تونل سازي و روش هاي مختلف آن
تاریخچه تونل سازی و سازههای زیرزمینی
احتمالا اولین تونلها در عصر حجر برای توسعه خانهها با انجام حفریات توسط ساکنان شروع شد . این امرنشانگر این است که آنها در تلاشهایشان جهت ایجاد حفریات به دنبال راهی برای بهبود شرایط زندگی خود بوده اند. پیش ازتمدن روم باستان ، در مصر ، یونان ، هند و خاور دور و ایتالیای شمالی ، تماما تکنیکهای تونلسازی دستی مورد استفاده قرار میگرفت که در اغلب آنها نیز از فرایندهای مرتبط با آتش برای حفر تونلهای نظامی ، انتقال آب و مقبرهها کمک گرفته شده است. در ایران نیز از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آبهای زیر زمینی تونلهایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز میرسد. تعداد قناتهای ایران بالغ بر50000 رشته برآورده شده است. جالب توجه است که این قناتهای متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند.
رومیها نیز در ساخت قناتها و همچنین در حفاری تونلهای راه پرکار بودند. آنها در ضمن اولین دوربینهای مهندسی اولیه را در جهت کنترل تراز وحفاری تونلها به کار بردند.
اهمیت احداث تونلها دردورانهای قدیم ، تا بدین جاست که کارشناسان کارهای احداث تونل درآن تمدنها را نشانگر رشد فرهنگ و به ویژه رشد تکنیکی و توان اقتصادی آن جامعه دانستهاند. تمدنهای اولیه به سرعت ، به اهمیت تونلها ، به عنوان راههای دسترسی به کانیها و مواد طبیعی نظیر سنگ چخماق به واسطه اهمیتش برای زندگی، پیبردند. همچنین کاربرد آنها دامنه گستردهای از طاق زدن بر روی قبرها تا انتقال آب و یا گذرگاههایی جهت رفت و آمد را شامل میشد. کاربردهای نظامی تونلها ، به ویژه از جهت بالابردن توان گریز یا راههایی جهت یورش به قرارگاهها و قلعههای دشمن ، ازدیگر جنبههای مهم کاربرد تونلها در تمدنهای اولیه بود.
تونل سازی همزمان با انقلاب صنعتی، به ویژه به منظور حمل و نقل ، تحرک قابل ملاحظه ای یافت. تونلسازی به گسترش و پیشرفت کانال سازی کمک کرد و این امر در توسعه صنعت به ویژه در قرون 18 و 19 میلادی در انگلستان سهم بسزایی داشت. کانالها یکی از پایههای انقلاب صنعتی بودند وتوانستند در مقیاس بسیار بزرگ هزینههای حمل و نقل را کاهش دهند. تونل مال پاس با طول 157 متر برروی کانال دومیدی در جنوب فرانسه اولین تونلی بود که در دورههای مدرن در سال 1681 ساخته شد. همچنین اولین تونل ساخته شده با کاربرد حفاری و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن 18 نیز جیمز بریندلی از خانواده ای مزرعه دار با نظارت بر طراحی و ساخت بیش از 580 کیلومتر کانال و تعدادی تونل به عنوان پدر کانال و تونلهای کانالی ملقب شد. وی در سال 1759 با ساخت یک کانال به طول 16 کیلومتر مجموعه معدن زغال دوک بریدجواتر را به شهر منچستر متصل نمود. اثر اقتصادی تکمیل این کانال نصف شدن قیمت زغال در شهر و ایجاد یک انحصار واقعی برای معدن مذکور بود.
در اوایل قرن نوزدهم به منظور عبور از قسمتهای پایین دست رودخانه تایمز هیچ سازه ای موجود نبود و 3700 عابر مجبور بودند با طی یک راه انحرافی 3 کیلو متری با قایق مسیر روترهایت به ویپنیگ را طی کنند. اقدام به ساخت یک تونل نیز به دلیل ریزشی بودن ومناسب نبودن رسوبات کف رودخانه متوقف شد. تا اینکه در حدود سال 1820 فردی بنام مارک ایرامبارد برونل از فرانسه ایده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال 1825 کار احداث تونل بین روترهایت و ویپنیگ را آغاز و علی رغم جاری شدن چند نوبت سیل در سال 1843 آن را باز گشایی نمود. این تونل تامس نام گرفته و اولین تونل زیر آبی بود که بدون هر گونه رودخانه انحرافی حفر شد. در دیگر موارد تونلهای زهکشی بزرگ ، نظیر تونلی با طول 7 کیلو متر در هیل کارن انگلستان ، اهمیت زیادی در توسعه صنعت معدنکاری داشتهاند. البته بررسی تاریخچه پیشرفت در روشها و تکنیکها و به عبارتی در هنر تونل سازی نشانگر این مطلب است که مانند بسیاری دیگر از علوم و فنون بیشتر رشد این هنردر قرن گذشته صورت گرفته و تا حال نیز ادامه دارد.
ویژگیهای فضاهای زیرزمینی و نمونههای بارز آنها
هم اکنون در زمینههای مختلف کاربرد تونلها ، مزایای متفاوت و گوناگونی را بر میشمرند. از آن جمله ویلت، استفاده فزاینده فعلی از فضاهای زیر زمینی را به دلایل زیر رو به افزایش دانسته است.
1- تفوق محیط ساختاری به معنای وجود یک حصار وساختار طبیعی فراگیر.
2-عایق سازی با سنگهای فراگیر که دارای ویژگیهای عالی عایقها میباشند.
3- محدودیت کمتر دراحداث سازههای بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی سطح زمین.
4- کمتر بودن تأثیرات منفی زیست محیطی.
5- کوتاهتر شدن مسیرها و افزایش راند مان ترافیکی
6-بهبود مشخصات هندسی مسیر
7-جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن
8-ایمنی بیشتر در برابر زلزله،
مثالهای متعددی میتوان از نقش وتأثیر عمده تونلسازی و پروژههای بزرگ این صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد . تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ایتالیا را به هم متصل میسازد. عملیات ساختمانی آن در سال 1959 آغاز گردید و حفر این تونل فاصله بین میلان و پاریس را به طول 304 کیلو متر کوتاهتر نموده است. از دیگر نمونهها کشور فنلاند است که سازههای زیر زمینی را به صورت غارهای عظیم بدون پوشش بتنی ، به منظور انبار مواد نفتی مورد استفاده قرار داده و در حال حاضر بیش از 75 انبار نفتی در سراسر کشور فنلاند با گنجا یشی بیش از 10 میلیون متر مکعب ساخته شده.
تونل سازی شغلی با خطرهای پنهان
تونل سازی پیشرفته و اتوماتیك در زیر زمین اكنون به سمتی میرود كه حـــذر از اشتبــاه در آن اجتناب ناپذیر است. تونل سازی موفق به شكل و معماری تونل و كیفیت ساخت آن ، شناخته میشود در حالیكه در پشت آن سرمایه گذاری سنگین تكنیكهای حفاری توسط سیستمهای لجستیكی پیچیده قرار گرفته است. چنین تكنیكهایی برای اجرای سریع و بدون توقف تونل سازی با قابلیت محاسبه خطرات پیش رو و همچنین بالا بردن راندمان پیشرفت، طراحی میشوند.
خطرات پنهان در تونل سازی
بستر زمین میتواند با زونهای خطرناك زمین ساختاری نهفته در آن همواره منبعــی از مشكـــلات غیر قابل انتظار در تونل سازی باشد.
تغییرات غیر قابل پیش بینی در كیفیت سنگ اغلب سبب مشكلات و هزینههای تاخیــر غیــر ضروری میگردد كه امروزه هیچكس برای آن پول كافی ندارد.
بدون پیش بینی، شما با خطرات زیر مواجه خواهید شد:
1-حفره ها، ریزش ها، جریان شدید آب داخل تونل
2-پرداختهای اضافه شامل تاخیرات پروژه
3-مواجهه TBM با تلههای پیش روی آن
4-به خطر انداختن پرسنل و تجهیزات مورد استفاده آگاهی از آنچه پیش روی است:
اطلاعات كافی از لایههای زمین ساختاری و تغییر در پارامترهای مكانیك سنگ كه تاثیر زیادی در انتخاب روشهای اجرا دارد، اكنون فاكتور مهمی در توفیق تونلهای پیشرفته امروزی است. چنین پیش بینی و هشدارهایی در اجرا، امكان بموقع برآورد دقیق هزینهها و لجستیك آن را برای رفع موانع در طراحی تونل سبب شده و به دنبال آن پیش بینی هر چه دقیق تر، موجب تونل سازی مقرون به صرفه در خطرات همیشگی زیر زمین است.
کاربردهای زمین شناسی در تونل سازی
فن تونل سازی سابقه دیرینه ای در كشور ما دارد. حدود 3000 سال پیش نیاكان ما با حفر قناتها كه در واقع تونلهای قدیمی هستند، به آب زیرزمینی دست مییافتند. قدیمی ترین تونل شناخته شده در حدود 4000 سال پیش دربین النهرین حفر شد.
در ایران از چند هزار سال پیش به منظور استفاده از آبهای زیرزمینی تونلهایی موسوم به قنات حفر شده است كه طول برخی از آنها به 70 كیلومتر میرسد.
مراحل تونل سازی:
مراحل احداث و آماده سازی تونلها به شرح زیر است:
الف) تهیه طرح تونل
ب) نقشه برداری مسیر و تحقیقات مهندسی
ج) حفر تونل
د) نگهداری موقت تونل
ه) انجام خدمات فنی از قبیل تهویه، آبكشی، روشنایی و نظایر آن
و) نگهداری دائم تونل
طبقه بندی تونل ها:
1- تونلهای حمل و نقل
– تونلهای راه آهن
– تونلهای راه
– تونلهای پیاده رو
– تونلهای ناوبری
– تونلهای مترو
2- تونلهای صنعتی
– تونلهای مربوط به نیروگاههای آبی
– تونلهای انتقال آب
– تونلهای استفاده همگانی و پناهگاهها
– تونلهای فاضلاب
– تونلهای طرحهای صنعتی
– تونلهای انبارهای نظامی
– تونلهای دفن زباله اتمی
3- تونلهای معدنی
– تونلهای گشایش معدن
– تونلهای اكتشافی
– تونلهای استخراجی
– تونلهای خدماتی
– تونلهای زهكشی
تفاوت تونلهای حمل و نقل و تونلهای معدنی:
تونلهای معدنی پس از استخراج معدن بصورت متروكه رها میشدند ولی تونلهای حمل و نقل سازههایی دائمی هستند و برای استفاده طولانی مدت طراحی میشوند.
مطالعه ساختگاه تونل:
قبل از حفر و احداث تونل، بایستی منطقه مورد نظر را مطالعه كرد و مناسب ترین مسیر تونل را برگزید و آنگاه مسیر را مطالعه كرد. با وجود اینكه این مطالعات بسیار پرهزینه و زمان بر است اما بدون انجام آن ممكن است اشكالات اساسی در ضمن احداث تونل رخ دهد كه در زیر به مثالهایی از آن اشاره میشود.
1- تونل مورن واقع در مسیر راه آهن پاریس به ورسای كه عملیات حفاری آن در سال 1900 میلادی آغاز و در طول مسیر با 45 متر ماسه سست مواجه شد كه عبور از آن 15 ماه به طول انجامید.
2- تونل لتسبرگ در فرانسه كه حفاری آن در سال 1908 میلادی آغاز و پس از حفر 1200 متر از تونل به علت هجوم شدید آب زیرزمینی متروك شد.
3- تونل مربوط به نیروگاه برق آبی رزلند كه حفر 50 متر از آن 18 ماه طول كشید.
مطالعه ساختگاه تونل شامل مراحل زیر است:
1- جمع آوری اطلاعات:
كه با مراجعه به سازمانها و مؤسساتی كه احتمال دارد در منطقه كار كرده باشند میتوان اطلاعات احتمالی را به دست آورد.
2- بررسی نقشههای توپوگرافی و عكسهای هوایی منطقه:
برای آگاهی از وضعیت توپوگرافی منطقه باید بزرگ مقیاس ترین نقشه موجود را مطالعه كرد. مطالعه عكسهای هوایی منطقه در بسیاری موارد اطلاعات با ارزشی دست میدهد مانند چین خوردگی ها، درزه ها، گسلها و … .
3- مطالعات زمین شناسی سطحی:
آگاهی از وضعیت زمین شناسی منطقه از جمله ضروری ترین اطلاعات مورد نیاز طراحی تونلها است.
4- مطالعات ژئوفیزیكی:
مهمترین كاربرد روشهای ژئوفیزیكی در اكتشاف ساختگاه تونل ها، تعیین موقعیتهای غیرعادی است كه باید به وسیله روشهای مستقیم و دقیق تر، بررسی شود.
5- حفر گمانههای اكتشافی:
هدف از حفر گمانههای اكتشافی شناسایی وضعیت، ضخامت، جنس و مشخصات فیزیكی و مكانیكی سنگهایی است كه تونل از آنها عبور میكند.
6- مطالعات آب شناسی:
از آنجا كه وضعیت آبهای زیرزمینی منطقه و نفوذپذیری سنگها چه از نقطه نظر حفر تونل و چه از نظر طراحی سیستم نگهداری آن اهمیت زیادی دارد. لذا بعضی مطالعات آب شناسی نیز انجام میگیرد.
7- آزمایشهای برجا:
روشهای تعیین مشخصات ژئوتكنیكی زمین به حالت برجا از جمله مهمترین مطالعاتی است كه قبل از احداث تونل انجام میگیرد.
8- پیش بینی نشست زمین:
با توجه به اهمیت پدیده نشست زمین باید روشهایی را برای حفر و نگهداری تونلها برگزید كه نشست به حداقل ممكن برسد.
طراحی تونل:
طراحی شكل و ابعاد مقطع تونل بسته به نوع كاربری آن و شرایط زمین شناختی منطقه فرق میكند. به عنوان مثال تونلهای معادن دارای سطح مقطع ذوزنقه ای شكل، تونلهای راه به شكل هلالی، تونلهای راه آهن به شكل دایره و چهارگوش، و تونلهای آبرسانی نیز با توجه به حداكثر توان پیش بینی شده نیروگاه فرق میكند.
نقش شرایط زمین شناختی در طراحی تونل:
1- چین خوردگی: وجود چین خوردگی در سنگ سبب كاهش مقاومت آن میشود و در اثر احداث تونل ممكن است درز و شكافهای بیشتری را در سنگ سبب شود.
2- گسل: وجود گسل سبب ایجاد صفحات شكستگی در سنگ میشود كه پس از حفر تونل احتمال لغزش قطعات سنگ را به دنبال دارد.
3- آب زیرزمینی: وجود آب زیرزمینی از جمله مسائلی است كه علاوه بر آنكه عملیات تونل سازی را با مشكل مواجه میسازد خطراتی را نیز در پی دارد.
مواردی كه در بالا اشاره شد از جمله مهمترین مسائلی بود كه در طراحی تونل نقش دارند ولی مواردی مانند زمینهای آماس پذیر، درزه ها، گازهای موجود در سنگ ها، دمای سنگها، زمینهای رانشی و … نیز در طراحی تونلها نقش دارند كه از اهمیت كمتری برخوردارند.
صنعت تونل ایران
سالهای طولانی است که متخصصان و کارگران زحمتکش ایران زمین در صنعت تونل آثار ارزشمندی را به تمدن بشری اهدا نمودهاند بطوریکه از چند هزار سال پیش تونلهایی موسوم به قنات حفر میشده است که یکی از ابتکارات شگفتانگیز ایرانیان است. طول بعضی از این سازههای زیرزمینی به 70 کیلومتر میرسد. تعداد قناتهای ایران بالغ بر 5000 رشته بر آورد شده و جالب توجه آن است که این قناتهای متعدد، طویل و حساس از لحاظ جهت و شیب با وسایل بسیار ابتدایی حفر شدهاند. قدیمیترین آثار و قنات که در دنیا کشف شده و باستانشناسان ردیابی و کاوش کردهاند، ناحیهای در شمال ایران است که قدمت آن به حدود سه هزار سال قبل یعنی دوره ورود آریاییها میرسد. در دوره معاصر و ابتدای قرن سیزدهم هجری احداث اولین تونلهای راه وراهآهن در دستور کار دولت ایران قرار گرفت.بر اساس برنامههای پنج ساله و بالاخص چشم انداز بیست ساله برنامههای توسعه کشور، نیاز به ساختارهای زیربنایی در کشور بیش از پیش تجلی میکند.
با توجه به شرایط اقلیمی و جغرافیایی کشور و توسعه و گسترش شهرها و مراکزصنعتی ، تونل و فضاهای زیرزمینی برای استفادههای حمل و نقل داخل و خارج از شهر، انتقال آب و فاضلاب ، لوله رانی بدون حفاری سطحی برای انتقال مواد سوختنی و انرژی از قبیل نفت و گاز ، احداث فضاهای زیرزمینی استراتژیکی و دفاعی ، تولید برق ، ایستگاههای مترو و پارکینگ بهطور فزایندهای در حال مطالعه ، ساخت و یا بهرهبرداری هستند. عوامل زمینشناسی و اقتصادی در گذشته از جمله موانع توسعه فضاهای زیرزمینی بوده است. با توجه به توسعه علم و فناوری در مطالعات زمینشناسی و مهندسی ژئوتکنیک و آشنایی بهتر و بیشتر با شرایط زمین و ساخت و گسترش تجهیزات ساخت و بهرهبرداری تونلها باعث شده است که رویکرد به این ساختار زیرزمینی بیشتر شود. اغلب شهرهای بزرگ توانایی و گنجایش داشتن حمل ونقل روی سطحی را نداشته و در نتیجه به سیستمهای زیر زمینی از قبیل مترو روی آورده و بدون دستخوردگی در سطح زمین ، با احداث خطوط متعدد مترو، شبکه وسیعی از حمل و نقل را در شهرها ایجاد نمودهاند. برای انتقال آب وفاضلاب نیز مشابه حمل و نقل گزینهای به جز استفاده از مجاری زیرزمینی وجود نداشته و شبکههای بزرگ و گسترده تونلهای آب و فاضلاب شهری در حال احداث میباشند. در حال حاضر در کشورهای توسعه یافته در برخی موارد، فضاهای زیرزمینی به عنوان تنها گزینه مناسب برای ایجاد فضاهای تفریحی ، فرهنگی و ورزشی مطرح میباشند. در اغلب موارد فضاهای زیرزمینی در دراز مدت با صرفه تر خواهد بود. از مزایای استفاده از فضاهای زیرزمینی و تونلها ،میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
– حفظ محیط زیست
– تأمین ایمنی و امنیت بیشتر
– صرفهجوئی در هزینههای تأمین انرژی
– صرفهجوئی در هزینههای بهرهبرداری و نگهداری
– صرفهجوئی در هزینههای جابجائی تاسیسات شهری و هزینه تملک و خرید زمین
از جمله تونلهای در حال ساخت کشور به موارد زیر میتوان اشاره کرد:
الف- تونلهای راه: آزاد راه تهران-شمال(تالون،البرزو…) ، امام زاده هاشم ، تهران-رودهن ، تنگه هیچان-سرخه .
ب- تونلهای راه آهن و مترو: قطعه چهارBیزد-هرمزگان ، متروی شیراز ، متروی تبریز ، خط تهران-کرج(خط پنج) ، خط 3و4 متروی تهران ، متروی اصفهان خطAشمالی وجنوبی ، متروی مشهد .
ج- تونلهای انحراف و انتقال آب: کوهرنگ3 (چارمحال وبختیاری) ، گاوشان(کردستان) ، چشمه لنگان(اصفهان) ، انتقال آب دز به قمرود ، رباط کریم تهران ، خیام و خروجی تهران ، سد کوثر(خوزستان) ، سد کرج به تهران ، نوسود کرمانشاه ، سولکان کرمان ، چشمه روزیه سمنان ، قشلاق سنندج ، سبزکوه(چهارمحال و بختیاری) ، روانسر کرمانشاه ، سد نسای کرمان وآبرسانی بوشهر
د- تونلهای معدنی: ضرورت تأمین مواد معدنی در راستای برنامههای توسعه و سیاستهای دولت ، حفر فضاهای گسترده زیر زمینی را ایجاب مینماید که از آن جمله میتوان به معدن زیر زمینی زغال سنگ مرکزی طبس اشاره کرد که استخراج آن به صورت مکانیزه طراحی شده و برآورد تولید سالیانه آن 5/1میلیون تن میباشد.
دولت ایران نیز با توجه به کمبودها و نیازبه فضاهای زیرزمینی در رابطه با کاربردهای مختلف آنها ، سرمایهگذاری در بخش تونلسازی را بالاخص در سالهای اخیر مورد توجه قرار داده و از جمله تحولات مهم چند سال گذشته صنعت تونل ایران احداث فضاهای زیرزمینی را با کاربردهای متفاوت در احجام و طولهای بسیار زیاد میباشد. بهطورکلی امروزه دولت در قالب وزارتخانههای نیرو ، راه و ترابری ، صنایع و معادن و کشور(شهرداریها) به طور عمده و وزارتخانههای دفاع ، نفت و جهاد کشاورزی به میزان کمتر به احداث سازههای زیرزمینی میپردازد. به تازگی در تمامی این سازمانها با تصویب قوانین و ایجاد امکان عقد قراردادهایی با ساختارهای متنوع امکان مشارکت شرکتهای خارجی وداخلی در سرمایهگذاری و اجرای پروژه فراهم شده است. از دیگر اقدامات جدید انجام شده میتوان به حضور موثر و بی سابقه متخصصان داخلی در پروژههای مختلف احداث فضاهای زیرزمینی اشاره داشت و بعضی در زمره بزرگترین سازههای زیرزمینی در دست احداث جهان میباشند که با رعایت استانداردهای جهانی و با طراحی واجرای کارشناسان ایرانی به انجام میرسد.
تونلسازی سیری
در روش تونلسازی سپری متعارف و معمولی قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت میماند ولی با این حال مواردی است که مانیاز مند افزایش قطر موجود در نواحی خاصی از تونل میباشیم در چنین مواردی قبل از معرفی روش گسترشی ما مجبور به ایجاد مقطع با استفاده از کند و آکند و یا روش ناتم بودیم که البته آن هم باید پس از بهسازی توده سنگ در مقیاس بزرگ انجام میگرفت …
در ابتدا این روش برای ایجاد و حفر تونل در زمینی نرم و از زیر رودخانه استفاده شد شیوه عملیات مبتنی بود بر فشار و فرو بردن استوانه ای فلزی و انعطاف ناپذیر در داخل خاک و سپس ایجاد ساختار تونل به طورکل عملیات شامل فرو راندن سپر در داخل خاک و ایجاد لاینینگ از پشت سر سپربود به این طریق تونل در آن شرایط و بدون ریزش و تخریب در سطوح بالایی تونل مورد نظر حفر شد که البته رانش سپر در داخل توده خاک توسط جکهایی قابل اجراست . این کار در 1823 در زیر رودخانه thames لندن اجرا شد که سطح مقطع سپر به کار رفته نیز مستطیل شکل بود طراحی مقطع دایروی برای سپرهای مذکور در سال 1869 و از جانب Greathead James Henry مهندس انگلیسی ارائه شد استفاده از سگمنتهای فولادی خاکریزی ونیز تزریق از سوی او در پروه اش به کار برده شد همانگونه که گفته شد سپر جسمیاست فولادی معمولاًبه شكل استوانه كه از ریزش مواد به داخل تونل جلوگیری كرده و خود را به جلو و داخل زمین میراند. انواع سپرها عبارتند از :
● سپرهای باز
● سپرهای كور
● سپرهای تعادل فشار خاك
● سپرهای گل آبی
میتوان گفت که کشور ژاپن نقشی عمده در توسعه این روش داشته است در تونلهای احداث شده در شهرهای بزرگ ژاپن به دلیل اینکه اکثرا در زمینهای سست بوده و همچنین به دلیل تراکم رفت و آمد در مناطق پر ترافیک و شلوغ بیشتر به روش سپری حفر شده اند . این کشور همچنین در امر طراحی و ساخت انواع سپرها و ماشین آلات سپری بسیار پیشرفته میباشد.
از روش تونل سازی سپری در اواخر دهه شصت قرن نوزدهم و برای احداث تونلهای زهکشی و فاضلاب استفاده شد و بعد از آن نیز برای ساخت انواع دیگر تونلها نظیر تونلهای کابلهای انتقال برق و همچنین برای احداث تونلهای زیرزمینی و مترو که از آن به عنوان روش ایجاد تونل در مناطق شهری یاد میشود تعمیم یافت.
دلایل استفاده از این روش:
با استفاده از روش تونلسازی گسترشی یا همان روش توسعه ی تونلهای ایجاد شده به روش سپری ما میتوانیم قطر تونل موجود را افزایش دهیم .
در روش تونلسازی سپری متعارف و معمولی قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت میماند ولی با این حال مواردی است که مانیاز مند افزایش قطر موجود در نواحی خاصی از تونل میباشیم در چنین مواردی قبل از معرفی روش گسترشی ما مجبور به ایجاد مقطع با استفاده از کند و آکند و یا روش ناتم بودیم که البته آن هم باید پس از بهسازی توده سنگ در مقیاس بزرگ انجام میگرفت.
اصول روش ناتم در تونل سازی
روش تونلسازی اتریشی (NATM)، در فاصله سالهای ۱۹۵۷ تا ۱۹۶۵ در اتریش ابداع گردید. نام این روش در سال ۱۹۶۲ در سالزبورگ و جهت تمیز از روش قدیمی تونملسازی اتریشی اعطا گردید. نخستین ارائه دهندگان این روش Ladislaus von Rabcewicz, Leopold Müller و Franz Pacher بودند. ایده نخستین این روش عبارت است از استفاده از فشارهای زمین شناسی در برگیرنده توده سنگ جهت مقاوم سازی ونگهداری تونل.
باید گفت که امروزه مطالعات گسترده ای از سوی متخصصین علم مکانیک سنگ در ارائه طرحی مطمئن برای نگهداری فضاهای زیرزمینی صورت میگیرد که بتواند سیستم نگهداری را به گونه ای طراحی کند که علاوه بر ایمن بودن، از نظر اقتصادی نیز معقول باشد. نتایج این مطالعات بر ضرورت بکارگیری روشهای مشاهده ای همچون NATM در تونلسازی تاکید دارد.
- ویژگیهای اساسی ناتم :
ناتم روشی است مبتنی بر تابع نگاری رفتار تودههای سنگ تحت بار و مونیتورینگ عملیات ساختمان زیرزمینی سنگ. واقعیت اینست که ناتم به عنوان یک مرحله از حفاری و نیز تکنیکهای نگهداری مطرح نیست. ناتم بر هفت ویژگی استوار است:
۱- بسیج مقاومت توده سنگ: این متد بر مقاومت ذاتی توده سنگ پیرامون به عنوان یک جز اصلی نگهداری شده در تونل، تکیه میکند. تکیه گاه اولیه طوری هدایت میشود که سنگ را قاد رسازد تا بر خودش تکیه کند.
۲- حمایت شاتکریت: سست کردن و نیز تغییر شکل بی اندازه سنگ میبایست به حداقل برسد. این امر با مهیا کردن لایههای نازک شاتکریت بلافاصله پس از پیشروی جبهه کار حاصل میاید.
۳- اندازه گیری: هرگونه تغییر شکل ناشی از حفاری باید اندازه گرفته شود. ناتم به نصب تجهیزات اندازه گیری در سطح بالایی نیاز دارد. این در آستر، زمین و گمانهها جاسازی میشود.
۴- تکیه گاه انعطاف پذیر: آسترگیری اولیه نازک است و شرایط لایه بندی اخیر را بازتاب میدهد. این مدل به کارگیری، نسبت به تکیه گاه مجهول سریعتر به کار میاید و موثر میشود. مقاوم سازی با یک آستر بتنی ضخیم به دست نمی اید بلکه با یک ترکیب منعطف از پیچ سنگ، سیم تنیده و شیارهای فولادی حاصل میگردد.
۵- بستن وارونگی: بستن سریع وارونگی و ایجاد حلقه حامل بار دارای اهمیت است. این امر در تونلهای حفر شده در زمینهای نرم بسیار وخیم است، جایی که هیچ مقطعی از تونل نباید بطور موقت رها شود.
۶- ترتیب قراردادی: دانش ناتم بر اساس اندازه گیری مونیتورینگ پایه ریزی شده است. تغییر در متد تکیه گاه و ساختمان امکان پذیر است. این تنها در شرایطی ممکن است که سیستم قراردادی فادر به تغییرات باشد.
۷- اندازه گیری پشتیبانی رده بندی توده سنگ: ردههای اصلی سنگ برای تونل و پشتیبانی متناظر آن موجود است. اینها برای هدایت در زمینه تقویت تونل بکار میروند.
اصول کلی ناتم:
تونلزنی به روش جدید اتریشی در خاکهای سست تا سنگهای سخت و مقاوم و در اعماق کم (در جهت به حداقل رساندن نشست سطح) تا اعماق زیاد و بیش از ۱۰۰۰ متر تحت میدانهای تنش ناشی از عملیات معدنکاری انجام گرفته است.
بنابراین اصول زیر به طور کلی قابل اعمال میباشند. این اصول در مقاله آقای دکتر فکر به ترتیب زیر آورده شده است:
▪ عنصر اصلی باربری یک تونل، توده سنگ پیرامونی آن میباشد.
▪ بنابراین یکی از اصول عبارت میباشد از: حفظ مقاومت اولیه سنگ تا آنجایی که امکان داشته باشد.
▪ اتساع یا جابجاییها باید به حداقل رسانده شود زیرا موجب پایین آوردن مقاومت میگردد.
▪ وضعیت تنش تک محوری یا دو محوری، شرایط نامناسب برای تونل بوده و باید از آن اجتناب گردد.
▪ دگرشکلیها باید به طرزی تحت کنترل دراید که توده سنگ پیرامون تشکیل یک حلقه باربر حول تونل را بدهد. به گونه ای که از
دست رفتن مقاومت به وسیله اتساع در سطحی قابل قبول نگهداشته شود. با اجرای خوب این کنترل، ایمنی واقتصاد افزایش مییابد.
▪ برای رسیدن به این منظور، تکیه گاه اولیه میباست در زمان درست نصب گردد.
▪ عامل زمان ویژه سیستم ترگیبی سنگ به اضافه تکیه گاه اولیه، باید به صحت کافی تخمین زده شود.
▪ تخمین عامل زمان بستگی دارد به :
الف : آزمونهای آزمایشگاهی
ب : آزمونهای برجا
ج : رده بندی توده سنگ
از این سه نرخ دگرشکلی و زمان پابرجایی میتواند استنتاج شده و با رفتار واقعی تونل در حین ساختمان تطبیق و کنترل گردد.
▪ هرجا که دگرشکلیها زیاد بود و یا سست شدن توده سنگ انتظار میرود، میبایست از تماس کامل تکیه گاه اولیه با جدار تونل در محل برخورد اطمینان حاصل اید. این امر با بکار گرفتن شاتکریت به بهترین نحو حاصل میگردد.
▪ تکیه گاه اولیه باید نازک و دارای صلبیت خمشی پایین باشد، از این رو گشتاورهای خمشی پایین آورده و وقوع شکستگیها در اثر خمش به حداقل میرسد.
▪ افزایش نگهداری با شبکه توری اضافی، قابهای فولادی، سیمهای فولادی، سیم مهارها یا میل مهارها حاصل میاید نه با آسترگیری ضخیمتری نوع و مقدار تکیه گاه و زمان نصب، از نتایج اندازه گیری دگرشکلیها تعیین میگردد.
▪ از نظر استاتیکی تونل را میتوان لوله ای ضخیم (یا حلقه ای دوبعدی) که از توده، سنگ و آسترگیری تشکیل یافته در نظر گرفت.
▪ از آنجا که یک لوله مساعدترین ویژگی پایداری را بدون آنکاه درز داشته باشد داراست، بستن همزمان کف تونل در هنگامیکه سنگ دارای مقاومت کافی نباشد دارای اهمیت است.
▪ رفتار توده سنگ با بستن به موقع کف تونل تعیین میگردد. پیشرویهای زیاد در طاق منجر به دیر بسته شدن کف و آنهم منجر به تشکیل لوله نیمه آسترگیری اولیه گردیده که نتیجه آن بروز گشتاورهای بزرگ خمشی در جهت محور تونل میباشد که منجر به ایجاد تمرکز تنش زیاد در سنگ، در پای دیوارههای جانبی میگردد.
▪ حفاری پیشانی کامل، بهترین روش برای دستیابی یک توزیع یکنواخت تنش است. هر چند که در سنگهای سست، حفاری بخش بخش، برای پایداری در حین ساختمان ممکن است لزوم پیدا کند.
▪ روند حفاری و نگهداری برای پایداری مهم میباشد. زیرا آنها عامل زمان توده سنگ را تحت تاثیر قرار میدهند.
تغییر در طول دوره حفاری، زمان بستن کف، طول پیشروی طاق، مقاومت و زمان نصب تکیه گاه تماما به طور سیستماتیک برای کنترل فرایند توزیع مجدد تنش و پایدارسازی به کار گرفته میشوند.
▪ در موارد آستربندی مضاعف، آستربندی نهایی باید همچنان نازک باشد. تنش عمود میباید بر روی تمام سطح تماس بین آستربندیها منتقل گردیده و تنش برشی در سطح برخورد میباید پایین باشد.
▪ کل سیستم، توده سنگ به اضافه پوشش میبایست با نگهداری اولیه پایدار گردند.
در صورت خورنده بودن آبهای زیرزمینی آستربندی نهایی میبایست قادر به پایدار سازی توده سنگ به تنهایی باشد. سیم مهارها تنها میتوانند به عنوان یک نگهدارنده دائمی تلقی گردند، البته در صورتی که از گزند خورندگی در محیطهای خاص در امان باشند.
▪ برای کنترل ایمنی سازه تونل، اندازه گیری تنش بتن و تنش برخورد در مرز بین سنگ و آستربندی ضرورت دارد. اندازه گیری دگرشکلیها همچنان ادامه پیدا میکند.
▪ فشار ایستایی آب بر روی پوشش و فشار جریان در توده سنگ با زهکشی مناسب پایین آورده میشود.
به طوری که از این اصول دریافت میشود، ناتم روند و دستور کاری نیست که با دنبال کردن آن به نتیجه مورد نظر رسید بلکه عبارت است از مجموعه ای از ایدهها که به ویژگیهای زمین شناسی منطقه توجه ویژه ای دارد. این روش در نتیجه تجربیات متعدد در کار تونلزنی به دست آمده است و برای به دست آوردن هر یک از این ایدهها و نیز جمعبندی آنها به عنوان یک روش سالهای زیادی وقت صرف شده است. نوآوری اساسی این ایده، یک فن ساختمانی یا یک روش خاص محاسباتی نمی باشد، اما برای ساختمان تونل در توده سنگ و چگونگی برخورد با آن ارائه طریق مینماید.
یکی از اصول موفقیت زای این روش گردآوری موضوعات متعدد از مهندسی عمران و مکانیک سنگ میباشد که شامل موضوعات نظری و عملی است.
روش اجرای ناتم:
با اینکه هنوز هیچ پشتوانه نظری حقیقی برای ناتم وجود ندارد اما عواملی وجود دارند که منجر به موفقیت این روش میگردند که عبارتند از:
۱- بتن پاشی به عنوان سازنده سازه ترکیبی قوس سنگ که به حلقه حمال سنگ موسوم بوده و حفره را احاطه میکند.
۲- بتن پاشی به مراتب قدیمی تر از ناتم میباشد اما ویژگیهای عالی آن از نظر مقاومت و لغزش، این روش را به عنوان یکی از ابزارهای غالب نگهداری در تونلسازی به روش ناتم گردانیده است. بیشترین اهمیت آن امکان اجرای سریع برای پوشانیدن سطح تازه حفاری شده سنگ میباشد. مزیت دیگر آن دستیابی به یک مقاومت نسبی بالادر مدت زمان کوتاه، حدود ۵ نیوتن بر میلی مترمربع (مگاپاسکال) در ۶ ساعت میباشد.
شاتکریت در تونلسازی دارای اثر مضاعف است: محافظت سنگ در اثر هوازدگی و فرسایش: با بستن ترکها تمرکز تنش در اطراف تونل کاهش یافته، همچنین ضخامت زیاد شاتکریت به عنوان یک قوس نگهدارنده عمل میکند. در تمام موارد اتصال اتصال تنگاتنگ با سنگ مهم میباشد. زیرا این عمل موجب میگردد سنگ بارها را مشترک حمل نموده و ساختاری مرکب با سنگ تشکیل دهد. شاتکریت مناسب، نیاز به یک تکیه گاه نیمه صلب را برآورده میسازد، زیرا دگرشکلی شعاعی زیادی را بدون شکستگی امکان پذیر میسازد. با دگرشکلیهای بزرگ تونل، شاتکریت میشکند. اما در صورت مسلح شدن به توری سیمی یا رشتههای فولادی، قطعات برش یافته شاتکریت خطری آنی برای خدمه ایجاد نخواهد کرد.
۳- وسیله دیگر برای ساختن طاق بیرونی، قابهای فولادی میباشد. این قابها در تودههای سنگ فشرده شده و بسیار خردشونده به کار گرفته شده و تکیه گاهی سریع و موثر برای سنگ به شمار میایند. در چند سال اخیر کاربرد قوسهای پروفیلی به میزان زیاد افزایش یافته است. این قوسها نسبت به قابهای فولادی مزایای بیشتری دارند و نیز به دلیل سبک وزن بودن، نصب آنها آسانتر میباشد.
۴- در تونلسازی هوراه با مفاهیم ناتم، نصب میل مهارها جایگاه ویژه ای دارد و اهمیت آنها به همان اندازه اهمیت شاتکریت میباشد. این میلها نیز مثل شاتکریت در صورت نصب موجب تشکیل حلقه حمال در اطراف توده سنگ میگردند. میل مهارها در برابر دگرشکلی شعاعی مقاومت کرده از اینرو ایجاد دگرشکلی کنترل شده مینماید که شکل ژئومتریک تونل را حفظ مینماید. همچنین میل مهارها از آنرو که تاثیر ناهمسانی و ناهمگونی را کاهش میدهند، تشکیل صفحات برشی و لغزشی را مشکل تر ساخته و سبب ایجاد مقاومت ماندگار بالا حتی در تودههای سنگ به شدت دستخورده میگردد که این نیز به نوبه خود سبب بهسازی کیفیت سنگ میگردد. تنش مماسی در حلقه سنگ حمال موجب افزایش چسبندگی مهاریها میگردد. طاقهای ثانویه ایجاد شده بین تکیه گاهها، در برابر تمایل توده سنگ نسبت به جابجایی به داخل تونل مقاومت ایجاد مینماید که این مقاومت به نزدیکی مهاریها بستگی دارد. در صورتیکه طاق تونل تحت تنش زیاد در اثر فرایندهای تجدید آرایش دوباره قرار گیرد، یا اگر سیستم سنگ در معرض شکستگی قرار داشته باشد، تونل نیاز به بهسازی با بتن پاشی به سطح خواهد داشت.
بنابراین به طور خلاصه مواد پایدار کننده در ناتم عبارتست از: شاتکریت، میل مهارها، قوسهای فولادی یا پروفیلی، صفحات فولادی و….
نتیجتا هدف اصلی ناتم ایجاد یک قوس نیمه صلب خارجی بلافاصله پس از حفاری با وسایل نگهداری از قبیل شاتکریت، کوه پیچ و غیره میباشد. این امر موجب تنظیم تنش در محدوده اطراف تونل گردیده از سست شدگی مخرب جلوگیری به عمل میآورد و این همان چیزی است که ناتم را از روشهای تونلزنی محافظه کارانه تمیز میدهد. زیرا اصولا در شیوههای سنتی تونلسازی، بار سنگ میبایست تماما بوسیله تجهیزات نگهداری تحمل شود که این کار نیز مستلزم صرف هزینههای زیاد میباشد.
روش ناتم بیشتر در نتیجه تجربه عملی بوجود آمده و مانند دیگر روشهایی که در حال تکمیل و تکوین میباشند، دستخوش تغییر و تحولات و مشکلات متعددی گردیده تا به شکل کنونی در آمده است. این روش از انعطاف پذیری قابل توجهی در شرایط مواجهه با وضعیتهای متفاوت توده سنگی برخوردار است.
بطور کلی ضروری میباشد که مطالعات و بررسی دقیقی به منظور بررسی ظرایط زمین ساختاری بویژه در زمیسنهای نامناسب انجام گرفته، بین هزینههای مطالعات و اجرای عملیات رابطه ای منطقی ایجاد گردد.
تهیه مواد و مصالح مورد نیاز ناتم و طریقه ریختن بتن در فضاها، حتی در طرحهای کوچک تونلسازی با ناتم نیاز به ساماندهی مناسب و کارآمد دارد که خود ناشی از تجربه ومهارت بالای معدنچیها و اجراکاران دارد. اهمیت نصب شعاعی مهاریها به طور سیستماتیک در سنگهای سست، به منظور تامین توزیع مناسب تنشهای بوجود آمده در قوسهای دایره ای شکل سنگی، فوق العاده مناسب تشخیص داده شده است.
موفقیت در روش ناتم نیاز به آموزشهای تئوریک و عملی همزمان در محل عملیات دارد زیرا تنها در ارتباط بودن نزدیک و دقیق مهندسان با مسائل و مشکلات در محل کار میتواند آنها را به اعمال راهنماییهای خاص و دقیق قادر سازد. یک بخش مهم و جدایی ناپذیر در این روش مشاهده رفتار تنش کرنش سنگ با فنون اندازه گیری میباشد.
ادامه دارد…
تهيه كنندگان: عبدالامير كربلايي و زينب كردوني
منبع : راسخون
.
.