تاريخچه تونل سازي و سازه‌هاي زير زميني

احتمالا اولين تونل‌ها در عصر حجر براي توسعه خانه‌ها با انجام حفريات توسط ساکنان شروع شد . اين امرنشانگر اين است که آنها در تلاشهايشان جهت ايجاد حفريات به دنبال راهي براي بهبود شرايط زندگي خود بوده اند. پيش ازتمدن روم باستان ، در مصر ، يونان ، هند و خاور دور و ايتالياي شمالي ، تماما تکنيکهاي تونلسازي دستي مورد استفاده قرار مي‌گرفت که در اغلب آنها نيز از فرايندهاي مرتبط با آتش براي حفر تونل هاي نظامي ، انتقال آب و مقبره‌ها کمک گرفته شده است. در ايران نيز از چند هزار سال پيش، به منظور استفاده از آبهاي زير زميني تونل هايي موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضي از آنها به 70 کيلومتر و يا بيشتر نيز مي‌رسد. تعداد قنات هاي ايران بالغ بر50000 رشته برآورده شده است. جالب توجه است که اين قنات هاي متعدد، طويل و عميق با وسايل بسيار ابتدايي حفر شده اند.
رومي ها نيز در ساخت قنات‌ها و همچنين در حفاري تونل هاي راه پرکار بودند. آنها در ضمن اولين دوربينهاي مهندسي اوليه را در جهت کنترل تراز وحفاري تونل ها به کار بردند.
اهميت احداث تونل ها دردوران هاي قديم ، تا بدين جاست که کارشناسان کارهاي احداث تونل درآن تمدن‌ها را نشانگر رشد فرهنگ و به ويژه رشد تکنيکي و توان اقتصادي آن جامعه دانسته‌اند. تمدنهاي اوليه به سرعت ، به اهميت تونل‌ها ، به عنوان راه‌هاي دسترسي به کاني ها و مواد طبيعي نظير سنگ چخماق به واسطه اهميتش براي زندگي، پي‌بردند. همچنين کاربرد آنها دامنه گسترده‌اي از طاق زدن بر روي قبرها تا انتقال آب و يا گذرگاههايي جهت رفت و آمد را شامل مي شد. کاربردهاي نظامي تونل‌ها ، به ويژه از جهت بالابردن توان گريز يا راههايي جهت يورش به قرارگاهها و قلعه هاي دشمن ، ازديگر جنبه هاي مهم کاربرد تونلها در تمدن هاي اوليه بود.
تونل سازي همزمان با انقلاب صنعتي، به ويژه به منظور حمل و نقل ، تحرک قابل ملاحظه اي يافت. تونلسازي به گسترش و پيشرفت کانال سازي کمک کرد و اين امر در توسعه صنعت به ويژه در قرون 18 و 19 ميلادي در انگلستان سهم بسزايي داشت. کانال‌ها يکي از پايه هاي انقلاب صنعتي بودند وتوانستند در مقياس بسيار بزرگ هزينه‌هاي حمل و نقل را کاهش دهند. تونل مال پاس با طول 157 متر برروي کانال دوميدي در جنوب فرانسه اولين تونلي بود که در دوره‌هاي مدرن در سال 1681 ساخته شد. همچنين اولين تونل ساخته شده با کاربرد حفاري و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن 18 نيز جيمز بريندلي از خانواده اي مزرعه دار با نظارت بر طراحي و ساخت بيش از 580 کيلومتر کانال و تعدادي تونل به عنوان پدر کانال و تونل هاي کانالي ملقب شد. وي در سال 1759 با ساخت يک کانال به طول 16 کيلومتر مجموعه معدن زغال دوک بريدجواتر را به شهر منچستر متصل نمود. اثر اقتصادي تکميل اين کانال نصف شدن قيمت زغال در شهر و ايجاد يک انحصار واقعي براي معدن مذکور بود.
در اوايل قرن نوزدهم به منظور عبور از قسمتهاي پايين دست رودخانه تايمز هيچ سازه اي موجود نبود و 3700 عابر مجبور بودند با طي يک راه انحرافي 3 کيلو متري با قايق مسير روترهايت به ويپنيگ را طي کنند. اقدام به ساخت يک تونل نيز به دليل ريزشي بودن ومناسب نبودن رسوبات کف رودخانه متوقف شد. تا اينکه در حدود سال 1820 فردي بنام مارک ايرامبارد برونل از فرانسه ايده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال 1825 کار احداث تونل بين روترهايت و ويپنيگ را آغاز و علي رغم جاري شدن چند نوبت سيل در سال 1843 آن را باز گشايي نمود. اين تونل تامس نام گرفته و اولين تونل زير آبي بود که بدون هر گونه رودخانه انحرافي حفر شد. در ديگر موارد تونلهاي زهکشي بزرگ ، نظير تونلي با طول 7 کيلو متر در هيل کارن انگلستان ، اهميت زيادي در توسعه صنعت معدنکاري داشته‌اند. البته بررسي تاريخچه پيشرفت در روش ها و تکنيک ها و به عبارتي در هنر تونل سازي نشانگر اين مطلب است که مانند بسياري ديگر از علوم و فنون بيشتر رشد اين هنردر قرن گذشته صورت گرفته و تا حال نيز ادامه دارد.

ويژگي هاي فضاهاي زيرزميني و نمونه هاي بارز آنها

هم اکنون در زمينه هاي مختلف کاربرد تونل‌ها ، مزاياي متفاوت و گوناگوني را بر مي شمرند. از آن جمله ويلت، استفاده فزاينده فعلي از فضاهاي زير زميني را به دلايل زير رو به افزايش دانسته است.
1- تفوق محيط ساختاري به معناي وجود يک حصار وساختار طبيعي فراگير.
2-عايق سازي با سنگهاي فراگير که داراي ويژگيهاي عالي عايق‌ها مي باشند.
3- محدوديت کمتر دراحداث سازه هاي بزرگ به دليل نياز کمتر به استفاده از وسايل نگهداري عمده در مقايسه با احداث همان سازه بر روي سطح زمين.
4- کمتر بودن تأثيرات منفي زيست محيطي.
5- کوتاهتر شدن مسيرها و افزايش راند مان ترافيکي
6-بهبود مشخصات هندسي مسير
7-جلوگيري از خطرات ريزش کوه و بهمن
8-ايمني بيشتر در برابر زلزله،
مثال هاي متعددي مي توان از نقش وتأثير عمده تونلسازي و پروژه هاي بزرگ اين صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد . تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ايتاليا را به هم متصل مي سازد. عمليات ساختماني آن در سال 1959 آغاز گرديد و حفر اين تونل فاصله بين ميلان و پاريس را به طول 304 کيلو متر کوتاهتر نموده است. از ديگر نمونه ها کشور فنلاند است که سازه هاي زير زميني را به صورت غارهاي عظيم بدون پوشش بتني ، به منظور انبار مواد نفتي مورد استفاده قرار داده و در حال حاضر بيش از 75 انبار نفتي در سراسر کشور فنلاند با گنجا يشي بيش از 10 ميليون متر مکعب ساخته شده.

تونل سازي شغلي با خطر هاي پنهان

تونل سازي پيشرفته و اتوماتيك در زير زمين اكنون به سمتي ميرود كه حـــذر از اشتبــاه در آن اجتناب ناپذير است. تونل سازي موفق به شكل و معماري تونل و كيفيت ساخت آن ، شناخته مي شود در حاليكه در پشت آن سرمايه گذاري سنگين تكنيك هاي حفاري توسط سيستم هاي لجستيكي پيچيده قرار گرفته است. چنين تكنيكهايي براي اجراي سريع و بدون توقف تونل سازي با قابليت محاسبه خطرات پيش رو و همچنين بالا بردن راندمان پيشرفت، طراحي مي شوند.

خطرات پنهان در تونل سازي

بستر زمين مي تواند با زونهاي خطرناك زمين ساختاري نهفته در آن همواره منبعــي از مشكـــلات غير قابل انتظار در تونل سازي باشد.
تغييرات غير قابل پيش بيني در كيفيت سنگ اغلب سبب مشكلات و هزينه هاي تاخيــر غيــر ضروري مي گردد كه امروزه هيچكس براي آن پول كافي ندارد.
بدون پيش بيني، 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 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 سبب شده و به دنبال آن پيش بيني هر چه دقيق تر، موجب تونل سازي مقرون به صرفه در خطرات هميشگي زير زمين است.

کاربردهاي زمين شناسي در تونل سازي

فن تونل سازي سابقه ديرينه اي در كشور ما دارد. حدود 3000 سال پيش نياكان ما با حفر قناتها كه در واقع تونل هاي قديمي هستند، به آب زيرزميني دست مي يافتند. قديمي ترين تونل شناخته شده در حدود 4000 سال پيش دربين النهرين حفر شد.
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 تونل سازي:

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

طبقه بندي تونل ها:

1- تونل هاي حمل و نقل

- تونل هاي راه آهن
- تونل هاي راه
- تونل هاي پياده رو
- تونل هاي ناوبري
- تونل هاي مترو

2- تونل هاي 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 هاي 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.

مطالعه ساختگاه تونل:

قبل 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.
1- تونل مورن واقع در مسير راه آهن پاريس به ورساي كه عمليات حفاري آن در سال 1900 ميلادي 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.

مطالعه ساختگاه تونل شامل مراحل زير است:

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 دست مي دهد 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 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 هاي معادن داراي سطح مقطع ذوزنقه اي شكل، تونل هاي راه به شكل هلالي، تونل هاي راه آهن به شكل دايره و چهارگوش، و تونل هاي آبرساني نيز با توجه به حداكثر توان پيش بيني شده نيروگاه فرق مي كند.

نقش شرايط 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.

صنعت تونل ايران

سالهاي طولاني است که متخصصان و کارگران زحمتکش ايران زمين در صنعت تونل آثار ارزشمندي را به تمدن بشري اهدا نموده‌اند بطوريکه از چند هزار سال پيش تونلهايي موسوم به قنات حفر مي‌شده است که يکي از ابتکارات شگفت‌انگيز ايرانيان است. طول بعضي از اين سازه هاي زيرزميني به 70 کيلومتر مي رسد. تعداد قناتهاي ايران بالغ بر 5000 رشته بر آورد شده و جالب توجه آن است که اين قناتهاي متعدد، طويل و حساس از لحاظ جهت و شيب با وسايل بسيار ابتدايي حفر شده‌اند. قديمي‌ترين آثار و قنات که در دنيا کشف شده و باستان‌شناسان رد‌يابي و کاوش کرده‌اند، ناحيه‌اي در شمال ايران است که قدمت آن به حدود سه هزار سال قبل يعني دوره ورود آريايي‌ها مي‌رسد. در دوره معاصر و ابتداي قرن سيزدهم هجري احداث اولين تونلهاي راه وراه‌آهن در دستور کار دولت ايران قرار گرفت.بر اساس برنامه‌هاي پنج ساله و بالاخص چشم انداز بيست ساله برنامه‌هاي توسعه کشور، نياز به ساختارهاي زيربنايي در کشور بيش از پيش تجلي مي‌کند.
با توجه به شرايط اقليمي و جغرافيايي کشور و توسعه و گسترش شهرها و مراکزصنعتي ، تونل و فضاهاي زيرزميني براي استفاده‌هاي حمل و نقل داخل و خارج از شهر، انتقال آب و فاضلاب ، لوله راني بدون حفاري سطحي براي انتقال مواد سوختني و انرژي از قبيل نفت و گاز ، احداث فضاهاي زيرزميني استراتژيکي و دفاعي ، توليد برق ، ايستگاه‌هاي مترو و پارکينگ به‌طور فزاينده‌اي در حال مطالعه ، ساخت و يا بهره‌برداري هستند. عوامل زمين‌شناسي و اقتصادي در گذشته از جمله موانع توسعه فضاهاي زيرزميني بوده است. با توجه به توسعه علم و فناوري در مطالعات زمين‌شناسي و مهندسي ژئوتکنيک وآشنايي بهتر و بيشتر با شرايط زمين و ساخت و گسترش تجهيزات ساخت و بهره‌برداري تونلها باعث شده است که رويکرد به اين ساختار زيرزميني بيشتر شود. اغلب شهرهاي بزرگ توانايي و گنجايش داشتن حمل ونقل روي سطحي را نداشته و در نتيجه به سيستم هاي زير زميني از قبيل مترو روي آورده و بدون دست‌خوردگي در سطح زمين ، با احداث خطوط متعدد مترو، شبکه وسيعي از حمل و نقل را در شهرها ايجاد نموده‌اند. براي انتقال آب وفاضلاب نيز مشابه حمل و نقل گزينه‌اي به جز استفاده از مجاري زيرزميني وجود نداشته و شبکه‌هاي بزرگ و گسترده تونلهاي آب و فاضلاب شهري در حال احداث مي باشند. در حال حاضر در کشورهاي توسعه يافته در برخي موارد، فضاهاي زيرزميني به عنوان تنها گزينه مناسب براي ايجاد فضاهاي تفريحي ، فرهنگي و ورزشي مطرح مي‌باشند. در اغلب موارد فضاهاي زيرزميني در دراز مدت با صرفه تر خواهد بود. از مزاياي استفاده از فضاهاي زيرزميني و تونلها ،مي‌توان به موارد زير اشاره کرد:
- حفظ محيط زيست
- تأمين ايمني و امنيت بيشتر
- صرفه‌جوئي در هزينه‌هاي تأمين انرژي
- صرفه‌جوئي در هزينه‌هاي بهره‌برداري و نگهداري
- صرفه‌جوئي در هز‌ينه‌هاي جابجائي تاسيسات شهري و هزينه تملک و خريد زمين
از جمله تونلهاي در حال ساخت کشور به موارد زير مي توان اشاره کرد:
الف- تونلهاي راه: آزاد راه تهران-شمال(تالون،البرزو...) ، امام زاده هاشم ، تهران-رودهن ، تنگه هيچان-سرخه .
ب- تونلهاي راه آهن و مترو: قطعه چهارBيزد-هرمزگان ، متروي شيراز ، متروي تبريز ، خط تهران-کرج(خط پنج) ، خط 3و4 متروي تهران ، متروي اصفهان خطAشمالي وجنوبي ، متروي مشهد .
ج- تونلهاي انحراف و انتقال آب: کوهرنگ3 (چارمحال وبختياري) ، گاوشان(کردستان) ، چشمه لنگان(اصفهان) ، انتقال آب دز به قمرود ، رباط کريم تهران ، خيام و خروجي تهران ، سد کوثر(خوزستان) ، سد کرج به تهران ، نوسود کرمانشاه ، سولکان کرمان ، چشمه روزيه سمنان ، قشلاق سنندج ، سبزکوه(چهارمحال و بختياري) ، روانسر کرمانشاه ، سد نساي کرمان وآبرساني بوشهر
د- تونلهاي معدني: ضرورت تأمين مواد معدني در راستاي برنامه‌هاي توسعه و سياست هاي دولت ، حفر فضاهاي گسترده زير زميني را ايجاب مي نمايد که از آن جمله مي توان به معدن زير زميني زغال سنگ مرکزي طبس اشاره کرد که استخراج آن به صورت مکانيزه طراحي شده و برآورد توليد ساليانه آن 5/1ميليون تن مي باشد.
دولت ايران نيز با توجه به کمبودها و نيازبه فضاهاي زيرزميني در رابطه با کاربردهاي مختلف آنها ، سرمايه‌گذاري در بخش تونلسازي را بالاخص در سالهاي اخير مورد توجه قرار داده و از جمله تحولات مهم چند سال گذشته صنعت تونل ايران احداث فضاهاي زيرزميني را با کاربردهاي متفاوت در احجام و طولهاي بسيار زياد مي باشد. به‌طورکلي امروزه دولت در قالب وزارتخانه هاي نيرو ، راه و ترابري ، صنايع و معادن و کشور(شهرداري‌ها) به طور عمده و وزارتخانه‌هاي دفاع ، نفت و جهاد کشاورزي به ميزان کمتر به احداث سازه‌هاي زيرزميني مي‌پردازد. به تازگي در تمامي اين سازمان‌ها با تصويب قوانين و ايجاد امکان عقد قراردادهايي با ساختارهاي متنوع امکان مشارکت شرکت هاي خارجي وداخلي در سرمايه‌گذاري و اجراي پروژه فراهم شده است. از ديگر اقدامات جديد انجام شده مي توان به حضور موثر و بي سابقه متخصصان داخلي در پروژه‌هاي مختلف احداث فضاهاي زيرزميني اشاره داشت و بعضي در زمره بزرگترين سازه‌هاي زيرزميني در دست احداث جهان مي باشند که با رعايت استانداردهاي جهاني و با طراحي واجراي کارشناسان ايراني به انجام مي رسد.

تونلسازي سيري

در روش تونلسازي سپري متعارف و معمولي قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت ميماند ولي با اين حال مواردي است که مانياز مند 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 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 تونلهاي زيرزميني و مترو که از آن به عنوان روش ايجاد تونل در مناطق شهري ياد ميشود تعميم يافت.

دلايل استفاده از اين روش:

با استفاده از روش تونلسازي گسترشي يا همان روش توسعه ي تونلهاي ايجاد شده به روش سپري ما ميتوانيم قطر تونل موجود را افزايش دهيم .
در روش تونلسازي سپري متعارف و معمولي قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت ميماند ولي با اين حال مواردي است که مانياز مند 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.

اصول روش ناتم در تونل سازي

روش تونلسازي اتريشي (NATM)، در فاصله سالهاي 1957 تا 1965 در اتريش ابداع گرديد. نام اين روش در سال 1962 در سالزبورگ و جهت تميز از روش قديمي تونملسازي اتريشي اعطا گرديد. نخستين ارائه دهندگان اين روش Ladislaus von Rabcewicz, Leopold Müller و Franz Pacher بودند. ايده نخستين اين روش عبارت است از استفاده از فشارهاي زمين شناسي در برگيرنده توده سنگ جهت مقاوم سازي ونگهداري تونل.
بايد گفت که امروزه مطالعات گسترده اي از سوي متخصصين علم مکانيک سنگ در ارائه طرحي مطمئن براي نگهداري فضاهاي زيرزميني صورت مي گيرد که بتواند سيستم نگهداري را به گونه اي طراحي کند که علاوه بر ايمن بودن، از نظر اقتصادي نيز معقول باشد. نتايج اين مطالعات بر ضرورت بکارگيري روشهاي مشاهده اي همچون NATM در تونلسازي تاکيد دارد.

? ويژگي هاي اساسي ناتم :

ناتم روشي است مبتني بر تابع نگاري رفتار توده هاي سنگ تحت بار و مونيتورينگ عمليات ساختمان زيرزميني سنگ. واقعيت اينست که ناتم به عنوان يک مرحله از حفاري و نيز تکنيک هاي نگهداري مطرح نيست. ناتم بر هفت ويژگي استوار است:
1- بسيج مقاومت توده سنگ: اين متد بر مقاومت ذاتي توده سنگ پيرامون به عنوان يک جز اصلي نگهداري شده در تونل، تکيه مي کند. تکيه گاه اوليه طوري هدايت مي شود که سنگ را قاد رسازد تا بر خودش تکيه کند.
2- حمايت شاتکريت: سست کردن و نيز تغيير شکل بي اندازه سنگ مي بايست به حداقل برسد. اين امر با مهيا کردن لايه هاي نازک شاتکريت بلافاصله پس از پيشروي جبهه کار حاصل مي ايد.
3- اندازه گيري: هرگونه تغيير شکل ناشي از حفاري بايد اندازه گرفته شود. ناتم به نصب تجهيزات اندازه گيري در سطح بالايي نياز دارد. اين در آستر، زمين و گمانه ها جاسازي مي شود.
4- تکيه گاه انعطاف پذير: آسترگيري اوليه نازک است و شرايط لايه بندي اخير را بازتاب مي دهد. اين مدل به کارگيري، نسبت به تکيه گاه مجهول سريعتر به کار مي ايد و موثر مي شود. مقاوم سازي با يک آستر بتني ضخيم به دست نمي ايد بلکه با يک ترکيب منعطف از پيچ سنگ، سيم تنيده و شيارهاي فولادي حاصل مي گردد.
5- بستن وارونگي: بستن سريع وارونگي و ايجاد حلقه حامل بار داراي اهميت است. اين امر در تونلهاي حفر شده در زمينهاي نرم بسيار وخيم است، جايي که هيچ مقطعي از تونل نبايد بطور موقت رها شود.
6- ترتيب قراردادي: دانش ناتم بر اساس اندازه گيري مونيتورينگ پايه ريزي شده است. تغيير در متد تکيه گاه و ساختمان امکان پذير است. اين تنها در شرايطي ممکن است که سيستم قراردادي فادر به تغييرات باشد.
7- اندازه گيري پشتيباني رده بندي توده سنگ: رده هاي اصلي سنگ براي تونل و پشتيباني متناظر آن موجود است. اينها براي هدايت در زمينه تقويت تونل بکار مي روند.

اصول کلي ناتم:

تونلزني به روش جديد اتريشي در خاکهاي سست تا سنگ هاي سخت و مقاوم و در اعماق کم (در جهت به حداقل رساندن نشست سطح) تا اعماق زياد و بيش از 1000 متر تحت ميدانهاي تنش ناشي از عمليات معدنکاري انجام گرفته است.
بنابراين اصول زير به طور کلي قابل اعمال مي باشند. اين اصول در مقاله آقاي دکتر فکر به ترتيب زير آورده شده است:
? عنصر اصلي باربري يک تونل، توده سنگ پيراموني آن مي باشد.
? بنابراين يکي از اصول عبارت مي باشد از: حفظ مقاومت اوليه سنگ تا آنجايي که امکان داشته باشد.
? اتساع يا جابجايي ها بايد به حداقل رسانده شود زيرا موجب پايين آوردن مقاومت مي گردد.
? وضعيت تنش تک محوري يا دو محوري، شرايط نامناسب براي تونل بوده و بايد از آن اجتناب گردد.
? دگرشکلي ها بايد به طرزي تحت کنترل درايد که توده سنگ پيرامون تشکيل يک حلقه باربر حول تونل را بدهد. به گونه اي که از
دست رفتن مقاومت به وسيله اتساع در سطحي قابل قبول نگهداشته شود. با اجراي خوب اين کنترل، ايمني واقتصاد افزايش مي يابد.
? براي رسيدن به اين منظور، تکيه گاه اوليه مي باست در زمان درست نصب گردد.
? عامل زمان ويژه سيستم ترگيبي سنگ به اضافه تکيه گاه اوليه، بايد به صحت کافي تخمين زده شود.
? تخمين عامل زمان بستگي دارد به :
الف : آزمونهاي آزمايشگاهي
ب : آزمونهاي برجا
ج : رده بندي توده سنگ
از اين سه نرخ دگرشکلي و زمان پابرجايي مي تواند استنتاج شده و با رفتار واقعي تونل در حين ساختمان تطبيق و کنترل گردد.
? هرجا که دگرشکلي ها زياد بود و يا سست شدن توده سنگ انتظار مي رود، مي بايست از تماس کامل تکيه گاه اوليه با جدار تونل در محل برخورد اطمينان حاصل ايد. اين امر با بکار گرفتن شاتکريت به بهترين نحو حاصل مي گردد.
? تکيه گاه اوليه بايد نازک و داراي صلبيت خمشي پايين باشد، از اين رو گشتاورهاي خمشي پايين آورده و وقوع شکستگي ها در اثر خمش به حداقل مي رسد.
? افزايش نگهداري با شبکه توري اضافي، قابهاي فولادي، سيمهاي فولادي، سيم مهارها يا ميل مهارها حاصل مي ايد نه با آسترگيري ضخيمتري نوع و مقدار تکيه گاه و زمان نصب، از نتايج اندازه گيري دگرشکلي ها تعيين مي گردد.
? از نظر استاتيکي تونل را مي توان لوله اي ضخيم (يا حلقه اي دوبعدي) که از توده، سنگ و آسترگيري تشکيل يافته در نظر گرفت.
? از آنجا که يک لوله مساعدترين ويژگي پايداري را بدون آنکاه درز داشته باشد داراست، بستن همزمان کف تونل در هنگاميکه سنگ داراي مقاومت کافي نباشد داراي اهميت است.
? رفتار توده سنگ با بستن به موقع کف تونل تعيين مي گردد. پيشروي هاي زياد در طاق منجر به دير بسته شدن کف و آنهم منجر به تشکيل لوله نيمه آسترگيري اوليه گرديده که نتيجه آن بروز گشتاورهاي بزرگ خمشي در جهت محور تونل مي باشد که منجر به ايجاد تمرکز تنش زياد در سنگ، در پاي ديواره هاي جانبي مي گردد.
? حفاري پيشاني کامل، بهترين روش براي دستيابي يک توزيع يکنواخت تنش است. هر چند که در سنگهاي سست، حفاري بخش بخش، براي پايداري در حين ساختمان ممکن است لزوم پيدا کند.
? روند حفاري و نگهداري براي پايداري مهم مي باشد. زيرا آنها عامل زمان توده سنگ را تحت تاثير قرار مي دهند.
تغيير در طول دوره حفاري، زمان بستن کف، طول پيشروي طاق، مقاومت و زمان نصب تکيه گاه تماما به طور سيستماتيک براي کنترل فرايند توزيع مجدد تنش و پايدارسازي به کار گرفته ميشوند.
? در موارد آستربندي مضاعف، آستربندي نهايي بايد همچنان نازک باشد. تنش عمود مي بايد بر روي تمام سطح تماس بين آستربندي ها منتقل گرديده و تنش برشي در سطح برخورد مي بايد پايين باشد.
? کل سيستم، توده سنگ به اضافه پوشش مي بايست با نگهداري اوليه پايدار گردند.
در صورت خورنده بودن آبهاي زيرزميني آستربندي نهايي مي بايست قادر به پايدار سازي توده سنگ به تنهايي باشد. سيم مهارها تنها مي توانند به عنوان يک نگهدارنده دائمي تلقي گردند، البته در صورتي که از گزند خورندگي در محيطهاي خاص در امان باشند.
? براي کنترل ايمني سازه تونل، اندازه گيري تنش بتن و تنش برخورد در مرز بين سنگ و آستربندي ضرورت دارد. اندازه گيري دگرشکلي ها همچنان ادامه پيدا مي کند.
? فشار ايستايي آب بر روي پوشش و فشار جريان در توده سنگ با زهکشي مناسب پايين آورده مي شود.
به طوري که از اين اصول دريافت مي شود، ناتم روند و دستور کاري نيست که با دنبال کردن آن به نتيجه مورد نظر رسيد بلکه عبارت است از مجموعه اي از ايده ها که به ويژگي هاي زمين شناسي منطقه توجه ويژه اي دارد. اين روش در نتيجه تجربيات متعدد در کار تونلزني به دست آمده است و براي به دست آوردن هر يک از اين ايده ها و نيز جمعبندي آنها به عنوان يک روش سالهاي زيادي وقت صرف شده است. نوآوري اساسي اين ايده، يک فن ساختماني يا يک روش خاص محاسباتي نمي باشد، اما براي ساختمان تونل در توده سنگ و چگونگي برخورد با آن ارائه طريق مي نمايد.
يکي از اصول موفقيت زاي اين روش گردآوري موضوعات متعدد از مهندسي عمران و مکانيک سنگ مي باشد که شامل موضوعات نظري و عملي است.

روش اجراي ناتم:

با اينکه هنوز هيچ پشتوانه نظري حقيقي براي ناتم وجود ندارد اما عواملي وجود دارند که منجر به موفقيت اين روش مي گردند که عبارتند از:
1- بتن پاشي به عنوان سازنده سازه ترکيبي قوس سنگ که به حلقه حمال سنگ موسوم بوده و حفره را احاطه مي کند.
2- بتن پاشي به مراتب قديمي تر از ناتم مي باشد اما ويژگي هاي عالي آن از نظر مقاومت و لغزش، اين روش را به عنوان يکي از ابزارهاي غالب نگهداري در تونلسازي به روش ناتم گردانيده است. بيشترين اهميت آن امکان اجراي سريع براي پوشانيدن سطح تازه حفاري شده سنگ مي باشد. مزيت ديگر آن دستيابي به يک مقاومت نسبي بالادر مدت زمان کوتاه، حدود 5 نيوتن بر ميلي مترمربع (مگاپاسکال) در 6 ساعت مي باشد.
شاتکريت در تونلسازي داراي اثر مضاعف است: محافظت سنگ در اثر هوازدگي و فرسايش: با بستن ترک ها تمرکز تنش در اطراف تونل کاهش يافته، همچنين ضخامت زياد شاتکريت به عنوان يک قوس نگهدارنده عمل مي کند. در تمام موارد اتصال اتصال تنگاتنگ با سنگ مهم مي باشد. زيرا اين عمل موجب مي گردد سنگ بارها را مشترک حمل نموده و ساختاري مرکب با سنگ تشکيل دهد. شاتکريت مناسب، نياز به يک تکيه گاه نيمه صلب را برآورده مي سازد، زيرا دگرشکلي شعاعي زيادي را بدون شکستگي امکان پذير مي سازد. با دگرشکلي هاي بزرگ تونل، شاتکريت مي شکند. اما در صورت مسلح شدن به توري سيمي يا رشته هاي فولادي، قطعات برش يافته شاتکريت خطري آني براي خدمه ايجاد نخواهد کرد.
3- وسيله ديگر براي ساختن طاق بيروني، قابهاي فولادي مي باشد. اين قابها در توده هاي سنگ فشرده شده و بسيار خردشونده به کار گرفته شده و تکيه گاهي سريع و موثر براي سنگ به شمار مي ايند. در چند سال اخير کاربرد قوسهاي پروفيلي به ميزان زياد افزايش يافته است. اين قوس ها نسبت به قابهاي فولادي مزاياي بيشتري دارند و نيز به دليل سبک وزن بودن، نصب آنها آسانتر مي باشد.
4- در تونلسازي هوراه با مفاهيم ناتم، نصب ميل مهارها جايگاه ويژه اي دارد و اهميت آنها به همان اندازه اهميت شاتکريت مي باشد. اين ميل ها نيز مثل شاتکريت در صورت نصب موجب تشکيل حلقه حمال در اطراف توده سنگ مي گردند. ميل مهارها در برابر دگرشکلي شعاعي مقاومت کرده از اينرو ايجاد دگرشکلي کنترل شده مي نمايد که شکل ژئومتريک تونل را حفظ مي نمايد. همچنين ميل مهارها از آنرو که تاثير ناهمساني و ناهمگوني را کاهش مي دهند، تشکيل صفحات برشي و لغزشي را مشکل تر ساخته و سبب ايجاد مقاومت ماندگار بالا حتي در توده هاي سنگ به شدت دستخورده مي گردد که اين نيز به نوبه خود سبب بهسازي کيفيت سنگ مي گردد. تنش مماسي در حلقه سنگ حمال موجب افزايش چسبندگي مهاري ها مي گردد. طاقهاي ثانويه ايجاد شده بين تکيه گاهها، در برابر تمايل توده سنگ نسبت به جابجايي به داخل تونل مقاومت ايجاد مي نمايد که اين مقاومت به نزديکي مهاري ها بستگي دارد. در صورتيکه طاق تونل تحت تنش زياد در اثر فرايندهاي تجديد آرايش دوباره قرار گيرد، يا اگر سيستم سنگ در معرض شکستگي قرار داشته باشد، تونل نياز به بهسازي با بتن پاشي به سطح خواهد داشت.
بنابراين به طور خلاصه مواد پايدار کننده در ناتم عبارتست از: شاتکريت، ميل مهارها، قوس هاي فولادي يا پروفيلي، صفحات فولادي و....
نتيجتا هدف اصلي ناتم ايجاد يک قوس نيمه صلب خارجي بلافاصله پس از حفاري با وسايل نگهداري از قبيل شاتکريت، کوه پيچ و غيره مي باشد. اين امر موجب تنظيم تنش در محدوده اطراف تونل گرديده از سست شدگي مخرب جلوگيري به عمل مي آورد و اين همان چيزي است که ناتم را از روش هاي تونلزني محافظه کارانه تميز مي دهد. زيرا اصولا در شيوه هاي سنتي تونلسازي، بار سنگ مي بايست تماما بوسيله تجهيزات نگهداري تحمل شود که اين کار نيز مستلزم صرف هزينه هاي زياد مي باشد.
روش ناتم بيشتر در نتيجه تجربه عملي بوجود آمده و مانند ديگر روشهايي که در حال تکميل و تکوين مي باشند، دستخوش تغيير و تحولات و مشکلات متعددي گرديده تا به شکل کنوني در آمده است. اين روش از انعطاف پذيري قابل توجهي در شرايط مواجهه با وضعيت هاي متفاوت توده سنگي برخوردار است.
بطور کلي ضروري مي باشد که مطالعات و بررسي دقيقي به منظور بررسي ظرايط زمين ساختاري بويژه در زميسن هاي نامناسب انجام گرفته، بين هزينه هاي مطالعات و اجراي عمليات رابطه اي منطقي ايجاد گردد.
تهيه مواد و مصالح مورد نياز ناتم و طريقه ريختن بتن در فضاها، حتي در طرح هاي کوچک تونلسازي با ناتم نياز به ساماندهي مناسب و کارآمد دارد که خود ناشي از تجربه ومهارت بالاي معدنچي ها و اجراکاران دارد. اهميت نصب شعاعي مهاريها به طور سيستماتيک در سنگ هاي سست، به منظور تامين توزيع مناسب تنش هاي بوجود آمده در قوس هاي دايره اي شکل سنگي، فوق العاده مناسب تشخيص داده شده است.
موفقيت در روش ناتم نياز به آموزش هاي تئوريک و عملي همزمان در محل عمليات دارد زيرا تنها در ارتباط بودن نزديک و دقيق مهندسان با مسائل و مشکلات در محل کار مي تواند آنها را به اعمال راهنمايي هاي خاص و دقيق قادر سازد. يک بخش مهم و جدايي ناپذير در اين روش مشاهده رفتار تنش کرنش سنگ با فنون اندازه گيري مي باشد.
ادامه دارد...
/س