نگاهی اجمالی به سیر تحول تونل‌سازی

اگر حفر قنوات بخشی از عرضه تونلسازی محسوب شود آنگاه قدمت این فن به 2800 سال قبل از میلاد بر می‌گردد. زیرا باستان‌شناسان معتقدند که حفر قنوات در مصرو ایران از آن زمانها معمول بوده است. تذکر این نکته در اینجا در خور توجه است که در سال 1962 طول کل قنوات در ایران را 000/160 کیلومتر تخمین زده‌اند. اگر از این مورد که ذکر شد صرفنظر شود اولین تونل زیرآبی در 2170 سال قبل از میلاد در زمان بابلیها در زیر رودخانه فرات و بطول یک کیلومتر ساخته شد که هر چند بصورت حفاری تونل اجرا نشده است ولی همین، کار حداقل تجربه و تبجر معماران آن عصر را نشان می‌دهد. از این نوع کار دیگر اجرا نشده است تا 4000 سال بعد که در 1825 تونل تیمز زیر رودخانه تیمز ندن ساخته شد. تونل‌زنی درون سنگها به علت شکل حفاری و عدم امکانات و عدم نیاز ـ به جز موارد بسیار محدود ـ فقط در دو قرن اخیر توسعه یافته اس. هر چند اختراع باروت به قرنها قبل بر می‌گردد و بعضی آنرا حتی به قرن دوم میلادی نسبت می‌دهند ولی کاربرد آن در شکستن سنگها احتمالاً در قرن 16 بوده است و اختراع دینامیت در قرن 19 موجب تحولات تدریجی ولی اساسی در سهولت ایجاد تونل در سنگها شد گرچه ایجاد تونل در سنگها به علت سختی سنگ نیاز به مواد منفجره و یا وسایل بسیار سخت و برنده دارد ولی در سنگهای خیلی نرم و در رسوبات سخت نشده، مشکل تونل‌زنی به لحاظ نگهداری تونل است. بطوری که تا قبل از اختراع شیلد توسط در سال 1812، ایجاد تونلهای بزرگ مقطع در رسوبات سست فوق‌العاده مشکل می‌نمود. اولین کاربرد شیلد در 1825 در حفر تونل زیر رودخانه تیمز بود. هر چند حفر این تونل 5/1 کیلومتری حدود 18 سال طول کشید روش شیلد بعداً توسط تکمیل گردید و بعلاوه نامبرده کاربرد هوای فشرده را نیز در شیلد عملی ساخت (1886) با گسترش شهرها، اختراع ترنها، افزایش جمعیت، پیشرفت صنایع و نیاز مبرم به معادن گسترش شبکه‌های زیرزمینی، هم به منظور عبور و مرور و هم بمنظور انتقال آب و فاضلاب و نیز در پیشروی معادن و غیره ضرورت یافت و با سرعت روز افزون از اواخر قرن 19 تاکنون پیشرفتهای چشمگیری حاصل گردیده است. بگونه‌ای که در سالهای اخیر استفاده از ماشینهای حفر تمام مقطع تونل رشد سریعی داشته است. ایده استفاده از این ماشینها از زمانهای دور است. اولین ثبت شده در امریکا توسط جان ویلسون در سال 1856 برای تونل هوساک در ماساچوست بوده است ولی تنها توانسته 3 متر از تونل 7600 متری را حفر نماید در دهه‌های اخیر توسعه بسیار زیادی پیدا کرده بطوری که در بسیاری از موارد بعنوان اولین گزینه برای حفر تونل می‌باشد.

مقدمه

در جمع‌اوری و تهیه اطلاعات موردنیاز برای طراحی هر نوع حفاری زیرزمینی پس از انجام مطالعات اقتصادی و فنی (امکان‌پذیری مقدماتی طرح) پی‌جوئیهای لازم و مقایسه‌گرینه‌های مختلف و انتخاب راه‌حل مطلوب مقدماتی که برای دسترسی به هدف موردنظر ممکن می‌باشد، مطالعات مقدماتی و تفصیلی زمین‌شناسی و اقلیم‌شناسی منطقه اجرای طرح بایستی توسط مهندسین مشاور ذیصلاح پذیرد.

اقدام به جمع‌آوری این اطلاعات و انجام مطالعات، اولین اقدام لازم در طراحی هرگونه فضای زیرزمینی بهر نوع و بهر شکل و برای هر هدفی که باشد خواهد بود شناخت زمین‌شناسی محل احداث سازه، زیرزمینی از دیدگاه تنش‌های موجود و بارهای وارده بر وسائل نگهداری و انتخاب روش‌های کاربردی مطلوب حائز کمال اهمیت است.

اطلاعاتی که از نقشه‌های زمین‌شناسی بزرگ مقیاس حاصل می‌شود عمومی و کلی بوده و تمامی نیازهای طراحان سازه‌های زیرزمینی را در بر نمی‌گیرد. لذا برای تعیین دقیق مشخصات زمین‌شناسی، مطالعات کلی و دقیقتر خاک و سنگ از ضروریات اولیه طراحی است.

هدفهای اصلی اکتشافات زمین‌شناسی

1ـ تعیین شرایط اولیه تشکیل و وضعیت واقعی سنگها، شرایط فیزیکومکانیکی آنها در محدوده حفریات و فاصله بین حفریات تا سطح زمین

2ـ تعیین شرایط سطحی زمین از نقطه‌نظر آبهای سطحی، زهکشی‌های طبیعی، قناتها، چشمه و رودخانه‌ها

3ـ جمع‌آوری اطلاعات مربوط به گازدهی، حرارت و آب در زیرزمین

4ـ تعیین مشخصات زمین ساختی، تنشها و اثرات آنها روی دامنه فشارها در محدوده حفریات زیرزمینی

مـراحـل اکتشـافی زمین‌شناسی از دیدگاه حفر و احداث حفریات زیرزمینی

اقدامات اکتشافی از دیدگاه احداث حفریات زیرزمینی شامل سه مرحله زیر است:

الف ـ تحقیقات و اکتشافات مربوط به مشخصات عمومی طرح قبل از شروع طراحی

1ـ الف ـ بررسی کلی منطقه از دیدگاه تاریخی و آمارهای موجود، سنگ‌شناسی چینه‌شناسی و محیط زیست

2ـ الف ـ بررسی عکس‌های هوائی، وضعیت گیاهان منطقه، مشخصات بارز شیمیائی سنگها و کشف شرایط اولیه تشکیل آنها (آذرین یا رسوبی)، مطالعه گسل‌ها و چین‌خوردگی‌ها

3ـ الف ـ مطالعات آب‌شناسی، وضعیت رودخانه‌ها، سیل‌ها، تعیین PH آب، تعیین مشخصات حرارتی و شیمیائی و املاح موجود در آبهای سطحی برای تشخیص طبیعت سنگها و جنس زمین

4ـ الف ـ مطالعات ژئوشیمی برای تعیین مشخصات شیمیائی سنگها و خاکهای سطحی

5ـ الف ـ تعیین مشخصات ژئوفیزیکی با روشهای مقاومت الکتریکی، لرزه‌نگاری و غیره و مقایسه آنها با نمونه‌های حاصل از گمانه‌های اکتشافی

6ـ الف ـ مطالعات دقیق درزه‌ها، گسیختگی‌ها و تهیه نقشه‌های مربوطه

ب ـ تحقیقات دقیق ژئوتکنیکی (زیرزمینی) بموازات طراحی و قبل از شروع عملیات احداث

1ـ ب ـ جمع‌اوری اطلاعات مسلم از شرایط فیزیکی و شیمیائی سنگهای دربرگیرنده حفریات، هوازدگی، وزن مخصوص و مقاومت آنها

2ـ ب ـ جمع‌اوری اطلاعات در مورد استقرار و شیب لایه‌ها، چین‌خوردگی‌ها، گسل‌ها، سطوح لایه‌بندی و درزه‌ها

3 ـ ب ـ جمع‌اوری اطلاعات مربوط به: مقدار، کیفیت، خواص شیمیائی و عمق آبهای زیرزمینی

4 ـ ب ـ جمع‌اوری اطلاعات مربوط ب: مقدار، کیفیت و خواص شیمیائی گازها و افزایش درجه حرارت زمین نسبت به عمق

ج ـ تحقیقات تکمیلی در زمان عملیات احداث حفریات

تحقیقات تکمیلی زیر نه تنها برای کنترل اطلاعات داده شده توسط طراحان که برای اطمینان از درستی روش اجرائی انتخاب شده و در صورت لزوم اصلاح و تغییر روشها بایستی صورت گیرد.

نمونه این تحقیقات تکمیلی در زمان احداث حفریات زیرزمینی عبارتند از:

1ـ ج ـ حفر پیش تونلها و نمونه‌گیری از سنگهای جلوتر از سینه‌کار و مطالعه سایر شرایط زمین محل طرح

2 ـ ج ـ تجزیه شیمیائی آبها و گازها

3ـ ج ـ اندازه‌گیری تنش‌ها و تقارب مقاطع

نتیجه‌گیری

احداث سازه‌های زیرزمینی، در جهت دستیابی بهر هدف و یا در مسیر حل هر مشکلی که باشد، نسبت به احداث سازه‌ای مشابه در روی زمین بسیار پیچیده‌تر و مشکل‌تر و در نهایت بسیار گرانتر و پرهزینه‌تر خواهد بود

اجرای اینگونه طرحها، حتی با بکارگیری بهترین امکانات و توجه به کلیه مقررات ایمنی، نسبت به سازه‌های روی زمین، با خطرات جانی و مالی بیشتری روبرو می‌باشد با توجه به این حقایق است که تهیه طرح توسط مهندسین مشاور، که بر پایه مطالعات مقدماتی و تفصیلی زمین‌شناسی صورت پذیرفته باشد از الزامات و ضروریات هر پروژه زیرزمینی است.

بدین ترتیب مشاور انتخابی برای طراحی سازه‌های زیرزمینی باید دارای توانائیهای لازم جهت انجام دقیق اکتشافات و مطالعات موردنیاز بوده و قدرت تحلیل و طبقه‌بندی اطلاعات و کاربرد آنها را در طراحی صحیح پروژه داشته باشد و با کلیه دستورالعمل‌های بین‌المللی اجرائی و روشهای مدرن حفاری آشنا باشد.

بررسی نیروهای وارده بر فضاهای زیرزمینی

1ـ تنش در پوسته زمین

وضعیت تنش در پوسته زمین، برای زمان و مکان معین، نتیجه تأثیر نیروهایی با خصوصیات و فشارهای گوناگون می‌باشد. معمولاً قبل از شروع هر کار مهندسی در ساختارهای زمینی سعی می‌شود وضعیت تنش را بدست آورد. وضعیت تنش زمین در حالت بکر پس از انجام عملیات حفاری و ایجاد ساختار دچار دگرگونی شده است و توزیع جدیدی از تنش در سنگ‌ها و محدوده آن به وجود می‌آید.

تنش‌های مؤثر بر هر نقطه از پوسته زمین را می‌توان ناشی از فشاهای زیر دانست.

1ـ تنش‌های ثقلی: این تنش‌ها بر اثر وزن طبقات فوقانی ایجاد می‌شود. به واسطه محصور بودن سنگ‌ها در دل زمین، تنشهای جانبی نیز در اثر فشار ثقلی گسترش می‌یابد. (اثر پواسون)

2ـ تنش‌های تکتونیکی: این تنش‌ها بواسطه تنش‌ها بواسطه تأثیر نیروهای تکتونیکی و زمین ساختی نظیر کوهزائی و یا گسل بوجود آید.

3ـ تنش‌های محلی: این تنش‌ها بواسطه ناهمگونی در جنس طبقات یا سنگ‌های همجوار بوجود می‌آیند. نظیر تمرکز تنش در عدسیهای ماسه سنگی یا اطراف کنکرسیونها.

4ـ تنش‌های باقیمانده: این تنش‌ها در حین تشکیل طبقات یا توده سنگها و در اثر فرآیندهایی نظیر کریستالیزاسیون، دگرگونی، رسوبگذاری، تحکیم و بی‌آب شدن در سنگها بسته به مورد گسترش می‌یابد. مثلاً تنش حاصل در مرز بین کریستالهای یک سنگ که دارای خواص فیزیکی متفاوت بوده و سرد شدن آنها متشابه یکدیگر نیست از این نوع می‌باشند.

از بین انواع تنش‌های فوق تنش‌های ثقلی را می‌توان از طریق محاسبه بدست آورد. ذیلاً به انواع تنش‌های ثقلی و نحوه برآورد آنها اشاره می‌کنیم.

فرض کنیم که توده سنگی در عمق H و تحت محدودیت کامل دارای رفتار الاستیک باشد. در این صورت وضعیت تنش چنین خواهد بود.

تنش قائم اصلی

که در آن v وزن مخصوص سنگهای فوقانی می‌باشد.

که در آن ضریب پواسون سنگ موردنظر می‌باشد.

در این حالت نسبت تنشهای اصلی عبارتند از:

اگر محدودیت جانبی برای سنگ کامل نباشد مقدار H بیشتر از حد بالا خواهد بود. همینطور اگر سنگ ما کاملاً دارای رفتار پلاستیک باشد میزان تنش هیدرواستاتیکی (M=1 و S_H=S_v)

باید توجه داشت برای سنگی با مشخصات مکانیکی معین یک عمق بحرانی وجود دارد که پس از آن سنگ دارای رفتار الاستیک بوده و تنش افقی ثقلی را می‌توان از ملاک تسلیم بدست آورد به نحوه‌ی که:

که در آن O_F برابر تنش تسلیم (yield stress) می‌باشد.

همینطور تنش قائم S_v در سنگهای غیرهمگن (Heteregenous) ممکن است بواسطه تأثیر ساختهای زمین‌شناسی در یک فاصله افقی محدود دچار نوسانات زیاد گردد. در شکل زیر همانطوری که ملاحظه می‌شود وضع تنش قائم در صفحات افقی موازی که یکسری طبقات چین خورده را قطع می‌کند یکسان تغییر نمی‌کند در طول خط تنش قائم واقعی در زیر ناودیس به 60% بیشتر از مقدار و در نقطه درست زیر تاقدیس به صفر می‌رسد.

تأثیر چین‌خوردگی سنگهای لایه‌ای غیر هموژن روی تنشهای قائم زمین(1)

تأثیر چین‌خوردگی سنگهای لایه‌ای غیر هموژن روی تنشهای قائم زمین(2)

در حالت دوم سنگ‌های چین‌خورده نظیر یک چتر از انتقال مستقیم نیروهای فوقانی به سنگ‌های تحتانی جلوگیری می‌کند. حال اگر طبقاتی در طول تاریخ حیات خود دچار تغییراتی نظیر فرسایش شده باشد مشخصات و وضعیت تنش‌های افقی باز هم با آنچه از رابطه ساده S_H=MS_v بدست می‌آیند متفاوت خواهند بود. فرض کنیم جزئی از یک سنگ که در عمق H_o قرار دارد و در آن M=M_o است بواسطه تخریب ضخامتی برابر از طبقات رویی دچار کاهش بار گردد. (شکل 2ـ2) به واسطه حذف مقدار از تنش قائم تنش افقی به اندازه کاهش می‌یابد. بنابراین بر اثر فرسایش ضخامت از سنگ، تنش افقی در عمق برابر خواهد بود.

بنابراین افزایش طبقات رویی باعث افزایش M شده و تنش افقی در اعماق کمتر از یک مقدار معین از تنش قائم بیشتر خواهد بود.

حال اگر چنانچه علاوه بر تنشهای ثقلی انواه دیگر تنش نیز بر سنگ تأثیر نماید ممکن است نسبت تنشهای افقی و قائم کاملاً متفاوت از آن است که ذکر شد. برخی از دانشمندان معتقدند که بواسطه خزش سنگها در طول اعصار زمین‌شناسی اختلاف تنش‌ها از بین رفته و شرایط هیدرواستاتیکی فراهم آمده است.

تأثیر فرسایش روی تنشهای موجود در اعماق زمین

اندازه‌گیری بر جایی تنش‌های قائم و افقی در نقاط مختلف دنیا و تجربه و تحلیل آماری آنها نشان می‌دهد که روابط زیر بین تنش قائم و افقی و عمق نقطه موردنظر برقرار است: (Herget. G , 1973)

در این روابط H برحسب فوت و S_v و S_H برحسب pst می‌باشد.