วิศวกรจีนติดตั้งระบบก๊าซผสมสามชนิดระบบแรก สำหรับอุโมงค์รถไฟใต้น้ำที่ยาวที่สุดในโลก

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญใต้เกลียวคลื่น

จีนได้นำระบบขุดอุโมงค์แบบโล่ที่ใช้ก๊าซผสมสามชนิดระบบแรกของโลกมาใช้สนับสนุนการก่อสร้างอุโมงค์ใต้น้ำจินถัง ซึ่งเป็นเส้นทางรถไฟยาว 16.18 กิโลเมตร และจะกลายเป็นอุโมงค์รถไฟความเร็วสูงใต้น้ำที่ยาวที่สุดในโลก เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นในประเทศช่วยให้คนงานปฏิบัติงานได้อย่างปลอดภัยในสภาวะที่มีความดันสูงเกินขีดจำกัดเดิมอย่างมาก นับเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญด้านวิศวกรรมใต้ดิน ระบบนี้เริ่มใช้งานจริงในส่วนอุโมงค์ฝั่งโจวซาน ซึ่งทีมงานต้องเผชิญกับสภาพการก่อสร้างทางรถไฟที่ท้าทายที่สุดเท่าที่เคยมีมา อุปกรณ์นี้ผสมฮีเลียม ไนโตรเจน และออกซิเจนในสัดส่วนที่แม่นยำ เพื่อให้มนุษย์ดำรงชีวิตและมีสติพร้อมทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่แรงดันน้ำและดินสูงถึงระดับที่ปกติพบในการสำรวจทะเลลึก มากกว่าการขุดอุโมงค์

เบื้องหลังอุโมงค์รถไฟความเร็วสูงใต้น้ำที่ยาวที่สุด

อุโมงค์จินถังจะเชื่อมเมืองหนิงโปกับโจวซาน ผ่านเส้นทางน้ำที่มีการสัญจรหนาแน่นในมณฑลเจ้อเจียงทางตะวันออกของจีน เมื่อสร้างเสร็จ เส้นทางยาว 16.18 กิโลเมตรนี้จะครองสถิติอุโมงค์รถไฟความเร็วสูงใต้น้ำที่ยาวที่สุดในโลก โดยมีความยาวและความซับซ้อนเหนือกว่าเส้นทางรถไฟใต้ทะเลที่มีอยู่ โครงการนี้เป็นส่วนสำคัญของเครือข่ายคมนาคมขนาดใหญ่ที่มุ่งเชื่อมพื้นที่แผ่นดินใหญ่กับโจวซานให้แน่นแฟ้นยิ่งขึ้น เมืองหมู่เกาะแห่งนี้เผชิญข้อจำกัดด้านโลจิสติกส์มาอย่างยาวนานจากการที่ตั้งอยู่ห่างไกล ทั้งสำหรับผู้สัญจรและการขนส่งสินค้า

ทีมก่อสร้างฝั่งโจวซานรับผิดชอบงานขุดอุโมงค์ด้วยหัวเจาะแบบโล่ระยะทาง 6,270 เมตร ซึ่งต้องใช้เวลาหลายเดือนในการเจาะต่อเนื่องผ่านชั้นธรณีวิทยาที่หลากหลายใต้พื้นทะเล เครื่องขุดเจาะอุโมงค์แบบโล่ หรือที่เรียกว่าเครื่องเจาะอุโมงค์ (TBM) จะเจาะช่องทางเดินทรงกลมไปพร้อมกับติดตั้งโครงสร้างค้ำยันเพื่อป้องกันการพังทลาย เครื่องจักรขนาดมหึมาเหล่านี้ใช้หัวตัดหมุนบดผ่านหินและตะกอน แต่เครื่องมือตัดจะสึกหรอและต้องได้รับการตรวจสอบหรือเปลี่ยนเป็นประจำ การบำรุงรักษาภายในห้องอัดความดันที่อยู่ลึกลงไปใต้ระดับน้ำเป็นหนึ่งในงานที่อันตรายที่สุดในวิศวกรรมโยธา

เหตุใดวิธีดั้งเดิมจึงไปต่อไม่ได้

การทำงานในห้องแรงดันสูงพิเศษเป็นหนึ่งในความท้าทายที่รุนแรงที่สุดของอุตสาหกรรมขุดอุโมงค์แบบโล่ ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา ทีมงานใช้ระบบอากาศอัดเพื่อกันน้ำออกจากห้องขุด ขณะที่คนงานเข้าไปซ่อมบำรุงหัวตัด เทคนิคอากาศอัดแบบดั้งเดิมมีขีดจำกัดแรงดันเพื่อความปลอดภัยที่ยอมรับกันอยู่ที่ 0.5 เมกะปาสคาล หากเกินระดับนี้ ความเสี่ยงต่อโรคน้ำหนีบและอันตรายทางสรีรวิทยาอื่น ๆ จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จนการให้คนเข้าไปทำงานเป็นอันตรายเกินกว่าจะยอมรับได้

อย่างไรก็ตาม อุโมงค์จินถังท้าทายข้อจำกัดเดิมเหล่านั้น ช่วงที่ลึกที่สุดอยู่ต่ำกว่าระดับน้ำทะเล 78 เมตร ซึ่งแรงดันรวมจากน้ำและดินสูงถึง 0.85 เมกะปาสคาล หากนึกภาพตาม แรงดันนี้เทียบได้กับน้ำหนักราว 30 กิโลกรัมที่กดลงบนพื้นที่ไม่ใหญ่ไปกว่าเหรียญหนึ่งหยวน คนงานไม่อาจทนแรงดันระดับนี้ได้โดยใช้ขั้นตอนอากาศอัดมาตรฐาน โครงการจึงต้องใช้แนวทางใหม่โดยสิ้นเชิงในการพยุงชีพและควบคุมแรงดัน

ประยุกต์เทคโนโลยีจากใต้ทะเลลึก

เมื่อเผชิญอุปสรรคสุดขั้วนี้ ทีมก่อสร้างหันไปศึกษาการดำน้ำในทะเลลึก แทนที่จะใช้เทคโนโลยีเหมืองแร่ทั่วไป การดำน้ำแบบอิ่มตัวและระบบหายใจก๊าซผสมช่วยให้นักดำน้ำเชิงพาณิชย์ทำงานในระดับความลึกของมหาสมุทรที่อากาศอัดธรรมดาอาจเป็นอันตรายถึงชีวิต กฎทางสรีรวิทยาเดียวกันนี้ใช้ได้ทั้งกับคนงานที่ซ่อมโครงสร้างพื้นฐานบนแท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่ง และผู้ที่เปลี่ยนชิ้นส่วนสึกหรอบนหัวตัดอุโมงค์ซึ่งอยู่ใต้ดินหลายร้อยเมตร วิศวกรนำหลักการทางทะเลเหล่านี้มาปรับใช้เพื่อสร้างระบบก๊าซผสมสามชนิด ได้แก่ ฮีเลียม ไนโตรเจน และออกซิเจน ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับงานก่อสร้างอุโมงค์

ฮีเลียมคือส่วนผสมที่พลิกโฉมการทำงาน ต่างจากไนโตรเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของอากาศทั่วไป ฮีเลียมมีความหนาแน่นต่ำและแพร่ผ่านเนื้อเยื่อได้รวดเร็ว ภายใต้แรงดันสูง ก๊าซหายใจทั่วไปทำให้ไนโตรเจนละลายในกระแสเลือดในปริมาณที่เป็นอันตราย นำไปสู่ภาวะมึนเมาจากไนโตรเจน ซึ่งบางครั้งเรียกว่าอาการเคลิบเคลิ้มจากทะเลลึก ทำให้การตัดสินใจขุ่นมัวและตอบสนองช้าลง คนงานที่สับสนอยู่ใต้ดินหลายร้อยเมตรย่อมเป็นอันตรายต่อตนเองและเพื่อนร่วมงาน ส่วนออกซิเจนเองก็เป็นพิษได้เมื่อสูดดมที่ความดันย่อยสูงเป็นเวลานาน ฮีเลียมช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาทั้งสอง โดยเป็นตัวกลางที่ปลอดภัยกว่า ช่วยให้คนงานมีสติแจ่มใสและร่างกายคงที่ระหว่างทำงานในสภาพที่คล้ายพื้นมหาสมุทรลึก

การปรับเทคโนโลยีดำน้ำมาใช้กับงานขุดอุโมงค์สะท้อนแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นในวิศวกรรมโครงสร้างพื้นฐาน ซึ่งมีการนำแนวทางแก้ปัญหาจากต่างสาขามาประยุกต์ใช้มากขึ้น เทคโนโลยีที่ใช้ได้ผลกับนักดำน้ำบนแท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่ง เมื่อนำมาปรับอย่างรอบคอบ ก็สามารถปกป้องทีมก่อสร้างทางรถไฟที่ทำงานใต้ดินหลายร้อยเมตรได้ การผสานวิทยาศาสตร์ทางทะเลกับวิศวกรรมโยธาเช่นนี้อาจเป็นตัวกำหนดทิศทางโครงการใต้ดินรุ่นต่อไปในพื้นที่ชายฝั่งทั่วโลก

ระบบก๊าซผสมสามชนิดทำงานอย่างไร

อุปกรณ์ใหม่นี้ไม่ได้เป็นเพียงชุดถังก๊าซวางบนรถเข็น แต่ประกอบด้วยโมดูลหลักสองส่วน ได้แก่ ส่วนผสมก๊าซและส่วนจ่ายก๊าซ โดยมีโมดูลย่อยเฉพาะทาง 113 รายการสนับสนุน ซึ่งรวมถึงศูนย์กระจายก๊าซ ศูนย์จ่ายก๊าซ และอุปกรณ์ช่วยหายใจสำหรับคนงานแต่ละคน โครงสร้างแบบแยกส่วนนี้ช่วยให้ควบคุมส่วนผสมก๊าซที่ส่งให้คนงานแต่ละคนในห้องอัดความดันได้อย่างแม่นยำ

ระบบนี้รองรับการปฏิบัติงานในช่วงแรงดัน 0.5 ถึง 1 เมกะปาสคาล ขีดจำกัดสูงสุดดังกล่าวยังสูงกว่าแรงดันสูงสุด 0.85 เมกะปาสคาลในอุโมงค์จินถัง จึงมีระยะเผื่อความปลอดภัยสำหรับโครงการที่ท้าทายยิ่งขึ้นในอนาคต อัลกอริทึมผสมก๊าซจะปรับสัดส่วนฮีเลียม ไนโตรเจน และออกซิเจนแบบเรียลไทม์ให้สอดคล้องกับแรงดันโดยรอบบริเวณหัวตัด เพื่อให้คนงานได้รับส่วนผสมก๊าซหายใจที่เหมาะสม ไม่ว่าอุโมงค์จะลึกเพียงใด

ส่วนประกอบทุกชิ้นต้องทนต่อสภาพแวดล้อมน้ำเค็มที่กัดกร่อน แรงสั่นสะเทือนต่อเนื่องจากเครื่องเจาะ และแรงทางกลในสภาวะความดันสูง วิศวกรออกแบบระบบความปลอดภัยสำรองไว้ เพื่อไม่ให้ความขัดข้องของโมดูลย่อยเพียงชิ้นเดียวกระทบต่อระบบพยุงชีพของทีมงานทั้งหมด ทีมงานบนพื้นผิวสามารถติดตามอัตราการไหลของก๊าซ ระดับแรงดัน และสัญญาณชีพของคนงานแต่ละคนจากระยะไกล โดยไม่ต้องเข้าไปในห้องเอง

คุ้มครองคนงานในสภาวะสุดขั้ว

ความปลอดภัยยังคงเป็นข้อกังวลหลักทุกครั้งที่มนุษย์เข้าไปในห้องขุดที่มีแรงดันสูง ภาวะมึนเมาจากไนโตรเจนเป็นหนึ่งในภัยคุกคามที่แฝงตัวอยู่ในสภาพแวดล้อมแรงดันสูง ก๊าซเฉื่อยนี้จะละลายเข้าไปในเนื้อเยื่อประสาทภายใต้แรงดัน และทำให้เกิดอาการคล้ายมึนเมาจากแอลกอฮอล์ คนงานที่มีอาการอาจรู้สึกเคลิบเคลิ้มหรือสับสน เปลี่ยนงานบำรุงรักษาตามปกติให้กลายเป็นความเสี่ยงถึงชีวิต ฮีเลียมไม่ทำให้เกิดฤทธิ์มึนเมาเช่นนี้ จึงเป็นเหตุผลที่นักดำน้ำทะเลลึกและคนงานขุดอุโมงค์ในปัจจุบันเลือกใช้

ความเป็นพิษจากออกซิเจนเป็นอีกหนึ่งอันตราย แม้ออกซิเจนจำเป็นต่อชีวิต แต่การสูดดมที่ความดันย่อยสูงเป็นเวลานานอาจทำลายปอดและระบบประสาทส่วนกลางได้ ระบบก๊าซผสมสามชนิดจะเจือจางออกซิเจนด้วยฮีเลียมและควบคุมสัดส่วนของก๊าซแต่ละชนิดอย่างรอบคอบ เพื่อป้องกันการสะสมจนเป็นพิษ ขณะเดียวกันก็ยังจ่ายก๊าซในปริมาณเพียงพอให้คนงานทำงานใช้แรงได้อย่างเต็มที่

การลดความดันก็ต้องได้รับการจัดการอย่างรอบคอบเช่นกัน เมื่อสิ้นสุดกะ คนงานต้องผ่านขั้นลดความดันเป็นลำดับ เพื่อให้ก๊าซที่ละลายในร่างกายค่อย ๆ ออกมา การลดความดันอย่างรวดเร็วทำให้เกิดฟองก๊าซในเลือดและนำไปสู่โรคน้ำหนีบ ซึ่งเป็นภาวะเจ็บปวดและอาจถึงแก่ชีวิต ระบบก๊าซผสมรองรับตารางการลดความดันแบบควบคุม โดยปรับให้เหมาะกับปริมาณก๊าซที่สะสมระหว่างแต่ละกะ

ความหมายต่อโครงสร้างพื้นฐานทั่วโลก

การนำระบบขุดอุโมงค์แบบโล่ที่ใช้ก๊าซผสมสามชนิดของจีนมาใช้งานได้สำเร็จมีบทเรียนสำคัญสำหรับโครงการโครงสร้างพื้นฐานทั่วโลก เมืองชายฝั่งตั้งแต่โตเกียวถึงนิวยอร์กเผชิญแรงกดดันให้ขยายเครือข่ายขนส่งใต้ทางน้ำ แต่เส้นทางที่อาจเลือกได้หลายแห่งมีสภาพธรณีวิทยาคล้ายกับบริเวณใต้ทางเชื่อมหนิงโป-โจวซาน ความสามารถในการทำงานอย่างปลอดภัยที่แรงดันสูงถึง 1 เมกะปาสคาลช่วยเปิดทางให้สร้างเส้นทางที่ก่อนหน้านี้เป็นไปไม่ได้ ทำให้วิศวกรพิจารณาแนวเส้นทางที่ลึกและตรงกว่า ซึ่งช่วยลดเวลาเดินทางและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

ภายในประเทศ นวัตกรรมนี้ตอกย้ำบทบาทผู้นำของวิศวกรจีนในงานขุดอุโมงค์ขนาดใหญ่ จีนมีระบบขนส่งใต้ดินที่ทะเยอทะยานที่สุดแห่งหนึ่งของโลกอยู่แล้ว และเทคโนโลยีนี้ช่วยขจัดคอขวดสำคัญที่จำกัดการพัฒนารถไฟใต้น้ำ ภาคส่วนอื่นก็อาจได้รับประโยชน์เช่นกัน ทั้งเหมืองใต้ดิน การติดตั้งสายเคเบิลใต้ทะเล และโครงการขุดเจาะเพื่อวิทยาศาสตร์ ล้วนเกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมความดันสูง ซึ่งระบบพยุงชีพด้วยก๊าซผสมอาจมีประโยชน์

สำหรับอุโมงค์จินถังโดยเฉพาะ ระบบนี้ช่วยให้งานก่อสร้างช่วงโจวซานระยะทาง 6,270 เมตรดำเนินไปตามกำหนด โดยไม่ลดทอนความปลอดภัยของคนงานเพื่อเร่งความคืบหน้า เมื่อสร้างเสร็จ อุโมงค์จะช่วยลดเวลาเดินทางระหว่างแผ่นดินใหญ่กับหมู่เกาะอย่างมาก และสนับสนุนการบูรณาการทางเศรษฐกิจและการท่องเที่ยวทั่วมณฑลเจ้อเจียง

สรุปประเด็นสำคัญ

• จีนเริ่มใช้งานระบบขุดอุโมงค์แบบโล่ที่ใช้ก๊าซผสมสามชนิดซึ่งพัฒนาขึ้นในประเทศเป็นครั้งแรก ในโครงการอุโมงค์ใต้น้ำจินถัง มณฑลเจ้อเจียง
• อุโมงค์ยาว 16.18 กิโลเมตรนี้จะกลายเป็นอุโมงค์รถไฟความเร็วสูงใต้น้ำที่ยาวที่สุดในโลก เชื่อมหนิงโปกับโจวซาน
• วิธีใช้อากาศอัดแบบดั้งเดิมมีขีดจำกัดที่ 0.5 เมกะปาสคาล แต่ช่วงลึกที่สุดของอุโมงค์จินถังมีแรงดัน 0.85 เมกะปาสคาล ที่ระดับลึก 78 เมตรใต้ทะเล
• ระบบใหม่นำฮีเลียม ไนโตรเจน และออกซิเจนมาผสมกัน เพื่อสร้างสภาพการหายใจที่ปลอดภัยขึ้น และป้องกันภาวะมึนเมาจากไนโตรเจนกับความเป็นพิษจากออกซิเจนระหว่างทำงานที่แรงดันสูงพิเศษ
• วิศวกรปรับใช้เทคโนโลยีดำน้ำทะเลลึกเพื่อพัฒนาระบบนี้ ซึ่งรองรับการทำงานที่แรงดัน 0.5 ถึง 1 เมกะปาสคาล ผ่านโมดูลย่อยแบบบูรณาการ 113 รายการ