طراحی و ساخت تونل ها

طراحی و ساخت تونل ها مستلزم پذیرش عدم قطعیت مرتبط با شرایط زیرزمین است. این شرایط را می‌توان توصیف کرد اما هرگز به‌طورقطع قابل‌تشخیص نیستند. در این مقاله به توضیح مسائل ژئوتکنیکی یک پروژه معمولی تونل، از اکتشافات و آزمایش‌ها گرفته تا آنالیز مهندسی، پشتیبانی از انتخاب روش های حفاری تونل، توصیف رفتار زمین، تعریف پارامترهای طراحی و برآورد نشست سطحی و اثرات آن بر روی سازه های مجاور پرداخته می‌شود.

 

اکتشاف و آزمایش

المان‌های برنامه اکتشاف ژئوتکنیکی خواه پروژه احیا و بازسازی تونل موجود باشد، خواه ساخت تونل جدید؛ بر اساس مرحله طراحی و پیچیدگی مورد انتظار از شرایط زیرسطحی متفاوت خواهد بود. مراحل معمول برای تونل های موجود و جدید شامل این موارد است:

بررسی داده های موجود

طراحی و اجرای یک برنامه اکتشاف و آزمایش.

برنامه اکتشاف باید به‌صورت مشترک با تیم طراحی و کارفرما تهیه شود تا هم پارامترهای مورد نیاز برای طراحی لحاظ شود و هم انواع خطر و عدم قطعیت‌ها شناسایی گردد.

 

تونل های موجود

هدف از برنامه اکتشاف برای تونل های پوشش دار موجود، درک پارامترهای پوشش و بارهای مورد انتظار است. این برنامه برای پاسخ به سؤالاتی از این قبیل طراحی شده است: آیا پوشش موجود می تواند بارهای جدیدی را در نزدیکی یا مجاورت تونل تحمل کند؟ در صورت عدم استفاده از پوشش، برای اصلاح ارتفاع آزاد تونل و وسیله نقلیه، بارهای موجود قابل تحمل است؟ اگر بخشی از پوشش تونل برداشته شود، رفتار زمین چگونه خواهد بود؟ برای تونل های موجود بدون پوشش، تمرکز برنامه اکتشاف بر پارامترهای مورد نیاز جرم سنگ است. این برنامه برای پاسخ به سؤالاتی از این قبیل طراحی شده است: آیا برای گسترش تونل به پشتیبانی بیشتری نیاز است؟ آیا تونل می تواند تغییراتی در بارگذاری داشته باشد؟ برای تغییر کاربری تونل، چه نوع پشتیبانی یا پوششی مورد نیاز است؟

مرحله دوم، کار میدانی برای تأیید شرایط و پیکربندی پوشش و درک شرایط ساختار سنگ یا خاک پشت پوشش است. حتی وقتی نقشه های طراحی و سوابق ساخت‌وساز در دسترس هستند، ممکن است نیاز به برخی اکتشافات باشد. درصورتی‌که داده‌ای در دسترس نباشد یا دلیلی برای عدم تطابق تونل با برنامه های پروژه وجود داشته باشد، اکتشاف میدانی ضروری خواهد بود.

اکتشاف پوشش شامل حفاری کاوشی برای برآورد ضخامت پوشش، تهیه مغزه بتنی برای تست مقاومت و تعیین میزان آرماتور، روش های ژئوفیزیکی برای شناسایی ضخامت پوشش و آرماتوربندی و بررسی وضعیت پوشش به لحاظ آسیب‌دیدگی است.

از برخی روش های مشابه می توان برای ارزیابی شرایط پشت پوشش استفاده کرد. از حفاری کاوشی و روش های ژئوفیزیکی می توان برای مشخص کردن حفره ها و فاصله تا سنگ مناسب استفاده کرد. از حفاری های ویژه مغزه گیری از سنگ برای به دست آوردن نمونه هایی از پوشش، خاک یا سنگ استفاده می‌شود. نتایج این اکتشافات در تأیید وجود حفره ها و جمع‌آوری نمونه هایی که برای شناسایی روش های مناسب تزریق، پایداری پوشش موجود و پارامترهای جدید طراحی پوشش مورد استفاده قرار می‌گیرند، کاربرد دارند.

دفعات و فاصله این اکتشافات به شرایط پوشش و زمین بستگی دارد. عامل دیگر تحمل ریسک کارفرما برای مطالبات متفاوت سایت در هنگام ساخت‌وساز است. تونل های سنگی پایدار و موجود، فرصتی بی نظیر برای بررسی ساختار زمین شناسی و توصیف توده سنگ ها می دهد. ممکن است برای طراحی نهایی به نمونه‌برداری و آزمایش مقاومت سنگ نیاز باشد.

 

تونل های جدید

دستورالعمل هایی برای برنامه اکتشافی تونل های جدید، ازجمله کتاب راهنمای AASHTO درباره بررسی‌های زیرسطحی وجود دارند. این برنامه برای تونل های جدید طراحی شده است تا به سؤالاتی از این قبیل پاسخ دهد: توزیع انواع خاک و سنگ و شرایط آب‌های زیرزمینی چگونه است؟ پارامترهای طراحی خاک، سنگ و آب های زیرزمینی چیست؟ رفتار قابل‌انتظار زمین چیست؟ آیا شرایط سختی مانند زمین ساینده، انسداد یا گاز مضر و قابل‌احتراق وجود دارد؟

برای تونل های ترابری، به‌طورمعمول این برنامه مرحله ای است. به‌عنوان‌مثال، در پروژه تونل بیکن هیل در سیاتل واشنگتن، برای کمک به انتخاب مسیر دلخواه تنها سه کاوش در یک کریدور با طول تقریبی یک مایل انجام شد. پس از انتخاب مسیر، چهار کاوش دیگر با آزمایش های مرتبط برای پر کردن شکاف داده ها در مدخل ها و بهبود درک طراحان از شرایط زیرسطحی انجام شد. در مرحله سوم اکتشاف، فاصله بین حفره ها به ۳۰۰ فوت کاهش یافت و بر مناطق با خطر لغزش زمین در درگاه ها و زیرگذرهای بین‌شهری متمرکز شد. یک شفت آزمایشی با عمق تقریبی ۱۵۰ فوت، با تلسکوپی از قطر ۱۶ تا ۱۰ فوت در عمق ۱۰۰ فوتی، در مرحله طراحی نهایی ساخته شد تا اطلاعات بیشتری در مورد خصوصیات خاک و رفتار زمین برای مشاهده شرایط خاک فراهم شود. معمولاً روش های پرهزینه‌تر، مانند آزمایش پمپاژ سفره های آ بخیز و شفت‌های آزمایشی تا زمان طراحی نهایی تکمیل نمی شوند. همچنین میزان اکتشاف و آزمایش‌ها و ترتیب آن ها می تواند بسته به اینکه این قرارداد پروژه طراحی- مناقصه- ساخت باید یا ساخت- طرح باشد، متفاوت است.

حفاری صوتی مغزه در تونل های خاکی برای به دست آوردن مغزه های تقریباً پیوسته خاک محبوبیت زیادی دارد. حفاری چرخشی یا گمانه‌زنی با مته و تست نفوذ به‌خصوص برای توصیف شرایط در درگاه ها یا شفت ها هنوز هم مفید هستند. اتکا به نمونه های تست نفوذ هنوز هم ممکن است در مناطق جغرافیایی باسابقه ساخت تونل موفق و زمین نسبتاً همگن مناسب باشد. این آزمایش می تواند شامل طبقه‌بندی خاک، وزن، مقاومت خاک، پارامترهای تغییر شکل، مدول، هدایت هیدرولیکی، سایش، شکست پرتوی ایکس، مقاومت قلوه‌سنگ یا تخته‌سنگ، پارامترهای خوردگی و گاز قابل‌احتراق یا مضر باشد.

در مورد تونل های سنگی، برنامه اکتشاف شامل حفاری مغزه سنگ به‌صورت عمودی و زاویه‌دار، آزمایش برای شناسایی فاصله و جهت ناپیوستگی، آزمایش های نفوذپذیری و آزمایش مغزه گیری سنگ است. این آزمایش‌ها می تواند شامل وزن واحد، مقاومت سنگ، مدول، دوام، آنالیز پتروگرافی، شکست پرتوی ایکس، سایش و پارامترهای قابلیت حفاری باشد. آزمایش ژئوفیزیکی برای تعیین عمق سربار خاک در درگاه ها و شفت ها نیز ممکن است مناسب باشد. برای تونل ویلر گلچ در کلرادو با ۲۴ فوت عرض و ۳۱۰۰ فوت فقط یک گمانه برای گرفتن مغزه سنگی انجام شد.

 

تحلیل تونل های موجود

تونل های موجود که در این مقاله مورد بحث قرار گرفته است، در یکی از این سه دسته اصلی قرار می گیرند:

• پوشش‌دار کردن یک تونل بدون پوشش
• برداشت جزئی از پوشش
• جایگزینی پوشش

پارامترهای مورد استفاده در طراحی و تجزیه‌وتحلیل بسته به کار انجام شده، متفاوت خواهد بود.

 

طراحی پوشش

فرض معمول در تونل های سنگی بدون پوشش این است که تونل ازنظر استاتیکی پایدار است و در طراحی اولیه پوشش، باید مقاومت در برابر بارهای آینده را در نظر گرفت. این بارها می توانند شامل بار لرزه ای، آب زیرزمینی یا افزایش بار سنگ ناشی از هوازدگی باشد. بخش های بریده‌شده یا هوازده و بلوک های سنگی سست که به‌طور ایمن قابل برداشت نیستند، ممکن است به پشتیبانی بیشتری نیاز داشته باشند. نقش مهندس ژئوتکنیک در این پروژه ها معمولاً تخمین بار احتمالی اضافی آب‌های زیرزمینی و سنگ و شناسایی نوع آرماتور گذاری و بتن‌ریزی متمرکز است. برای اصلاح پوشش موجود، معمولاً تحلیل عددی مورد نیاز است. تحلیل عددی نیازمند فرضیاتی در مورد روش های اصلی خاک‌برداری و پشتیبانی موقت از زمین برای تخمین بار فعلی است. ممکن است نتایج منجر به پر کردن حفره های موجود در پشت پوشش ها برای برقراری مجدد اندرکنش زمین-پوشش شود. هنگام جایگزینی پوشش، درک رفتار زمین برای دانستن اینکه سنگ یا خاک نیازمند بهسازی یا پشتیبانی پیش از جایگزینی هست یا خیر بسیار مهم است. به‌عنوان‌مثال، در پروژه تونل کیپ کریک از ترکیب دوغاب ریزی، پر کردن حفره ها و آرماتور گذاری استفاده شد. روش های طراحی پوشش جایگزین، همان روش هایی است که در ادامه برای تونل های جدید مورد بررسی قرار می گیرد.

 

تحلیل تونل جدید

انتخاب روش

انتخاب روش تونل زنی می تواند مسئولیت پیمانکار باشد یا بر اساس الزامات خاص پروژه توسط کارفرما و نماینده کارفرما تعیین شود. برای تعیین روش مناسب حفاری، از داده های ژئوتکنیکی و آنالیزهای انجام شده در هنگام طراحی استفاده می‌شود. برخی از این روش ها بسته به شرایط زیرسطحی قابل‌انتظار شامل دستگاه حفر تونل (TBM) به روش تعادل فشار دوغاب، TBM با تعادل فشار زمین،TBM گیره ای، روش حفاری پیوسته (SEM) و حفر و انفجار است. سطح مقطع مورد نیاز و طول تونل، محیط کار، تجربه پیمانکار، در دسترس بودن و برنامه زمان بنید پروژه نیز می توانند بر روش کاوش انتخاب شده تأثیر بگذارند.

 

تحلیل پوشش

انتخاب اولیه و نهایی پوشش به شرایط زیرسطحی و همچنین به روش انتخاب شده بستگی دارد. معمولاً تونل های پوشیده شده با خاک در ابتدا با پوشش های بتنی پیش‌ساخته پشتیبانی می شوند و بعدازآن پوشش نهایی به‌صورت درجا در محل قرار می گیرد. پوشش های اولیه SEM معمولاً ترکیبی از شاتکریت و خرپای تیرچه با سایر موارد حفر و انفجار است. پوشش نهایی معمولاً به‌صورت شاتکریت است. روش های دیگر، مانند رودهدر، حفر و انفجار یا تونل زنی با TBM گیره ای را می‌توان در ابتدا با پیچ و مهره و مش پشتیبانی کرد.

نشست

مقدار حرکت زمین ناشی از تونل زنی می تواند نتیجه روش ها و انتخاب های پیمانکار باشد. با این وجود، حرکت زمین به علت تغییر تنش زمین هنگام ساخت‌وساز و واکنش الاستیک زمین تقریباً اجتناب‌ناپذیر است؛ به‌عبارت‌دیگر، فرض نشست صفر عملی نیست. برآورد نشست می تواند با استفاده از روابط تجربی بین کاهش حجم فرضی، نوع خاک، قطر تونل و آنالیز عددی سه‌بعدی که شامل پارامترهای قابل‌انتظار خاک و آب زیرزمینی، وضعیت تنش موجود در زمین قبل از ساخت‌وساز و کلیه مراحل ساخت بعدی است، انجام شود. تحلیل تجربی همچنین می تواند به‌عنوان یک ابزار آزمایشی برای شناسایی ساختمان ها یا سازه هایی که نیاز به تحلیل اضافی دارند، استفاده شود.