מדידת מנהרות ה-HS2 בלונדון

כחלק מפרויקט רכבת המהירה החדש של בריטניה (HS2), שישה מכונות כריית מנהרות (TBM) פלסו את דרכן דרך חימר, חול וקרקע משתנה ללא הרף מתחת לרחובות לונדון. הן חוצבות את המנהרות שיאפשרו יום אחד לרכבות להגיע ללב הבירה הבריטית מהר יותר.

מגזין GIM International שוחח עם מתיו באדלי (Matthew Baddeley), מנהל המדידות של המיזם המשותף Skanska Costain STRABAG (SCS JV), על האתגרים בניווט המכונות הללו אל יעדן: הן מבחינת קו הנתב (Line) והן מבחינת הגובה (Level), ובדיוק של מילימטרים מנקודות הפריצה המיועדות להן. ההנדסה המדויקת הכרוכה בפרויקט המרתק הזה כוללת בקרה גירוסקופית לאורך מרחקים של עד 8 קילומטרים ללא בדיקות ביניים, תהליכי עבודה של סריקת לייזר המוזנים ישירות להחלטות התכנון, ומדידת פני שטח (Surface Traverse) לאורך 21 קילומטרים שגישרה בין שתי מערכות בקרה תת-קרקעיות עצמאיות: מנהרת נורת'הולט (Northolt Tunnel) ומנהרת יוסטון (Euston Tunnel).

הגאומטריה של מקטע "מנהרות לונדון" בפרויקט HS2 מכתיבה כל אתגר מדידה. בתחילת 2026, שתי מכונות כריית מנהרות (TBMs) הושקו מ-Old Oak Common, תוך כדי כרייה לכיוון תחנת יוסטון (Euston Station) לנסיעה של 7.5 קילומטרים. לפני כן, בינואר 2024, הושקו שתי מכונות TBM אחרות מתיבת ההחלפה של דרך ויקטוריה (Victoria Road Crossover Box), לנסיעה של 5.5 קילומטרים אל פיר האוורור של גרינפארק ויי (Greenpark Way Vent Shaft). כרייה זו, הנקראת "מנהרת נורת'הולט מזרח" (Northolt Tunnel East), הושלמה בהצלחה בקיץ 2025.

צמד נוסף של מכונות TBM יצא לכרייה תובענית של 8 קילומטרים באוקטובר 2022 מ-West Ruislip חזרה לגרינפארק ויי. אלו היו עבור כריית "מנהרת נורת'הולט מערב" (Northolt Tunnel West) שהושלמה באפריל 2025. בפיר האוורור של גרינפארק ויי, כל ארבע המכונות התכנסו לשני פירי אוורור גדולים והיו צריכות לפרוץ לתוך מה שבאדלי מתאר כ"פחית פלדה": מבנה קליטה שנבנה מראש עם טולרנסים (טווח שגיאה מותר) מיקומיים צפופים ביותר. "מנקודת מבט של טולרנס, זה היה מאתגר עבור כל מכונות ה-TBM להיפגש בתוך הפירים בגלל תרחיש פחית הפלדה ודרישות הדיוק הגבוהות," הוא אומר.

מעבר לכרייה הראשית של מכונות ה-TBM, הפרויקט הקיף גם עבודות נרחבות של דיפון בטון מותז (SCL) עבור מעברי קישור (Cross-passages) ופירי אוורור, כמו גם שתי מנהרות SCL המתחברות לתחנת Old Oak Common מתיבת ההחלפה של דרך ויקטוריה, לאורך מרחק כולל של 350–400 מטרים. כל אלה הוסיפו דרישות מדידה משלהם.

תנאי קרקע לא אחידים

בשל תת-הקרקע הלא-אחידה של לונדון, תנאי הקרקע מעצבים את מאמצי המדידה בדרכים שהיה קשה לחזות מראש. בכריית מנהרת נורת'הולט מזרח, התנאים היו נוחים יחסית, לדברי באדלי; הגאולוגיה של חימר לונדון (London Clay) איפשרה לחצוב את מעברי הקישור ללא טיפול מקדים בקרקע, מה ששמר על עומס עבודה מנוהל עבור צוות המדידה.

עם זאת, עבור מנהרת נורת'הולט מערב, הקרקע החולית דרשה להקפיא את הקרקע סביב כל מעבר קישור לפני שתחל החציבה. עבודות מעברי הקישור, יציקות בטון רצפה (Invert) פעולות הקפאת הקרקע התחרו כולן על גישה ויצרו הפרעות, מה שהפך את שמירת רשת הבקרה (Control Network) לקשה במיוחד בזמן שפעילות הייצור נמשכת מאחורי מכונות ה-TBM.

התנהגות הפירים מוסיפה רובד נוסף של מורכבות. פעולות שאיבת מים (Dewatering) בפיר האוורור גרינפארק ויי גרמו למבנה לשקוע ולעבור עילוי בהתאם לעונות השנה, דבר שאילץ את הצוות לכייל מחדש ללא הרף את נקודות הייחוס בראש הפיר. בפיר האוורור של וסטגייט (Westgate Vent Shaft), מעבר מכונות ה-TBM גרם לשקיעה של כ-30–35 מ"מ במבנה שכבר נבנה ברובו, כאשר קונסטרוקציית הפלדה והאלמנטים המבניים הראשוניים כבר היו במקומם. הדבר יצר אתגרים נוספים הן לצוות המדידה והן לצוות התכנון בכל הנוגע להחלטות על התקנת החיפוי (Cladding) וכל עבודות המכניקה והחשמל (M&E) "בפיר שבפועל פשוט זז", כפי שמתאר זאת באדלי.

8 קילומטרים ללא בדיקה

הכרייה של מנהרת נורת'הולט מערב, שנפרשה לאורך 8 קילומטרים מווסט רויסליפ לפיר האוורור גרינפארק ויי ללא פיר ביניים לביצוע בדיקת אימות, הציבה את אתגר המדידה הגדול ביותר של הפרויקט. צוות המדידה היה צריך לשמור על ביטחון ברשת הבקרה שלהם – ובמרחקים המצטברים (Chainage) ובסטייה האופקית (Horizontal Swing) – לאורך כל אורך הכרייה. "לא ידענו בוודאות אם אנחנו במיקום או בגובה הנכון עד שפרצנו לתוך פיר גרינפארק ויי," נזכר באדלי בגילוי לב.

כדי לתקף את רשת הבקרה על פני המרחקים הארוכים ביותר, ולבדוק את קשר המיקום בין אולד אוק קומון ליוסטון, הצוות ביצע מדידה רשתית על גגות הבתים (Rooftop Traverse) לקראת כריית מנהרות יוסטון שהושקו לאחרונה. זהו נוהג סטנדרטי בפרויקטי מנהרות גדולים להוכיח את היחסיות על פני השטח לפני שנוצר החיבור התת-קרקעי. זה אישר כי הסביבה התת-קרקעית המבוקרת באופן עצמאי של מנהרת יוסטון תיפגש בתוך הטולרנס המותר כאשר הכרייה תסתיים בעבודות החציבה שלה בקיץ 2027.

המדידה הרשתית בוצעה באמצעות מכשירי "טוטאל סטיישן" מדגם Leica TS60 ברמת דיוק של חצי שנייה, עם מחזיקי פריזמה משולשים Leica GPH3 ששימשו בשילוב עם פריזמות GPR1. פריזמות בודדות Leica GPH1P שימשו גם הן מכיוון שהן מיוצרות בדיוק רב עבור פעילויות הדורשות דיוק גבוה כגון מדידה על גגות. זיהוי מטרה אוטומטי (ATR) היה אפשרי למרחק של כ-1.5 קילומטרים, ולאחר מכן הצוות עבר לכיוון ידני. השילוב הוכח כעובד והניב תוצאות חיוביות, אך גם לקחים נלמדו מהמבצע. "מערכת ה-ATR במכשירי הלייקה עדיפה בהרבה על כיוון ידני. עדיף לקצר את הטווחים כדי לשמור על השימוש ב-ATR, מכיוון שכאשר מכוונים ידנית על פני מרחקים כאלה, נתקלים בבעיות של ריצוד אוויר (Shimmer) ואור חלש בשל ביצוע התצפיות בסתיו," מציין באדלי במבט לאחור. עבור כל עבודות מנהור עתידיות שבהן נדרשות בדיקות חיבור לפני השטח לפני ההשקה, הוא מתכוון לשכלל גישה זו.

בקרה גירוסקופית ושמירה על נתיב מכונות ה-TBM

הבסיס המרכזי של בקרת היישור עבור כריית מנהרות נורת'הולט, אשר הוקצה גם עבור מנהרות יוסטון, הוא גירוסקופ מדגם Gyromat 5000 המזווג עם מכשיר Leica TS60. כיוון גירוסקופי מספק ייחוס אזימוט (Bearing Reference) עצמאי שאינו תלוי בתצפיות פני השטח או בהמשכיות של המדידה הרשתית התת-קרקעית, מה שהופך אותו לאמצעי הגנה קריטי כאשר מרחקי הכרייה ארוכים והזדמנויות החיבור מוגבלות.

הניווט של כל מכונת TBM תלוי בשרשרת של דיוק העוברת מרשת הבקרה על פני השטח, דרך המדידה הרשתית התת-קרקעית ועד למכונה עצמה, וכל חוליה בשרשרת זו דורשת ניהול פעיל. תושבות המנהרה (Tunnel Brackets) – נקודות העגינה עבור מכשירי הטוטאל סטיישן הפועלים מאחורי ה-TBM – נתונות לתנודה עקב שקיעה של דיפון המנהרה, שינויי טמפרטורה ותנודות הנגרמות מפעילות הייצור. שבירת קרני האור (Refraction) בקו הראייה היא דאגה מתמדת בעומק, במיוחד במקומות שבהם קיימים מפלגי טמפרטורה בין אוויר המנהרה המאוורר לבין הקרקע שמסביב. שני האפקטים הללו עלולים להכניס שגיאות שיטתיות (Systematic Errors) המצטברות לאורך מהלך הכרייה. לכן, שניהם דורשים מחזורי ניטור ותיקון קבועים כדי לשמור על מערכת הניווט בתוך הטולרנסים הנדרשים שלה.

מכשיר ה-Leica TS60 היה הכלי הנבחר לאורך כל עבודות הניווט של ה-TBM והבקרה התת-קרקעית. דיוקו הזוויתי של חצי שנייה וביצועי ה-ATR החסונים שלו בתנאי מנהרה מעניקים לצוות ביטחון שהמכשור אינו הגורם המגביל. "ה-TS60 יציב כמו סלע והמודדים שלנו סומכים לחלוטין על המכשיר הזה שיספק תוצאות עקביות הניתנות לשחזור," אומר באדלי. "השתמשנו בו לכל עבודות הבקרה לאורך הפרויקט הזה."

התאמת רשת המדידה (Traverse Adjustment)

אותה משמעת חלה גם על רשת הבקרה של מערכת ה-GNSS שעיבודה בוצע עבור מנהרות יוסטון: שישה מקלטי Leica GS18 פעלו במקביל לאורך הפרוזדור שמ-Old Oak ועד יוסטון, כאשר התאמת הרשת (Adjustment) הריצה בתוכנת Leica Infinity. תוכנת Star*Net, חבילת התאמת הרשת שנמצאת כעת בתוך קבוצת Hexagon, שימשה לאורך כל הפרויקט. היא נדחקה לקצה גבול היכולת שלה במנהרה הכפולה באורך 8 ק"מ של נורת'הולט מערב – קונפיגורציה שבפרויקטים דומים אחרים הייתה עשויה לחייב את פיצול הרשת, לדברי מנהל המדידות.

תוכנית ניטור ההתכנסות (Convergence Monitoring) וניטור ה-SCL מנוהלת באמצעות Amberg, ומודול סריקת המנהרות של Amberg משמש יותר ויותר להזנת נתוני סריקת לייזר ולהפקת פרופילים של חתכי רוחב בצורה יעילה. מכיוון שפרויקט ספציפי זה חורג מהגבולות המעשיים של תוכנות מדף מסוג זה בשל קנה המידה ודרישות הדיוק שלו, מנהל מדידות המנהרות של SCS JV, תומאס קינג (Thomas King), פיתח גם כלי קוד פנימי במיוחד כדי לנתח נתוני רשת מדידה ותוצאות של רשתות בקרה.

הטיעון בעד סריקת לייזר

אם רשת הבקרה שומרת על מכונות ה-TBM במסלולן, סריקת הלייזר שומרת על שאר הפרויקט "ישר והגון". באדלי נזכר בספקנות מוקדמת מצד מחזיקי העניין בפרויקט. "אנשים שאלו, 'האם אתם לא סורקים בלייזר יותר מדי? למה אנחנו חייבים לסרוק בלייזר?'. פשוט הייתי צריך להדוף את זה ולומר: אנחנו סורקים בלייזר את כל העבודות הקבועות (Permanent Works)." עמדה זו הוכחה מאז פעם אחר פעם כנכונה, הוא אומר.

תהליך עבודה מבוסס היטב הופעל במהרה עבור מבני SCL: סריקה לאחר הדיפון הראשוני, סריקה שוב לאחר הדיפון המשני, השוואה מול מודל התכנון באמצעות Cyclone 3DR כדי להפיק מפות חום של סטיות (Deviation Heat Maps), כירסום חזרה של כל מה שחורג מהטולרנס, וסריקה מחדש לאישור. עבור טיפול הקפאת הקרקע התת-קרקעי במעברי הקישור במנהרת נורת'הולט מערב, צוות המדידה ביצע סריקה כדי לחלץ מידע על המצב הקיים (As-built) לגבי מיקומי חיבורי הטבעות (Ring Joint) על מנת להזין אותם חזרה לצוות התכנון עבור פריסת הקידוח המשופע. כתוצאה מתוכנית ההקפאה, הפעילות במנהרת נורת'הולט מערב הייתה אינטנסיבית בהרבה מבחינת משאבים בהשוואה למנהרת נורת'הולט מזרח, וייצרה זרם נתונים נפרד לחלוטין עבור צוות המדידה. "גייסנו את Cyclone 3DR עבור זה," אומר באדלי.

עבור הצוות שעקב אחר מכונות ה-TBM דרך המנהרות הכרויות, מכשיר המולטי-סטיישן Leica MS60 היה למעשה הכלי המעשי היחיד ללכידת פרופילים: "זהו חלון ההזדמנויות היחיד שבו אנו יכולים לסרוק בלייזר את המנהרות כדי לייצר את ה-'wriggles' שלנו – למעשה פרופילים של חתכי רוחב – וזה משהו שניתן לקחת לפרויקטים אחרים," הוא מוסיף.

ניתוח נתונים וארכיון

מעבר לניתוח סטיות, נעשה שימוש נרחב ב-Cyclone 3DR לצורך יצירת רשתות מרחביות (Mesh Generation), חישובי שטחים והערכות נפח – משימות המרחיבות את הערך של כל סשן סריקה הרבה מעבר לבדיקת תאימות פשוטה. "זה כמו האולר השווייצרי של עיבוד ענני נקודות; זה מהפכני," אומר באדלי על Cyclone 3DR. לצד 3DR, פלטפורמת Cyclone REGISTER 360 PLUS שימשה כבסיס חסון למיזוג מדויק של סריקות הלייזר יחד וביצוע גיאורפרנציאציה (Georeference) למערכת הקואורדינטות של רשת המדידה של HS2 (HS2 Survey Grid).

הנתונים כבר הוכיחו את ערכם כארכיון לטווח ארוך. במקרה אחד, אלמנטים של ניקוז נסרקו לפני שנקברו תחת יציקת בטון. כאשר צוות ההנדסה נזקק מאוחר יותר לחבר ניקוז חדש אל המנהרה הכרויה, ענן הנקודות סיפק את הגאומטריה הזמינה היחידה של המצב הקיים. "זה קורה כמעט מדי שבוע," אומר באדלי. "מהנדסים יכולים להבין את מפות החום; צוות ה-BIM יכול להתאים את מודל התכנון אם הוא מחוץ לטולרנס, וזה הופך אז למודל ה-As-built."

הזרמת נתונים (Streaming) לרוחב הפרויקט

ברמת ניהול נתוני הפרויקט, מערכת Hexagon GeoCloud מספקת את היכולת להזרים ענני נקודות ותמונות פנורמיות לכל משתמש מורשה ברחבי האתר כולו, מבלי שהמערכת תאט ככל שנפח הנתונים גדל. זוהי יכולת חדשה ובעלת ערך רב, לפי מנהל המדידות: "יש לנו אלפי פרויקטים שם עכשיו, וזו עדיין מערכת חלקה לתפעול." זה אינו המצב, הוא מדגיש, בפלטפורמות מתחרות מסוימות המאטות באופן משמעותי ככל שנתונים נערמים.

הדבר הוביל לשינוי מדיד באופן שבו דיסציפלינות שאינן קשורות ישירות למדידה מתקשרות עם נתונים מרחביים. מהנדסים מחברת התכנון השתמשו בפתרון זה כדי לבצע הערכות של תנועת קרקע בכל הגשרים לאורך התוואי מיוסטון ועד וסט רויסליפ, משימה שבעבר הייתה דורשת הגעה פיזית לאתר. המערכת שימשה כפלטפורמה לסקירת נתונים ושיתוף פעולה, והעניקה למהנדסים ומנהלי פרויקטים גישה לנתוני סריקה מבלי שיידרשו למיומנויות עיבוד מיוחדות. במקום לרדת אל מתחת לאדמה, מהנדסי אתר יכולים לחלץ קואורדינטות מבלי לעזוב את משרדם. "יש כאן גם רווח של בריאות ובטיחות. זה מפחית את תנועת האנשים ברגל באתר," הוא ממשיך. השילוב של Hexagon GeoCloud להזרמת נתונים ו-Cyclone 3DR לעיבוד היה, לדעתו, הצמד המשמעותי והמשנה-מציאות ביותר בפרויקט.

בניית תרבות של מדידה

הפרויקט דרש סך הכל 56 מודדים, החל ממתמחים ועד לאנשי מקצוע מוסמכים (Chartered), כדי לפעול כצוות לכיד על פני חזיתות פעילות רבות במקביל. ידידותיות הכלים למשתמש בהחלט תרמה להצלחתם. הממשק האינטואיטיבי של Cyclone 3DR ומשאבי הלמידה הברורים של Leica Infinity מוכיחים את עצמם כשימושיים באמת, ומורידים את רף הכניסה עבור אנשי צוות זוטרים לעסוק במשימות עיבוד נתונים שפעם דרשו מומחים ייעודיים. באדלי מציב זאת בניגוד לדורות קודמים של תוכנות. "בשנת 2007, הלכתי לקורס הכשרה של חמישה ימים עבור Cyclone CORE, שלדעתי היה גם נחוץ אז. היום, אתה כנראה לא צריך קורס הכשרה של חמישה ימים עבור Cyclone 3DR או Cyclone REGISTER 360 PLUS, כי התוכנה כל כך אינטואיטיבית."

עבור המשימות המורכבות ביותר, אנשי הצוות הבכירים נשענים על בסיס הניסיון הרחב שלהם מפרויקטים קודמים. ראש מערך המדידות של SCS JV, ויליאם ארצ'יבלד (William Archibald), עבד בעבר הן בפרויקט קרוסרייל (Crossrail) והן במנהרת התעלה (Channel Tunnel). באדלי ומנהל מדידות המנהרות תומאס קינג ביצעו השוואת ביצועים (Benchmarking) מול דיווחים שפורסמו על מנהרת בסיס גוטהארד (Gotthard Base Tunnel) וערכו סיור באתר בפרויקט ה-16 ק"מ של Align JV כדי לצפות ישירות בקונפיגורציית רשת הבקרה ובמערכות התושבות.

אך הוא מדגיש שמבנה הצוות חשוב בדיוק כמו הכלים. "אנחנו לא מנסים רק להושיב אדם ייעודי אחד שיעשה את עיבודי ה-Star*Net. במנהרת נורת'הולט מזרח, נתנו למודדים לאמץ את התאמות המנהרה בעצמם. כולם התנסו בעיבוד הנתונים והתפתחו כמודדי מנהרות, ולא רק אספו נתונים בשטח." המטרה כאן הייתה ליצור צוות שבו בעצם כל מודד יכול להשלים מחזור נתונים מלא: לאסוף, לעבד, להתאים, ולדווח. "אני חושב שרמת שיתוף הידע הזו הייתה נקודה חיובית גדולה בפרויקט הזה," הוא מציין.

יסודות מסורתיים, מיומנויות חדשות

עבודות כריית מנהרת יוסטון שהושקו לאחרונה יפיקו תועלת ישירה מהלקחים שנצברו לאורך מנהרות נורת'הולט. רשת ה-GNSS נמדדה מחדש עם מקלטי Leica GS18. מכשיר הגירומט מוכן. הצוות בוחן מחדש קונפיגורציות של תושבות מנהרה ופרוטוקולים של תצפיות גירוסקופיות, תוך הסתמכות על תיעוד גוטהארד לצד הניסיון ממנהרת נורת'הולט. מכשור חדש נמצא גם הוא באופק – טכנולוגיה שהגיעה לאחר שהחלו עבודות כריית מנהרת נורת'הולט ובאדלי משתוקק להעריך אותה עבור יישומים עתידיים.

כשנשאל אילו מיומנויות יצטרך הדור הבא של מודדי מנהרות, תשובתו מקיפה מומחיות מסורתית ועכשווית כאחד. "הם עדיין זקוקים לבסיס באוניברסיטה כדי ללמוד את אלמנטי המדידה הבסיסיים ביותר (Bread-and-butter) כמו גאודזיה. אם אתה באמת רוצה להוביל מכונות TBM לאורך קילומטרים רבים, אתה חייב להבין בקנה מידה ובגאודזיה אם אתה רוצה שהמנהרה שלך תיסגר בצורה נכונה בקצה השני." אך לצד היסוד הזה, כתיבת קוד (Coding) היא כעת חיונית, הוא אומר, כפי שממחיש הניסיון של צוות SCS JV בפיתוח כלי ניתוח רשתות מדידה פנימיים. חברת Skanska מעבירה באופן פעיל את אנשי הצוות שלה קורסי תכנות מתוך הכרה בכך. אוריינות BIM, אינטגרציית GIS ומודעות לכלי בינה מלאכותית (AI) משלימים את רשימת המיומנויות הדרושות למודד מנהרות בכיר בעתיד.

באדלי גאה במיוחד בהישגי הצוות בפיר האוורור של גרינפארק ויי, שבו ארבע מכונות TBM הגיעו מכיוונים שונים והוכיחו כי 8 קילומטרים של מדידה – דרך קרקע בלתי צפויה וללא בדיקות מיקום ביניימיות – עבדו בהצלחה. הפריצה עצמה הייתה, הוא מודה, פחות קולנועית מאשר בסרטים; המכונות נכנסו לתוך מבנה הקליטה הסגור העשוי פלדה, ורגע ההתגלות הגיע כאשר המכסה הורם. אך ההנדסה שעמדה מאחורי זה הייתה רחוקה מלהיות צנועה.