دانلود مقاله اثر زلزله بر سازه های زیر زمینی و تونل مترو

چکیده: امروزه با پیشرفت فن آوری، سهولت نسبی در حفاری و ساخت سازه‌های زیرزمینی، محدودیتهای فضاهای سطحی برای اجرای طرحهای عمرانی و نیز به واسطه مسائل سیاسی و امنیتی، توجه بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه به احداث سازه‌های زیر رمینی برای کاربریهای عمرانی، نظامی و معدنی معطوف شده است.

راهها و بزرگراههای زیرزمینی، انواع تونلها، شبکه متروی شهری، نیروگاهها و سایر مغارهای زیر زمینی برای دفن زباله‌های هسته‌ای و یا به عنوان مخازن نفت، معادن، پناهگاهها و انبارها، تعدادی از سازه‌هایی هستند که در کشورهای مختلف به سرعت در حال ساخت و اجرا می‌باشند.

با توجه به توسعه روز افزون سازه‌های زیر زمینی و هزینه‌های فراوانی که برای ساخت هر یک از این سازه‌ها صرف می‌گردد و نیز اهمیت آنها در شبکه حمل و نقل بین شهری و داخل شهری و خطری که در صورت آسیب دیدگی آنها متوجه جان مردم میشود، لازم است که پایداری آنها در برابر خطرات ناشی از زلزله مورد مطالعه قرار گیرد.

در این گزارش پس از نگرشی اجمالی به تاریخ صنعت سازه‌های زیر زمینی و آسیبهای گذشته این سازه‌ها در زلزله، به بررسی تعاریف مربوط به تونلها و نیز مشخصات کلی امواج زلزله و نحوه تاثیر آنها بر تونلها می‌پردازیم و برآورد خطر پذیری این گونه سازه‌ها را بیان می‌نماییم.

بخش دوم این گزارش، به تونلها و ایستگاههای زیر زمینی مترو اختصاص دارد که پس از بیان تفاوت عملکردی اینگونه تونلها نسبت به سایر تونلها، به مطالعه موردی تونل متروی دایکایی که در زلزله کوبه دچار آسیب شده بود و نیز بررسی خطرپذیری تونل متروی شهر قاهره خواهیم پرداخت.

سپس معیارهای طراحی لرزه‌ای تونلها بیان میگردد.

تاریخچه تونل سازی و سازه‌های زیر زمینی 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 تونل های نظامی ، انتقال آب و مقبره‌ها کمک گرفته شده است.

در ایران نیز از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آبهای زیر زمینی تونل هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز می‌رسد.

تعداد قنات های ایران بالغ بر50000 رشته برآورده شده است.

جالب توجه است که این قنات های متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند.

رومی ها نیز در ساخت قنات‌ها و همچنین در حفاری تونل های راه پرکار بودند.

آنها در ضمن اولین دوربینهای مهندسی اولیه را در جهت کنترل تراز وحفاری تونل ها به کار بردند.

اهمیت احداث تونل ها دردوران های 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 کانی ها 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 می شد.

کاربردهای نظامی تونل‌ها ، به ویژه از جهت بالابردن توان گریز یا راههایی جهت یورش به قرارگاهها و قلعه های دشمن ، ازدیگر جنبه های مهم کاربرد تونلها در تمدن های 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 پایه های 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 تونل های 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 روش ها و تکنیک ها 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.

ویژگی های فضاهای زیرزمینی و نمونه های بارز آنها هم اکنون در زمینه های مختلف کاربرد تونل‌ها ، مزایای متفاوت و گوناگونی را بر می شمرند.

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 می باشند.

3- محدودیت کمتر دراحداث سازه های 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.

از دیگر مزایای تونل ها در راههای ارتباطی می توان به : 1- کوتاهتر شدن مسیرها و افزایش راند مان ترافیکی 2-بهبود مشخصات هندسی مسیر 3-جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن 4-ایمنی بیشتر در برابر زلزله، اشاره کرد .

مثال های متعددی می توان از نقش وتأثیر عمده تونلسازی و پروژه های بزرگ این صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد .

تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ایتالیا را به هم متصل می سازد.

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 نمونه ها کشور فنلاند است که سازه های 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.

تعاریف مربوط به تونلها و ساختگاه مشخصات و ویژگیهای تونلها و نحوه ساخت آنها در تاثیر پذیری آنها از زلزله موثر است.

در این قسمت تعاریف مربوط به تونلها بیان شده و اثر هرکدام در تاثیر پذیری تونلها بررسی می‌شود.

4-1- عمق تونل : بطور کلی تونل ها در مقابل زلزله، نسبت به سایر سازه‌های سطحی بسیار پایدارترند.

چرا که جابجائی زمین، دامنه حرکات، شتاب و سرعت ذره‌ای زمین عموما با زیاد شدن عمق، کاهش می‌یابد (مخصوصا اگر زمین نرم باشد)؛ بطوری که در مواردی شتاب زلزله در عمق بیش از 50 متر، حدود 40 درصد کاهش بافته است.

البته ذکر این نکته نیز ضروری است که اگر چه شتاب و بعضی پارامترهای دیگر در عمق کمتر از لایه سطحی است، اما مشخصاتی مثل فرکانس زلزله به منبع تولید موج بستگی دارد و تابع عمق زمین نمیباشد.

البته باید به این نکته نیز توجه داشت که میزان جابجائی ناشی از گسلش در عمق بیشتر از سطح است که این موضوع در بخش جداگانه‌ای مورد بحث قرار خواهد گرفت.

بطور کلی تونلها در مقابل زلزله، نسبت به سایر سازه‌های سطحی بسیار پایدارترند.

4-2- شکل و اندازه تونل : همانطور که در بخش قبل اشاره شد، هر چه مقطع تونل بزرگتر باشد، حساسیت آن به زلزله بیشتر است.

یکی از موارد بزرگ بودن موضعی تونلها، در تقاطعها و ایستگاههای مترو می‌باشد.

همچنین وجود دو یا چند تونل در کنار هم معمولا باعث تمرکز تنشهای استاتیکی در محیط بین تونلها می‌گردد.

همین حالت در هنگام گذر موج زلزله که نوعی تنش است، اتفاق می‌افتد.

4-3- وضعیت لایه بندی و جنس زمین: امواج تولید شده در حین حرکت، تحت تاثیر خواص زمین قرار می‌گیرند.

امواج فشاری و برشی در سطح برخورد با لایه‌های مختلف دچار انکسار و انعکاس می‌شوند و این باعث افزایش یا کاهش دامنه نوسانها می‌گردد.

از طرف دیگر، شرایط و وضعیت خاک تحت الارضی و حتی توپوگرافی یک ناحیه ممکن است عامل افزایش اساسی در شدت جنبشهای سطح زمین گردد.

تقویت شتاب در انباشته‌ای نرم بزرگتر از مقدار آن در انباشته‌های سفت می‌باشد.

4-4- نحوه ساخت تونل روشهای مختلفی برای ساخت تونل (کندن تونلها) وجود دارد که بستگی به شرایط ساختگاهی و زمین ساختی روش مناسب انتخاب می‌شود.

روشهایی که بیشتر معمول هستند روش حفاری شده و خاکبرداری شده است.

در مورد تاثیر نحوه ساخت بر رفتار تونلها جدول زیر در HAZUS99 که توسط NIBS آمریکا ارائه شده است (جدول 4-1).

نحوه ساخت تاثیر بسیار زیادی بر اثر پذیری از امواج زلزله دارد، چرا که در روش حفاری، خاک اطراف کاملا دست نخورده باقی می‌ماند و از طرف دیگر این گونه تونلها معمولا در جائی ساخته می‌شوند که عمق قرار گیری تونل زیاد باشد.

ولی در تونلهای سطحی مانند تونلهای مترو، اغلب از روش خاکبرداری و پوشش استفاده می‌شود.

جدول (4-1) پارامترهای توابع خرابی تونل HAZUS99 4-5- پوشش داخلی تونل (Lining) پس از حفاری تونل در صورت نیاز از پوشش داخلی برای محافظت در مقابل ریزش استفاده می‌شود.

البته مواردی نیز وجود دارد که در صورت استحکام کافی سنگها، از پوشش استفاده نمیشود، ولی در غیر این صورت امکان استفاده از شاتکریت، بتن درجا، و یا اجزای پیش ساخته وجود دارد.

تاثیر گسلش بر تونلها: گسلش یکی از عواملی است که میتواند در هنگام وقوع زلزله خسارات زیادی را به سازه‌های زیر زمینی و بخصوص سازه‌های خطی زیر زمینی وارد نماید.

5-1- اهمیت مطالعه گسلش در طراحی سازه‌های زیر زمینی جابجائی برشی در یک پهنه باریک در دو طرف گسل آثار تخریبی شدیدی بر روی سازه‌های زیر زمینی خواهد داشت.

تنشهای حاصل از گسلش در مقاطع تونل یا سایر سازه‌های زیر زمینی می‌تواند به مراتب از تنشهای حاصل از لرزش و لغزش بیشتر باشند.

طراحی تونلها به نحوی که بتواند در برابر جابجایی‌های چند سانتیمتری تا چند متری ناشی از گسلش مقاومت کنند، نیز از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست؛ بدین لحاظ مطالعه خطر گسلش در مسیر یک تونل و یا سایر سازه‌های زیر زمینی از اهمیت خاصی برخوردار است.

در واقع بسیاری از سازه‌های زیر زمینی و بخصوص تونلها دارای تقاطع‌هایی با گسلها می‌باشند که این امر باعث آسیب پذیری آنها بر اثر حرکت گسل می‌گردد.

به همین جهت در حین بررسیهای ساختگاه برای ساخت سازه‌های زیرزمینی باید به وجود گسلها توجه خاصی مبذول شود تا بتوان با شناخت کامل آنها، پیش گیریهای لازم را در جهت کاهش میزان صدمات ناشی از گسلش انجام داد.

در این راستا، نه تنها مکان گسلهای فعال باید دقیقا شناسایی گردند، بلکه باید نوع گسل و نحوه حرکت آن، نحوه حرکت گسل در گذشته، نحوه انتخاب رویداد مناسب برای طراحی و اهمیت و یا تاثیر گسلش در کاربری سازه زیر زمینی نیز دقیقا بررسی گردد.

بررسی نوع گسل نحوه حرکت آن را در جهات افقی یا قائم و یا هر دو، مشخص می‌کند.

جابجائی گسل میزان حرکت آن را در جهات مختلف نشان می‌دهد.

رویدادهای تاریحی میتوانند برای پیش بینی نوع حرکت، میزان جابجائی و زمان احتمالی گسلش در اینده مورد استفاده قرار گیرند و انتخاب رویداد مناسب نیز می‌تواند امکان طراحی بهینه و اقتصادی سازه‌ را فراهم آورد.

همچنین تاثیر گسلش بر کاربری طرح باید به دقت مشخص گردد.

به عنوان مثال، در تونلهای راه آهن حساسیت زیادی در برابر جابجائی وجود دارد؛ زیرا، امکان قطع شدن ریلها یا مختل شدن سیستم آنها به واسطه جابجائی حاصل از گسلش وجود دارد و این امر می‌تواند حوادث ناگواری را بوجود آورد.

در مقابل در تونلهای انتقال آب حتی اگر جابجائی قابل توجهی نیز رخ دهد خطر جانبی به همراه نخواهد داشت و سیستم انتقال آب نیز می‌تواند با مقداری نفاوت دبی به کار خود ادامه دهد.

5-2- انواع جابجایی های گسلی معمولا جابجایی گسلها به سه شکل نرمال، معکوس و امتداد لغز انجام می شود که در نوع امتداد لغز جابجائی افقی و در دو نوع دیگر جابجایی قائم می‌باشد.

البته معمولا در طبیعت حالات ترکیبی از این حرکات مشاهده می‌شود و به ندرت می‌توان گسلی را یافت که صرفا در جهت افقی یا قائم حرکت کند.

قسمتهای مختلف یک گسل و انواع حرکات گسل در شکل 5-1 نشان داده شده است.

شکل 5-1 قسمتهای مختلف یک گسل و انواع جابجائی آن 5-3- جابجائی گسل در چند رویداد مهم لرزه‌ای: هر چند در اکثر واقع در هنگام زلزله جابجائی گسها در حد چند ده سانتی متر میباشد ولی در رویدادهای بزرگ لرزه‌ای این جابجائی می‌تواند به چند متر نیز برسد.

در این قسمت مثالهایی از برخی زلزله های مهم جهانی و داخلی جهت روشن شدن اهمیت گسلش ارائه می‌گردد: § زلزله سان فرانسیسکو (1906): در این زلزله حرکت گسل سان آنریاس موجب تخریب و برهم خوردگی وضعیت بسیاری از راهها، حصارها، خطوط لوله، پل و تونلها در امتداد گسل شد.

پهنای زون شکستگی در این مورد از چند ده سانتی متر تا بیش از 15 متر متغیر بود و ترکهای زیادی نیز در دو طرف گسل اصلی تا شعاع چند ده متری ایجاد شد.

مقدار جابجائی افقی با آنچه که توسط جابجائی حصارها و یا راهها قابل اندازه‌گیری بود از 5/2 متر تا 5/4 متر متغیر بوده است که در بعضی نقاط به 5/6 متر هم میرسیده است.

§ زلزله سان فرناندو (1971): نوع گسل در این زلزله شیب لغز معکوس بوده است.

گسلش در ناحیه‌ای به وسعت 15 کیلومتر ایجاد شد و با حرکات لغزشی معکوس و امتداد لغز چپ گرد همراه بوده است.

در ناحیه سان فرناندو حداکثر جابجائی بصورت چپ گرد 9/1 متر و بصورت شیب لغز 5/1 متر بوده است.

اختلاف سطح عمودی حاصله برابر با 39/1 متر بوده و کوتاه شدگی در جهت قائم بر روند زون 55/0 متر بوده است.

§ در زلزله کوبه ژاپن (1995) با بزرگای 2/7 گسل نوجیما در جهت قائم 3/1 متر و در جهت افقی 8/1 متر جابجا شده است.

§ در زلزله های ایران نیز جابجائی های قابل توجهی در گسلها در برخی از زلزله‌های بزرگ دیده شده است که خلاصه‌ای از آن در جدول (5-1) آورده شده است.

جدول (5-1) برخی از زلزله‌های مهم ایران در سالهای 1900 تا 1980 که همراه با گسلش قابل توجه بوده‌اند.

5-4- جابجائی در سطح و جابجائی در عمق : نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که در اکثر موارد میزان جابجائی در عمق با میزان آن در سطح فرق می‌کند.

به عنوان مثال، میزان جابجائی حاصل از گسلش در زلزله 1952 کالیفرنیا در سطح زمین حدود یک متر و در عمق 160 متری این مقدار 5/2 متر بوده ‌است.در زلزله 1978 ژاپن نیز میزان جابجایی در عمق حدود 5/0 متر و در سطح زمین تنها برابر 19/0 متر بود.

در تمام موارد اندازه‌گیری شده، میزان جابجائی در عمق بیش از سطح زمین بوده است؛ ولی در حال حاضر با توجه به کمبود اطلاعات از میزان جابجائی‌ در عمق نمیتوان رابطه‌ای را بین عمق و جاجائی حاصل از گسلش تعیین کرد.

لذا، معمولا از همان مقادیر سطحی با ضرایبی که به اهمیت طرح بستگی دارند برای عمق استفاده می‌گردد.

به عنوان مثال، در یک مطالعه کاربردی در رابطه با متروی لوس آنجلس که با گسل هالیوود و چین خوردگی کویوت (Coyote) برخورد دارد از حداکثر جابجایی سطحی برای طراحی تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است.

در این مورد حداکثر جابجایی سطحی برای طراحی تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است.

در این مورد حداکثر جابجایی سطحی ثبت شده در مورد گسل هالیوود برابر دو متر و برای چین خوردگی کویوت برابر 5/0 متر بوده است.

باید توجه داشت که تونل در عمق 50 متری با این ساختارهای زمین شناسی برخورد می‌کند.

لازم به توضیح است که بررسی خصوصیات جابجائی و گسیختگی در طول یک گسل نشان می‌دهد که میزان جابجایی در نقاط مختلف در طول گسل یکسان نیست.

باتوجه به متغیر بودن مقدار جابجائی در نقاط مختلف یک گسل، لازم است جهت تحلیل میزان جابجایی از روشهای آماری استفاده شود.

تا کنون کلیه روابطی که برای برآورد جابجایی با استفاده از بزرگا ارائه شده‌اند بر اساس تحلیلهای انجام شده بر روی حداکثر مقادیر جابجائی بوده‌اند.

مقادیر جابجائی که با این روابط بدست می‌اید درواقع مطابق با وضعیتی می‌باشد که سازه در محلی ساخته شده است که حداکثر جابجائی در آن محل وجود دارد؛ ولی محاسبات نشان می‌دهند که این مقدار جابجائی حداکثر تنها در قسمت کوچکی از کل طول گسیختگی و در حدود 3 تا 5 درصد آن ایجاد می‌شود.

لذا احتمال برخورد حداکثر جابجائی با ساختگاه طرح کم است و طراحی بر این اساس مقرون به صرفه نیست.

امروزه روشهای آماری مختلفی در طراحی سازه‌ها و فضاهای رو و زیر سطحی روی گسلها ارائه شده‌اندکه می‌توان از آنها استفاده نمود.

5-5- روشهای کاهش صدمات ناشی ار گسلش روی تونلها و سازه‌های زیر زمینی معمولا طراحی تونلها یا سایر سازه‌های زیر زمینی به گونه‌ای که بتوانند در برابر گسلش مقاومت نمایند، اقتصادی نیست؛ لذا سعی می‌شود که با تعیین محل دقیق گسلها با روشهای زمین شناسی و ژئوفیزیکی از برخورد تونلها با آنها ممانعت بعمل اید.

این عمل بخصوص در نواحی فعال زمین ساختی در مورد سازه‌های خطی نظیر تونلها که حداقل صدها متر طول دارند مشکل است.

چنانچه امکان دوری از گسل مقدور نباشد معمولا با قبول مقداری جابجایی در مقطع تونل سعی می‌شود که در محل برخورد تونل با گسل اتصالاتی تعبیه گردد تا صدمات را به حداقل ممکن کاهش دهد و امکاناتی نیز برای بازسازی سریع در نظر گرفته شود.

بدین منظور می‌توان با استفاده از نقاط ضعف عمدی در تونل (نظیر درزه‌های ساختمانی و ...

) صدمات را در قسمتهای خاصی متمرکز نمود.

روش دیگر کاهش صدمات ناشی از گسلش در تونلها، افزایش سطح مقطع در محل تقاطع با گسل می‌باشد.

در این مورد در محل برخورد تونل و گسل سطح مقطع را با اندازه جابجائی قابل انتظار بر اثر گسلش بزرگتر در نظر می‌گیرند و قسمت اضافی را با سنگ ریزه پر می‌کنند.

چنانچه گسلش اتفاق افتد سطح مقطع حاصله برابر با سطح مقطع مفید مورد نظر است.

این عمل در مورد خط متروی لوس آنجلس انجام شده است.

در این تونل زیر زمینی در محل برخورد تونل با گسل هالیوود، سطح مقطع به اندازه دو متر که برابر با حداکثر جابجایی محتمل ناشی از گسلش بود بزرگتر از سطح مقطع سایر نقاط، طراحی و اجرا شد و قسمت اضافی با سنگ ریزه پر شد.

شکل 5-2 نحوه انجام این کار را روی مقطع تونل نشان می‌دهد.

تاثیر ارتعاشات زلزله بر تونلها آسیب پذیری سازه‌های زیر زمینی در برابر زلزله هم می‌تواند به واسطه گسیختگی زمین در هنگام وقوع زلزله و هم به دلیل ارتعاشات ناشی از زلزله روی دهد.

گسیختگی زمین در هنگام وقوع زلزله عمدتا شامل گسلش، زمین لغزش و روانگرایی می‌باشد.

بحث مربوط به گسلش در فصل قبل بصورت جداگانه مورد بررسی قرارگرفت، ولی بجز گسلش، زمین لغزش و روانگرایی نیز از پدیده‌های طبیعی ناشی از زلزله می‌باشد.

زمین لغزش ‌ها که معمولا توسط زلزله تحریک می‌گردند، بخصوص در ورودی-خروجی تونلها می‌توانند صدمات زیادی را به فضاهای زیر زمینی وارد نمایند.

بسیاری از گزارشات مربوط به آسیب فضاهای زیر زمینی در اثر زلزله، به واسطه ایجاد لغزش در مدخلهای تونلها بوده‌اند.

روانگرایی نیز بخصوص چنانچه فضای زیر زمینی در رسوبات سست دارای درصد بالای ماسه و سیلت احداث شده باشد، می‌تواند صدمات زیادی را به فضای زیر زمینی وارد نماید.

این آسیبها بیشتر در رابطه با تونلهای مترو در نواحی شهری که از رسوبات منفصل عبور میکنند دیده شده است.

3-1- اهمیت مطالعه ارتعاشات زلزله هر چند که گسیختگی زمین در اثر گسلش، روانگرایی و زمین لغزش می‌تواند اثرات ویرانگری را بر سازه‌های زیر زمینی وارد نماید، ولی صدمات ناشی از ارتعاشات زلزله به دلایل زیر به مراتب مهمتر از این صدمات هستند: § صدمات ناشی از گسیختگی (نظیر گسلش یا زمین لغزش) در نواحی خاصی اتفاق می‌افتند که می‌توان با مطالعات دقیق زمین شناسی مهندسی از قبل این نواحی را شناسایی نموده و تمهیداتی را در آنها در نظر گرفت ولی ارتعاش می‌تواند در اثر جنبش هر گسلی در فواصل دور یا نزدیک به فضای زیر زمینی ایجاد گردد و شدت آن نیز می‌تواند بسیار متغیر باشد.

§ ارتعاش منحصر به قسمت خاصی از تونل یا فضای زیر زمینی نمی‌شود و خسارات حاصله در کل مسیر تونل یا فضا می‌تواند ایجاد شود ولی گسلش یا زمین لغزش (و تا حدودی روانگرایی) در قسمتهای محدودی از مسیر اثر می‌گذارند و به کل سیستم آسیب نمی‌رسانند.

§ ارتعاشات ناشی از زلزله می‌تواند به شکل امواج مختلف طولی، عرضی یا برشی فضای زیر زمینی را تحت تاثیر قرار دهند و لذا تغییر شکلهای گوناگونی در مقاطع یا سازه‌های زیر زمینی در اثر ارتعاش امکان وقوع دارد.

امواج اولیه یا P که به موزات محور طولی تونل یا سازه زیر زمینی انتشار می‌یابند، تونل را در جهت طولی دچار فشار یا کشش می‌کنند که می‌تواند باعث ایجاد ترکهای کششی یا خرد شدگی‌های فشاری در امتداد آن گردد.

امواج برشی یا S که بخش اصلی انرژی را انتقال می‌دهند، چنانچه در جهت طولی تونل انتشار یابند باعث ارتعاش در جهت عمود بر محور تونل شده و یا ایجاد جابجایی‌های برشی، آسیب های زیادی را به فضای زیر زمینی وارد می‌کنند.

چنانچه جهات برخورد این امواج با تونل مایل یا عمود بر محور تونل باشد، باز هم اشکال دیگری از تغییر مکان در فضای زیر زمینی ایجاد می‌گردد.

در حالیکه گسیختگی‌های ناشی از گسلش یا زمین لغزش معمولا جهت تغییر شکل از بررسی‌های ساختگاهی قابل پیشبینی است.

6-2- اثر امواج مختلف بر سازه زیر زمینی با توجه به بررسی امواج زلزله در فصل چهارم، امواج زلزله دارای انواع مختلفی است که هر کدام از این امواج تاثیر خاص خود را بر سازه زیر زمینی اعمال می‌کند.

با توجه به این موضوع، هر کدام از امواج بصورت جداگانه مورد بررسی قرار می‌گیرد.

6-2-1.

امواج فشاری: امواج فشاری PW، معمولا همراه با امواج برشی افقی HSW می‌باشند.HSW مولفه قائم و PW مولفه محوری امواج فشاری می‌باشد.PW بر روی سازه‌های زیر زمینی فشار و کشش طولی ایجاد می‌کند در حالی که HSW سازه خاکی را به جنبش جانبی وادار میکند.HSW اثر جدی بر روی سازه‌های بلند دارد ولی تاثیر چندانی بر روی سازه های زیر زمینی ندارد.

تونلها و سازه‌های زیرزمینی طولی انعطاف پذیر، بر اساس انعطافپذیری اتصال حلقوی بر اثرات امواج HSW فائق می‌ایند.PW سریعترین موج انتشار یافته از زلزله است.

بنابراین اولین موجی است که ساختگاه سازه خاکی را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

در شکل (6-1-a) اثر این گونه امواج بر تونل و تغییر شکلهای حاصله نشان داده شده است.

6-2-2.

امواج برشی قائم: امواج برشی قائم اصلیترین نوع امواج هستند که حدودا شامل دوسوم (2/3) انرژی آزاد شده هستند.VSW باعث جابجائی قائم سیستم سازه‌ای می‌شود که برای سازه‌های بزرگ بسیار خطرناک است ولی تاثیر زیادی بر روی تونلها و سازه‌های زیر زمینی ندارد را که اثر آن را بر بوسیله اتصالات انعطاف پذیر جذب میکند.VSW نسبت به HSW کندتر حرکت می‌کند، لذا فاصله زمانی بین VSW و HSW کاملا وابسته به فاصله ساختگاه تا رومرکز است.

به شکل (6-1-b) مراجعه نمایید.

6-2-3.

امواج رایلی RW : در امواج رایلی، جهت چرخش ذرات در بالاترین قسمت آنها، در خلاف جهت حرکت موج می‌باشد و حرکات ذرات در سطح مسیر به صورت بیضی است که قطر بزرگ آن عمود بر انتشار موج است.

امواج رایلی همانند امواج برشی قائم برای سازه‌های بزرگ عمل می‌کنند.

سیستمهای زیر زمینی متحمل تغییر مکانهای قائم بر اساس ارتفاعشان می‌شوند.

6-2-4.

امواج لاو LW : این امواج شکل ویژه‌ای از امواج HSW هستند، که جابجائی‌های جانبی با عمق خاک کاهش می‌یابد.

بطور کلی امواج تنها عامل تهدید کننده سازه‌های زیر زمینی هستند.

سازه تحت اثر این امواج متحمل تغییرات دینامیکی جانبی می‌شود.

مقدار جابجائی جانبی بین بالا و پایین سازه متفاوت است.

اگر اضافه تنش ایجاد شده توسط امواج لاو، از مرز ایمنی فزونی یابد، سختی جانبی سازه زیر زمینی باید برای متناسب شدن با شرایط بارگذاری افزایش یابد.

شکل (6-1-c) تغییر شکل نظیر این موج اعمال شده بر تونل را نشان می‌دهد.

شکل 6-1 اثر امواج مختلف و انواع تغییر شکلهای ناشی از ارتعاش زمین در هنگام زلزله 6-3- بررسی تغییر شکلهای ایجاد شده در تونل همانطور که بیان شد، پاسخ فضاهای زیر زمینی در برابر ارتعاشات ناشی از زلزله می‌تواند به سه شکل تغییر شکلهای محوری، انحنایی و حلقه‌ای (Hoop) باشد.

تغییر شکل محوری با کرنشهای فشاری و کششی همراه می‌باشد و همراه با عبور موج در طول محور تونل یا فضای زیر زمینی جابجایی انجام می‌گیرد.

تغییر شکلهای انحنایی باحث ایجاد انحناهای مثبت و منفی در امتداد تونل می‌گردند.

در انحنای مثبت جدار فضای زیر زمینی در قسمت فوقانی دچار فشردگی و در قسمت تحتانی دچار کشیدگی می‌شود.

تغییر شکلهای حلقه‌ای نیز در اثر رخورد امواج به صورت عمودی یا تقریبا عمودی نسبت به محور تونل یا فضای زیر زمینی ایجاد می‌گردد.

این حالت تنها زمانی که طول موج لرزه‌ای کمتر از شعاع فضای زیر زمینی باشد ایجاد می‌شود.

6-3-1- تغییر شکلهای محوری و انحنایی تنشهای دینامیکی حاصل از امواج لرزه‌ای به تنشهای استاتیکی موجود در جدار تونل یا فضای زیر زمینی و سنگهای مجاور آن افزوده می‌گردند.

در اثر افزایش تنشهای فشاری حاصل از بارگذاری دینامیکی امکان ایجاد خرد شدگی و حالت پوسته شدن (Buckling) در محیط فضای زیر زمینی وجود دارد.

تنشهای لرزه‌ای کششی باعث کاهش تنشهای استاتیکی فشاری موجود در محل شده و این خود ایجاد تنشهای کششی می‌نماید که نتیجه آن باز شدن درزه‌ها و در نتیجه کاهش مقاومت برشی، سست شدن پیچ سنگها (Rock bolts) و نهایتا ریزش سنگ از سقف یا جداره‌های تونل می‌باشد.

برای تعیین تغییر شکلهای محوری و انحنایی می‌توان از مدلهای یک بععدی استفاده نمود.

شاید ساده‌ترین راه بدین منظور در نظر گرفتن تونل بعنوان ین تیر سازه‌ای و انجام تحلیل های مربوطه روی آن باشد.

اما برای مغاره‌ها یا تونلهای بزرگتر لازم است از مدلهای سه بعدی جهت برآورد این تغییر شکلها استفاده نمود.

روابط زیر میتوانند جهت تخمین تنشهای میدان آزاد بکار روند : (6-1) (6-2) در این روابط: حداکثر تنش محوری حداکثر تنش برشی دانسیته مصالح Vp سرعت موج P Vs سرعت موج S VPeak سرعت اوج ذره‌ای در جهت انتشار Vn,Peak سرعت اوج ذره‌ای در جهت عمود بر انتشار 6-3-2- تغییر شکل حلقه‌ای: تمرکز تنشهای حلقه‌ای حاصل از تغییر شکل را می‌توان با استفاده از روابط مربوط به میدان آزاد تنش به شرح زیر برآورد نمود: (6-3) (6-4) در این روابط K1 فاکتور تمرکز تنش دینامیکی برای موج P می‌باشد و مطابق شکل (6-2) تعیی می‌شود و K2 فاکتور تمرکز تنش دینامیکی برای موج S است و مطابق شکل (6-3) تعیین می‌شود.

شکل (6-2) رابطه بین فاکتور تمرکز تش دینامیکی K1 برای موج P و نسبت پوآسون شکل (6-3) رابطه بین فاکتور تمرکز تش دینامیکی K2 برای موج S و نسبت پوآسون روابط فوق برای برآورد تنشهای دینامیکی حداکثر در اطراف فضاهای زیر زمینی استوانه‌ای شکل بدون جدار ارائه شده‌اند که البته با اندکی تغییر می‌توان از آنها برای تونلهای دارای جدار نیز استفاده نمود.

6-4- بررسی رفتار لرزه‌ای سازه‌های مدفون در رسوبات منفصل مهمترین فرضی که برای تحلیل رفتار سازه‌های مدفون در رسوبات منفصل انجام می‌شود این است که خاک در مقایسه با سازه زیر زمینی صلب است و لذا تغییر شکل حاصل از زلزله در خاک به فضای زیر زمینی منتقل می‌شود و سازه‌ هماهنگ با زمین اطرافش حرکت می‌کند.

با توجه به اینکه معمولا در اثر زلزله تغییر شکلهای مختلفی در جهات مختلف بصورت تصادفی ایجاد می‌شود لذا امکان مقاوم سازی سیستم جهت مقابله با این تغییر شکلها بسیار دشوار بوده و در بسیاری موارد امکان پذیر نیست.

از طرفی صلبیت بیش از حد سازه زیر زمینی تنها آسیب پذیری آن را در برابر زلزله افزایش می‌دهد و لذا معمولا در طراحی سازه‌های زیر زمینی لازم است که سیستم به صورت انعطاف پذیر و دارای قطعات شکل پذیر طراحی شود به شرطی که پایداری استاتیکی آن به مخاطره نیفتد.

همچنین لازم است به مسایلی نظیر امکان تشدید و اثر اندر کنش سازه با محیط اطراف نیز توجه نمود.

این عوامل می‌توانند باعث افزایش جنبشهای لرزه‌ای گردند.

اندر کنش خاک – سازه در سازه‌های زیر زمینی اثرات مهمی دارد، اما اگر سازه طوری طراحی گردد که سیستم از جنبش زمین تبعیت کند، آنگاه اثر اندر کنش به حداقل کاهش می‌یابد.

در بسیاری از معیارهای طراحی فضاهای زیر زمینی در رسوبات منفصل سعی می‌شود اثر اندر کنش با طراحی سیستم به نحوی که سیستم از جنبشهای زمین تبعیت کند، خنثی شود اما اگر فضای زیر زمینی در خاک خیلی سست احداث شده باشد، اثر اندرکنش نسبتا زیاد می‌باشد و باید مورد توجه قرار گیرد.

عامل دیگری که در رفتار فضاهای زیر زمینی در برابر ارتعاش حاصل از زمین لرزه حائز اهمیت است زاویه برخورد امواج با جدار تونل می‌باشد.

امواج لرزه‌ای به سازه‌های خطی نظیر تونلها می‌توانند با زوایای مختلفی برخورد کنند و هر چه (به واسطه کاهش زاویه برخورد موج با تونل) طول تحت تاثیر قرار گرفته تونل بیشتر باشد، دامنه تغییر مکان زمین کاهش می‌یابد.

این اثر در شکل (7-4) نشان داده شده است.

شکل (6-4) اثر زاویه برخورد موج با یک سازه خطی نظیر تونل و پارامتر های مرتبط با آن زاویه برخورد موج با تونل اثر قابل توجهی در مقادیر انحنا و خمیدگی تونل و در نتیجه در تغییر شکل تونل هنگام وقوع زلزله دارد.

6-4-1- نواع تغییر شکلهای لرزه‌ای خاک دو نوع تغییر شکل عمده حاصل از زلزله می‌تواند روی سیستم های حمل و نقل زیر زمینی تاثیر نماید که عبارتند از تغییر شکلهای انحنایی و تغییر شکلهای برشی.

تغییر شکلهای انحنایی در اثر قرارگیری مستقیم محل انحنای خاک (حاصل از زلزله) روی سازه زیر زمینی بوجود می‌اید.

سازه زیر زمینی باید ظرفیت جذب کرنشهای حاصله را داشته باشد.

تغییر شکل برشی نیز نشان دهنده تاخیر زمانی در پاسخ به یک شتاب پایه وارده به آن از سنگ بستر می‌باشد.

این حالت را می‌توان به حرکت یک کاسه ژله در پاسخ به تکان ظرف آن تشبیه نمود.

اثر این حرکت تغییر شکل مقطع مستطیلی فضا به شکل لوزی می‌باشد.

این تغییر شکلها در شکل (6-5) نشان داده شده است.