دانلود مقاله حفر تونل

مقدمه :

تونلها نوعی سازه زیر زمینی می باشند که به منظور اهداف زیر حفر می گردند .

کوتاه کردن و یا قابل عبور کردن جاده ها

کوتاه کردن مسیر راه آهن

هدایت آب

دستیابی به مواد معدنی

عبور فاضلابها

حمل و نقل مسافر از طریق متروها

ایجاد پناهگاهها ، انبارها و غیره ...

از نظر تاریخی طبق مدارک و شواهد موجود حفر تونل به وسیله دست و ابزارهای اولیه به قبل از میلاد مسیح می رسد و در ایران ، در زمینه حفر کانالهای زیرزمینی ( قناتها ) سابقه ای طولانی وجود دارد .

بطور کلی تونل ها با توجه به اهداف حفر آنها به انواع زیر تقسیم می شوند .

فصل اول :

انواع تونل :

1- تونلهای معادن :

تونلهای معدنی برای دسترسی ، شناسایی و استخراج مواد معدنی احداث می شوند . حفر راهروهای سنگی و تونلها ، بخش مهمی از معدنکاری زیرزمینی را تشکیل می دهد گاهی تا 25 درصد از مجموع سنگ شکسته شده در یک معدن از حفر تونلها و راهروها بدست می آید . بعنوان مثال بهنگام استفاده از روش استخراج تخریب طبقات فرعی sub-level caving و روش استخراج اطاق و پایه Room & pillar مقدار نسبتاً زیادی سنگ شکسته شده در طول آماده سازی راهروها بدست می آید . و باز اگر به مقدار سنگ شکسته شده که جهت حمل و نقل ، تهویه و تونل های اکتشافی لازم است توجه شود بآسانی می توان دریافت که طراحی و حفر تونل های و راهروهای سنگی نقش عمده ای در اقتصاد معدن بازی می کنند .

افزایش مکانیزاسیون در معدنکاری ، تونلها و راهروههایی با مقاطع بزرگ را جهت و حمل و نقل ماشین آلات معدنی طلب می کند . استفاده از ماشین آلات مدرن موجب از بین رفتن کار طاقت فرسای روشهای سنتی و دستی شده و شرایط محیط کار را بهبود بخشیده است . در این موارد روشهای مدرن نسبتاً زیادی را می توان بکار گرفت ، اما تجارب کاری شخص مهدنکار که در کار با سنگ بدست آورده است ( نظیر استفاده از نقاط ضعف طبیعی سنگ در هنگام حفر ) فدای مدرنیزاسیون می گردد . با برقراری فاصله های زمانی جداگانه برای حفاری ، بارگیری و حمل و نقل ، باید تمام توجه خود را بر طراحی هر چه بهتر آرایش چالهای تونل متمرکز نمود . از آنجائیکه با دستگاه های جدید چالهای بزرگتری را می توان حفر کرد .

بدین طریق ، تعداد چالها کاهش می یابد از طرف دیگر در این صورت احتمالاً دقت دستگاه های پنوماتیکی دستی را نخواهیم داشت و چالهای بزرگتر موجب می شوند که صدمه بیشتری به سنگ های باقی مانده در دیواره های تونلها وارد شود . البته دقت لازم را می توان اخیراً با دستگاه های اتوماتیک که بازوهای آن تحت زوایای مختلف می توانند عمل کنند ، بدست آورد .

برای یک تونل قوسی با مقطع بزرگ احتیاج به روشی خاص و دقت بیشتری در اجرای مراحل آتشباری آن می باشد تا از سقوط سنگ سقف جلوگیری کرده و زمان پایداری آن را بیشتر می کند .

ضریب ایمنی تونلهای معدنی کمتر از تونلهای راه و راه آهن است زیرا عمر تونلهای معدن در مقایسه با سایر تونلها کمتر است . عمر مفید تونلهای معدنی تابع نوع استفاده از آن و هدف از حفر تونل می باشد . برخی از تونلهای معدنی مثل تونلهای شبکه بندی کارگاه استخراج کافی است عمری کمتر از یک ماه داشته باشند و بعضی دیگر مثل تونلهای باربری اصلی تا پایان عمر معدن باید دوام داشته باشند در حالی که تونلهای راه ، راه آهن ، مترو و نظایر آنها باید سالهای سال و برای چندین نسل باقی بمانند .

2- تونلهای خدماتی :

اغلب این گونه تونلها در داخل شهرها احداث و مورد استفاده قرار می گیرند ، مثل کانالهای عبور کابل برق ، تلفن ، ... ، لوله های فاضلاب ، گاز و غیره مهمترین ویژگی تونلهای فاضلاب پوشش داخلی آنهاست که باید در مقابل اسیدها و مواد خورنده فاضلاب و چربیها دوام داشته باشد .

3- تونلهای ارتباطی :

عبارتند از تونلهای راه آهن ، راه ، مترو ، پیاده روی و کشتیرانی ، تونلهای راه آهن جزو مهمترین تونلها بوده و به علت اعمال ضوابط مشکل آن ، غالباً ناچار به عبور از موانع متفاوتی هستیم مقطع عرضی آن عموماً نعل اسبی است .

4- فضاهای زیرزمینی :

الف) احداث تأسیسات زیرزمینی :

هم اکنون در کشور اسکاندیناوی بعلت وجود سنگهای سخت توجه خاصی به سازه های زیرزمینی مبذول شده است و در حال حاضر تأسیساتی از قبیل استخر شنا مجموعه های ورزشی ، گالریهای هنری ، لنگرگاههای زیرزمینی محل استقرار زیر دریائیهای اتمی و مخازن انبار نمودن گازهای طبیعی را به زیرزمین انتقال داده اند .

ب) احداث نیروگاه در زیرزمین :

از طریق کندن سنگها در مکانهای مناسب می توان در زیرزمین نیروگاه احداث کرد . هم اکنون بزرگترین نیروگاه زیرزمینی در لابرادور آمریکا با قدرت 5225 مگاوات در حال کار می باشد . سالن نیروگاه دارای طول 3/274 متر ، عرض 7/24 متر و ارتفاع 7/45 متر می باشد و در داخل سنگ گرانیت و گنیس ساخته شده است .

هر یک از چهار کشور نروژ ، سوئیس ، سوئد ، فرانسه بصورت آزمایشی یک نیروگاه اتمی خود را به زیرزمین انتقال داده اند .

به غیر از موارد فوق الذکر از تونلها و سازه های زیرزمینی استفاده های متعددی بعمل می آید از قبیل :

استفاده از تونل و سازه های زیرزمینی بعنوان پناهگاه در صورت بروز جنگ ، چنین مکانهایی دارای تسهیلاتی از قبیل مرکز تولید الکتریسیته ، توزیع آب ، بیمارستان ، انبار مواد غذایی و دارویی و غیره برای مدت محدود می باشد .

در رابطه با آلودگی محیط زیست در صورت بروز اتفاقات ناخواسته از قبیل حملات هوایی و زمین لرزه مخازن و انبارهای زیرزمینی نسبت به مخازن ذخیره بر روی سطح زمین از مزایای قابل ملاحظه برخوردار می باشند .

فصل دوم

شناخت زمین از دیدگاه تونل سازی :

جهت احداث تونل ، باید بررسی های زمین شناسی در مسیر تونل و همچنین مناطق اطراف ( متناسب با اهداف تونل ) انجام شده و به سوالات زیر پاسخ گفت :

1- شرایط و فرآیند بوجود آمدن سازنده ها

2- روند نیروهای تکتونیکی و اهمیت آنها از نظر مقداری

3- اهمیت و تراکم عوارض زمین ساختی ( گسلها ، ناپیوستگیها و ... )

4- کمیت مناطق ضعیف و زونهای خرد شده و مساله زا از دید افزایش نیروهای جانبی و بطور کلی بارگذاری .

5- وجود یا عدم آبهای معدنی اسیدی یا مضر

6- وجود یا عدم مناطق کارستی و حفره دار و نیز اثر آن ها بر عملیات اجرایی

7- وجود یا عدم سفره های آب تحت فشار

8- وجود یا عدم سنگهای فسادپذیر با درجه دگر سانی مختلف در طول اجرای عملیات

9- وجود یا عدم عوامل شیمیایی دارای اثر سوء بر روی بتن پوششی داخل .

مراحل تحقیق در طراحی یک تونل سنگی قبل از حفر آن :

1- برآوردهای مقدماتی :

در این بخش هدف از حفر تونل تعیین شده و مشخصات طرح جمع آوری می گردد ، خصوصیات تونلها بستگی به هدف استفاده از آنها دارد مثلاً تونل راه مشخصاتی مخصوص بخود داشته در حالی که تونل آب رسانی و با تونلهای ذخیره مواد باطله رادیو اکتیو دارای مشخصات خاص خود می باشد بنابراین تعیین هدف از حفرتونل و شک مورد لزوم جزو اولین اطلاعاتی است که برای طراح لازم است .

2- بررسیهای سطحی :

پس از این که منطقه وسیعی برای حفر تونل در نظر گرفته شد ، می بایست جهت تعیین بهترین نقطه شروع تونل به جمع آوری اطلاعات پرداخت در این قسمت ابتدا نقشه برداری سطحی می شود زیرا نقشه های توپوگرافی موجود عموماً در مقیاسهای مثل () موجودند . که برای کارهای عملی ، بسیار کوچک می باشد لذا بایستی در منطقه ای وسیع نقشه برداری با اشل های بزرگتر ( مثلاً تا  ) انجام داد . همزمان با این کار یکسرس گمانه های اکتشافی با فواصل زیاد و تعداد کم و بصورت پراکنده حفر خواهد شد تا علاوه بر مشخص شدن خصوصیات کلی لایه های زیرزمینی ، سطح آبهای زیرزمینی نیز تعیین شود . یکی از روشهایی که جهت تعیین خصوصیات لایه های زمین شناسی و همچنین تعیین سطح آبهای زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرد ، روش اکتشافات ژئوفیزیکی است . با داشتن نقشه کلی زمین شناسی منطقه در قسمتهائی که از خصوصیات لایه موارد مبهمی وجود دارد از این روش استفاده و اطلاعات خود را تکمیل می نمائیم .

پس از حفر گمانه ها بر روی مغزه های بدست آمده از عملیات حفاری ، آزمایشات صحرائی و آزمایشگاهی انجام شده تا بعضی خصوصیات نظیر مقاومت فشاری تک محوری یا سه محوری ، مدول یانگ و ... تعیین گردد .

3- مطالعات امکان پذیری :

در این مرحله با استفاده از نتایج مرحله قبل می توان نقشه دقیق زمین شناسی منطقه را ترسیم نموده و از روی آن مقاطع لازم را در جهات مختلف رسم کرد . سپس با استفاده از این نقشه مبادرت به طبقه بندی مهندسی سنگ نمود تا به خصوصیات و رفتار مکانیکی آن واقف شویم با استفاده از طبقه بندی مهندسی سنگ ، نوع وساول نگهداری نیز تعیین می گردد .

با داشتن طرح نگهداری و تقسیم بندی مهندسی سنگ ، طرح مقدماتی مقطع تونل داده می شود ، همزمان با این کار مناطقی که احتمال خطر و ریزش دارد نیز تعیین می شود و همچنین روشهای ممکن در امر حفاری تونل نیز پیشنهاد می شود که مورد بررسی قرار گیرند با داشتن شکل مقطع تونل و روش حفاری و مناطق مشکل آفرین ، می توان بطور مقدماتی پایداری تونل را بررسی نمود و ار آن اطمینان حاصل کرد و بعلاوه مشخص نمود که در هر منطقه مشخص ، امکان پایداری تونل موجود می باشد یا خیر .

4- طراحی دقیق برای پایداری تونل :

پس از تعیین بهترین محل برای حفر تونل ، محل مورد نظر را از نزدیک بررسی می نمائیم ، این عمل ، برای تطبیق مطالعات و نتایج ضروری می باشد .

برای طراحی دقیق ، احتیاج به اطلاعات دقیق می باشد ، لذا در این قسمت به تکمیل اطلاعات پرداخته و همزمان پنج عمل انجام می شود .

الف : آزمایشهای آب زیرزمینی : شامل تعیین دقیق سطح آب ، نوع آب ، فشار و جریان و دبی آب ، تعیین ضریب نفوذ پذیری سنگها و خاکهای منطقه و مطالعه روی شیمی آب .

ب : حفاری اکتشافی دقیق : برای آگاهی دقیق از خصوصیات فیزیکی و مکانیکی سنگهای منطقه احتیاج به تعداد بسیار بیشتری گمانه های اکتشافی می باشد .

ج : حفر تونلهای اکتشافی نیز برای شناخت خصوصیات سنگها لازم است .

د : با در دست داشتن اطلاعات جدید از عملیات انجام شده ، نقشه دقیق زمین شناسی در مسیر حفر تونل مشخص می گردد که این نقشه مرجع هر کونه طراحی و مطالعات بعدی خواهد شد .

ه : لزوم اطلاع از تنشهای محلی نیز کاملاً روشن است زیرا برای تعیین فشارهای وارد بر تونل بایستی از فشار محلی زمین اطلاع کافی داشته باشیم تعیین این فشار کاری دقیق و پرهزینه است .

5- طراحی وسایل نکهداری :

با ذاشتن بهترین روش طراحی تونل و همچنین در دست داشتن تقسیم بندی مهندسی سنگ در طول مسیر تونل با روشهای مختلفی می توان وسایل نگهداری لازم را در امر پایدار سازی دائم تونل را پیشنهاد و طراحی نمود ، بدین ترتیب مراحل مختلف طراحی تونل به اتمام رسیده و عملیات اجرائی آغاز خواهد شد .

فصل سوم

حفر تونل در سنگ سخت :

برای حفر تونل در سنگهای سخت از روش چالزنی و آتشکاری با مواد منفجره استفاده می شود . عوامل موثر در این عملیات بشرح زیر هستند .

1- آرایش چالهای انفجار ( نقشه انفجار )

2- حفر جال

3- خرج گذاری

4- انفجار

1- آرایش چال ها :

الگوی مناسب چالهای انفجار ( آرایش چالها ) در حفاری سنگهای سخت معمولاً به ابعاد مقطع بستگی دارد ، چالها در مرکز مقطع بشکل گوه ای ( v ) یا موازی و در اطراف محیط تونل بطور موازی حفر می گردند . چاشنی های الکتریکی با تاخیر کم در هسته مرکزی و چاشنی های با تاخیر زیاد در اطراف محیط قرار می گیرند و بدین وسیله عمل تخریب به مقطع مورد نظر محدود می گیرد .

نقشه انفجار در تونلها بستگی به ابعاد تونل ، مقاومت سنگها ، ضخامت فشنگهای مواد منفجره ، قدرت مواد منفجره و عواملی نظیر آنها دارد .

آرایش چال ها عملاً آنها را به چند گروه تقسیم می کند   

بخش مرکزی یا برش کگه مهمترین نقش را در عمل کرد سایر چالها و پیشروی تونل دارد .

بخش پیشروی که افقی هستند و سطح آزاد طرف راست یا چپ آنها قرار دارد .

بخش پیشروی که سطح آزاد در پائین چال قرار دارد .

بخش دیوار و کف تونل سقف تونل

بخش

نظر به اینکه دستگاه حفاری اجاره نمی دهد که چالهای کف ، کناری و سقف درست از منتهی الیه تونل شروع شود ، نقطه شروع حفر این چالها کمی از جدار تونل فاصله دارد و برای ذاینکه سطح تونل هر بار تنگتر نشود چالها را موازی محور تونل حفر نمی کنند بلکه راستای چال مختصری به طرف اطراف جدار منحرف می شود مقدار این انحراف تابه نوع دستگاه چال زنی و برابر 3 تا 12 سانتیمتر در هر نوبت چال زنی می باشد ،

زاویه ای را که بین راستای چال های کناری و محور تونل وجود دارد زاویه انحراف چال های کناری می نامیم و مقدار آن بطور متوسط 3 درجه می باشد . باید توجه داشت که در سینه کار تونل ها فقط یک سطح آزاد وجود دارد و آن هم سطح مقطع تونل می باشد . بدلیل وجود تنها سطح آزاد نباید انتظار راندمان مطلوب از کارکرد مواد منفجره داشت . لذا میزان پیشروی تونل بسیار کم خواهد بود اما در عمل برای ازدیاد پیشروی تونل و کارکرد مناسب و معقول مواد منفجره  وضعیت قرار گرفتن چالها ، امتداد ، طول و نوبت انفجار آنها بنحوی است که انفجار هر گروه از چالها یا حتی انفجار یک چال موجب تشکیل سطح آزاد برای

چال یا چال های بعدی می شود .