تاریخچه تونل سازی و سازههای زیر زمینی
احتمالاً اولین تونلها در عصر حجر برای توسعه خانهها با انجام حفریات توسط ساکنان شروع شد. پیش از تمدن روم باستان، در مصر، یونان، هند و خاور دور و ایتالیای شمالی، تماماً تکنیکهای تونل سازی دستی مورد استفاده قرار میگرفت که در اغلب آنها نیز از فرایندهای مرتبط با آتش برای حفر تونلهای نظامی، انتقال آب و مقبرهها کمک گرفته شده است.
در ایران نیز از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آبهای زیر زمینی تونلهایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به ۳۵ کیلومتر و یا بیشتر نیز میرسد. تعداد قناتهای ایران بالغ بر ۲۵۵۵۵ رشته برآورده شده است. جالب توجه است که این قناتهای متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شدهاند.
ویژگیهای فضاهای زیرزمینی و نمونههای بارز آنها
- توقف محیط ساختاری به معنای وجود یک حصار وساختار طبیعی فراگیر
- عایق سازی با سنگهای فراگیر که دارای ویژگیهای عالی عایقها هستند.
- محدودیت کمتر در احداث سازههای بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی سطح زمین.
- کمتر بودن تأثیرات منفی زیست محیطی
- کوتاهتر شدن مسیرها و افزایش راندمان ترافیکی
- بهبود مشخصات هندسی مسیر
- جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن
- ایمنی بیشتر در برابر زلزله
انواع تونل
- تونل راههای بین شهری
- تونلهای راه آهنهای بین شهری
- تونلهای راه آهنهای شهری (مترو)
- تونلهای معادن
- تونلهای سد سازی و نیروگاهها
- تونلهای طبیعی (غارها) و قناتها و تونلهای انتقال نیرو
تونلهای راه
از جمله پر کاربردترین آنها است که خصوصیات مشترک آنها شیب زیر ۲% و مقاطع آنها است که معمولاً به شکل نعل اسبی یا D شکل هستند.
تونلهای آب
که ویژگی آنها عبارت است از مقطع دایرهای شکل و کوچکتر نسبت به تونلهای راه و شیبهای تند و حتی ۱۵ درجه.
تونلها برای استخراج معادن
که دارای مقاطع بسیار کوچک و اغلب مربعی شکل هستند.
روشهای مختلف حفاری تونلها
- روش حفاری سنتی
- روش انفجاری
- روش موضعی (استفاده از Road-Header)
- روش تمام مقطع (استفاده از دستگاه TBM)
ایمنی
همگام با ازدیاد تونلهای جادهای و افزایش تعداد وسایل نقلیه عبوری از این تونلها مسئله افزایش خطرات و سوانح در داخل تونلها نیز رو به افزایش است. بسته بودن محیط تونلها، عواقب ناشی از تصادفات و سوانح را بسیار زیاد میکند. معمولاً نرخ تصادفات در داخل تونلها کمتر از نرخ تصادفات جادهای است، ولی به علت محدود بودن فضای داخل تونلها و احتمال بروز آتش سوزی میتوان تونلها را محیط بسیار پرمخاطرهای دانست. بروز آتش سوزی در فضای بسته تونل در مدت زمان اندکی دما را به شدت بالا میبرد، همچنین دود و گازهای داغ ناشی از آتش، جان مسافران را تهدید مینماید. با توجه به مسائل گفته شده، لزوم بالا بردن سطح ایمنی تونلهای جادهای از اهمیت والایی برخوردار است.
روشنایی
هدف اصلی از تامین روشنایی تونلهای جادهای، ایجاد محیطی مناسب برای تردد وسایل نقلیه و اشخاص پیاده است. بطوری که دید سریع، دقیق، راحت در آنها امکان پذیر باشد. ایمنی و آسایش استفاده کننده از تونل، بدلیل تاریکی همواره در خطر است. مشاهده شده که بیش از ۲۵ درصد مرگ و میرهای مربوط به تونل در اثر کمبود نور و کاهش دید راننده بوده است. میزان تصادفات منجر به فوت بدلیل عدم تطابق در تونل افزایش مییابد.
مطالعات نشان داده که روشن کردن تونلها میزان تصادفات را به مقدار زیادی کاهش داده است. گر چه هزینههای مربوط به احداث تاسیسات روشنائی قابل توجه است ولی این هزینهها، تا اندازه زیادی، از طریق صرفه جوئیهایی که به سبب پرهیز از تصادفات نصیب اجتماع خواهد شد جبران میشود. بررسیها نشان میدهد نسبت سود به هزینه روشنائی تونلها بسیار بالا است و از نظر اقتصادی احداث این سیستمها بخوبی قابل توجیه است.
تقسیم بندی طول تونل از نظر وضعیت روشنایی
هدف از سیستم روشنایی تونلها آن است که در تمام قسمتهای تونل، روشنایی و درخشندگی کافی تامین شود. از نقطه نظر روشنایی، بین تونلهای معادن و تونلهای راه، تفاوتی اساسی وجود دارد. در مورد تونلهای معادن، روشنایی تمام طول تونل تقریباّ یکسان است زیرا افراد با سرعت کم وارد تونل میشوند و در تمام طول شیفت، در داخل معدن هستند. بنابر این مسأله تطابق چشم، مهمی محسوب نمیشود. در مورد تونلهای راه، قضیه متفاوت است زیرا راننده با سرعت زیاد وارد تونل شده و چشم به طور ناگهانی ازنور خیره کننده روز، وارد محیط کم نور تونل میشود و بنابر این مدتی طول میکشد که چشم با وضعیت روشنایی در تونل، تطابق یابد. پس شدت روشنایی در ابتدای ورود به تونل زیادتر است و به تدریج کمتر میشود و در بخش میانی، به حد ثابتی میرسد. قسمتهای مختلف تونل از نظر میزان روشنایی لازم و نیز وضعیت تطابق چشم، با هم تفاوت دارند.
تهویه
تهویه تونل یکی از مهمترین مسائل در احداث تونلها، چه در زمان حفر و چه در زمان بهره برداری است. با توجه به طویلتر شدن تونلها به علت تکنولوژی حفر مکانیزه، تهویه آنها حساسیت و اهمیت بیشتری یافتهاست و مطالعات جامعتری را در این زمینه میطلبد. بررسی ضرورت انجام تهویه مکانیکی در تونل برای بررسی ضرورت انجام تهویه مکانیکی، در کشورهای مختلف استاندارهای متفاوتی وجود دارد. در این مورد، استاندارد کشورهای نروژ، فرانسه و ژاپن مدنظر قرار گرفت و براساس تمامی آنها مشخص شد که تونل نیاز به تهویه مکانیکی دارد.
طراحی سیستم تهویه
برای به جریان انداختن شدت جریان هوای محاسبه شده، روشهای مختلف تهویه شامل روش استفاده از بادبزنهای سقفی (جت فن)، روش تهویه نیمه عرضی، روش تهویه طولی با استفاده از دویل میانی و استفاده از تونل افقی بررسی شد که شرح هر کدام موضوع مقاله جداگانهای است.
روش تهویه دهشی
در این روش هوای تمیز و سالم به فضای زیرزمینی دمیده شده و پس از ترقیق آلایندهها و از مسیر دیگر خارج میشود.
مزایای سیستم تهویه دهشی
- هوای جبهه کار همیشه تمیز و سالم است.
- امکان استفاده از کانال پارچهای بدون حلقه نگهدارنده، و بهره گیری از خصوصیاتی مانند نصب سریع و آسان و قیمت ارزانتر آن نسبت به سایر انواع کانال وجود دارد.
- هوای تمیز و بدون رطوبت و گرد و خاک وارد بادبزن و کانالها میشود.
- بادبزن در بیرون تونل در یک محل ثابت قرار گرفته و سرویس دهی آسادهتر خواهد بود.
- در صورت استفاده از سیستم تهویه دهشی متمرکز، آلودگی صوتی درون تونل وجود نخواهد داشت.
معایب سیستم تهویه دهشی
- بکار بردن حجم قابل ملاحظهای از هوا برای رقیق سازی آلودگیها.
- افزایش میزان آلودگی در متراژهای اولیه تونل.
- احتمال مخلوط شدن هوای آلوده خروجی از تونل با هوای تازهای که به درون بادبزن مکیده میشود بیشتر از حالت مکشی است، بخصوص زمانی که فاصله بادبزن با دهانه تونل کم انتخاب شده باشد.
روش تهویه مکشی
در این روش هوا از مسیر مکیده شده و لذا هوای تمیز از مسیر با دهانه دیگری تحت شرایط ایجاد فشار منفی نسبی، مکیده شده و پس از عبور از مسیر و ترقیق آلایندههای هوا از دهانه خروجی که عمل مکش را انجام میدهد خارج میشود.
مزایای سیستم تهویه مکشی
- در صورتی که محل تولید آلودگی ثابت و مشخص بوده و انتشار آلودگی در فضای تونل محدود شده باشد، میتوان آلایندهها را قبل از انتشار در کل فضای زیرزمینی، بدون احتیاج به رقیق کردن در حد استاندارد تخلیه نمود.
- در زمان بهره برداری از تونلهای راه که ترافیک در حال حرکت در تونل وجود دارد به شرط آنکه از دو سیستم کانال کشی برای ورود و خروج هوا استفاده شود و دریچههای متعدد در طول مسیر وجود داشته باشد تهویه نیمه عرضی بسیار مناسب است.
- در صورتی که بتوان دویلها یا شفتهایی به سطح زمین حفر کرده و دستگاه بادبزن مکشی را در بالای آن نصب نمود، میتوان از سطح مقطع داخل تونل به عنوان مجرای ورود هوا استفاده کرده و کانال کشی انجام داد.
معایب سیستم تهویه مکشی
- استفاده اجباری از کانالهای صلب یا قراردادن بادبزن در انتهای جبهه کاری و حرکت دادن آن متناسب با پیشروی و مشکل تامین برق آن و آلودگی صوتی در سینه کار.
- بالاتر بودن قطر کانال نسبت به سیستم دهشی.
- بالاتر بودن افت فشار کانالهای با حلقه فلزی و مشکل بودن نصب کانالهای صلب و سنگین بودن آنها.
- گرانتر بودن قیمت کانالهای با حلقه نگهدارنده و کانال صلب، نسبت به کانالهای پارچهای.
- افزایش نسبی شدت جریان مورد نیاز.
- ورود ذرات معلق و بخار مایعات و رطوبت به داخل کانال و بادبزن که باعث فرسودگی شدید و سریع بادبزنها خواهند شد.
- کاملاً نزدیک نگاه داشتن کانال به سینه کار (لزوم نزدیک بودن انتهای کانال به جبهه کار).
- وجود تعداد متعددی دریچه در طول مسیر، مشکلات نصب و هزینه آنها و کنترل باز و بسته کردن دریچهها.
- در صورت تولید آلودگی در مسیر تونل، هوای جبهه کار همیشه آلوده بوده و اکسیژن کافی ندارد.
- افزایش آلودگی جبهه کار با پیشروی بیشتر و فاصله گرفتن از دهانه ورودی تونل.
- خطر خفگی پرسنل هنگام آتش سوزی در مسیر تونل.
- نشت هوا یک عامل مزاحم بوده و با افزایش طول تونل مقدار آن افزایش مییابد.
سیستم کنترل و برق
بعد از جمع آوری اطلاعات مراحل زیر را به عنوان مراحل طراحی باید انجام داد.
- محاسبه توان مصرفی هر یک از تجهیزات منصوبه در تونل
- محاسبه مجموع توان سیستمهای کنترل، تهویه، روشنائی، ایمنی تونل، محاسبه توان مصرفی مرکز کنترل اطاقهای کنترل از راه دور شامل سیستمهای سرمایشی و گرمایشی برای هر دهانه
- طراحی پست برق مناسب برای هر دهانه
- تعیین شیوه کنترل تهویه مناسب در زمان عادی براساس آلودگی و دید و با در نظر گرفتن موقعیت تونل و شیب تونل، جهت ترافیک، فصول سال، ساعات شبانه روز و دیگر پارامترهای مؤثر که در بخش تهویه کاملاً شرح داده شده است.
- تعیین شیوه کنترل در زمان آتش سوزی براساس سناریوهای مختلف و موقعیت آتش در داخل تونل، تعیین مراحل مختلف استارت و سیکل خاموش، روشن شدن تهویه در شرایط عادی و آتش سوزی، تعیین فلوچارت مناسب سیستم کنترل تهویه
- تعیین فلوچارت مناسب سیستم کنترل تهویه
روسازی
روسازیهای بتنی به علت توان باربری و دوام زیاد، دارای مزایای بیشتر و هزینههای ثانویه کمتری در مقایسه با روسازیهای آسفالتی هستند، که این موضوع هنگام تصمیم گیری در مورد انتخاب نوع روسازه، به ویژه در محلهای حساسی مثل تونلها اهمیت بیشتری مییابد. زیرا در تونلها، به علت شرایط خاص و متفاوت آنها با محیط باز خارج، ایجاد هر نوع منطقه عملیاتی مستلزم مسدود کردن تونل است. این مسأله موجب پیدایش هزینههای اضافی برای استفادهکنندگان از راه خواهد شد.
هزینه در طول عمر روسازیهای بتنی تونلها در شرایط یکسان از روسازیهای آسفالتی کمتر است، که این تفاوت با افزایش ترافیک و یا طول مسیر اضافه شده در اثر بستن تونل به منظور فعالیتهای ترمیمی افزایش بیشتری مییابد.
هزینههای کاربر با شدت ترافیک و طول مسیر انحرافی رابطه مستقیم دارد، به طوری که با افزایش این مقادیر هزینه کاربر و متعاقباً هزینه در طول عمر پروژه افزایش مییابد، تا جائی که در تونلهای دارای مسیر انحرافی طولانی نقشی تعیین کننده بازی میکند.
هر چه طول مسیر انحرافی و یا شدت ترافیک افزایش یابد، هزینه در طول عمر روسازیهایی که نیاز به ترمیم و نگهداری بیشتری دارند، افزایش مییابد.
در صورتی که هزینههای استفاده کنندگان از راه در انتخاب طرح مهم نباشد، هزینههای ساخت و اجرای اولیه اهمیت مییابند. هر چه نرخ تنزیل سرمایه کمتر باشد، روسازیهایی که هزینه ساخت اولیه بیشتر و ترمیم و نگهداری کمتر دارند، توجیه اقتصادی بیشتری مییابند.
نگهداری
برای نگهداری از تونل بایستی به اجزای زیر توجه شود.
- سازه تونل
- کف تونل
- سیستم روشنایی
- سیستم تهویه
- زهکشهای تونل
- تجهیزات امدادی تونل
- قاب ورودی تونل
- شیبهای ورودی و خروجی تونل
سازه تونل
در اثر احداث تونل، تغییراتی در ساختار زمین به دلیل بهم خوردن طبیعت آن به وجود میآید که با گذشت زمان، زمین برای حفظ پا یداری ممکن است رفتاری در پیش گیرد که خطراتی را به سازه تونل مثل شکست و نشست وحتی تخریب وارد کند. لذا در بحث نگهداری از سازه تونل کلیه واکنشهای متقابل سازه تونل با ساختار زمین تحت کنترل قرار میگیرد.
بدین منظور تجهیزات ابزار دقیقی در بدنه (بر اساس طراحی) نصب میشود. مثل تنش سنج و کرنش سنجهایی که باید در سازه تونل نصب شوند تا تغییرات را روی صفحهای ثبت کند. تعمیر ومرمت سازه تونل بر حسب جنس زمین و نوع پوشش بدنه تونل متفاوت است و به دو گروه تونلهای فاقد پوشش و دارای پوشش تقسیم می شوند.
فاقد پوشش
در این تونلها که به دلیل استحکام زمین نیازی به پوشش نبوده است، کنترل درزها و ترکها با ید مورد بررسی قرار گرفته و در صورت لزوم پر شوند.
دارای پوشش
بر حسب دادههای سیستم کنترل رفتار سازه تونل (شامل زمین و پوشش) باید مورد بررسی قرار گیرد و قسمتهای آسیب دیده مرمت شوند. مرمت بدنه تونل در فصول بارندگی و ذوب یخ از اهمیت بیشتری برخوردار است. بندکشیها در بدنه سنگی،درزهای انبساط و محلهای تخلیه آب باید دائماً کنترل و در شرایط طراحی نگهداری شوند. جنس زمین، کف تونل، نحوه حفاری و کف سازی تونل در زمان بهرهبرداری عامل مهمی در وضعیت رویه راه در تونل است.
