تونل
به راهرو زیرزمینی افقی یا مورب که به منظور خاصی با طول و ابعاد مشخص حفر میشود و ممکن است از یک یا دو طرف به هوای آزاد راه داشته باشد تونل میگویند. یا به طور عام، تونل به تمام فضاهای زیر زمینی که برای استخراج مواد معدنی، رفت و آمد وسایط نقلیه، حرکت قطارها، انتقال تأسیسات، انتقال آب و پدافند غیرعامل، اطلاق میشود.
از آنجا که احداث تونلها معمولاً بر عناصر طبیعی پیرامون مانند خاک و سنگ تاثیر میگذارد، توجه ویژه در مورد کاهش اثرات مخرب آن ضروری است، چرا که این امر سبب از بین رفتن تعادل طبیعی این عناصر میشود. به همین علت است که هدف اصلی در انواع روشهای حفاری به حداقل رساندن تغییرات زمین در زمان حفاری است.
همچنین یکی از مهمترین عوامل اصلی در زمینه پیشرفت و تکامل صنعت تونل سازی، پیشرفتهایی است که در مورد روشهای حفاری تونل انجام گرفته است. از جمله روشهای حفاری که بدین منظور ابداع شدهاند میتوان از روشهای سنتی ابتدایی، روشهای حفاری و حفاظت مرحله به مرحله، روشهای حفاری با ماشین آلات اختصاصی، روش حفاری تمام مقطع و . . . نام برد.
اطلاعات کافی از لایههای زمین ساختاری و تغییر در پارامترهای مکانیک سنگ تاثیر زیادی در انتخاب روشهای اجرا دارد، اکنون فاکتور مهمی در توفیق تونلهای پیشرفته امروزی است. چنین پیش بینی و هشدارهایی در اجرا، امکان به موقع برآورد دقیق هزینهها و لجستیک آن را برای رفع موانع در طراحی تونل سبب شده و به دنبال آن پیشبینی هر چه دقیقتر، موجب تونل سازی مقرون به صرفه در خطرات همیشگی زیر زمین است.
مراحل تونل سازی
مراحل احداث و آماده سازی تونلها به شرح زیر است.
- تهیه طرح تونل
- نقشه برداری مسیر و تحقیقات مهندسی
- حفر تونل
- نگهداری موقت تونل
- انجام خدمات فنی از قبیل تهویه، آبکشی، روشنایی و نظایر آن
- نگهداری دائم تونل
تونلسازی اتریشی NATM
در فاصله سالهای ۱۹۵۷ تا ۱۹۶۵ در اتریش ابداع شد. نام این روش در سال ۱۹۶۲ در سالزبورگ و جهت تمیز از روش قدیمی تونل سازی اتریشی اعطا شد. ایده نخستین این روش عبارت است از استفاده از فشارهای زمین شناسی در برگیرنده توده سنگ جهت مقاوم سازی و نگهداری تونل. باید گفت که امروزه مطالعات گستردهای از سوی متخصصین علم مکانیک سنگ در ارائه طرحی مطمئن برای نگهداری فضاهای زیرزمینی صورت میگیرد که بتواند سیستم نگهداری را به گونهای طراحی کند که علاوه بر ایمن بودن، از نظر اقتصادی نیز معقول باشد.
ویژگیهای اساسی ناتم
ناتم روشی مبتنی بر تابع نگاری رفتار تودههای سنگ تحت بار و مونیتورینگ عملیات ساختمان زیرزمینی سنگ است. واقعیت این است که ناتم به عنوان یک مرحله از حفاری و نیز تکنیکهای نگهداری مطرح نیست. ناتم بر هفت ویژگی استوار است.
۱-بسیج مقاومت توده سنگ
این متد بر مقاومت ذاتی توده سنگ پیرامون به عنوان یک جز اصلی نگهداری شده در تونل، تکیه میکند. تکیه گاه اولیه طوری هدایت میشود که سنگ را قادر سازد تا بر خودش تکیه کند.
۲-حمایت شاتکریت
سست کردن و نیز تغییر شکل بی اندازه سنگ میبایست به حداقل برسد. این امر با مهیاکردن لایههای نازک شاتکریت بلافاصله پس از پیشروی جبهه کار حاصل میآید.
۳-اندازه گیری
هرگونه تغییر شکل ناشی از حفاری باید اندازه گرفته شود. ناتم به نصب تجهیزات اندازه گیری در سطح بالایی نیاز دارد. این در آستر، زمین و گمانهها جاسازی میشود.
۴-تکیه گاه انعطاف پذیر
آسترگیری اولیه نازک است و شرایط لایه بندی اخیر را بازتاب میدهد. این مدل به کارگیری، نسبت به تکیه گاه مجهول سریعتر به کار میآید و موثر میشود. مقاوم سازی با یک آستر بتنی ضخیم به دست نمیآید بلکه با یک ترکیب منعطف از پیچ سنگ، سیم تنیده و شیارهای فولادی حاصل میشود.
۵-بستن وارونگی
بستن سریع وارونگی و ایجاد حلقه حامل بار دارای اهمیت است. این امر در تونلهای حفر شده در زمینهای نرم بسیار وخیم است، جایی که هیچ مقطعی از تونل نباید بطور موقت رها شود.
۶-ترتیب قراردادی
دانش ناتم بر اساس اندازه گیری مونیتورینگ پایه ریزی شده است. تغییر در متد تکیه گاه و ساختمان امکان پذیر است. این تنها در شرایطی ممکن است که سیستم قراردادی فادر به تغییرات باشد.
۷-اندازه گیری پشتیبانی رده بندی توده سنگ
ردههای اصلی سنگ برای تونل و پشتیبانی متناظر آن موجود است. اینها برای هدایت در زمینه تقویت تونل بکار می روند.
بنابراین اصول زیر به طور کلی قابل اعمال هستند.
- عنصر اصلی باربری یک تونل، توده سنگ پیرامونی آن است.
- بنابراین یکی از اصول شامل حفظ مقاومت اولیه سنگ است تا آنجایی که امکان داشته باشد.
- اتساع یا جابجاییها باید به حداقل رسانده شود زیرا موجب پایین آوردن مقاومت میشود.
- وضعیت تنش تک محوری یا دو محوری، شرایط نامناسب برای تونل بوده و باید از آن اجتناب شود.
- دگرشکلیها باید به طرزی تحت کنترل درآید که توده سنگ پیرامون تشکیل یک حلقه باربر حول تونل را بدهد. به گونهای که از دست رفتن مقاومت به وسیله اتساع در سطحی قابل قبول نگهداشته شود. با اجرای خوب این کنترل، ایمنی و اقتصاد افزایش مییابد.
- برای رسیدن به این منظور، تکیه گاه اولیه میبایست در زمان درست نصب شود.
- عامل زمان ویژه سیستم ترگیبی سنگ به اضافه تکیه گاه اولیه، باید به صحت کافی تخمین زده شود.
تخمین عامل زمان بستگی به موارد زیر دارد.
- آزمونهای آزمایشگاهی
- آزمونهای برجا
- رده بندی توده سنگ
از این سه نرخ دگرشکلی و زمان پابرجایی میتواند استنتاج شده و با رفتار واقعی تونل در حین ساختمان تطبیق و کنترل شود.
- هرجا که دگرشکلیها زیاد بود و یا سست شدن توده سنگ انتظار میرود، میبایست از تماس کامل تکیه گاه اولیه با جدار تونل در محل برخورد اطمینان حاصل آید. این امر با بکار گرفتن شاتکریت به بهترین نحو حاصل میشود.
- تکیه گاه اولیه باید نازک و دارای صلبیت خمشی پایین باشد، از این رو گشتاورهای خمشی پایین آورده و وقوع شکستگیها در اثر خمش به حداقل میرسد.
- افزایش نگهداری با شبکه توری اضافی، قابهای فولادی، سیمهای فولادی، سیم مهارها یا میل مهارها حاصل میآید نه با آسترگیری ضخیمتری نوع و مقدار تکیه گاه و زمان نصب، از نتایج اندازه گیری دگرشکلیها تعیین میشود. از نظر استاتیکی تونل را میتوان لولهای ضخیم (یا حلقهای دوبعدی) که از توده، سنگ و آسترگیری تشکیل یافته در نظر گرفت.
- از آنجا که یک لوله مساعدترین ویژگی پایداری را بدون آنکاه درز داشته باشد داراست، بستن همزمان کف تونل در هنگامی که سنگ دارای مقاومت کافی نباشد دارای اهمیت است. رفتار توده سنگ با بستن به موقع کف تونل تعیین میشود. پیشرویهای زیاد در طاق منجر به دیر بسته شدن کف و آن هم منجر به تشکیل لوله نیمه آسترگیری اولیه شده که نتیجه آن بروز گشتاورهای بزرگ خمشی درجهت محور تونل است که منجر به ایجاد تمرکز تنش زیاد در سنگ، در پای دیوارههای جانبی میشود.
- حفاری پیشانی کامل، بهترین روش برای دستیابی یک توزیع یکنواخت تنش است. هر چند که در سنگهای سست، حفاری بخش بخش، برای پایداری در حین ساختمان ممکن است لزوم پیدا کند .روند حفاری و نگهداری برای پایداری مهم است. زیرا آنها عامل زمان توده سنگ را تحت تاثیر قرار میدهند. تغییر در طول دوره حفاری، زمان بستن کف، طول پیشروی طاق، مقاومت و زمان نصب تکیه گاه تماماً به طور سیستماتیک برای کنترل فرایند توزیع مجدد تنش و پایدارسازی به کار گرفته میشوند.
- در موارد آستربندی مضاعف، آستربندی نهایی باید همچنان نازک باشد. تنش عمود میباید بر روی تمام سطح تماس بین آستربندیها منتقل شده و تنش برشی در سطح برخورد میباید پایین باشد.
- کل سیستم، توده سنگ به اضافه پوشش میبایست با نگهداری اولیه پایدار شوند.
- در صورت خورنده بودن آبهای زیرزمینی آستربندی نهایی میبایست قادر به پایدار سازی توده سنگ به تنهایی باشد. سیم مهارها تنها میتوانند به عنوان یک نگهدارنده دائمی تلقی شوند، البته در صورتی که از گزند خورندگی در محیطهای خاص در امان باشند.
- برای کنترل ایمنی سازه تونل، اندازه گیری تنش بتن و تنش برخورد در مرز بین سنگ و آستربندی ضرورت دارد. اندازه گیری دگرشکلیها همچنان ادامه پیدا میکند.
- فشار ایستایی آب بر روی پوشش و فشار جریان در توده سنگ با زهکشی مناسب پایین آورده میشود. به طوری که از این اصول دریافت میشود، ناتم روند و دستور کاری نیست که با دنبال کردن آن به نتیجه مورد نظر رسید بلکه عبارت است از مجموعهای از ایدهها که به ویژگیهای زمین شناسی منطقه توجه ویژهای دارد. این روش در نتیجه تجربیات متعدد در کار تونلزنی به دست آمده است و برای به دست آوردن هر یک از این ایدهها و نیز جمعبندی آنها به عنوان یک روش سالهای زیادی وقت صرف شده است. نوآوری اساسی این ایده، یک فن ساختمانی یا یک روش خاص محاسباتی نیست، اما برای ساختمان تونل در توده سنگ و چگونگی برخورد با آن ارائه طریق مینماید.