσφέροντας στην κύρια μηχανή την ελευθερία να απομακρύνεται προς τα πίσω όταν οι αισθητήρες εντοπίσουν υπερβολική αντίσταση από το πέτρωμα.

Πώς λειτουργεί ο μηχανισμός ελεγχόμενων εκρήξεων του Xianglong;

Ο μηχανισμός λειτουργεί μέσω καναλιών πρόσβασης στο κέντρο της κεφαλής, τα οποία ανοίγουν οπές στο πέτρωμα για την τοποθέτηση εκρηκτικών χαμηλής απόδοσης και υψηλής ταχύτητας. Κατά την πυροδότηση, η κεφαλή ανασύρεται ελαφρώς και η θωράκιση απορροφά την πίεση, δημιουργώντας μικρο-ρωγμές στο πέτρωμα χωρίς την εκτόξευση μαζικών θραυσμάτων.

Η τεχνολογική καινοτομία του νέου συστήματος εστιάζεται στον τρόπο με τον οποίο διαχειρίζεται τα συμπαγή γεωλογικά εμπόδια που θα καθυστερούσαν έναν συμβατικό μετροπόντικα για εβδομάδες. Το κοίλο κέντρο της κεφαλής και τα εξειδικευμένα κανάλια πρόσβασης φιλοξενούν ενσωματωμένο, αυτοματοποιημένο εξοπλισμό γεώτρησης ικανό να διανοίγει με απόλυτη ακρίβεια οπές βάθους πολλών μέτρων απευθείας στο βραχώδες μέτωπο. Μέσα σε αυτές τις οπές τοποθετούνται ειδικά εκρηκτικά, τα οποία στη συνέχεια σφραγίζονται προσεκτικά με άμμο ή άργιλο για τη μεγιστοποίηση της κατευθυντικότητας της ωστικής ενέργειας. Κατά τη στιγμή της πυροδότησης, το μηχάνημα προχωρά σε ελεγχόμενη υποχώρηση της κεφαλής κοπής προς τα πίσω, με σκοπό να προστατεύσει τα ευαίσθητα ηλεκτρονικά συστήματα, τους αισθητήρες λέιζερ και τα κινητά μηχανικά του μέρη.

Η έκρηξη που ακολουθεί έχει σχεδιαστεί αποκλειστικά για να αλλοιώνει τη συνοχή του υλικού, δημιουργώντας ένα πυκνό δίκτυο μικρο-ρωγμών στον δομικό ιστό του βράχου. Με αυτόν τον τρόπο, αποφεύγεται η ανεξέλεγκτη εκτόξευση μεγάλων θραυσμάτων ή η δημιουργία επικίνδυνων κρουστικών κυμάτων μεγάλης κλίμακας που θα μπορούσαν να αποσταθεροποιήσουν ολόκληρη τη σήραγγα. Οποιαδήποτε ωστική δύναμη παράγεται, εκτρέπεται και απορροφάται αποτελεσματικά από την πανίσχυρη προστατευτική θωράκιση του συστήματος, διατηρώντας την ακεραιότητα του μηχανήματος. Αμέσως μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας, η κεφαλή κοπής επιστρέφει αυτόματα στην αρχική της θέση, σαρώνοντας και συνθλίβοντας το πλέον κατακερματισμένο πέτρωμα με χαρακτηριστική ευκολία. 

Σύμφωνα με τα επίσημα τεχνικά δεδομένα, η ασπίδα του Xianglong έχει επίσης την ικανότητα να μεταβάλλει ελαφρώς τη διάμετρό της εν κινήσει, επιτρέποντας την απρόσκοπτη προσαρμογή σε διαφορετικά τμήματα προκατασκευασμένης επένδυσης της σήραγγας.

Πως θα μπορούσε να βρει εφαρμογή στα δημόσια έργα στη χώρα μας;

Με την έντονη σεισμικότητα και το εξαιρετικά σύνθετο γεωλογικό ανάγλυφο που χαρακτηρίζει τη χώρα μας, τεχνολογίες όπως αυτή του Xianglong θα μπορούσαν να επιταχύνουν κρίσιμα έργα υποδομής, όπως οι επεκτάσεις του Μετρό και οι οδικοί άξονες, μειώνοντας τις καθυστερήσεις που προκαλούνται από τις απρόβλεπτες εναλλαγές μαλακού χώματος και σκληρού βράχου.

Οι μηχανικοί στην Ελλάδα καλούνται συχνά να διαχειριστούν περιβάλλοντα όπου η μαλακή άργιλος μπορεί να δώσει απότομα τη θέση της σε αδιαπέραστο βράχο, απαιτώντας τη διακοπή των εργασιών για τη συντήρηση ή την αντικατάσταση των κεφαλών κοπής, ή ακόμη και τη χρήση συμβατικών, χρονοβόρων ανατινάξεων που διακόπτουν τη ροή εργασίας.

Εάν στο άμεσο μέλλον υιοθετηθούν στην ευρωπαϊκή κατασκευαστική αγορά υβριδικά συστήματα τύπου Boring and Blasting, οι ανάδοχες εταιρείες θα αποκτήσουν τη δυνατότητα να διατηρούν έναν συνεχή, αδιάλειπτο ρυθμό εκσκαφής. Αυτό συνεπάγεται μικρότερα κόστη διαχείρισης εργοταξίου και ταχύτερη παράδοση των κρίσιμων υποδομών στο κοινό. 

Η βελτίωση της απόδοσης της τάξης του 30% που ανακοινώθηκε από τους κατασκευαστές του Xianglong, πρακτικά μεταφράζεται σε εξοικονόμηση πολλών μηνών επίπονων εργασιών για κάθε χιλιόμετρο υπόγειας σήραγγας, προσφέροντας παράλληλα μεγαλύτερη ασφάλεια για το προσωπικό που δεν χρειάζεται να εκτελεί τις διαδικασίες διάτρησης και πυροδότησης χειροκίνητα.