تونلسازی مکانیزه
با افزایش نیاز‌های جوامع بشری به ابر سازه‌های مهندسی، تقاضا برای ساخت سازه‌های زیرزمینی بزرگ مانند تونل‌های بلند انتقال آب‌های بین حوزه‌ای، تونل‌های جاده‌ای و ریلی طویل، تونل‌های مترو، تونل‌های جمع آوری آب‌های سطحی، …. در زمین‌های نامناسب نیز رو به افزایش است. اگرچه پیشرفت تکنولوژی و افزایش دانش تونلسازی سبب شده است روش‌های نوین و کارآمدی برای حفر تونل‌ها و فضاهای زیرزمینی بزرگ حتی در شرایط نامناسب زمین شناسی ابداع شود، اما همواره دستیابی به اطلاعات مناسب از شرایط زمین پیش روی تونل عامل اصلی در موفقیت ساخت سازه‌های زیرزمینی در شرایط دشوار زمین شناسی خواهد بود.
بدیهی است انتخاب روش اجرا و ماشین مناسب و همچنین پیش بینی راهکارهای مناسب برای گذر از شرایط دشوار منوط به انجام مطالعات زمین شناسی مهندسی و ژئوتکنیک در زمان مناسب و با کمیت مناسب است.
به دلیل تغییرات زیاد شرایط زمین شناسی و ژئوتکنیکی در عمق و ناشناخته بودن این شرایط در بسیاری از پروژه‌ها، طراحی سازه‌های زیرزمینی، به ویژه تونل‌های بلند با طراحی سایر سازه‌های سطحی که در آنها شرایط بارگذاری و خواص مصالح معلوم است قابل مقایسه نیست.
در ساخت و سازهای زیرزمینی ریسک‌های همراه با اجرا به دلیل وجود عدم قطعیت‌های فراوان در مدل ژئوتکنیکی و زمین شناسی مهندسی پروژه، با دقت قابل تعریف نیستند. با توجه به این ویژگی پروژه‌های تونلسازی ، لازم است در طول اجرای تونل روش‌های اجرا با شرایط زمین به طور مداوم تطبیق داده شوند. همچنین لازم است سیستم مدیریت ایمنی در این پروژه‌ها با حساسیت بالاتری پیاده سازی شود.
در مهندسی سازه‌های زیرزمینی دو جنبه اساسی و مهم وجود دارد که لازم است در مرحله طراحی با دقت بسیار زیاد مورد توجه قرار گیرند. اولین و مهمترین جنبه تخمین منطبق بر واقعیت شرایط مورد انتظار زمین و رفتار بالقوه آن در نتیجه حفاری تونل است.دومین جنبه نیز طراحی اقتصادی و ایمن سازه با توجه به رفتار پیش بینی شده زمین است.
دسته بندی کلی تونل‌های بلند
معمولاً دسته بندی کلی زیر برای تونل‌های بلند در نظر گرفته می‌شود.
تونل‌های کوهستانی
این دسته از تونل‌ها معمولاً در محیط‌های کوهستانی در سنگ‌های سخت رسوبی، آذرین یا دگرگونی و در ساختارهای چین خورده و گسل خورده حفر شده و معمولترین هدف از اجرای آنها انتقال آب‌های بین حوزه‌ای و ارتباط ریلی و جاده‌ای شهرها است.
تونل‌های شهری
این دسته از تونل‌ها در محیط‌های شهری و با اهداف عمده حمل و نقل ریلی درون شهری و جمع آوری آب‌های سطحی و فاضلاب‌های شهری احداث می‌شوند. از آنجا که اغلب شهرها بر روی رسوبات آبرفتی بنا شده‌اند این تونل‌ها نیز اغلب در زمین‌های نرم آبرفتی ساخته می‌شوند.
طراحی تونل‌های مکانیزه
طراحی تونل‌ها و به ویژه تونل‌های مکانیزه از بخش‌های مختلفی مانند طراحی مسیر، طراحی روش اجرا، نوع پوشش (موقت و دائمی)، انتخاب نوع ماشین، و … تشکیل شده است. هر یک از این بخش‌ها نیازمند دستیابی به اطلاعات مناسب زمین شناسی مهندسی و ژئوتکنیکی هستند که باید با دقت مناسب در اختیار طراح قرار گیرد.
فرایند طراحی تونل با مطالعات امکان سنجی شروع شده و با طراحی مقدماتی، طراحی تفصیلی، تهیه اسناد مناقصه و طراحی حین اجرا ادامه می‌یابد. طراحی‌ها به طور مداوم در طول هر مرحله با به دست آمدن اطلاعات بیشتر و دقیق‌تر به روز رسانی می‌شوند.
شناسایی مخاطرات زمین شناسی حین اجرا
یکی از اهداف اصلی مطالعات زمین شناسی مهندسی و ژئوتکنیک شناسایی و پیش بینی مخاطرات زمین شناسی و بررسی اثر آنها بر پروژه است. مخاطرات زمین شناسی محتمل در مسیر تونل یکی از اصلی‌ترین اطلاعات مورد نیاز برای انتخای مسیر، طراحی روش اجرای تونل‌ها و انتخاب نوع و ویژگی‌های ماشین حفار مورد نیاز است. چنانچه در طی مطالعات زمین شناسی، مخاطرات ناشی از زمین به درستی شناسایی و پیش بینی نشود روش مناسبی نیز برای غلبه بر آثار آنها انتخاب و طراحی نخواهد شد.
پدیده‌های مخاطره آمیز زمین شناسی بسته به شرایط زمین، آب زیرزمینی، تنش‌های برجا، … در مسیر تونل‌ها می‌توانند بسیار متنوع بوده و مکانیسم‌های مختلفی داشته باشند.
برای شناسایی مخاطرات زمین شناسی لازم است ویژگی‌های مختلف زمین شناسی و پارامترهای مهندسی توده‌های سنگی و خاکی مسیر تونل مورد بررسی و شناسایی قرار گیرد.
نشت و هجوم آب زیرزمینی به داخل تونل
وجود آب در تونل می‌تواند بر روند فعالیت‌های تونلسازی بسیار موثر باشد. در تونلسازی مکانیزه حضور آب هم بر نرخ نفوذ و هم بر ضریب بهره وری دستگاه تاثیرگذار است. مقاومت برخی سنگ‌ها به ویژه سنگ‌های رسوبی، به حضور آب حساس است. در حقیقت حضور آب زیرزمینی با افزایش درجه دگرسانی توده سنگ و کاهش مقاومت ماده سنگ و مواد پرکننده درزه‌های نقشی منفی در وقوع ریزش‌ها و ناپایداری دیواره‌های تونل دارد. از سوی دیگر حضور آب در سنگ هایی که طی فرایند خردایش ریزدانه زیادی تولید می‌کنند، می‌تواند باعث افزایش تولید گل و ایجاد مشکل در بارگیری مصالح کنده شده و تردد پرسنل شود که در مجموع کاهش ضریب بهره وری را به دنبال خواهد داشت. همچنین در تونلسازی مکانیزه در چنین زمین‌هایی، حضور آب باعث گل گرفتگی بخش‌های مختلف کله حفاری و دیسک کاترها و در نتیجه کاهش نرخ نفوذ ماشین شود. در چنین حالتی صرف زمان‌های زیاد برای تمیزکاری دیسک کاترها و کله حفاری نیز در کاهش ضریب بهره وری ماشین موثر است.
علاوه بر این هجوم آب قابل توجه به داخل تونل می‌تواند با ایجاد مزاحمت برای پرسنل و فعالیت‌های مختلف در داخل تونل و نیاز به پمپاژ آب به خارج از فضاهای حفاری، ضمن افزایش هزینه اجرای پروژه، کاهش بهره وری و نرخ پیشروی را از طریق افزایش صعوبت کار برای پرسنل داخل تونل به دنبال داشته باشد.
نشت گازهای سمی
نشت گازهای سمی و خطرناک مانند سولفید هیدروژن و متان به داخل تونل به دلیل کاهش توان پرسنل، کاهش شیفت‌های کاری، تعطیلی مکرر فعالیت در تونل، اثر خورندگی بر قطعات الکترونیک ماشین حفار و نیاز به تعویض مکرر آنها و سایر آثار جانبی می‌تواند نقش منفی در فعالیت‌های تونلسازی داشته باشد.
در مجموع تجربه حفاری در محیط‌های گاز دار کم بوده و این نشانه نادر بودن شرایط فوق در پروژه‌های تکمیل شده است. خطرات ناشی از ورود گاز از سایر چالش‌ها بحرانی تر بوده و می‌تواند منجر به مرگ یا انفجار در تونل شود.
در مناطق نفت خیز مانند نواحی جنوبی و غربی ایران، به هنگام حفاری گمانه‌های اکتشافی در مطالعات مرحله مقدماتی و تفصیلی وجود گاز در گمانه‌ها باید مورد توجه قرار گیرد و در صورت مشاهده آثار آن هشدارهای لازم برای بررسی‌های بیشتر داده شود. در صورت احتمال وجود گازهای سمی و یا متان باید ایستگاه‌های مشاهده‌ای مناسب در چاه‌های حفاری نصب شود. این مسئله در تونل‌هایی که بر روی مخازن نفتی یا در سازندها و ساختارهای مستعد تشکیل تله‌های نفتی و گازی، حفر می‌شوند، از اهمیت بیشتری برخوردار است.
در زمان ساخت تونل هم لازم است تمهیدات لازم برای هشدار بر روی ماشین فراهم باشد. همچنین لازم است نقاط حساس با چالزنی پیشرو تحت نظر مشاهده و اندازه گیری قرار گیرند.
مهمترین راهکار اجرایی برای کاهش آثار زیانبار حفاری در محیط‌های گازدار استفاده از سیستم تهویه مناسب برای تونل است.
گسیختگی ساختاری در سینه کار تونل
یکی از مشکلاتی که دربرخی توده سنگ‌های درزه دار و بلوکی در صورت مناسب بودن وضعیت هندسی ناپیوستگی‌ها می‌تواند بر عملکرد ماشین‌های حفر تونل تاثیر منفی داشته باشد، جدا شدن بلوک‌های سنگی از سینه کار تونل و ایجاد مزاحمت برای کاترهد و دیسک کاترها است.
در چنین زمین‌هایی به هنگام توقف نباید کاترهد به عقب کشیه شود و لازم است با حفط تماس کاترهد با سینه کار تونل مانع از جدا شدن بلوک‌ها و افتادن آنها به فضای جلوی کاترهد شد. گاهش خرد کردن بلوک‌های سنگی جدا شده از سینه کار به صورت دستی تنها راهکار است که می‌تواند در کاهش ضریب بهره وری ماشین حفر تونل بسیار موثر باشد.
ناپایداری دیواره‌ها و سقف تونل
در اکثر تونل‌های سنگی احتمال وقوع دو نوع ناپایداری در جداره‌های تونل وجود دارد که شامل موارد زیر است.
- سقوط بلوک‌های سنگی با ناپایداری‌های بدون کنترل ساختاری
- ریزش ستگ‌های خرد شده یا ناپایداری‌های بدون کنترل ساختاری
معمولاً در سنگ‌های شدیداً متورق مانند شیل‌ها، اسلیت‌ها و انواع شیست‌ها و در زون‌های خرد شده گسلی به دلیل فاصله داری اندک ناپیوستگی‌ها و وجود سطوح تورق، همسانگردی سنگ‌های دورنگیر تونل بیشتر بوده و پدیده ریزش که از نوع ناپایداری‌های بدون کنترل ساختاری است، پتانسیل وقوع دارد.
پتانسیل مچاله شوندگی زمین
رفتار مچاله شوندگی یا لهیدگی مرتبط با خواص تغییر شکل پذیری و مقاومتی توده سنگ ضعیف است. ضعیف بودن مقاومت ژئومکانیکی سنگ‌ها و ضخامت زیاد روباره از شرایط لازم برای وقوع پدیده لهیدگی هستند. طبق تعریف ارائه شده توسط انجمن بین المللی مکانیک سنگ لهیدگی سنگ تغییر شکل‌های بزرگ مقیاس وابسته به زمان است که به خواص خزشی ایجاد شده توسط تنش‌های برشی، مرتبط می‌شود. وجود عواملی همانند تنش‌های بالا و خواص مقاومتی ضعیف توده سنگ موجب افزایش تنش‌های برشی در محدوده توده سنگ اطراف تونل می‌شود. این تنش‌های برشی در ایجاد رفتار خزشی توده سنگ نقش اساسی دارند.
تغییر شکل‌های مذکور ممکن است فقط به زمان اجرای تونل محدود شوند یا اینکه برای مدت زمان طولانی ادامه پیدا کنند. توده سنگ‌های ضعیف مانند اسلیت‌ها، شیست‌های گرافیتی، شیل‌ها، سنگ‌های رسی، آهک‌های رس دار از جمله سنگ‌هایی هستند که در صورت مهیا بودن شرایط تنش می‌توانند این رفتار را از خود بروز دهند.
در تونلسازی مکاینزه با ماشین‌های سپردار راهکارهای زیر برای کاهش پتانسیل این پدیده مرسوم است.
- استفاده از ماشین‌های با سپر کوتاهتر
- طراحی سپر به صورت مخروطی که به سمت انتها از قطر سپر کاسته می‌شود.
- نصب دیسک کاترهای محیطی در حاشیه بیرونی کاترهد برای حفاری تونل با قطر بیشتر و تامین فضای لازم برای جمع شدن زمین
- کاهش توقفات ماشین در بخش‌هایی که پتانسیل این پدیده زیاد است.
- تزریق موادی مانند گریس به عنوان روان کننده به پشت سپر برای کاهش اصطکاک
- در حالت بحرانی ممکن است آزادسازی ماشین نیازمند حفاری دستی در اطراف سپر باشد.
در تونلسازی به روش سنتی لازم است با محاسبه میزان جابجایی و بار وارده به سیستم نگهداری، طراحی به گونه‌ای صورت گیرد که سیستم نگهداری توانایی تحمل بارهای وارده را داشته باشد.
تورم سنگ‌های رسی
پدیده تورم یا آماس ترکیبی از واکنش‌های فیزیکوشیمیایی سنگ با آب و رها شدن تنش است. واکنش فیزیکوشیمیایی با آب معمولاً سهم اصلی این پدیده را دارا است، ولی در بعضی مواقع این پدیده در نتیجه رها شدن تنش نیز رخ می‌دهد.
دو مکانیزم عمده در پدیده آماس وجود دارد.
- مکانیزم مکانیکی
- مکانیزم فیزیکوشیمیایی
مکانیزم اول که در رس‌ها، رس‌های سیلتی و سیلت‌های رسی و سنگ‌های مرتبط با آنها رخ می‌دهد عکس پدیده تحکیم است و در نتیجه ایجاد فشار آب منفذی منفی رخ می‌دهد. مکانیزم فیزیکوشیمایی بین آب و کانی‌های موجود در سنگ و خاک می‌شود. این نوع آماس به وجود کانی‌های خاصی در زمین بستگی دارد.
بر اثر آماس و برآمدگی معمولاً مشکلاتی بروز می‌نماید که میتوان به موارد زیر اشاره نمود.
- در تونل‌های دارای کف پلاستیک و ضعیف، فرورفتن وسائل نگهداری خساراتی در پی خواهد داشت. علاوه بر این چنین تونل‌هایی نسبت به تغییر تنش حساس هستند.
- آماس و تورم سنگ‌ها باعث هم آمدگی فضای حفر شده و ناکارآمدگی عملیات حفاری می‌شود.
- برآمدگی یا بالا آمدن سنگ‌های اطراف فاضی حفر شده، کج شدگی کلی سیستم نگهداری را موجب می‌شود و اغلب باعث وارد آمدن خسارت به سیستم نگهداری در نقاط خاصی از تونل می‌شود.
- همچنین زمانی که لایه حساس به تنش و آب در بین لایه‌های دیگری که تونل در آنها حفر شده است، قرار می‌گیرد، جذب آب موجب همگرایی زیاد تونل و وارد آمدن خسارت موضعی به سیستم نگهداری می‌شود.
- پدیده تورم در حالت بحرانی باعث افزایش خطر ریزش و اعمال بار اضافی بر سیستم نگهدارنده و سپرهای دستگاه می‌شود.
سایندگی سنگ و خاک
سایندگی معمولاً به عنوان یک ویژگی مهم سنگ و خاک که علت اصلی سایش و خوردگی ابزار برش و بخش‌های مختلف ماشین محسوب می‌شود، شناخته می‌شود. سایندگی زیاد سنگ‌ها و خاک‌ها و در نتیجه فرسودگی سریع و بیش از حد ابزار برش سبب کاهش قابل توجه در راندمان فرایند حفاری می‌شود. همچنین تاخیرات زمانی ناشی از توقف که برای تعویض ابزارها و قطعات ساییدخ شه صرف می‌شود، غیر قابل اجتناب است.
در مصالح خاکی عوامل مهمی که بر روی میزان سایش موثر هستند، عبارت است از نوع کانی‌های تشکیل دهنده دانه‌های خاک، توزیع دانه بندی و گرد شدگی ذرات خاک است. در مصالح سنگی مهمترین عامل موثر در سایش ابزار برش ترکیب کانی شناسی سنگ و مقاومت ماده سنگ است.
