تونل سازی- جلسه دوم
مطالعه ساختگاه تونل:
اولین گام در تونل سازی مطالعة ساختگاه تونل است که شامل مراحل زیر می باشد:
- جمع آوری اطلاعات
- بررسی نقشه های تپوگرافی و عکس های هوایی
- مطالعات زمین شناسی و ساختاری سطحی
- مطالعات ساختاری زیر سطحی به کمک بررسی های ژئوفیزیکی
- حفرگمانه های اکتشافی قائم و مطالعات زمین شناسی و ساختاری زیر سطحی
- مطالعات آب شناسی
- حفر گالری های اکتشافی
- حفر گمانه های افقی
- اجرای آزمایشهای برجا
- مطالعات آزمایشگاهی
محتوای درس:
طبقه بندی تونل ها:
1- تونلهای حمل و نقل
تونل راه و راه آهن، تونل مترو و تونل پیاده رو
2- تونل های صنعتی
پناه گاهها و سیلوهای ذخیره، تونل انتقال آب و فاضلاب، دفن زباله های اتمی، انبارهای نظامی
3- تونل های معدنی
تونل های اکتشافی، تونل های استخراجی، تونل های خدماتی و زهکشی
تفاوت تونل های معدنی و عمرانی:
تونل های معدنی عمدتاً با قصد دسترسی به مواد معدنی و استخراج آنها حفر می شوند. بنابراین دارای عمر کاری محدود و معینی هستند، به طوری که عموماً بهینه ترین حالت از نظر ایمنی و اقتصادی انتخاب می شود و رابطة مستقیم با عمرطراحی شدة معدن دارد.
اما تونل های عمرانی عموماً یک سازة دائمی بوده و برای استفادة طولانی مدت طراحی، اجرا و نگهداری می شوند.
تفاوت اساسی دیگر در ابعاد تونلها است به طوری که تونل های معدنی به ندرت اندازة دهانه از 3 متر بیشتر می شود حال آنکه تونل های عمرانی به مراتب ابعاد بزرگتری دارند.
تکنولوژی های مرتبط با تونل سازی:
پیشرفت در زمینة تونل سازی وابسته به پیشرفت در سه زمینة حفاری، نگهداری و خدمات فنی است:
1- حفاری:
تکنولوژی چالزنی و حفاری با ماشین، آتشباری، بارگیری و حمل
2- نگهداری:
تکنولوژی بتن، فولاد و تکنولوژی تزریق
3- خدمات فنی:
تکنولوژی پایش، تهویه، روشنایی و زهکشی
تفاوت اصلی کارهای سطحی و زیرزمینی:
مراحل یا گام های اصلی تونل سازی:
مرحله طراحی: (الف) پیمایش (ب) تشخیص (ج) علاج بخشی
مرحله ساخت: (الف) فاز عملیاتی (ب) فاز رفتار نگاری
پیمایش
تونل در دل کوهی از خاک یا سنگ حفر می شود. یا به عبارت دیگر مصالح در بر گیرندة تونل همان خاک و سنگی هستند که تونل در آن حفر شده است. پس آنچه که تونل در آن بنا شده است همان خاکها و سنگهای در برگیرندة تونل است و خود این مصالح باید خودش را نگه دارد. چنانچه کوه دچار ناپایداری شود هیچ گونه پوشش و هیچ سازة نگهبانی جلودار آن نیست. تنها کاری که مهندسین میبایست انجام دهند این است که طوری طراحی کنند تا به زمین کمک کنند خود پایدار بماند. بر همین اساس اولین اصل از اصول تونل سازی به حداقل رساندن صدمات وارده بر توده سنگ دربر گیرندة تونل است. برای رسیدن به این هدف باید موارد زیر رعایت شوند:
1- کسب شناخت دقیق و کافی از ساختگاه تونل
2- تطابق طرح تونل و روش اجرای آن با شرایط طبیعی زمین
3- حداقل دستکاری در وضعیت طبیعی زمین
4- پایش دائمی حرکات زمین در اطراف تونل
روش های کسب شناخت دقیق و کافی از ساختگاه تونل
1- جمع آوری اطلاعات:
برای کسب اطلاع از هر محلی اولین اقدام، مراجعه به سازمانها و موسساتی است که پیشتر در محل کار کرده اند.
به عنوان مثال معمولاً یا سازمان نقشه برداری و یا ارتش از محل مورد نظر ما نقشه هایی در دست دارد. ممکن است سازمان زمین شناسی نیز نقشه زمین شناسی محل را تهیه کرده باشد. یا احتمالاً سازمان جغرافیایی ارتش تصاویر هوایی منطقه مورد نظر ما را دارد.
مطالعه و مرور پروژه های مشابه قبلی و توجه به تجارب شکست ها و موفقیت های پیشین و همچنین توجه به محدودیت های زیست محیطی قبل از اجرای طرح می تواند بسیار مفید باشد.
قابل ذکر است، تحقیقات اولیه در تونل سازی بسیار بیشتر از تحقیقات مورد نیاز برای سایر پروژه هاست ولی صرفه جوئی در این تحقیقات به هیچ وجه اقتصادی نیست و کوتاهی در این خصوص تبعات جبران ناپذیر خواهد داشت.
2- بررسی نقشه های تپوگرافی و عکس های هوایی
اولین قدم در احداث تونل انتخاب مناسب ترین مسیر تونل است. در بسیاری موارد انتخاب زمین مناسب برای حفر تونل ممکن نیست زیرا تونل اجباراً بایستی از مسیر مشخص شده ای عبور کند.
بنابراین کسب اطلاعات از ساختگاه تونل کمک می کند تا تونل به گونه ای طراحی شود که با استفاده از کمترین نگهداری، پایداری مورد نظر حاصل شود.
بزرگ مقیاس ترین نقشة موجود از منطقه را تهیه و بررسی کنید.
چنانچه نقشة بزرگ مقیاسی از منطقه موجود نباشد، نقشه برداری منطقه جزء اولین کارهاست.
تپوگرافی، ساختارهای زمین شناسی، زمین لغزش های پیشین، معادن، رودخانه ها، غارها و پوشش های جنگلی از جمله مهمترین مواردی هستند که بایستی در عکس های هوایی و نقشه های تپوگرافی مورد توجه قرار گیرند.
وضعیت سازه های عمرانی (مثلاً سد یا خط آهن) و یا تاسیسات خدماتی (مثل خطوط لوله گاز یا برق) و … نیز بایستی در این مطالعات مشخص شوند.
تعبیر و تفسیر دقیق عکس های هوایی مستلزم داشتن تخصص در این زمینه است.
3- مطالعات زمین شناسی و ساختاری سطحی
جمع آوری اطلاعات ساختاری از رخنمون های سطحی: برداشت اطلاعات ساختاری با روش پیمایش سطحی و با استفاده از کمپاس-کلینومتر
جمع آوری اطلاعات تپوگرافی ساختاری از رخنمون های سطحی: نقشه برداری و برداشت اطلاعات ساختاری به روش پیمایش سطحی با استفاده از تکنیک فتوگرامتری
جمع آوری اطلاعات تپوگرافی ساختاری از رخنمون های سطحی: نقشه برداری و برداشت اطلاعات ساختاری به روش پیمایش سطحی با تکنیک اسکنر لیزری
4- مطالعات ساختاری زیر سطحی به کمک بررسی های ژئوفیزیکی
5- حفر گمانه های اکتشافی
پس از انجام مطالعات ژئوفیزیکی، محل حفر گمانه های اکتشافی مشخص می شود.
برای اجرای این ببا حفر گمانه های اکتشافی، جنس، ضخامت، شیب و عمق لایه ها و همچنین وضعیت آب زیر زمینی با دقت زیادی مشخص می شوند. با کمک نمونه های بدست آمده از این گمانه ها و اجرای آزمایش های آزمایشگاهی و صحرایی بر روی آنها خواص فیزیکی و مکانیکی لایه های تشکیل دهندة ساختگاه تونل شناسایی می شوند.
در بررسی ها ابتدا باید شبکه گمانه ها طراحی شود سپس روش حفر گمانه تعیین شود و در ادامه حین حفر گمانه ها نمودار گمانه بایست ثبت شود.
- طراحی شبکه گمانه ها:
در مرحله اول گمانه ها دور از هم اجرا می شوند تا وضعیت کلی مشخص شود. سپس در قسمت های بحرانی، برای شناسایی بهتر گمانه های بیشتری حفر می شوند. در حین حفر تونل نیز گاهاً نیاز به حفر گمانه های جدید در مسیرحفاری ایجاد می شود.
شبکه گمانه ها که برای تونل سازی طراحی می شود خطی است ولی در برخی قسمت ها که نیاز به اطلاعات دقیق تر وجود دارد (مثل ورودی و خروجی تونل، کاهش ضخامت روباره، مناطق گسل خورده و زون های خرد شده و افق های آبدار) گمانه های بیشتری حفر می شود.
راستای حفر گمانه ها بایستی طوری باشد که بیشترین اطلاعات را در خصوص لایه های زیرین فراهم آورد. (حفر گمانه قائم در یک لایة قائم اشتباه است)
هر گمانه ممکن است در حد 3 درصد عمق خود دچار انحراف شود که برای تعیین مسیر واقعی گمانه پس از حفر، عملیات چاه پیمایی یا واقعه نگاری گمانه (Well logging) انجام می شود.
- سیستم حفر گمانه ها:
اوگر مارپیچ دستی برای حفر گمانه های کم عمق در خاک.
اوگر مارپیچ مکانیکی برای حفاری در خاک چسبنده و متراکم.
روش حفاری شستشویی برای حفر گمانه در ماسه، سیلت و رس (اگر نمونه گیری مد نظر نباشد)
حفاری ضربه ای دورانی در سنگهای سخت.
حفاری دورانی برای مغزه گیری از سنگها
- ثبت نمودار گمانه ها:
در حین حفر نمونه ضروری است که تمامی وقایع و مشاهدات با دقت و بطور پیوسته ثبت شوند. به این اطلاعات ثبت شده اصطلاحاً نمودار چاه یا لاگ گمانه گویند.
نمودار گمانه در واقع اطلاعاتی از جنس، ضخامت و رنگ لایه های زمین و همچنین دانه بندی و کانی شناسی سنگها بعلاوة تخلخل و درصد مغزه گیری (Core Recovery) را شامل می شود.
یکی از شاخص های مهم دیگری که می بایست حین حفر گمانه ثبت شود شاخص کیفیت سنگ (Rock Quality Designation) است.
6- مطالعات آب شناسی
وضعیت آبهای زیر زمینی و نفوذپذیری سنگها هم از جنبة حفاری تونل و هم از جنبة نگهداری تونل اهمیت زیادی دارد.
مهمترین آزمایش هایی که به کمک آنها وضعیت نفوذ پذیری سنگها اندازه گیری می شوند آزمایش لوفران (Lofrance) و لوژن (Lugeon) هستند.
- آزمایش لوفران مخصوص زمین های ماسه ای فاقد چسبندگی است. در این آزمایش درون گمانه ای که جدار آن لوله گذاری شده است (Casing) آب ریخته می شود و آب از ته گمانه به زمین نفوذ می کند که با توجه به ارتفاع گمانه (یا هد آب) و همچنین حجم آب ورودی به گمانه می توان نفوذ پذیری را اندازه گرفت.
- آزمایش لوژن مخصوص سنگ و مصالح دارای چسبندگی است. در این آزمایش انتهای گمانه توسط پکر مسدود شده و آب تحت فشار به انتهای گمانه تزریق می شود که با توجه به حجم آب تزریق شده و میزان فشار وارده و مدت زمان سپری شده نفوذ پذیری لوژن محاسه می شود.
7- حفر گالری های اکتشافی
8- حفر گمانه افقی
در مواردی که وضعیت زمین شناسی منطقه پیچیده باشد، قبل از حفر تونل اصلی، یک تونل با مقطع کوچک موسوم به تونل پیشآهنگ (یا گالری) در امتداد محور تونل حفر می شود.
با حفر این گالری ها امکان نمونه گیری، اجرای آزمایش برجا، شناسایی و زهکشی آب فراهم می شود.
حفر گالری اکتشافی کمک می کند تا عملیات حفاری تونل اصلی آسان تر اجرا شود.
در حفاری مغارها حفر گالری های اکتشافی الزامی است.
چنانچه بخواهیم حفر گمانه افقی را جایگزین حفر گالری اکتشافی کنیم می بایست از انحراف گمانه جلوگیری شود و عملیات چاه پیمایی با دقت و به کمک روش های مبتنی بر دوربین تصویر برداری انجام شود.
9- آزمایش های برجا:
تعیین مشخصات ژئوتکنیکی زمین در حالت برجا از جملة مهمترین مطالعات قبل از احداث تونل است.
هدف اصلی اجرای آزمایش های برجا عبارتند است از ارزیابی مقاومت سنگ و اندازه گیری تنش های برجا جهت انتخاب روش حفاری و نگهداری و برآورد هزینه احداث تونل
قابل ذکر است:
مقاومت سنگ وابسته به تنش های در بر گیرندة سنگ است.
در کل سنگها در مقابل تفییرات کرنش ضعیف تر هستند.
تنش های برجا فقط تابع بار روباره نبوده و نیروهای تکتونیکی و تاریخچة بارگذاری ها نیز در مقدار و جهت تنشها موثر هستند.
تنش ها در لایه های مختلف سنگ متفاوت هستند.
نسبت پواسون سنگها ثابت نیست و گاهاً با میزان تنش های برجای وارده تغییر می کند.
آزمایش های برجای متداول در تونل عبارتند از:
1- آزمایش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading): برای اندازه گیری تغییرشکل پذیری سنگها در حالت برجا استفاده می شود.
2- آزمایش جک تخت (Flat Jack): این آزمایش به منظور تعیین تنش های برجا در سنگ اجرا می شود.
3- آزمایش مغزه گیری مجدد (Over Coring): این آزمایش نیز برای اندازه گیری وضعیت تنش های برجا و هم خواص تغییر شکل پذیری سنگ استفاده می شود.
10- مطالعات آزمایشگاهی:
مطالعات آزمایشگاهی سنگ ها و خاکهای در برگیرندi تونل بخش مهمی از بررسی های ژئوتکنیکی را تشکیل می دهد.
عموماً در مطالعات آزمایشگاهی موارد زیر اندازه گیری می شوند:
1- مقاومت فشاری، کششی و برشی
2- مدول ها ی تغییر شکل پذیری سنگ (تحت تنش های محصور کننده مختلف)
3- ضرایب پواسون سنگ (تحت تنش های محصور کننده مختلف)
4- اصطکاک لغزشی سنگ
5- ضریب تراوایی (یا نفوذ پذیری) سنگ
6- رفتار خزشی و خستگی سنگ
7- خواص فیزیکی سنگ (مثل تخلخل، چگالی، سختی و…)
ارزیابی ساختگاه تونل:
در نهایت بر اساس بررسی ها و مطالعاتی که در خصوص ساختگاه تونل انجام گرفت، می توان ارزیابی های ژئوتکنیکی را انجام داد و با توجه به نتایج بدست آمده، روش های حفاری مناسب را انتخاب کرد.
در کل پس از اجرای این ارزیابی ها، ساختگاه تونل به دو گروه کلی
(الف) شرایط مناسب، (ب) شرایط نامناسب، تقسیم می شوند.
منظور از شرایط مناسب یعنی اینکه، در حفر تونل احتمال وقوع مشکلات و مخاطراتی که موجب توقف و تحمیل هزینه های پیش بینی نشده شود کم است.
حال آنکه در مورد زمین های با شرایط نامناسب ممکن است احداث تونل با خطرات جدی توام باشد که میبایست تمهیدات لازم جهت مقابله با آنها اتخاذ شوند.
دانلود فایل پی دی اف محتوای فوق به همراه تصاویر:
فیلم آموزشی جلسه دوم درس اصول مهندسی تونل:
رئوس مطالب این آموزش:
- طبقه بندی تونل ها
- تفاوت تونل معدنی با تونل های عمرانی
- تفاوت سازه های زیر زمینی با سازه های سطحی
- مراحل یا گام های اصلی تونل سازی
- برهم ریختن تعادل طبیعی توده سنگ با حفر تونل
- روش های مطالعه ساختگاه تونل
- ارزیابی ساختگاه تونل
مدرس: سید احمد مهری شال
