مقدمه، تاریخچه و اهداف حفر سازه های زیر زمینی و تونل

 با پیشرفت تکنولوژی در عرصه های مختلف، فن تونل سازی نیز از این امر مستثنی نبود و تحولات عمده ای در آن صورت گرفت، هر چند که هنوز هم روشهای سنتی کاربرد وسیعی در این زمینه دارند ولی این حالت نیز بدلیل استفاده از ماشین آلات جدید و تلفیق این روشها با روشهای بهسازی و حتی با روشهای جدید میسر و باعث کارآمدتر شدن این روشها به ویژه در تونلهایی با مقاطع بزرگ گردیده است.

برای طراحی و نیز حفر تونل ها می بایست اول به اهداف حفر تونل بپردازیم و سپس با مطالعه و بررسی کلیه روش های تونل زنی و نگهداری آنها، تونل ها را طراحی و سپس به  حفر آنها بپردازیم.

برخی از نکاتی که بطور کلی می توان در ارتباط با تونل سازی بدان اشاره کرد با توجه به محدودیت زمان ایستایی، بشرح زیر می باشد:

شکل مقطع تا حد ممکن حالت بیضوی داشته باشد، نصب نگهداری باید سریعا بمنظور به حداقل رساندن حرکات توده در برگیرنده تونل انجام گیرد. پایداری جبهه کار، بررسی و اقدامات لازم برای نگهداری صورت گیرد. در هر بخش از مراحل حفاری، حلقه شاتکریت مسلح باید سریعا کامل و بسته شود و در صورت امکان برای مقاطع بزرگ که به چند بخش تقسیم می شوند، توصیه شده که حفر گالری ها بطور متقارن انجام شود، به این ترتیب توزیع تنش مجدد در لاینینگ و توده در برگیرنده به آرامی و بدون مشکل صورت می پذیرد.

در ایران از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آب های زیرزمینی، تونل هایی موسوم به قنات حفر می شده است. قنات یکی از ابتکارات شگفت انگیز ایرانیان است که بر کشاورزی و آبیاری فلات ایران از یک سو و از دیگر سو در شکوفایی تمدن و فرهنگ ایران تأثیر ماندگار داشته است. طول بعضی از این سازه های زیرزمینی که نوعی تونل های انتقال آب به حساب می آیند به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز می رسد. تعداد قنات های ایران بالغ بر 50000 رشته برآورد شده و جالب توجه آن است که این قناتهای متعدد طویل و حساس از لحاظ جهت و شیب با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند. موقعیت جغرافیایی کشور ایران شرایط ویژه اقتصادی را بوجود آورده که لزوم ایجاد شبکه های حمل و نقل کارا، مناسب و استاندارد را ایجاب می کند در صورتی که این شرایط و امکان استفاده از هر یک به عنوان فرصتی مناسب جهت توسعه حمل و نقل کشور را درکنار جغرافیای کوهستانی ایران مورد توجه قراردهیم، به نیاز فوق العاده کشور به حفر تونل های آب، راه و راه آهن پی برده می شود. در قرن حاضر، پیشرفت تکنولوژی از یک سو و افزایش روز افزون جمعیت و نیاز آن به خدمات بیشتر از سوی دیگر، باعث افزایش درخواست برای فضاهای عمومی شده است. از مهمترین نقش های این خدمات، شبکه راههای درون شهری است.

 بطور کلی تونل ها با توجه به اهداف آنها به انواع زیر تقسیم می شوند :

  • تونل های معادن : به منظور دسترسی، شناسایی و استخراج ماده معدنی
  • تونل های خدماتی : این تونل ها از خیابان های اصلی عبور می کند و برای عبور کابل های برق، تلفن و ….، لوله های فاضلاب، گاز و …..
  • تونل های ارتباطی : تونل های راه آهن، مترو، راه و …
  • فضاهای زیرزمینی : که به منظور الف ) احداث تاسیساتی از قبیل استخر ، مجموعه های ورزشی و … ب ) احداث نیروگاه در زیرزمین و انبارها  از قبیل نیروگاه برق، پناهگاه های جنگ، انبار مواد سوختی، نیروگاه اتمی (نروژ، سوئد، سوئیس و فرانسه) و …
عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری وبررسی روش های حفاری و پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری وبررسی روش های حفاری و پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

 فهرست مطالب

 چکیده  ……………………………………………………………………………………………………………  1

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

فصل اول : عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری 

  • عوامل طبیعی …………………………………………………………………………………………………  4
  • عوامل فنی و مهندسی. …………………………………………………………………………………….  9
  • عوامل درونی ………………………………………………………………………………………………….. 12
  • فصل دوم : بررسی روش های حفاری 

Full Face روش حفاری……………………………………………………………………………………………….14

  • روش اول ………………………………………………………………………………………………………. 14
  • روش دوم حفر روپایی یا زیر پایی  ………………………………………………………………………….  15
  • روش سوم ………………………………………………………………………………………………………  15
  • روش حفاری سنتی ……………………………………………………………………………………………. 16
  • روش حفاری به کمک آتشکاری ……………………………………………………………………………….  17
  • حفاری با ماشین آلات حفر تمام مقطع ………………………………………………………………………  17
    • روش  تونلسازی در  زمینهایفوقالعاده ریزشی یا تونلسازی سپری  ………………………………..  17
    • روش حفاری با سپرهای EPB  ……………………….ا……………………………………………….  21
    • روش حفاری به کمک دستگاه TBM ………………………….ا…………………………………………  23
    • فصل سوم : پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM 

پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM   …………………………..ا……………………………………………………  40

  • نرخ نفوذ ………………………………………………………………………………………………………..  41
    • روش های پیش بینی نرخ نفوذ ………………………………………………………………………..  42
    • عوامل مؤثر در نرخ نفوذ TBM …………………….ا…………………………………………………..  45
    • نسبت بین سرعت نفوذپذیری و نیروی وارده به ازای هر تیغه …………………………………….. 58

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

  • اثر فرسایش تیغه بر روی PR و AR و اثر تخلخل و مقدار کوارتز بر روی PR و رابطه اصلی QTBM ..ا………..  61
  • فصل چهارم : مطالعات موردی  تونلهای ایران و جهان 

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

4- 2-  قطار شهری تبریز  ………………………………………………………………………………………………….. 69

4- 3-  قطار شهری شیراز  ………………………………………………………………………………………………….  70

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

فصل نهم : نتیجه گیری و پیشنهادات 

نتیجه گیری …………………………………………………………………………………………………………………….. 76

 

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

چکیده انگلیسی  ………………………………………………………………………………………………………………  78

 

 فهرست جدول ها

 

1-1- مشخصات تونل های راه آهن برخی کشورها ………………………………………………………………………….  9

2-1- مزایای سپر EPB در مقایسه با سپرهای گلاب و کور  ………………………………………………………………..  36

2-2- مقایسه معایب و مزایای ماشین های TBM  ……………………………………ا……………………………………..  38

2-3- محدوده کاربرد انواع  ماشینهای حفر تمام مقطع تونل  ……………………………………………………………  39

3-1- نمونه ای از تاثیر درزه بر بهبود سرعت نفوذ در سنگ سخت  ………………………………………………………  51

 

3-2- نرخ نفوذ، خصوصیات سنگ و مقادیر شکنندگی محاسبه شده  ……………………………………………………….  57

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

 

 

 

فهرست شکل ها

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

    • مراحل مختلف حفاری روش دوم FULL FACE ……………………….ا………………………………………….. 15
    • مراحل مختلف حفاری روش سوم FULL FACE ……………………………….ا…………………………………  16
  • 4-نمایی از دستگاه TBM ………………………………………………………ا…………………………………………. 23
    • نمایی از TBM باز و TBM سپری …………………………………………………….ا……………………………. 25
    • محدوده کاری ماشین های مختلف، پیشنهاد شده از طرف شرکت رابینز ………………………………… . 26
    • سیکل کامل حفاری TBM باز از نوع دو کفشکه …………………………………………………………………. 27
    • سیکل کامل حفاری TBM باز از نوع یک کفشکه ………………………………………………………………… 27
    • سیکل کامل حفاری TBM تک سپره ……………………………………………………………………………….. 29
    • – سیکل کامل حفاری S.TBM در زمین های نیمه خرد شده یا نامناسب ………………………………………. 30
    • – سیکل کامل حفاری S.TBM در زمین های بسیار خرد شده و ریزشی ……………………………………….. 31
    • – روش های مختلف نگهداری سینه کار تونل ……………………………………………………………………… 33
    • – سپر باز با پیشانی برشی بسته …………………………………………………………………………………. 34
    • – نمایی از یک سپر تعادلی ………………………………………………………………………………………….. 37
    • دستگاه انجام آزمایش سرشار ……………………………………………………………………………………… 42
    • رابطه نرخ نفوذ و مقاومت فشاری تک محوره …………………………………………………………………… 45
    • رابطه بین نرخ نفوذ و تردی …………………………………………………………………………………………  46
    • رابطه نرخ نفوذ و تعداد درزه در واحد حجم ………………………………………………………………………..  46
    • چهار رده عمده ی شرایط زمین در بحث تونلسازی ……………………………………………………………. 47
    • رابطه بین نرخ نفوذ و فاصله داری درزه …………………………………………………………………………… 52
    • رابطه بین نرخ نفوذ و جهت داری درزه …………………………………………………………………………… 52
    • نرخ نفوذ برمبنای شکنندگی برای TBM مدل …………………………………………………………………….. 57
    • تغییرات سرعت نفوذ نسبت به فشار به ازای هر تیغه برای درصد معینی سنگ آهک ………………………. 58
    • – افزایش سرعت نفوذ با افزایش فشار به ازای هر تیغه برای طبقات مختلف گرانیت ………………………… 59
    • – تغییرات لگاریتمی ـ خطی AR و PR نسبت به QTBM ………………….ا………………………………………  60
    • نمای داخلی تونل ………………………………………………………………………………………………….. . 63

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

  • مقطع حفاری ……………………………………………………………………………………………………………  66
  • ماشین حفار ……………………………………………………………………………………………………………..  67
  • برش عرضی تونل ……………………………………………………………………………………………………… . 67
  • عملیات حفاری تونل …………………………………………………………………………………………………….. 68
  • دستگاه حفاری تونل تبریز و قطعات آن ……………………………………………………………………………….. 69
  • نمای داخلی ماشین …………………………………………………………………………………………………… 70
  • دستگاه حفاری تونل شیراز و قطعات آن ……………………………………………………………………………. 71
  • – نمای داخلی ماشین ………………………………………………………………………………………………… 72
  • – دستگاه حفاری تونل تونل البرز و قطعات آن ………………………………………………………………………. 73
  • – نمای تونل های حفاری شده و شاتکریت تونل ها ………………………………………………………………. 74
  • – نمای داخلی ماشین ………………………………………………………………………………………………… 75

 

فصل اول

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری

 شکلات زمین شناسی خاصی در جریان حفر تونل موجود میباشند که هر کدام تاثیر خاصی را در طراحی و اجرای تونل دارند که به شرح زیر می باشند :

   الف ) شیب دار بودن سطح زمین اثر تضعیف کننده ای در جریان حفر تونل دارد.

  • ) آب شناسی
  • ) یکی از مشکلات عمده و بارز، انحلال در سنگ های آهکی است که تولید حفرات یا کارست ها[1] را موجب می شود و این انحراف باعث سهولت جریان آب می شود. مناطق برشی و محور تاقدیس ها مناطق متعددی برای تشکیل کارست هستند.[1]

عوامل مختلفی کار تونل سازی را تحت تاثیر قرار می دهند. مهمترین این عوامل عبارتند از :

 عوامل طبیعی

  • عوامل فنی و محاسباتی
  • عوامل درونی (تاثیر نوع سنگ بر حفاری)[1]

 1- عوامل طبیعی

شامل موارد زیر می باشند که به صورت خلاصه مورد بررسی قرار گرفته اند :[1]   11وضعیت زمین 

این مورد اصلی ترین عامل است هرچند که تنها عامل موثر نمی باشد ولی می تواند محدودیت عمده ای را برای برخی روشها فراهم کند. این عامل خود به سه وضعیت تقسیم می گردد :

 111زمینهای سست  

این وضعیت شامل رسها، گراولها و سنگهای هوازده که بطور کلی در زمره موادی هستند که با روشهای سنتی بسادگی حفر می شوند ولی وضعیتشان در ارتباط با سفره های آب زیر زمینی و مواجهه با مقادیر قابل توجه آب مشکل آفرین می باشد و می تواند توام با ریزش گل و لای و مواد سست، کنترل زمین و عملیات حفاری را  با مشکل روبرو سازد.

112زمینهای سنگی  

این مورد شامل سنگهای رسوبی نسبتا سست با مقاومت فشاری Mpa40- 10 تا سنگهای آذرین سخت با مقاومت Mpa300-150 می شود. ثابت شده که در سنگهای نرم حفاری با ماشین مناسب است ولی نیاز به نگهداری موقت می باشد در حالیکه در سنگهای مقاوم حفاری با سختی بیشتری انجام می شود ولی به نگهداری موقت نیاز کمتری وجود دارد.

 113ترکیب وضعیتهای متفاوت  

در تونل سازی در سنگهای لایه ای افقی، اغلب با حالتی مواجه می شویم که در آن بخش بالای جبهه کار تونل در سنگهای هوازده واقع شده در حالیکه بخش پایین جبهه کار در سنگهای نسبتا مقاومتری قرار دارد. این وضعیت مشکلاتی را برای ماشین و پیش بینی نگهداری موقت و مناسب برای چنین وضعیتی به دنبال دارد.

بنابراین روش حفاری و تمهیدات لازم برای نگهداری باید با وضعیت زمین مطابقت داده شود. هر اندازه که سنگ ضعیف تر باشد، مقطع تونل را به بخشهای بیشتری تقسیم کرده و حفاری بخشها بصورت جداگانه صورت گیرد.

 114–  زمین های آماسی و مچاله شونده  

در شرایطی که مصالح سنگی با خاصیت پلاستیک در اطراف تونل وجود داشته باشد در اثر نیروی ثقل یا گرادیان فشار ناشی از تنش های برجای زمین این مصالح به فضای داخل تونل حرکت می کنند. در این نوع زمین ها، سنگ اطراف فضا بر اثر جذب یا دفع آب به داخل تونل حرکت می کند. تاثیر مچاله شوندگی نسبت به خاصیت آماسی به سرعت در جریان حفر آشکار می شود و در جبهه کار اثر می کند، در صورتی که در زمین های آماسی به آهستگی بر روی تونل اثر می گذارد. سنگ های پلاستیک و نیمه پلاستیک در شرایط تنش نسبتا پایین، دچار تغییر شکل و گسیختگی می شوند و از خود رفتار مچاله شوندگی بروز می دهند. سنگ های غنی از کانی های رسی نه تنها رفتار مچاله شوندگی بلکه ویژگی های آماسی نیز از خود بروز می دهند. این خاصیت در سنگ های خرد شده بین گسلی، گل سنگ ها، سنگ های با آلتراسیون بالا و انواع میکاها دیده می شود. رفتار آماسی سنگ ها در شرایط وجود آب شروع و تشدید می گردد.

115زمین های روان شونده  

در شرایطی که مقاومت چسبندگی مواد پایین باشد مشکلات خاصی در زمیه کنترل و نگهداری زمین بوجود می آید . وجود آب در این شرایط منجر به جریان یافتگی و روان شدن این مواد می شود . جریان یافتگی زمانی آغاز می گردد که این مواد از آب اشباع شده باشند (از زمانی که اصطکاک در اثر آب برابر صفر شود) .

12ویژگیهای محیطی 

واقع شدن در محیط شهری ، وجود سفره های آب زیر زمینی و تغییرات سطح آب زیر زمینی در اثر زهکشی ، از عوامل محیطی به شمار می روند . از خصوصیات دیگر محیطی ، رویارویی با مشکلات ناشی از ورود پیوسته یا موقت آب و گاز از سنگ های فراگیر تونل می باشد . عوامل دیگری مانند حرارت ، رطوبت و فشار هوا (شامل تاثیر هوای فشرده) هم می توانند تاثیر عمده ای بر انتخاب روش حفاری داشته باشند . می توان عمده ترین عوامل را به صورت زیر معرفی نمود :

121–  اثر گسل ها درتونل سازی  

انوا ع گسل های موثر در زمینه تونل سازی را می توان به سه دسته زیر تقسیم کرد :

  • گسل های نرمال
  • گسل های معکوس
  • گسل های امتدادی (لغز)

می توانیم ترکیبی از این سه نوع گسل را در یک محدوده مشاهده کنیم که اغلب ، مسیر آب های زیر زمینی هستند و در صفحه گسل آنها دگرسانی دیده می شود . عرض منطقه گسل به سابقه ی تکتونیک ، زمین شناسی منطقه و البته به نوع سنگ وابسته است . مواد پرکننده می توانند بین صفحات گسل وجود داشته باشند که یا دانه درشت یا دانه ریز هستند . سنگ های مقاوم منشا سنگ های دانه درشت و مواد سست تر منشا سنگ های دانه ریز هستند .

سنگهای دانه ریز اغلب حاوی کانی های رسی بوده و می توانند دو نوع رفتار را داشته باشند :

 تغییر شکل پلاستیک در اثر رفتار وابسته به زمان

  • آماس یا تورم در شرایط مرطوب

زمان خودایستایی این مواد خیلی پایین می باشد . دانه ریز بودن این مواد باعث افزایش نفوذ ناپذیری سنگ ها شده است و از طرفی در اثر فعل و انفعالات آب ممکن است مقادیر قابل توجهی از این مواد به درون تونل ریزش نماید که در این حالت خسارات عمده ای را به بار می آورد که باید در انتخاب مسیر تونل از چنین مناطقی دوری جست . معمولا پیش بینی نوع مواد پرکننده بین صفحات گسل در بین عملیات حفر انجام می شود . گاهی اوقات صفحات گسل دارای اصطکاک بسیار پایینی بوده و شرایط برای لغزش به داخل فضای تونل مهیا می شود . گسل ها می توانند باعث نفوذ آب به زیر دیواره های تونل شده و باعث افت مقاومت سنگ ها تا اعماق قابل ملاحظه ای شوند .

 122اثر درزه ها درتونل سازی  

گسل ها جابجایی نسبی بیشتری را دارا هستند و جابجایی درزه ها بر خلاف گسل ها بسیار کم است . معمولا در منطقه چند دسته درزه وجود دارد که ممکن است نسبت به هم دارای زاویه معینی باشند . درزه هایی که از نظر شیب و جهت شیب با هم برابر باشند در یک دسته درزه[2]  قرار دارند . این دسته درزه های متقاطع ممکن است تولید بلوک هایی به اندازه های متفاوت نموده و این بلوک ها در امتداد دسته درزه ها قابلیت لغزش داشته باشند و بدون در نظر گرفتن نوع سنگ احتمال وجود درزه ها ممکن است . ضمن اینکه در سنگ های رسوبی ضخامت لایه بندی نیز به عنوان نقطه ضعف در نظر گرفته می شود و به عنوان یک دید کلی فاصله داری درزه ها در سنگ های ماسه ای و آهکی در حد متر می باشد . در شیل ها فاصله درزه داری کمتر می باشد . در سنگ های دگرگونی معمولا 2 دسته درزه هستند که اغلب یک دسته درزه صفحات کلیواژ را با زاویه قائم قطع می کنند و با افزایش عمق فاصله درزه داری افزایش و دهانه درزه ها کاهش می یابد . معمولا شرایط درزه های موجود در دهانه تونل ها با شرایط درزه های سطحی مشابهت دارند . درزه های سطحی معمولا تحت هوازدگی ایجاد می شود و احتمال اینکه در زیر سطح زمین همین شرایط حکم فرما باشد کمتر است .

 123اثر آب درتونل سازی  

حجم زیاد آب علاوه بر مشکلات اجرایی به عنوان خطر بزرگ در نظر گرفته می شود . پیش بینی دقیق مقدار جریان آب مشکل می باشد . با انجام رفتارنگاری تفصیلی و دریافت اطلاعات جدید باید در مورد شرایط آب نیز بازنگری لازم به عمل آید . وجود مقادیر زیاد آب در سنگ های سست می تواند منجر به تشکیل حفرات در اطراف تونل و سرازیر شدن حجم عظیمی از خاک و سنگ به داخل تونل گردد . در برخی از پروژه های تونل سازی ، آب های گرم زیر زمینی حاوی گاز دیده می شود که علاوه برآب وجود گاز نیز منجر به اختلالاتی می شود .

 124–  تغییر شکل در اثر چین خوردگی و اثر چین خوردگی ها درتونل سازی  

این پدیده در سنگ های رسوبی بهتر دیده و مشخص می شود . طول چین خوردگی بسیار متغیر است و می تواند از چند سانتی متر تا ده ها متر وحتی تا چندصد متر در نوسان باشد . در اثر چین خوردگی ممکن است در نقاطی تمرکز تنش ایجاد گردد و اگر این تمرکز تنش فراتر از مقاومت سنگ باشد انفجار طبیعی سنگ یا راک برست[3] به وقوع می پیوندد . این پدیده اختلال در امر تونلسازی را ایجاد می کند و می توان آن را بیشتر در سنگ های تردتر و محکم تر مشاهده نمود . تمرکز تنش ناشی از چین خوردگی همچنین می تواند باعث رانش بلافاصله سنگ های اطراف تونل شود . در مقایسه با انفجار طبیعی سنگ این پدیده قابل تحمل تر است ، چون حالت آن تدریجی است و سرعت آن کم است .

 13–  وضعیت مسیر تونل 

بطور کلی وضعیت مسیر تونل به عواملی چون ارتفاع یا تراز تونل از زمین، شیب مسیر و انحنای آن بستگی دارد که در زیر به بررسی هر یک می پردازیم.

 131–  ارتفاع یا تراز 

در تونلهای سطحی که از نواحی تپه ای عبور می کنند مسیر توسط توپوگرافی محل تعیین می شود . ملاحظات عادی دیگر که بر انتخاب مسیر حاکم می باشد شامل لایه خاکی که تونل باید در آن حفر شود ، محل آن نسبت به آب زیرزمینی و شیب می باشد . تا آنجا که ممکن است باید از قرار دادن تونل در زیر سطح آب زیرزمینی خودداری نمود. قرار دادن چنین تونلی در داخل یک لایه نفوذ ناپذیر در زیر ضخامت کافی سودمند می باشد . این ضخامت باید برای جلوگیری از فرار هوای فشرده ( در صورتیکه برای عملیات تونلسازی از هوای فشرده استفاده می شود ) ، کافی باشد . به هر حال در مواقع لزوم ، تونل پس از پیش بینی های لازم می تواند در زیر سطح آب جاری قرار گیرد . در تونلهای زیر سطح آب، عملیات حفاری در زیر سطح آب جاری انجام می شود . در این صورت عملیات حفاری تونل باید با استفاده از هوای فشرده انجام شود، در نتیجه این تونلها باید در زیر روباره کافی قرار داده شوند تا فرار هوای فشرده به حداقل خود برسد.

 132–  شیب  

شیب هر مقطع به ملاحظات نیروها و نیروهای کششی وابسته می باشد . همچنین از دیدگاه ملاحظات زهکشی 2/0 تا 3/0 درصد است که آب زهکشی می تواند بطور اتوماتیک جریان پیدا کند . از لحاظ نیروهای کششی شیب مجاز به دلیل کاهش چسبندگی و افزایش مقاومت داخل تونل ، باید از مقدار آن در فضای باز کمتر باشد.

در حال حاضر برای مسیرهای با ترافیک سنگین شیب 1% ترجیح داده می شود. در تونلهای مترو شیبهای 3 و 4 درصد می تواند با افزایش لوکوموتیوها استفاده شود. این امر باعث صرفه جویی و کمک به شتاب گیری و کاهش شتاب ترنها در موقع حرکت و توقف می شود . در مورد تونلهای راه آهن، در صورت امکان حداکثر شیب تونلها نباید از 5/7 درصد شیب معمول خطوط تجاوز کند. این شیب باید 3000 فوت (900 متر ) قبل و 1000 فوت ( حدود 300 متر ) بعد از تونل ادامه داشته باشد.

133–  انحنا 

مقادیر مقاومت در انحنا در داخل تونل به همان مقدار خارج تونل است و در نتیجه قوانین اصلاح انحنا با توجه به سرعت در داخل تونلها نیز قابل کاربرد می باشد . به هر حال باید از پیچهای تیز که باعث ایجاد مشکلاتی در مسیریابی ، عملیات تونل زنی و دیگر اشتباهات می شود ، اجتناب شود . یک مسیر ایده آل برای تونل این است که قسمت اصلی مسیر ( در صورتیکه در مورد تمام مسیر امکانپذیر نیست ) روی یک خط راست باشد . در ایران طبق استاندارد کامپاکس برای طراحی خطوط جدید و نوسازی خطوط موجود ، قوسهای مدور در خطوط اصلی راه آهن باید حداقل با شعاع قوس 2000 متری طرح و تحت اوضاع استثنایی به 1500 متر تقلیل یابد تا حداکثر سرعت 160 کیلومتر بر ساعت برای قطار مقدور شود.

 2 – عوامل فنی و مهندسی[1]

21ابعاد تونل و تعیین مقطع عرضی تونل   

تونلها چه با قطر کم در حد میکرو تونل ها و چه با قطر زیاد نیازمند به بررسیهای ویژه ای هستند تا ارزیابی جامعی از وضعیت زمین حاصل شود . افزایش ابعاد تونل نیز تغییرات مهم قابل توجهی را مطرح می سازد . در روش های سنتی حفر زمینهای نرم هر اندازه مقطع تونل بزرگتر باشد تعداد بخش های حفاری را باید بیشتر گرفت تا به این صورت زمان ایستایی هر بخش بیشتر باشد . انتخاب مقطع عرضی تونل بوسیله یک یا چند مورد از فاکتورهای زیر دیکته می شود :

  • ابعاد اختصاص داده شده برای وسایل و کالاهای عبوری از تونل .
  • نوع ، مقاومت ، آب محتوی و فشار خاک .
  • روش حفاری .
  • مواد و مقاومت پوشش نهایی تونل با توجه به نیروهای داخلی که روی آن اثر دارد .
  • یک خطه یا دو خطه بودن تونل .

ابعاد معمول که برای تونلهای راه آهن در کشورهای مختلف پذیرفته شده اند در جدول (1-1) آمده است .

22–  شکل هندسی تونل

برای تعیین شکل هندسی تونل به منظور استفاده در طراحی و انتخاب روش حفاری بررسی موارد زیر حائز اهمیت می باشد :

221شکل هندسی تونل  

پنج شکل هندسی اصلی برای تونل ها (معمولا تونل های ترابری ) وجود دارد :

  • دایره ای 2- D شکل   3- نعل اسبی  4- تخم مرغی   5-  مستطیلی .

بعلاوه، نوع نعل اسبی اصلاح شده و شکل تخم مرغی اصلاح شده نیز وجود دارد . نوع نعل اسبی اصلاح شده در عمل برای احداث آسان تر است و در مقاطعی که هر دو مقطع دایره ای و نعل اسبی وجود دارد و باید با یکدیگر تطبیق داده شوند ، به راحتی به مقطع دایره ای تبدیل می شود .

 22فاکتورهای تاثیر گذار روی انتخاب شکل هندسی تونل انتخاب شکل هندسی تونل به فاکتورهای زیر بستگی دارد :

1- زمین شناسی 2-  آب شناسی 3-  ساختار 4-  کاربرد

   شکل دایره ای : به طور ساختاری بیشترین کارآیی را دارد . بطوریکه همه فشارهای وارده ، به حلقه ای از تنشهای کششی – فشاری تبدیل می شود و در نتیجه این شکل بهترین شکل برای مقاومت در برابر تنشهای سنگین شعاعی به طرف داخل یا خارج می باشد . با توجه به این موضوع این شکل برای انتقال آب تحت فشار با روباره ناکافی و همچنین برای تونلهای ترابری عمیق که در خاک نرم حفر می شوند ایده آل است .

  D شکل : به راحتی احداث می شود و بیشترین فضای کارآمد کف را دارد . اما مقدار لاینینگ آن به خصوص در دیواره های کناری ، سنگین می باشد که معمولا آنرا غیر اقتصادی می کند . به هر حال در شرایط سنگهای آذرین توده ای ، سخت ، فشرده ، دگرگونی و آذرین با کیفیت خوب که پوشش نهایی لازم نیست  ، خوب و اقتصادی می باشد .

  نعل اسبی و نعل اسبی اصلاح شده : این مقطع حد واسط مقطع دایره ای وD شکل  می باشد . شکل نعل اسبی اصلاح شده برای احداث ، ساده تر و از لحاظ استفاده از مقاطع ، به خصوص در انتقال آب اقتصادی تر است . استفاده از این مقطع میزان آتشباری را به خصوص برای گوشه ها کاهش می دهد . در تونلهای ترابری به دلیل اینکه این مقطع فضای زیر بستر جاده را کاهش می دهد ، به مقطع دایره ای ترجیح داده می شود .

تخم مرغی و بیضوی  : این شکل برای سنگهای نرم لایه ای و تقریبا متورق و مواقعیکه فشارهای خارجی و نیروهای کششی در تاج زیاد می باشند ، مناسب است . این شکلها برای تونلهای ترابری مناسب نیستند ، زیرا برای ایجاد عرض لازم برای ترابری اقتصادی نمی باشند .

 شکل مستطیلی : بطور ساختاری کارآیی زیادی  ندارد و عموما برای متروهای زیرزمینی استفاده می شود . این شکل برای تحلیل و احداث ساده می باشد ، ولی به هر حال از لحاظ استفاده از مصالح، اقتصادی نیست .

در تونلهای راه آهن و راه که در زیر آب حفر می شوند، اغلب از پروفیل دایره ای استفاده می شود و این پروفیل به ندرت در مناطق تپه ای و برای تونلهای سطح به سطح استفاده می شود . این مقطع بهترین مقطع برای تونلهایی است که توسط  TBM در زمینهای نرم و خاکی با مقاومت متوسط حفر می شوند، می باشد .

 223انتخاب شکل  

در سنگهای سخت انتخاب شکل مقطع نعل اسبی ، حتی در مورد تونلهای دو خطه اقتصادی ترین مقطع می باشد . در خاکهای نرم استفاده از دو تونل یک خطه با سطح مقطع دایره ای اقتصادی تر می باشد ، علاوه بر این در خاک نرم استفاده از روش سپر حفاری یا حفاری با TBM پیشرفته ترین روش برای استفاده از حفاری مکانیزه می باشد . در صورتیکه دو تونل یک خطه بصورت همزمان و در زمین نرم حفاری می شوند ، فاصله آنها نباید کمتر از 25 تا 30 متر باشد و در صورتیکه یکی از این دو پس از دیگری حفر شوند ، فاصله این دو تونل باید با در نظر گرفتن تنش القایی تونل اولیه بر تونل دومی انتخاب شود.

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری وبررسی روش های حفاری و پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری وبررسی روش های حفاری و پارامترهای مؤثر در عملکرد TBM(نرخ نفوذ ماشین حفاری)

فصل دوم  بررسی روشهای حفاری

 عوامل موثر در طراحی و انتخاب روش حفاری درفصل اول به طور کامل مورد بررسی قرار گرفت . روشهای حفاری بیشتر وابسته به نوع زمین و نگهداری مربوط به آن طراحی می شوند و اکثر این روشها مستقیما وابسته  به نوع نگهداری تونل ها که خود آن نیز وابسته به نوع محل و جنس زمین حفاری است ، می باشند . روشهای مختلف حفاری بسته به نوع نگهداری و حفاری تونل به سه دسته زیر تقسیم می شوند :

  • روش حفاری Full Face (روش نگهداری پایانی)
  • روش حفاری سنتی (چند مرحله ای با نگهداری همزمان)
  • روش حفاری به کمک آتشکاری (روش نگهداری بسته به نوع و موقعیت حفاری)
  • سایر روش ها (روش های حفاری با ماشین آلات TBM)[1]

 1- روش حفاری Full Face (روش نگهداری پایانی)

این روش به سه صورت انجام می گیرد که به صورت زیر می باشند :[1]

 11روش اول  

در این روش ابتدا دو تونل پیشروی در کف و سقف تونل در طول از قبل تعیین شده حفر می کنند و سپس یک دویل بالارو بین دو تونل پیشرو کف و سقف ایجاد می کنند . حفر و تعریض این تونل ها از بالا به پایین بوده و حفاری در تمام مقطع در یک طول از قبل تعیین شده صورت می گیرد . مراحل مختلف حفاری این روش در شکل (2- 1) نشان داده شده است . در این روش می توان باربری و حفاری را به طور مستقل یا همزمان انجام داد . پس از اتمام  حفاری یک سیکل کامل پوشش نهایی تونل در طول سیکل از کف تا سقف تونل به صورت کامل انجام می گیرد . شرایط خوب حمل و نقل و داشتن جبهه کارهای متعدد از مزایای روش و می توان گفت تنها عیب این روش تهویه نا مناسب آن در جبهه کار ها می باشد .

   شکل (2 – 1) مراحل مختلف حفاری روش اول [1]Full Face

12روش دوم  حفر روپایی یا زیر پایی[1]  

در این روش ابتدا تونل پیشروی بالایی در وسط مقطع تونل در  طول معینی حفر می گردد و سپس در دو طرف آن مراحل تعریض یا گشاد کردن تونل آغاز می شود . با رسیدن به حد مجاز تونل های پیشروی بالارو ، مقطع پایینی تونل نیز به این صورت شروع به کار می کند و با رسیدن این تونل ( تونل میانی ) به حد و اندازه کافی و مجاز تونل ، پیشروی کف نیز آغازمی شود . می توان گفت که در این روش سه جبهه پیشروی تونل با رسیدن به حد مجاز خود می توانند همزمان کار حفاری و تعریض تونل را انجام دهند . مراحل مختلف حفاری این روش در شکل(2- 2) نشان داده شده است .در پایان حفاری پوشش تونل از کف تا بالا به صورت حلقه ای انجام می شود . در این روش باربری و حمل مستقل از هم صورت می گیرند ولی این روش از تهویه مناسبی برخوردار است

در این روش ابتدا تونل پیشرویی در کف و در وسط تونل آغاز می شود که این تونل در طول معینی حفاری می گردد و سپس تونل میانی و تونل بالایی نیز به ترتیب حفر می گردند . پس از حفاری قسمت میانی تونل ، تونل از دو طرف حفاری های میانی از بالا به پایین تعریض می گردد . در کل در این روش حفاری از پایین به بالا بوده و سپس تونل را ازبالا  به پایین گشاد می کنند.  مراحل مختلف حفاری این روش در شکل (2-  3) نشان داده شده است . این روش مناسب حفاری در سنگهای سخت و نسبتا سخت می باشد که یا نیازی به نگهداری ندارند یا این که تونل قدرت کافی برای برای تحمل تنش وارده بر خود را داراست و می توان نگهداری را در پایان کار انجام دا+د . احداث پوشش نهایی این تونل همانند روش اول از پایین به بالا به صورت یکباره انجام می گیرد .

 2 – روش حفاری سنتی (نگهداری همزمان)

در این روش ها همزمان با حفر تونل عملیات نگهداری تونل نیز انجام می گیرد واین روش ها را می توان به چند دسته تقسیم کرد که به صورت زیر می باشند :

 الف )  روش گود کنی (بلژیکی)   ب  )  روش جاگذاری میانی (آلمانی)   ج  )  روش کف بندی قوسی (ایتالیایی)   د  )  روش های ترکیبی از سه روش فوق 

این روش ها به طور کلی برای زمین های نرم و خاکی مناسب هستند که مهمترین عامل در انتخاب آنها پایداری زمین است . نمونه هایی از این عوامل به همراه روش حفاری آنها در زیر ارائه شده است :

الف ) در زمین هایی که زیر پایه های قوسی آن به حدکافی پایدار هستند و می توانند به طور موقت تمام وزن قوس را که توسط فشار سقف بارگذاری شده است را بدون نشست تحمل کنند از روش گودکنی یا همان روش بلژیکی استفاده می شود.

  • ) در زمین هایی که تحمل بار کمتری دارند ولی پایداری کافی برای تحمل بار ناشی از فشار سقف را بدون جابجایی و نشست عمده در افق پایینی یا کف تونل داشته باشند می توان روش جاگذاری میانی یا همان روش آلمانی را پیشنهاد داد.
  • ) در زمین های نرم که لازم است به منظور انتقال ایمن بارها ، تمام عرض تونل بارگذاری شود ، می توان از روش کف بندی قوسی یا همان روش ایتالیایی استفاده نمود.

روش های زیر روش های کلاسیک حفاری در زمین های نرم و خاکی هستند که می توان آنها را زیر مجموعه روش حفاری سنتی یا چند مرحله ای دانست که به شرح زیر می باشند :

2- 1-  روش حفاری آلمانی

2- 2-  روش حفاری شبه آلمانی

2- 3-  روش حفاری اتریشی

2- 4-  روش حفاری اتریشی پیشرفته (NATM)

2- 5-  روش حفاری بلژیکی

2- 6- روش حفاری ایتالیایی

2- 7-  روش حفاری انگلیسی

2- 8-  روش S.C.L یا پوشش بتنی[2]

2- 9-  روش گالری های کناری[3]

2- 10-  روش دیافراگم میانی[4]

  • 11- روش نیمه بالایی با پله[5]
    • روش تونلسازی در زمین های فوق العاده ریزشی یا تونلسازی سپری
    • روش حفاری با سپرهای [6]EPB
    • روش حفاری با کمک دستگاه [7]TBM [1]

 3- روش حفاری به کمک آتشکاری (روش نگهداری بسته به نوع و موقعیت حفاری)

  دو روش آتشکاری در تونل وجود دارد: 

 چالزنی و آتشباری به روش سوئدی

  • روش حفاری NTNU ( نروژی یا سوئدی اصلاح شده)[1]

 4- سایر روشهای حفاری (حفاری با ماشین آلات حفر تمام مقطع)

 41–  روش تونل سازی در زمین های فوق العاده ریزشی یا تونل سازی سپری 

بطور کلی در زمین های نرم و خاکی از سپرها به عنوان یک روش استاندارد و به منظور تامین ایمنی برای افراد و دستیابی به راندمان بالاتر حفر استفاده می شود. در شرایطی که سطح مقطع تونل کوچکتر باشد استفاده از سپرها لزومی ندارد. همچنین طول تونل می تواند عامل دیگری برای در نظر گرفتن روش سپری به عنوان روش حفاری باشد. پس از آنکه کارآیی تونل های سپری در محیط آبدار ثابت شد، استفاده از این روش طرفداران زیادی پیدا کرد. اولین سپر توسط شخصی به نام برانول[8] ابداع و در احداث چند تونل بکار رفت. در سپرهای اولیه از سیستم هوای فشرده استفاده نمی شود.

شرایط زمین هایی که تونل سازی سپری در آنها استفاده می شود عبارتند از :

الف) خاکهای ضعیف غیر چسبنده   ب  ) خاکهای ضعیف پلاستیک

ج  ) خاکهای واقع در زیر سطح ایستابی[1]

 الف) خاکهای ضعیف غیر چسبنده  

خاکهای فاقد چسبندگی مشکلات عمده ای از لحاظ ایمنی و راندمان حفر با استفاده از روش های معمولی تونل سازی در زمین های نرم ایجاد می کند. سپرها امکان کنترل بهتری را بر روی فضاهایی که بعد از حفر تونل در بالای آن ایجاد می شود، فراهم می آورند به این مفهوم که فرصت عملیاتی نظیر تزریق دوغاب و غیره را در اختیار داریم . 


مقطع : کارشناسی ارشد

 

250,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید

خرید فایل word

350,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید