مقدمه

1- مطالعات زمین شناسی مهندسی مسیر

1-1-وضعیت توپوگرافی

2-1-چینه شناسی

3-1-سنگهای تشکیل دهنده

4-1-خصوصیت مکانیکی و فیزیکی و شیمیائی سنگها

5-1-وضعیت آبهای زیرزمینی و آبهای سطحی و نفوذپذیری سنگها

6-1-تکنونیک و تأثیر نیروهای زمین ساختی و لرزه خیزی محدوده تونل

7-1-موقعیت دهانه و ترانشه های ورودی و خروجی تونل

2- بررسی نیروهای وارده بر فضاهای زیرزمینی

1-2-تنش در پوسته زمین

2-2-مثالی از وضعیت تنش های ثقلی

3-2-تعریف تمرکز تنش

4-2-توزیع تنش

6-2-ضریب ایمنی

7-2-تنش حول فضای زیرزمینی با مقطع دیواری

8-2-ارزشیابی پایداری طبیعی دیوارة تونل

9-2-تعیین زمان پایداری مقاطع با توجه به روش اجراء

3- عملیات مورد نیاز برای حفر تونل با روش حفاری و انفجار

1-3-نوع سیستم حفاری

2-3-انواع چال در حفر تونل

3-3-برش

4-3-مواد منفجره مصرفی برای حفر تونل

5-3-محاسبات مربوط به حفر تونل با چال زاویه ای V شکل در شرایط نرمال

6-3-تهویة تونل

4- سیستم نگهداری تونل

1-4-پیچ سقفها یا راک بولتها

2-4-پیچ سقفهای منبسط شونده

3-4-پیچ سقفهای چسبی یا رزینی

4-4-نگهداری توسط بتن

5-4-خلاصه طراحی نگهداری تونل

6-4-طرح انتخابی در تونل شمارة 2

7-4-طراحی پوشش نهایی

8-4-مثلث بندی تونلهای شمارة 2

9-4-روسازی داخل تونل

10-4-چگونگی نصب و مشخصات عایق جدارة تونل

11-4-حداقل ماشین آلات مورد نیاز

II خلاصه اجرای تونل

- نقشه فتوژئولوژی محدودة تونل شمارة 2

- پروفیل طولی زمین شناسی تونل شماره 2

- مقطع طولی، نتایج زمین شناسی و طراحی سازه ای

- نمای پرتال ورودی و خروجی

- منابع

مقدمه

1- مطالعات زمین شناسی مهندسی مسیر

1-1-وضعیت توپوگرافی

2-1-چینه شناسی

3-1-سنگهای تشکیل دهنده

4-1-خصوصیت مکانیکی و فیزیکی و شیمیائی سنگها

5-1-وضعیت آبهای زیرزمینی و آبهای سطحی و نفوذپذیری سنگها

6-1-تکنونیک و تأثیر نیروهای زمین ساختی و لرزه خیزی محدوده تونل

7-1-موقعیت دهانه و ترانشه های ورودی و خروجی تونل

2- بررسی نیروهای وارده بر فضاهای زیرزمینی

1-2-تنش در پوسته زمین

2-2-مثالی از وضعیت تنش های ثقلی

3-2-تعریف تمرکز تنش

6-2-ضریب ایمنی

7-2-تنش حول فضای زیرزمینی با مقطع دیواری

8-2-ارزشیابی پایداری طبیعی دیوارة تونل

9-2-تعیین زمان پایداری مقاطع با توجه به روش اجراء

3- عملیات مورد نیاز برای حفر تونل با روش حفاری و انفجار

1-3-نوع سیستم حفاری

2-3-انواع چال در حفر تونل

3-3-برش

4-3-مواد منفجره مصرفی برای حفر تونل

5-3-محاسبات مربوط به حفر تونل با چال زاویه ای V شکل در شرایط نرمال

6-3-تهویة تونل

4- سیستم نگهداری تونل

1-4-پیچ سقفها یا راک بولتها

2-4-پیچ سقفهای منبسط شونده

3-4-پیچ سقفهای چسبی یا رزینی

4-4-نگهداری توسط بتن

5-4-خلاصه طراحی نگهداری تونل

6-4-طرح انتخابی در تونل شمارة 2

7-4-طراحی پوشش نهایی

8-4-مثلث بندی تونلهای شمارة 2

9-4-روسازی داخل تونل

10-4-چگونگی نصب و مشخصات عایق جدارة تونل

11-4-حداقل ماشین آلات مورد نیاز

II خلاصه اجرای تونل

- نقشه فتوژئولوژی محدودة تونل شمارة 2

- پروفیل طولی زمین شناسی تونل شماره 2

- مقطع طولی، نتایج زمین شناسی و طراحی سازه ای

- نمای پرتال ورودی و خروجی

- منابع

• · مقدمه:

اگر حفر قنوات بخشی از عرضه تونلسازی محسوب شود آنگاه قدمت این فن به 2800 سال قبل از میلاد بر می گردد. زیرا باستان شناسان معتقدند که حفر قنوات در مصر و 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 160000 کیلومتر تخمین زده اند. 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 تبحر معماران آن عصر را نشان می دهد. از این نوع کار دیگر اجرا نشده است تا 4000 سال بعد که در 1825 تونل تیمز زیر رودخانة تیمزندن ساخته شد. تونل زنی درون سنگها به علت شکل حفاری و عدم امکانات و عدم نیاز به جزء موارد بسیار محدود – فقط در دو قرن اخیر توسعه یافت. هر چند اختراع باروت به قرنها قبل برمی گردد و بعضی آنرا حتی به قرن دوم میلادی نسبت می دهند ولی کاربرد آن در شکستن سنگها احتمالاً در قرن 16 بوده است و اختراع دینامیت در قرن 19 موجب تحولات تدریجی و اساسی در سهولت ایجاد تونل در سنگها شد گرچه ایجاد تونل در سنگها به علت سختی سنگ به مواد منفجره و یا وسایل بسیار سخت و برنده دارد ولی در سنگهای خیلی نرم و در رسوبات سخت نشده، مشکل تونل زنی به لحاظ نگهداری تونل است. بطوریکه تا قبل از اختراع شیلد در سال 1812 ، ایجاد تونلهای بزرگ مقطع در رسوبات سست فوق العاده مشکل می نمود. 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. با گسترش شهرها، اختراع ترنها، افزایش جمعیت، پیشرفت صنایع و نیاز مبرم به معادن گسترش شبکه های زیرزمینی هم به منظور انتقال آب و فاضلاب و نیز در پیشروی معادن و غیره ضرورت یافت و با سرعت روزافزون از اواخر قرن 19 تا کنون پیشرفتهای چشمگیری حاصل گردیده است. بگونه ای 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 دهه های اخیر توسعه بسیار زیادی پیدا کرده بطوری که در بسیاری از موارد بعنوان اولین گزینه برای حفر تونل می باشد.

بدین وسیله از استاد گرامی جناب آقای مهندس اورعی که راهنما، باعث و مشوق اینجانب بودند تشکر و قدردانی می نمایم. همچنین از مدیر عامل شرکت راه و ساختمان پاریز و از مهندس اصغری و مهندس شمسینی که مساعدت و یاری ایشان باعث دلگرمی شد تشکر و قدردانی می نمایم.

با تمام تلاشهای صورت گرفته جهت ارائه پروژه ای که تمام موارد در آن لحاظ شده باشد، قویاً معتقدیم که کار انجام شده خالی از اشکالات فراوان نبوده و به این جهت از کلیه سروران و اساتید محترم که این پایان نامه را مطالعه می فرمایند درخواست عنایت و راهنمایی را دارم.

با تشکر – فاضل یحیائی الیزئی

زمستان 1384

فصل اول

مطالعات زمین شناسی مهندسی مسیر

1-1- وضعیت توپوگرافی

تونل شماره 2 ، یک تونل قوسی است که فاصله کیلومتر 417+24 الی 702+24 به طول 285 متر در یک توده سنگهای آتشفشانی حفاری می گردد تردد سنگهای آتشفشانی دارای یک پوشش از نهشته های سیلابی متشکل از مخلوط شن و ماسه است که توپوگرافی نسبتاً ملایم بوجود آورده است. و قسمت هائی که بصورت پرتگاه در نقشه توپوگرافی نشان داده شده است بعلت دست کاری هائی است که برای بهره برداری از مخلوط شن و ماسه صورت گرفته است.

همانطور که در نقشه توپوگرافی و فتوکپی عکس هوائی مشهود است: پیشرفتگی ارتفاعات بصورت دماغه بطرف دره رودخانه سفیدرود باعث شده است که جاده آسفالته فعلی که بموازات رودخانه کشیده شده است در فاصله کیلومتر 24 الی 25 با یک انحنا تند اجرا گردد. در مورد آزادراه امامزاده هاشم – منجیل برای احتراز از چنین پیچ و خم تند ناچار یک تونل قوسی بطول 285 متر طراحی گردیده است.

خط الرأس دماغه ای که تونل در آن حفر می گردد بر فراز محور تونل 274 متر از سطح دریا ارتفاع دارد – و این در حالیست که ارتفاع کف تونل در دهانه های شمالی و جنوبی به ترتیب 173 و 179 متر از سطح دریا می باشد.

شیب طولی سطح زمین در مجاورت دهانه شمالی 20 درجه و شیب عرضی آن 25 درجه می باشد. در مجاور دهانه جنوبی تونل شیب طولی سطح زمین تند بوده به حدود 65 درجه می رسد و بطور کلی توپوگرافی در محدوده دهانه جنوبی ناهنجار می باشد.

با توجه به موقعیت لایه بندی سنگ ها و توپوگرافی زمین دهانه های تونل در کیلومترهای 417+24 و 702+24 مشخص گردیده اند.

عکس شماره 1 محل دهانه جنوبی و محور تونل شماره 2 را نشان می دهد.

دهانه جنوبی و محور تونل شماره 2

2-1- چینه شناسی

تونل در سنگ های آذرین از نوع آتشفشانی متعلق به دوره ائوسن مربوط به سازند کرج حفاری می گردد. بجز آن در محدوده مجاور تونل نهشته های سیلابی مربوط به کواترنر از نوع مخلوط شن و ماسه با گسترش زیاد به چشم می خورد. در زیر این نهشته های آبرفتی رسوبات دانه ریز متشکل از رس و سیلت بطور موضعی دیده می شود که یک نمونه آن مجاور دهانه شمالی تونل در دیواره ترانشه قابل رؤیت می باشد.

3-1- سنگهای تشکیل دهندهبا توجه به پروفیل طولی زمین شناسی ملاحظه می گردد که تونل شماره 2 به طول 285 متر از کیلومتر 417+24 تا کیلومتر 702+24 تماماً در لایه های سخت سنگ آتشفشانی قرار خواهد گرفت. ضخامت لایه های تشکیل دهنده متغیر بوده و امتداد آنها معمولاً شمال غربی – جنوبغربی و شیب لایه ها 26 درجه به طرف شمال شرق می باشد. سنگهای مذکور توسط رسوبات آبرفتی از نوع مخلوط شن و ماسه بصورت دگرشیب پوشیده شده است.

سنگهای تشکیل دهنده تونل از دهانه ورودی (جنوبی) تا دهانه خروجی (شمالی) به شرح زیر می باشد.

1/ 3- قبل از دهانه جنوبی ترانشه ای حفر می گردد که در سنگ برش آتشفشانی و نهشته های سیلابی (مخلوط شن و ماسه) قرار خواهد گرفت. در سمت غرب بیشتر برش های آتشفشانی ظاهر خواهند شد – ابعاد دانه های برش از 15 سانتیمتر تا یک متر متغیر است. در سمت شرقی ترانشه رسوبات آبرفتی متشکل از مخلوط شن و ماسه وجود دارد که بصورت کلاهکی روی برش و سنگ های مقاوم اندزیتی را پوشش می دهد. ابعاد دانه ها در حد شن متوسط تا شن درشت می باشد و حدود 10 الی 15 درصد دانه در ابعاد قلوه سنگ می باشد. جنس دانه ها اکثراً از نوع آذرین و از 2 الی 25 سانتیمتر متغیر می باشند. و به سبب جابجائی دانه ها فاقد گوشه بوده و کرویت خوبی پیدا نموده اند.

این رسوبات بصورت کنگلومرای غیر متحجر در محدوده شرقی تونل شماره 2 با ضخامت بیشتری قابل ملاحظه اند و ضخامت آنها 70 تا 100 متر برآورد می گردد.

در حال حاضر به عنوان معادن شن و ماسه مورد بهره برداری قرار دارند. مقاومت دانه های تشکیل دهنده رسوبات آبرفتی مذکور در حد خیلی خوب است و به خاطر نزدیکی به پروژه آزادراه امامزاده هاشم – منجیل به عنوان منابع شن و ماسه و خاکریزها و برای تهیه بتن و قشرهای آسفالتی می تواند استفاده گردد. عکس شماره 2 برش آتشفشانی در ترانشه ورودی تونل شماره 2 را نشان می دهد و عکس شماره 3 رسوبات آبرفتی را نشان می دهد. و عکس شماره 3 رسوبات آبرفتی را نشان می دهد که دارای دانه های یکنواخت در حد شن متوسط تا درشت می باشد. عکس شماره 4 سیمان رسوبات آبرفتی را نشان می دهد.

برش آتشفشانی

لایه های آندزیتی به علت استحکام زیاد عدم فرسایش پذیری در سطح زمین به صورت صخره دیده می شوند. رنگ سنگ های آندزیتی خاکستری تیره است دارای شکستگی خیلی کم و معمولاً امتداد لایه ها W24⁰ N و E24⁰ S و شیب لایه ها 26 درجه بطرف شمالشرق است. ضخامت لایه ها زیاد و تا 10 الی 20 متر می رسد.

3/ 3- از کیلومتر 650+24 تا کیلومتر 480+24 به طول حدود 170 متر در لایه های آندزیتی ضخیم لایه قرار خواهد گرفت که دارای بافت متراکم بوده و مقاومت خیلی خوب دارند.

4/3- از کیلومتر 480+24 تا کیلومتر 410+24 به طول حدود 70 متر تناوب لایه های آندزیت مقاوم و توف های ریونیتی نیمه مقاوم وجود دارند. امتداد لایه بندی با هم E24⁰ W-S 24⁰N و شیب 26 درجه به طرف شمالشرق است. لایه بندی با ضخامت 2 الی 10 متر بطور هم شیب.

مقاومت اندزیت خیلی خوب ولی مقاومت توف ها نسبتاً پایین می باشد.

عکس شماره 5- مرز آندزیت های مقاوم با تناوب توف و اندزیت را در مقطع نشان می دهد.

عکس شماره 6- مرز را در روی سطح زمین نشان می دهد عکس به طرف غرب گرفته شده است.

عکس شماره 7- لایه های تشکیل دهنده را در کیلومتر 400+24 (ترانشه قبل از دهانه شمالی) نشان می دهد. بطوریکه سنگ های توف در زیر و روی آن عدسی میکرو کنگلومرا و سپس بطور دگرشیب با لایه های قبلی قابل مشاهده است. مجموعاً با رسوبات آبرفتی از نوع مخلوط شن و ماسه پوشیده شده اند.

مرز آندزیت های مقاوم و تناوب اندزیت و توف را در تونل شماره 2 نشان می دهد.

Af : سنگهای توف ریولیتی

Am : سنگهای ضخیم لایه آندزیتی

مرز بین آندزیت های مقاوم با تناوب توف و اندزیت را نشان می دهد.

عکس به طرف غرب گرفته شده است.

Anm : سنگهای آندزیتی نازک لایه مقاوم

Af : سنگهای آندزیتی قابل فرسایش

4-1-خصوصیت مکانیکی و فیزیکی و شیمیایی سنگها

تونل مذکور در مجموعه ای از سنگهای آندزیتی مقاوم قابل فرسایش قرار خواهد گرفت که لایه های آندزیتی مقاوم دارای بافت ریز بوده و از تراکم بالایی برخوردار بوده و تغییر شکل پذیری در آنها بسیار اندک می باشد بطوریکه مقاومت فشاری در این سنگها بیش از 1800 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع تخمین زده می شود و لایه های آندزیتی قابل فرسایش به علت وفور ذرات بیوتیتی و توفی در مقابل عوامل جوی، قابل فرسایش بوده و تغییر شکل پذیر هستند بطوری که مقاومت فشاری در لایه های سنگی تازه و تجزیه نشده بالاتر از 800 کیلوگرم بر سانتیمترمربع می باشد که از نظر حفاری مشکل خاصی نداشته و به مدت یک الی دو ماه نیز پس از حفاری و شاتکریت قسمت سطحی تونل، بدون پوشش موقت می تواند پایداری و ایستائی کافی را داشته باشد.

5- 1-وضعیت آبهای زیرزمینی و آبهای سطحی و نفوذپذیری سنگها

1/5- با توجه به سنگهای تشکیل دهنده تونل و موقعیت رودخانه سفیدرود و نحوه قرار گرفتن خط پروژه تونل شماره 2 ملاحظه می گردد که رودخانه مزبور در محدوده تونل در رقوم ارتفاعی کمتری قرار گرفته. و از طرف دیگر وجود آبرفت های شنی باعث گردیده است که آبهای سطحی حاصل از نزولات جوی به طرفین تونل زهکشی گردند.

2/5- بعلت دانه ریزی سنگ های آندزیتی فضای خالی در سنگ ها بسیار کم است و در واقع بعلت ناچیز بودن تخلخل در سنگ می توان گفت سنگ ها حالت نفوذناپذیر دارند.

3/5- شکاف و درزه و شیارهائی که در طبقات و قشرها و لایه ها در سطح زمین وجود دارد اکثراً توسط مواد ثانویه از نوع سیلیس و کلسیت پر گردیده و مانع نفوذ آبهای سطحی خواهد شد.

با توجه به بندهای فوق در موقع حفاری امکان برخورد به آبهای زیرزمینی نیست و امکان نفوذ آبهای سطحی خیلی کم می باشد.

6- 1-تکتونیک و تأثیر نیروهای زمین ساختی و لرزه خیزی محدوده تونل:

1/6- در محدوده تونل شماره 2 گسل خالی بشرح زیر وجود دارند:

گسل 1F :

در کیلومتر 705+24 با امتداد شرق به غرب (طبق نقشه) شیب صفحه گسل نزدیک به قائم بوده و مرز بین سنگهای آتشفشانی با رسوبات آبرفتی می باشد. امتداد این گسل تقریباً عمود بر امتداد مسیر راه می باشد.

گسل 2F :

این گسل در کیلومتر 690+24 با امتداد تقریبی شرق به غرب تونل را قطع می کند. شیب صفحه گسل قائم می باشد و در سنگهای اندزیتی بوجود آمده است که در اثر آن لایه ها به اندازه 70 سانتیمتر در جهت قائم جابجا شده اند.

امتداد این گسل کم و بیش عمود بر امتداد تونل است.