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 احداث میشود، اطالق میشود.
از آنجاکه احداث تونلها معمولاً بر عناصر طبیعی پیرامون مانند خاک و سنگ تاثیر میگذارد، توجهی 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.
مقطع تونلها معمولاً به صورت قوسی شکل انتخاب میشوند که دلیل این امر را میتوان به شرح زیر عنوان کرد.
- مقاومت بالای خمشی و پیچشی در مقاطع قوسی در برابر بارهای وارده به تونل
- سهولت حفاری با ابزارهای ساده به دلیل نداشتن زاویه و گوشه در تاج تونل
- افزایش ظرفیت باربری سازههای قوسی در شرایط مساوی از دیگر سازهها
- کاهش تمرکز نیروی تنشی بار وارده به تونل
انواع تونل
رایج ترین دسته بندی تونل براساس کاربرد آنها به شرح زیر است.
- تونلهای حمل و نقلی (ترافیکی)
- تونلهای معدنی
- تونلهای انتقال و انحراف آب و فاضلاب
- تونلهای پدافند غیر عامل
مزایای استفاده از تونل
- همخوانی محیط اطراف تونل به عنوان وجود یک حصار و ساختار طبیعی و فراگیر
- محدودیت کمتردر احداث سازههای بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی زمین
مراحل احداث و آماده سازی تونلها
- 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
نقش شرایط زمین شناختی در طراحی تونل
چین خوردگی
وجود چین خوردگی در سنگ سبب کاهش مقاومت آن میشود و در اثر احداث تونل ممکن است درز و شکافهای بیشتری را در سنگ سبب شود.
گسل
وجود گسل سبب ایجاد صفحات شکستگی در سنگ میشود که پس از حفر تونل احتمال لغزش قطعات سنگ را به دنبال دارد.
آب زیرزمینی
وجود آب زیرزمینی از جمله مسائلی است که علاوه بر آنکه عملیات تونل سازی را با مشکل مواجه میسازد خطراتی را نیز در پی دارد.
محیط مقطع تونل
محیط مقطع تونل را میتوان به دیوارها، سقف و کف تقسیم کرد. بار سنگ و فاصله چالهای کف به اندازه چالهای وسطی است اما در چالهای کف خرج بیشتری کار گذاشته میشـود تـا بتوانـد بـر جاذبـه و وزن سنگها غلبه کند. برای دیواره و سقف دو نوع انفجار محیطی مختلف وجود دارد، یکی انفجار صـاف و دیگری انفجـار نرمال است.
در انفجار نرمال توجهی به ظاهر و شرایط رویه حفاری شده نمیشود. فاصله چالهای کناری زیـاد است و خرج کار گذاشته شده به اندازه بقیه جاهاست در این صورت سطح تونل ناهموار، ترک خـورده و نامنظم میشود.
انفجار کنترل شده برای ایجاد سطحی صافتر به کار میرود. در این روش فاصله چالها از هم کم و خرج آنها هم کمتر از بقیه جاها است. در این صورت پروفیل حاصل صـافتـر خواهـد بـود و نیـاز کمتـری بـه نگهداری و پایدارسازی وجود خواهد داشت.
حفاری تونل
حفاری در کل به دو گروه تقسیم بندی میشود.
- حفاری مکانیکی
- حفاری به روش آتشکاری
روش حفاری مکانیکی خود به دو گروه تقسیم بندی میشود.
حفاری به صورت تمام مقطع (توسط دستگاه TBM )
این دستگاهها به صورت کامل، مقطع را با یک صفحه برش که در جلو دستگاه نصب شده و حول محور تونل میچرخد، حفاری مینمایند. این دستگاه روی ریل نصب شده که با پیشروی تونل، ریل گذاری انجام شده و حفاری به صورت مداوم انجام میگیرد.
حفاری به صورت موضعی (با دستگاه کله گاوی)
این دستگاه برای زمینهایی که به صورت ریزشی هستند، بیشتر کاربرد دارد و دارای یک یا دو بازو است که به انتهای آن یک وسیله حفاری وصل شده که حول بازو میچرخد و مقطع را کم کم بزرگ مینماید و مصالح را روی یک سینی جلو دستگاه ریخته و توسط یک تسمه نقاله به انتهای دستگاه انتقال داده و تخلیه مینماید.
دستگاههای حفاری تونل را با توجه به شرایط زمین میتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد.
- ماشینهای حفاری در زمینهای نرم
- ماشینهای حفاری در زمینهای سخت
دستگاههای حفاری در زمینهای نرم
مطمئنترین روش حفاری در زمینهای نرم استفاده از انواع سپرها (SHIELD) است. سپر جسمی است فولادی معمولاًبه شکل استوانه که از ریزش مواد به داخل تونل جلوگیری کرده و خود را به جلو و داخل زمین میراند. انواع سپرها شامل موارد زیر است.
- سپرهای باز
- سپرهای کور
- سپرهای تعادل فشار خاک
- سپرهای گل آبی
دستگاههای حفاری در زمینهای سخت
این دستگاهها را به طور کلی میتوان به دو گروه حفاری جزء مقطع و ماشینهای تمام مقطع تقسیم کرد. عمدهترین ماشینهای جزء مقطع دستگاه کله گاوی (Road header) است و اصلیترین ماشین حفاری تمام مقطع که ابزار برنده در این دستگاه بر روی مجموعهای بنام کله حفار قرار دارد، T.B.M یا Tunnel boring machin است که خود انواع مختلفی دارد.
مزایای استفاده از دستگاه حفاری
- حداقل مقدار پیشرفت فیزیکی دستگاه در یک جبهه کار و در یک سال برابر است با پیشرفت فیزیکی سه سال سه پیمانکار تونل ساز با روش سنتی در تونل مشابه.
- کاهش قابل توجه هزینه ساخت تونل با دستگاه حفار نسبت به روش سنتی.
- حفاری و ساخت تونل به روش سنتی همیشه با مخاطرات ریزش روبرو بوده که در روش استفاده از ماشین حفار هیچ یک از اثرات ریزش و یا نشست مشاهده نخواهد شد.
- کیفیت تونلهای ساخته شده با دستگاه حفار به مراتب بهتر از تونلهای ساخته شده به روش سنتی است.
- در حفاری تونل به روش سنتی همواره مسائل ایمنی بسیار قابل توجه است و احتمال بروز خسارات جبران ناپذیر در طول پروژه وجود دارد. در صورتی که با استفاده از دستگاه حفار بسیاری از مسائل ایمنی حل شده است.
تونل سازی سپری
امروزه از تونل سازی سپری در مقیاس گسترده برای حفر تونلهای شهری در خاکهای نرم و کم عمق استفاده میشود. تونلزنی با EPB نیازمند بهسازی خاک است و قابلیت اجرای آن برای خاکهای فاقد چسبندگی نیز افزایش یافته است. انتخاب مناسبترین مجموعهی بهسازی نیاز به بررسیهای دقیقی دارد تا بتوان مشخصات خاک بهسازی شده را تعیین و دادههای قابل اندازهگیری را مشخص نمود. انتخاب استراتژی مناسب برای بهسازی خاک در حین حفاری، شناسایی مخاطرات زمین را پر اهمیت جلوه میدهد تا با اطمینان بیشتر، تصمیمات مورد نیاز برای انتخاب نوع رفتار فیزیکی فوم و دیگر افزودنیها گرفته شود.
در روش تونل سازی سپری متعارف و معمولی قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت بوده ولی با این حال افزایش قطر در نواحی خاصی از تونل دیده شده است.
در ابتدا این روش برای ایجاد و حفر تونل در زمینی نرم و از زیر رودخانه استفاده شد. شیوه عملیات مبتنی بود بر فشار و فرو بردن استوانهای فلزی و انعطاف ناپذیر در داخل خاک و سپس ایجاد ساختار تونل به طور کل عملیات شامل فرو راندن سپر در داخل خاک و ایجاد لاینینگ از پشت سر سپر بود. به این طریق تونل در آن شرایط و بدون ریزش و تخریب در سطوح بالایی تونل مورد نظر حفر شده، که البته رانش سپر در داخل توده خاک توسط جکهایی قابل اجراست .
کاربرد تونل سازی سپری
کشور ژاپن نقشی عمده در توسعه این روش داشته است. در تونلهای احداث شده در شهرهای بزرگ ژاپن به دلیل اینکه اکثراً در زمینهای سست بوده و همچنین به دلیل تراکم رفت و آمد در مناطق پر ترافیک و شلوغ بیشتر به روش سپری حفر شدهاند. این کشور همچنین در امر طراحی و ساخت انواع سپرها و ماشین آلات سپری بسیار پیشرفته است.
از روش تونل سازی سپری در اواخر دهه شصت قرن نوزدهم و برای احداث تونلهای زهکشی و فاضلاب استفاده شد و بعد از آن نیز برای ساخت انواع دیگر تونلها نظیر تونلهای کابلهای انتقال برق و همچنین برای احداث تونلهای زیرزمینی و مترو که از آن به عنوان روش ایجاد تونل در مناطق شهری یاد میشود تعمیم یافت.
دلایل استفاده از این روش
با استفاده از روش تونل سازی گسترشی یا همان روش توسعهی تونلهای ایجاد شده به روش سپری، قطر تونل موجود را افزایش یافته است.
در روش تونل سازی سپری متعارف و معمولی قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت مانده است.