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.

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.

مهمترین‌تفاوتی که در‌طراحی تونلهای کوتاه مدت‌و بلند‌مدت وجود‌دارد، میزان حفاظت ساختمان و سیستم نگهداری تونل در مقابل خوردگی و فاسد شدگی است.

ایمنی عملیاتی: ایمنی عملیاتی نیز از دو جنبه، یکی ایمنی افراد اعم از کسانی که عملیات اجرائی تونل را به عهده دارند و دیگری ایمنی تاسیسات و تجهیزات موجود، مدنظر است.

ایمنی تونلهای راه و راه آهن در مقایسه با تونلهای صنعتی از این نظر مهم است که علاوه بر افراد مسئول تونل، افراد عادی نیز از آن استفاده می‌کنند.

در تونلهای مترو پیش بینی پیاده رو الزامی است تا در مواقع اضطراری، بتوان به کمک افراد و تجهیزات شتافت.

بدین ترتیب، پیش بینی فضای پیاده رو نقش مهمی در طراحی ابعاد تونل و در نتیجه نگهداری آن دارد.

حدود مجاز ابعاد ابعاد تونل باید کمی بیش از ابعاد طراحی در نظر گرفته شود تا فضای کافی برای پرداخت نهایی تونل وجود داشته باشد.

به عنوان مثال: در مورد تونلهای راه آهن و مترو محدودیتهایی از نقطه نظر شیب و انحراف تونل وجود دارد که این محدودیتها به ابعاد لوکوموتیو و قطارها، اصطکاک چرخها و ضروریات ارتباطی وابسته است.

در واقع ابعاد تونل با توجه به وضعیت قرار گیری قطار در موقعیتهای مختلف تونل، طراحی می‌شود.

4.

هزینه‌های عملیاتی و نگهداری در یک طراحی خوب، هزینه‌های نگهداری پایین است، باید توجه داشت که در بعضی از شرایط، کاهش هزینه‌های عملیاتی و نگهداری، مستلزم افزایش هزینه‌های سرمایه گذاری اولیه است.

بنابراین هر دو گروه هزینه‌های یاد شده، باید هم زمان با هم به تجهیزات ساختمانی در موارد اضطراری، از جمله دیگر مسائلی است که باید در نظر گرفته شود/ 5.

پرداخت نهایی سطح تونل در تونلهای راه پیش بینی سطح صاف و روشن برای دیوار سازی نهایی تونل، سبب بهبود سیستم روشنایی تونل می‌شود.

6.

نشت آب نشت آب ممکن است باعث بروز مشکلاتی از جمله فاسد شدن تجهیزات ساختاری، مسایل ایمنی، خسارات معماری و تحمل هزینه‌های آبکشی شود.

حد مجاز نشت آب را باید با توجه به تمام مسایل و از آن جمله روشها و محدودیتهای کنترل نشت آب انتخاب کرد.

واضح است که هیچگاه نمی‌توان سیستم نگهداری تونل را به گونه‌ای اجرا کرد که هیچگونه نشتی نداشته باشد.

حتی در مورد تونلهای زیر دریایی نیز برای آن، حد مجازی (مثلا چند قطره در ساعت) در نظر می‌گیرند.

- اجرای سیستم نگهداری اجرای سیستم‌های نگهداری با استفاده از روشها و ابزار مختلفی انجام می‌شود که عبارتند از: چوب تبست، قابهای فلزی، پیچ سنگ، کابلهای مهاری، شاتکریت و نگهداری با بتن.

بدلیل استفاده از شاتکریت و نگهداری با بتن در انجام پروژه مورد نظر، به تفضیل درباره این دو روش خواهیم پرداخت.

شاتکریت شاتکریت را می‌توان به عنوان بتن یا ملاتی که از طریق شیلنگ‌های لاستیکی حمل شده و با استفاده از هوای فشرده با سرعت زیاد به سطح مورد نظر پاشیده می‌شود، تعریف کرد.

اولین کاربرد شاتکریت به سال 1909 میلادی برمی‌گردد که در آن زمان تحت عنوان گونیت (gunite) نامیده می‌شد و به کمک دستگاهی موسوم به تفنگ سیمان‌به کار می‌رفت.

در سال 1914 برای اولین بار شاتکریت در یک معدن آزمایشی در‌ایالات متحده آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.

پس از آن، این سیستم برای پوشش سطوح سنگها و حفاظت آنها در برابر هوازدگی و گاه نیز به عنوان سیستم نگهداری موقتی به کار می‌رفت.

از آنجا که شاتکریت به صورت ورقه‌هایی از سنگ زیرین جدا می‌شد، لذا به عنوان یک سیستم نگهداری اصلی چندان مورد توجه واقع نشد.

از جمله امتیازات شاتکریت آن است که سطوح ناهموار حفریات زیرزمینی را می‌پوشاند و به شکل یک سطح نسبتا صاف درمی‌آورد.

پس‌از جنگ‌جهانی دوم‌و رواج‌احداث حفریات وسیع‌زیرزمینی و‌از آن‌جمله نیروگاههای برقابی زیرزمینی، کاربرد شاتکریت گسترش‌یافت.

بعدها، استفاده از مواد افزونی مثل شتاب دهنده‌ها، باعث شد که بتوان شاتکریت را در محیطهای مرطوب نیز با موفقیت به کار برد.

به‌دنبال پیشرفتهایی که در فناوری شاتکریت انجام‌گرفت، کاربرد آن به عنوان سیستم نگهداری حفریات زیرزمینی و به ویژه تونلها گسترش بیشتری یافت و از استفاده از آن‌در شیوه‌تونل سازی‌اطریشی جدید‌(در پروژه‌مورد نظر استفاده شده است) اجباری است.

- انواع شاتکریت به طوری که در بحث قبل اشاره شد، شاتکریب نوعی بتن مرکب از سیمان، ماسه و خرده سنگ است که به کمک هوای فشرده اجرا شده و در اثر سرعت زیاد به صورت دینامیکی فشرده می‌شود.

بسته به مواد اولیه و نحوه اجرا، شاتکریت را به انواع شاتکریت خشک، شاتکریت تر، شاتکریت میکرو سیلیس، شاتکریت با الیاف فولادی و شاتکریت با تور فلزی تقسیم بندی می‌شود.

بدلیل استفاده از شاتکریت با تور فلزی در پروژه خط 2 قطار شهری کرج به توضیح این نوع خواهیم پرداخت.

- شاتکریت با تور فلزی اگرچه کاربرد شاتکریتهای مجهز به الیافت فولادی در حفریات زیرزمینی عمرانی و معدنی کاربرد وسیعی یافته است اما استفاده از شاتکریت همراه با تور فلزی نیز هنوز در بسیاری موارد، رایج است.

در مورد سنگهای ضعیف و سست که چسبندگی شاتکریت به سطح سنگ ضعیف است، استفاده از توری فلزی، حتی بدون شاتکریت نیز باعث نفوذ تقویت توده سنگ در‌حد قابل توجهی می‌شود.

بنابراین در مورد سنگهای سست، اجرای شاتکریت همراه با تور‌فلزی، روش، بسیار‌موثری به شمار می‌آید.

اگرچه در بعضی موارد از توریهای فلزی بافته شده استفاده می‌شود، اما این توریها همراه با شاتکریت چندان مناسب نیستند زیرا نفوذ شاتکریت به داخل دهانه‌های ریز آن شکل است.

در این موارد بهتر است از توری‌های جوش داده شده استفاده شود.

ظرفیت بار پذیری شاتکریت همراه با توری فلزی و شاتکریتهای مجهز به الیاف فولادی، چندان تفاوتی ندارند اما انواع مجهز به توری فلزی، در آزمایش خمش چه در بار نقطه‌ای و چه در حالت بار گسترده، رفتار عالی از خود نشان خواهد داد.

- اجزای شاتکریت 1.

خرده سنگ (aggregate) خرده سنگ مصرفی در شاتکریت باید استاندارد باشد (معمولا استاندارد ASTM).

ابعاد این قطعات باید مطابق رده بندی از پیش تعیین شده باشد تا هدفهای موردنظر یعنی درجه تراکم، جرم مخصوص، نفوذ ناپذیری و مقاومت فشاری لازم حاصل شود و بر جهندگی نیز به حداقل برسد.

اگرچه خرده سنگی که از طریق سنگ شکن حاصل می‌شود.

ابعاد یکدست‌تر و گوشه‌های تیزتری دارد که این امر موجب چسبندگی و تراکم بهتر است اما به علت آنکه شن و ماسه طبیعی به طور طبیعی گرد شدگی دارند لذا قابلیت پمپاژ آنها بهتر است و به همین جهت، در بسیاری موارد از این نوع مصالح استفاده می‌شود.

خرده سنگهای مصرفی باید فاقد موادی همچون سیلت، رس، میکا و مواد آلی باشند.

توصیه شده است که ابعاد بزرگترین ذرات خرده سنگ، نباید از قطر لوله‌ها و شیلنگهای انتقال، در باریکترین قسمتها‌تجاوز کند و بنابراین بزرگترین ابعاد این ذرات به حدود 19 میلیمتر محدود است.

سیمان برای تهیه شاتکریت از هر سه تیپ سیمان پرتلند I، II، III می‌توان استفاده کرد.

معمولا نوع سیمان به گونه‌ای انتخاب می‌شود که با شتاب دهنده‌ها، هماهنگی داشته باشد، تا زمان گرش بهینه، حاصل شود.

بدین منظور، قبلا باید هماهنگی این دو جز، آزمایش شود.

در مواردی که احتمال هجوم آبهای اسیدی می‌رود، باید از سیمان‌های مقاوم در برابر سولفات، استفاده کرد.

درصد‌سیمان به گونه‌ای انتخاب می‌شود که شاتکریت حاصله، مقاومت لازم را داشته باشد.

البته نوع و ابعاد خرده سنگها نیز در تعیین میزان سیمان مصرفی، موثر است.

از سوی دیگر، اگر میزان سیمان مصرفی بالا باشد، علاوه بر هزینه زیادتر، انقباض بیشتر و ایجاد ترکها را در پی دارد.

اگر از سیمان ویژه استفاده شود، دیگر نیازی به استفاده از شتاب دهنده‌ها نخواهد بود زیرا این نوع سیمان، در همان ساعات اولیه، مقاومت خوبی را به دست می‌آورد.

آب آبی که برای تهیه شاتکریت مصرف می‌شود، باید همان استانداردها و مشخصات آب مصرفی در بتن را داشته باشد.

این آب باید تمیز و فاقد مواد زائد مثل مواد نفتی، چربی‌ها، نمکها، مواد قلیایی و مواد آلی باشد.

به طور ساده می‌توان گفت که آب مورد مصرف در شاتکریت باید تقریبا همان ویژگیهای آب آشامیدنی را داشته باشد.

نسبت آب به سیمان نسبت آب به سیمان در مقاومت شاتکریت و بتن نقش بسیار مهمی دارد.

در هر مورد باید این نسبت را به گونه‌ای انتخاب کرد که هم از نظر اجرا و از نظر مقاومت، بهینه باشد.

در شکل زیر نقش این نسبت در مقاومت فشاری و آهنگ بر جهندگی شاتکریت نشان داده شده است.

نسبت بهینه آب به سیمان در مورد شاتکریتهای خشک وتر به ترتیب 3/0 تا 5/0 و 4/0 تا 6/0 توصیه شده است.

5.

شتاب دهنده‌ها در مواردی که دستیابی به مقاومت اولیه شاترکیت مورد نظر باشد، موادی به مخلوط شاتکریت اضافه می‌کنند که سبب می‌شود شاتکریت به سرعت سخت شود.

این مواد سبب بهتر شدن وضعیت پخش شاتکریت و جلوگیری از هدر رفتن آن نیز می‌شود.

از جمله شتاب دهنده‌ها متداول در بتن، می‌توان از کلرید کلسیم نام برد.

اگر چه از این حجم گاه در شاتکریت نیز استفاده می‌شود اما به علت آنکه مقاومت نهایی شاتکریت را کاهش می‌دهد، لذا چندان استفاده از آن توصیه نمی‌شود.

بعضی از شتاب دهنده‌هایی که در شاتکریت استفاده می‌شوند، شامل کربنات سدیم، آلومینات سدیم و هیدرکسید کلسیم هستند که در هر مورد باید مقدار مناسبی از آنها را طبق توصیه کارخانه سازنده، به مخلوط شاتکریت اضافه کرد.

این مقدار تقریبا 2 تا 6 درصد وزن سیمان مصرفی است.

بدیهی است حتی المقدور باید مقدار مصرف این‌مواد را کمتر در‌نظر گرفت.

معمولا شتاب دهنده را برای اجرای شاتکریت در سقف و قسمتهای بالایی دیواره حفریات زیر زمینی به کار می‌برند.

در قسمتهای کف و یا جاهایی که ضخامت شاتکریت کم باشد و یا در مواردی که شاتکریت بر روی سنگ خشک و تمیز اجرا می‌شود، نیازی به این مواد نیست.

از سوی دیگر در مواردی که هجوم آب به داخل تونل زیاد باشد، استفاده از شتاب دهنده‌ها اجباری است.

یکی از ویژگیهای دیگر شتاب دهنده‌ها آن است که با استفاده از آنها، می‌توان در هر نوبت لایه‌های ضخیم‌تری از شاتکریت را اجرا کرد.

همچنین مدت کوتاهی پس از اجرای شاتکریت در قسمت حفاری شده تونل (حدود دو ساعت) می‌توان پیشروی تونل را ادامه داد.

از آنجا که ممکن است بعضی از شتاب دهنده‌ها با نوع سیمان مصرفی سازگاری نداشته باشند، لذا قبل از استفاده از آنها باید مخلوط را در آزمایشگاه بررسی کرد.

بدیهی است از آنجا که نسبت آب به سیمان نیز در رفتار شاتکریت نقش مهمی دارد لذا به هنگام آزمایش سازگاری سیمان و شتاب دهنده‌های مختلف، این نسبت باید ثابت و در حد 35/0 باشد.

با استفاده از شتاب دهنده‌ها، گیرش اولیه سیمان پس از 3 دقیقه و گیرش نهایی پس از 12 دقیقه حاصل می‌شود و با این ترکیب، شاتکریتهای متعددی با موفقیت اجرا شده است.

- ترکیب شاتکریت اگرچه ترکیب مناسب اجزای شاتکریت، در مورد هر پروژه باید به عنوان یک مسئله جدید بررسی و بهترین ترکیب انتخاب شود اما ترکیب وزنی متوسط شاتکریتهای معمولی را می‌توان به شرح زیر در نظر گرفت: سیمان: 15 تا 20 درصد خره سنگ دانه درشت: 30 تا 40 درصد خرده سنگ دانه ریز یا ماسه: 40 تا 50 درصد نسبت آب به سیمان 3/0 تا 6/0 واضح‌است که مشخصات شاتکریت با ترکیبهای مختلف، متفاوت‌است.

این مشخصات شامل مقاومتهای فشاری، چسبندگی، خمشی، کششی و مدول الاستیسیته است که از بین آنها مقاومت فشار شی و مدول الاستیسیته اهمیت بیشتری دارند.

مقاوم فشار شی شاتکریتهای مختلف در جدول زیر آمده است.

مدول الاستیسیته شاتکریت نیز تا حد زیادی به مقاومت فشار شی آن وابسته است.

- مقاومت شاتکریت مقاومت شاتکریت، در واقع مقاومت بتن با همان ترکیب است که برای تعیین آن باید از آزمون فشارش کمک گرفت.

از آنجا که در مورد شاتکریتهای اجرا شده، آزمونهای استاندارد وجود ندارد لذا بیان کمی مقاومت شاتکریت، چندان ساده نیست.

البته این امکان وجود دارد که قطعات مکعب شکل و یا مغزه‌هایی از شاتکریت اجرا شده را تهیه کرد و تحت آزمون قرار داد اما در مورد شیوه انجام این آزمایشها، استانداردی موجود‌نیست.

در کشورهای اروپایی، انجام‌آزمایش بر روی پهنه‌های بزرگ شاتکریت اجرا شده توصیه شده است.

در مقایسه با بتن، شاتکریت مصالحی با کیفیت متغیر است.

بعضی از عوامل موثر در مقاومت فشارشی شاتکریت به شرح زیر است: الف- شاتکریت در واقع نوعی بتن شل به حساب می‌آید که در اثر ضربه متراکم می‌شود.

بنابراین‌برای آنکه بدون جاری شدن در جای خود باقی بماند، باید به سرعت سخت‌شود.

سرعت سخت شدن لازم، به عوامل همچون وضعیت سطحی که شاتکریت بر روی آن اجرا می‌شود، ضخامت شاتکریت، نسبت آب به سیمان و جریان آبهای زیر زمینی بستگی دارد.

ب- به‌منظور دستیابی به‌سرعت گیرش و سخت شدن لازم، از شتاب دهنده‌ها استفاده می‌کنند اگرچه افزودن شتاب دهنده‌ها سرعت سخت شدن را افزایش می‌دهد اما در عین حال سبب کاهش مقاومت فشارشی نهایی شاتکریت (28 روزه) تا حد 20 الی 30 درصد می‌شود.

ج- کاهش مقاومت 28 روزه‌ناشی از‌به کارگیری شتاب دهنده‌ها، به چند عامل از جمله میزان مصرف این مواد و سازگاری آنها با سیمان، بستگی دارد.

میزان مصرف بهینه مواد‌نیز خود‌به عواملی‌همچون واکنش پذیری‌سیمان در اثر دما، فعالیت مواد افزودنی، گسترش‌پیش هیدراسیون که به‌هنگام افزودن‌سیمان به‌مخلوط خرده سنگهای مرطوب اتفاق می‌افتد، کامل بودن مخلوط و وضعیت محل اجرا، وابسته است.

د- در‌مواردی که شاتکریت در‌سقف اجرا می‌شود، نسبت به حالت دیواره‌ها که سطوح قائم دارند، مواد شتاب‌دهنده بیشتری مورد نیاز است.

اضافه شدن مواد شتاب دهنده، زمان گیرش را کاهش می‌دهد و ریزش آن از سطح را کمتر می‌کند.

- کنترل کیفیت شاتکریت سازمان بازسازی ایالت متحده امریکا، به موازات استاندارد WMATA، دستورالعمل ویژه‌ای برای کنترل کیفیت شاتکریت ارائه کرده که این‌دستورالعمل براساس تجربیات این سازمان در چندین تونل مختلف، به دست آمده است.

مطابق این دستورالعمل، باید مغزه‌هایی به قطر 4/5 سانتی‌متر و یا مکعب‌هایی به ضلع 10 سانتی متر از شاتکریت اجرا شده تهیه و مورد آزمایش قرار گیرد.

انستیتو بتن ایالات متحده امریکا (ACI) در استاندارد شماره ACI 150.2-77 خود توصیه کرده است که قبل از اجرای شاتکریت، مغزه‌هایی به قطر 5/7 سانتی‌متر و یا مکعب‌هایی به ضلع 5/7 سانتی‌متر از شاتکریت آزمایشی، مورد بررسی قرار گیرد.

این مغزه‌ها و یا مکعب‌ها را از شاتکریتی که به طور آزمایشی بر روی یک پهنه اجرا شده است تهیه می‌کنند.

در آزمایش یاد شده ضرایبی پیشنهاد شده است که به کمک آن می‌توان نتایج حاصل از آزمایش مغزه و مکعب را به هم تبدیل کرد.

- نحوه اجرای شاتکریت کیفیت شاتکریت اجرا شده، به نحوه و مراحل اجرای آن بستگی دارد.

در زیر مراحل مختلف تهیه و اجرای شاتکریت را شرح می‌دهیم.

آماده سازی و مخلوط کردن طبق استانداردهای موجود، رطوبت محتوای مجموعه خرده سنگهای ریز و درشت، قبل از مخلوط سازی آنها با سیمان، نباید از 3 تا 6 درصد تجاوز کند.

تنظیم بودن میزان رطوبت، باعث بی نظمی شاتکریت تهیه می‌شود و در نتیجه بر کیفیت آن تاثیر می‌گذارد.

با توجه به اینکه ذرات سنگ به طور طبیعی تمایل به زهکشی دارند لذا باید از این خاصیت، برای کنترل رطوبت آنها استفاده کرد.

بخش عمده رطوبت اولیه، به ماسه مربوط می‌شود زیرا زهکشی آنها کندتر از ذرات درشت است.

از سوی دیگر اگر ماسه مصرفی کاملا خشک باشد، ابتدا باید آن را تا حد 8 درصد مرطوب و با ذرات خرد سنگ مخلوط کرد و نیز قبل از اضافه کردن سیمان، میزان رطوبت مخلوط آن دو را مورد کنترل قرار داد.

اگر میزان رطوبت مخلوط بیش از حد مجاز باشد، در آن صورت امکان گیر کردن مخلوط در خط تولید و نیز افزایش آهنگ سخت‌شدن در‌حد غیر‌مجاز، وجود‌دارد.

از‌سوی دیگر، خشک بودن‌بیش از حد مخلوط نیز مشکلاتی را به هنگام تهیه شاتکریت در دهانه خروجی شیلنگ، در پی دارد و در عین حال گرد و غبار زیادی به پا می‌کند و تراکم شاتکریت را با مشکل مواجه می‌سازد.

آماده سازی سطح قبل از اجرای شاتکریت، باید سطح مورد اجرا را آماده کرد.

این سطح نباید خشک، کثیف، گرد و خاکی و یا یخ زده باشد.

بدین منظور معمولا سطح مورد نظر را با استفاده از جت هوا- آب تمیز می‌کنند.

مهم آن است که اولین لایه شاتکریت، به خوبی به سطح بچسبد.

در مواردی که سطح مورد اجرا ذره‌های آبدار شخصی داشته باشد، باید تمهیداتی را برای زهکشی آب از درون لایه شاتکریت اجرا شده به کار بست.

بدین‌منظور، معمولا تعدادی لوله پلاستیکی در شاتکریت کار می‌گذارند تا آب از طریق آنها خارج شود.

اسپری کردن از جمله مهمترین مسایل در اجرای شاتکریت، ثابت بودن جریان هوا، آب و مواد در ماشین تهیه و شیلنگ اتصال شاتکریت است.

در حالی که با به کارگیری متصدیان با تجربه‌بتن پاش می‌توان تغییرات‌جزئی شاتکریت را خنثی کرد اما اگر ترکیب شاتکریت در لحظه‌های مختلف تغییر کند، هیچکس ما در به اجرای یک شاتکریت خوب نخواهد بود.

در حین اجرا، فشار آب و هوا باید در حد ثابتی حفظ و در صورت لزوم، رطوبت اضافی‌همراه با هوا حذف شود.

متصدی بتن پاش باید اسپری را از قسمت پایین آغاز کند و در حالی که دهانه شیلنگ را به صورت دایره‌ای کوچکی می‌چرخاند، کار را به سمت بالا ادامه دهد.

در ضمن فشار هوای اعمالی باید به اندازه‌ای باشد که جریان شاتکریت به طور دائم و با سرعت زیاد به سطح مورد اجرا برخورد کند.

اگر فاصله دهانه شیلنگ تا سطح بیش از 5/1 متر باشد، سرعت برخورد مواد به سطح کمتر شده و در نتیجه تراکم ایده‌آل، حاصل نمی‌شود.

باید‌توجه داشت که بتن پاشی به ویژه در مورد سقف، کاری مشکل و پر زحمت است.

به همین خاطر استفاده از رباط‌ها در اجرای شاتکریت، در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است.

با استفاده از این رباط‌ها می‌توان عملیات اجرائی را از دور کنترل کرد.

مراحل اجرا هدف اولیه از اجرای شاتکریت، متوقف کردن، سست شدن و ریزش سنگهایی است که در اثر آشکاری و یا عملیات حفاری در معرض هوا قرار گرفته‌اند.

بنابراین اجرای آن حتی المقدور باید هرچه زودتر پس از خاتمه عملیات حفاری انجام گیرد.

این زمان در مورد زمینهای سست و مسئله دار 2 تا 4 ساعت است.

در مورد سنگهایی که زمان پابرجائی طولانی دارند، می‌توان با اجرای شاتکریت به عنوان سیستم نگهداری دائمی، پایداری آنها را ماندگار کرد.

در اولین مرحله باید سقف تونلها مد نظر قرار گیرد.

در تونلهایی که ارتفاعشان بیش از 6 متر است، می‌توان سکوی متحرکی را به کمک بازوی ارابه چالزنی ایجاد کرد و عملیات بتن پاشی را از روی آن انجام داد.

- طراحی تجربی شاتکریت طراحی سیستم نگهداری حفاری‌های زیرزمینی به وسیله شاتکریت کار بسیار دقیقی است، با‌این وجود، مهندسین‌به خوبی از عهده این کار برمی‌آیند.

در بسیاری از موارد از شاتکریت به عنوان آخرین راه حل به منظور نگهداری سنگهای لق شده در اطراف یک تونل استفاده شده و در عین ناباوری، این کار بسیار موثر بوده است و از ریزش سنگ جلوگیری کرده است.

اندر کنش پیچیده بتن توده سنگ سست اطراف حفاریهای زیرزمینی و یک لایه شاتکریت با ضخامت متغیر و با خواصی که با سخت شدن آن تغییر می‌کند، گاه با تحلیل‌های تئوری آن متفاوت است.

در سال‌های اخیر با تحولاتی که در‌زمینه تحلیل‌های عددی و کاربرد کامپیوتر به‌وجود آمده (مثل برنامه‌های FLAC و PHASES) می‌توان به تحلیل‌های واقعی‌دست یافت و رفتار واقعی اندر کنش سیستم نگهداری، شاتکریت را تحلیل کرد.

از آنجا که شاتکریت به ندرت به تنهایی به عنوان سیستم نگهداری به کار می‌رود و معمولا همراه با پیچ سنگ، کابلهای مهاری، تورهای فلزی و دیگر وسایل نگهداری مورد استفاده قرار می‌گیرد، تحلیل نگهداری با شاتکریت پیچیده‌تر می‌شود.

روش طراحی سیستم نگهداری با شاتکریت به صورت قواعد سر انگشتی و براساس تجربه و عمل محققین انجام می‌گیرد.

ویکهام (Wichham) و همکاران (1972) معتقدند که ضخامت لایه شاتکریت یک تونل به امتیاز ساختاری سنگها (RSR) بستگی دارد.

بیناویسکی (Bieniawski) نیز‌ضخامت شاتکریت همراه‌با پیچ سنگ و یا قابهای فولادی و تورهای فلزی را برای طیف وسیعی از امتیاز توده سنگ (RMR) برای یک فضای زیرزمینی‌با دهانه 10 متر‌ارائه کرده است‌و بارتن (Barton) (1993) نیز نمودار جدیدی را ارائه کردند که در آن سیستم نگهداری مختلف مانند شاتکریت ماده و شاتکریت تقویت شده با الیاف را با اندیس کیفی تونل سازی (Q) مرتبط می‌سازد.

- طراحی تحلیلی شاتکریت در‌روشهای تحلیلی، تکیه‌گاه شاتکریت همانند یک عضو‌سازه‌ای در نظر گرفته می‌شود و به منظور ساده کردن مسئله، فرضیاتی را مد نظر قرار می‌دهند که در ذیل به آنها اشاره شده است: الف- تونل‌دارای مقطع دایره کامل است (حفاری به وسیله ماشین یا بسیار دقیق انجام شده است).

ب- ضخامت شاتکریت یکنواخت و‌با محیط تونل به‌طور کامل در تماس است (استوانه جدار نازک و بسته).

ج- مقاومت پوشش شاتکریت تنها باید در‌حدی باشد که بتواند از افزایش فشار سست شدگی یا گسترش منطقه پلاستیک جلوگیری کند.

د- نیروهای وارده بر پوشش شاتکریت در کلیه جهات یکنواخت و برابر هستند.

این نیروها تنها بارهایی هستند که پوشش باید در مقابل آنها مقاومت کند.

برای طراحی تحلیلی شاتکریت، چندین روش تحلیل سازه‌ای با توجه به فرضیات یاد شده توسط افراد مختلف ارائه شده است که در زیر به شرح دو روش می‌پردازیم: 1.

روش دیر (Deer) و همکاران دیر (1969) ضخامت شاتکریت را بر مبنای نیروی محوری لازم برای مقابله با فشار سنگ، به صورت استوانه‌ای جدار نازک محاسبه کرد.

در این روش ضخامت لازم از فرمول زیر به دست می‌آید: که در آن: t: ضخامت شاتکریت (cm) Pi: فشار یکنواخت موثر بر تونل( kg/cm2) r: شعاع تونل (cm) 6 all: تنش مجاز شاتکریت ( kg/cm2) تنش مجاز شاتکریت، به عنوان درصدی از مقاومت فشاری تک محوری آن با توجه به ضریب اطمینان، در نظر گرفته می‌شود.

روش هور (Heuer) هور در‌سال 1974 روش‌دیگری را‌برای محاسبه‌ضخامت شاتکریت بر‌مبنای سازه‌های بتنی با استفاده از مقاومت نهایی پیشنهاد کرد.

این روش برای مواردی که ضخامت پوشش شاتکریت بیش از 15 سانتیمتر باشد، قابل کاربرد است.