تونل سازی- جلسه ی نهم
نگهداری در تونل
پس از ارزیابی وضعیت زمین، اندازه گیری پارامترهای مقاومتی توده سنگ، برآورد وضعیت تنش و تغییر شکل تونل و رسیدن به یک نتیجه نهایی در خصوص پایداری یا ناپایداری تونل، این بار نوبت آن است که در صورت و احتمال بروز ناپایداری، برای پایدار سازی آن چاره ای اندیشید. در این مبحث به طور مختصر، انواع روش های پایدارسازی و نگهداری فضاهای زیر زمینی مرور شده است. ابتدا مفاهیم و تعارف مربوط به نگهداری و مقاوم سازی تونل ها تشریح شده و سپس به تفکیک جزئیات بیشتری در خصوص هر روش ارائه شده است. شما را به مطالعه ادامه مطلب یا تماشای فیلم تدریس این مبحث دعوت می کنم.
محتوای درس
انواع سیستم های نگهداری
- نگهداری موقت (Temporary) و دائم (Permanent)
در قدیم نگهداری موقت برای تامین ایمنی در طول عملیات حفاری و نگهداری دائم برای تامین ایمنی طی بهره برداری طراحی می شد.
- نگهداری اولیه (primary) و ثانویه (Secondary)
امروزه نگهداری اولیه برای ایمن ساختن فضای کار و فعال سازی و حفظ مقاومت توده سنگ طراحی شده و نگهداری ثانویه نیز مکمل نگهداری اولیه بوده و وظیفة زیبا سازی و حفاطت در مقابل هوازدگی را بر عهده دارد.
- نگهداری فعال (Active) و غیرفعال (Passive)
نگهداری فعال در زمان نصب به توده سنگ بار وارد می کند ولی نگهداری غیر فعال تنها در صورت جابجایی توده سنگ وارد عمل می شود.
- نگهداری رسمی (Formal) و غیر رسمی (Informal)
نگهداری که مشخصاً برای یک وضعیت هندسی خاص طراحی شده است را رسمی گویند.
- نگهداری افزایشی (Incremental)
سیستم نگهداری که در مواقع نیاز بر اساس مشاهدات میتوان در آن اصلاحات ضروری را انجام داد.
روش های طراحی نگهداری تونل
- روش های تحلیلی
وضعیت تنش و تغییر شکل های اطراف تونل به کمک راه حل های فرم بسته، روش های عددی و مدل سازی فیزیکی مطالعه شده و نگهداری مناسب طراحی می شود
- روش های مشاهده ای
به کمک ابزار بندی و پایش حرکات زمین حین حفاری و همچنین تحلیل اندرکنش زمین-سیستم نگهداری اقدام به نگهداری تونل می نمایند. این روشش در تونل زنی جدید اتریشی (NATM) و محدود سازی تقارب (Convergence Confinement) کاربرد دارد.
- روش های تجربی
بر اساس تحلیل های آماری تجارب بدست آمده از پایداری پروژه های انجام شدة پیشین و همچنین به کمک روش های رده بندی توده سنگ نگهداری تونل طراحی می شود.
تغییر شکل یک تونل فاقد نگهداری
تغییر شکل های قابل اندازه گیری توده سنگ از فاصله ای برابر با نصف قطر تونل در پیشاپیش جبهه کار آغاز می شود.این تغییر شکل افزایش یافته و زمانی که سینه کار حفاری از زیر نقطة پایش عبور می کند، میزان جابجایی شعاعی حدود یک سوم جابجایی حداکثری است.با پیشروی و عبور سینه ی کار از این نقطه، تغییر شکل همچنان افزایش یافته و هنگامی که جبهه کار به اندازه ی یک و نیم برابر قطر تونل از نقطه ی پایش فاصله می گیرد، جابجایی به حداکثر مقدار خود می رسد.
هدف اولیه از نصب سیستم نگهداری کنترل جابجایی رو به داخل دیواره های تونل و جلوگیری از سست شدن سنگ ها است که امکان دارد به ریزش تونل منجر شود.
منحنی تغییرات جابجایی سقف تونل نسبت به امتداد پیشروی در حالت های پایدار و ناپایدار در شکل رسم شده است.
منحنی مشخصه ی زمین و سیستم نگهداری Ground Reaction Curve (GRC)
همواره در حفاری تونل به علت اینکه تغییر شکل از جلوی جبهه کار آغاز شده و نگهداری نیز همواره با فاصله از سینه کار نصب می شود، مقدار تغییر شکل اولیه (Uso) وجود خواهد داشت.
پس از نصب نگهداری تغییر شکل الاستیک نگهداری آغاز شده و حداکثر مقدار آن Usum و حداکثر فشار ناشی از آن Psm است.
اگر منحنی سیستم نگهداری منحنی تغییر شکل زمین را قبل از آنکه دو منحنی از هم دور شوند قطع کند، تعادل حاصل خواهد شد.
اگر نگهداری خیلی دیر نصب شود (Uso خیلی زیاد شود) توده سنگ دچار تغییر شکل پیشرونده شده و فشار وارده بر نگهداری آنقدر زیاد می شود که نگهداری تسلیم می شود. اگر خیلی زود هم نصب شود فشار زیادی بر نگهداری وارد شده و احتمال تسلیم وجود دارد.
اگر صلبیت نگهداری کافی نباشد نیز منجر به ریزش تونل می شود.
بارهای وارده بر تونل
عمده بارهای وارده بر ساختمان تونل ها،فشار آب های زیرزمینی و فشار توده سنگ در بر گیرنده است.بارهای زنده ی ناشی از عبور و مرور وسایل نقلیه را بدون این که خدشه ای به پایداری تونل وارد شود،می توان نادیده گرفت،البته بجز در مواردی که تونل در عمق بسیار کم و به روش کند و پوش حفر می شود.
در کل میتوان گفت که ابعاد مقطع تونل بایستی طوری باشد که هم بار روباره (Geostatic Pressure) را تحمل کند و هم وزن مواد ناحیه ی شل شده (Protective Zone) را تحمل کند.
اندازه گیری بار وارده بر تونل از طرف توده سنگ کار بسیار پیچیده ای است. این پیچیدگی از دشواری محاسبه ی تنش های اولیه ی توده سنگ ناشی نمی شود،بلکه عامل اصلی این پیچیدگی،توزیع تنش های القایی است که پس از حفر تونل در توده سنگ ایجاد می شوند،زیرا مقدار و راستای این تنش ها تحت تاثیر عوامل متعددی از قبیل جنس سنگ، ابعاد فضای حفاری، روش حفاری، صلبیت نگهداری، مدت زمانی که حفریه بدون نگهداری می ماند و… قرار دارد.
طبق نظر ترزاقی:بار وارده بر تونل برابر است با وزن مرده ی ارتفاع مشخصی از مصالح بالاسر تونل است،که اگر نگهداری نصب نشود،به داخل حفریه ریزش می کنند. این مصالح خرد شده خود به خود قوسی در بالای تونل ایجاد می کنند و توده سنگ بالای آن پایدار است.
طبق نظر بیربامر(Bierbaumer)
بار وارده بر تونل برابر است با: وزن مرده ی مواد بالاسر تونل به ارتفاع h=αH.برای تونل های بسیار کم عمق مقدار α به 1 میل می کند.در اعماق H>5B مقدار α با استفاده از این رابط بدست می آید:
الزامات طراحی سیستم نگهداری
- استفاده از تجارب و یافته های بدست آمده در مورد خصوصیات زمین و چگونگی رفتار با زمین از پروژه های اجرا شدة مشابه پیشین.
- انطباق اصول استفاده از روش های تجربی، تحلیلی یا عددی ساده یا پیچیده با وضعیت موجود زمین.
- مشاهدة رفتار تونل حین اجرا و انجام اصلاحات لازم در خصوص روش های اجرا و نگهداری تونل به کمک مانیتورینگ و پایش سیستماتیک تونل
برخی سیستم های مقاوم سازی رایج در تونل سازی
∗بتن پاشی یا شاتکریت
∗پیچ سنگ یا راک بولت
∗قاب فولادی یا نگهداری فلزی
∗لاینینگ بتنی یا قالب گیری درجا
تعریف شاتکریت
- شاتکريت ، بتن يا ملاتي است كه از طريق يك شلنگ تحت فشار هوا با سرعت زياد روي سطوح حفاري شده سنگ یا خاک پاشيده مي‌شود و به دو روش تر و خشك اجرا مي‌شود و داراي روش عمل آوری و اجراي خاصي است.
- از شاتکريت معمولاً بعنوان قسمتي از سيستم نگهداري و در موارد معدود به عنوان پوشش دائمي استفاده مي‌شود.
- براي اجراي صحيح عمليات شاتكريت ، سطوح ديواره‌ها و سقف تونل كه نياز به بتن پاشي دارند را بايستي از ذرات ريز، قطعات لق، گردو خاك، گل و هر گونه مواد خارجي پاكسازي نمود
ویژگی ها و مزیت های شاتکریت
- به طور کلي شاتکريت نسبت به بتن معمولي داراي نسبت پايين‌تري از آب به سیمان است.
- از شاتکريت مي‌توان مقاومت‌هاي فشاري بالا را با نسبت آب به سیمان پايين و چگالي بالا و با سرعت کار بالا انتظار داشت.
- اجراي تحت فشار ، باعث ايجاد فشردگي خوب و چگالي بالا با نفوذ پذيري و جذب آب پايين مي‌شود . اين نتايج – ماده‌ي هموژن با دوام – مقاومت يخ زدن/ آب شدن عالي ، تجزيه سطحي کم و درجه ي بالايي از مقاومت سايشي را موجب مي‌شوند.
- شاتکريت مي‌تواند حجم‌هاي زيادي را به سرعت و به طور اقتصادي اجرا کند .
- در مقايسه با بتن ريزي معمولي ، شاتکريت قالب بندي بسيار کمتري را نياز دارد .
- سهولت کاربرد شاتکريت به اين معني است که مواد مي‌توانند در مناطق محصور و اغلب در فواصل دور از دسترس هم به کار روند، بدون احتياج به حمل و نقل و نصب قالب‌هاي حجيم.
- استفاده از شاتکريت چند لايه اي مي‌تواند توليد تنش حرارتي در سازه را کاهش دهد .
انواع شاتکریت
دو روش برای اجرای شاتکريت وجود دارد،که تفاوت آنها در نحوه‌ي آماده‌سازي و زمان اضافه کردن آب هيدراتاسيون به مخلوط است.
∗شاتکريت تر
- فرآيند شاتکريت تر شامل مخلوط سيمان و سنگدانه است ، که پيش از اينکه از طريق لوله يا شلنگ و نازل از پمپ خارج شود ، با آب مخلوط شده باشد .
- هواي با سرعت بالا براي حرکت دادن مخلوط در لوله به کار مي‌رود که اين مورد نيازمند هواي با فشار بالاست که اين فشار و سرعت باعث فشرده شدن بتن در محل اجرا مي‌شود .
- با فرايند تر نسبت مي‌تواند به دقت کنترل شود و با پلاستيسايزرهاي کاهنده آب ، نسبت پايين‌تر از 0.45 به راحتي قابل دسترسي است .
∗شاتکريت خشک
- در اين حالت اجزاي شاتکريت به صورت خشک يا کمي‌مرطوب (به منظور کاهش گرد و غبار ) با سرعت يکنواخت به داخل قيفي ريخته مي‌شود که به طور مداوم مخلوط را بهم مي‌زند
- هواي فشرده از طريق يک بشکه دوار يا منبع تغذيه دميده مي‌شود تا مواد را به صورت يک جريان پيوسته به شلنگ تغذيه انتقال دهد.
- آب نيز از طريق افشانه انتهاي شلنگ به اين مخلوط اضافه مي‌شود .
- افزودني‌ها مي‌توانند مثل پودر به مخلوط خشک و در حالت مايع ، با آب اضافه شده در نازل يا مثل تزريق در نازل به مخلوط اضافه شود . فايبرهاي فولادي و ساير فايبر‌ها مي‌توانند در پيش اختلاط اضافه شوند .
اجرای مکانیزه ی شاتکریت- تونل نیایش (تهران)
سیستمهای تقویت بولتی یا میل مهار
♦بولتها همانند شاتکریت در زمره ی سيستمهاي تقويتي (Reinforcement system) سنگ مي باشند و هدف از بکارگيري آنها خودنگهدار کردن توده است.
♦بولت ها پس از نصب به بخشي از توده سنگ تبديل شده و مقاومت داخلي و ذاتي توده سنگ را بهبود مي بخشند.
♦از بولتها هم مي توان بعنوان سيستم نگهداري موقت و هم به عنوان سيستم نگهداري دائم استفاده کرد.
♦بولت ها متداولترين سيستم نگهداري مورد استفاده در تونل سازی مي باشد.
∗انعطاف پذيري بالا در شرايط مختلف
∗بکارگيري آسان
∗نسبتاً ارزان هستند.
∗روش نصب آنها را مي توان بصورت مکانيزه انجام داد.
انواع بولت ها
الف- ميل مهارهاي مکانيکي (Mechanically rockbolts):اين دسته از ميل مهارها تنها از طريق يک نقطه با سنگ درگير مي شوند. علاوه بر اين، عامل اين اتصال يک عضو تکيه گاهي مکانيکي است.
ب- ميل مهارهاي اصطکاکي (Friction rockbolts):ديواره چالهايي که در سنگ هاي سست حفر شده اند غالباً نمي توانند ميل مهار ها را در يک نقطه درگير کنند. براي رفع اين مشکل ميل مهارهاي اصطکاکي ايجاد شده است. در اين نوع ميل مهارها نيروي اصطکاکي ايجاد شده در سطح تماس ميل مهار و ديواره چال ناشي از نيروهاي فشاري اعمال شده در جهت شعاعي (و در سرتاسر چال) باعث فراهم کردن قابليت نگهداري مي شود.
ج- ميل مهارهاي تزريقي (Fully grouted rockbolts):در اين نوع ميل مهارها با استفاده از خاصيت چسبندگي دوغاب سيماني و رزين هاي مصنوعي درگيري ميل مهار با سنگ و خاک حاصل مي شود. درگير کردن ميل مهار در طول چال در طول کافي (معمولاً 1 تا 10 متر) انجام مي شود بطوريکه تنش هاي اعمال شده روي خاک يا سنگ کوچک تر شود. اين شيوه ي مهار کردن، مخصوصاً در سنگ هاي نرم و خاک ها مؤثر مي باشد و از آن براي انتقال نيروهاي کششي بزرگ در سنگ هاي سخت نيز مي توان استفاده کرد
کابل های مهاری
- عمدتاً استفاده از کابلهاي مهاري (Cable bolts) در مواردي انجام مي گيرد که بار وارده از تحمل پيچ سنگ ها و داولها تجاوز کند.
- کابل مهاري فولادي از يک مفتول صاف مرکزي با 6 مفتول پيراموني تشکيل شده که همه به دور رشته مرکزي تابيده شده اند. پس از تابيدن مفتولها، کابل بايد تا دماي 350 درجه سانتيگراد تحت عمليات حرارتي قرار گيرد تا تنش هاي محبوس در آن آزاد شوند.
نگهداری فلزی: قاب های فلزی (Steel Rib)
- قاب های فلزی در واقع نسل دوم وسایل نگهداری محسوب می شوند. هرچند امروزه در بسیاری موارد جای خود را به میل مهارها داده است اما هنوز در شرایط پیچیده که میل مهارها جوابگو نیستند جهت اعمال فشار محصورکننده یکنواخت به جداره تونل استفاده می شود.
- همچنین از آنجا که قاب ها تحمل تغییر شکل های زیاد را دارند، می توانند شرایط نامساعد احتمالی را نشان داده تا مسئولین تمهیدات لازم را به موقع بکار گیرند.
- قاب ها از دو نوع قوسی و ذوزنقه ای تشکیل شده اند.
- قاب های فلزی معمولاً از پروفیل های صاف یا خم شده I یا H که با پیچ به هم متصل شده اند و به شکل هایی مانند قوس دایروی یا خمیده با پایه های مستقیم عمودی یا به شکل نعل اسبی با پایه های خمیده و بعضی اوقات با کفبندهای صاف یا خمیده ساخته می شوند.
- قاب های فلزی معمولاً به منظور نگهداری در نزدیکی پرتال ها، تقاطع ها، اتاقک شروع حفاری TBMو در سنگ های سست که به روش چال زنی و آتش باری حفاری می شوند، به کار می روند. قاب های فلزی در زمین های سستی که توسطTBM حفاری می شود و نیاز به یک تکیه گاه و صفحه باربر برای پیشروی TBMاست نیز به کار می روند.
قاب های صلب:
متداول ترین مقاطع این قاب ها مقطع H است.
قاب های کشویی:
متداول ترین این قابها، قابهای TH(برگرفته از نام مخترع آن) می باشد. این قاب ها طوری طراحی شده اند که دو قطعه در ضمن این که به هم چسبیده اند،می توانند در داخل یکدیگر بلغزند.
نگهداری فلزی: لتیس (Lattice girder)
- لتیس ها با ظرفیت تحمل یکسان با قاب های فولادی، از وزن کمتری نسبت به آنها برخوردارند و حمل و نصب آنها نیز آسان تر است. فضاهای باز بین خرپای آنها به شاتکریت اجازه می دهد که همه جا را بپوشاند و فضایی خالی پشت آنها باقی نگذارند و لذا یک سازه مرکب به وجود می آید. آنها همچنین همراه با انواع مهارها، میخ ها و شبکه (توری)جوشی به عنوان تحکیمات نهایی به کار می روند.
نگهداری بتنی
دانلود فایل پی دی اف محتوای فوق به همراه تصاویر:
فیلم آموزشی جلسه ی نهم درس تونل سازی
رئوس مطالب این آموزش
- ارائه تعریف مفاهیم نگهداری فضاهای زیرزمینی
- معرفی انواع روش های طراحی سیستم نگهداری تونل
- رفتار جابجایی و تغییر شکل زمین در اثر حفر تونل
- رسم منحنی تغییرات جابجایی دیواره های تونل (GRC)
- روش های برآورد بار وارده بر سقف و دیواره های تونل
- معرفی انواع روش های نگهداری تونل و روش اجرای آنها
- بیان سازوکار اصطکاکی مصالح دانه ای
- بیان سازوکار عملکرد راک بولت یا پیچ سنگ ها در تقویت توده سنگ
- بیان نحوه اجرای نگهداری بتنی درجا در تونل به کمک قالب لغزنده
دانلود فیلم آموزشی جلسه نهم درس تونل سازی
