Mesin Pengorek Terowong Gergasi yang Membina Lebuh Raya Bawah Air Hong Kong

Membina Jalan di Bawah Laut

Pada 27 Disember 2020, Hong Kong membuka satu laluan baharu yang luar biasa. Sambungan Utara Tuen Mun–Chek Lap Kok menembusi dasar laut untuk menghubungkan bahagian barat laut New Territories dengan Lapangan Terbang Antarabangsa Hong Kong dan Jambatan Hong Kong–Zhuhai–Macau. Teras projek itu ialah Herrenknecht Mixshield S-880, sebuah mesin pengorek terowong yang dinamakan Qin Liangyu. Dengan diameter perisai 17.63 meter, mesin itu masih memegang gelaran Rekod Dunia Guinness bagi mesin pengorek terowong dengan diameter perisai terbesar. Panjangnya melebihi padang bola sepak, lebih berat daripada kebanyakan kapal dan dibina untuk beroperasi di bawah tekanan yang mampu meremukkan peralatan biasa. Terowong yang dikoreknya kini merupakan terowong jalan raya bawah air paling dalam, paling panjang dan paling lebar di Hong Kong, sebahagian daripada laluan sepanjang 9 kilometer yang menelan belanja kira-kira HK$18.2 bilion, bersamaan sekitar AS$2.3 bilion.

Projek itu bukan sekadar mahu memecahkan rekod. Ia merupakan tindak balas terhadap keperluan sebuah bandar untuk pergerakan yang lebih lancar antara darat, laut dan udara. Terowong berkembar sepanjang kira-kira 5 kilometer di bawah air itu perlu melalui laluan perkapalan, lumpur dasar laut yang lembut dan kawasan pesisir yang sensitif dari segi ekologi. Membina terowong sedemikian dengan kaedah lama memerlukan kerja mengorek dasar laut secara besar-besaran, mengganggu trafik marin dan berdepan konflik alam sekitar selama bertahun-tahun. Penyelesaiannya ialah sebuah mesin buatan Jerman yang mampu mengorek, menstabilkan dan memasang pelapik terowong sambil bergerak ke hadapan.

Mengapa Mesin Itu Perlu Begitu Besar

Pemilihan perisai berdiameter 17.63 meter ditentukan oleh keadaan tanah, bukan semata-mata cita-cita kejuruteraan. Di antara Tuen Mun dengan Chek Lap Kok, dasar laut menyembunyikan mendapan marin dan tanah liat aluvium setebal sehingga 30 meter. Tanah ini sangat lembut dan tepu air, sekali gus menjadikan kerja pengorekan terowong tidak stabil. Di sesetengah tempat, batuan dasar terletak kira-kira 90 meter di bawah paras laut. Mesin pengorek terowong konvensional akan berdepan kesukaran mengatasi aliran air masuk dan tanah yang runtuh. Projek itu memerlukan reka bentuk Mixshield, sejenis mesin yang dapat mengimbangi tekanan pada muka pengorekan menggunakan campuran terkawal buburan dan udara termampat.

Saiznya juga ditentukan oleh keperluan trafik. Terowong yang dirancang memerlukan diameter dalaman 15.6 meter untuk memuatkan dua lorong lebuh raya bagi setiap arah, selain ruang keselamatan, saluran pengudaraan, sistem elektrik dan akses penyelenggaraan. Oleh sebab mesin pengorek memasang segmen pelapik konkrit pratuang sambil bergerak ke hadapan, diameter luar terowong perlu lebih besar daripada diameter dalamnya. Apabila ketebalan gelang pelapik, kulit ekor dan kepala pemotong diambil kira, diameter perisai yang diperlukan meningkat kepada 17.63 meter. Itu kira-kira setinggi bangunan enam tingkat yang berputar di bawah tanah. Qin Liangyu direka tepat mengikut ukuran ini.

Bagaimana Mixshield Menghalang Air Laut dan Tanah

Mesin pengorek terowong sering digambarkan sebagai gerudi gergasi, tetapi S-880 berfungsi lebih seperti kilang kapal selam yang bergerak. Di bahagian hadapannya, kepala pemotong berputar mengikis tanah dan batuan pada muka terowong. Di belakang kepala pemotong, mesin itu mempunyai kebuk pengorekan yang diisi buburan bentonit, iaitu bendalir pekat seperti tanah liat, serta kusyen udara termampat. Buburan itu menekan muka terowong dan menghalang air laut serta lumpur daripada menyerbu masuk ke dalam mesin. Udara termampat di atas buburan membolehkan operator mengawal tekanan dengan teliti. Apabila kepala pemotong bergerak ke hadapan, bahan korekan bercampur dengan buburan lalu dipam melalui saluran paip ke loji pemisahan di permukaan. Di situ, jentera mengasingkan zarah tanah dan mengembalikan bentonit yang telah dibersihkan ke bawah tanah.

Ketika bahagian hadapan mesin menahan tanah, bahagian belakangnya memasang pelapik terowong. Pemasang segmen robotik mengangkat segmen konkrit melengkung dan menyusunnya menjadi gelang yang membentuk dinding terowong. Setiap gelang menyokong tanah di sekelilingnya dan membentuk silinder licin yang kemudiannya menempatkan jalan raya, lampu dan sistem pengudaraan. Proses itu memerlukan semua sistem bergerak serentak: tekanan, pengepaman, kimia buburan, tujahan hidraulik, penghantaran segmen dan ukur tanah. Jika satu bahagian menjadi perlahan, seluruh operasi terhenti. Pendekatan bersepadu ini menjadikan sebuah mesin sebagai barisan pengeluaran yang lengkap.

Tekanan Menghimpit Ketika Bekerja di Bawah Laut

Tekanan hidrostatik pada muka pengorekan mencecah sehingga 5 bar, bersamaan lima kali tekanan atmosfera pada paras laut. Tekanan itu sama seperti yang dirasai penyelam pada kedalaman kira-kira 50 meter. Laporan rasmi daripada Perkhidmatan Berita Kerajaan Hong Kong menggambarkan keadaan itu seperti berikut:

Bahagian paling dalam Terowong Tuen Mun-Chek Lap Kok terletak kira-kira 60 meter di bawah paras laut, dan pekerja khusus dalam persekitaran hiperbarik berdepan tekanan hampir enam kali ganda berbanding di permukaan.

Bagi melindungi pekerja sambil mengekalkan tekanan pada muka pemotong, S-880 menggunakan kebuk kunci udara. Ruang tertutup ini membolehkan pekerja bergerak secara berperingkat daripada tekanan atmosfera biasa ke kebuk pengorekan bertekanan. Penyelenggaraan alat pemotong, pemeriksaan dan kerja pembaikan memerlukan pekerja terlatih memasuki zon bertekanan, mematuhi protokol perubatan hiperbarik yang ketat dan mengurangkan tekanan secara perlahan-lahan bagi mengelakkan penyakit penyahmampatan. Tempoh pendedahan dihadkan dan kerja itu memerlukan pemantauan perubatan. Keadaan tersebut menjadikan penyelenggaraan terowong biasa seperti operasi menyelam.

Mengubah Saiz Tanpa Kembali ke Permukaan

Bahagian paling luar biasa dalam projek itu bermula selepas 650 meter pertama dikorek. Struktur laluan masuk utara memerlukan terowong berdiameter 17.6 meter, maka Qin Liangyu memulakan kerja pada saiz penuh. Selepas bahagian peralihan itu, baki laluan bawah air boleh dibina dengan diameter 14 meter. Daripada mengangkut mesin ke permukaan dan melancarkan mesin pengorek kedua, jurutera mengubah suai S-880 di dalam terowong itu sendiri. Bahagian luar perisai berdiameter 17.6 meter ditanggalkan, sistem dalaman dikonfigurasi semula dan perisai baharu berdiameter 14 meter dipasang ketika mesin itu kekal di bawah dasar laut.

Pengurangan saiz perisai di dalam terowong seperti ini sangat jarang berlaku. Operasi itu perlu dijalankan di bawah tekanan laut, dengan ruang yang terhad dan tanpa akses langsung kepada cahaya siang. Selepas pengubahsuaian selesai, mesin yang sama meneruskan kerja mengorek baki terowong, bersama sebuah lagi mesin Herrenknecht berdiameter 14 meter. Kedua-dua mesin bertemu pada 27 Februari 2019. Bahagian berdiameter 17.63 meter dikorek antara 25 Mac dengan 3 November 2015, sebelum pengubahsuaian dilakukan. Proses itu didokumentasikan sebagai kemajuan teknologi yang boleh digunakan dalam projek masa hadapan yang memerlukan diameter terowong berbeza dalam satu laluan pengorekan.

Inovasi pada Laluan Penghubung

Terowong jalan raya dengan dua tiub biasanya memerlukan laluan penghubung, iaitu koridor kecil yang membolehkan pemindahan dan penyelenggaraan antara dua lubang utama. Sambungan Tuen Mun–Chek Lap Kok memerlukan 57 laluan penghubung, dan tekanan di lokasi itu mencecah 5.8 bar, melebihi ambang 3.6 bar apabila Herrenknecht mengesyorkan penggunaan penyelam profesional untuk kerja di dalam kebuk bertekanan. Pendekatan konvensional di sesetengah terowong bawah air ialah pembekuan tanah, kaedah menstabilkan tanah dengan membekukan air di dalamnya. Teknik itu akan mengambil masa yang lama dan berisiko di dalam tanah liat dasar laut yang lembut serta tepu air.

Sebaliknya, pasukan itu menggunakan mesin pengorek terowong buburan mini berdiameter 3.6 meter, yang pertama di dunia bagi pembinaan laluan penghubung di bawah tekanan setinggi itu. Mesin kecil itu mengorek dinding di antara dua tiub utama sementara sistem buburan di sekelilingnya mengawal tekanan. Penyelesaian itu mengelakkan keperluan membekukan tanah, memendekkan masa pembinaan dan mengurangkan risiko dalam persekitaran berbahaya yang menggabungkan air laut, tanah liat lembut dan tekanan ekstrem.

Kelajuan, Anugerah dan Manfaat Alam Sekitar

Walaupun kompleks, S-880 bergerak pantas. Kemajuan maksimum hariannya mencecah 30 meter, manakala rekod mingguannya mencapai 167.2 meter. Angka itu mencerminkan bukan sahaja kuasa mekanikal, tetapi juga penyelarasan logistik yang diperlukan bagi memastikan bekalan berterusan segmen konkrit, bentonit dan alat ganti sampai kepada mesin. Persatuan Jurutera Mekanikal Amerika merekodkan output kuasa mesin itu sebanyak 5,600 kilowatt dan keupayaannya untuk bergerak kira-kira 30 meter sehari di dalam tanah tepu air dan batuan.

Projek itu menerima Anugerah Pengorekan Terowong ITA pada 2019 daripada Persatuan Terowong dan Ruang Bawah Tanah Antarabangsa, sebagai pengiktirafan terhadap inovasi teknikal yang digunakan semasa pembinaan. Satu lagi penyelesaian yang memenangi anugerah ialah sistem empangan sementara jenis ulat beluncas yang digunakan pada struktur laluan masuk utara. Sistem itu menjadi alternatif kepada tembok diafragma konvensional dalam tanah yang sangat lembut. Aspek alam sekitar juga sama pentingnya. Jabatan Lebuh Raya Hong Kong menulis dalam satu rencana kejuruteraan:

Penggunaan mesin pengorek terowong berbanding kaedah tiub terendam tradisional mengurangkan kerja mengorek dan pelupusan kira-kira 11 juta meter padu mendapan marin, bersamaan kapasiti kira-kira 4,900 kolam renang bersaiz standard, serta membantu meminimumkan kesan terhadap lumba-lumba putih China dan hidupan marin lain.

Catatan rasmi yang sama menyatakan bahawa kaedah itu mengurangkan gangguan terhadap trafik marin berat di sepanjang Jalan Urmston dan mengelakkan keperluan mengalihkan kabel kuasa dasar laut sedia ada yang membekalkan elektrik kepada lapangan terbang. Sambungan utara dibuka kepada trafik pada 27 Disember 2020, manakala sambungan selatan mula dibuka lebih awal pada 2018, menghubungkan laluan itu dengan rangkaian Jambatan Hong Kong–Zhuhai–Macau yang lebih luas.

Rekod yang Terus Menjadi Lambang Satu Era

S-880 Qin Liangyu bukan lagi mesin paling berkuasa dalam setiap kategori teknikal. Mesin pengorek terowong dari China dan negara lain yang lebih baharu muncul sejak beberapa tahun kebelakangan ini, dengan daya tujahan lebih besar, tahap automasi lebih tinggi atau reka bentuk kepala pemotong yang berbeza. Namun, Guinness masih mengiktiraf Qin Liangyu sebagai pemegang rekod diameter perisai, dan projek yang disiapkannya kekal luar biasa. Hanya segelintir mesin lain yang menggabungkan diameter sebesar itu, tekanan bawah air sedalam itu dan pengubahan perisai di dalam terowong dalam satu laluan pengorekan berterusan.

Mesin itu juga mencerminkan perubahan lebih luas dalam cara bandar pesisir membina infrastruktur. Apabila pelabuhan, lapangan terbang dan kawasan metropolitan semakin sesak, perancang mencari laluan baharu di bawah tanah dan di bawah air. Mesin mega seperti S-880 membolehkan laluan itu dibina dengan gangguan permukaan yang lebih kecil, kerja mengorek yang lebih sedikit dan kesan ekologi yang lebih rendah berbanding kaedah lama. Mesin ini mahal, menggunakan banyak tenaga dan menuntut kepakaran teknikal yang tinggi, tetapi membolehkan kapasiti ditambah tanpa memenuhi lebih banyak kawasan pesisir dengan tapak pembinaan.

Qin Liangyu dinamakan sempena seorang jeneral China dari Dinasti Ming yang dilahirkan pada 1574 dan dikenali kerana keberanian serta kesetiaannya. Nama itu mengikuti tradisi lama kejuruteraan bawah tanah yang memberikan nama wanita kepada mesin pengorek terowong bersaiz besar, amalan yang bermula sejak abad ke-19. Dalam erti kata itu, mesin tersebut membawa sejarah dan masa depan ke dalam batuan di bawah Hong Kong.

Perkara Utama

• Herrenknecht Mixshield S-880 Qin Liangyu memegang gelaran Rekod Dunia Guinness bagi mesin pengorek terowong dengan diameter perisai terbesar, iaitu 17.63 meter.
• Mesin itu mengorek terowong berkembar bawah air sepanjang 5 kilometer bagi Sambungan Tuen Mun–Chek Lap Kok, yang dibuka pada Disember 2020.
• Projek itu menelan belanja kira-kira HK$18.2 bilion dan kini menjadi terowong jalan raya bawah air paling dalam, paling panjang dan paling lebar di Hong Kong.
• Teknologi Mixshield menggunakan buburan bentonit dan udara termampat untuk mengawal tekanan dalam tanah dasar laut yang lembut dan tepu air.
• Kerja dijalankan pada tekanan sehingga 5.8 bar, memerlukan protokol hiperbarik dan kebuk kunci udara untuk kru penyelenggaraan.
• Jurutera mengubah saiz mesin daripada 17.6 meter kepada 14 meter di dalam terowong itu sendiri, suatu pengurangan perisai dalam terowong yang jarang berlaku.
• Mesin pengorek terowong buburan mini berdiameter 3.6 meter membina 57 laluan penghubung di bawah tekanan tinggi, yang pertama dalam industri.
• Projek itu mengurangkan kerja mengorek sebanyak kira-kira 11 juta meter padu serta mengurangkan kesan terhadap hidupan marin dan laluan perkapalan.