خطرات پنهان در تونل سازی
بستر زمین میتواند با زونهای خطرناک زمین ساختاری نهفته در آن، همواره منبعــی از مشکـــلات غیر قابل انتظار در حفاری تونل باشد. تغییرات غیر قابل پیش بینی در کیفیت سنگ، اغلب سبب مشکلات و هزینههای تاخیر غیر ضروری میشود. خطرات پنهان در تونل سازی شامل موراد زیر است.
- حفرهها، ریزشها، جریان شدید آب داخل تونل
- پرداختهای اضافه شامل تاخیرات پروژه
- مواجهه TBM با تلههای پیش روی آن
اطلاعات کافی از لایههای زمین ساختاری و تغییر در پارامترهای مکانیک سنگ، تاثیر زیادی در انتخاب روشهای اجرا دارد. پیش بینی و هشدارهایی در اجرا، امکان به موقع برآورد دقیق هزینهها و لجستیک آن برای رفع موانع، در طراحی تونل، موجب تونل سازی مقرون به صرفه در خطرات همیشگی زیر زمین است.
کاربردهای زمین شناسی در تونل سازی
فن تونل سازی سابقه دیرینهای در کشور ما دارد. حدود ۳۰۰۰ سال پیش نیاکان ما با حفر قناتها که در واقع تونلهای قدیمی هستند، به آب زیرزمینی دست مییافتند. قدیمیترین تونل شناخته شده در حدود ۴۰۰۰ سال پیش در بین النهرین حفر شد. در ایران از چند هزار سال پیش به منظور استفاده از آبهای زیرزمینی تونلهایی موسوم به قنات حفر شده که طول برخی از آنها به ۷۰ کیلومتر میرسد.
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
روش تونلسازی اتریشی (NATM)
در فاصله سالهای ۱۹۵۷ تا ۱۹۶۵ در اتریش ابداع 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. نتایج این مطالعات بر ضرورت بکارگیری روشهای مشاهدهای همچون NATM در تونلسازی تاکید دارد.
ویژگیهای اساسی ناتم
ناتم روشی است مبتنی بر تابع نگاری رفتار تودههای سنگ تحت بار و مونیتورینگ عملیات ساختمان زیرزمینی سنگ. واقعیت این است که ناتم به عنوان یک مرحله از حفاری و نیز تکنیکهای نگهداری مطرح نیست. ناتم بر هفت ویژگی استوار است.
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 قاد رسازد تا بر خودش تکیه کند.
حمایت شاتکریت
سست کردن و نیز تغییر شکل بی اندازه سنگ میبایست به حداقل برسد. این امر با مهیا کردن لایههای نازک شاتکریت بلافاصله پس از پیشروی جبهه کار حاصل میآید.
اندازه گیری
هر گونه 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.
تکیه گاه انعطاف پذیر
آسترگیری اولیه نازک است و شرایط لایه بندی اخیر را بازتاب میدهد. این مدل به کارگیری، نسبت به تکیهگاه مجهول سریعتر به کار می اید 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.
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.
ترتیب قراردادی
دانش ناتم بر اساس اندازه گیری مونیتورینگ پایه ریزی شده است. تغییر در متد تکیهگاه و ساختمان امکان پذیر است. این تنها در شرایطی ممکن است که سیستم قراردادی فادر به تغییرات باشد.
اندازهگیری پشتیبانی رده بندی توده سنگ
ردههای اصلی سنگ برای تونل و پشتیبانی متناظر آن موجود است. این ها برای هدایت در زمینه تقویت تونل بکار میروند.
اصول کلی ناتم
تونلزنی به روش جدید اتریشی در خاکهای سست تا سنگهای سخت و مقاوم و در اعماق کم (در جهت به حداقل رساندن نشست سطح) تا اعماق زیاد و بیش از ۱۰۰۰ متر تحت میدانهای تنش ناشی از عملیات معدنکاری انجام گرفته است. بنابراین اصول زیر به طور کلی قابل اعمال هستند.
- عنصر اصلی باربری یک تونل، توده سنگ پیرامونی آن است.
- بنابراین یکی از اصول عبارت شامل حفظ مقاومت اولیه سنگ 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 میباست در زمان درست نصب شود.
- عامل زمان ویژه سیستم ترکیبی سنگ به اضافه تکیه گاه اولیه، باید به صحت کافی تخمین زده شود.
عوامل موثر در تخمین عامل زمان
- آزمونهای آزمایشگاهی
- آزمونهای برجا
- ردهبندی 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 یا سست شدن توده سنگ انتظار میرود، میبایست از تماس کامل تکیهگاه اولیه با جدار تونل در محل برخورد اطمینان حاصل آید. این امر با بکار گرفتن شاتکریت به بهترین نحو حاصل میشود.
- تکیهگاه 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 تکیهگاه 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 در جهت 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 پایداریی 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 مجددد 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 پایین باشد.
- کل سیستم، توده سنگ به اضافه پوشش باید با نگهداری اولیه پایدار شوند.
- در صورت خورنده بودن آبهای زیرزمینی آستربندی نهایی باید 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.
این روش در نتیجه تجربیات متعدد در کار تونلزنی به دست آمده 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.
که یک روش بهینه حفاری به وسیله انتخاب المانهای تکیه گاهی مناسب و روشهای ساخت وابسته به نوع زمین را ارائه میکند روش اتریشی پنج گام برای رسیدن به طراحی را پیشنهاد میکند.
- تعیین نوع زمین
- تعیین رفتار زمین
- تعیین حفاری و خاکبرداری، نگهدارندهها و ارزیابی رفتار سیستم نگهداری
- تعیین نوع و طبقه بندی حفاری و خاک برداری
- گزارش ژئوتکنیک
بدین صورت که حفاری یک مقطع آغاز و بعد میزان معینی پیشرفت حفاری مقطع بعد آغاز و به همین صورت سایر مقاطع نیز حفاری میشود. در ابتدا حفاری و تحکیم بخش فوقانی گالری مرکزی انجام و بعد از اجرای آن بخشهای میانی و تحتانی به طور همزمان انجام میشود.