مقدمه، تاريخچه و اهداف حفر سازه هاي زير زميني و تونل

 با پيشرفت تكنولوژي در عرصه هاي مختلف، فن تونل سازي نيز از اين امر مستثني نبود و تحولات عمده اي در آن صورت گرفت، هر چند كه هنوز هم روشهاي سنتي كاربرد وسيعي در اين زمينه دارند ولي اين حالت نيز بدليل استفاده از ماشين آلات جديد و تلفيق اين روشها با روشهاي بهسازي و حتي با روشهاي جديد ميسر و باعث كارآمدتر شدن اين روشها به ويژه در تونلهايي با مقاطع بزرگ گرديده است.

براي طراحي و نيز حفر تونل ها مي بايست اول به اهداف حفر تونل بپردازيم و سپس با مطالعه و بررسي كليه روش هاي تونل زني و نگهداري آنها، تونل ها را طراحي و سپس به  حفر آنها بپردازيم.

برخي از نكاتي كه بطور كلي مي توان در ارتباط با تونل سازي بدان اشاره كرد با توجه به محدوديت زمان ايستايي، بشرح زير مي باشد:

شكل مقطع تا حد ممكن حالت بيضوي داشته باشد، نصب نگهداري بايد سريعا بمنظور به حداقل رساندن حركات توده در برگيرنده تونل انجام گيرد. پايداري جبهه كار، بررسي و اقدامات لازم براي نگهداري صورت گيرد. در هر بخش از مراحل حفاري، حلقه شاتكريت مسلح بايد سريعا كامل و بسته شود و در صورت امكان براي مقاطع بزرگ كه به چند بخش تقسيم مي شوند، توصيه شده كه حفر گالري ها بطور متقارن انجام شود، به اين ترتيب توزيع تنش مجدد در لاينينگ و توده در برگيرنده به آرامي و بدون مشكل صورت مي پذيرد.

در ايران از چند هزار سال پيش، به منظور استفاده از آب هاي زيرزميني، تونل هايي موسوم به قنات حفر مي شده است. قنات يكي از ابتكارات شگفت انگيز ايرانيان است كه بر كشاورزي و آبياري فلات ايران از يك سو و از ديگر سو در شكوفايي تمدن و فرهنگ ايران تأثير ماندگار داشته است. طول بعضي از اين سازه هاي زيرزميني كه نوعي تونل هاي انتقال آب به حساب مي آيند به 70 كيلومتر و يا بيشتر نيز مي رسد. تعداد قنات هاي ايران بالغ بر 50000 رشته برآورد شده و جالب توجه آن است كه اين قناتهاي متعدد طويل و حساس از لحاظ جهت و شيب با وسايل بسيار ابتدايي حفر شده اند. موقعيت جغرافيايي كشور ايران شرايط ويژه اقتصادي را بوجود آورده كه لزوم ايجاد شبكه هاي حمل و نقل كارا، مناسب و استاندارد را ايجاب مي كند در صورتي كه اين شرايط و امكان استفاده از هر يك به عنوان فرصتي مناسب جهت توسعه حمل و نقل كشور را دركنار جغرافياي كوهستاني ايران مورد توجه قراردهيم، به نياز فوق العاده كشور به حفر تونل هاي آب، راه و راه آهن پي برده مي شود. در قرن حاضر، پيشرفت تكنولوژي از يك سو و افزايش روز افزون جمعيت و نياز آن به خدمات بيشتر از سوي ديگر، باعث افزايش درخواست براي فضاهاي عمومي شده است. از مهمترين نقش هاي اين خدمات، شبكه راههاي درون شهري است.

 بطور كلي تونل ها با توجه به اهداف آنها به انواع زير تقسيم مي شوند :

  • تونل هاي معادن : به منظور دسترسي، شناسايي و استخراج ماده معدني
  • تونل هاي خدماتي : اين تونل ها از خيابان هاي اصلي عبور مي كند و براي عبور كابل هاي برق، تلفن و ….، لوله هاي فاضلاب، گاز و …..
  • تونل هاي ارتباطي : تونل هاي راه آهن، مترو، راه و …
  • فضاهاي زيرزميني : كه به منظور الف ) احداث تاسيساتي از قبيل استخر ، مجموعه هاي ورزشي و … ب ) احداث نيروگاه در زيرزمين و انبارها  از قبيل نيروگاه برق، پناهگاه هاي جنگ، انبار مواد سوختي، نيروگاه اتمي (نروژ، سوئد، سوئيس و فرانسه) و …
عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري وبررسی روش های حفاری و پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري وبررسی روش های حفاری و پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

 فهرست مطالب

 چكيده  ……………………………………………………………………………………………………………  1

مقدمه  ……………………………………………………………………………………………………………….  2

فصل اول : عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري 

  • عوامل طبيعي …………………………………………………………………………………………………  4
  • عوامل فني و مهندسي. …………………………………………………………………………………….  9
  • عوامل دروني ………………………………………………………………………………………………….. 12
  • فصل دوم : بررسي روش هاي حفاري 

Full Face روش حفاري……………………………………………………………………………………………….14

  • روش اول ………………………………………………………………………………………………………. 14
  • روش دوم حفر روپايي يا زير پايي  ………………………………………………………………………….  15
  • روش سوم ………………………………………………………………………………………………………  15
  • روش حفاري سنتي ……………………………………………………………………………………………. 16
  • روش حفاري به كمك آتشكاري ……………………………………………………………………………….  17
  • حفاري با ماشين آلات حفر تمام مقطع ………………………………………………………………………  17
    • روش  تونلسازي در  زمينهايفوقالعاده ريزشي يا تونلسازي سپري  ………………………………..  17
    • روش حفاري با سپرهاي EPB  ……………………….ا……………………………………………….  21
    • روش حفاري به كمك دستگاه TBM ………………………….ا…………………………………………  23
    • فصل سوم : پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM 

پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM   …………………………..ا……………………………………………………  40

  • نرخ نفوذ ………………………………………………………………………………………………………..  41
    • روش هاي پيش بيني نرخ نفوذ ………………………………………………………………………..  42
    • عوامل مؤثر در نرخ نفوذ TBM …………………….ا…………………………………………………..  45
    • نسبت بين سرعت نفوذپذيري و نيروي وارده به ازاي هر تيغه …………………………………….. 58

رابطه بين PR و AR وQTBM ………………………………………ا……………………………………………..  60

  • اثر فرسايش تيغه بر روي PR و AR و اثر تخلخل و مقدار كوارتز بر روي PR و رابطه اصلي QTBM ..ا………..  61
  • فصل چهارم : مطالعات موردي  تونلهاي ايران و جهان 

4- 1-  تونل دو منظوره مالزي SMART  …………………………….ا…………………………………………………….. 63

4- 2-  قطار شهري تبريز  ………………………………………………………………………………………………….. 69

4- 3-  قطار شهري شيراز  ………………………………………………………………………………………………….  70

4- 4-  آزاد راه تهران شمال (تونل البرز)  ……………………………………………………………………………………  72

فصل نهم : نتيجه گيري و پيشنهادات 

نتيجه گيري …………………………………………………………………………………………………………………….. 76

 

 منابع و مأخذ  ………………………………………………………………………………………………………………….  77

چكيده انگليسي  ………………………………………………………………………………………………………………  78

 

 فهرست جدول ها

 

1-1- مشخصات تونل هاي راه آهن برخي كشورها ………………………………………………………………………….  9

2-1- مزاياي سپر EPB در مقايسه با سپرهاي گلاب و كور  ………………………………………………………………..  36

2-2- مقايسه معايب و مزاياي ماشين هاي TBM  ……………………………………ا……………………………………..  38

2-3- محدوده كاربرد انواع  ماشينهاي حفر تمام مقطع تونل  ……………………………………………………………  39

3-1- نمونه اي از تاثير درزه بر بهبود سرعت نفوذ در سنگ سخت  ………………………………………………………  51

 

3-2- نرخ نفوذ، خصوصيات سنگ و مقادير شكنندگي محاسبه شده  ……………………………………………………….  57

4-1- مشخصات تونل SMART و مشخصات ماشين حفار  ……………………………………………………………………  68

 

 

 

فهرست شكل ها

 – مراحل مختلف حفاري روش اول FULL FACE …………………………………ا……………………………………………… 4

    • مراحل مختلف حفاري روش دوم FULL FACE ……………………….ا………………………………………….. 15
    • مراحل مختلف حفاري روش سوم FULL FACE ……………………………….ا…………………………………  16
  • 4-نمايي از دستگاه TBM ………………………………………………………ا…………………………………………. 23
    • نمايي از TBM باز و TBM سپري …………………………………………………….ا……………………………. 25
    • محدوده كاري ماشين هاي مختلف، پيشنهاد شده از طرف شركت رابينز ………………………………… . 26
    • سيكل كامل حفاري TBM باز از نوع دو كفشكه …………………………………………………………………. 27
    • سيكل كامل حفاري TBM باز از نوع يك كفشكه ………………………………………………………………… 27
    • سيكل كامل حفاري TBM تك سپره ……………………………………………………………………………….. 29
    • – سيكل كامل حفاري S.TBM در زمين هاي نيمه خرد شده يا نامناسب ………………………………………. 30
    • – سيكل كامل حفاري S.TBM در زمين هاي بسيار خرد شده و ريزشي ……………………………………….. 31
    • – روش هاي مختلف نگهداري سينه كار تونل ……………………………………………………………………… 33
    • – سپر باز با پيشاني برشي بسته …………………………………………………………………………………. 34
    • – نمايي از يك سپر تعادلي ………………………………………………………………………………………….. 37
    • دستگاه انجام آزمايش سرشار ……………………………………………………………………………………… 42
    • رابطه نرخ نفوذ و مقاومت فشاري تك محوره …………………………………………………………………… 45
    • رابطه بين نرخ نفوذ و تردي …………………………………………………………………………………………  46
    • رابطه نرخ نفوذ و تعداد درزه در واحد حجم ………………………………………………………………………..  46
    • چهار رده عمده ي شرايط زمين در بحث تونلسازي ……………………………………………………………. 47
    • رابطه بين نرخ نفوذ و فاصله داري درزه …………………………………………………………………………… 52
    • رابطه بين نرخ نفوذ و جهت داري درزه …………………………………………………………………………… 52
    • نرخ نفوذ برمبناي شكنندگي براي TBM مدل …………………………………………………………………….. 57
    • تغييرات سرعت نفوذ نسبت به فشار به ازاي هر تيغه براي درصد معيني سنگ آهك ………………………. 58
    • – افزايش سرعت نفوذ با افزايش فشار به ازاي هر تيغه براي طبقات مختلف گرانيت ………………………… 59
    • – تغييرات لگاريتمي ـ خطي AR و PR نسبت به QTBM ………………….ا………………………………………  60
    • نماي داخلي تونل ………………………………………………………………………………………………….. . 63

نقشه تونل…………………………………………………………………………………………………………………….  ..64

  • مقطع حفاري ……………………………………………………………………………………………………………  66
  • ماشين حفار ……………………………………………………………………………………………………………..  67
  • برش عرضي تونل ……………………………………………………………………………………………………… . 67
  • عمليات حفاري تونل …………………………………………………………………………………………………….. 68
  • دستگاه حفاري تونل تبريز و قطعات آن ……………………………………………………………………………….. 69
  • نماي داخلي ماشين …………………………………………………………………………………………………… 70
  • دستگاه حفاري تونل شيراز و قطعات آن ……………………………………………………………………………. 71
  • – نماي داخلي ماشين ………………………………………………………………………………………………… 72
  • – دستگاه حفاري تونل تونل البرز و قطعات آن ………………………………………………………………………. 73
  • – نماي تونل هاي حفاري شده و شاتكريت تونل ها ………………………………………………………………. 74
  • – نماي داخلي ماشين ………………………………………………………………………………………………… 75

 

فصل اول

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري

 شكلات زمين شناسي خاصي در جريان حفر تونل موجود ميباشند كه هر كدام تاثير خاصي را در طراحي و اجراي تونل دارند كه به شرح زير مي باشند :

   الف ) شيب دار بودن سطح زمين اثر تضعيف كننده اي در جريان حفر تونل دارد.

  • ) آب شناسي
  • ) يكي از مشكلات عمده و بارز، انحلال در سنگ هاي آهكي است كه توليد حفرات يا كارست ها[1] را موجب مي شود و اين انحراف باعث سهولت جريان آب مي شود. مناطق برشي و محور تاقديس ها مناطق متعددي براي تشكيل كارست هستند.[1]

عوامل مختلفي كار تونل سازي را تحت تاثير قرار مي دهند. مهمترين اين عوامل عبارتند از :

 عوامل طبيعي

  • عوامل فني و محاسباتي
  • عوامل دروني (تاثير نوع سنگ بر حفاري)[1]

 1- عوامل طبيعي

شامل موارد زير مي باشند كه به صورت خلاصه مورد بررسي قرار گرفته اند :[1]   11وضعيت زمين 

اين مورد اصلي ترين عامل است هرچند كه تنها عامل موثر نمي باشد ولي مي تواند محدوديت عمده اي را براي برخي روشها فراهم كند. اين عامل خود به سه وضعيت تقسيم مي گردد :

 111زمينهاي سست  

اين وضعيت شامل رسها، گراولها و سنگهاي هوازده كه بطور كلي در زمره موادي هستند كه با روشهاي سنتي بسادگي حفر مي شوند ولي وضعيتشان در ارتباط با سفره هاي آب زير زميني و مواجهه با مقادير قابل توجه آب مشكل آفرين مي باشد و مي تواند توام با ريزش گل و لاي و مواد سست، كنترل زمين و عمليات حفاري را  با مشكل روبرو سازد.

112زمينهاي سنگي  

اين مورد شامل سنگهاي رسوبي نسبتا سست با مقاومت فشاري Mpa40- 10 تا سنگهاي آذرين سخت با مقاومت Mpa300-150 مي شود. ثابت شده كه در سنگهاي نرم حفاري با ماشين مناسب است ولي نياز به نگهداري موقت مي باشد در حاليكه در سنگهاي مقاوم حفاري با سختي بيشتري انجام مي شود ولي به نگهداري موقت نياز كمتري وجود دارد.

 113تركيب وضعيتهاي متفاوت  

در تونل سازي در سنگهاي لايه اي افقي، اغلب با حالتي مواجه مي شويم كه در آن بخش بالاي جبهه كار تونل در سنگهاي هوازده واقع شده در حاليكه بخش پايين جبهه كار در سنگهاي نسبتا مقاومتري قرار دارد. اين وضعيت مشكلاتي را براي ماشين و پيش بيني نگهداري موقت و مناسب براي چنين وضعيتي به دنبال دارد.

بنابراين روش حفاري و تمهيدات لازم براي نگهداري بايد با وضعيت زمين مطابقت داده شود. هر اندازه كه سنگ ضعيف تر باشد، مقطع تونل را به بخشهاي بيشتري تقسيم كرده و حفاري بخشها بصورت جداگانه صورت گيرد.

 114–  زمين هاي آماسي و مچاله شونده  

در شرايطي كه مصالح سنگي با خاصيت پلاستيك در اطراف تونل وجود داشته باشد در اثر نيروي ثقل يا گراديان فشار ناشي از تنش هاي برجاي زمين اين مصالح به فضاي داخل تونل حركت مي كنند. در اين نوع زمين ها، سنگ اطراف فضا بر اثر جذب يا دفع آب به داخل تونل حركت مي كند. تاثير مچاله شوندگي نسبت به خاصيت آماسي به سرعت در جريان حفر آشكار مي شود و در جبهه كار اثر مي كند، در صورتي كه در زمين هاي آماسي به آهستگي بر روي تونل اثر مي گذارد. سنگ هاي پلاستيك و نيمه پلاستيك در شرايط تنش نسبتا پايين، دچار تغيير شكل و گسيختگي مي شوند و از خود رفتار مچاله شوندگي بروز مي دهند. سنگ هاي غني از كاني هاي رسي نه تنها رفتار مچاله شوندگي بلكه ويژگي هاي آماسي نيز از خود بروز مي دهند. اين خاصيت در سنگ هاي خرد شده بين گسلي، گل سنگ ها، سنگ هاي با آلتراسيون بالا و انواع ميكاها ديده مي شود. رفتار آماسي سنگ ها در شرايط وجود آب شروع و تشديد مي گردد.

115زمين هاي روان شونده  

در شرايطي كه مقاومت چسبندگي مواد پايين باشد مشكلات خاصي در زميه كنترل و نگهداري زمين بوجود مي آيد . وجود آب در اين شرايط منجر به جريان يافتگي و روان شدن اين مواد مي شود . جريان يافتگي زماني آغاز مي گردد كه اين مواد از آب اشباع شده باشند (از زماني كه اصطكاك در اثر آب برابر صفر شود) .

12ويژگيهاي محيطي 

واقع شدن در محيط شهري ، وجود سفره هاي آب زير زميني و تغييرات سطح آب زير زميني در اثر زهكشي ، از عوامل محيطي به شمار مي روند . از خصوصيات ديگر محيطي ، رويارويي با مشكلات ناشي از ورود پيوسته يا موقت آب و گاز از سنگ هاي فراگير تونل مي باشد . عوامل ديگري مانند حرارت ، رطوبت و فشار هوا (شامل تاثير هواي فشرده) هم مي توانند تاثير عمده اي بر انتخاب روش حفاري داشته باشند . مي توان عمده ترين عوامل را به صورت زير معرفي نمود :

121–  اثر گسل ها درتونل سازي  

انوا ع گسل هاي موثر در زمينه تونل سازي را مي توان به سه دسته زير تقسيم كرد :

  • گسل هاي نرمال
  • گسل هاي معكوس
  • گسل هاي امتدادي (لغز)

مي توانيم تركيبي از اين سه نوع گسل را در يك محدوده مشاهده كنيم كه اغلب ، مسير آب هاي زير زميني هستند و در صفحه گسل آنها دگرساني ديده مي شود . عرض منطقه گسل به سابقه ي تكتونيك ، زمين شناسي منطقه و البته به نوع سنگ وابسته است . مواد پركننده مي توانند بين صفحات گسل وجود داشته باشند كه يا دانه درشت يا دانه ريز هستند . سنگ هاي مقاوم منشا سنگ هاي دانه درشت و مواد سست تر منشا سنگ هاي دانه ريز هستند .

سنگهاي دانه ريز اغلب حاوي كاني هاي رسي بوده و مي توانند دو نوع رفتار را داشته باشند :

 تغيير شكل پلاستيك در اثر رفتار وابسته به زمان

  • آماس يا تورم در شرايط مرطوب

زمان خودايستايي اين مواد خيلي پايين مي باشد . دانه ريز بودن اين مواد باعث افزايش نفوذ ناپذيري سنگ ها شده است و از طرفي در اثر فعل و انفعالات آب ممكن است مقادير قابل توجهي از اين مواد به درون تونل ريزش نمايد كه در اين حالت خسارات عمده اي را به بار مي آورد كه بايد در انتخاب مسير تونل از چنين مناطقي دوري جست . معمولا پيش بيني نوع مواد پركننده بين صفحات گسل در بين عمليات حفر انجام مي شود . گاهي اوقات صفحات گسل داراي اصطكاك بسيار پاييني بوده و شرايط براي لغزش به داخل فضاي تونل مهيا مي شود . گسل ها مي توانند باعث نفوذ آب به زير ديواره هاي تونل شده و باعث افت مقاومت سنگ ها تا اعماق قابل ملاحظه اي شوند .

 122اثر درزه ها درتونل سازي  

گسل ها جابجايي نسبي بيشتري را دارا هستند و جابجايي درزه ها بر خلاف گسل ها بسيار كم است . معمولا در منطقه چند دسته درزه وجود دارد كه ممكن است نسبت به هم داراي زاويه معيني باشند . درزه هايي كه از نظر شيب و جهت شيب با هم برابر باشند در يك دسته درزه[2]  قرار دارند . اين دسته درزه هاي متقاطع ممكن است توليد بلوك هايي به اندازه هاي متفاوت نموده و اين بلوك ها در امتداد دسته درزه ها قابليت لغزش داشته باشند و بدون در نظر گرفتن نوع سنگ احتمال وجود درزه ها ممكن است . ضمن اينكه در سنگ هاي رسوبي ضخامت لايه بندي نيز به عنوان نقطه ضعف در نظر گرفته مي شود و به عنوان يك ديد كلي فاصله داري درزه ها در سنگ هاي ماسه اي و آهكي در حد متر مي باشد . در شيل ها فاصله درزه داري كمتر مي باشد . در سنگ هاي دگرگوني معمولا 2 دسته درزه هستند كه اغلب يك دسته درزه صفحات كليواژ را با زاويه قائم قطع مي كنند و با افزايش عمق فاصله درزه داري افزايش و دهانه درزه ها كاهش مي يابد . معمولا شرايط درزه هاي موجود در دهانه تونل ها با شرايط درزه هاي سطحي مشابهت دارند . درزه هاي سطحي معمولا تحت هوازدگي ايجاد مي شود و احتمال اينكه در زير سطح زمين همين شرايط حكم فرما باشد كمتر است .

 123اثر آب درتونل سازي  

حجم زياد آب علاوه بر مشكلات اجرايي به عنوان خطر بزرگ در نظر گرفته مي شود . پيش بيني دقيق مقدار جريان آب مشكل مي باشد . با انجام رفتارنگاري تفصيلي و دريافت اطلاعات جديد بايد در مورد شرايط آب نيز بازنگري لازم به عمل آيد . وجود مقادير زياد آب در سنگ هاي سست مي تواند منجر به تشكيل حفرات در اطراف تونل و سرازير شدن حجم عظيمي از خاك و سنگ به داخل تونل گردد . در برخي از پروژه هاي تونل سازي ، آب هاي گرم زير زميني حاوي گاز ديده مي شود كه علاوه برآب وجود گاز نيز منجر به اختلالاتي مي شود .

 124–  تغيير شكل در اثر چين خوردگي و اثر چين خوردگي ها درتونل سازي  

اين پديده در سنگ هاي رسوبي بهتر ديده و مشخص مي شود . طول چين خوردگي بسيار متغير است و مي تواند از چند سانتي متر تا ده ها متر وحتي تا چندصد متر در نوسان باشد . در اثر چين خوردگي ممكن است در نقاطي تمركز تنش ايجاد گردد و اگر اين تمركز تنش فراتر از مقاومت سنگ باشد انفجار طبيعي سنگ يا راك برست[3] به وقوع مي پيوندد . اين پديده اختلال در امر تونلسازي را ايجاد مي كند و مي توان آن را بيشتر در سنگ هاي تردتر و محكم تر مشاهده نمود . تمركز تنش ناشي از چين خوردگي همچنين مي تواند باعث رانش بلافاصله سنگ هاي اطراف تونل شود . در مقايسه با انفجار طبيعي سنگ اين پديده قابل تحمل تر است ، چون حالت آن تدريجي است و سرعت آن كم است .

 13–  وضعيت مسير تونل 

بطور كلي وضعيت مسير تونل به عواملي چون ارتفاع يا تراز تونل از زمين، شيب مسير و انحناي آن بستگي دارد كه در زير به بررسي هر يك مي پردازيم.

 131–  ارتفاع يا تراز 

در تونلهاي سطحي كه از نواحي تپه اي عبور مي كنند مسير توسط توپوگرافي محل تعيين مي شود . ملاحظات عادي ديگر كه بر انتخاب مسير حاكم مي باشد شامل لايه خاكي كه تونل بايد در آن حفر شود ، محل آن نسبت به آب زيرزميني و شيب مي باشد . تا آنجا كه ممكن است بايد از قرار دادن تونل در زير سطح آب زيرزميني خودداري نمود. قرار دادن چنين تونلي در داخل يك لايه نفوذ ناپذير در زير ضخامت كافي سودمند مي باشد . اين ضخامت بايد براي جلوگيري از فرار هواي فشرده ( در صورتيكه براي عمليات تونلسازي از هواي فشرده استفاده مي شود ) ، كافي باشد . به هر حال در مواقع لزوم ، تونل پس از پيش بيني هاي لازم مي تواند در زير سطح آب جاري قرار گيرد . در تونلهاي زير سطح آب، عمليات حفاري در زير سطح آب جاري انجام مي شود . در اين صورت عمليات حفاري تونل بايد با استفاده از هواي فشرده انجام شود، در نتيجه اين تونلها بايد در زير روباره كافي قرار داده شوند تا فرار هواي فشرده به حداقل خود برسد.

 132–  شيب  

شيب هر مقطع به ملاحظات نيروها و نيروهاي كششي وابسته مي باشد . همچنين از ديدگاه ملاحظات زهكشي 2/0 تا 3/0 درصد است كه آب زهكشي مي تواند بطور اتوماتيك جريان پيدا كند . از لحاظ نيروهاي كششي شيب مجاز به دليل كاهش چسبندگي و افزايش مقاومت داخل تونل ، بايد از مقدار آن در فضاي باز كمتر باشد.

در حال حاضر براي مسيرهاي با ترافيك سنگين شيب 1% ترجيح داده مي شود. در تونلهاي مترو شيبهاي 3 و 4 درصد مي تواند با افزايش لوكوموتيوها استفاده شود. اين امر باعث صرفه جويي و كمك به شتاب گيري و كاهش شتاب ترنها در موقع حركت و توقف مي شود . در مورد تونلهاي راه آهن، در صورت امكان حداكثر شيب تونلها نبايد از 5/7 درصد شيب معمول خطوط تجاوز كند. اين شيب بايد 3000 فوت (900 متر ) قبل و 1000 فوت ( حدود 300 متر ) بعد از تونل ادامه داشته باشد.

133–  انحنا 

مقادير مقاومت در انحنا در داخل تونل به همان مقدار خارج تونل است و در نتيجه قوانين اصلاح انحنا با توجه به سرعت در داخل تونلها نيز قابل كاربرد مي باشد . به هر حال بايد از پيچهاي تيز كه باعث ايجاد مشكلاتي در مسيريابي ، عمليات تونل زني و ديگر اشتباهات مي شود ، اجتناب شود . يك مسير ايده آل براي تونل اين است كه قسمت اصلي مسير ( در صورتيكه در مورد تمام مسير امكانپذير نيست ) روي يك خط راست باشد . در ايران طبق استاندارد كامپاكس براي طراحي خطوط جديد و نوسازي خطوط موجود ، قوسهاي مدور در خطوط اصلي راه آهن بايد حداقل با شعاع قوس 2000 متري طرح و تحت اوضاع استثنايي به 1500 متر تقليل يابد تا حداكثر سرعت 160 كيلومتر بر ساعت براي قطار مقدور شود.

 2 – عوامل فني و مهندسي[1]

21ابعاد تونل و تعيين مقطع عرضي تونل   

تونلها چه با قطر كم در حد ميكرو تونل ها و چه با قطر زياد نيازمند به بررسيهاي ويژه اي هستند تا ارزيابي جامعي از وضعيت زمين حاصل شود . افزايش ابعاد تونل نيز تغييرات مهم قابل توجهي را مطرح مي سازد . در روش هاي سنتي حفر زمينهاي نرم هر اندازه مقطع تونل بزرگتر باشد تعداد بخش هاي حفاري را بايد بيشتر گرفت تا به اين صورت زمان ايستايي هر بخش بيشتر باشد . انتخاب مقطع عرضي تونل بوسيله يك يا چند مورد از فاكتورهاي زير ديكته مي شود :

  • ابعاد اختصاص داده شده براي وسايل و كالاهاي عبوري از تونل .
  • نوع ، مقاومت ، آب محتوي و فشار خاك .
  • روش حفاري .
  • مواد و مقاومت پوشش نهايي تونل با توجه به نيروهاي داخلي كه روي آن اثر دارد .
  • يك خطه يا دو خطه بودن تونل .

ابعاد معمول كه براي تونلهاي راه آهن در كشورهاي مختلف پذيرفته شده اند در جدول (1-1) آمده است .

22–  شكل هندسي تونل

براي تعيين شكل هندسي تونل به منظور استفاده در طراحي و انتخاب روش حفاري بررسي موارد زير حائز اهميت مي باشد :

221شكل هندسي تونل  

پنج شكل هندسي اصلي براي تونل ها (معمولا تونل هاي ترابري ) وجود دارد :

  • دايره اي 2- D شكل   3- نعل اسبي  4- تخم مرغي   5-  مستطيلي .

بعلاوه، نوع نعل اسبي اصلاح شده و شكل تخم مرغي اصلاح شده نيز وجود دارد . نوع نعل اسبي اصلاح شده در عمل براي احداث آسان تر است و در مقاطعي كه هر دو مقطع دايره اي و نعل اسبي وجود دارد و بايد با يكديگر تطبيق داده شوند ، به راحتي به مقطع دايره اي تبديل مي شود .

 22فاكتورهاي تاثير گذار روي انتخاب شكل هندسي تونل انتخاب شكل هندسي تونل به فاكتورهاي زير بستگي دارد :

1- زمين شناسي 2-  آب شناسي 3-  ساختار 4-  كاربرد

   شكل دايره اي : به طور ساختاري بيشترين كارآيي را دارد . بطوريكه همه فشارهاي وارده ، به حلقه اي از تنشهاي كششي – فشاري تبديل مي شود و در نتيجه اين شكل بهترين شكل براي مقاومت در برابر تنشهاي سنگين شعاعي به طرف داخل يا خارج مي باشد . با توجه به اين موضوع اين شكل براي انتقال آب تحت فشار با روباره ناكافي و همچنين براي تونلهاي ترابري عميق كه در خاك نرم حفر مي شوند ايده آل است .

  D شكل : به راحتي احداث مي شود و بيشترين فضاي كارآمد كف را دارد . اما مقدار لاينينگ آن به خصوص در ديواره هاي كناري ، سنگين مي باشد كه معمولا آنرا غير اقتصادي مي كند . به هر حال در شرايط سنگهاي آذرين توده اي ، سخت ، فشرده ، دگرگوني و آذرين با كيفيت خوب كه پوشش نهايي لازم نيست  ، خوب و اقتصادي مي باشد .

  نعل اسبي و نعل اسبي اصلاح شده : اين مقطع حد واسط مقطع دايره اي وD شكل  مي باشد . شكل نعل اسبي اصلاح شده براي احداث ، ساده تر و از لحاظ استفاده از مقاطع ، به خصوص در انتقال آب اقتصادي تر است . استفاده از اين مقطع ميزان آتشباري را به خصوص براي گوشه ها كاهش مي دهد . در تونلهاي ترابري به دليل اينكه اين مقطع فضاي زير بستر جاده را كاهش مي دهد ، به مقطع دايره اي ترجيح داده مي شود .

تخم مرغي و بيضوي  : اين شكل براي سنگهاي نرم لايه اي و تقريبا متورق و مواقعيكه فشارهاي خارجي و نيروهاي كششي در تاج زياد مي باشند ، مناسب است . اين شكلها براي تونلهاي ترابري مناسب نيستند ، زيرا براي ايجاد عرض لازم براي ترابري اقتصادي نمي باشند .

 شكل مستطيلي : بطور ساختاري كارآيي زيادي  ندارد و عموما براي متروهاي زيرزميني استفاده مي شود . اين شكل براي تحليل و احداث ساده مي باشد ، ولي به هر حال از لحاظ استفاده از مصالح، اقتصادي نيست .

در تونلهاي راه آهن و راه كه در زير آب حفر مي شوند، اغلب از پروفيل دايره اي استفاده مي شود و اين پروفيل به ندرت در مناطق تپه اي و براي تونلهاي سطح به سطح استفاده مي شود . اين مقطع بهترين مقطع براي تونلهايي است كه توسط  TBM در زمينهاي نرم و خاكي با مقاومت متوسط حفر مي شوند، مي باشد .

 223انتخاب شكل  

در سنگهاي سخت انتخاب شكل مقطع نعل اسبي ، حتي در مورد تونلهاي دو خطه اقتصادي ترين مقطع مي باشد . در خاكهاي نرم استفاده از دو تونل يك خطه با سطح مقطع دايره اي اقتصادي تر مي باشد ، علاوه بر اين در خاك نرم استفاده از روش سپر حفاري يا حفاري با TBM پيشرفته ترين روش براي استفاده از حفاري مكانيزه مي باشد . در صورتيكه دو تونل يك خطه بصورت همزمان و در زمين نرم حفاري مي شوند ، فاصله آنها نبايد كمتر از 25 تا 30 متر باشد و در صورتيكه يكي از اين دو پس از ديگري حفر شوند ، فاصله اين دو تونل بايد با در نظر گرفتن تنش القايي تونل اوليه بر تونل دومي انتخاب شود.

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري وبررسی روش های حفاری و پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري وبررسی روش های حفاری و پارامترهاي مؤثر در عملكرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

فصل دوم  بررسي روشهاي حفاري

 عوامل موثر در طراحي و انتخاب روش حفاري درفصل اول به طور كامل مورد بررسي قرار گرفت . روشهاي حفاري بيشتر وابسته به نوع زمين و نگهداري مربوط به آن طراحي مي شوند و اكثر اين روشها مستقيما وابسته  به نوع نگهداري تونل ها كه خود آن نيز وابسته به نوع محل و جنس زمين حفاري است ، مي باشند . روشهاي مختلف حفاري بسته به نوع نگهداري و حفاري تونل به سه دسته زير تقسيم مي شوند :

  • روش حفاري Full Face (روش نگهداري پاياني)
  • روش حفاري سنتي (چند مرحله اي با نگهداري همزمان)
  • روش حفاري به كمك آتشكاري (روش نگهداري بسته به نوع و موقعيت حفاري)
  • ساير روش ها (روش هاي حفاري با ماشين آلات TBM)[1]

 1- روش حفاري Full Face (روش نگهداري پاياني)

اين روش به سه صورت انجام مي گيرد كه به صورت زير مي باشند :[1]

 11روش اول  

در اين روش ابتدا دو تونل پيشروي در كف و سقف تونل در طول از قبل تعيين شده حفر مي كنند و سپس يك دويل بالارو بين دو تونل پيشرو كف و سقف ايجاد مي كنند . حفر و تعريض اين تونل ها از بالا به پايين بوده و حفاري در تمام مقطع در يك طول از قبل تعيين شده صورت مي گيرد . مراحل مختلف حفاري اين روش در شكل (2- 1) نشان داده شده است . در اين روش مي توان باربري و حفاري را به طور مستقل يا همزمان انجام داد . پس از اتمام  حفاري يك سيكل كامل پوشش نهايي تونل در طول سيكل از كف تا سقف تونل به صورت كامل انجام مي گيرد . شرايط خوب حمل و نقل و داشتن جبهه كارهاي متعدد از مزاياي روش و مي توان گفت تنها عيب اين روش تهويه نا مناسب آن در جبهه كار ها مي باشد .

   شكل (2 – 1) مراحل مختلف حفاري روش اول [1]Full Face

12روش دوم  حفر روپايي يا زير پايي[1]  

در اين روش ابتدا تونل پيشروي بالايي در وسط مقطع تونل در  طول معيني حفر مي گردد و سپس در دو طرف آن مراحل تعريض يا گشاد كردن تونل آغاز مي شود . با رسيدن به حد مجاز تونل هاي پيشروي بالارو ، مقطع پاييني تونل نيز به اين صورت شروع به كار مي كند و با رسيدن اين تونل ( تونل مياني ) به حد و اندازه كافي و مجاز تونل ، پيشروي كف نيز آغازمي شود . مي توان گفت كه در اين روش سه جبهه پيشروي تونل با رسيدن به حد مجاز خود مي توانند همزمان كار حفاري و تعريض تونل را انجام دهند . مراحل مختلف حفاري اين روش در شكل(2- 2) نشان داده شده است .در پايان حفاري پوشش تونل از كف تا بالا به صورت حلقه اي انجام مي شود . در اين روش باربري و حمل مستقل از هم صورت مي گيرند ولي اين روش از تهويه مناسبي برخوردار است

در اين روش ابتدا تونل پيشرويي در كف و در وسط تونل آغاز مي شود كه اين تونل در طول معيني حفاري مي گردد و سپس تونل مياني و تونل بالايي نيز به ترتيب حفر مي گردند . پس از حفاري قسمت مياني تونل ، تونل از دو طرف حفاري هاي مياني از بالا به پايين تعريض مي گردد . در كل در اين روش حفاري از پايين به بالا بوده و سپس تونل را ازبالا  به پايين گشاد مي كنند.  مراحل مختلف حفاري اين روش در شكل (2-  3) نشان داده شده است . اين روش مناسب حفاري در سنگهاي سخت و نسبتا سخت مي باشد كه يا نيازي به نگهداري ندارند يا اين كه تونل قدرت كافي براي براي تحمل تنش وارده بر خود را داراست و مي توان نگهداري را در پايان كار انجام دا+د . احداث پوشش نهايي اين تونل همانند روش اول از پايين به بالا به صورت يكباره انجام مي گيرد .

 2 – روش حفاري سنتي (نگهداري همزمان)

در اين روش ها همزمان با حفر تونل عمليات نگهداري تونل نيز انجام مي گيرد واين روش ها را مي توان به چند دسته تقسيم كرد كه به صورت زير مي باشند :

 الف )  روش گود كني (بلژيكي)   ب  )  روش جاگذاري مياني (آلماني)   ج  )  روش كف بندي قوسي (ايتاليايي)   د  )  روش هاي تركيبي از سه روش فوق 

اين روش ها به طور كلي براي زمين هاي نرم و خاكي مناسب هستند كه مهمترين عامل در انتخاب آنها پايداري زمين است . نمونه هايي از اين عوامل به همراه روش حفاري آنها در زير ارائه شده است :

الف ) در زمين هايي كه زير پايه هاي قوسي آن به حدكافي پايدار هستند و مي توانند به طور موقت تمام وزن قوس را كه توسط فشار سقف بارگذاري شده است را بدون نشست تحمل كنند از روش گودكني يا همان روش بلژيكي استفاده مي شود.

  • ) در زمين هايي كه تحمل بار كمتري دارند ولي پايداري كافي براي تحمل بار ناشي از فشار سقف را بدون جابجايي و نشست عمده در افق پاييني يا كف تونل داشته باشند مي توان روش جاگذاري مياني يا همان روش آلماني را پيشنهاد داد.
  • ) در زمين هاي نرم كه لازم است به منظور انتقال ايمن بارها ، تمام عرض تونل بارگذاري شود ، مي توان از روش كف بندي قوسي يا همان روش ايتاليايي استفاده نمود.

روش هاي زير روش هاي كلاسيك حفاري در زمين هاي نرم و خاكي هستند كه مي توان آنها را زير مجموعه روش حفاري سنتي يا چند مرحله اي دانست كه به شرح زير مي باشند :

2- 1-  روش حفاري آلماني

2- 2-  روش حفاري شبه آلماني

2- 3-  روش حفاري اتريشي

2- 4-  روش حفاري اتريشي پيشرفته (NATM)

2- 5-  روش حفاري بلژيكي

2- 6- روش حفاري ايتاليايي

2- 7-  روش حفاري انگليسي

2- 8-  روش S.C.L يا پوشش بتني[2]

2- 9-  روش گالري هاي كناري[3]

2- 10-  روش ديافراگم مياني[4]

  • 11- روش نيمه بالايي با پله[5]
    • روش تونلسازي در زمين هاي فوق العاده ريزشي يا تونلسازي سپري
    • روش حفاري با سپرهاي [6]EPB
    • روش حفاري با كمك دستگاه [7]TBM [1]

 3- روش حفاري به كمك آتشكاري (روش نگهداري بسته به نوع و موقعيت حفاري)

  دو روش آتشكاري در تونل وجود دارد: 

 چالزني و آتشباري به روش سوئدي

  • روش حفاري NTNU ( نروژي يا سوئدي اصلاح شده)[1]

 4- ساير روشهاي حفاري (حفاري با ماشين آلات حفر تمام مقطع)

 41–  روش تونل سازي در زمين هاي فوق العاده ريزشي يا تونل سازي سپري 

بطور كلي در زمين هاي نرم و خاكي از سپرها به عنوان يك روش استاندارد و به منظور تامين ايمني براي افراد و دستيابي به راندمان بالاتر حفر استفاده مي شود. در شرايطي كه سطح مقطع تونل كوچكتر باشد استفاده از سپرها لزومي ندارد. همچنين طول تونل مي تواند عامل ديگري براي در نظر گرفتن روش سپري به عنوان روش حفاري باشد. پس از آنكه كارآيي تونل هاي سپري در محيط آبدار ثابت شد، استفاده از اين روش طرفداران زيادي پيدا كرد. اولين سپر توسط شخصي به نام برانول[8] ابداع و در احداث چند تونل بكار رفت. در سپرهاي اوليه از سيستم هواي فشرده استفاده نمي شود.

شرايط زمين هايي كه تونل سازي سپري در آنها استفاده مي شود عبارتند از :

الف) خاكهاي ضعيف غير چسبنده   ب  ) خاكهاي ضعيف پلاستيك

ج  ) خاكهاي واقع در زير سطح ايستابي[1]

 الف) خاكهاي ضعيف غير چسبنده  

خاكهاي فاقد چسبندگي مشكلات عمده اي از لحاظ ايمني و راندمان حفر با استفاده از روش هاي معمولي تونل سازي در زمين هاي نرم ايجاد مي كند. سپرها امكان كنترل بهتري را بر روي فضاهايي كه بعد از حفر تونل در بالاي آن ايجاد مي شود، فراهم مي آورند به اين مفهوم كه فرصت عملياتي نظير تزريق دوغاب و غيره را در اختيار داريم . 


مقطع : کارشناسی ارشد

 

خرید فایل word