Perkembangan Teknologi Shield Tunneling (bag. 1)

Jepang melakukan berbagai inovasi di metode Shield Tunneling sejak lama dan terus berlanjut hingga sekarang. Tidak dipungkiri lagi bahkan dalam desain Tunnel yang dikeluarkan ITA (International Tunneling Association) berkiblat kepada standar Jepang - JSCE : Japanese Standard for Shield Tunneling untuk perhitungan gaya dalam elastic equation pada Segmen Tunnel.  

Berikut hasil pemaparan dari perkembangan Shield Tunneling (bag. 1) dan beberapa metode khususnya :

-------------------------------------

Perkembangan Shield Tunneling di Jepang

Terowongan pertama yang dibangun di Jepang dengan menggunakan metode perisai pelindung (Shield Tunneling) adalah terowongan Oriwatari (1438 m) pada jalur Uetsu dimana Shield-Machine (sebutan lain TBM) dengan ukuran 7.4 m digunakan dalam konstruksi. Akan tetapi, Shield-Machine tersebut sulit untuk dikendalikan dan hanya mencapai penggalian sepanjang 184 m selama konstruksi. Shield Tunneling di Jepang juga dilakukan pada proyek terowongan Tanna dan juga konstruksi terowongan Kanmon (7.2 diameter).

Metode perisai pelindung pertama di Jepang - Shield Machine Terowongan Oriwatari 

Terowongan Kanmon digali dengan menggunakan Shield-Machine 7.2m

Di Jepang, Penggunaan metode konvesional dengan tipe terbuka digunakan pada Kakuozan Subway, Nagoya pada tahun 1960 dan Saluran air di Tokyo pada Tahun 1962. Pada titik ini, Jepang mengalami ketertinggalan dalam pengembangan dan inovasi teknologi Shield Tunneling. Bagaimanapun juga, dengan meningkatnya permintaan dan kebutuhan yang mendesak pada konstruksi terowongan, penelitian mengenai pengembangan metode Shield Tunneling menjadi lebih aktif. Pada tahun 1963, sebuah mesin perisai (Mechnical Shield) digunakan pada konstruksi saluran air di Oyada, Osaka. Di tahun 1964, sistem slurry digunakan untuk menstabilkan tekanan permukaan terowongan, juga penggalian dengan dongkrak (pipejack) digunakan.

Metode Spesial Shield Machine

1.  Multi-Circular Face (MCF) Shield Method

Konstruksi Shield-Tunnel lebih stabil untuk terowongan jalur tunggal paralel dibandingkan terowongan jalur ganda, akan tetapi hal ini membutuhkan area yang lebih luas. Multi-face shield dengan menggabungkan dua buah mesin bor dikembangkan pada tahun 1988 dan digunakan untuk menggali sepanjang 623 m pada terowongan Kyobashi, Jalur Keiyo.

Multi-face Shield Machine (1998) - Tabung-O-Ganda (Double-O-Tube) shield machine dikembangkan untuk konstruksi terowongan jalur ganda dengan area potongan yang lebih kecil.

Metode MCF shield menempatkan CutterHeads (Cakram Pemotong) yang saling overlapping pada Shield Machine dengan titik longitudinal yang berbeda. Hal ini membuat mesin mampu menggali terowongan dengan lebar potongan yang lebih panjang pada arah horizontal (atau dengan tinggi potongan yang lebih pendek untuk arah vertikal).

Terowongan dengan menggunakan Multi-Face Shield Machine

Dengan menyambungkan dua atau tiga bagian lingkaran atau penampang yang dipasang secara vertikal maupun horizontal, bisa menawarkan terowongan dengan beragam penampang dibandingkan hanya sebuah lingkaran. Hal ini memungkinkan dilakukan konstruksi secara simultan untuk dua buah terowongan dengan memanfaatkan lahan yang sempit.  Bahkan untuk kasus untuk area vertikal terbatas karena terdapat bangunan existing, metode MCF potongan koneksi horizontal bisa diadopsi untuk penggalian.

Perbandingan terowongan sistem MFC dengan konvensional

2.  Enlargement Shield Tunneling Method

Metode ini dimulai dengan memperbesar perisai (Shield) dari penentuan titik awal pada jalur terowongan dan menggali secara longitudinal untuk memperbesar penampang dari terowongan. Penampang bisa diperbesar sesuai dengan panjang yang dinginkan terhadap area yang digunakan.

Enlargement Shield Machine tipe Slurry

Berikut adalah mekanisme metode dari Enlargement Shield Tunneling :

1. Penggalian oleh Shield Machine melingkar - Circumferential Shield Machine. 

    (Pembangunan dasar untuk memulai Enlargement Shield Machine)

 2. Pemasangan Enlargement Shield Machine

2. Pemasangan Enlargement Shield Machine

 3. Pemasangan Segment oleh Enlargement Shield Machine

3.  Rotating Shield Method

Metode pembuatan terowongan segala arah yang dapat meningkatkan efisiensi dalam konstruksi. Karakteristik dari metode ini adalah :

- Menggunakan vertical shaft yang rapat (lubang vertikal sebagai area tempat TBM pertama kali dioperasikan) 

- Akselarasi pada penggerak

- Lebih ekonomis untuk kedalaman besar

- Memiliki keamanan yang baik untuk kedalaman besar

Konstruksi saluran air kotor Bandai - Hannan 

(Vertical-to-Horizontal Shield Machine)

Shield Diameter 

Vertical diameter : 5.90 m

Horizontal diameter : 4.20 m

Type : Slurry shield (Vertical) - Earth Pressure Balance (Horizontal)

Konstruksi Saluran air kotor Shimoji

(Horizontal-to-Horizontal Shield Machine)

Shield Diameter 

Vertical diameter : 3.93 m

Horizontal diameter : 2.680 m

Type : Slurry shield

Mekanisme pengerjaan terowongan :

Vertical-to-Horizontal Shield Machine : Penggalian dengan menggunakan Shield machine tunggal yang dimulai dari Vertical Shaft pada permukaan tanah  kemudian hingga mencapai bagian kedalaman  akses horizontal.

Horizontal-to-Horizontal Shield Machine : Mesin ini sangat efektif untuk area bawah tanah tepat dibawah jalur persimpangan yang padat .

4.  DPLEX Shield Method

Metode DPLEX dikembangkan di Jepang pata tahun 1990 dan metode ini memungkinkan untuk menggali terowongan dengan berbagai bentuk. Metode ini menggunakan rangka pemotong (cutter frame), dimana di support secara eksentris dengan beberapa poros engkol (multiple crank shaft). Dengan memutar poros pada arah yang sama, Cutter Frame  berputar secara paralel dan memotong penampang galian yang mirip dengan bentuk Cutter Frame itu sendiri.

Skema Mekanisme DPLEX Shield Method

Kelebihan secara teknis : 

- Bentuk potongan yang fleksibel

- Torsi pemotong yang kecil dan menggunakan energy sedikit

- Untuk penggalian jarak panjang tidak memerlukan penggantian 

- Mudah memasukan cairan kimia dari dalam mesin untuk stabilisasi tanah 

- Mudah dalam transportasi, perakitan dan pembongkaran mesin

Fase -18 Konstruksi Saluran Air Kotor Utama No.2 di Narashino City

(Penampang : Lebar 4.38 m dan tinggi 3.98 m)

Re-Konstruksi di Saluran Air Kotor Minamisuna 1 dan  Kitasuna 1, Tokyo

(Diameter : 3.48 m)

Konstruksi di Honjo, Teito Rapid Transit - Jalur Kereta Bawah Tanah No. 11 Tokyo

(Diameter : 9.6 m)

---------------------------------------------

Sebenernya masih banyak metode yang belum gwa paparkan disini, dilain kesempatan gwa akan menjelaskan metode lainnya seperti DOT Tunneling Method, Horizontal & Vetical variation Shield-Method, dan Wagging Cutter Shield Tunneling Method.

Selain itu gwa bakal memberikan informasi penggunaan TBM di Indonesia yang sebenernya sudah digunakan 20 tahun lalu. 

Sejarah Awal Dibalik Konsep Tunnel Boring Machine

Mungkin kita berdecak kagum ketika melihat proses pembuatan Terowongan dengan menggunakan Tunnel Boring Machine, sebuah mesin bor besar berbentuk silinder dengan cutterhead diujungnya yang berfungsi menggerus tanah yang ada didepannya.

Gambar 1 . Modern Tunnel Boring Machine

Tapi tahu gak sebenernya metode pembuatan terowongan dengan konsep TBM ini awal mulanya sudah ditemukan 200 tahun lalu dan ide awal ditemukan metode ini sangat sederhana. Nah berikut gwa mencoba paparkan sejarah awal mula Shield Tunneling.

--------------------

Sejarah Awal Dibalik Konsep Tunnel Boring Machine

Shield Tunneling merupakan pengembangan metode dari penggalian terowongan pada tanah lunak yang terletak di bawah sungai. Konsep ini pada mulanya ditemukan oleh Mark Brunel. Mark Brunel adalah seorang engineer berkebangsaan Prancis yang menetap di Inggris dan dengan cepat dia berhasil membuat dirinya menjadi salah satu insinyur yang menonjol di Inggris.  Mark Brunnel menemukan ide konsep Shield Tunneling ketika dia melihat sebuah lubang yang dibuat oleh cacing kayu (shipworm). 

Gambar 1 . Teredo Navalis - Cacing Kayu

Pada tahun 1818, Brunel dianugerahi paten dari hasil temuannya tersebut dan penerapan metode konstruksinya dilakukan pada terowongan Thames di London pada tahun 1825. Konsep dasar yang dia terapkan adalah pemasangan sebuah rigid frame (shield) yang menembus tanah lunak dengan bantuan dongrak pendorong. Rigid frame berfungsi sebagai pelindung dari tanah agar tidak runtuh. Pelindung ini memiliki bentuk persegi dengan bahan terbuat dari baja. Dengan mengulang proses jacking kemudian membangun struktur penyokong, maka penggalian dapat diteruskan. Terowongan Thames memiliki panjang 396 m dan  menghubungkan Rotherhithe dan Wapping.

Gambar 2 . Marc Brunel's Thames Tunnel Shield

Konsep Shield Tunneling ini kemudian di desain ulang oleh  Peter W. Barlow dan dikembangkan oleh muridnya James Henry Greathead, dimana dia membuat metode shield tunneling berbentuk lingkaran pada pembuatan Tower Subway pada tahun 1869. Penggunaan segment baja, pengurukan, dan penyuntikan digunakan oleh Greathead  dalam pekerjaannya. Metode ini yang menjadikan prototipe dari metode pelindung yang kita gunakan sekarang. Penggunaan tekanan udara juga dipelajari pada pekerjaan Terowongan Woolwich yang terletak dibawah sungai Thames tahun 1876. Walaupun metode ini tidak digunakan sepenuhnya hingga akhir pekerjaan. Greathead juga menyusun rencana untuk menggunakan air dalam penggalian tanah dan stabilisasi pada muka terowongan.

Gambar 3 . James Henry Greathead Shield

Sistem ini juga digunakan oleh Greathead pada pembuatan terowongan Waterloo dan City Railway yang dibuka pada tahun 1898. Hingga hari ini metode pelindung terowongan (Shield Tunneling) masih mengadopsi metode dari Greathead.

Gambar 4. Shield Tunneling Waterlooo & City Railway

----------------------

Itulah sejarah awal mula konsep dari Shield Tunneling, di lain waktu gwa akan menjelaskan pengembangan dan inovasi dari metode Shield Tunneling yang dilakukan oleh negara Jepang.