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.



Tapi tahu gak sebenernya metode pembuatan terowongan seperti konstruksi MRT JAKARTA dengan konsep TBM ini awal mulanya sudah ditemukan 200 tahun lalu dan ide awal ditemukan metode ini unik berasal dari cacing. Selain itu juga TBM gak selamanya bentuknya silinder loh.... Nah berikut gwa mencoba paparkan sejarah awa, konsep hingga perkembangan inovasi Shield Tunneling.

Konsep TBM Awalnya Berasal dari Cacing

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).



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.



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.



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.

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).



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 (Mechanical 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.

TBM sperti Proyek MRT Jakarta tidak selamanya Silinder

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.



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).



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.




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.



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


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



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.



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



5. DOT Tunneling Method

Pada umumnya DOT Tunneling method memiliki kesamaaan dengan Multi-Circular Face Method, hanya yang berbeda pada sistem Cutterhead-nya. Mekanisme yang diterapkan pada DOT Tunneling Methode adalah dimana Shield Machine dengan Cutterhead berbentuk jari-jari (jeruji) yang diposisikan pada bidang yang sama untuk potongan ganda. Cutterhead disinkronisasikan bergerak berlawanan arah agar tidak saling berbenturan.



6. Horizontal & Vertical variation Shield-Method

Mekanisme saat Tunnel Driving (Proses Pembuatan Tunnel):
- Cross Articulation System
Sistem ini menyambungkan dua buah badan depan TBM dengan arah saling berkebalikan dan membuat bagian badan mesin bergerak maju dengan arah yang berbeda. Sistem ini memungkinkan Shield Machine menghasilkan gaya secara berputar dan bergerak secara spiral.



- Segmen Terintegrasi (Integrated Segment)
Tunnel berbentuk spiral dapat dilaksanakan dengan menggunakan integrated segment pada penampang dimana dua buah tunnel digabungkan dan memuntir. Segmen untuk Tunnel tunggal biasa juga dapat digunakan untuk pelaksanaan tunnel terpisah.



Karakteristik :
1. Penampang potongan dapat diubah secara berkelanjutan dari arah horizontal ke arah vertikal dengan bentuk lingkaran ganda (Multi-Circular).
Cross Articulation System memungkinkan untuk mengontrol secara bebas pada pengendalian mesin dan arah orientasinya, dan secara berkelanjutan dapat merubah arah alignment penampang dari horizontal ke arah vertikal.


Perubahan Alignment dari Vertikal ke Horizontal

2. Tunnel terpisah dapat dilaksanakan tanpa mememerlukan Vertical Shaft
Pemisahan Shield Machine dapat dilaksanakan didalam tanah sehinga memungkinkan untuk melaksanakan kontruksi tunnel terpisah tanpa memerlukan mid-tunnel vertical shaft.


Pemisahan Shield Machine

3. Periode pelaksanaan yang pendek.
Pelaksanaan secara simultan untuk tunnel ganda dan mengeliminasi pembuatan mid-tunnel vertical shaft untuk pekerjaan pemisahan tunnel sehingga memungkinkan periode pelaksanaan yang lebih pendek.




7. Wagging Cutter Shield Tunneling Method

Mekanisme penggalian :
1. Penampang Potongan yang Fleksibel
Tunnel dengan berbagai penampang dapat dilaksanakan dalam konstruksi.




2. Compact Shield Tunneling Machine
Tunnel berbentuk persegi dapat dilaksanakn dengan menggunakan mekanisme penggalian yang sederhana. Berat dan panjang dari Shield Machine dan biaya dapat dikurangi dengan menggunakan hydraulic jack.

3. Lapisan Struktur pada Tunnel Persegi
Lapisan dari Shield Tunnel persegi memiliki lapisan struktur yang efektif. Pada bagian terluar tunnel dipasang struktur komposit baja beton terdiri dari cangkang baja yang berfungsi sebagai bagian penahan tarik. Dan pada dalamnya berupa struktur beton bertulang.
Penggunaan cangkang baja tidak hanya digunakan sebagai temporary lining saat pekerjaan sementara tetapi juga dapat digunakan sebagai struktur tunnel utama hingga penyelesaian proses pembuatan tunnel lining, dan hal tersebut dapat memberi keuntungan dalam pengurangan biaya konstruksi.

Karakteristik :
1. Cutter Wagging System
Cutters (pemotong) dapat memanjang dan memendek layaknya piston karena digerakan oleh hydraulic jack. Oleh karena itu, mekanisme struktur sangat sederhana sehingga berat dan panjang dari mesin dapat dikurangi.


2. Overcutters
Rotasi pemotong dan proses pemanjangan dan pemendekan dari overcutters diatur secara otomatis sehingga dapat memungkinkan untuk melakukan penggalian pada bagian ujung dari cutting face (area penampang pemotongan).


3. Spike Bits
Long-Stroke cutters diperlukan pada metode Wagging Cutter berbentuk non-circular karena harus memiliki durabilitas dan reliabilitas tinggi dibandingkan dengan pemotong biasa pada umumnya. Pengembangan baru dari spike-bits (mata bor/gurdi) dengan performa tinggi adalah kemampuannya untuk melakukan penetrasi dan memotong tanah saat overcutter memanjang atau memendek (atau sebelum dan sesudah cutterhead bergerak secara mengibas)