Penemuan penting di bawah ombak
China telah mengaktifkan sistem penggalian terowong berperisai dengan gas campuran terner yang pertama seumpamanya bagi menyokong pembinaan terowong bawah laut Jintang, laluan kereta api sepanjang 16.18 kilometer yang bakal menjadi terowong kereta api berkelajuan tinggi bawah laut terpanjang di dunia. Teknologi yang dibangunkan dalam negara itu membolehkan pekerja bertugas dengan selamat pada tekanan yang jauh melebihi had tradisional, sekali gus menandakan kemajuan besar dalam kejuruteraan bawah tanah. Sistem itu mula beroperasi di bahagian terowong di sebelah Zhoushan, tempat kru berdepan antara keadaan paling mencabar dalam sejarah pembinaan kereta api. Dengan mencampurkan helium, nitrogen dan oksigen pada nisbah yang tepat, peralatan itu mengekalkan fungsi tubuh dan kewaspadaan manusia dalam persekitaran yang tekanan air dan tanahnya mencapai paras yang biasanya dikaitkan dengan penerokaan laut dalam, bukannya penggalian terowong.
Kandungan
Di dalam terowong kereta api berkelajuan tinggi bawah laut terpanjang
Terowong Jintang akan menghubungkan Ningbo dan Zhoushan merentasi laluan air yang sibuk di wilayah Zhejiang, timur China. Apabila siap, koridor sepanjang 16.18 kilometer itu akan mencatat rekod dunia sebagai terowong kereta api berkelajuan tinggi bawah laut terpanjang, jauh mengatasi laluan kereta api bawah laut sedia ada dari segi panjang dan kerumitan. Projek itu merupakan segmen penting dalam rangkaian pengangkutan lebih besar yang dirancang untuk menghubungkan tanah besar dengan Zhoushan dengan lebih rapat. Sebagai sebuah bandar kepulauan, Zhoushan telah lama berdepan cabaran logistik bagi penumpang dan pengangkutan barang akibat kedudukan geografinya yang terpisah.
Pasukan pembinaan di sebelah Zhoushan bertanggungjawab terhadap bahagian penggalian terowong berperisai sepanjang 6,270 meter, yang memerlukan kerja mengorek berterusan selama berbulan-bulan melalui keadaan geologi yang berbeza-beza di bawah dasar laut. Mesin pengorek terowong berperisai, yang sering dipanggil mesin pengorek terowong atau TBM, mengorek laluan berbentuk bulat sambil memasang struktur sokongan bagi mencegah runtuhan. Mesin gergasi ini menggunakan kepala pemotong berputar untuk mengisar batu dan mendapan, namun alat pemotongnya haus lalu perlu diperiksa atau diganti secara berkala. Kerja penyelenggaraan ini di dalam kebuk bertekanan jauh di bawah paras air merupakan antara tugas paling berbahaya dalam kejuruteraan awam.
Mengapa kaedah tradisional menemui jalan buntu
Operasi dalam kebuk bertekanan ultra tinggi merupakan antara cabaran paling berat dalam industri penggalian terowong berperisai. Selama berdekad-dekad, kru menggunakan sistem udara termampat untuk menghalang air daripada memasuki kebuk penggalian ketika pekerja masuk bagi menyelenggara kepala pemotong. Teknik udara termampat konvensional mempunyai had tekanan keselamatan yang diiktiraf, iaitu 0.5 megapascal. Melebihi ambang ini, risiko penyakit penyahmampatan dan bahaya fisiologi lain meningkat dengan mendadak, menjadikan kemasukan manusia terlalu berbahaya.
Namun, terowong Jintang mencabar batasan lama itu. Bahagian terdalamnya terletak 78 meter di bawah paras laut, dengan tekanan gabungan air dan tanah meningkat sehingga 0.85 megapascal. Untuk membayangkan daya itu, bayangkan berat kira-kira 30 kilogram menekan kawasan yang tidak lebih besar daripada sekeping syiling satu yuan. Pekerja tidak mungkin mampu bertahan di bawah tekanan setinggi itu dengan menggunakan protokol udara termampat standard. Projek ini memerlukan pendekatan yang sama sekali berbeza untuk sistem sokongan hayat dan pengurusan tekanan.
Mengambil ilham daripada laut dalam
Berhadapan cabaran ekstrem ini, pasukan pembinaan tidak merujuk kepada teknologi perlombongan konvensional, sebaliknya kepada penyelaman laut dalam. Penyelaman tepu dan sistem pernafasan gas campuran telah lama membolehkan penyelam komersial bekerja pada kedalaman laut yang akan membawa maut jika mereka hanya menggunakan udara termampat. Peraturan fisiologi yang sama terpakai sama ada pekerja membaiki infrastruktur di pelantar minyak luar pesisir atau menggantikan komponen haus pada kepala pemotong terowong ratusan meter di bawah tanah. Jurutera menyesuaikan prinsip maritim ini untuk menghasilkan sistem gas campuran terner helium-nitrogen-oksigen yang khusus bagi pembinaan terowong.
Helium ialah bahan utama yang mengubah keadaan. Tidak seperti nitrogen, yang membentuk sebahagian besar udara biasa, helium berketumpatan rendah dan meresap dengan cepat melalui tisu. Di bawah tekanan ekstrem, gas pernafasan biasa menyebabkan nitrogen larut dalam aliran darah pada kuantiti berbahaya, lalu mengakibatkan narkosis, keadaan yang kadangkala disebut sebagai khayal laut dalam dan boleh mengaburkan pertimbangan serta melambatkan tindak balas. Pekerja yang keliru ratusan meter di bawah tanah membahayakan dirinya dan rakan sekerja. Oksigen pula menjadi toksik jika disedut pada tekanan separa tinggi untuk tempoh yang lama. Helium mengelakkan kedua-dua masalah ini dengan menyediakan medium yang lebih selamat, sekali gus memastikan pekerja kekal cerdas dan stabil dari segi fisiologi ketika bertugas dalam keadaan yang menyerupai dasar laut dalam.
Penyesuaian teknologi penyelaman untuk kerja penggalian terowong mencerminkan trend yang semakin berkembang dalam kejuruteraan infrastruktur, apabila penyelesaian semakin kerap merentasi sempadan disiplin. Teknologi yang digunakan penyelam pelantar minyak luar pesisir, dengan pengubahsuaian teliti, boleh melindungi kru pembinaan kereta api ratusan meter di bawah tanah. Gabungan sains marin dan kejuruteraan awam ini mungkin membentuk generasi seterusnya projek bawah tanah di kawasan pesisir seluruh dunia.
Fungsi sistem gas campuran terner
Peralatan baharu ini bukan sekadar set silinder gas di atas troli. Ia menggabungkan dua modul utama, satu untuk pencampuran gas dan satu lagi untuk bekalan gas, disokong oleh 113 submodul khusus yang merangkumi hab pengagihan gas, hab bekalan dan alat pernafasan individu. Seni bina modular ini membolehkan kawalan tepat terhadap campuran gas yang disalurkan kepada setiap pekerja di dalam kebuk bertekanan.
Sistem ini boleh menyokong operasi dalam julat tekanan 0.5 hingga 1 megapascal. Had atas itu melebihi tekanan maksimum 0.85 megapascal di terowong Jintang, sekali gus menyediakan margin keselamatan untuk projek yang lebih mencabar pada masa depan. Algoritma pencampuran gas melaraskan nisbah helium, nitrogen dan oksigen secara masa nyata agar sepadan dengan tekanan persekitaran di permukaan pemotong, bagi memastikan pekerja menerima campuran pernafasan yang optimum tanpa mengira kedalaman terowong.
Setiap komponen perlu tahan terhadap persekitaran air masin yang mengakis, getaran berterusan daripada mesin pengorek dan tekanan mekanikal dalam keadaan hiperbarik. Jurutera mereka bentuk sistem keselamatan berlebihan supaya kegagalan mana-mana satu submodul tidak menjejaskan sokongan hayat seluruh kru. Pemantauan jarak jauh membolehkan pasukan di permukaan menjejak kadar aliran gas, paras tekanan dan tanda vital setiap pekerja tanpa perlu memasuki kebuk itu sendiri.
Melindungi pekerja dalam keadaan ekstrem
Keselamatan kekal menjadi keutamaan utama setiap kali manusia memasuki kebuk penggalian bertekanan. Narkosis nitrogen merupakan antara ancaman paling berbahaya dan sukar dikesan dalam persekitaran bertekanan tinggi. Gas lengai ini larut ke dalam tisu saraf di bawah tekanan, lalu menimbulkan gejala yang menyerupai mabuk alkohol. Pekerja yang mengalami narkosis mungkin berasa euforia atau bingung, menjadikan kerja penyelenggaraan rutin suatu pertaruhan yang boleh membawa maut. Helium tidak menimbulkan kesan narkotik ini, sebab itulah penyelam laut dalam dan kini pekerja terowong menggunakannya.
Ketoksikan oksigen pula merupakan satu lagi bahaya. Walaupun oksigen penting untuk kehidupan, menyedutnya pada tekanan separa tinggi untuk tempoh yang lama boleh merosakkan paru-paru dan sistem saraf pusat. Dengan mencairkan oksigen menggunakan helium dan mengawal pecahan campuran dengan teliti, sistem terner ini menghalang pengumpulan oksigen pada paras toksik sambil tetap membekalkan gas secukupnya untuk menyokong kerja fizikal berat.
Protokol penyahmampatan juga perlu diurus dengan teliti. Apabila tamat syif, pekerja perlu melalui beberapa peringkat tekanan untuk membolehkan gas terlarut keluar daripada badan secara beransur-ansur. Penyahmampatan yang terlalu cepat menyebabkan gelembung terbentuk dalam darah, lalu mencetuskan penyakit penyahmampatan, keadaan yang menyakitkan dan berpotensi membawa maut. Sistem gas campuran ini menyokong jadual penyahmampatan terkawal yang disesuaikan dengan jumlah gas tertentu yang terkumpul sepanjang setiap syif.
Maksudnya untuk infrastruktur global
Penggunaan sistem penggalian terowong berperisai dengan gas campuran terner China ini membawa pengajaran untuk projek infrastruktur di seluruh dunia. Bandar pesisir dari Tokyo hingga New York berdepan tekanan yang semakin meningkat untuk memperluas rangkaian transit di bawah laluan air, namun banyak laluan berpotensi menghadapi keadaan geologi yang serupa dengan koridor Ningbo-Zhoushan. Keupayaan untuk bekerja dengan selamat pada tekanan sehingga 1 megapascal membuka laluan yang sebelum ini mustahil, sekali gus membolehkan jurutera mempertimbangkan jajaran yang lebih dalam dan terus bagi mengurangkan masa perjalanan serta gangguan alam sekitar.
Di dalam negara, inovasi itu mengukuhkan peranan utama jurutera China dalam kerja penggalian terowong berskala besar. Negara itu sudah mengendalikan antara sistem transit bawah tanah paling bercita-cita tinggi di dunia, dan teknologi ini mengatasi halangan utama yang selama ini membataskan pembangunan kereta api bawah laut. Sektor lain juga boleh mendapat manfaat. Perlombongan bawah tanah, pemasangan kabel bawah laut dan projek penggerudian saintifik semuanya melibatkan persekitaran hiperbarik yang mungkin mendapat manfaat daripada sistem sokongan hayat gas campuran.
Khusus bagi terowong Jintang, sistem ini memastikan kerja di bahagian Zhoushan sepanjang 6,270 meter dapat diteruskan mengikut jadual tanpa mengorbankan keselamatan pekerja demi kemajuan. Apabila siap, terowong itu akan memendekkan masa perjalanan antara tanah besar dengan kepulauan tersebut, sekali gus menyokong integrasi ekonomi dan pelancongan di seluruh Wilayah Zhejiang.
Intinya
- China telah mengaktifkan sistem penggalian terowong berperisai dengan gas campuran terner pertama yang dibangunkan dalam negara di projek terowong bawah laut Jintang, Wilayah Zhejiang.
- Terowong sepanjang 16.18 kilometer itu bakal menjadi terowong kereta api berkelajuan tinggi bawah laut terpanjang di dunia, menghubungkan Ningbo dan Zhoushan.
- Kaedah udara termampat tradisional terhad kepada 0.5 megapascal, tetapi bahagian terdalam terowong Jintang mencapai tekanan 0.85 megapascal pada kedalaman 78 meter di bawah paras laut.
- Sistem baharu itu mencampurkan helium, nitrogen dan oksigen untuk mewujudkan keadaan pernafasan yang lebih selamat serta mencegah narkosis nitrogen dan ketoksikan oksigen semasa operasi pada tekanan ultra tinggi.
- Jurutera menyesuaikan teknologi penyelaman laut dalam untuk membangunkan sistem ini, yang menyokong operasi pada tekanan antara 0.5 hingga 1 megapascal melalui 113 submodul bersepadu.
