دانلود مقاله تونل سازی و انواع آن

آشنایی

در تعاریف قدیمی تونل به عنوان یک راهرو طویل زیر زمینی تعریف شده است، تعاریف دیگر تونل به شرح زیر است:

راهرو زیر زمینی افقی که از هر دو طرف به هوای آزاد مرتبط است، به طور کلی مقصود از تونل، کلیه راهروهای زیرزمینی است که برای استخراج مواد معدنی، رفت و آمد اتوموبیلها، حرکت قطارها، انتقال لوله و کابل و نیز انتقال آب، احداث می‌شود.

1-2- 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، آبکشی، روشنایی و نظایر آن

و: نگهداری دائم تونل

اگر تمام شرایط مناسب باشد، تونل سازی کار آسانی است اما سوابق کار نشانگر آن است که در بسیاری موارد به علت شرایط ویژه، احداث تونل با مشکلات مهمی روبرو شده و حتی در بعضی موارد حفر تونل متوقف شده است.

1-3- طبقه بندی تونلها

به طور کلی تونلها را می‌توان به سه دسته تونلهای حمل و نقل، تونلهای صنعتی و تونلهای معدنی تقسیم کرد: 

1-3-1- تونلهای حمل و نقل

این تونلها به قصد رفتن و آمد افراد و حمل مواد احداث شده و خود به گروههای زیر تقسیم می‌شوند:

الف: تونلهای راه آهن

ب: تونلهای راه

ج: تونلهای پیاده رو

د: تونلهای ناوبری

ه: تونلهای مترو

1-3-2- تونلهای صنعتی

این تونلها به منظور انتقال مواد و تاسیسات احداث می‌شوند و گروه تونلهای زیر را دربرمی‌گیرند:

الف: تونلهای مربوط به نیروگاههای آبی

ب: تونلهای انتقال آب

ج: تونلهای استفاده همگانی و پناهگاهها

د: تونلهای فاضلاب

ه: تونلهای طرحهای صنعتی

و: تونلهای انبارهای نظامی

ز: تونلهای دفن زباله‌های اتمی 

1-3-3- تونلهای معدنی

این تونلها که به منظور احداث شبکه معادن حفر می‌شوند شامل تونلهای زیر هستند:

الف: تونلهای گشایشی معدن

ب: تونلهای اکتشافی

ج: تونلهای استخراجی

د: تونلهای خدماتی

ه: تونلهای زهکشی

1-4- تاریخچه تونل سازی

قدیمی‌ترین تونل شناخته شده در حدود 4000 سال پیش در بین النهرین حفر شده، این تونل به طول km 1 و ابعاد 5/4* 6/3 متر از زیر رود فرات می‌گذشت و قصر پادشاهی بابل را به معبد اختصاصی متصل می‌‌ساخت. در سال 525 قبل از میلاد، پیکرات، برای تهیه آب تونلی احداث کرد که هردوت مورخ یونانی 60 سال پس از اتمام آنرا در ردیف یکی از سه ساختمان بزرگ یونان به شمار آورد. در ایران 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 می‌رسد. تعداد قناتهای ایران بالغ بر 50000 رشته برآورد شده است. به جرات می‌توان گفت که ایرانیان قدیم، پیشرو حفر تونلهای انتقال آب یا قنات بوده‌اند و در این زمینه تجربیات گرانقدری داشته‌اند که حاصل آنها، حفر قناتهای متعدد و طویل و عمیق است. نکته جالب آن است که این تونلها، با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده‌اند. با اختراع باروت و سایر مواد منفجره، حفر تونل در سنگهای نسبتا سخت هم ممکن شد و سرعت حفاری نیز افزایش یافت.

1-5- تونل سازی در زمان حاضر

پیشرفت و تکامل صنعت تونل سازی عمدتا به پیشرفتهایی است که در زمینه حفاری صورت گرفته است. البته ابداعاتی که در زمینه نگهداری و تحکیم مواد سنگی صورت گرفته است نیز در این زمینه نقش مهمی دارند.

1-5-1- تونل سازی با استفاده از سپر

شاید‌بتوان گفت که استفاده‌از سپر‌محافظ برای‌حفر تونلها، یکی از‌مهمترین پیشرفتهای اخیر صنعت تونل سازی است، وجود سپر محافظ به عنوان یک حریم ایمنی، در حفر تونل در زمینهای نرم، به ویژه تونلهای زیر آبی، بسیار موثر است. استفاده از سپر، دو‌امتیاز عمده را در پی دارد، نخست، تامین شرایط ایمنی در زمینهای سس و ضعیف و دیگر کاهش و یا حذف سیستم نگهداری موقت چوبی در جبهه کار تونل. 

1-5-2- تونل سازی با استفاده از هوای فشرده

در مورد حفر تونلهای زیر آبی، استفاده از سیستم هوای فشرده به واقع انقلابی را در این زمینه وجود آورد. با افزایش فشار هوا در داخل تونل به گونه‌ای که از ارتفاع نظر فشار آبهای ورودی بیشتر شود، می‌توان از ورود آنها به داخل تونل جلوگیری کرد و بدین ترتیب عملیات تونل سازی را در محیطی تقریبا خشک، انجام داد. البته افزایش فشار هوا در داخل تونل به حدود 4/2 تا 7/2 بار محدود است زیرا افراد قادرند بدون مشکلات جدی، این‌فشار را تحمل کنند. این فشار معادل 24 تا 27 متر ارتفاع آب است. یک محدودیت دیگر در اجرای این روش، وجود لایه‌های شنی آبدار یا مواد مشابه دیگر است که طی آن در اثر نشست هوا به داخل خلل و فرج این لایه‌ها، فشار موثر هوا در حد قابل توجهی کاهش می‌یابد.

1-5-3- تونل سازی با استفاده از ماشینهای تونل کنی

امروزه ماشینهای تونل کنی متعددی ابداع شده که قادر است بخشی از مقطع تونل یا تمام آنرا به طور یکجا، حفر کند و در عین حال، مواد حفر شده را به بیرون تونل منتقل سازد. با استفاده از این ماشینها، سرعت حفر تونلها در حد قابل توجهی افزایش یافته است. بعضی از این ماشینها، سیستم نگهداری دائم تونل را نیز نصب می‌کنند و با استفاده از آنها، ساختمان تونل در مدت کوتاهی خاتمه می‌یابد.

مبانی طراحی سیستم نگهداری تونلها

در واقع پس از آنکه براساس تحلیل پایداری، مشخص شد که تونل نیاز به نصب سیستم نگهداری دارد، مرحله طراحی سیستم نگهداری آغاز می‌شود. پس از طراحی سیستم نگهداری و انتخاب سیستم مناسب، با اجرای سیستم نگهداری، پایداری تونل تامین خواهد شد.

در بعضی موارد، دو مفهوم نگهداری (supporting) و تقویت (reinforcement) را دو مقوله‌جدا در‌نظر می‌گیرند. در‌این سیستم‌نامگذاری، نگهداری به فرآیندی گفته می‌شود که طی آن، با نصب سیستمهایی مانند چوب، قابهای فلزی و بتنی و یا دیوار سازی، از حرکت سنگهای اطراف تونل جلوگیری شده و نیز وزن قطعات سست که امکان سقوط‌دارند، به‌وسیله این سیستم تحمل می‌شود. اما مقصود از تقویت، فرآیندی است که به کمک آن‌سنگ به‌حالت خود‌نگهدار در می‌آید. بدین ترتیب استفاده از سیستمهایی همچون پیچ سنگ، کابل مهاری و تزریق، در این گروه جای می‌گیرند. اما، در این بحث نگهداری را به معنی عام به کار می‌بریم و هر دو سیستم یاد شده را تحت عنوان نگهداری مورد بررسی قرار می‌دهیم.

- انواع سیستمهای نگهداری

سیستمهای نگهداری را از نظرهای مختلف تقسیم بندی می‌کنند:

1. سیستمهای نگهداری موقت (temporary) و دائم (permanent)

2. سیستمهای نگهداری فعال (active) و غیر فعال (pssive)

3. سیستمهای نگهداری اولیه و ثانویه

4. سیستمهای نگهداری رسمی و غیر رسمی

5. سیستمهای نگهداری افزایش

امروزه از تقسیم بندی نوع سوم استفاده می‌شود. سیستم نگهداری اولیه، به منظور تامین محیط کار و همچنین شروع فرآیند فعال سازی و حفظ مقاومت توده سنگ نصب می‌شود. این‌سیستم نگهداری ممکن است تمام یا قسمتی از کل سیستم نگهداری لازم‌را تشکیل دهد. هرگونه‌سیستم نگهداری که پس‌از این مرحله نصب شود، نگهداری ثانویه نامیده می‌شود. نگهداری ثانویه وظایف و نقش خاصی را بعهده دارد و مکمل نقش نگهداری اولیه است. در بسیاری از تونلها سطح داخلی تونل باید صاف و هموار باشد. مثلا‌در تونلهای‌راه ممکن است‌محافظهای ضد‌فرسایش و‌خوردگی‌برای نگهداری اولیه و آستر بندی نهایی مورد نیاز باشد که تمامی این اهداف با سیستم نگهداری ثانویه تامین می‌شود. 

- روشهای طراحی سیستمهای نگهداری

روشهای طراحی سیستم نگهداری تونلها به سه دسته روشهای تحلیلی (analotical)، مشاهده‌ای (observational) و تجربی (empirical) تقسیم بندی می‌شود.

1. روشهای تحلیلی

در این روشها، وضعیت تنش و تغییر شکل در اطراف تونل تحلیل می‌شود که شامل راه حل‌های فرم بسته، روشهای عددی، پیشه سازی (الکتریکی و فوتوالاستیسیته) و مدل سازی فیزیکی است.

2. روشهای مشاهده‌ای

این روشها براساس اندازه گیری واقعی حرکات زمین به هنگام حفاری و تحلیل اندر کنش زمین- سیستم نگهداری، بنا شده‌اند که به کمک آنها می‌توان ناپایداری‌ها را شخصی ساخت. این روشها شامل تونل سازی اتریشی جدید (New Austriam Tunneling Method N.A.T.M) و محدوده سازی تقارب هستند. این روشها در عین حال تنها روشهای مقایسه نتایج واقعی با نتایجی است که به وسیله روشهای دیگر، پیش بینی شده است. در پروژه تونل سازی مورد نظر از روشی N.A.T.M استفاده شده است که به طبع روش طراحی سیستم نگهداری آن نیز به روش مشاهده‌ای بوده است.

3. روشهای تجربی

این روشها براساس تجزیه و تحلیل آماری پایداری حفریات زیر زمینی که در نقاط مختلف احداث شده، بنا شده است. روشهای طبقه بندی مهندسی سنگها از جمله شاخص‌ترین شیوه‌های تجربی بررسی پایداری تونلها به شمار می‌آید. 

- عوامل و معیارهای موثر در طراحی

در طراحی سیستم نگهداری تونلها، عوامل و معیارهای مختلفی را باید در نظر داشت. از‌جمله مهمترین‌معیارها می‌توان به عمر کاری تونل، ایمنی عملیاتی، حدود مجاز ابعاد، هزینه‌های احداث و نگهداری، پرداخت نهایی سطح تونل و نشست آب اشاره کرد.  

1. عمر کاری تونل

یکی از مهمترین این عوامل عمر کاری تونل می‌باشد. عمر کاری تونلهایی که برای معدنکاری، انتقال آب، مقاصد نظامی، راه و راه آهن احداث می‌شوند. در مقیاس قابل توجهی با هم متفاوت است. معمولا عمر کاری این تونلها را مدت زمان حداکثری در نظر می‌گیرند که از نظر فنی و اقتصادی امکان پذیر باشد.

مهمترین‌تفاوتی که در‌طراحی تونل های کوتاه مدت‌و بلند‌مدت وجود‌دارد، میزان حفاظت ساختمان و سیستم نگهداری تونل در مقابل خوردگی و فاسد شدگی است. در مورد تونلهای با عمر کاری طولانی آستر بتنی (Lining) باید به گونه‌ای طراحی شود که در مقابل دو عامل یاد شده، مدتها پایدار بماند. اگر تونل از درون خاک و سنگی عبور می‌کند که حاوی مواد سولفاته‌اند، سیمان مورد مصرف باید از نوع V و یا ترکیبی از نوع II و نوعی خاکستر آتش نشان باشد تا مقاومت بتن‌های مکرر قرار می‌گیرد، این نکته نیز باید در انتخاب مصالح نگهداری مد نظر قرار گیرد. اگر آبهای ورودی به تونل‌خاصیت خورندگی داشته‌باشند، این امر نیز از جمله نکات مهم در انتخاب مصالح سیستم نگهداری است.