ساختار زمین در مسیر تونل عمیق از رسوبات دوره چهارم و عمدتاً از دانه های شن، سیلیت، رس( با خاصیت خمیری زیاد) و قلوه سنگ تشکیل شده است،تراز سطح آبهای زیرزمینی در مسیر تونل 10 متر تا 18 متر در تغییر است. به لحاظ گذر از زیربافت مسکونی و واقع شدن در محل های پر ازدحام وپرترافیک، حفاری با روشهای معمول کُند و پوش
CUT AND COVER))  و روش حفاری دستی ( NATM) سخت و امکان ناپذیر بود ونیاز به استفاده از روشهای مکانیزه حفاری بود که به تبع آن دو دستگاه حفار تمام مقطع TBM ـ   EPBباقطر 6،88 متر انتخاب گردید. این دو دستگاه قابلیت حفاری و نصب قطعات پیش ساخته بتنی را برای دیوار گذاری آن ( LINING) نیز دارد. با توجه به شرایط خاص زمین شناسی و عوامل مؤثر بر پروژه در یک سیکل کاری هر دستگاه قابلیت حفاری و رینگ گذاری 20 تا 25 طول را دارد.

مشخصات فنی دستگاههای حفار خط یک قطار شهری تبریز

 دستگاههای حفار تونل از نوع EPB ( Earth pressure balance ) می باشند. این نوع دستگاهها به طور معمول در خاک های ریز دانه و خاکهایی که دارای آب های زیر زمینی هستند کاربرد دارد. طراحی دستگاههای TBM براساس خاکهایی از نوع Soft ground می باشد.

در اوخر دهه 1970 حفاری تونل های کم عمق در مناطق شهری و خصوصا در خاک نرم با استفاده از ماشین های TBM از طریق کنترل کامل جبهه کار پیشرفت های قابل ملاحظه ای نمود. در جایی که استفاده از فن آوری های پیشین حفاری تونل منجر به اختلالات بسیاری در تأسیسات سطحی و ایجاد محیط کاری پرخطر برای کارگران در داخل تونل می شد، کنترل کامل جبهه کار تونل باعث افزایش ایمنی و کاهش اجرای پر دردسر تونل در خاکهای نرم گردید.

سپرهایی که از هوای فشرده جهت نگهداری جبهه کار تونل استفاده می کردند تنها فن آوری کنترل جبهه کار تونل قبل از ساخت TBMهای نوع دوغابی و نوع EPB بودند. به علّت مشکلات وخطراتی که برای پرسنل فنی داخل تونل ایجاد می شد استفاده از سپر هوای فشرده به تدریج منسوخ شد. امروزه عمدتا از انواع ماشین های TBM مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:

1ـ  ماشین حفاری تمام مقطع تونل از نوع متعادل کننده فشار زمین یا EPB- TBM

1ـ ماشین حفاری تمام مقطع تونل از نوع دوغابی یا SLURRY TBM

ترکیب دو ماشین فوق تحت عنوان سپر ترکیبی یا MIX SHIELD که قابلیت استفاده همزمان به صورت EPB و دوغابی را دارد، شناخته می شود.

در حالی که هر دو ماشین TBM نوع دوغابی و EPB قابلیت کنترل کامل جبهه کار تونل را دارند اما درنحوه کنترل و نگهداری جبهه کار تونل تفاوت زیربنایی دارند.

در روش متعادل کننده فشار زمین نگهداری مدوام جبهه کار تونل از طریق ایجاد تعادل بین فشار خارجی زمین و فشارآب در مقابل نیروی فشاری ماشین و نرخ خروج مصالح حفاری شده از ماشین انجام می گیرد.

TBM نوع دوغابی پایداری جبهه کار تونل را توسط دوغاب گل حفاری  تأمین می نماید. گِل حفاری (بنتونیت) یک نوع رُس است که در مجاورت آب متورم شده، دوغاب در خاک جبهه کار تونل نفوذ کرده و یک پوسته در اطراف جبهه کار تونل ایجاد می کند که باعث حفظ فشار بر جبهه کار تونل خواهد شد.

TBM های نوع  EPB   از منظر زیست محیطی بر TBM   های نوع دوغابی مزیت دارند. زیرا در این ماشینها نیاز به جداسازی و تخلیه دوغاب گل حفاری نمی باشد. معمولا در فضاهای داخل شهر و خصوصا در مترو از TBM های نوع EPB استفاده می شود.

از فوم برای بهسازی خاک در TBM های نوع EPB استفاده می کنند با تبدیل خاک به خمیر آبکی با اصطکاک داخلی کم و نفوذپذیری کم می توان راندمان حفاری را بالا بُرد. بهسازی خاک با فوم عموما باعث بهبود کنترل خاک ـ کاهش سایش ابزارهای بُرشی، کاهش چسبندگی در مسیر انتقال خاک و کاهش نفوذ پذیری را باعث می شود.

اجزای اصلی دستگاههای TBM از نوع EPB

با توجه به اینکه نوع دستگاههای TBM مورد استفاده در خط یک قطار شهری تبریز از نوع EPB می باشد. توضیح مختصری را در مورد این نوع، بیان می کنیم؛

اصولا ویژگی های اصلی تمام TBM های از نوع EPB بدون توجه به سازنده مشابه است. سپر، یک سازه فولادی متشکل از سه قسمت می باشد. بخش جلویی که شامل سر حفار، سیستم محرک اصلی و نقاله مارپیچ می باشد. قسمت میانی که شامل سیستم رانش و سیستم نقاله بوده ویک سپر انتهایی آن شامل  تجهیزات نصب پوشش تونل است.نیروی رانش بوسیله مجموعه ای از جک های فشاری که قسمت جلویی را با استفاده از لبه  پوشش اجرا شده تونل به عنوان سکوی عکس العمل به سمت جلو رانده، فراهم می گردد. جک های فشاری بطور جداگانه  عمل کرده یا در گروههایی برای فراهم نمودن   قابلیت هدایت اصلی برای سپر جلویی عمل می کنند. برای هدایت در قوس هایی با شعاع کم، سپر بین قوس میانی وقوس عقبی بصورت اتصال مفصلی ساخته می شود.

برای انجام حفاری در روی کله حفار به یک سری ابزار برش مورد نیاز می باشد که جنس ونوع این ابزارهای برشی متناسب با شرایط ژئوتکنیک زمین انتخاب می گردند. بعد از حفاری با یک طول کورس معین، تونل نیاز به یک سیستم پوشش بتنی پیش ساخته دارد که لاینینگ تونل نامیده می شود. این قطعات به نام سگمنت در یک کارخانه مجزا با استفاده از قالب های مخصوص و فراوری بخار با مقاومت بالا تا 700 کیلوگرم بر سانتی متر مربع، تولید و جهت نصب به داخل تونل انتقال می یابند.

مشخصات فنی عمده دستگاههای TBM تبریز به شرح ذیل می باشد: