ساخت تونل‌های سنگی

ساخت تونل‌های سنگی همواره یکی از پرهزینه ترین و مخاطره‌ترین فعالیت‌های مهندسی بوده که با بیشترین ناشناخته‌های زمین همراه است. تنوع ویژگی‌های توده سنگ و شرایط زمین شناسی باعث می‌شود تا هر تونل از نظر طراحی و ساخت منحصر به فرد باشد‌. ارزیابی رفتار زمین دربرگیرنده تونل و شناخت مخاطرات و لحاظ کردن را‌های مقابله با آن در طراحی‌ها از پیش نیازهای موفقیت در یک پروژه تونل سازی است. این ارزیابی باید بر پایه درک جامع زمین شناسی منطقه و تهیه مدل‌های زمین شناسی استوار باشد که در آن داده‌ها و شرایط زمین با توصیف‌های زمین شناسی مهندسی همراه است.

افزایش تقاضا برای تونل‌های با کاربردهای مختلف در ایران، ضرورت تونل‌های عمیق و بلند را حتی در زمین‌های مسئله دار و دشوار اجتناب ناپذیر کرده است. ساخت تونل‌های سنگی در چنین زمینه‌هایی ممکن است با انواع مخاطرات زمین شناسی مهندسی و زیست محیطی همراه باشد. وقوع این مخاطرات در زمان حفاری می‌تواند ایمنی، برنامه زمانبندی‌، سودمندی و حتی امکان پذیری یک پروژه تونل‌سازی را تهدید کند. بنابراین یک طراحی و ساخت موفق نیاز به شناسایی صحیح این مخاطرات و در نتیجه انتخاب مسیر و روش‌های مناسب حفاری و به کارگیری تمهیدات مناسب برای حذف یا کاهش ریسک مخاطرات است.

امروزه ساخت تونل‌های سنگی به ویژه در شرایط نامناسب زمین شناسی به یکی از چالش‌های اصلی زمین شناسی مهندسی در ایران تبدیل شده اس. تجربه ساخت تونل در رشته کوه‌های جوان زاگرس و البرز نشان می‌دهد که توده سنگ‌های این مناطق رفتار بسیار متنوع و پیچیده‌ای دارند. وجود گسل‌های بزرگ و چین خوردگی‌های شدید‌، تنوع سنگ چینه شناسی و تکتونیک فعال از ویژگی‌های بارز زمین شناسی در توده سنگ های این رشته کوه‌ها است که آب خوان‌های بزرگ سنگ و کارست و میدان‌های عظیم نفت و گاز را در خود جای داده‌‌اند. به طوری که ساخت تونل‌های بلند و عمیق در این توده سنگ‌ها به یکی از پرهزینه ترین کارها و پرخطرترین فعالیت‌های مهندسی در ایران تبدیل شده است.

روبرو شدن با مخاطراتی مانند هجوم آب، برخورد با زون‌های کارستی، نشت گازهای مضر، مجاله شوندگی، برخورد با زون‌های گسلی و زمین‌های چسبنده‌، تورم‌، روان شدن زمین و دیگر مخاطرات زیست محیطی مانند افت سطح آب زیرزمینی و خشک شدن چشمه‌ها و چاه‌ها از مهمترین و متداول‌ترین چالش‌های زمین شناسی مهندسی در تونل‌های سنگی ایران است که توسط محققین متعددی گزارش شده است.

مخاطرات به هر نوع عکس العمل یا فرتار بالقوه زمین در مقابل برداشت بخشی از زمین به علت حفاری تونل اطلاق شده است که پتانسیل کاهش راندمان حفاری نسبت به مقدار قابل انتظار را دارد. بنابراین رفتار زمین در مواقعی به یک حادثه تبدیل می‌شود که آن فتار پیش بینی نشده یا پیش بینی مناسبی برای آن انجام نشده است. مشکلات به وجود آمده در چنین شرایطی علاوه بر طولانی شدن زمان ساخت و تحمیل هزینه‌های اضافی به پروژه ممکن است باعث ایجاد محیط کار ناامن در این تونل‌ها شود.

در تونل‌های سنگی‌، مخاطرات تابع رفتار زمین و مشخصات پروژه مانند روش حفاری‌، سرعت حفاری‌، قطر حفاری و شکل آن است. رفتار زمین نیز تابع ویژگی توده سنگ و شرایط زمین شناسی محیطی است که تونل در آن حفاری می‌شود.

برای یک طراحی و ساخت کم خطر و موفق از نظر ایمنی، هزنیه و زمان، ارزیابی صحیح رفتار زمین در برگیرنده تونل و شناسایی مخاطرات زمین شناسی مهندسی مرتبط با آن بسیار حیاتی است. چون مخاطرات تونل وابسته به رفتار زمین است بنابراین‌، ارزیابی رفتار زمین اولین قدم برای شناسایی مخاطرات است. طراحی تمهیدات مناسب برای کاهش یا جذف مخاطرات در تونل‌سازی نیز مستلزم شناسایی صحیح مخاطرات است.

مخاطرات مرتبط با تونل سازی

شرایط زمین شناسایی مسیر تونل عامل کنترل کننده رفتار زمین و مخاطرات مرتبط با آن است‌. تقریباً حفاری تمام تونل‌های سنگی و بلند ایران با انواع مخاطرات زمین شناسی مهندسی مانند برخورد با زونهای کارستی و گسلی، هجوم آب، نشت گازهای مضر، مچاله شوندگی‌، تورم‌، ریزش تونل، جاری شدن زمین و خشک شدن چشمه‌ها همراه بوده است. به طوری که امروزه ساخت این حفریات زیرزمینی چالش‌های بزرگی برای کارفرمایان‌، طراحان و پیمانکاران به وجود آورده است.

به طور کلی مخاطرات زمین شناسی مهندسی را می‌توان به دو گروه شامل مخاطرات درون تونل و مخاطرات بیرون تونل تقسیم کرد. مخاطرات بیرون تونل عموماً شامل افت سطح آب زمینی و نشست زمین است که حالت دوم در تونل‌های سنگی و عمیق به ندرت اتفاق می‌افتد‌. حالت اول نیز به دلیل ایجاد مشکلات زیست محیطی، در اغلب متون علمی از آن به عنوان مخاطرات زیست محیطی نام برده می‌شود.

تونل‌های سنگی با عدم قطعیت های زمین شناسی زیادی روبرو هستند. به طوری که امکانپذیری‌، زمان و هزینه‌های یک پروژه تونل سازی به زمین شناسی آن وابسته است. عدم پیش بینی مناسب از رفتار زمین و در نتیجه عدم آگاهی از مخاطرات و انتخاب نامناسب مسیر و روش‌های حفاری از علل اصلی بروز مخاطرات زمین شناسی مهندسی در تونل‌های سنگی است که اغلب با افزایش هزینه و زمان ساخت همراه می‌شوند.

ناقص و یا ناکافی بودن مطالعات زمین شناسی مهندسی و انتخاب مسیر تونل یا روش‌های حفاری بدون توجه به رفتار زمین و مخاطرات احتمالی باعث تحمیل تاخیرها و هزینه‌های اضافی به این پروژه‌ها می‌شود.

رفتار زمین در تونل‌های سنگی

رفتار زمین عبارت است از عکس العمل زمین در مقابل حفاری تمام مقطع تونل قبل از نصب سیستم‌های نگهدارنده است. نوع رفتار زمین در حفریات زیرزمینی در سه گروه شامل رفتارهای ناشی از نیروی وزن‌، رفتارهای ناشی از تنش‌های القایی و رفتارهای ناشی از وجود آب قرار می‌گیرند.

رفتار زمین به ویژگی توده سنگ و شرایط زمین شناسی محیطی که تونل در آن قرار گرفته بستگی دارد. اگر رفتار زمین به درستی پیش بینی شود، مشخصات پروژه به عنوان یک عامل کنترل کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عبارت دیگر انتخاب روش حفاری‌، تعیین بودجه و تهیه برنامه زمانی تونل باید بر اساس رفتار زمین و به گونه‌ای طراحی شود که مشخصات پروژه نقش بازدارند در وقوع مخاطرات را داشته باشد.

در تونل‌های سنگی‌، توده سنگ به عنوان مصالح اصلی در برگیرنده تونل، هم نقش یک عامل پایدار و ایمن کننده دارد و هم به عنوان مصالح ناپایدار ممکن است عامل وقوع مخاطرات باشد. بنابراین تعیین ویژگی‌های توده سنگ نقش مهمی در شناسایی رفتار زمین و مخاطرات مربوطه دارد.

جهت و مقدار تنش‌های برجا، وجود آب زیرزمینی، وجود گازهای مضر، مکانیزم گسلش و نوع چین خوردگی کنترل کننده ویژگی زمین شناسی محیط دربرگیرنده توده سنگ است. ویژگی‌های توده سنگ و ویژگی‌های زمین شناسی محیط تعیین کننده رفتار زمین در حفاری تونل است.

در تونل سازی‌، زمین شناسی مهندسی تخصصی است که به مطالعه علوم زمین و بررسی ویژگی‌های زمین شناسی پرداخته و یافته‌های خود را به زبان مهندسی برای طراحان تونل ارائه می‌دهد. زمین شناسی مهندسی تعیین کننده رفتار زمین و هزینه‌های ساخت است. امروزه تاثیر زمین شناسی مهندسی در هزینه‌های ساخت برای کافرمایان، طراحان و پیمانکاران درک شده است. به طوری که تمهیدات و بررسی‌های زمین شناسی مهندسی جدیی برای سایت‌ها در نظر گرفته می‌شود.

هر تونل و حتی هر بخش از یک تونل ویژگی منحصر به فرد دارد. خطی بودن تونل‌ها، قرارگیری آنها در مقابل تغییرات باعث می‌شود تا تونل‌ها نسبت به سایر پروژه‌های عمرانی که بر روی زمین ساخته می‌شود به مطالعات زمین شناسی مهندسی جامع و کاملتری احتیاج داشته باشند.

تجربه به دست آمده از ساخت تونل‌های سنگی در ایران، نشان می‌دهد که ساخت این حفریات زیرزمینی یکی از پرخطرترین فعالیت‌های در کشور بوده و با انواع مخاطررت زمین شناسی مهندسی مانند مچاله شدگی، راولینگ، جاری شدن زمین‌، برخورد با زمین های گسلی و کارستی، هجوم آب زیرزمینی ، نشت گازهای مضر و تورم همراه بوده است. وقوع این مخاطرات یک پروژه تونل سازی را از نظر ایمنی‌، سودمندی و حتی امکانپذیری تهدید می‌کند. تاخیر زیاد در برنامه زمانی پروژه و افزایش قابل ملاحظه هزینه‌ها از پیامدهای جدی مخاطرات در ساخت این حفریات زیرزمینی است. یکی از علل اصلی وقوع این مخاطرات عدم شناخت کافی از مخاطرات و عدم پیش بینی آن‌ها قبل از ساخت بوده است.

این مطلب باعث شده تا تصمیم گیری درستی برای انتخاب روش مناسب حفاری انجام نشود. بنابراین برنامه زمانی پروژه و سرمایه تخصیص داده شده برای ساخت این تونل‌ها با واقعیت اختلاف زیادی داشته است.

عدم تطابق شرایط پیش بینی شده زمین در مطالعات و شرایط واقعی مشاهده شده در زمان حفاری یکی از چالش‌های اصلی در ساخت تونل‌های سنگی در ایران بوده است. این عدم تطابق به علت عدم کفایت یا عدم دقت در مطالعات زمین شناسی مهندسی است که خود ناشی از عدم توجه به اهمیت این مطالعات بوده است.