เครื่องเจาะอุโมงค์ยักษ์ผู้สร้างทางหลวงใต้น้ำของฮ่องกง

สร้างถนนใต้ทะเล

เมื่อวันที่ 27 ธันวาคม 2020 ฮ่องกงเปิดเส้นทางสัญจรสายใหม่ในรูปแบบที่ไม่เคยมีมาก่อน อุโมงค์เชื่อมต่อทางเหนือของเส้นทางถุนเหมิน–เช็กแล็ปก๊อก ตัดผ่านใต้ท้องทะเลเพื่อเชื่อมเขตนิวเทอร์ริทอรีส์ทางตะวันตกเฉียงเหนือกับท่าอากาศยานนานาชาติฮ่องกงและสะพานฮ่องกง–จูไห่–มาเก๊า หัวใจสำคัญของโครงการคือ Herrenknecht Mixshield S-880 เครื่องเจาะอุโมงค์ชื่อฉินเหลียงอวี้ ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางโล่เครื่องเจาะ 17.63 เมตร เครื่องนี้ยังครองสถิติโลกกินเนสส์ในฐานะเครื่องเจาะอุโมงค์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางโล่ใหญ่ที่สุด มันยาวกว่าสนามฟุตบอล หนักกว่าเรือส่วนใหญ่ และสร้างขึ้นให้ทำงานภายใต้แรงดันที่สามารถบดขยี้อุปกรณ์ทั่วไปได้ อุโมงค์ที่เครื่องนี้ขุดขึ้นปัจจุบันเป็นอุโมงค์ถนนใต้น้ำที่ลึก ยาว และกว้างที่สุดในฮ่องกง เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางยาว 9 กิโลเมตรที่ใช้งบประมาณราว 18,200 ล้านดอลลาร์ฮ่องกง หรือประมาณ 2,300 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

โครงการนี้ไม่ได้มีเป้าหมายแค่สร้างสถิติ แต่เป็นคำตอบสำหรับเมืองที่ต้องการการเดินทางเชื่อมต่อระหว่างผืนดิน ทะเล และท้องฟ้าที่ดีขึ้น อุโมงค์คู่ยาวใต้น้ำรวมประมาณ 5 กิโลเมตรต้องลอดใต้ช่องทางเดินเรือ ชั้นโคลนอ่อนใต้ทะเล และระบบนิเวศชายฝั่งที่เปราะบาง หากใช้วิธีก่อสร้างแบบเก่า การสร้างอุโมงค์ลักษณะนี้จะต้องขุดลอกครั้งใหญ่ กระทบการสัญจรทางทะเล และเผชิญข้อขัดแย้งด้านสิ่งแวดล้อมนานหลายปี ทางออกคือเครื่องจักรที่ผลิตในเยอรมนีเพียงเครื่องเดียว ซึ่งขุดดิน พยุงผนัง และติดตั้งวัสดุบุอุโมงค์ได้ในขณะเคลื่อนไปข้างหน้า

เหตุใดเครื่องจักรจึงต้องมีขนาดใหญ่

การเลือกใช้โล่เครื่องเจาะขนาด 17.63 เมตรมีที่มาจากสภาพชั้นดิน ไม่ใช่เพียงความทะเยอทะยานทางวิศวกรรม ระหว่างถุนเหมินกับเช็กแล็ปก๊อก ใต้ท้องทะเลมีชั้นตะกอนทะเลและดินเหนียวที่พัดพามาตามลำน้ำหนาสูงสุด 30 เมตร ดินเหล่านี้อ่อนมากและอิ่มน้ำ ทำให้การขุดอุโมงค์ขาดเสถียรภาพ ในบางจุด ชั้นหินพื้นอยู่ลึกลงไปราว 90 เมตรจากระดับน้ำทะเล เครื่องเจาะอุโมงค์ทั่วไปจะรับมือได้ยากทั้งน้ำที่ทะลักเข้าและดินที่พังถล่ม โครงการจึงต้องใช้เครื่องแบบ Mixshield ซึ่งรักษาสมดุลแรงดันบริเวณหน้าขุดด้วยส่วนผสมของโคลนเหลวและอากาศอัดที่ควบคุมได้

ขนาดเครื่องยังมาจากความต้องการด้านการจราจรด้วย อุโมงค์ที่วางแผนไว้ต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 15.6 เมตร เพื่อรองรับช่องจราจรทางหลวงสองช่องต่อทิศทาง รวมถึงพื้นที่เพื่อความปลอดภัย ท่อระบายอากาศ ระบบไฟฟ้า และทางเข้าบำรุงรักษา เนื่องจากเครื่องเจาะจะติดตั้งชิ้นส่วนผนังคอนกรีตสำเร็จรูปขณะเคลื่อนไปข้างหน้า เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของอุโมงค์จึงต้องใหญ่กว่าด้านใน เมื่อนับความหนาของวงแหวนผนังอุโมงค์ เปลือกส่วนท้าย และหัวตัดแล้ว จึงต้องใช้โล่เครื่องเจาะเส้นผ่านศูนย์กลาง 17.63 เมตร ซึ่งใกล้เคียงกับความสูงของอาคารหกชั้นที่หมุนอยู่ใต้ดิน ฉินเหลียงอวี้ได้รับการออกแบบให้มีขนาดพอดีกับโครงสร้างนี้

Mixshield ป้องกันแรงดันจากท้องทะเลได้อย่างไร

เครื่องเจาะอุโมงค์มักถูกเรียกว่าเครื่องเจาะขนาดยักษ์ แต่ S-880 ทำงานคล้ายโรงงานใต้น้ำที่เคลื่อนที่ได้มากกว่า ด้านหน้ามีหัวตัดหมุนเพื่อขูดดินและหินจากหน้าขุด ด้านหลังหัวตัดเป็นห้องขุดที่บรรจุโคลนเบนโทไนต์ ซึ่งเป็นของเหลวข้นคล้ายดินเหนียว พร้อมเบาะอากาศอัด โคลนเหลวจะดันหน้าขุดไว้เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำทะเลและโคลนทะลักเข้าเครื่อง ส่วนอากาศอัดเหนือโคลนช่วยให้ผู้ควบคุมปรับแรงดันได้อย่างละเอียด เมื่อหัวตัดเคลื่อนไปข้างหน้า วัสดุที่ขุดได้จะผสมกับโคลนเหลวและถูกสูบผ่านท่อไปยังโรงแยกบนพื้นดิน ที่นั่น เครื่องจักรจะแยกอนุภาคดินออกและส่งเบนโทไนต์ที่สะอาดกลับลงไปใต้ดิน

ขณะที่ส่วนหน้าของเครื่องคอยต้านแรงดันดิน ส่วนท้ายก็ติดตั้งผนังอุโมงค์ แขนติดตั้งชิ้นส่วนแบบหุ่นยนต์ยกชิ้นส่วนคอนกรีตโค้งมาประกอบเป็นวงแหวนซึ่งจะกลายเป็นผนังอุโมงค์ วงแหวนแต่ละวงช่วยพยุงดินโดยรอบและสร้างช่องทรงกระบอกเรียบสำหรับติดตั้งถนน ไฟ และระบบระบายอากาศในภายหลัง ทุกระบบต้องทำงานประสานกัน ทั้งแรงดัน การสูบ โครงสร้างทางเคมีของโคลน แรงดันขับเคลื่อนระบบไฮดรอลิก การส่งชิ้นส่วน และการสำรวจแนวอุโมงค์ หากส่วนใดส่วนหนึ่งช้าลง การทำงานทั้งหมดก็ต้องหยุด แนวทางแบบบูรณาการนี้เปลี่ยนเครื่องจักรเครื่องเดียวให้กลายเป็นสายการผลิตที่ครบวงจร

แรงดันมหาศาลใต้ทะเล

แรงดันน้ำที่หน้าขุดสูงถึง 5 บาร์ หรือห้าเท่าของแรงดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล เทียบได้กับแรงดันที่นักดำน้ำจะเผชิญที่ความลึกราว 50 เมตร รายงานอย่างเป็นทางการจากสำนักข่าวรัฐบาลฮ่องกงบรรยายสภาพการทำงานไว้ดังนี้:

ส่วนที่ลึกที่สุดของอุโมงค์ถุนเหมิน–เช็กแล็ปก๊อกอยู่ต่ำกว่าระดับน้ำทะเลประมาณ 60 เมตร และคนงานผู้เชี่ยวชาญด้านงานในสภาพแรงดันสูงต้องเผชิญแรงดันเกือบหกเท่าของแรงดันที่ผิวน้ำ

เพื่อให้คนงานปลอดภัยขณะรักษาแรงดันบริเวณหัวตัด S-880 ใช้ห้องปรับแรงดัน ห้องปิดผนึกเหล่านี้ช่วยให้บุคลากรค่อย ๆ เคลื่อนจากแรงดันบรรยากาศปกติเข้าสู่ห้องขุดที่มีแรงดันสูง การบำรุงรักษาเครื่องมือตัด การตรวจสอบ และการซ่อมแซม จำเป็นต้องใช้คนงานที่ผ่านการฝึกให้เข้าไปในเขตแรงดันสูง ปฏิบัติตามระเบียบเวชศาสตร์ความดันสูงอย่างเคร่งครัด และลดแรงดันอย่างช้า ๆ เพื่อป้องกันโรคน้ำหนีบ เวลาที่สัมผัสแรงดันถูกจำกัด และต้องมีแพทย์กำกับดูแล สภาพการทำงานทำให้การบำรุงรักษาอุโมงค์ตามปกติกลายเป็นงานที่คล้ายกับการดำน้ำ

ปรับขนาดโดยไม่ต้องกลับขึ้นสู่ผิวน้ำ

ช่วงที่แปลกใหม่ที่สุดของโครงการเกิดขึ้นหลังขุดไปได้ 650 เมตรแรก โครงสร้างทางเข้าอุโมงค์ด้านเหนือจำเป็นต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 17.6 เมตร ฉินเหลียงอวี้จึงเริ่มต้นด้วยขนาดเต็ม หลังพ้นช่วงเปลี่ยนผ่าน เส้นทางใต้น้ำที่เหลือสามารถสร้างด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 14 เมตรได้ แทนที่จะลากเครื่องจักรขึ้นสู่ผิวน้ำและเริ่มใช้เครื่องเจาะเครื่องที่สอง วิศวกรปรับเปลี่ยน S-880 ภายในอุโมงค์เอง โดยถอดชิ้นส่วนภายนอกของโล่ขนาด 17.6 เมตร ปรับระบบภายใน และติดตั้งโล่ขนาด 14 เมตรชุดใหม่ ขณะที่เครื่องยังคงอยู่ใต้ท้องทะเล

การลดขนาดโล่ภายในอุโมงค์เช่นนี้เกิดขึ้นได้ยากมาก การดำเนินงานต้องทำภายใต้แรงดันทะเล ในพื้นที่จำกัดและไม่มีทางเข้าถึงแสงแดดโดยตรง เมื่อปรับเปลี่ยนเสร็จ เครื่องจักรเดิมก็ขุดอุโมงค์ส่วนที่เหลือต่อไป โดยทำงานร่วมกับเครื่อง Herrenknecht ขนาด 14 เมตรอีกเครื่องหนึ่ง เครื่องทั้งสองเจาะทะลุถึงกันเมื่อวันที่ 27 กุมภาพันธ์ 2019 ส่วนอุโมงค์ช่วงเส้นผ่านศูนย์กลาง 17.63 เมตรขุดระหว่างวันที่ 25 มีนาคมถึง 3 พฤศจิกายน 2015 ก่อนดำเนินการปรับเปลี่ยน กระบวนการนี้ได้รับการบันทึกว่าเป็นความก้าวหน้าที่สามารถนำไปใช้กับโครงการในอนาคตซึ่งต้องใช้อุโมงค์ขนาดต่างกันภายในแนวขุดเดียว

นวัตกรรมในการสร้างทางเชื่อมระหว่างอุโมงค์

อุโมงค์ถนนที่มีสองช่องทางมักต้องมีทางเชื่อมขวาง ซึ่งเป็นทางเดินเชื่อมขนาดเล็กสำหรับอพยพและบำรุงรักษาระหว่างอุโมงค์หลักทั้งสองช่อง โครงการเชื่อมต่อถุนเหมิน–เช็กแล็ปก๊อกต้องสร้างทางเชื่อมเหล่านี้ 57 แห่ง โดยแรงดันในบริเวณดังกล่าวสูงถึง 5.8 บาร์ เกินเกณฑ์ 3.6 บาร์ที่ Herrenknecht แนะนำให้ใช้ช่างดำน้ำมืออาชีพทำงานในห้องแรงดันสูง วิธีที่ใช้กันทั่วไปในอุโมงค์ใต้น้ำบางแห่งคือการแช่แข็งดิน ซึ่งช่วยพยุงพื้นดินด้วยการทำให้น้ำในดินกลายเป็นน้ำแข็ง แต่วิธีดังกล่าวจะใช้เวลานานและมีความเสี่ยงในชั้นดินเหนียวอ่อนใต้ทะเลที่อิ่มน้ำ

ทีมงานเลือกใช้เครื่องเจาะอุโมงค์โคลนเหลวขนาดเล็กเส้นผ่านศูนย์กลาง 3.6 เมตร ซึ่งถือเป็นครั้งแรกของโลกในการสร้างทางเชื่อมระหว่างอุโมงค์ภายใต้แรงดันสูงเช่นนี้ เครื่องขนาดเล็กเจาะผ่านผนังระหว่างอุโมงค์หลักสองช่อง ขณะที่ระบบโคลนเหลวโดยรอบควบคุมแรงดันไว้ วิธีนี้ไม่ต้องแช่แข็งดิน ช่วยลดเวลาก่อสร้าง และจำกัดความเสี่ยงในสภาพแวดล้อมที่น้ำทะเล ดินเหนียวอ่อน และแรงดันสูงสุดขั้วมารวมกันจนทำให้พื้นที่ทำงานเป็นอันตราย

ความเร็ว รางวัล และประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อม

แม้จะซับซ้อน แต่ S-880 เคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็ว อัตราความก้าวหน้าสูงสุดต่อวันอยู่ที่ 30 เมตร และสถิติรายสัปดาห์อยู่ที่ 167.2 เมตร ตัวเลขเหล่านี้สะท้อนทั้งกำลังของเครื่องจักรและการประสานงานด้านโลจิสติกส์ที่จำเป็นเพื่อส่งชิ้นส่วนคอนกรีต เบนโทไนต์ และอะไหล่มายังเครื่องอย่างต่อเนื่อง สมาคมวิศวกรเครื่องกลแห่งอเมริการะบุว่าเครื่องจักรมีกำลังขับ 5,600 กิโลวัตต์ และขุดไปข้างหน้าได้ประมาณ 30 เมตรต่อวันในชั้นดินและหินที่อิ่มน้ำ

โครงการได้รับรางวัล ITA Tunnelling Award ในปี 2019 จากสมาคมอุโมงค์และพื้นที่ใต้ดินนานาชาติ เพื่อยกย่องนวัตกรรมทางเทคนิคที่ใช้ระหว่างการก่อสร้าง อีกหนึ่งวิธีที่ได้รับรางวัลคือระบบเขื่อนกั้นน้ำแบบเคลื่อนที่คล้ายตีนตะขาบ ซึ่งใช้ในโครงสร้างทางเข้าอุโมงค์ด้านเหนือ เป็นทางเลือกแทนผนังไดอะแฟรมแบบทั่วไปในชั้นดินที่อ่อนมาก เหตุผลด้านสิ่งแวดล้อมก็สำคัญไม่แพ้กัน กรมทางหลวงฮ่องกงเขียนไว้ในบทความด้านวิศวกรรมว่า:

การใช้เครื่องเจาะอุโมงค์แทนวิธีท่อจมแบบดั้งเดิมช่วยลดการขุดลอกและการกำจัดตะกอนทะเลได้ประมาณ 11 ล้านลูกบาศก์เมตร หรือเทียบเท่าความจุของสระว่ายน้ำมาตรฐาน 4,900 สระ และช่วยลดผลกระทบต่อโลมาขาวจีนและสิ่งมีชีวิตทางทะเลอื่น ๆ

บันทึกอย่างเป็นทางการฉบับเดียวกันระบุว่า วิธีนี้ลดการรบกวนการเดินเรือขนาดใหญ่ตามแนวถนนเออร์มสตัน และไม่จำเป็นต้องย้ายแนวสายเคเบิลไฟฟ้าใต้น้ำเดิมที่จ่ายไฟให้สนามบิน เส้นทางเชื่อมต่อด้านเหนือเปิดให้รถสัญจรเมื่อวันที่ 27 ธันวาคม 2020 ส่วนเส้นทางเชื่อมต่อด้านใต้เริ่มเปิดใช้ไปแล้วในปี 2018 ทำให้เส้นทางนี้เชื่อมเข้ากับเครือข่ายสะพานฮ่องกง–จูไห่–มาเก๊าที่กว้างขึ้น

สถิติที่ยังคงนิยามยุคสมัย

S-880 ฉินเหลียงอวี้ไม่ได้เป็นเครื่องจักรที่ทรงพลังที่สุดในทุกหมวดทางเทคนิคอีกต่อไป ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีเครื่องเจาะอุโมงค์จากจีนและต่างประเทศรุ่นใหม่ ๆ ที่ให้แรงขับมากกว่า ระบบอัตโนมัติสูงกว่า หรือมีการออกแบบหัวตัดในรูปแบบอื่น แต่กินเนสส์ยังคงรับรองฉินเหลียงอวี้ในฐานะเจ้าของสถิติด้านเส้นผ่านศูนย์กลางโล่ และโครงการที่เครื่องนี้ก่อสร้างเสร็จก็ยังน่าทึ่ง มีเครื่องจักรเพียงไม่กี่เครื่องที่ผสานเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ แรงดันใต้น้ำลึก และการปรับเปลี่ยนโล่ภายในอุโมงค์ไว้ในการขุดต่อเนื่องครั้งเดียว

เครื่องจักรนี้ยังสะท้อนการเปลี่ยนแปลงในวงกว้างของวิธีที่เมืองชายฝั่งสร้างโครงสร้างพื้นฐาน เมื่อท่าเรือ สนามบิน และเขตมหานครมีความหนาแน่นมากขึ้น นักวางผังเมืองจึงมองหาเส้นทางใหม่ใต้ดินและใต้น้ำ เครื่องจักรขนาดมหึมาอย่าง S-880 ช่วยให้สร้างเส้นทางเหล่านั้นได้โดยรบกวนพื้นที่บนผิวน้ำน้อยลง ขุดลอกน้อยลง และลดผลกระทบต่อระบบนิเวศเมื่อเทียบกับวิธีเก่า เครื่องจักรเหล่านี้มีราคาแพง ใช้พลังงานสูง และต้องอาศัยความเชี่ยวชาญทางเทคนิค แต่ช่วยเพิ่มขีดความสามารถโดยไม่ต้องเปลี่ยนแนวชายฝั่งให้กลายเป็นพื้นที่ก่อสร้างเพิ่มขึ้น

ฉินเหลียงอวี้ตั้งชื่อตามแม่ทัพจีนสมัยราชวงศ์หมิง ซึ่งเกิดในปี 1574 และเป็นที่รู้จักในเรื่องความกล้าหาญและความภักดี ชื่อนี้เป็นไปตามธรรมเนียมเก่าแก่ในวงการวิศวกรรมใต้ดินที่ตั้งชื่อเครื่องเจาะอุโมงค์ขนาดใหญ่เป็นชื่อผู้หญิง ซึ่งสืบย้อนไปได้ถึงศตวรรษที่ 19 ในแง่นี้ เครื่องจักรได้นำทั้งประวัติศาสตร์และอนาคตเข้าไปสู่ชั้นหินใต้ฮ่องกง

ประเด็นสำคัญ

• Herrenknecht Mixshield S-880 ฉินเหลียงอวี้ครองสถิติโลกกินเนสส์ในฐานะเครื่องเจาะอุโมงค์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางโล่ใหญ่ที่สุด โดยมีขนาด 17.63 เมตร
• เครื่องจักรขุดอุโมงค์คู่ใต้น้ำยาว 5 กิโลเมตรของเส้นทางเชื่อมต่อถุนเหมิน–เช็กแล็ปก๊อก ซึ่งเปิดใช้ในเดือนธันวาคม 2020
• โครงการใช้งบประมาณราว 18,200 ล้านดอลลาร์ฮ่องกง และปัจจุบันเป็นอุโมงค์ถนนใต้น้ำที่ลึก ยาว และกว้างที่สุดในฮ่องกง
• เทคโนโลยี Mixshield ใช้โคลนเบนโทไนต์และอากาศอัดควบคุมแรงดันในชั้นดินอ่อนใต้ทะเลที่อิ่มน้ำ
• การทำงานเกิดขึ้นภายใต้แรงดันสูงสุด 5.8 บาร์ จึงต้องใช้ขั้นตอนปฏิบัติงานในสภาพแรงดันสูงและห้องปรับแรงดันสำหรับทีมบำรุงรักษา
• วิศวกรปรับเครื่องจักรจากขนาด 17.6 เมตรเป็น 14 เมตรภายในอุโมงค์ ซึ่งเป็นการลดขนาดโล่ในอุโมงค์ที่เกิดขึ้นได้ยาก
• เครื่องเจาะโคลนเหลวขนาดเล็กเส้นผ่านศูนย์กลาง 3.6 เมตรสร้างทางเชื่อมขวาง 57 แห่งภายใต้แรงดันสูง เป็นครั้งแรกของอุตสาหกรรม
• โครงการลดการขุดลอกได้ประมาณ 11 ล้านลูกบาศก์เมตร และลดผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตทางทะเลและเส้นทางเดินเรือ