|
ต่อไป
|
โดยพื้นฐานที่สุดอุโมงค์คือท่อที่เจาะผ่านดินหรือหิน อย่างไรก็ตาม การสร้างอุโมงค์เป็นหนึ่งในความท้าทายที่ซับซ้อนที่สุดในสาขาวิศวกรรมโยธา อุโมงค์หลายแห่งถือเป็นผลงานชิ้นเอกทางเทคโนโลยี และรัฐบาลได้ยกย่องวิศวกรอุโมงค์เป็นวีรบุรุษ ไม่ได้หมายความว่าโครงการอุโมงค์บางโครงการไม่ได้พบกับความพ่ายแพ้ครั้งใหญ่ โครงการ Central Artery/Tunnel ("Big Dig") ในบอสตัน รัฐแมสซาชูเซตส์ได้รับผลกระทบจากค่าใช้จ่ายมหาศาล ข้อกล่าวหาเรื่องการทุจริต และเพดานถล่มบางส่วนซึ่งส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต แต่ความท้าทายเหล่านี้ไม่ได้หยุดวิศวกรจากการฝันถึงแนวคิดที่ยิ่งใหญ่และโดดเด่นยิ่งขึ้น เช่น การสร้างอุโมงค์ข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกเพื่อเชื่อมต่อนิวยอร์กกับลอนดอน
ในบทความนี้ เราจะมาสำรวจสิ่งที่ทำให้อุโมงค์เป็นทางออกที่น่าสนใจสำหรับทางรถไฟ ถนน สาธารณูปโภค และโทรคมนาคม เราจะดูที่การกำหนดลักษณะเฉพาะของอุโมงค์และตรวจสอบว่าอุโมงค์ถูกสร้างขึ้นอย่างไร นอกจากนี้ เราจะดูรายละเอียด "ขุดเจาะลึก" เพื่อทำความเข้าใจโอกาสและความท้าทายโดยกำเนิดจากการสร้างอุโมงค์ สุดท้ายนี้ เราจะมาดูอนาคตของอุโมงค์กัน
แกลเลอรี่ภาพอุโมงค์
ภาพที่ได้รับความอนุเคราะห์จาก Daniel Schwen/ ใช้ภายใต้ ใบอนุญาต Creative Commons Attribution-ShareAlike อุโมงค์ Gotthard Base Tunnel ที่กำลังก่อสร้างในสวิตเซอร์แลนด์ ดูภาพอุโมงค์เพิ่มเติม |
ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ
อุโมงค์ อุโมงค์เป็นทางเดินแนวนอนที่ตั้งอยู่ใต้ดิน ในขณะที่การกัดเซาะและพลังธรรมชาติอื่นๆ สามารถก่อตัวเป็นอุโมงค์ได้ ในบทความนี้ เราจะพูดถึงอุโมงค์ที่มนุษย์สร้างขึ้น -- อุโมงค์ที่สร้างขึ้นโดยกระบวนการขุดค้น มีหลายวิธีในการขุดอุโมงค์ รวมถึงการใช้แรงงานคน ระเบิด การทำความร้อนและความเย็นอย่างรวดเร็ว เครื่องจักรในอุโมงค์ หรือวิธีการเหล่านี้ร่วมกัน
โครงสร้างบางอย่างอาจต้องมีการขุดค้นคล้ายกับการขุดอุโมงค์ แต่จริงๆ แล้วไม่ใช่อุโมงค์ ตัวอย่างเช่น เพลามักจะใช้มือขุดหรือขุดด้วยอุปกรณ์คว้าน แต่ต่างจากอุโมงค์ตรงที่ ก้านเป็นแนวตั้งและสั้นกว่า บ่อยครั้ง ปล่องถูกสร้างขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการอุโมงค์เพื่อวิเคราะห์หินหรือดิน หรือในการก่อสร้างอุโมงค์เพื่อให้หัวหรือตำแหน่งที่สามารถขุดอุโมงค์ได้
แผนภาพด้านล่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างใต้ดินเหล่านี้ในอุโมงค์บนภูเขาทั่วไป การเปิดอุโมงค์เป็นประตูมิติ "หลังคา" ของอุโมงค์หรือครึ่งบนของท่อคือกระหม่อม ครึ่งล่างเป็นอินเวอร์เตอร์ รูปทรงพื้นฐานของอุโมงค์คือส่วนโค้งต่อเนื่อง เนื่องจากอุโมงค์ต้องทนต่อแรงกดมหาศาลจากทุกทิศทุกทาง ซุ้มจึงมีรูปร่างในอุดมคติ ในกรณีของอุโมงค์ ซุ้มประตูก็จะไปตลอดทาง
|
วิศวกรอุโมงค์ เช่นเดียวกับ วิศวกร สะพานต้องเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ที่เรียกว่าสถิตยศาสตร์ สถิตยศาสตร์อธิบายว่าแรงต่อไปนี้มีปฏิกิริยาอย่างไรเพื่อสร้างสมดุลบนโครงสร้าง เช่น อุโมงค์และสะพาน:
- ความตึงเครียดซึ่งขยายหรือดึงบนวัสดุ
- การ บีบอัดซึ่งทำให้สั้นลงหรือบีบวัสดุ
- การ ตัดซึ่งทำให้ส่วนต่าง ๆ ของวัสดุเลื่อนผ่านกันและกันไปในทิศทางตรงกันข้าม
- แรงบิดซึ่งบิดวัสดุ
|
เพื่อให้คงสภาพนิ่ง อุโมงค์ต้องสามารถทนต่อน้ำหนักบรรทุกที่วางไว้บนอุโมงค์ได้ Dead loadหมายถึงน้ำหนักของโครงสร้าง ในขณะที่น้ำหนัก จริง หมายถึงน้ำหนักของยานพาหนะและคนที่เคลื่อนที่ผ่านอุโมงค์
เราจะมาดูประเภทพื้นฐานของอุโมงค์กันต่อไป
- ประเภทของอุโมงค์
- การวางแผนอุโมงค์
- การก่อสร้างอุโมงค์: พื้นนุ่มและหินแข็ง
- การก่อสร้างอุโมงค์: หินนุ่มและใต้น้ำ
- The Big Dig
ประเภทของอุโมงค์
อุโมงค์แบ่งออกเป็น 3 ประเภทใหญ่ๆ ได้แก่ เหมืองแร่ งานสาธารณะ และการขนส่ง เรามาดูสั้น ๆ ที่แต่ละประเภท
อุโมงค์เหมืองใช้ในระหว่างการสกัดแร่ ทำให้คนงานหรืออุปกรณ์สามารถเข้าถึงแร่และโลหะที่อยู่ลึกลงไปในดินได้ อุโมงค์เหล่านี้สร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคที่คล้ายคลึงกันกับอุโมงค์ประเภทอื่น แต่ใช้ต้นทุนในการสร้างน้อยกว่า อย่างไรก็ตาม อุโมงค์เหมืองไม่ปลอดภัยเท่ากับอุโมงค์ที่ออกแบบมาสำหรับการยึดครองอย่างถาวร
ภาพโดยเอื้อเฟื้อภาพ National Photo Company Collection/ Library of Congress Prints and Photos Division คนงานเหมืองถ่านหินยืนอยู่บนหลังรถในอุโมงค์เหมืองในช่วงต้นทศวรรษ 1900 สังเกตว่าด้านข้างของอุโมงค์มีท่อนซุงเป็นท่อนๆ |
อุโมงค์ของงานสาธารณะจะลำเลียงน้ำ น้ำเสีย หรือก๊าซไปตามระยะทางไกล อุโมงค์แรกสุดใช้เพื่อขนส่งน้ำไปและระบายน้ำทิ้งออกจากบริเวณที่มีประชากรหนาแน่น วิศวกรชาวโรมันใช้เครือข่ายอุโมงค์ที่กว้างขวางเพื่อช่วยลำเลียงน้ำจากน้ำพุบนภูเขาไปยังเมืองและหมู่บ้านต่างๆ อุโมงค์เหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบท่อส่งน้ำ ซึ่งประกอบด้วยห้องใต้ดินและโครงสร้างคล้ายสะพานลาดเอียงซึ่งรองรับด้วยซุ้มโค้งหลายชุด ภายในปี ค.ศ. 97 ท่อส่งน้ำ 9 แห่งบรรทุกน้ำประมาณ 85 ล้านแกลลอนต่อวันจากน้ำพุบนภูเขาไปยังกรุงโรม
มารยาทภาพ Eric และ Edith Matson คอลเลกชันภาพถ่าย / แผนกภาพพิมพ์และหอสมุดรัฐสภา ท่อระบายน้ำโรมันที่ไหลจากสระโซโลมอน ไปยังกรุงเยรูซาเล็ม |
ก่อนที่จะมีรถไฟและรถยนต์ มีอุโมงค์ขนส่งเช่นคลอง ซึ่งเป็น ทางน้ำเทียมที่ใช้สำหรับการเดินทาง การขนส่ง หรือการชลประทาน เช่นเดียวกับทางรถไฟและถนนในทุกวันนี้ คลองมักจะไหลอยู่เหนือพื้นดิน แต่มีอุโมงค์จำนวนมากที่จำเป็นในการผ่านสิ่งกีดขวางอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น ภูเขา การก่อสร้างคลองเป็นแรงบันดาลใจให้อุโมงค์ที่เก่าแก่ที่สุดในโลก
คลองใต้ดินตั้งอยู่ในเขตแลงคาเชียร์และเมืองแมนเชสเตอร์ ประเทศอังกฤษ สร้างขึ้นในช่วงกลางถึงปลายทศวรรษ 1700 และมีอุโมงค์ยาวหลายไมล์เพื่อใช้เป็นที่เก็บคลองใต้ดิน อุโมงค์แห่งแรกของอเมริกาคืออุโมงค์พาวพาว ซึ่งสร้างขึ้นในเวสต์เวอร์จิเนียระหว่างปี พ.ศ. 2379 และ พ.ศ. 2393 โดยเป็นส่วนหนึ่งของคลองเชสพีกและโอไฮโอ แม้ว่าคลองจะไม่ไหลผ่านพาวพาวอีกต่อไป แต่ที่ความยาว 3,118 ฟุต ยังคงเป็นอุโมงค์คลองที่ยาวที่สุดแห่งหนึ่งในสหรัฐอเมริกา
มารยาทภาพ Kmf164 / Creation Commons Attribution Share-alike License เดินทางผ่านอุโมงค์ฮอลแลนด์จากแมนฮัตตันไปยังนิวเจอร์ซีย์ |
เมื่อถึงศตวรรษที่ 20 รถไฟและรถยนต์ได้เข้ามาแทนที่คลองเป็นรูปแบบหลักของการคมนาคมขนส่ง ซึ่งนำไปสู่การก่อสร้างอุโมงค์ที่ใหญ่และยาวขึ้น อุโมงค์ฮอลแลนด์ ซึ่งสร้างเสร็จในปี 2470 เป็นอุโมงค์ริมถนนสายแรกและยังคงเป็นหนึ่งในโครงการด้านวิศวกรรมที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในโลก อุโมงค์นี้ตั้งชื่อตามวิศวกรที่ควบคุมการก่อสร้าง มียานพาหนะเกือบ 100,000 คันต่อวันระหว่างนิวยอร์กซิตี้และนิวเจอร์ซีย์
การก่อสร้างอุโมงค์ต้องใช้การวางแผนอย่างมาก เราจะสำรวจว่าทำไมในหัวข้อถัดไป
การวางแผนอุโมงค์
แทบทุกอุโมงค์เป็นวิธีการแก้ปัญหาเฉพาะเจาะจง ในหลายกรณี ความท้าทายนั้นเป็นอุปสรรคที่ถนนหรือทางรถไฟต้องเลี่ยง อาจเป็นแหล่งน้ำ ภูเขา หรือเส้นทางคมนาคมอื่นๆ แม้แต่เมืองที่มีพื้นที่เปิดโล่งน้อยสำหรับการก่อสร้างใหม่ อาจเป็นอุปสรรคที่วิศวกรต้องขุดลงไปด้านล่างเพื่อหลีกเลี่ยง
เอื้อเฟื้อภาพโดย Japan Railway Public Corporation การก่อสร้างอุโมงค์ Seikan เกี่ยวข้องกับการต่อสู้ตลอด 24 ปีเพื่อเอาชนะความท้าทายที่เกิดจากหินนุ่มใต้ทะเล |
In the case of the Holland Tunnel, the challenge was an obsolete ferry system that strained to transport more than 20,000 vehicles a day across the Hudson River. For New York City officials, the solution was clear: Build an automobile tunnel under the river and let commuters drive themselves from New Jersey into the city. The tunnel made an immediate impact. On the opening day alone, 51,694 vehicles made the crossing, with an average trip time of just 8 minutes.
Sometimes, tunnels offer a safer solution than other structures. The Seikan Tunnel in Japan was built because ferries crossing the Tsugaru Strait often encountered dangerous waters and weather conditions. After a typhoon sank five ferryboats in 1954, the Japanese government considered a variety of solutions. They decided that any bridge safe enough to withstand the severe conditions would be too difficult to build. Finally, they proposed a railway tunnel running almost 800 feet below the sea surface. Ten years later, construction began, and in 1988, the Seikan Tunnel officially opened.
How a tunnel is built depends heavily on the material through which it must pass. Tunneling through soft ground, for instance, requires very different techniques than tunneling through hard rock or soft rock, such as shale, chalk or sandstone. Tunneling underwater, the most challenging of all environments, demands a unique approach that would be impossible or impractical to implement above ground.
That's why planning is so important to a successful tunnel project. Engineers conduct a thorough geologic analysis to determine the type of material they will be tunneling through and assess the relative risks of different locations. They consider many factors, but some of the most important include:
- Soil and rock types
- Weak beds and zones, including faults and shear zones
- Groundwater, including flow pattern and pressure
- Special hazards, such as heat, gas and fault lines
Often, a single tunnel will pass through more than one type of material or encounter multiple hazards. Good planning allows engineers to plan for these variations right from the beginning, decreasing the likelihood of an unexpected delay in the middle of the project.
Once engineers have analyzed the material that the tunnel will pass through and have developed an overall excavation plan, construction can begin. The tunnel engineers' term for building a tunnel is driving, and advancing the passageway can be a long, tedious process that requires blasting, boring and digging by hand.
In the next section, we'll look at how workers drive tunnels through soft ground and hard rock.
Tunnel Construction: Soft Ground and Hard Rock
Workers generally use two basic techniques to advance a tunnel. In the full-face method, they excavate the entire diameter of the tunnel at the same time. This is most suitable for tunnels passing through strong ground or for building smaller tunnels. The second technique, shown in the diagram below, is the top-heading-and-bench method. In this technique, workers dig a smaller tunnel known as a heading. Once the top heading has advanced some distance into the rock, workers begin excavating immediately below the floor of the top heading; this is a bench. One advantage of the top-heading-and-bench method is that engineers can use the heading tunnel to gauge the stability of the rock before moving forward with the project.
|
Notice that the diagram shows tunneling taking place from both sides. Tunnels through mountains or underwater are usually worked from the two opposite ends, or faces, of the passage. In long tunnels, vertical shafts may be dug at intervals to excavate from more than two points.
Now let's look more specifically at how tunnels are excavated in each of the four primary environments: soft ground, hard rock, soft rock and underwater.
Soft Ground (Earth)
Workers dig soft-ground tunnels through clay, silt, sand, gravel or mud. In this type of tunnel, stand-up time -- how long the ground will safely stand by itself at the point of excavation -- is of paramount importance. Because stand-up time is generally short when tunneling through soft ground, cave-ins are a constant threat. To prevent this from happening, engineers use a special piece of equipment called a shield. A shield is an iron or steel cylinder literally pushed into the soft soil. It carves a perfectly round hole and supports the surrounding earth while workers remove debris and install a permanent lining made of cast iron or precast concrete. When the workers complete a section, jacks push the shield forward and they repeat the process.
Marc Isambard Brunel, a French engineer, invented the first tunnel shield in 1825 to excavate the Thames Tunnel in London, England. Brunel's shield comprised 12 connected frames, protected on the top and sides by heavy plates called staves. He divided each frame into three workspaces, or cells, where diggers could work safely. A wall of short timbers, or breasting boards, separated each cell from the face of the tunnel. A digger would remove a breasting board, carve out three or four inches of clay and replace the board. When all of the diggers in all of the cells had completed this process on one section, powerful screw jacks pushed the shield forward.
|
In 1874, Peter M. Barlow and James Henry Greathead improved on Brunel's design by constructing a circular shield lined with cast-iron segments. They first used the newly-designed shield to excavate a second tunnel under the Thames for pedestrian traffic. Then, in 1874, the shield was used to help excavate the London Underground, the world's first subway. Greathead further refined the shield design by adding compressed air pressure inside the tunnel. When air pressure inside the tunnel exceeded water pressure outside, the water stayed out. Soon, engineers in New York, Boston, Budapest and Paris had adopted the Greathead shield to build their own subways.
Hard Rock
Tunneling through hard rock almost always involves blasting. Workers use a scaffold, called a jumbo, to place explosives quickly and safely. The jumbo moves to the face of the tunnel, and drills mounted to the jumbo make several holes in the rock. The depth of the holes can vary depending on the type of rock, but a typical hole is about 10 feet deep and only a few inches in diameter. Next, workers pack explosives into the holes, evacuate the tunnel and detonate the charges. After vacuuming out the noxious fumes created during the explosion, workers can enter and begin carrying out the debris, known as muck, using carts. Then they repeat the process, which advances the tunnel slowly through the rock.
Fire-setting is an alternative to blasting. In this technique, the tunnel wall is heated with fire, and then cooled with water. The rapid expansion and contraction caused by the sudden temperature change causes large chunks of rock to break off. The Cloaca Maxima, one of Rome's oldest sewer tunnels, was built using this technique.
The stand-up time for solid, very hard rock may measure in centuries. In this environment, extra support for the tunnel roof and walls may not be required. However, most tunnels pass through rock that contains breaks or pockets of fractured rock, so engineers must add additional support in the form of bolts, sprayed concrete or rings of steel beams. In most cases, they add a permanent concrete lining.
We'll look at tunnel driving through soft rock and driving underwater next.
Tunnel Construction: Soft Rock and Underwater
Photo courtesy City and County of Denver A TBM boring head showing the disk cutters |
การขุดอุโมงค์ผ่านหินนุ่มและการขุดอุโมงค์ใต้ดินต้องใช้วิธีการที่แตกต่างกัน การระเบิดในหินที่นุ่มและแน่น เช่น หินดินดานหรือหินปูนนั้นยากต่อการควบคุม แต่วิศวกรใช้เครื่องคว้านอุโมงค์ (TBM)หรือโมลเพื่อสร้างอุโมงค์แทน TBMs เป็นอุปกรณ์ขนาดมหึมามูลค่าหลายล้านดอลลาร์โดยมีแผ่นกลมที่ปลายด้านหนึ่ง แผ่นกลมหุ้มด้วย ใบมี ดจาน - ฟันตัดรูปสิ่ว จานเหล็ก หรือทั้งสองอย่างรวมกัน ขณะที่จานกลมหมุนช้าๆ ใบมีดจานจะหั่นเป็นหิน ซึ่งตกลงผ่านช่องว่างในหัวตัดไปยังระบบสายพานลำเลียง ระบบสายพานลำเลียงนำโคลนไปที่ด้านหลังของเครื่อง กระบอกไฮดรอลิกที่ติดอยู่กับกระดูกสันหลังของ TBM จะขับเคลื่อนไปข้างหน้าครั้งละสองสามฟุต
TBMs ไม่เพียงแต่เจาะอุโมงค์ แต่ยังให้การสนับสนุนอีกด้วย ในขณะที่เครื่องจักรกำลังขุด สว่านสองดอกที่อยู่ด้านหลังมีดเจาะเข้าไปในหิน จากนั้นคนงานจะปั๊มยาแนวเข้าไปในรูและติดโบลท์เพื่อยึดทุกอย่างเข้าที่จนกว่าจะสามารถติดตั้งซับในถาวรได้ TBM บรรลุสิ่งนี้ด้วยแขนยกขนาดใหญ่ที่ยกส่วนของเยื่อบุอุโมงค์เข้าที่
ได้รับความอนุเคราะห์จาก Department of Energy A TBM ที่ใช้ในการก่อสร้าง Yucca Mountain Repository ซึ่งเป็นสถานที่จัดเก็บปลายทางของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา |
อุโมงค์ ใต้น้ำ
ที่สร้างขึ้นข้ามพื้นแม่น้ำ อ่าว และแหล่งน้ำอื่นๆ ใช้วิธีการตัดและปิดซึ่งเกี่ยวข้องกับการจุ่มท่อลงในร่องลึกและปิดด้วยวัสดุเพื่อให้ท่อเข้าที่
การก่อสร้างเริ่มต้นด้วยการขุดร่องในก้นแม่น้ำหรือพื้นมหาสมุทร ส่วนท่อสำเร็จรูปแบบยาวทำจากเหล็กหรือคอนกรีตและปิดผนึกไว้เพื่อกันน้ำ ลอยไปที่ไซต์และจมลงในร่องลึกที่เตรียมไว้ จากนั้นนักประดาน้ำเชื่อมต่อส่วนต่างๆและถอดซีล น้ำส่วนเกินจะถูกสูบออกไป และอุโมงค์ทั้งหมดถูกปกคลุมด้วยวัสดุทดแทน
ภาพโดย Stephen Dawson / Creative Commons Attribution Share-alike License จุดสิ้นสุดของช่องอุโมงค์อังกฤษที่ Cheriton ใกล้ Folkestone ใน Kent |
อุโมงค์ที่เชื่อมระหว่างอังกฤษและฝรั่งเศส หรือที่รู้จักในชื่ออุโมงค์ช่องแคบ อุโมงค์ยูโร หรือช่องเนล วิ่งใต้ช่องแคบอังกฤษผ่านดินที่นิ่มและเป็นก้อน 32 ไมล์ แม้ว่าจะเป็นหนึ่งในอุโมงค์ที่ยาวที่สุดในโลก แต่ก็ใช้เวลาเพียงสามปีในการขุด ต้องขอบคุณ TBM ที่ล้ำสมัย เครื่องจักรขนาดใหญ่สิบเอ็ดเครื่องเคี้ยวผ่านก้นทะเลที่อยู่ใต้ช่องแคบ ทำไมมากมาย? เพราะจริงๆ แล้ว Chunnel ประกอบด้วยท่อคู่ขนานสามท่อ สองท่อที่บรรทุกรถไฟ และอีกท่อที่ทำหน้าที่เป็นอุโมงค์บริการ สอง TBM ที่วางอยู่บนปลายอีกด้านของอุโมงค์ขุดแต่ละท่อเหล่านี้ โดยพื้นฐานแล้ว TBM ของอังกฤษสามคนแข่งกับ TBM ของฝรั่งเศสสามคนเพื่อดูว่าใครจะไปถึงตรงกลางก่อน ส่วนที่เหลืออีกห้า TBMs ทำงานในประเทศ สร้างส่วนของอุโมงค์ที่วางอยู่ระหว่างพอร์ทัลและชายฝั่งตามลำดับ
มารยาทภาพ Eric และ Edith Matson คอลเลกชันภาพถ่าย / กองพิมพ์และภาพถ่ายของห้องสมุดรัฐสภา ภายในหอระบายอากาศในอุโมงค์ฮอลแลนด์ |
เว้นแต่อุโมงค์จะสั้น การควบคุมสิ่งแวดล้อมเป็นสิ่งสำคัญในการจัดหาสภาพการทำงานที่ปลอดภัยและเพื่อความปลอดภัยของผู้โดยสารหลังจากอุโมงค์เปิดดำเนินการ ปัญหาที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือการระบายอากาศ ซึ่งเป็นปัญหาที่เกิดจากก๊าซเสียที่เกิดจากรถไฟและรถยนต์ Clifford Holland กล่าวถึงปัญหาการระบายอากาศเมื่อเขาออกแบบอุโมงค์ที่มีชื่อของเขา วิธีแก้ปัญหาของเขาคือเพิ่มเลเยอร์เพิ่มเติมอีก 2 ชั้นด้านบนและด้านล่างอุโมงค์จราจรหลัก ชั้นบนจะกำจัดควันไอเสีย ในขณะที่ชั้นล่างจะสูบฉีดในที่ที่มีอากาศบริสุทธิ์ หอระบายอากาศขนาดใหญ่ 4 แห่ง โดยอยู่คนละฝั่งของแม่น้ำฮัดสัน 2 แห่ง มีพัดลมคอยเคลื่อนย้ายอากาศเข้าและออก พัดลมแปดสิบสี่ตัวซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 80 ฟุตสามารถเปลี่ยนอากาศได้อย่างสมบูรณ์ทุกๆ 90 วินาที
เราจะดูที่ "ขุดใหญ่" ต่อไป
The Big Dig
Now that we've looked at some of the general principles of tunnel building, let's consider an ongoing tunnel project that continues to make headlines, both for its potential and for its problems. The Central Artery is a major highway system running through the heart of downtown Boston, and the project that bears its name is considered by many to be one of the most complex -- and expensive -- engineering feats in American history. The "Big Dig" is actually several different projects in one, including a brand-new bridge and several tunnels. One key tunnel, completed in 1995, is the Ted Williams Tunnel. It dives below the Boston Harbor to take Interstate 90 traffic from South Boston to Logan Airport. Another key tunnel is located below the Fort Point Channel, a narrow body of water used long ago by the British as a toll collection point for ships.
Before we look at some of the techniques used in the construction of these Big Dig tunnels, let's review why Boston officials decided to undertake such a massive civil-engineering project in the first place. The biggest issue was the city's nightmarish traffic. Some studies indicated that, by 2010, Boston's rush hour could last almost 16 hours a day, with dire consequences both for commerce and quality of life for residents. Clearly, something had to be done to relieve traffic congestion and make it easier for commuters to navigate the city. In 1990, Congress allocated $755 million to the massive highway improvement project, and a year later, the Federal Highway Administration gave its approval to move ahead.
Photo courtesy Massachusetts Turnpike Authority The Ted Williams Tunnel |
The Big Dig kicked off in 1991 with construction of the Ted Williams Tunnel. This underwater tunnel took advantage of tried-and-true tunneling techniques used on many different tunnels all over the world. Because the Boston Harbor is fairly deep, engineers used the cut-and-cover method. Steel tubes, 40 feet in diameter and 300 feet long, were towed to Boston after workers made them in Baltimore. There, workers finished each tube with supports for the road, enclosures for the air-handling passages and utilities and a complete lining. Other laborers dredged a trench on the harbor floor. Then, they floated the tubes to the site, filled them with water and lowered them into the trench. Once anchored, a pump removed the water and workers connected the tubes to the adjoining sections.
The Ted Williams Tunnel officially opened in 1995 -- one of the few aspects of the Big Dig completed on time and within the proposed budget. By 2010, it is expected to carry about 98,000 vehicles a day.
A few miles west, Interstate 90 enters another tunnel that carries the highway below South Boston. Just before the I-90/I-93 interchange, the tunnel encounters the Fort Point Channel, a 400-foot-wide body of water that provided some of the biggest challenges of the Big Dig. Engineers couldn't use the same steel-tube approach they employed on the Ted Williams Tunnel because there wasn't enough room to float the long steel sections under bridges at Summer Street, Congress Street and Northern Avenue. Eventually, they decided to abandon the steel-tube concept altogether and go with concrete tunnel sections, the first use of this technique in the United States.
The problem was fabricating the concrete sections in a way that allowed workers to move into position in the channel. To solve the problem, workers first built an enormous dry dock on the South Boston side of the channel. Known as the casting basin, the dry dock measured 1,000 feet long, 300 feet wide and 60 feet deep -- big enough to construct the six concrete sections that would make up the tunnel. The longest of the six tunnel sections was 414 feet long, the widest 174 feet wide. All were about 27 feet high. The heaviest weighed more than 50,000 tons.
|
The completed sections were sealed watertight at either end. Then workers flooded the basin so they could float out the sections and position them over a trench dredged on the bottom of the channel. Unfortunately, another challenge prevented engineers from simply lowering the concrete sections into the trench. That challenge was the Massachusetts Bay Transportation Authority's Red Line subway tunnel, which runs just under the trench. The weight of the massive concrete sections would damage the older subway tunnel if nothing were done to protect it. So engineers decided to prop up the tunnel sections using 110 columns sunk into the bedrock. The columns distribute the weight of the tunnel and protect the Red Line subway, which continues to carry 1,000 passengers a day.
Photo courtesy City and County of Denver The tunnel-jacking process |
The Big Dig features other tunneling innovations, as well. For one portion of the tunnel running beneath a railroad yard and bridge, engineers settled on tunnel-jacking, a technique normally used to install underground pipes. Tunnel-jacking involves forcing a huge concrete box through the dirt. The top and bottom of the box support the soil while the earth inside the box was removed. Once it was empty, hydraulic jacks pushed the box against a concrete wall until the entire thing slid forward five feet. Workers then installed spacer tubes in the newly-created gap. By repeating this process over and over, engineers were able to advance the tunnel without disturbing the structures at the surface.
วันนี้ 98 เปอร์เซ็นต์ของการก่อสร้างที่เกี่ยวข้องกับ Big Dig เสร็จสมบูรณ์แล้ว และราคาก็มากกว่า 14 พันล้านดอลลาร์ แต่ผลตอบแทนสำหรับผู้ที่สัญจรไปมาในบอสตันน่าจะคุ้มค่ากับการลงทุน Central Artery ยกระดับแบบเก่ามีเพียง 6 เลนและได้รับการออกแบบให้บรรทุกได้ 75,000 คันต่อวัน ทางด่วนใต้ดินสายใหม่นี้มี 8 ถึง 10 ช่องจราจร และจะบรรทุกได้ประมาณ 245,000 คันต่อวันภายในปี 2010 ผลที่ได้คือชั่วโมงเร่งด่วนในเมืองปกติซึ่งกินเวลาสองชั่วโมงในช่วงเช้าและเย็น
หากต้องการดูว่า Big Dig เปรียบเทียบกับโครงการอุโมงค์อื่นๆ อย่างไร โปรดดูตารางด้านล่าง
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(16 กม.) |
|
|
|
อนาคตของการขุดอุโมงค์
ในขณะที่เครื่องมือของพวกเขาพัฒนาขึ้น วิศวกรยังคงสร้างอุโมงค์ที่ยาวและใหญ่ขึ้นต่อไป เมื่อเร็วๆ นี้ เทคโนโลยีการถ่ายภาพขั้นสูงได้เปิดให้สแกนภายในโลกโดยการคำนวณว่าคลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านพื้นดินอย่างไร เครื่องมือใหม่นี้ให้ภาพรวมที่แม่นยำของสภาพแวดล้อมที่เป็นไปได้ของอุโมงค์ โดยแสดงประเภทของหินและดิน ตลอดจนความผิดปกติทางธรณีวิทยา เช่น รอยเลื่อนและรอยแยก
ในขณะที่เทคโนโลยีดังกล่าวสัญญาว่าจะปรับปรุงการวางแผนอุโมงค์ ความก้าวหน้าอื่น ๆ จะเร่งการขุดค้นและการสนับสนุนภาคพื้นดิน เครื่องเจาะอุโมงค์รุ่นต่อไปจะสามารถตัดโคลนได้ 1,600 ตันต่อชั่วโมง วิศวกรยังทดลองกับวิธีการตัดหินแบบอื่นๆ ที่ใช้ประโยชน์จากเครื่องฉีดน้ำ แรงดัน สูงเลเซอร์หรืออัลตราโซนิก และวิศวกรเคมีก็กำลังทำงานเกี่ยวกับคอนกรีตชนิดใหม่ที่แข็งตัวได้เร็วกว่าเพราะใช้เรซินและโพลีเมอร์อื่นๆ แทนซีเมนต์
ด้วยเทคโนโลยีและเทคนิคใหม่ๆ อุโมงค์ที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้แม้แต่เมื่อ 10 ปีที่แล้วก็ดูเหมือนจะทำได้ในทันใด หนึ่งในอุโมงค์ดังกล่าวคืออุโมงค์ข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกที่เสนอซึ่งเชื่อมต่อนิวยอร์กกับลอนดอน อุโมงค์ยาว 3,100 ไมล์นี้จะเป็นบ้านของรถไฟที่ลอยด้วยสนามแม่เหล็กซึ่งเดินทาง 5,000 ไมล์ต่อชั่วโมง เวลาเดินทางโดยประมาณคือ 54 นาที ซึ่งสั้นกว่าเที่ยวบินข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกโดยเฉลี่ยเกือบเจ็ดชั่วโมง
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมมากมายเกี่ยวกับอุโมงค์ข้อมูลและหัวข้อที่เกี่ยวข้อง โปรดดูที่ลิงก์ในหน้าถัดไป
ข้อมูลเพิ่มเติมมากมาย
บทความที่เกี่ยวข้อง
- สะพานทำงานอย่างไร
- เหล็กและเหล็กกล้าทำงานอย่างไร
- วิธีการทำงานของตึกระฟ้า
- ทำไมภายในอุโมงค์จึงมักปูด้วยกระเบื้องเซรามิก?
- จะเกิดอะไรขึ้นถ้าฉันเจาะอุโมงค์ผ่านใจกลางโลกแล้วกระโดดลงไป
- ทำไมสะพานน้ำแข็งก่อนทางหลวงที่เหลือ?
ลิงค์ที่ยอดเยี่ยมเพิ่มเติม
- ตึกใหญ่
- การค้นพบ: Extreme Engineering
- อำนาจทางด่วนของรัฐแมสซาชูเซตส์: Big Dig
- Chesapeake Bay Bridge-อุโมงค์
- การท่าเรือนิวยอร์กและนิวเจอร์ซีย์: อุโมงค์ฮอลแลนด์
แหล่งที่มา
- ตึกใหญ่
http://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/ - วิศวกรรม ขั้นสูง
http://dsc.discovery.com/convergence/engineering/archives/archives.html - กุนเดอร์เซ่น, พี. เอริค. "สมุดคำตอบฟิสิกส์ที่มีประโยชน์" Visible Ink Press, Michigan, 1995
- ลันดุส, ปีเตอร์. "เชื่อมพรมแดนในสแกนดิเนเวีย" Scientific American Presents: The Tall, the Deep, the Long, 1999
- แมคคอเลย์, เดวิด. "อาคารใหญ่: คู่หูสู่ซีรีส์ PBS" วอลเตอร์ ลอแรน บุ๊คส์ นิวยอร์ก ค.ศ. 2000
- อำนาจทางด่วนของรัฐแมสซาชูเซตส์
http://www.masspike.com/bigdig/index.html - Patel, Mukul และ Michael Wright, เอ็ด. "วันนี้ทำงานอย่างไร" สำนักพิมพ์คราวน์, นิวยอร์ก, 2000.
- ซิเลรี, บ๊อบ. "ยักษ์ใต้พิภพ" วิทยาศาสตร์ยอดนิยม มิถุนายน 2545
http://www.popsci.com/popsci/automotivetech/
a0703bcc2eb84010vgnvcm1000004eebccdrcrd.html - "สัตว์ประหลาดอุโมงค์ในที่ทำงาน" วิทยาศาสตร์ยอดนิยม
http://www.popsci.com/popsci/technology/generaltechnology/
0e1877530caf9010vgnvcm10000004eecbccdrcrd.html - วิซาร์ด, แฟรงค์. "The Big Dig" Popular Science, มิถุนายน 2544, หน้า 53-57.
