بررسی و تحقیق-روشهای حفاری تونل

دسته بندي : فنی و مهندسی » عمران
روشهای حفاری تونلها
 
پیشینه حفر تونل در کشور به احداث قنوات برای دستیابی به آبهای زیرزمینی و به بیش از ۳۰۰۰ سال پیش میرسد

پیشینه حفر تونل در کشور به احداث قنوات برای دستیابی به آبهای زیرزمینی و به بیش از ۳۰۰۰ سال پیش میرسد. حفر قنات هایی به طول ده ها کیلومتر در عمق تا چند صد متر، نشان از توانایی و تبحر ایرانیان قدیم در تونل سازی دارد. در حال حاضر نیز با پیشرفت فناوری و افزایش نیروهای متخصص و مجرب، انواع تونلهای شبکه حمل و نقلی، صنعتی، معدنی و... به روشهای گوناگون در کشور ساخته میشوند.

از آنجاکه احداث تونلها معمولاً بر عناصر طبیعی پیرامون مانند خاک و سنگ تاثیرمی گذارد، توجهی ویژه درمورد کاهش اثرات مخرب آن ضروری است، چراکه این امر سبب ازبین رفتن تعادل طبیعی این عناصر می شود. به همین علت است که هدف اصلی در انواع روش های حفاری به حداقل رساندن تغییرات زمین در زمان حفاری است.

همچنین یکی از مهمترین عوامل اصلی در زمینه پیشرفت و تکامل صنعت تونل سازی، پیشرفت هایی است که در مورد روش های حفاری آن انجام گرفته است. از جمله روش های حفاری که بدین منظور ابداع شده اند می توان از روش های سنتی ابتدایی ، روش های حفاری و حفاظت مرحله به مرحله، روش های حفاری با ماشین آلات اختصاصی، روش حفاری تمام مقطع و... نام برد. در ادامه به منظور آشنایی بیشتر با چگونگی حفر تونل بخصوص تونل های مترو، روش های حفاری ای که در احداث تونل های شبکه متروی تهران به کار رفته اند، تشریح می شوند.

روش نوین اتریشی
روش نوین تونلسازی اتریشی به عبارتی NATM از روشهای بسیار متداول در احداث تونل است که بین سال های ۱۹۵۷ و ۱۹۶۵ در اتریش پایهگذاری شد. اساس این روش استفاده بهینه از تنش های ژئوتکنیکی خاک یا سنگ های پیرامونی برای پایداری تونل است. درواقع اساس این روش بر اتصال پوسته محافظ به بخشی از خاک است که دیگر تغییر شکل ندارد. به عبارت دیگر استفاده از مقاومت خود خاک برای پایدارسازی تونل. درحال حاضر برای ساخت تونلهای مترو از این روش به شکل زیر استفاده میشود:

۱) حفاری مقطع فوقانی تونل
۲) حفاظت موقت مقطع فوقانی با نصب فریم و شاتکریت
۳) حفاری مقاطع تحتانی تونل
۴) حفاظت موقت مقطع تحتانی، با نصب فریم و شاتکریت
۵) اجرای رادیه کف (بتن ریزی فونداسیون)
۶) اجرای دیواره و تاج تونل (نصب قالب و بتن ریزی سازه اصلی دیواره و تاج)

داخل خاک، نیروی وارد برهر نقطه برابر ?* H است. وقتی تونل را در داخل خاک حفاری می کنیم، این نیرو به صفر می رسد. از آنجا که پس از این تغییر، خاک باید دوباره به تعادل برسد، تمایل به ریزش پیدا می کند که در روش اتریشی جلوی آن با فریم گرفته می شود. اگر بلافاصله بعد از حفاری فریم گذاری شود، باید از فریم های قوی استفاده شود، درصورتی که اگر درطول یک نوبت کاری خاک پایدار بماند و ریزش نکند (زمان پابرجایی برابر مدت یک نوبت کاری باشد)، فریم های مناسبتر می توانند طراحی شده و به کار روند. درواقع از توان خاک پایدار و به تعادل رسیده نیز کمک گرفته می شود.

دراین حالت خاک به اصطلاح طاق زده و پایدار شده است (اساس روش اتریشی) و دیگر به فریم قوی نیاز نیست. اگر در طول یک نوبت کار خاک ریزش کند (طاق نزند.)، باید پیش حفاظت درنظر گرفته شود.

هنگام برهم خوردن طبیعت خاک ۳ حالت اتفاق می افتد، حالتهای بوجود آمده عبارتند از: ۱) مناسب است و پایدار میایستد، ۲) ریزش اندکی داشته طاق می زند و پایدار می شود و ۳) ضعیف است و ریزشی. با نصب ابزار دقیق میتوان تغییر شکل های خاک را کنترل کرد. تغییرشکلها تناسب فریم با خاک را نشان میدهند.

فریم ها معمولاً برای فاصله استاندارد یک متر محاسبه می شوند. ولی با توجه به جنس خاک (ریزشی) می توان فواصل آنها را کم کرد. اگر خاک خیلی ضعیف باشد، باید پیش حفاظت انجام گیرد. همچنین می توان نوع فریم ها را از لتیس به پروفیل تبدیل کرد و یا فریم ها را به یکدیگر چسباند. قسمت عمده این عملیات توسط نیروی انسانی انجام می گیرد. بدین صورت کاربرد ماشینآلات و ابزار مکانیکی در این روش بسیار محدود است. ماشینآلات متداول بکار رفته در این روش معمولاً لودر یا بیل مکانیکی است، اما بهترین وسیله کله گاوی یا Road Header است، زیرا این وسیله بصورت قوسی حفاری کرده، دارای سرعت بالایی است، درضمن دراین روش تهویه هوا نیز مناسب است. میانگین متوسط راندمان اجرا در بخش حفاری و حفاظت موقت روزی ۳ متر طول و در زمان لاینینگ نهایی ۱ متر در روز میباشد. شایان ذکر است که برنامه زمانبندی و تقدم و تأخر فعالیتهای فوقالذکر در زمان اجرا موثر می باشد.

روش Forepolling برای جلوگیری از هرگونه ریزش دراثر برخورد با خاک سست و تحکیم خاک سست می توان از روش Fore poling استفاده کرد که در زیر توضیح داده میشود.

با توجه به پایداری نسبی دیواره های تونل و و ضعیت توزیع تنش در اطراف آن، گمانههایی در محیط سقف تونل مطابق شکل حفاری می شوند. گمانه ها با فاصلهبندی ۱ متر از یکدیگر و زاویه ۱۰ تا ۱۵ درجه نسبت به افق و به سمت بالا حفاری و سپس لوله گذاری می شوند. درحفاری گمانه ها باید فازبندی رعایت شود. بدین صورت که ابتدا گمانه ها با فواصل ۲ متر از یکدیگر حفاری و تزریق می گردند. سپس گمانه دیگر بین گمانه های مرحله قبل حفاری و تزریق می شوند.

درصورت ریزشی بودن گمانه ها و عدم موفقیت در لوله گذاری ممکن است طول لوله گذاری کاهش یابد یا در یک مرحله، گمانه حفاری شده تزریق گردد و گمانه با حفاری مجدد به عمق نهایی برسد. درهرصورت با توجه به وضعیت توده خاک و نفوذپذیری آن فاصله بندی گمانه ها، عمق، طول، زاویه شیب، فشار تزریق و نسبت اختلاط بهینه خواهد شد.

تهیه لوله بدین صورت است که ابتدا با توجه به قطر گمانه، نوع لوله انتخاب شده و در هر ۵/۰ متر طول لوله مشبک می شود. فقط یک متر ابتدای لوله برای جلوگیری از فرار دوغاب مشبک نمیگردد. عملیات مشبک سازی در مقاطعی که نیاز به تزریق است، انجام می گیرد. یک متر ابتدای لوله، بین جدار گمانه و لوله توسط دوغاب سیمان و سیلیکات سدیم پر می شود تا نشت دوغاب کنترل گردد. درصورت نشت دوغاب از اطراف تونل باید عملیات نشت گیری با گچ و سیمان و سیلیکات صورت گیرد و درصورت نیاز غلظت دوغاب افزایش یا فشار تزریق کاهش یابد. با توجه به وضعیت نشت دوغاب ممکن است لازم باشد تا لوله را طی دو مرحله تزریق نمود. فشار تزریق نباید از ۵ بار بالاتر رود.

بعد از اتمام تزریق گمانه ها و گیرش دوغاب تزریق شده، عملیات حفاری تونل انجام گرفته و عملیات فوق تکرار می شود.

حفاری تونل بصورت تمام مقطع بوسیله ماشین آلات اختصاصی (ماشین حفار زوکور) در زمین های کاملاً ریزشی و آّبدار یا کاملاً سفت و متراکم از این نوع ماشین آلات برای حفاری استفاده می گردد. جنس زمین تعیین کننده نوع ماشین آلات مناسب مورد نیاز کار است. چنانچه جنس زمین آبرفتی پایدار و قدرت برش آن بیش از kg/cm۲ ۵۰۰ باشد (تقریباً آهکی) از دستگاه حفار TBM استفاده می شود. درصورتی که جنس زمین ریزشی و آبرفتی ناپایدار باشد، از ماشین حفار Shield و چنانچه لازم است تونل در زیر آبهای زیرزمینی و تحت فشار هیدرواستاتیک حفاری گردد، برای حفاری ازHydro Shield استفاده می شود.

شرکت فرانسوی سوفرتو به منظور احداث تونلهای خطوط چهارگـانه متـروی تهران، در سال ۱۳۵۶