איך עושים את זה?

המנהרה הארוכה בעולם: מנהרת גוטהרד, האלפים השוויצרים

מה עושים עם 30 מיליון קוב עפר?

לפני יותר משני עשורים החליטו השוויצרים להוציא מיליארדי יורו על בניית מנהרה שתחצה את האלפים. ההחלטה הזאת, הבלתי כלכלית בעליל, נבעה משיקול מרכזי אחד: הגנת הסביבה. תושבי האלפים, שרובם מתגוררים בכפרים ובעיירות קטנים, זכו מדי שנה לביקור מצד מיליוני משאיות שחצו את אחד המחסומים הטבעיים המאסיביים ביותר באירופה, והשאירו מאחוריהן זיהום סביבתי ניכר. אחרי משאל עם הוחלט להפנות את כל התעבורה הזאת למנהרה עצומת ממדים: עם פתיחתה צפויה מנהרת גוטהרד (Gotthard) להיות המנהרה הארוכה בעולם - 57 ק"מ שחוצים את בסיס האלפים, כשמעליהם מתנשאים מיליוני טונות של סלעים שגובהם עד 2,000 מטר.

המנהרה נכרתה משני צדיה במקביל, ואחרי 15 שנה, ב־15 באוקטובר 2010, נפגשו לראשונה הצוותים שחפרו את האלפים. עם פתיחתה לתנועת רכבות, ב־2017, יעברו בה מדי יום כ־300 רכבות, מה שיהפוך אותה לאחד מעורקי התחבורה העמוסים בעולם. תנועת הרכבות הזאת צפויה להפחית בחצי את תנועת המשאיות הקיימת כיום באזור, ולהחזיר לתושבים את השקט והאוויר הנקי.

העלות של הפרויקט המאסיבי הזה עומדת על 10.2 מיליארד דולר, ורק על מלאכת החפירה עצמה עמלו יותר מ־2,500 עובדים. במרכזו של הפרויקט נמצאת מכונה לכריית מנהרות (TBM, בשפה המקצועית) שקוטרה תשעה מטרים ואורכה 410 מטר - כמו ארבעה מגרשי כדורגל שחוברו יחדיו. גוף החפירה הזה מתחיל בראש מסתובב, שמורכב מ־58 ראשי חפירה וחיתוך המוצמדים לסלע הנחפר בלחץ של 26 טונה. הסלעים נופלים למסועים ומפונים החוצה, בזמן שעבודת התמיכה מתרחשת באופן מיידי: ה־TBM מצמיד עוגנים לכל אורך המעגל שנחצב, מכונה אחרת מלבישה על העוגנים סבכות הגנה, ומכונה שלישית מרססת אותן מיד בציפוי בטון. מדי כמה מטרים מונחות לתמיכה טבעות מתכת עצומות, שנלחצות כלפי הסלע ומרוססות בבטון. כל הקומפלקס המורכב הזה מתקדם בכל תנועה שהוא עושה לא יותר משני מטרים, מה שמאפשר לחפור רק 40 מטר מדי יום, וגם זה בתנאים אופטימליים.

אחד האתגרים המרכזיים בפרויקט האדיר הוא מציאת שימוש לעפר שמוצא מהמנהרה. נפח המנהרה הוא עצום: 30.3 מיליון מ"ק, מספיק בשביל למלא 17 פעם את כל החלל של מגדל אייפל, או להקים 12 פעם את הפירמידה הגדולה בגיזה. "אם רוצים לפנות את כל העפר על רכבת משא, צריך רכבת שמתחילה בשוויץ ומסתיימת בניו יורק", הסביר ל־BBC היינז הרבאר, קצין הבנייה הראשי של המנהרה. השוויצרים, שוב מתוך גישה ירוקה, משתמשים כמעט בכל כמות הסלע שנכרה לטובת ייצור הבטון שמשמש לחיפוי הקירות הפנימיים, אבל כיוון שבכל זאת מדובר בכמויות עצומות של סלע, חלק נותב להטיית נחלים, מילוי מחצבות ישנות ותיקון נזקים סביבתיים שהפרויקט יצר.

אתגר מרכזי נוסף הוא האתגר הבטיחותי: מה לעשות אם בלב המנהרה תפרוץ אש, שתסכן את המבנה כולו ותאיים למוטט עבודה שנמשכה 20 שנה? כדי להתמודד עם הסכנות האלה, צופו כל קירות המנהרה בחומר מבודד חסין לאש, המסוגל לתת לצוותי הכיבוי וההצלה מרווח נשימה של 90 דקות בטרם תהפוך הסכנה לקריטית.

מכונת הכרייה פורצת את הקטע האחרון במנהרת גוטהרד. 58 ראשי חפירה שקודחים בלחץ של 26 טונות צילום: רויטרס

הגשר שמסיע מדינה שלמה לחופשת הקיץ: גשר מיו, עמק טארן, צרפת

איך בונים גשר שמתמודד עם רוחות של 130 קמ"ש?

מדי שנה נתקלו הצרפתים בבעיה קשה בקיץ: הוואקנס, חופשת הקיץ המסורתית והארוכה שנוטלים הצרפתים, יוצרת פקקי תנועה עצומים בכל רחבי המדינה. פקק גדול במיוחד שהעכיר את החופשה היה זה שעל הכביש בין פריז למונפלייה שבדרום צרפת. בכדי לפתור את הבעיה הגו מהנדסים צרפתים פתרון הנדסי מרשים: גשר מיו (Viaduc de Millau). הגשר נמתח מעל עמק טארן לאורך של 2.5 ק"מ צנועים, אבל אלו תלויים באוויר בגובה של 270 מטר, מה שהופך אותו לגשר הגבוה בעולם. שיאו של אחד העמודים שעליהם מעוגן הגשר מגיע ל־343 מטר, כמעט כפליים ממגדלי עזריאלי. לא אחת משייטים העננים בעמק מתחת לפני הגשר, מה שיוצר חוויה של נסיעה בין עננים. לא פלא שהחברה המבצעת והמפעילה של הגשר היא חברת אֵפאז' (Eiffage), שבנתה גם בעבר את מגדל אייפל.

אבל מי שתכנן עבור החברה את הגשר היו שניים: האדריכל הבריטי נורמן פוסטר, והמהנדס הצרפתי מישל וירלוז'ו.

הדרישות שעמדו בפני המתכננים והמבצעים היו כבירות. הגשר אינו ישר: הוא מתעקל על מנת לשמור על עירנות הנהגים, להקנות להם שדה ראייה טוב יותר, ובעיקר כדי להתמודד עם תנאי מזג האוויר המשתנים בסביבה. הגשר גם היה צריך להיות קל אבל חזק להפליא, בכדי להתמודד עם משטר הרוחות בגובה שבו הוא תלוי. וכאן היה האתגר הראשון: כיצד לחתוך ולחבר, בדיוק של מילימטרים, 2,078 משטחי פלדה שייצרו את סיפון הגשר, שעליו יונח הכביש. באפאז' השתמשו לשם כך בחותכי פלזמה, שמסוגלים לעשות את העבודה בדיוק של ראש סיכה, ובמהירות גבוהה פי שלושה מזו של חותכים רגילים, וגם כך נמשכה עבודת החיתוך שנתיים תמימות.

אתגר נוסף היה הצורך להרכיב את הסיפון על עמודים תומכים בגובה חסר תקדים. בגלל משקלו העצום, 36 אלף טונה, החלקתו של הסיפון על העמודים איימה להפעיל עליהם לחץ רב מדי ולמוטט אותם. כדי לפתור את הבעיה נבנו בוכנות הידראוליות מודרכות ג'י.פי.אס, שדחפו את הסיפון בקצב של 1.5 ס"מ בדקה. מלאכת ההחלקה הזאת למקום נמשכה לבדה 15 חודשים.

עתה נשארה בפני המהנדסים מלאכת עיגון הגשר לראשי המגדלים באמצעות כבלי פלדה. באתר שבו הרוחות שורקות בחורף במהירויות העולות על 130 ק"מ לשעה, זוהי משימה חיונית ומורכבת. לשם כך הורכב כל כבל פלדה מחבילה של 91 כבלים קטנים יותר, שעשויים כל אחד משבע רצועות פלדה מלופפות. התכנון הזה מאפשר להחליף כל אחד מ־91 הכבלים הקטנים מבלי לסכן את הגשר. לא רק שהמערכת המודולרית הזאת חזקה וקלה להדהים, היא גם מאפשרת למתכנני הגשר לעמוד במטרתם - ליצור מבנה שיתפקד במשך 120 השנה הקרובות.

כל הכמויות העצומות של המתכת שבה השתמשו בבניית הגשר העמידה בפני המהנדסים אתגר נוסף: ההתרחבות שלו במשך חודשי הקיץ. למעשה, החישובים הראו כי לגשר יתווספו בקיץ מטר וחצי נוספים, בשל התחממות המתכת והתפשטותה. כדי לפתור את הבעיה נבנו תומכות הידראוליות בשני קצוות הגשר, במקום שבו הוא פוגש את האדמה. התומכות האלה מאפשרות לגשר להימתח מבלי לסכן את המבנה כולו. כל הטכנולוגיה הזאת אפשרה ליותר מ־32 מיליון כלי רכב לחצות את הגשר, מאז נפתח לתנועה בסוף 2004.

כל אחד מכבלי הפלדה שמעגנים את הגשר עשוי מ-91 כבלים קטנים יותר, שניתנים להחלפה בכל רגע צילום: רויטרס

פרויקט מדעי בבטן האדמה: מאיץ LHC, מרכז CERN, גבול שוויץ צרפת

איך מורידים גלאי של 12 אלף טונות לעומק של 100 מ'?

מאיץ החלקיקים LHC שעל גבול שוויץ־צרפת, סמוך לז'נבה, הוא הפרויקט ההנדסי־מדעי הגדול בעולם. בתוך מנהרה טבעתית בהיקף של 27 ק"מ מואצים מדי יום פרוטונים למהירות הקרובה למהירות האור, בשני צינורות מקבילים שמתאחדים ליצירת התנגשות - מעין תאונת דרכים של פיזיקת חלקיקים, שנועדה להבין את מקורות היקום. בבימוי התאונה הזאת השתתפו 7,000 פיזיקאים מרחבי העולם, אלפי מהנדסים ו־5 מיליארד יורו. למעשה, למעט פרויקט החלל של נאס"א, זהו הפרויקט המדעי הגדול בכל הזמנים.

דרך פשוטה להבין עד כמה הפרויקט הזה הוא עדין היא לבחון את ההתמודדות עם התקלות שהוא מייצר. כך, למשל, אחרי שהופעל לראשונה בספטמבר 2008, התגלתה תקלה שתיקונה ארך כשנה. התקלה הזאת נבעה כנראה מפירור לחם קטן שהשמיטה ציפור שחדרה למתקן. האינדיקציה הזאת לרגישות של המתקן לוותה בחששות מסוימים מצד כמה מדענים, שטענו כי המתקן ייצור חור שחור קטן שישמיד את כדור הארץ - אבל לעת עתה, הניסויים נערכים ללא התרחשויות אפוקליפטיות.

במרכזו של הפרויקט עומדים שישה גלאים של חלקיקים. הגדולים שביניהם, אטלס ו־CMS, הם מעין מצלמות המסוגלות לצלם תמונות במהירות של 40 מיליון פריימים לשנייה. הם שוקלים 7,000 ו־12 אלף טונה, בהתאמה, גדולים כמו קתדרלת נוטרדם, ולהקמתם נדרשו 2,000 מדענים ואלפי טכנאים.

אבל בטרם אפשר היה להרכיב את שני הגלאים, נדרשו מהנדסי הפרויקט לחפור להם מנהרות אחסון עצומות בעומק של 100 מטר מתחת לאדמה. למעשה, שתי המנהרות האלה הן המבנים התת קרקעיים הגדולים ביותר שאי פעם נוצרו. בכדי לתמוך במשקלם העצום של הגלאים הונחה בהן רצפת בטון בעובי של חמישה מטרים, אבל האתגר האמיתי היה הנחת הגלאים על הרצפה הזאת: כיוון שאין עגורן המסוגל לשלשל משקלים כאלה לעומק של 100 מטר, המדענים תכננו את הגלאים כך שיורכבו בשכבות, כל אחת מהן במשקל 2,000 טונות, שהורכבו רק בחלל התת קרקעי עצמו. אפילו הכבלים תוכננו במיוחד עבור הפרויקט, כך שלא יטלטלו את הציוד או יסובבו אותו באוויר.

כדי לחצוב את המנהרה לגלאי CMS נאלצו המהנדסים להקפיא מאגר מים תת קרקעי ששכן במקום, ורק אז להתחיל בחציבה. לאחר שהושלמה העבודה נשאבו המים, וביחד עם הסלעים והאדמה שנחצבו בתהליך הם שימשו ליצירת פארק ובלבו אגם.

אבל האתגר הכי גדול של בניית המאיץ הוא זה שנבע מהצורך בהובלת הפרוטונים באופן מדויק במסלול הטבעתי. לשם כך, עושה המאיץ שימוש ב־1,232 מגנטים היוצרים שדה מגנטי רב עוצמה המוליך את הפרוטונים במסלולם. עוד 400 מגנטים ממקדים את אלומת הפרוטונים, ועוד 5,000 נוספים מתקנים אותה אם היא סוטה ממסלולה. לשם פעילותם התקינה של כל המגנטים האלה, נדרשת טמפרטורה של מינוס 271 מעלות, קר יותר מאשר בחלל. מערכת הקירור של המגנטים מורכבת ממקררי ענק מלאים בהליום נוזלי, ודורשת כמויות עצומת של אנרגיה: בכל פעם שהוא מופעל צורך המאיץ כ־120 מגה־ואט של חשמל - כמעט כל החשמל שהעיר ז'נבה הסמוכה צורכת.

מאגר המים התת קרקעי ששכן באתר המחפורת הוקפא לפני עבודות החציבה, ולאחריהן הופשר, נשאב ושימש ליצירת אגם מלאכותי צילום: איי פי

הבניין הפיסולי הגבוה בעולם: מגדל אל חאמרה, כוויית סיטי

איך מונעים את התנודות של גורד שחקים?

מגדל אל חאמרה שבכווית סיטי הוא גורד השחקים הפיסולי הגבוה בעולם. הוא מתנשא לגובה של 412 מטר (78 קומות) על מגרש של 18 אלף מ"ר, ומייצר 195 אלף מ"ר של שטח מסחרי ומשרדי. מה שמייחד אותו הוא צורתו הא־סימטרית, המתפתלת, שהופכת אותו לאתגר הנדסי ותכנוני, ואילצה את מתכנניו להתמודד לא רק עם איומי קריסה כתוצאה מהא־סימטריות, אלא גם עם תנאי אקלים קיצוניים הכוללים טמפרטורות של 55 מעלות ורוחות מדבר הרסניות.

על הארכיטקטורה של המבנה אחראי משרד האדריכלים הגדול בעולם, SOM. המשרד תכנן את רב הקומות כך ששני אגפים שלו מזנקים מצדדיו בשיפוע מתעקל שמעניק לו לא רק מראה ייחודי, אלא גם פונקציונליות סביבתית. בעצם, צורת המבנה היא תוצאה של חיסור: המתכננים הפחיתו מכל קומה 25% באזור שבו פוגעת השמש בעוצמה המרבית לאורך המסלול היומי שלה. התוצאה היא מבנה שבשל החיסור, יוצר הצללה טבעית עבור העובדים במשרדים. מצד שני, הצורה המפותלת שהתקבלה סיפקה למתכננים אתגר מורכב ביותר: היא מפעילה לחצים אדירים על הבניין. שלא כמו בגורד שחקים סטנדרטי, שבו משקל הבניין לוחץ כלפי מטה, באל חאמרה המשקל לוחץ גם אופקית, בשל הפיתול. כדי לקבע את צורתו של הבניין, המהנדסים הגדילו במעט את קצוותיו. החישובים המורכבים שנדרשו בכדי להגיע לתוצאות המבוקשות נמשכו חצי שנה.

מגדל אל חאמרה שונה מגורדי שחקים בעוד היבט: בעוד הם בנויים מקורות פלדה, הוא עשוי יציקות בטון בנפח של 195 אלף מ"ק. העלאת הבטון לגובה מאות מטרים היתה בעיה בפני עצמה, וכדי לפתור אותה השתמשו המהנדסים בבטון נוזלי שהוזרם במשאבה אל הקומות העליונות, מסע שארך 15 דקות.

זהו גם המבנה הגדול בעולם שעושה שימוש בחיפוי אבן בכדי להגן על עצמו מפגעי האקלים: את פניו מכסות 19 אלף אבני חיפוי מגיר בשטח כולל של 258 אלף מ"ר (פי שלושה מהגנים הבהאים בחיפה), שסופגות את החום ביום ומשחררות אותו בלילה. בגלל הטמפרטורות הגבוהות בכווית סיטי האבנים מתרחבות, ולכן נאלצו הבנאים להניח אותן במרווח מדויק של עשרה מילימטר זו מזו, כך שהלחץ בעת ההתרחבות לא יסדוק אותן.

הקומה העליונה, שכוללת מסעדת גורמה, היא בניין בפני עצמו: היא מתנשאת לגובה של 51 מטר מעל הקומה שמתחתיה, ועשויה בעיקר זכוכית ופלדה. הקומה הזאת תידרש להתמודד עם סופות חול מדבריות במהירות של 55 קמ"ש, אבל בניגוד לקצותיהם של גורדי שחקים אחרים, היא כמעט ואינה מתנדנדת ברוח בזכות העיצוב הא־סימטרי של הבניין, שמאפשר פיזור יעיל במיוחד של לחצי הרוחות. מה שאומר שמי שיסעד בגובה כזה לא צריך לחשוש מבחילה מיותרת, אלא רק מהמחיר.

המתכננים חתכו רבע מכל קומה, במקום שבו השמש פוגעת בעוצמה המירבית, כדי להגיע ליעילות אנרגטית. המבנה המפותל מפזר את הרוח ומונע צורך במטוטלת פנימית צילום: cc by jasab

פרויקט הבנייה הגדול בהיסטוריה: סכר שלושת הערוצים, היאנגצה, סין

איך בונים את קיר הבטון הגדול בהיסטוריה?

"סכר שלושת הערוצים" שעל נהר היאנגצה הסיני הוא הפרויקט הגדול ביותר בהיסטוריה הסינית מאז החומה הגדולה. בעצם, מדובר בפרויקט הבנייה הגדול בהיסטוריה האנושית כולה: על מלאכת הקמתו עמלו יותר מ־40 אלף פועלים, הקמתו תבעה את פינויים של מיליון תושבים, הוא עלה 22 מיליארד דולר, והוא גדול פי חמישה מסכר הובר המפורסם בארצות הברית. בנייתו החלה ב־1994 והסתיימה ב־2006, וכשהושלם, נמתח קיר הסכר לאורך 2,335 מטר והתנשא לגובה של 185 מטר. לשם השוואה, הוא ארוך כמו גשר הזהב בסן פרנסיסקו וגבוה ממנו פי שניים. מאגר המים שהוא אוצר מכיל כמעט 40 מיליארד קוב של מים, פי עשרה מנפחה של הכנרת.

השלב הראשון בעבודה על הסכר היה לייבש את השטח שעליו הוא יוקם. לשם כך, נחפרה תעלה מאסיבית שהטתה את אפיקו של היאנגצה לשש שנות העבודה הראשונות. המלאכה הזאת לא היתה פשוטה: כמות הדינמיט ששימשה לחציבת האפיק האלטרנטיבי היתה שוות ערך ל־20 פצצות אטום כמו זו שהופלה על הירושימה. מדי יום מילאו את האוויר באזור ענני אבק במשקל של 15 טונה. כדי להקים את קיר הבטון הראשי, שאליו נשפכו 30 מיליון מטר מעוקב של בטון, נבנו במיוחד העגורנים הגדולים בעולם. את מלאכת התמיכה בכל הבטון הזה מבצעים 463 אלף טונות של פלדה, שהיתה מספיקה לבניית 63 מגדלי אייפל.

המפלצת ההנדסית הזאת נדרשת להתמודד עם אתגר אחד עצום, שהעמיד דרישות טכנולוגיות מפליגות בפני המתכננים: היא ממוקמת במרכזו של אזור הידוע כרגיש לרעידות אדמה. אם אחת מהן תחריב את הסכר, הוא יחולל אסון סביבתי בקנה מידה חסר תקדים. כדי למנוע זאת, שולבה בסכר הטכנולוגיה המתקדמת ביותר לייצוב בניינים מאסיביים, אלא שהסינים לא שיערו מה מסוגל מאגר המים עצמו לחולל. משקלו האדיר לוחץ על הלוחות הטקטוניים, ומאז הקמתו נרשמו באזור פי 30 יותר רעידות אדמה. לעת עתה הטכנולוגיה הסינית עומדת במבחן, אבל מומחים מרחבי העולם צופים כי הפרויקט הזה ייאלץ להתמודד עם רעידות אדמה בעוצמות שלהן המתכננים לא התכוננו.

אסור לשכוח שלקיומו של הסכר יש כמובן משמעות חיובית מרחיקת לכת. הקמתו אפשרה לסינים להשתלט על הצפות היאנגצה שבשיאן, ב־1998, השפיעו על חייהם של 300 מיליון סינים. יותר מזה: הוא מייצר 22.5 גיגה־ואטים של חשמל, מה שהופך אותו למתקן ייצור החשמל הגדול בעולם, וגם לספק האנרגיה של 10% מהאוכלוסיה הסינית. כיוון שמדובר באנרגיה הידרו־אלקטרית נקייה, מפעל האנרגיה הזה חוסך לסינים שימוש ב־31 מיליון טונות של פחם מדי שנה, שבתורם חוסכים מהעולם 100 מיליון טונות של גזי חממה. במקביל, הרחבת אפיק היאנגצה אפשרה לסינים לייעל את תעבורת הדוברות בנהר פי שישה, וכך לצמצם את תנועת המשאיות לאורכו, מה שחסך עוד 630 אלף טונות של גזי חממה. בחישוב היסטורי, לאחר תקופת הפעלה מלאה בת שני עשורים, סכר שלושת הערוצים צפוי להיות הפרויקט התורם ביותר לסביבה שבוצע על פני כדור הארץ כולו, בתנאי שלא יתמוטט ברעידת אדמה.

כדי לשפוך את כל הבטון, 30 מיליון מטרים מעוקבים נפחו, בנו הסינים את העגורנים הגדולים בעולם צילום: איי אף פי