تونل سازی- جلسه ی چهارم
حفر تونل با روش آتشباری
در این مبحث سعی شده است تا مفاهیم آتشباری، سازوکارهای انفجار و تکنیک های حفاری توده سنگ به کمک انفجار یا آتشباری به صورت مختصر و مفید بیان شوند. همانطور که پیشتر ذکر شد: حدود 600 سال قبل، باروت در اروپا اختراع شد (البته شاید هم در قرون 7 الی 9 میلادی در چین اختراع شده باشد) ولی کاربرد آن در حفاری تا سال 1969 ناشناخته باقی ماند چون برای احداث فضاها، علاوه بر مواد منفجره، به فن حفاری و مواد دیگر نیز احتیاج بود. طبق گزارشات تاریخی، برای نخستین بار لئونارد داوینچی در حفر تونل از باروت استفاده کرده است.
محتوای درس:
تجهیز کارگاه تونل سازی
اولین گام در هر پروژه تونل سازی، تجهیز کارگاه است که در پروژه های تونل سازی مراحل آن به صورت زیر است:
1- احداث جاده دسترسی
2- احداث ترانشه و تسطیح دهانة تونل
3- احداث بنچ مارک یا پیلار نقشه برداری در محوطة خارج تونل
4- احداث اطاقک نگهبانی، پشتیبانی و ایمنی (HSE)
5- جانمایی تاسیسات صنعتی (کمپرسور، ژنراتور، مخزن آب و …)
6- احداث تاسیسات اداری رفاهی
7- زاغه مواد منفجره و ناریه
نکته: تمامی تجهیزات بایستی برای 3 شیفت کاری طراحی شوند.
حفر تونل با روش چال زنی و آتشباری (Drill and Blasting)
چرخه کامل حفر تونل با روش چال زنی و آتشباری
چرا مواد ناریه منفجر می شوند؟
چگونه انفجار موجب خردایش سنگ می شود؟
سازوکار و محاسبات آتشباری
برای اینکه عملیات حفر تونل اقتصادی بوده و با راندمان مناسب انجام شود، لازم است که تعداد چال، مشخصات چالها و میزان خرج گذاری تعیین شود.
تعیین خرج ویژه (Specific Charge):
خرج ویژه (Specific Charge): وزن ماده منفجرهلازم برای حفر یک مترمکعب از سنگ را خرج ویژه می نامند. مقدار خرج ویژه به سه عامل اصلی نوع ماده منفجره، مقاومت توده سنگ و سطح مقطع تونل بستگی دارد.
روابط پروتودیاکنوف (Protodyaknov) و بوگومولوف (Bogomolov) از روش های مرسوم برای محاسبة خرج ویژه هستند (کتاب تونل سازی- جلد اول).
تعیین تعداد چال لازم در جبهه کار تونل:
تعداد چال مورد نیاز تابع عوامل متعددی از قبیل مقاومت توده سنگ، سطح مقطع تونل، قدرت مادة منفجره، میزان تراکم خرجگذاری، قطر چال، دقت آتشباری و …
هرچقدر سطح مقطع بزرگتر باشد تعداد چال در واحد سطح کمتری مورد نیاز است.
تعیین یک رابطة واحد کار دشواری است و عموماً از نمودارهای تجربی استفاده می شود.
تعیین عمق چال در جبهه کار تونل:
عمق چال از مهمترین عوامل تعیین کنندة پیشروی است و در راندمان حفاری بسیار موثر است به طوری که بسیاری از پـارامتـرهای طـراحی آتشباری بر اسـاس عـمـق چـال تعیین می شوند.
عمق چال تابع مقاومت سنگ، قابلیت دستگاه چال زنی، قابلیت پایداری دیواره ها و …
میزان پیشروی همواره کمتر از عمق چال خواهد بود، بنابراین میزان عمق چال بایستی باتوجه به پیشروی مورد نیاز و ضریب بهره وری چال و سایر عوامل به صورت تجربی تعیین شود.
تعیین قطر چال در جبهه کار تونل:
قطر چال علاوه بر مقاومت توده سنگ و توانایی ماشین چال زنی مستقیماً تابع نوع مادة منفجره است (استاندارد کشورها یا قابلیت انفجار مادة منفجره).
دینامیت های ایران دارای قطر 22 میلیمتر هستند پس چال حداقل باید 25 میلیمتر باشد.
دینامیت های مخصوص معدن ذغال قطر بیشتری دارند.
سایر الزامات آتشباری تونل:
گل گذاری چال (Stemming):
بعد از خرج گذاری بایستی دهانة چال را مسدود کرد تا گازهای حاصله از انفجار مواد ناریه نتوانند از چال خارج شوند و انرژی آنها صرف متلاشی کردن سنگها شود. برای گل گذاری از استوانه های ساخته شده از مخلوط ماسة ریز و رس مرطوب استفاده می شود. طول گل گذاری نیز بایستی با دقت تعیین شود.
انفجار آنی یا دارای تاخیر:
انفجار تاخیری به ایجاد سطح آزاد و جابجایی مناسب مواد حفاری بسیار کمک می کند.
انفجار نرم (Smooth Blasting): جوگیری از عقب زدگی توده سنگ
روش های آتشباری تونل
در تونل های کوچک مقطع عموماً از روش حفاری تک مرحله ای و چال های برش استفاده می شود. در تونل های بزرگ مقطع عموماً از روش های دو یا چند مرحله ای آتشباری استفاده می کنند که در ادامه به بررسی هر دو روش خواهیم پرداخت.
برش (Cut): چالهایی نزدیک به هم و با زوایای مخصوص که در ابتدا منفجر می شوند و یک سطح آزاد برای سایر چالها فراهم می سازند. نوع چالهای برش و مشخصات آنها با توجه به خصوصیات توده سنگ، ماده منفجره و تونل انتخاب می شوند.
بار سنگ (Burden): پس از انفجار چال برش، فاصلة ردیف چال بعدی تا سطح آزاد ایجاد شده را بار سنگ گویند.
بخش های مختلف سینه کار آتشباری:
در روش های آتشباری زیرزمینی سینه کار به سه بخش تقسیم می شود: 1) بخش برش 2) بخش پیشروی 3) بخش محیط
انواع برش در آتشباری تونل:
1- برش های موازی
a) برش سیلندری
b) برش سوخته
c) برش حفره ای
2- برش های زاویه ای
a) برش گوه ای
b) برش فوری هرمی
c) برش بادبزنی
1- برش های موازی:
a) برش سیلندری (Cylinder cut): پرکاربرد، دارای یک یا چند چال خالی با قطر بزرگتر از چال انفجاری در مرکز، بار سنگ به مرور بیشتر می شود.
b) برش سوخته (Burn cut): قطر چال خالی و انفجاری برابر است، حفر چندین چال خالی، فواصل چال های خالی و انفجاری برابر است.
c) برش حفره ای: چال خالی وجود ندارد، در یک چال بزرگتر در مرکز خرج فشرده در ته چال گذاشته شده و گل گذاری می شود، پس از انفجار چال مرکزی یک حفره ایجاد می شود که سطح آزاد چال های انفجاری بعدی را تامین می کند، در این روش پیشروی کم، لرزش زمین و پرتاب سنگ زیاد.
1- برش های زاویه ای:
a) برش گوه ای (Wedge cut): چال زنی دشوار است، برش گوه ای از سایر برش های زاویه ای پرکاربردتر است، در برش های زاویه ای طول چال با عمق برش متفاوت است.
b) برش فوری هرمی: انتهای چال های برش به یک نقطه ختم می شود، چال ها همگی همزمان منفجر می شوند، اغلب در سنگ های خیلی مقاوم کاربرد دارد، پرتاب سنگ و لرزش زیاد است.
c) برش حفره ای: کاربرد چندانی ندارد زیرا چالزنی این روش پیچیده و دشوار است، اول چالهای با بیشترین زاویه منفجر می شوند تا سطح آزاد برای انفجار چال های بعدی فراهم شود
طراحی الگو یا پترن آتشباری تونل
برای اینکه عملیات حفر تونل اقتصادی بوده و با راندمان مناسب انجام شود، لازم است که الگوی آتشباری طراحی شود.
منظور از طراحی الگوی آتشباری، تعیین نوع برش، تعداد چال، طول چال ها، قطر چال ها، زاویة چال ها، فاصلة چال ها، فواصل تاخیر انفجار، بار سنگ، نوع مادة منفجره، خرج ویژه (یا فاکتور پودر) و انتخاب روش اجرای محاسبات آتشباری (تئوری یا تجربی)، تماماً بر اساس خصوصیات مکانیکی و ساختاری توده سنگ است.
روش های طراحی الگوی آتشباری تونل عبارتند از:
(الف) انتقال انرژی، (ب) سوئدی (نیترو نوبل)، (ج) نروژی (NTNU)
آتشباری تونل بزرگ مقطع:
حفر تونل در دو مرحله کمک می کند تا یک سطح آزاد ایجاد شده و راندمان حفاری مرحلة دوم افزایش می یابد. نگهداری تونل های بزرگ مقطع در حفاری چند مرحله ای ساده تر است.
به تونل های کمتر از 15 متر مربع کوچک مقطع و به تونل های بیشتر از 15 متر مربع، تونل بزرگ مقطع گفته می شود.
نمونه ای از روش و تجهیزات کنترل شیب و امتداد مسیر تونل:
کنترل شیب و امتداد مسیر با لیزر
دانلود فایل پی دی اف محتوای فوق به همراه تصاویر:
فیلم آموزشی جلسه چهارم درس اصول مهندسی تونل:
رئوس مطالب این آموزش:
- تجهیز کارگاه تونل سازی
- سیکل فرایند حفاری با روش چالزنی و انفجار
- چرا مواد ناریه منفجر می شوند؟
- انفجار چگونه موجب خردایش توده سنگ می شود؟
- چطور می توان مقدار فاکتور پودر (Powder Factor) بهینه برای خردایش سنگ را محاسبه کرد؟
- برای رسیدن به خردایش بهینه در توده سنگ چه تعداد چال مورد نیاز است؟
- عمق چالهای انفجاری در حفاری تونل چقدر است؟
- آیا پیشروی تونل سازی با عمق چالها رابطه دارد؟
- قطر چال های انفجاری در سینه کار تونل چگونه تعیین می شود.
- چگونه می توان در سینه کار تونل سطح آزاد ایجاد کرد تا سازوکار امواج کششی فعال شوند؟
- وظیفه چال های برش چیست و انواع آن کدام است؟
- بخش های مختلف یک سینه کار آتشباری در انفجار تونل کدام اند؟
- مقصود از طراحی الگو یا پترن آتشباری تونل چیست؟
- کاربرد نرم افزار Tunnel Blast Calculator چیست؟
- حفر تونل های بزرگ مقطه با چه روشی انجام می شود؟
- گل گذاری دهانه چال چیست؟
- انفجار آنی یا انفجار تاخیری در آتشباری تونل چیست؟
- مهندسین چگون امتداد و شیب تونل را طی حفاری پایش می کنند؟
مدرس: دکتر سید احمد مهری شال
