Οι μηχανικοί πέρασαν σχεδόν 20 χρόνια κατασκευάζοντας τη μεγαλύτερη και βαθύτερη σιδηροδρομική σήραγγα στον κόσμο κάτω από τις χιονισμένες ελβετικές Άλπεις-

Από το τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, οι μηχανικοί είχαν ονειρευτεί να δημιουργήσουν μια ταχύτερη διαδρομή μέσω των Άλπεων για τη βελτίωση των συγκοινωνιακών συνδέσεων και την προώθηση του εμπορίου μεταξύ διαφορετικών περιοχών της Ελβετίας.

Ο Ελβετός μηχανικός Carl Eduard Gruner από τη Βασιλεία πρότεινε για πρώτη φορά την ιδέα της κατασκευής μιας σήραγγας ταχείας μεταφοράς κάτω από το Gotthard Massif. Ήδη από το 1947, πρότεινε τη δημιουργία μιας σήραγγας χαμηλής-διαβάθμισης που θα διασχίζει τη βάση του Gotthard.

Ωστόσο, ως μέρος ενός ευρύτερου δι-αλπικού σιδηροδρομικού δικτύου, το έργο δεν εξετάστηκε σοβαρά παρά περισσότερο από 40 χρόνια αργότερα, όταν ξεκίνησαν τα σχέδια για μια διαδρομή που συνδέει το Erstfeld στο βορρά και το Bodio στο νότο.

Ο σιδηρόδρομος έγινε μέρος του προγράμματος AlpTransit, που σχεδιάστηκε για να μειώσει τη συμφόρηση στους ορεινούς δρόμους, να συντομεύσει τον χρόνο και το κόστος μεταφοράς και να μειώσει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκαλούνται από τις βαριές μεταφορές.

Μέχρι το 1995, μετά από συστάσεις από τους Swiss Federal Railways (SBB), η Ελβετία είχε αναπτύξει σχέδια για δύο σιδηροδρομικές σήραγγες μονής γραμμής 57- χιλιομέτρων μεταξύ Erstfeld και Bodio. Το σύστημα περιελάμβανε 180 συνδετικά περάσματα και πολυλειτουργικούς σταθμούς στο Sedrun και στο Faido.

Το συνολικό σύστημα σήραγγας εκτεινόταν πάνω από 150 χιλιόμετρα, με στρώματα βράχων πάνω από τα βαθύτερα τμήματα που έφταναν σχεδόν τα 2,5 χιλιόμετρα σε πάχος.

Προκλήσεις τούνελ κάτω από τις Άλπεις

Το 1998, μετά από μια σειρά γεωλογικών ερευνών, οι Ελβετικοί Ομοσπονδιακοί Σιδηρόδρομοι ίδρυσαν την AlpTransit Gotthard AG για την επίβλεψη της κατασκευής της σήραγγας βάσης Gotthard.

Για κατασκευαστικούς σκοπούς, οι δύο σήραγγες μονής-τροχιάς χωρίστηκαν σε πέντε τμήματα.

Αν και το χιόνι κάλυψε τις κορυφές των Άλπεων παραπάνω, οι θερμοκρασίες βαθιά κάτω από το έδαφος έφτασαν τους 45 βαθμούς, δημιουργώντας σημαντικές μηχανικές προκλήσεις. Οι μηχανικοί έπρεπε να διαχειριστούν την ψύξη των εργαζομένων, τα συστήματα εξαερισμού, την υψηλή πίεση του υπόγειου νερού και τα τεράστια φορτία βράχων πάνω από τη σήραγγα.

Η πίεση από τα γύρω βράχια ήταν τόσο έντονη που οι περιοχές της ανασκαφής παρουσίασαν σοβαρή παραμόρφωση. Η μεγάλη ρωγμή βράχου θα μπορούσε να σπρώξει προς τα μέσα, μειώνοντας τη διατομή- της σήραγγας και επηρεάζοντας τη δομική σταθερότητα.

Συστήματα στήριξης χάλυβα για ακραία υπόγεια πίεση

Για να λύσει αυτές τις προκλήσεις, η ομάδα του έργου εισήγαγε προηγμένες τεχνικές εξόρυξης, συμπεριλαμβανομένων τμημάτων στήριξης αψίδων από χάλυβα με ολισθαίνοντες αρμούς τριβής.

Αυτές οι δομές στήριξης από χάλυβα σχεδιάστηκαν για να προσαρμόζονται σύμφωνα με τα ακριβή επίπεδα φορτίου και να παραμορφώνονται ελαφρά υπό αυξανόμενη πίεση χωρίς να καταστρέφουν την επένδυση της σήραγγας.

Για υπόγεια έργα μηχανικής που εκτίθενται σε ακραίες καταπονήσεις, η απόδοση του υλικού είναι κρίσιμη. Υλικά υψηλής- αντοχής, όπως η πλάκα από χάλυβα υψηλής αντοχής, επιλέγονται συνήθως για απαιτητικές δομικές εφαρμογές, επειδή παρέχουν εξαιρετική χωρητικότητα-φόρτωσης και αξιόπιστη μηχανική απόδοση.

Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά στηρίγματα, τα κατασκευασμένα εξαρτήματα χάλυβα μπορούν να απορροφήσουν την παραμόρφωση και να διατηρήσουν τη δομική ακεραιότητα υπό μεταβαλλόμενες υπόγειες συνθήκες.

«Η συμπίεση εδάφους απαιτεί εξειδικευμένα συστήματα υποστήριξης γύρω από τη σήραγγα», εξήγησε ο Ivor Thomas, διευθυντής σήραγγας στο BAM Nuttall και αντιπρόεδρος της British Tunneling Society. «Αυτές οι ατσαλένιες συρόμενες καμάρες έχουν σχεδιαστεί προσεκτικά για να υποχωρούν χωρίς να επηρεάζουν την ακεραιότητα της επένδυσης της σήραγγας».

Αφού ξεπέρασε αυτές τις τεχνικές προκλήσεις, η ομάδα κατασκευής ολοκλήρωσε την τελική ανακάλυψη της σήραγγας τον Οκτώβριο του 2010, αφαιρώντας περίπου 28,2 εκατομμύρια τόνους ανασκαμμένου βράχου μετά από 11 χρόνια διάνοιξης σήραγγας.

Σιδηροδρομικές γραμμές υψηλών επιδόσεων

Ωστόσο, η επιτυχία της σήραγγας της βάσης Gotthard δεν εξαρτιόταν μόνο από την ολοκλήρωση της ανασκαφής. Χωρίς ένα-σιδηροδρομικό σύστημα υψηλής ποιότητας, η σήραγγα δεν θα μπορούσε να επιτύχει τον στόχο της να μεταφέρει έξι εμπορευματικά τρένα και δύο επιβατικά τρένα ανά ώρα προς κάθε κατεύθυνση.

Ως μέρος του σιδηροδρομικού συστήματος, ολόκληρη η διαδρομή χρησιμοποίησε 290 χιλιόμετρα θερμικής επεξεργασίας-ράγες από περλιτικό χάλυβα και διακόπτες υψηλής απόδοσης{{2}.

Η θερμική επεξεργασία αλλάζει τη μικροδομή του χάλυβα, βελτιώνοντας την αντίσταση στη φθορά, την κόπωση από την επαφή κύλισης και άλλα ελαττώματα. Αυτές οι ιδιότητες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για σιδηροδρομικά συστήματα που λειτουργούν υπό υψηλές ταχύτητες και βαριά φορτία.

Παρόμοιες απαιτήσεις ισχύουν για βιομηχανικές εφαρμογές όπου χρησιμοποιείται χαλύβδινη πλάκα ανθεκτική στη φθορά για τη βελτίωση της διάρκειας ζωής υπό επαναλαμβανόμενες κρούσεις, τριβές και μηχανικές καταπονήσεις.

Τα προϊόντα χάλυβα που έχουν υποστεί θερμική επεξεργασία{0}} βελτιώνουν επίσης τη λειτουργική ασφάλεια, μειώνουν τις απαιτήσεις συντήρησης και παρατείνουν τη διάρκεια ζωής της σιδηροδρομικής υποδομής.

Χάλυβας υψηλής απόδοσης για βαριές μεταφορές

Επειδή κάθε τμήμα του έργου απαιτούσε εξαιρετική αξιοπιστία, η προμήθεια 18.000 τόνων σιδηροτροχιών υψηλής-αντοχής και 43 διακοπτών υψηλής-απόδοσης ανατέθηκε στον εξειδικευμένο κατασκευαστή χάλυβα voestalpine.

«Οι μέγιστες ταχύτητες που επιτυγχάνονται από τα επιβατικά και εμπορευματικά τρένα στο Gotthard Base Tunnel δημιουργούν εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις για την ποιότητα των σιδηροδρομικών γραμμών και των συστημάτων μεταγωγής», δήλωσε ο Franz Kainersdorfer, επικεφαλής της voestalpine Metal Engineering.

Το σιδηροδρομικό σύστημα χρησιμοποιεί τυπικές ράγες 120 μέτρων για τη βελτίωση της ασφάλειας και τη μείωση του αριθμού των ευάλωτων σημείων συγκόλλησης.

Για την κατασκευή σιδηροτροχιών ικανών να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις έργων όπως η σήραγγα βάσης Gotthard, αναπτύχθηκαν προηγμένες τεχνολογίες παραγωγής και θερμικής{0} επεξεργασίας για τη βελτίωση της απόδοσης του χάλυβα.

Παρόμοιες αρχές εφαρμόζονται επίσης στη σύγχρονη βιομηχανική κατασκευή χάλυβα, όπου η πλάκα από άνθρακα και άλλα υλικά από χάλυβα υψηλής απόδοσης-επιλέγονται σύμφωνα με την αντοχή, την ανθεκτικότητα και τις συνθήκες λειτουργίας.

Το μέλλον των εφαρμογών χάλυβα υψηλής απόδοσης

Το έργο της σήραγγας βάσης Gotthard βοήθησε στην ανάπτυξη προϊόντων χάλυβα επόμενης-γενιάς θερμικής-γενιάς.

Η voestalpine εισήγαγε αργότερα χάλυβα με εξαιρετικά-υψηλή-θερμική επεξεργασία-υψηλού άνθρακα-με σκοπό τη βελτίωση της ικανότητας φόρτωσης των μικτών εμπορευματικών και βαρέων-σιδηροδρομικών συστημάτων μεταφορών.

Η εταιρεία ισχυρίστηκε ότι σε σύγκριση με τις τυπικές σιδηροτροχιές που{0}}επεξεργάζονται θερμικά, αυτά τα προηγμένα προϊόντα θα μπορούσαν να μειώσουν σημαντικά το κόστος συντήρησης, παρατείνοντας παράλληλα τη διάρκεια ζωής.

Έργα όπως το Gotthard Base Tunnel καταδεικνύουν τη σημασία της επιλογής των σωστών υλικών χάλυβα για ακραία περιβάλλοντα.

Από συστήματα υποστήριξης υπόγειων σήραγγας έως-σιδηροδρομικές υποδομές υψηλής ταχύτητας, προηγμένα προϊόντα χάλυβα, όπως χαλύβδινη πλάκα υψηλής αντοχής, ανθεκτική στη φθορά χαλύβδινη πλάκα και άλλα εξειδικευμένα δομικά εξαρτήματα από χάλυβα, συνεχίζουν να υποστηρίζουν μερικά από τα πιο απαιτητικά έργα μηχανικής στον κόσμο.