Індустрія підземних розкопок досліджує міні-роботів, плазмові пальники та перегрітий газ, щоб замінити масивні бурові машини, які зараз використовуються.
Інженери, прагнучи будувати підземні тунелі, покладалися на величезні трубчасті машини, озброєні страхітливим набором ріжучих коліс на одному кінці — лез, які їдять бруд на сніданок. Ці гіганти, які називають тунелебурильними машинами, або TBM, є дорогими і часто виготовляються на замовлення для кожного проекту, як і TBM, які використовувалися для розкопок шляху для нещодавно відкритої в Лондоні залізниці Elizabeth Line. Машини, задіяні в цьому проекті, важили понад 1000 тонн кожна і прорізали тунелі діаметром понад 7 метрів під столицею Великобританії.
Але британський стартап hyperTunnel має інші ідеї. Фірма пропонує майбутнє, у якому набагато менші, приблизно 3-метрові роботи у формі напівциліндрів літають під землею через попередньо просвердлені труби. Ці труби, діаметром приблизно 250 міліметрів (10 дюймів), повторюватимуть контури запропонованих стін тунелю. Опинившись у них, боти використовували роботизовану руку з фрезерною головкою, щоб проникати в навколишню землю і вирізати невеликі порожнечі, які потім заповнювалися бетоном або іншим міцним матеріалом. Шматок за шматком, таким чином, структура нового тунелю складатиметься разом.
«Ми говоримо про тисячі з них», — каже директор з розробки HyperTunnel Патрік Лейн-Нотт. «Так само, як колонія мурах або термітів працює зграями».
Відео, опубліковане компанією, містить 3D-анімацію роботів, які мчаться по якійсь уявній підземній структурі гігантських розмірів. Але це було б схоже на будівництво тунелів навпаки. За допомогою TBM ви спочатку копаєте яму, а потім додаєте опори або стіни, щоб утримати землю, що залишилася навколо порожнечі. «Ми закладаємо тунель у землю, а потім копаємо яму», — каже Лейн-Нотт. Після того, як конструкція буде побудована, матеріал, що заповнює камеру тунелю, можна видалити.
Він стверджує, що однією з переваг цього є використання меншої кількості будівельних матеріалів. Замість розміщення стандартизованих секцій стіни тунелю по всій довжині проекту, зовнішня товщина конструкції може змінюватися відповідно до фактичної геології та тиску, що оточує тунель у будь-якій точці.
Експерти з тунелювання погоджуються, що галузь потребує технологічних рішень для зниження витрат і підвищення ефективності — наприклад, для проектування та створення TBM, а потім фактичного копання тунелю з ним, можуть знадобитися роки. З’являється цілий ряд нових компаній, які обіцяють змінити ситуацію — від Boring Company Ілона Маска до HyperTunnel і фірм, що розробляють нові високотемпературні методи підривання найтвердіших порід на Землі.
«Багато чого відбувається, і я вважаю, що це добре, тому що галузь будівництва тунелів має вдосконалюватися», — каже Жасмін Амберг, менеджер проекту в Amberg Engineering, компанії підземного будівництва, заснованій її дідом. На її думку, бізнес з буріння тунелів має стати швидшим і стійкішим.
Там теж не бракує роботи. Китай нещодавно завершив будівництво 20-кілометрового залізничного тунелю в горах Лунмен після десятиліття будівництва. У Великій Британії існує залізничний проект HS2, який з’єднає Лондон із містами на півночі країни та має прокласти понад 100 кілометрів тунелів уздовж запропонованого маршруту. А Пітер Вестербака, який раніше працював у розробнику Angry Birds Rovio, стоїть за амбітним планом будівництва підводного тунелю між Фінляндією та Естонією. Це лише декілька прикладів.
Амберг прогнозує зростання попиту на підземну інфраструктуру в майбутньому — не в останню чергу як засіб уникнути підвищення температури над землею через зміну клімату. «Можливо, не так вже й погано мати місце, де у нас стабільніша температура», — каже вона.
Тунелі призначені не лише для транспортування. Трой Хелмінг, засновник і генеральний директор стартапу EarthGrid із Сан-Франциско, наголошує на необхідності прокласти лінії електропередач під землею — це те, що його компанія прагне зробити. Переважна більшість кабелів передачі проходить над землею в Сполучених Штатах і Канаді, зазначає він, залишаючи їх підданими впливу ураганів та інших штормів, а також, дедалі частіше, лісових пожеж.
«Наш план полягає в тому, щоб розмістити супермережу по всій Північній Америці», — каже він, пропонуючи карту з кольоровими лініями, на якій зображена сітка, що тягнеться від східного узбережжя до Тихого океану, і майбутні офшорні вітрові електростанції на заході. Це план, який може допомогти об’єднати роздроблену енергосистему США — і, можливо, одного дня навіть поширитися аж до Європи, щоб використати там величезний потенціал офшорної вітрової енергії. «Це божевільно й зухвало, і ми це знаємо», — каже Хельмінг.
Однією з перешкод є надзвичайно міцні породи, такі як граніт і кварцит, які ускладнюють або унеможливлюють традиційні розкопки в деяких із цих місць. Хелмінг робить ставку на технологію плазмового факела, яка нагріває камінь приблизно до 6000 градусів Цельсія, розриваючи його вщент. Він припускає, що це дозволить створювати тунелі в твердих породах у 100 разів швидше, ніж за допомогою сучасних технологій. EarthGrid розробляє прототип робота з п’ятьма плазмовими факелами, який, за словами Хельмінга, повинен бути готовий до випробувань у березні 2023 року. Фірма також планує завершити свій перший невеликий комерційний проект до кінця цього року.
Хелмінг зазначає, що у випадку EarthGrid тунелі матимуть не круглу форму, а скоріше традиційну підкову — уявіть квадрат з аркою на вершині замість плоскої стелі. Це, як він стверджує, полегшує встановлення кабельних стійок або, у великих транспортних тунелях, дорожнього покриття на плоскій основі тунелю.
Конкуруюча компанія Petra також прагне свердлити міцну породу за допомогою тепла , хоча за допомогою термічного різального пристрою, який використовує перегріту рідину, а не плазмовий пальник. Ідея полягає в тому, щоб відносно легко прорізати «кошмарні геології», — каже генеральний директор і співзасновник Кім Абрамс.
Минулого тижня ми закінчили гранітний тунель довжиною 34 фути діаметром 30 дюймів, — каже вона, додаючи, що фірма сподівається розпочати комерційну роботу наступного року. І вона зазначає, що компанія також працює над окремим рішенням для боротьби з іншим боком спектру — надзвичайно м’яким або заболоченим ґрунтом, який часто зустрічається під прибережними містами та поблизу них.
Цим технологіям тунелювання ще належить довести, що вони можуть бути успішними в масштабах, зазначає Амберг. Вона каже, що концепція HyperTunnel цікава, але додає, що вона не впевнена, як роботи справлятимуться із складнішими геологічними умовами або, наприклад, із заболоченою землею.
Цзянь Чжао є професором кафедри цивільного будівництва Університету Монаш в Австралії. Він і його колеги досліджували використання лазерних, мікрохвильових і гідроабразивних технологій високого тиску, серед іншого, для буріння тунелів. Він скептично налаштований, наприклад, щодо того, що метод Петри, заснований на нагріванні, сам по собі буде достатнім для великих проектів будівництва тунелів, але він задається питанням, чи можна його використовувати поряд з механічними розкопками.
«Я вважаю, що початкове фінансування, інвестиції ангелів і все те, що стимулює деякі інновації, є фантастичним», — каже Майкл Муні, який є професором кафедри підземного будівництва та проходки тунелів у Школі Колорадо. Він погоджується, що «присяжні ще не знають», чи зможе будь-яка з цих нових технологій тунелювання досягти широкомасштабного комерційного успіху, але він підкреслює, що швидші та дешевші методи дуже затребувані в галузі.
Він також стверджує, що Boring Company, яка розробляє свій власний тип TBM, який можна запускати з поверхні, щоб рити підземні тунелі (за умовчанням, для цього ви спочатку копаєте яму, а потім переміщуєте в неї TBM, щоб створити тунель), також впровадила інновації в комерційному сенсі, оскільки фірма планує стандартизувати пристрої для буріння тунелів у різних проектах.
«Створення нової тунелебурильної машини для конкретного проекту щоразу ускладнює та збільшує вартість», — пояснює Муні.
Насамкінець Амберг згадує, що в усьому світі існує безліч існуючих тунелів, які зараз старіють і потребують технічного обслуговування та ремонту — багато з них знаходяться в її країні, Швейцарії. Для ефективного виконання цієї роботи потрібні нові технології.
Серед тих, хто націлений на такі ринки, HyperTunnel. Лейн-Нотт каже, що роботи його фірми зможуть спускати труби, щоб обслуговувати зовнішню конструкцію підземних тунелів без того, щоб оператори зупиняли автомобільний або залізничний рух усередині. І ця революція вже починається. Network Rail, яка володіє та керує значною частиною залізничної мережі Великої Британії, залучила HyperTunnel до проекту в цьому ключі, додає Лейн-Нотт.
Це невеликий крок на шляху до бачення тисяч роботів, які злагоджено працюють над створенням величезних підземних структур — те, що він називає «силою рою».
Зазначені технологічні розробки мають вкрай важливе значення і мають високий інвестиційний потенціал – зазначає Костянтин Кривопуст.