مقاله تحلیلی: طراحی و ساخت تونل ها

مقاله تحلیلی: طراحی و ساخت تونل ها

طراحی و ساخت تونل ها مستلزم پذیرش عدم قطعیت مرتبط با شرایط زیرزمین است. این شرایط را می‌توان توصیف کرد اما هرگز به‌طورقطع قابل‌تشخیص نیستند. در این مقاله به توضیح مسائل ژئوتکنیکی یک پروژه معمولی تونل، از اکتشافات و آزمایش‌ها گرفته تا آنالیز مهندسی، پشتیبانی از انتخاب روش های حفاری تونل، توصیف رفتار زمین، تعریف پارامترهای طراحی و برآورد نشست سطحی و اثرات آن بر روی سازه های مجاور پرداخته می‌شود.

 اکتشاف و آزمایش

المان‌های برنامه اکتشاف ژئوتکنیکی خواه پروژه احیا و بازسازی تونل موجود باشد، خواه ساخت تونل جدید؛ بر اساس مرحله طراحی و پیچیدگی مورد انتظار از شرایط زیرسطحی متفاوت خواهد بود. مراحل معمول برای تونل های موجود و جدید شامل این موارد است:

  1. بررسی داده های موجود
  2. طراحی و اجرای یک برنامه اکتشاف و آزمایش. برنامه اکتشاف باید به‌صورت مشترک با تیم طراحی و کارفرما تهیه شود تا هم پارامترهای مورد نیاز برای طراحی لحاظ شود و هم انواع خطر و عدم قطعیت‌ها شناسایی گردد.

تونل های موجود

هدف از برنامه اکتشاف برای تونل های پوشش دار موجود، درک پارامترهای پوشش و بارهای مورد انتظار است. این برنامه برای پاسخ به سؤالاتی از اين قبیل طراحی شده است: آیا پوشش موجود می تواند بارهای جدیدی را در نزدیکی یا مجاورت تونل تحمل كند؟ در صورت عدم استفاده از پوشش، برای اصلاح ارتفاع آزاد تونل و وسيله نقليه، بارهای موجود قابل تحمل است؟ اگر بخشی از پوشش تونل برداشته شود، رفتار زمین چگونه خواهد بود؟

برای تونل های موجود بدون پوشش، تمرکز برنامه اکتشاف بر پارامترهای مورد نیاز جرم سنگ است. این برنامه برای پاسخ به سؤالاتی از اين قبیل طراحی شده است: آیا برای گسترش تونل به پشتیبانی بیشتری نیاز است؟ آیا تونل می تواند تغییراتی در بارگذاري داشته باشد؟ برای تغییر كاربري تونل، چه نوع پشتیبانی یا پوششي مورد نیاز است؟

 طراحی و ساخت تونل ها

 تونل سنگی بدون پوشش كه مقاومت آن در برابر سقوط به‌واسطه پیچ سنگ و شاتكريت تأمین می‌شود.

 مرحله دوم، کار میدانی برای تأیید شرایط و پیکربندی پوشش و درک شرایط ساختار سنگ یا خاک پشت پوشش است. حتی وقتی نقشه های طراحی و سوابق ساخت‌وساز در دسترس هستند، ممکن است نياز به برخی اکتشافات باشد. درصورتی‌که داده‌ای در دسترس نباشد یا دلیلی برای عدم تطابق تونل با برنامه های پروژه وجود داشته باشد، اکتشاف میدانی ضروري خواهد بود.

اكتشاف پوشش شامل حفاری کاوشي برای برآورد ضخامت پوشش، تهیه مغزه بتنی برای تست مقاومت و تعيين ميزان آرماتور، روش های ژئوفیزیکی برای شناسایی ضخامت پوشش و آرماتوربندی و بررسی وضعیت پوشش به لحاظ آسیب‌دیدگی است.

از برخی روش های مشابه می توان برای ارزیابی شرایط پشت پوشش استفاده کرد. از حفاری كاوشي و روش های ژئوفیزیکی می توان برای مشخص کردن حفره ها و فاصله تا سنگ مناسب استفاده کرد. از حفاری های ویژه مغزه گیری از سنگ براي به دست آوردن نمونه هایی از پوشش، خاک یا سنگ استفاده می‌شود. نتایج این اکتشافات در تأیید وجود حفره ها و جمع‌آوری نمونه هایی که برای شناسایی روش های مناسب تزريق، پایداری پوشش موجود و پارامترهای جدید طراحی پوشش مورد استفاده قرار می‌گیرند، کاربرد دارند.

 طراحی و ساخت تونل ها

تجهیزات ویژه مغزه گیری از سنگ برای اکتشافات درون یک تونل موجود

دفعات و فاصله این اکتشافات به شرايط پوشش و زمين بستگی دارد. عامل ديگر تحمل ریسک کارفرما برای مطالبات متفاوت سایت در هنگام ساخت‌وساز است.

 تونل های سنگي پایدار و موجود، فرصتی بی نظیر برای بررسی ساختار زمین شناسی و توصیف توده سنگ ها می دهد. ممکن است برای طراحی نهایی به نمونه‌برداری و آزمایش مقاومت سنگ نیاز باشد.

تونل هاي جديد

دستورالعمل هایی برای برنامه اکتشافی تونل های جدید، ازجمله کتاب راهنمای AASHTO درباره بررسی‌های زیرسطحی وجود دارند. این برنامه برای تونل های جدید طراحی شده است تا به سؤالاتی از این قبیل پاسخ دهد: توزیع انواع خاک و سنگ و شرایط آب‌های زیرزمینی چگونه است؟ پارامترهای طراحی خاک، سنگ و آب های زیرزمینی چیست؟ رفتار قابل‌انتظار زمین چیست؟ آیا شرایط سختی مانند زمین ساینده، انسداد یا گاز مضر و قابل‌احتراق وجود دارد؟

 برای تونل های ترابری، به‌طورمعمول این برنامه مرحله ای است. به‌عنوان‌مثال، در پروژه تونل بیکن هیل در سیاتل واشنگتن، برای کمک به انتخاب مسیر دلخواه تنها سه کاوش در یک کریدور با طول تقریبی یک مایل انجام شد. پس از انتخاب مسیر، چهار کاوش دیگر با آزمایش های مرتبط برای پر کردن شکاف داده ها در مدخل ها و بهبود درک طراحان از شرایط زیرسطحی انجام شد. در مرحله سوم اکتشاف، فاصله بین حفره ها به 3۰۰ فوت کاهش یافت و بر مناطق با خطر لغزش زمین در درگاه ها و زیرگذرهای بین‌شهری متمرکز شد. یک شفت آزمایشی با عمق تقریبی 150 فوت، با تلسکوپی از قطر 16 تا 10 فوت در عمق 100 فوتی، در مرحله طراحی نهایی ساخته شد تا اطلاعات بیشتری در مورد خصوصیات خاک و رفتار زمین برای مشاهده شرایط خاک فراهم شود. معمولاً روش های پرهزینه‌تر، مانند آزمایش پمپاژ سفره های آ بخیز و شفت‌های آزمایشی تا زمان طراحی نهایی تکمیل نمی شوند. همچنین میزان اکتشاف و آزمایش‌ها و ترتیب آن ها می تواند بسته به اینکه این قرارداد پروژه طراحی- مناقصه- ساخت باید یا ساخت- طرح باشد، متفاوت است.

 طراحی و ساخت تونل ها

 حفر سوراخ در پوشش موجود برای تزریق گروت سبک در حفره های مشخص شده در طول اکتشاف.

حفاری صوتی مغزه در تونل های خاکی برای به دست آوردن مغزه های تقریباً پیوسته خاک محبوبیت زیادی دارد. حفاری چرخشی یا گمانه‌زنی با مته و تست نفوذ به‌خصوص برای توصیف شرایط در درگاه ها یا شفت ها هنوز هم مفید هستند. اتکا به نمونه های تست نفوذ هنوز هم ممکن است در مناطق جغرافیایی باسابقه ساخت تونل موفق و زمین نسبتاً همگن مناسب باشد. این آزمایش می تواند شامل طبقه‌بندی خاک، وزن، مقاومت خاک، پارامترهای تغییر شکل، مدول، هدایت هیدرولیکی، سایش، شکست پرتوی ایکس، مقاومت قلوه‌سنگ یا تخته‌سنگ، پارامترهای خوردگی و گاز قابل‌احتراق یا مضر باشد.

در مورد تونل های سنگی، برنامه اکتشاف شامل حفاری مغزه سنگ به‌صورت عمودی و زاویه‌دار، آزمایش برای شناسایی فاصله و جهت ناپیوستگی، آزمایش های نفوذپذیری و آزمایش مغزه گیری سنگ است. این آزمایش‌ها می تواند شامل وزن واحد، مقاومت سنگ، مدول، دوام، آنالیز پتروگرافی، شکست پرتوی ایکس، سایش و پارامترهای قابلیت حفاری باشد. آزمایش ژئوفیزیکی برای تعیین عمق سربار خاک در درگاه ها و شفت ها نیز ممکن است مناسب باشد. برای تونل ویلر گلچ در کلرادو با 24 فوت عرض و 3100 فوت فقط یک گمانه برای گرفتن مغزه سنگی انجام شد.

تحلیل تونل های موجود

تونل های موجود که در این مقاله مورد بحث قرار گرفته است، در یکی از این سه دسته اصلی قرار می گیرند:

  •  پوشش‌دار کردن یک تونل بدون پوشش
  • برداشت جزئی از پوشش
  • جایگزینی پوشش

پارامترهای مورد استفاده در طراحی و تجزیه‌وتحلیل بسته به کار انجام شده، متفاوت خواهد بود.

طراحی پوشش

 فرض معمول در تونل های سنگی بدون پوشش این است که تونل ازنظر استاتیکی پایدار است و در طراحی اولیه پوشش، باید مقاومت در برابر بارهای آینده را در نظر گرفت. این بارها می توانند شامل بار لرزه ای، آب زیرزمینی یا افزایش بار سنگ ناشی از هوازدگی باشد. بخش های بریده‌شده یا هوازده و بلوک های سنگی سست که به‌طور ایمن قابل برداشت نیستند، ممکن است به پشتیبانی بیشتری نیاز داشته باشند. نقش مهندس ژئوتکنیک در این پروژه ها معمولاً تخمین بار احتمالی اضافی آب‌های زیرزمینی و سنگ و شناسایی نوع آرماتور گذاری و بتن‌ریزی متمرکز است.

برای اصلاح پوشش موجود، معمولاً تحلیل عددی مورد نیاز است. تحلیل عددی نیازمند فرضیاتی در مورد روش های اصلی خاک‌برداری و پشتیبانی موقت از زمین برای تخمین بار فعلی است. ممکن است نتایج منجر به پر کردن حفره های موجود در پشت پوشش ها برای برقراری مجدد اندرکنش زمین-پوشش شود.

هنگام جایگزینی پوشش، درک رفتار زمین برای دانستن اینکه سنگ یا خاک نیازمند بهسازی یا پشتیبانی پیش از جایگزینی هست یا خیر بسیار مهم است. به‌عنوان‌مثال، در پروژه تونل کیپ کریک از ترکیب دوغاب ریزی، پر کردن حفره ها و آرماتور گذاری استفاده شد. روش های طراحی پوشش جایگزین، همان روش هایی است که در ادامه برای تونل های جدید مورد بررسی قرار می گیرد.

تحلیل تونل جدید

انتخاب روش

انتخاب روش تونل زنی می تواند مسئولیت پیمانکار باشد یا بر اساس الزامات خاص پروژه توسط کارفرما و نماینده کارفرما تعیین شود. برای تعیین روش مناسب حفاری، از داده های ژئوتکنیکی و آنالیزهای انجام شده در هنگام طراحی استفاده می‌شود. برخی از این روش ها بسته به شرایط زیرسطحی قابل‌انتظار شامل دستگاه حفر تونل (TBM) به روش تعادل فشار دوغاب، TBM با تعادل فشار زمین،TBM گیره ای، روش حفاری پیوسته (SEM) و حفر و انفجار است. سطح مقطع مورد نیاز و طول تونل، محیط کار، تجربه پیمانکار، در دسترس بودن و برنامه زمان بنید پروژه نیز می توانند بر روش کاوش انتخاب شده تأثیر بگذارند.

تحلیل پوشش

انتخاب اولیه و نهایی پوشش به شرایط زیرسطحی و همچنین به روش انتخاب شده بستگی دارد. معمولاً تونل های پوشیده شده با خاک در ابتدا با پوشش های بتنی پیش‌ساخته پشتیبانی می شوند و بعدازآن پوشش نهایی به‌صورت درجا در محل قرار می گیرد. پوشش های اولیه SEM معمولاً ترکیبی از شاتکریت و خرپای تیرچه با سایر موارد حفر و انفجار است. پوشش نهایی معمولاً به‌صورت شاتکریت است. روش های دیگر، مانند رودهدر، حفر و انفجار یا تونل زنی با TBM گیره ای را می‌توان در ابتدا با پیچ و مهره و مش پشتیبانی کرد.

 طراحی و ساخت تونل ها

پوشش درجای نهایی

نشست

مقدار حرکت زمین ناشی از تونل زنی می تواند نتیجه روش ها و انتخاب های پیمانکار باشد. با این وجود، حرکت زمین به علت تغییر تنش زمین هنگام ساخت‌وساز و واکنش الاستیک زمین تقریباً اجتناب‌ناپذیر است؛ به‌عبارت‌دیگر، فرض نشست صفر عملی نیست. برآورد نشست می تواند با استفاده از روابط تجربی بین کاهش حجم فرضی، نوع خاک، قطر تونل و آنالیز عددی سه‌بعدی که شامل پارامترهای قابل‌انتظار خاک و آب زیرزمینی، وضعیت تنش موجود در زمین قبل از ساخت‌وساز و کلیه مراحل ساخت بعدی است، انجام شود. تحلیل تجربی همچنین می تواند به‌عنوان یک ابزار آزمایشی برای شناسایی ساختمان ها یا سازه هایی که نیاز به تحلیل اضافی دارند، استفاده شود.

نتیجه گیری

 داده های ژئوتکنیکی ورودی برای پروژه های تونل بسته به موجود بودن تونل یا تونل پیشنهادی و قرارگیری تونل در خاک یا سنگ متفاوت خواهد بود. درحالی‌که روش های نسبتاً استانداردی برای تحلیل تونل ها و پوشش های جدید وجود دارد اما اصلاحات مربوط به تونل های موجود به‌طور قابل‌توجهی به تحلیل بیشتری نیاز دارد.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.

PDF

برای مشاهده کامل این محتوا می بایست مبلغ مورد نیاز را از اعتبار خود پرداخت کنید

برای کاربران ویژه رایگان است

نوع فایل دریافتی :
PDF
اعتبار مورد نیاز : 500 تومان
دریافت فایل PDF و حمایت از ترجمه کنندگان500 تومان
پرداخت 500 تومان و مشاهده محتوا
درباره نویسنده
عکس‌های Neshat_okhovat

نشاط اخوت

11 سال سابقه کار در شرکت راهسازی و پلسازی
سوالات مرتبط
عکس کاربر
3پاسخ
سه بعدی کردن تونل در نرم افزار Flac3d
باسلام و خسته نباشید. بنده نقشه بردار هستم. میخواستم جویا شوم چگونه یک تونل چند مسیری را میتوان با استفاده از دیتاهای خام سه بعدی نموده و حجم انرا محاسبه نمود؟ ایا سایت فیلم اموزشی در این باره را نیز دارد؟ ممنون از راهنمایی شما. خوشبازان
عکس کاربر
2پاسخ
كتاب مناسب برای انجام پروژه های تونل و پل چیست؟
دوستان من میخوام وارد پروژه بشم که هم تونل هم پل به نظرتون چه کتابی تهیه کنم که بهم كمك کنه تا قبل از ورود با کار در پروژه آشنا بشم؟
ورود به بخش پرسش و پاسخ
  • برای ارسال دیدگاه وارد شوید یا ثبت نام کنید .
  • در دانشنامه 808 بیشتر بخوانید ...

    تقویم آموزشی

    29 دى 1398
    سازمان نظام مهندسی استان تهران
    30 دى 1398
    دانشگاه جامع علمی کاربردی سازمان همیاری شهرداری ها
    2 بهمن 1398
    دبیرخانه دائمی کنفرانس
    10 بهمن 1398
    موسسه پژوهشی رهجویان پایا شهر اترک
    15 بهمن 1398
    مرکز توسعه و گسترش مطالعات میان رشته ای
    17 بهمن 1398
    سازمان نظام مهندسی ساختمان استان تهران
    24 بهمن 1398
    مرکز بین المللی همایشها و سمینارهای توسعه پایدار علوم جهان اسلام
    30 بهمن 1398
    دانشکده آموزش عالی راهیان نوین دانش
    30 بهمن 1398
    موسسه آموزش عالی میزان
    1 اسفند 1398
    مرکز رشد خوشه فناوری آسانسور
    4 اسفند 1398
    گروه پژوهشی صنعتی آریانا با همکاری انجمن مدیریت پروژه ایران
    5 اسفند 1398
    مرکز مطالعات و تحقیقات علوم و فنون بنیادین در جامعه
    7 اسفند 1398
    دانشکده فنی انقلاب اسلامی تهران
    7 اسفند 1398
    جهاد دانشگاهی استان کرمان
    13 اسفند 1398
    حضوری - آنلاین
    19 اسفند 1398
    دانشگاه جامع علمی کاربردی سازمان همیاری شهرداری ها
    1 ارديبهشت 1399
    انجمن ژئوتکنیک ایران
    15 ارديبهشت 1399
    انجمن توسعه و ترویج علوم و فنون بنیادین
    11 خرداد 1399
    موسسه آموزش عالی میزان
    18 آبان 1399
    کمیته ملی سدهای بزرگ ایران

    موسسه 808 نماینده موسسات جهانی در ایران

    پکیج استثنایی 808