تونل سازی- جلسه سوم
ایده های کلی طراحی تونل
در این مبحث، به بیان کلیاتی در خصوص شکل و ابعاد مقاطع بهینه تونل و همچنین شیب و انحنای محور تونل پرداخته شده است. همچنین ارتباط بین شکل تونل و وضعیت زمین و تاثیر آنها بر پایداری تونل مورد بحث قرار گرفته است.
محتوای درس:
شکل و ابعاد مقطع تونل:
شکل و ابعاد مقطع تونل به ترتیب تابع هدف احداث تونل، روش حفر تونل و روش نگهداری دائمی تونل است.
در مواردی که استفاده از شکل و مقاطع مختلف امکان پذیر باشد، می بایست بهینه ترین شکل و ابعاد را از نظر اقتصادی و پایداری انتخاب کرد.
شکل زیر ارتباط بین شکل مقطع و تنش های وارده بر تونل را شرح می دهد:
شکل و ابعاد مقطع-تونل های معدنی:
شکل تونل های دسترسی به ماده معدنی عموماً ذوزنقه متساوی الساقین بوده که با قاعدة کوچک (سقف) به طول 2 متر، قائدة بزرگ (کف) به طول 2/5 متر و ارتفاع 2/2 متر ساخته می شود.
شکل و ابعاد مقطع-تونل های راه:
تونل های راه عموماً به شکل هلالی (D شکل) یا نعل اسبی هستند به طوری که در مقطع نعل اسبی شعاع قوس دیواره ها دو برابر شعاع قوس سقف است.
ابعاد تونل های راه مستقیماً به نوع کاربرد آنها بستگی دارد.
طبق استاندارد AASHO آمریکا حداقل عرض برای یک باند حرکت خودرو 3/65 متر است بعلاوة 0/45 متر جهت نصب تجهیزات و 0/9 متر جهت پیاده رو. حداقل ارتفاع تونل های راه که کامیون هم عبور می کند پس از نصب نگهداری بایستی حداقل 4/87 متر باشد
شکل و ابعاد مقطع-تونل های راه آهن:
برای تونل های راه آهن مقاطع دایره، چهارگوش، هلالی و نعل اسبی مرسوم هستند. در زمین های نامناسب، مقطع دایره از نظر حفاری و نگهداری مقرون به صرفه است. چنانچه بار جانبی کم بوده و عمدة بار واره از سقف باشد، مقطع چهار گوش با دیوارهای قائم و سقف قوسی (طاق) اقتصادی است.
طبق استاندارد AREA آمریکا حداقل عرض تمام شدة تونل برای یک خط ریل 4/87 متر (16 فوت) و حداقل ارتفاع تمام شد 6/7 متر (22 فوت) است. همچنین به ازای هر درجه انحنای مسیر (پیچ،) 2/54 سانتی متر (1”) عرض تونل میبایست بیشتر شود. با اضافه شدن هر رشته ریل، عرض تونل باید 2/5 متر بزرگتر شود.
- (American Railway Engineering Association (AREA
شکل و ابعاد مقطع تونل های مترو و تونل های آبرسان:
ابعاد و شکل تونل های مترو و تونل های آبرسان به یک سری عوامل فنی بستگی دارد. به عنوان مثال:
شکل و ابعاد مقطع تونل مترو تابع نوع قطار مترو، سرعت حرکت قطار، تنش های وارده از طرف زمین و خدمات فنی مورد نیاز حین بهره برداری است.
شکل و ابعاد مقطع تونل آب تابع ظرفیت مورد نیاز انتقال آب، فشار آب داخل تونل، سرعت حرکت آب، تجهیزات عبوری از تونل و تنش های وارده از طرف زمین است
امتداد تونل:
تونل های اصلی معادن، چنانچه دلیل خاصی وجود نداشته باشد، عموماً مستقیم ساخته می شوند. اما تونل های دنبال لایه تابع امتداد حرکت لایه هستند.
تونل های راه حدالمقدور مستقیم حفر می شوند. چنانچه نیاز به ایجاد انحنا یا پیچ وجود داشته باشد، شعاع انحنا بایستی متناسب با فاصلة دید توقف در نظر گرفته شود. چند مثال در جدول زیر آورده شده است:
تونل های راه آهن و مترو نیز حدالمقدور مستقیم حفر می شوند. چنانچه الزام به ایجاد انحنا در مسیر وجود داشته باشد، شعاع انحنا تابع سرعت حرکت قطار، طول هر واگن و سایر قوانین ویژة کشورهاست
شیب تونل:
- شیب تونل های معدنی عموماً بین 3 الی 5 متر در هر هزار متر به سمت خروجی در نظر گرفته می شود. این شیب هم به خروج آبهای زیر زمینی کمک کرده و هم حرکت واگن های پر در تونل آسان تر می شود.
وضعیت سنگ شناسی منطقه:
سنگ های آذرین: عموماً دارای مقاومت فشاری بالا هستند در نتیجه تونل های حفر شده در آنها خود نگهدار اند اما حفاری در این سنگها دشوار است.
سنگ رسوبی: ضعیف تر از آذرین هستند و حفاری در آن آسان تر است و ماشین حفاری قابلیت کاربرد دارد ولی نیاز به نگهداری دارد.
سنگ های دگرگونی: عموماً دارای شیستوزیته بوده و دارای صفحات ضعیف هستند ولی برخی سنگهای دگرگونی نیز وجود دارند که کاملاً مقاوم اند.
در تمامی انواع سنگها عامل هوازدگی می تواند تاثیرات بسیار نامطلوبی بر خواص سنگها بگذارد ولی عمدتاً مربوط به اعماق کم و لایه های سطحی است. با توجه به برخی تحولات زمین شناسی، گاهی سنگهای هوازده در اعماق زیاد نیز مشاهده می شوند.
وضعیت ساختاری منطقه: چین خوردگی:
بسیاری از سنگها در طبیعت دچار این پدیدة ساختاری شده اند که البته تنها در سنگهای لایه ای با چشم قابل تشخیص است. چین خوردگی سبب بروز برخی تغییرات ژئوتکنیکی می شود که مهمترین آنها عبارتند از:
- ایجاد درزه و ترک که موجب لغزش گوه ای یا سقوط بلوک می شود.
- تمرکز تنش (یا ذخیره شدن انرژی) در سنگ ها که در حین حفر منجر به انفجار سنگ می شود.
- کاهش مقاومت توده سنگ
- خطر گازهای سمی و انفجاری
حفر تونل در طاقدیس سبب رهایی تنش در سقف شده و فشار کمتری به لاینینگ تونل وارد می شود در حالی که حفر تونل در ناودیس موجب افزایش فشار وارده بر سقف می شود.
چنانچه لایه های زمین آبدار باشند، در ناودیس، آبهای زیرزمینی به داخل تونل هجوم می آورند در حالی که در طاقدیس آب در لابه لای لایه ها فرو می رود.
وضعیت ساختاری منطقه: چین خوردگی:
در تاقدیس ها عموماً گاز متان تجمع می یابد که بایستی روش های آتشباری ویژه ای اتخاذ شوند.
وضعیت ساختاری منطقه: گسل:
تماس های تکتونیکی (Tectonic contacts)
وجود گسل چه در زمان حفاری و چه در زمان بهره برداری همواره پیامدهای نامطلوبی را در پی دارد که مهم ترین آنها عبارتند از:
- حرکت ادواری گسل در مناطق فعال تکتونیکی.
- زون خرد شدة گسله همواره معبری برای عبور آب زیر زمینی است که موجب دگرسانی توده سنگ و کاهش مقاومت آن می شود.
- بعضاً گسل با جابجا کردن لایه های نفوذ ناپذیر سد های زیرزمینی ایجاد می کند.
- در دو طرف گسل عموماً زون های دگرگونی به وجود می آید.
- ضخامت زون خرد شدة گسله (Breccia) گاهاً به 10 ها متر می رسد.
- مواد گوژ (Gouge) گسل عموماً از کانی های رسی تشکیل شده اند که در صورت برخورد با آب و تورم موجب رانش های خطرناکی می شوند.
- گسل های فرعی در اطراف گسل اصلی موجب ناپایداری های ساختاری می شوند.
- تعیین وضعیت نسبی گسل و امتداد تونل در زمان طراحی بسیار مهم است.
اگر تونل از کمر بالای گسل (Hanging wall) عبور کند رخنمون گسل از کف نمایان می شود، بنابراین فرصت کافی برای اعمال نگهداری های مضاعف وجود دارد.
اما اگر تونل در کمر پایین گسل (Foot wall) حفر شود، صفحة گسله در سقف نمایان شده و ممکن است موجب بروز ناپایداری های ناگهانی شود.
سایر موارد:
دانلود فایل پی دی اف محتوای فوق به همراه تصاویر:
فیلم آموزشی جلسه سوم درس اصول مهندسی تونل:
رئوس مطالب این آموزش:
- تاثیر شکل تونل بر توزیع تنش و جابجایی اطراف تونل
- معرفی تونل کندوان
- بیش شکستگی و اضافه حفاری پروفایل تونل
- شیب و انحنای استاندارد مسیر تونل
- اثر کلی نوع سنگ های در برگیرنده بر پایداری تونل
- اثر چین خوردگی و گسل بر پایداری تونل
- اثر آماس زمین بر پایداری تونل
- انفجار سنگ در تونل سازی
- نفوذ آب و نشت گاز سمی به تونل
- اثر وجود حفرات کارستی در تونل سازی
- مشکلات گرادیان حرارتی زمین در تونل سازی
