מכונה לכריית מנהרות

מכונה לכריית מנהרות (Tunnel Boring Machine - TBM) או מכונת מנהור היא ציוד מכני הנדסי המשמש לחפירת מנהרות בשיטת מנהור מתועש, בעלות חתך עגול, למגוון רחב של סוגי אדמה או סלע. המכונה מסוגלת לחפור בכל תווך מסלע קשה עד חול. קוטר המנהרה נע בין מטר (מתבצע על ידי מיקרו TBM) ועד ל־17.6 מטרים. כריית מנהרות שקוטרן פחות ממטר מתבצעת תוך שימוש בשיטת trenchless או על ידי קידוח אופקי ולא על ידי TBM.

למכונת הכרייה ראש כרייה מסתובב הכולל להבי דיסק חזקים במיוחד מסגסוגת מתכת. במקביל להתקדמות ראש הכרייה בסלע מתבצע פינוי של חומרי הכרייה על ידי מערכת הובלה ייעודית. המכונה מבצעת דיפון סופי של המנהרה על ידי סגמנטים מבטון מזוין. לכל מכונת כרייה צמוד מסוע המפנה את העפר והמסלע שמוצא מתוך המנהרה אחורה, לאורך מספר קילומטרים. רכבות עבודה קטנות מעמיסות את כל הציוד והחומר הנדרש לדיפון המנהרה ומובילות אותו עד למקום הנדרש.

מכונה לכריית מנהרות משמשת כחלופה לשיטת "קידוח ופיצוץ" (D&B) ולשיטת "כרייה ידנית" קונבנציונלית בסלע. אחד היתרונות של שימוש ב־TBM היא צמצום פגיעה בשכבות הסלע סביב המנהרה ויצירת קירות מנהרה חלקים יחסית. זה מפחית באופן משמעותי את עלות הטיפול בדפנות המנהרה, והופך את השיטה למתאימה ביותר לשימוש באזורים עירוניים. החיסרון העיקרי הוא בעלויות הרכבת המכונה והובלתה לאתר העבודות, אולם בפרויקטים של בניית מנהרות ארוכות, עלויות אלה הופכות להיות משתלמות לעומת שיטת "קידוח ופיצוץ", הן בזכות יעילות המכונה והן בזכות הקיצור המשמעותי בזמני הביצוע של המיזם.

היסטוריה

מגן המנהור הראשון פותח על ידי סר איזמבארד קינגדום ברונל בשנת 1825 לצורך חפירת מנהרת התמזה (Thames Tunnel). אך המכשיר עדיין דרש שילוב עבודות חפירה סטנדרטיות לבניית המנהרה.

מכונת כריית המנהרות הראשונה נבנתה על ידי המהנדס הבלגי אנרי מאוס (Henri Maus), וכונתה "פורס הרים" (Mountain Slicer). אנרי מו גויס בשנת 1845 על ידי מלך סרדיניה, כדי לבנות את מנהרת הרכבת פרז'וס (Fréjus Rail Tunnel) בין צרפת לאיטליה, דרך הרי האלפים. המכונה הורכבה בשנת 1846 במפעל צבאי ליד העיר טורינו, והיא כללה כ־100 מקדחים מכנים, שהורכבו בקדמת רכב בגודל של קטר.

המהפכות של 1848 השפיעו לרעה על יכולת המימון של הפרויקט, ולכן המנהרה הושלמה רק 10 שנים מאוחר יותר, באמצעות שיטות חדשניות וזולות יותר, כגון מקדחות פנאומטיות.

בארצות הברית, השימוש הראשון במכונת כרייה היה בשנת 1853 במהלך בניית מנהרת הוסאק (Hoosac Tunnel). המכונה הייתה בנויה מברזל יצוק, והיא כונתה "מכונת פטנט החציבה באבן של וילסון" (Wilson's Patented Stone-Cutting Machine), על שם ממציאהּ צ'ארלס וילסון. המכונה הצליחה לכרות 10 מטרים בסלע לפני שהתפרקה. בניית המנהרה הסתיימה באיחור של 20 שנה, כמו שקרה בכריית מנהרת הרכבת פרז'וס, באמצעות שיטות פחות שאפתניות.

בתחילת שנות חמישים של המאה העשרים, פ.ק. מיטריי זכה בחוזה הסחת סכר אואהה (Oahe Dam) בעיר פיר, בדרום דקוטה. הוא התייעץ עם ג'יימס ס. רובינס, המייסד של חברת The Robbins Company, באיזו שיטה לחפור באזור הקשה ביותר לחפירה באותו זמן – הנקרא פצלי פייר (Pierre Shale). רובינס בנה מכונה שהייתה מסוגלת לחפור 160 מטר בתוך הפצלים ב־24 שעות, פי עשרה מהר יותר מכל שיטה אחרת באותה תקופה.

המצאה של רובינס, ראש מסתובב משולב עם דיסקים חותכים, גרמה לפריצת הדרך בשיפור אמינות ויעילות של מכונות כריית המנהרות. המכונות בתכנון החדש פעלו בפרויקט לבניית מנהרה מתחת לנהר האמבר ב־1956. היום, כל המכונות לכריית מנהרות משתמשות בראש מסתובב משולב עם דיסקים חותכים.

סוגי מכונות

מכונות כריית מנהרות מודרניות מורכבות מגלגל מסתובב שנקרא ראש חיתוך, ממערכת היגוי וממערכת הנעה. סוגי מכונות נבדלים לפי סוגי תווך גאולוגים שהם יכולים לכרות:

מכונות כריית מנהרות בסלע קשה.
מכונות כריית מנהרות בקרקע רכה.

נכון להיום המכונה לכריית מנהרות בעלת הקוטר הגדול בעולם (15.43 מ') היא מכונה שנבנתה על ידי חברת הרנקנכט (Herrenknecht) הגרמנית עבור פרויקט בשאנגחאי, סין. היא מיועדת לכריית מנהרה בקרקע רכה (חול וחומר). אחת המכונות בעלות קוטר גדול (14.4 מ') לקידוח קרקע קשה – כרייה בסלע – נבנתה על ידי חברה The Robbins Company עבור פרויקט מנהרת ניאגרה (Niagara Tunnel Project) בקנדה. שם היא שימשה לכריית מנהרה הידרו־חשמלית מתחת למפלי ניאגרה. נכון לשנת 2020, המכונה בעלת הקוטר הגדול ביותר בעולם לקידוח בקרקע קשה, שקוטרה הוא 17.6 מטר, נבנתה על ידי חברת הרנקנכט עבור פרויקט חיבור (כ־5 ק"מ) העיר טואן מאן (Tuen Mun) לנמל התעופה הבינלאומי של הונג קונג (Tuen Mun – Chek Lap Kok TBM).

בשל מורכבותן קיימות כיום רק שש חברות המייצרות מכונות כרייה (שתי חברות בארצות הברית וקנדה, שתיים בגרמניה, ושתיים ביפן).

שימוש במכונות לכריית מנהרות בישראל

קו הביוב המזרחי של השפד"ן

כ־13 ק"מ מקו הביוב המזרחי (קו M) של השפד"ן נכרו באמצעות מכונת כרייה מסוג AVN לכרייה בחול או בסלע רך המופעלת בשלט רחוק מתוצרת חברת "הרנקנכט" הגרמנית. כריית המנהרה הסתיימה בשנת 2007.

קו הרכבת המהיר לירושלים

במסגרת פרויקט קו הרכבת המהיר לירושלים פועלות 3 מכונות:

מכונה אחת במנהרה מספר 1 מלטרון לשער הגיא.
שתי מכונות נוספות במנהרה מספר 3, הכוללת צמד מנהרות מנחל יתלה ועד נחל לוז. כריית צד אחד של המנהרה הסתיימה באוגוסט 2014.

נתונים טכניים

המכונה הראשונה הושקה ב־6 בפברואר 2012. מכונות כרייה דומות חפרו את מנהרת התעלה מתחת לתעלת למאנש בין צרפת לאנגליה ואת מנהרת בסיס הגוטהארד בין איטליה לשווייץ ומנהרת ברנר בין איטליה לאוסטריה.

סוג: מכונה 1 (עבור מנהרה מס' 1) – "Earth Pressure Balance Machine" לכרייה בסלע רך מעורבב עם מים. מכונות 2 ו־3 (עבור מנהרה מס' 3): Hard Rock Single Shield לכרייה בסלע קשה.
אורך: 102 מטר (160 מטר עבור מכונה שנייה ושלישית)
קוטר: מכונה 1 – 10.036 מטר, מכונה שנייה ושלישית – 9.99 מטר.
קצב ממוצע: מכונה 1 – 36 ס"מ בשעה (12 מטר ביום, 360 מטר בחודש, היא פועלת 24 שעות ביממה). מכונות 2 ו־3 – 60 ס"מ בשעה (20 מטר ביום, 500 מטר בחודש, היא פועלת 24 שעות ביממה). ייתכנו אף מהירויות כרייה מהירות מכך בהתאם לתנאי הקרקע ומשתנים אחרים.
משקל: 1,800 טון
תפעול: על ידי חברות זרות ונציגי היצרן "הרנקנכט"
עלות כל מכונה: 100 מיליון שקל

נתוני המנהרות

מנהרה מס' 1 – מורכבת משתי מנהרות מקבילות באורך של 3.5 קילומטרים כל אחת. בסיום כריית המנהרה הדרומית, המכונה תפורק ותורכב מחדש לכריית המנהרה הצפונית.
מנהרה מס' 3 – מורכבת משתי מנהרות מקבילות באורך של 11.5 קילומטר כל אחת שמתוכן 9 ק"מ כ"א ייכרו בידי מכונות הכרייה.

מערכת להסעת המונים במטרופולין תל אביב

הקו האדום

במסגרת הקו האדום שבוצע על ידי חברת נת"ע נכרו שתי מנהרות מקבילות, באורך של כ־12 קילומטר כל אחת ובעומק של כ־20 מטר מתחת לאדמה.

כריית המנהרות בוצעה על ידי 8 מכונות כרייה, בארבעה צמדים. כל צמד מכונות כרה שתי מנהרות צמודות זו לזו.

הזוג ראשון כרה מפיר גלי גיל הסמוך לתחנת ארלוזורוב לכיוון מערב עד לתחנת קרליבך. המכונות כונו "גולדה", על שם גולדה מאיר, ומרגרט ת'אצר.
הזוג שני כרה מגלי גיל לכיוון מזרח עד לתחנת בן-גוריון. המכונות כונו על שם רוזה פארקס ואהובה עוזרי.
הזוג שלישי נכנס בפיר הרצל שברחוב יהודה הלוי בתל אביב וכרה מזרחה, עד תחנת קרליבך. אחת המכונות נקראה ג'נג יי חְווה (Zheng Yi Hua) "צדק מופלא" בסינית, והשנייה פו שיאנג חְווה (Fu Xiang Hua). לאחר מכן פורק והועבר לפורטל שנקר, משם כרה עד פיר השילוח אם המושבות.
הזוג הרביעי נכנס בפורטל הדיפו שבפתח תקווה וכרה מערבה, עד שפגש את הזוג השני בתחנת בן-גוריון. בדרכו הוא עבר דרך שרוול פלדה בפיר אם המושבות. המכונות כונו "וונדר וומן" כהוקרה לשחקנית הישראלית גל גדות שמגלמת את הדמות בקולנוע וניקי היילי, על שם שגריר ארצות הברית באומות המאוחדות לשעבר.

אורכה של כל מכונה הוא 115 מטרים, קוטרה 7.5 מטרים ומשקלה כ־900 טון.

הקו הירוק

הקו הירוק כולל שתי מנהרות מקבילות של באורך כולל של 4.6 קילומטרים כל אחת.

כריית המנהרות מתבצעת באמצעות שלוש מכונות כרייה.

החפירה תבוצע על ידי מכונת TBM מאתר לוינסקי שבתל אביב. המכונה הראשונה שנכנסה לעבודה היא מכונה בשם "גולדה", שכבר ביצעה עבודות מינהור בהקו האדום, בין פיר גלי גיל הסמוך לתחנת ארלוזורוב לבין תחנת קרליבך, לכיוון מערב. במהלך החפירה, יעבדו שלוש מכונות TBM (כולל "גולדה"), באורך של 115 מטרים, בקוטר של כשבעה מטרים וחצי ובמשקל של כ-900 טון כל אחת^[1].

מערכת המים החמישית לירושלים

כחלק מפרויקט "מערכת המים החמישית לירושלים" מקורות תכרה מנהרה באורך 14 ק"מ ובעומק של עד 350 מטר בעלות של מיליארד שקלים. המנהרה תהווה חלק מהקטע המזרחי של הפרויקט ותכּרה בעזרת מכונה לכריית מנהרות^[2].