Your browser does not support JavaScript!

مقاله شماره 7 : قالب تونل لاینینگ , تاریخچه و اصول اجرا

 

 مروری بر تاریخچه سازه های زیر زمینی و تونل سازی

 

اولین تونل‌ ها در عصر حجر برای گسترش خانه‌ ها با حفر تونل به وسیله ساکنین شروع شد . این موضوع نشان دهنده این است که ساکنین در جهت ایجاد تونل به دنبال راهی برای سهولت در زندگی خود بوده اند. پیش از روم باستان ، در مصر ، یونان ، هند و خاور دور و ایتالیای شمالی ، به کل تکنیکهای ساخت تونل لاینینگ دستی انجام میشد که در اکثر آنها نیز از آتش برای حفر تونل های نظامی ، انتقال آب و مقبره‌ ها کمک گرفته شده است. در ایران از هزاران سال پیش، به جهت استفاده از آبهای زیر زمینی تونل هایی موسوم به قنات حفاری شده است که طول برخی از آنها به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز می‌رسد. تعداد قنات های ایران بالغ بر پنجاه هزار برآورده شده است. جالب توجه است که این قنات ها متعدد با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند.
رومی ها نیز در ساخت قنات ‌ها و همچنین در حفاری تونل های راه فعال بودند. رومی ها اولین دوربینهای مهندسی را در جهت کنترل تراز و حفاری تونل ها به کار بردند
اهمیت ساخت تونل ها در زمان های قدیم ، تا بدین جاست که کارشناسان احداث تونل را نشانگر رشد فرهنگ و به رشد تکنیکی و توان اقتصادی آن جامعه دانسته‌اند. تمدنهای اولیه به اهمیت تونل‌ ها ، به عنوان راه‌ های دسترسی به مواد طبیعی نظیر سنگ چخماق به واسطه اهمیتش برای حیات ، پی ‌بردند. همچنین کاربرد آنها دامنه گسترده‌ای از طاق زدن بر روی قبرها تا انتقال آب و یا گذرگاههایی جهت رفت و آمد شامل میشود . کاربردهای نظامی تونل ‌ها ، به ویژه از جهت بالابردن توان گریز یا راههایی جهت یورش به قرارگاهها و قلعه های دشمن ، ازدیگر جنبه های مهم کاربرد تونل ها در تمدن های اولیه بود
تونل لاینینگ همزمان با انقلاب صنعتی ، به ویژه به منظور حمل و نقل ، پیشرفت زیادی داشت. تونل سازی به گسترش و پیشرفت کانال سازی کمک کرد و این موضوع در توسعه صنعت به ویژه در قرون هجده و نوزدهم میلادی در انگلستان سهم بالایی ایفا میکرد. کانال‌ها یکی از پایه های انقلاب صنعتی بودند و توانستند در مقیاس بسیار بزرگ هزینه‌های حمل و نقل را بکاهند. پروژه تونل لاینینگ مال پاس با طول 157 متر برروی کانال دومیدی در جنوب فرانسه اولین تونلی بود که در دوره‌های مدرن در سال 1681 به بهره برداری رسید. ضمنا اولین تونل ساخته شده با کاربرد حفاری و انفجار باروت میباشد. 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 مشهور میباشد. بریندلی در سال 1759 با ساخت یک کانال تونل لاینینگ به طول 16 کیلومتر مجموعه معدن زغال دوک بریدجواتر را به شهر منچستر متصل نمود. تاثیر اقتصادی تکمیل این کانال نصف شدن قیمت زغال در شهر و ایجاد یک انحصار واقعی برای معدن ذغال بود.
اوایل قرن نوزدهم به جهت 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 بپیماند . فعالیت جهت 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 زه کشی 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 یافته است

 

 

artasaze42

 

مشکلات و حادثه های پنهان در تونل سازی :

بستر زمين مي تواند با زونهاي خطرناك زمين ساختاري نهفته در آن همواره منبعــي از مشكـــلات غير قابل انتظار در تونل لاینینگ محسوب شود.
تغييرات غير قابل پيش بيني در كيفيت سنگ اغلب سبب مشكلات و هزينه هاي تاخيــر غيــر ضروري مي گردد كه امروزه هيچكس براي آن هزینه تامین را ندارد.


شما با خطرات زير مواجه خواهيد شد:
  1-
حفره ها، ريزش ها، جريان شديد آب داخل تونل
  2-
پرداخت هاي اضافه شامل تاخيرات پروژه
  3-
مواجهه TBM با تله هاي پيش روي آن
  4-
به خطر انداختن پرسنل و تجهيزات مورد استفاده آگاهي از آنچه پيش روي است:
اطلاعات كافي از لايه هاي زمين ساختاري و تغيير در پارامترهاي مكانيك سنگ كه تاثير زيادي در انتخاب روشهاي اجرا دارد، اكنون فاكتور مهمي در توفيق تونل لاینینگ هاي پيشرفته امروزي است. چنين پيش بيني و هشدار هايي در اجرا، امكان بموقع برآورد دقيق هزينه ها و لجستيك آن را براي رفع موانع در طراحي تونل لاینینگ سبب شده و به دنبال آن پيش بيني هر چه دقيق تر، موجب تونل سازي مقرون به صرفه در خطرات هميشگي زير زمين است.

زمين شناسی و کاربرد آن در تونل سازی :

فن تونل سازي سابقه ديرينه اي در كشور ما دارد. حدود 3000 سال پيش نياكان ما با حفر قنات ها كه در واقع تونل لاینینگ هاي قديمي هستند، به آب زيرزميني دست مي يافتند. قديمي ترين تونل شناخته شده در حدود 4000 سال پيش دربين النهرين حفر شده است.
در ايران از چند هزار سال پيش به منظور استفاده از آبهاي زيرزميني تونل هايي موسوم به قنات حفر شده است كه طول برخي از آنها به 70 كيلومتر مي رسد.

مراحل اجرای تونل لاینینگ :

مراحل احداث و آماده سازي تونل ها به شرح زير است :
الف) تهيه طرح تونل
ب) نقشه برداري مسير و تحقيقات مهندسي
ج) حفر تونل
د) نگهداري موقت تونل
ه) انجام خدمات فني از قبيل تهويه، آبكشي، روشنايي و نظاير آن
و) نگهداري دائم تونل

انواع تونل ها:  

 1- تونل لاینینگ حمل و نقل :

- تونل هاي راه آهن
-
تونل هاي راه

 

2007 05 01 Amsteg Ostroehre fertig betonierte Innenschale.0.0

 


-
تونل هاي پياده رو
-
تونل هاي ناوبري
-
تونل هاي مترو

 

 gettyimages 452220676 custom b3e92a3fa06b45c9db3eb26f2872f3023e27491e s900 c85

 

 

 2- تونل لاینینگ صنعتي :

- تونل هاي مربوط به نيروگاههاي آبي
-
تونل هاي انتقال آب
-
تونل هاي استفاده همگاني و پناهگاهها
-
تونل هاي فاضلاب
-
تونل هاي طرحهاي صنعتي
-
تونل هاي انبارهاي نظامي
-
تونل هاي دفن زباله اتمي

 3- تونل لاینینگ معدني :

- تونل هاي گشايش معدن
-
تونل هاي اكتشافي
-
تونل هاي استخراجي
-
تونل هاي خدماتي
-
تونل هاي زهكشي
تفاوت تونل هاي حمل و نقل و تونل هاي معدني :


تونل هاي معدني پس از استخراج معدن بصورت متروكه رها مي شدند ولي تونل هاي حمل و نقل سازه هايي دائمي هستند و براي استفاده طولاني مدت طراحي مي شوند.

تحقیقات در زمینه محل ساخت تونل:

پیش از حفر و احداث تونل ، بايستي منطقه مورد نظر را مطالعه كرد و مناسب ترين مسير تونل را برگزيد و آنگاه مسير را مطالعه كرد. با وجود اينكه اين مطالعات بسيار پرهزينه و زمان بر است اما بدون انجام آن ممكن است اشكالات اساسي در ضمن احداث تونل رخ دهد كه در زير به مثالهايي از آن اشاره مي شود که در این صورت لاینینگ تونل با مشکل مواجه میشود :


  1-
تونل مورن واقع در مسير راه آهن پاريس به ورساي كه عمليات حفاري آن در سال 1900ميلادي آغاز و در طول مسير با 45 متر ماسه سست مواجه شد كه عبور از آن 15 ماه به طول انجاميد.
  2-
تونل لتسبرگ در فرانسه كه حفاري آن در سال 1908 ميلادي آغاز و پس از حفر 1200 متر از تونل به علت هجوم شديد آب زيرزميني متروك شد.
  3-
تونل مربوط به نيروگاه برق آبي رزلند كه حفر 50 متر از آن 18 ماه طول كشيد.

مراحل تحقیقات تونل لاینینگ شامل:

 1- جمع آوري اطلاعات:

كه با مراجعه به سازمان ها و مؤسساتي كه احتمال دارد در منطقه كار كرده باشند مي توان اطلاعات احتمالي را به دست آورد.

 2- بررسي نقشه هاي توپوگرافي و عكسهاي هوايي منطقه:

براي آگاهي از وضعيت توپوگرافي منطقه بايد بزرگ مقياس ترين نقشه موجود را مطالعه كرد. مطالعه عكسهاي هوايي منطقه در بسياري موارد اطلاعات با ارزشي به همراه دارد مانند چين خوردگي ها، درزه ها، گسل ها و ...

 3- مطالعات زمين شناسي سطحي:

آگاهي از وضعيت زمين شناسي منطقه از جمله ضروري ترين اطلاعات مورد نياز طراحي تونل لاینینگ ها است.

 4-  مطالعات ژئوفيزيكي:

مهمترين كاربرد روشهاي ژئوفيزيكي در اكتشاف ساختگاه تونل ها، تعيين موقعيت هاي غيرعادي است كه بايد به وسيله روشهاي مستقيم و دقيق تر، بررسي شود.

 5- حفر گمانه هاي اكتشافي:

هدف از حفر گمانه هاي اكتشافي شناسايي وضعيت، ضخامت، جنس و مشخصات فيزيكي و مكانيكي سنگ هايي است كه تونل از آنها عبور مي كند.

 6- مطالعات آب شناسي:

از آنجا كه وضعيت آبهاي زيرزميني منطقه و نفوذپذيري سنگها چه از نقطه نظر حفر تونل و چه از نظر طراحي سيستم نگهداري آن اهميت زيادي دارد. لذا بعضي مطالعات آب شناسي نيز انجام مي گيرد.

 7- آزمايش هاي برجا:

روشهاي تعيين مشخصات ژئوتكنيكي زمين به حالت برجا از جمله مهمترين مطالعاتي است كه قبل از احداث تونل انجام مي گيرد.

 8- پيش بيني نشست زمين:

با توجه به اهميت پديده نشست زمين بايد روشهايي را براي حفر و نگهداري تونل ها برگزيد كه نشست به حداقل ممكن برسد.

طراحي تونل :

طراحي شكل و ابعاد مقطع تونل بسته به نوع كاربري آن و شرايط زمين شناختي منطقه فرق مي كند. به عنوان مثال تونل لاینینگ معادن داراي سطح مقطع ذوزنقه اي شكل، تونل هاي راه به شكل هلالي، تونل لاینینگ راه آهن به شكل دايره و چهارگوش، و تونل هاي آبرساني نيز با توجه به حداكثر توان پيش بيني شده نيروگاه فرق مي كند.

تاثیر زمين شناختي در طراحي تونل :

 1- چين خوردگي: وجود چين خوردگي در سنگ سبب كاهش مقاومت آن مي شود و در اثر احداث تونل ممكن است درز و شكافهاي بيشتري را در سنگ سبب شود.
  2-
گسل: وجود گسل سبب ايجاد صفحات شكستگي در سنگ مي شود كه پس از حفر تونل احتمال لغزش قطعات سنگ را به دنبال دارد.
  3-
آب زيرزميني: وجود آب زيرزميني از جمله مسائلي است كه علاوه بر آنكه عمليات تونل سازي را با مشكل مواجه مي سازد خطراتي را نيز در پي دارد.
مواردي كه در بالا اشاره شد از جمله مهمترين مسائلي بود كه در طراحي تونل نقش دارند ولي مواردي مانند زمين هاي آماس پذير، درزه ها، گازهاي موجود در سنگ ها، دماي سنگها، زمين هاي رانشي و ... نيز در طراحي تونل ها نقش دارند كه از اهميت كمتري برخوردارند.

ساخت تونل سپری :

در روش تونل سازي سپري متعارف و معمولي قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت ميماند ولي با اين حال مواردي است که ما نيازمند افزايش قطر موجود در نواحي خاصي از تونل ميباشيم در چنين مواردي قبل از معرفي روش گسترشي ما مجبور به ايجاد مقطع با استفاده از کند و آکند و يا روش ناتم بوديم که البته آن هم بايد پس از بهسازي توده سنگ در مقياس بزرگ انجام ميگرفت ...
در ابتدا اين روش براي ايجاد و حفر تونل در زميني نرم و از زير رودخانه استفاده شد شيوه عمليات مبتني بود بر فشار و فرو بردن استوانه اي فلزي و انعطاف ناپذير در داخل خاک و سپس ايجاد ساختار تونل به طورکل عمليات شامل فرو راندن سپر در داخل خاک و ايجاد لاينينگ از پشت سر سپربود به اين طريق تونل در آن شرايط و بدون ريزش و تخريب در سطوح بالايي تونل مورد نظر حفر شد که البته رانش سپر در داخل توده خاک توسط جکهايي قابل اجراست . اين کار در 1823 در زير رودخانه thames لندن اجرا شد که سطح مقطع سپر به کار رفته نيز مستطيل شکل بود طراحي مقطع دايروي براي سپرهاي مذکور در سال 1869 و از جانب Greathead James Henry مهندس انگليسي ارائه شد استفاده از سگمنتهاي فولادي خاکريزي ونيز تزريق از سوي او در پروه اش به کار برده شد همانگونه که گفته شد سپر جسمي‌است فولادي معمولاً‌به شكل استوانه كه از ريزش مواد به داخل تونل لاینینگ جلوگيري كرده و خود را به جلو و داخل زمين مي‌راند. انواع سپرها عبارتند از :
سپرهاي باز
سپرهاي كور
سپرهاي تعادل فشار خاك
سپرهاي گل آبي
ميتوان گفت که کشور ژاپن نقشي عمده در توسعه اين روش داشته است در تونلهاي احداث شده در شهرهاي بزرگ ژاپن به دليل اينکه اکثرا در زمينهاي سست بوده و همچنين به دليل تراکم رفت و آمد در مناطق پر ترافيک و شلوغ بيشتر به روش سپري حفر شده اند . اين کشور همچنين در امر طراحي و ساخت انواع سپرها و ماشين آلات سپري بسيار پيشرفته ميباشد.
از روش تونل سازي سپري در اواخر دهه شصت قرن نوزدهم و براي احداث تونلهاي زهکشي و فاضلاب استفاده شد و بعد از آن نيز براي ساخت انواع ديگر تونلها نظير تونلهاي کابلهاي انتقال برق و همچنين براي احداث تونل هاي زيرزميني و مترو که از آن به عنوان روش ايجاد تونل در مناطق شهري ياد ميشود تعميم يافت.

ضرورت ناتم در تونل سازی :

روش تونل سازی 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 می گیرد 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.

روش اجرای تونل لاینینگ ناتم:

با اینکه هنوز هیچ پشتوانه نظری حقیقی برای ناتم وجود ندارد اما عواملی وجود دارند که منجر به موفقیت این روش می گردند که عبارتند از:
۱- بتن پاشی به عنوان سازنده سازه ترکیبی قوس سنگ که به حلقه حمال سنگ موسوم بوده و حفره را احاطه می کند.
۲- بتن پاشی به مراتب قدیمی تر از ناتم می باشد اما ویژگی های 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 می باشد. مزیت دیگر آن دستیابی به یک مقاومت نسبی بالادر مدت زمان کوتاه، حدود ۵ نیوتن بر میلی مترمربع (مگاپاسکال) در ۶ ساعت می باشد.
شاتکریت در تونل سازی دارای اثر مضاعف است: محافظت سنگ در اثر هوازدگی و فرسایش: با بستن ترک ها تمرکز تنش در اطراف تونل کاهش یافته، همچنین ضخامت زیاد شاتکریت به عنوان یک قوس نگهدارنده عمل می کند. در تمام موارد اتصال اتصال تنگاتنگ با سنگ مهم می باشد. زیرا این عمل موجب می گردد سنگ بارها را مشترک حمل نموده و ساختاری مرکب با سنگ تشکیل دهد. شاتکریت مناسب، نیاز به یک تکیه گاه نیمه صلب را برآورده می سازد، زیرا دگرشکلی شعاعی زیادی را بدون شکستگی امکان پذیر می سازد. با دگرشکلی های بزرگ تونل، شاتکریت می شکند. اما در صورت مسلح شدن به توری سیمی یا رشته های فولادی، قطعات برش یافته شاتکریت خطری آنی برای خدمه ایجاد نخواهد کرد.
۳- وسیله دیگر برای ساختن طاق بیرونی، قابهای فولادی می باشد. این قابها در توده های سنگ فشرده شده و بسیار خردشونده به کار گرفته شده و تکیه گاهی سریع و موثر برای سنگ به شمار می ایند. در چند سال اخیر کاربرد قوسهای پروفیلی به میزان زیاد افزایش یافته است. این قوس ها نسبت به قابهای فولادی مزایای بیشتری دارند و نیز به دلیل سبک وزن بودن، نصب آنها آسانتر می باشد.
۴- در تونلسازی هوراه با مفاهیم ناتم، نصب میل مهارها جایگاه ویژه ای دارد و اهمیت آنها به همان اندازه اهمیت شاتکریت می باشد. این میل ها نیز مثل شاتکریت در صورت نصب موجب تشکیل حلقه حمال در اطراف توده سنگ می گردند. میل مهارها در برابر دگرشکلی شعاعی مقاومت کرده از اینرو ایجاد دگرشکلی کنترل شده می نماید که شکل ژئومتریک تونل را حفظ می نماید. همچنین میل مهارها از آنرو که تاثیر ناهمسانی و ناهمگونی را کاهش می دهند، تشکیل صفحات برشی و لغزشی را مشکل تر ساخته و سبب ایجاد مقاومت ماندگار بالا حتی در توده های سنگ به شدت دستخورده می گردد که این نیز به نوبه خود سبب بهسازی کیفیت سنگ می گردد. تنش مماسی در حلقه سنگ حمال موجب افزایش چسبندگی مهاری ها می گردد. طاقهای ثانویه ایجاد شده بین تکیه گاهها، در برابر تمایل توده سنگ نسبت به جابجایی به داخل تونل مقاومت ایجاد می نماید که این مقاومت به نزدیکی مهاری ها 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، قوس های فولادی یا پروفیلی، صفحات فولادی و...
نتيجتا هدف اصلی ناتم ایجاد یک قوس نیمه صلب خارجی بلافاصله پس از حفاری با وسایل نگهداری از قبیل شاتکریت، کوه پیچ و غیره می باشد. این امر موجب تنظیم تنش در محدوده اطراف تونل گردیده از سست شدگی مخرب جلوگیری به عمل می آورد و این همان چیزی است که ناتم را از روش های تونلزنی محافظه کارانه تمیز می دهد. زیرا اصولا در شیوه های سنتی تونلسازی، بار سنگ می بایست تماما بوسیله تجهیزات نگهداری تحمل شود که این کار نیز مستلزم صرف هزینه های زیاد می باشد.
روش ناتم بیشتر در نتیجه تجربه عملی بوجود آمده و مانند دیگر روشهایی که در حال تکمیل و تکوین می باشند، 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 وضعیت های متفاوت توده سنگی برخوردار است.
بطور کلی ضروری می باشد که مطالعات و بررسی دقیقی به منظور بررسی ظرایط زمین ساختاری بویژه در زمیسن های نامناسب انجام گرفته، بین هزینه های مطالعات و اجرای عملیات رابطه ای منطقی ایجاد گردد.
تهیه مواد و مصالح مورد نیاز ناتم و طریقه ریختن بتن در فضاها، حتی در طرح های کوچک تونلسازی با ناتم نیاز به ساماندهی مناسب و کارآمد دارد که خود ناشی از تجربه ومهارت بالای معدنچی ها و اجراکاران دارد. اهمیت نصب شعاعی مهاریها به طور سیستماتیک در سنگ های سست، به منظور تامین توزیع مناسب تنش های بوجود آمده در قوس های دایره ای شکل سنگی، فوق العاده مناسب تشخیص داده شده است.
موفقیت در روش ناتم نیاز به آموزش های تئوریک و عملی همزمان در محل عملیات دارد زیرا تنها در ارتباط بودن نزدیک و دقیق مهندسان با مسائل و مشکلات در محل کار می تواند آنها را به اعمال راهنمایی های خاص و دقیق قادر سازد

منبع مطالب : راسخون

تماس با ما

تهران،بلوار آیت الله کاشانی، بعد از شهرداری منطقه 5، روبروی پارک زنبق، مجتمع نورگستر، واحد 35, شرکت تجهیزات قالب فلزی بتن آرتا بنیان صنعت

شماره تماس: 31 100 440 021

09127111164

09125841604

ایمیل: info[a]artasaze.com

وبسایت: www.artasaze.com

نمایندگی عراق : 009647810003461