اثر زلزله بر سازه هاي زير زميني و تونل مترو

چکيده:
امروزه با پيشرفت فن آوري، سهولت نسبي در حفاري و ساخت سازه‌هاي زيرزميني، محدوديتهاي فضاهاي سطحي براي اجراي طرحهاي عمراني و نيز به واسطه مسائل سياسي و امنيتي، توجه بسياري از کشورهاي توسعه يافته و در حال توسعه به احداث سازه‌هاي زير رميني براي کاربريهاي عمراني، نظامي و معدني معطوف شده است. راهها و بزرگراههاي زيرزميني، انواع تونلها، شبکه متروي شهري، نيروگاهها و ساير مغارهاي زير زميني براي دفن زباله‌هاي هسته‌اي و يا به عنوان مخازن نفت، معادن، پناهگاهها و انبارها، تعدادي از سازه‌هايي هستند که در کشورهاي مختلف به سرعت در حال ساخت و اجرا مي‌باشند.

با توجه به توسعه روز افزون سازه‌هاي زير زميني و هزينه‌هاي فراواني که براي ساخت هر يک از اين سازه‌ها صرف مي‌گردد و نيز اهميت آنها در شبکه حمل و نقل بين شهري و داخل شهري و خطري که در صورت آسيب ديدگي آنها متوجه جان مردم ميشود، لازم است که پايداري آنها در برابر خطرات ناشي از زلزله مورد مطالعه قرار گيرد.

در اين گزارش پس از نگرشي اجمالي به تاريخ صنعت سازه‌هاي زير زميني و آسيبهاي گذشته اين سازه‌ها در زلزله، به بررسي تعاريف مربوط به تونلها و نيز مشخصات کلي امواج زلزله و نحوه تاثير آنها بر تونلها مي‌پردازيم و برآورد خطر پذيري اين گونه سازه‌ها را بيان مي‌نماييم.
بخش دوم اين گزارش، به تونلها و ايستگاههاي زير زميني مترو اختصاص دارد که پس از بيان تفاوت عملکردي اينگونه تونلها نسبت به ساير تونلها، به مطالعه موردي تونل متروي دايکايي که در زلزله کوبه دچار آسيب شده بود و نيز بررسي خطرپذيري تونل متروي شهر قاهره خواهيم پرداخت. سپس معيارهاي طراحي لرزه‌اي تونلها بيان ميگردد.

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 ۷۰ کيلومتر و يا بيشتر نيز مي‌رسد. تعداد قنات هاي ايران بالغ بر۵۰۰۰۰ 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 ۱۸ و ۱۹ 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 ۱۵۷ متر برروي کانال دوميدي در جنوب فرانسه اولين تونلي بود که در دوره‌هاي مدرن در سال ۱۶۸۱ ساخته شد. همچنين اولين تونل ساخته شده با کاربرد حفاري و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن ۱۸ نيز جيمز بريندلي از خانواده اي مزرعه دار با نظارت بر طراحي و ساخت بيش از ۵۸۰ کيلومتر کانال و تعدادي تونل به عنوان پدر کانال و تونل هاي کانالي ملقب شد. وي در سال ۱۷۵۹ با ساخت يک کانال به طول ۱۶ 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 ۳۷۰۰ عابر مجبور بودند با طي يک راه انحرافي ۳ 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 ۱۸۲۰ فردي بنام مارک ايرامبارد برونل از فرانسه ايده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال ۱۸۲۵ کار احداث تونل بين روترهايت و ويپنيگ را آغاز و علي رغم جاري شدن چند نوبت سيل در سال ۱۸۴۳ 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 ۷ 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.
۱- تفوق محيط ساختاري به معناي وجود يک حصار وساختار طبيعي فراگير.
۲-عايق سازي با سنگهاي فراگير که داراي ويژگيهاي عالي عايق‌ها مي باشند.
۳- 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.
۴- کمتر بودن تأثيرات منفي زيست محيطي.

از ديگر مزاياي تونل ها در راههاي ارتباطي مي توان به :
۱- کوتاهتر شدن مسيرها و افزايش راند مان ترافيکي
۲-بهبود مشخصات هندسي مسير
۳-جلوگيري از خطرات ريزش کوه و بهمن
۴-ايمني بيشتر در برابر زلزله،
اشاره کرد .

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 ۱۹۵۹ آغاز گرديد و حفر اين تونل فاصله بين ميلان و پاريس را به طول ۳۰۴ 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 ۷۵ انبار نفتي در سراسر کشور فنلاند با گنجا يشي بيش از ۱۰ ميليون متر مکعب ساخته شده.
تعاريف مربوط به تونلها و ساختگاه
مشخصات و ويژگيهاي تونلها و نحوه ساخت آنها در تاثير پذيري آنها از زلزله موثر است. در اين قسمت تعاريف مربوط به تونلها بيان شده و اثر هرکدام در تاثير پذيري تونلها بررسي مي‌شود.

۴-۱- عمق تونل :
بطور کلي تونلها در مقابل زلزله، نسبت به ساير سازه‌هاي سطحي بسيار پايدارترند. چرا که جابجائي زمين، دامنه حرکات، شتاب و سرعت ذره‌اي زمين عموما با زياد شدن عمق، کاهش مي‌يابد (مخصوصا اگر زمين نرم باشد)؛ بطوري که در مواردي شتاب زلزله در عمق بيش از ۵۰ متر، حدود ۴۰ درصد کاهش بافته است. البته ذکر اين نکته نيز ضروري است که اگر چه شتاب و بعضي پارامترهاي ديگر در عمق کمتر از لايه سطحي است، اما مشخصاتي مثل فرکانس زلزله به منبع توليد موج بستگي دارد و تابع عمق زمين نميباشد. البته بايد به اين نکته نيز توجه داشت که ميزان جابجائي ناشي از گسلش در عمق بيشتر از سطح است که اين موضوع در بخش جداگانه‌اي مورد بحث قرار خواهد گرفت.

۴-۲- شکل و اندازه تونل :
همانطور که در بخش قبل اشاره شد، هر چه مقطع تونل بزرگتر باشد، حساسيت آن به زلزله بيشتر است. يکي از موارد بزرگ بودن موضعي تونلها، در تقاطعها و ايستگاههاي مترو مي‌باشد. همچنين وجود دو يا چند تونل در کنار هم معمولا باعث تمرکز تنشهاي استاتيکي در محيط بين تونلها مي‌گردد. همين حالت در هنگام گذر موج زلزله که نوعي تنش است، اتفاق مي‌افتد.

۴-۳- وضعيت لايه بندي و جنس زمين:
امواج توليد شده در حين حرکت، تحت تاثير خواص زمين قرار مي‌گيرند. امواج فشاري و برشي در سطح برخورد با لايه‌هاي مختلف دچار انکسار و انعکاس مي‌شوند و اين باعث افزايش يا کاهش دامنه نوسانها مي‌گردد. از طرف ديگر، شرايط و وضعيت خاک تحت الارضي و حتي توپوگرافي يک ناحيه ممکن است عامل افزايش اساسي در شدت جنبشهاي سطح زمين گردد. تقويت شتاب در انباشته‌اي نرم بزرگتر از مقدار آن در انباشته‌هاي سفت مي‌باشد.

۴-۴- نحوه ساخت تونل
روشهاي مختلفي براي ساخت تونل (کندن تونلها) وجود دارد که بستگي به شرايط ساختگاهي و زمين ساختي روش مناسب انتخاب مي‌شود. روشهايي که بيشتر معمول هستند روش حفاري شده و خاکبرداري شده است. در مورد تاثير نحوه ساخت بر رفتار تونلها جدول زير در HAZUS99 که توسط NIBS آمريکا ارائه شده است (جدول ۴-۱). نحوه ساخت تاثير بسيار زيادي بر اثر پذيري از امواج زلزله دارد، چرا که در روش حفاري، خاک اطراف کاملا دست نخورده باقي مي‌ماند و از طرف ديگر اين گونه تونلها معمولا در جائي ساخته مي‌شوند که عمق قرار گيري تونل زياد باشد. ولي در تونلهاي سطحي مانند تونلهاي مترو، اغلب از روش خاکبرداري و پوشش استفاده مي‌شود.

حداکثر شتاب زمين PGA
نوع تونل حالت خرابي ميانه (g) β
حفاري شده حداقل
متوسط ۰٫۶
۰٫۸ ۰٫۶
۰٫۶
خاکبرداري شده حداقل
متوسط ۰٫۵
۰٫۷ ۰٫۶
تغيير شکل پايدار زمين PGD
نوع تونل حالت خرابي ميانه (in) β
همه تونلها حداقل و متوسط
زياد
کامل ۶
۱۲
۶۰ ۰٫۷
۰٫۵
۰٫۵

جدول (۴-۱) پارامترهاي توابع خرابي تونل HAZUS99

۴-۵- پوشش داخلي تونل (Lining)
پس از حفاري تونل در صورت نياز از پوشش داخلي براي محافظت در مقابل ريزش استفاده مي‌شود. البته مواردي نيز وجود دارد که در صورت استحکام کافي سنگها، از پوشش استفاده نميشود، ولي در غير اين صورت امکان استفاده از شاتکريت، بتن درجا، و يا اجزاي پيش ساخته وجود دارد.
تاثير گسلش بر تونلها:
گسلش يکي از عواملي است که ميتواند در هنگام وقوع زلزله خسارات زيادي را به سازه‌هاي زير زميني و بخصوص سازه‌هاي خطي زير زميني وارد نمايد.
۵-۱- اهميت مطالعه گسلش در طراحي سازه‌هاي زير زميني

جابجائي برشي در يک پهنه باريک در دو طرف گسل آثار تخريبي شديدي بر روي سازه‌هاي زير زميني خواهد داشت. تنشهاي حاصل از گسلش در مقاطع تونل يا ساير سازه‌هاي زير زميني مي‌تواند به مراتب از تنشهاي حاصل از لرزش و لغزش بيشتر باشند. طراحي تونلها به نحوي که بتواند در برابر جابجايي‌هاي چند سانتيمتري تا چند متري ناشي از گسلش مقاومت کنند، نيز از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نيست؛ بدين لحاظ مطالعه خطر گسلش در مسير يک تونل و يا ساير سازه‌هاي زير زميني از اهميت خاصي برخوردار است.

در واقع بسياري از سازه‌هاي زير زميني و بخصوص تونلها داراي تقاطع‌هايي با گسلها مي‌باشند که اين امر باعث آسيب پذيري آنها بر اثر حرکت گسل مي‌گردد. به همين جهت در حين بررسيهاي ساختگاه براي ساخت سازه‌هاي زيرزميني بايد به وجود گسلها توجه خاصي مبذول شود تا بتوان با شناخت کامل آنها، پيش گيريهاي لازم را در جهت کاهش ميزان صدمات ناشي از گسلش انجام داد. در اين راستا، نه تنها مکان گسلهاي فعال بايد دقيقا شناسايي گردند، بلکه بايد نوع

گسل و نحوه حرکت آن، نحوه حرکت گسل در گذشته، نحوه انتخاب رويداد مناسب براي طراحي و اهميت و يا تاثير گسلش در کاربري سازه زير زميني نيز دقيقا بررسي گردد. بررسي نوع گسل نحوه حرکت آن را در جهات افقي يا قائم و يا هر دو، مشخص مي‌کند. جابجائي گسل ميزان حرکت آن را در جهات مختلف نشان مي‌دهد. رويدادهاي تاريحي ميتوانند براي پيش بيني نوع حرکت، ميزان جابجائي و زمان احتمالي گسلش در اينده مورد استفاده قرار گيرند و انتخاب رويداد مناسب نيز مي‌تواند امکان طراحي بهينه و اقتصادي سازه‌ را فراهم آورد. همچنين تاثير گسلش بر کاربري طرح بايد به دقت مشخص گردد. به عنوان مثال، در

تونلهاي راه آهن حساسيت زيادي در برابر جابجائي وجود دارد؛ زيرا، امکان قطع شدن ريلها يا مختل شدن سيستم آنها به واسطه جابجائي حاصل از گسلش وجود دارد و اين امر مي‌تواند حوادث ناگواري را بوجود آورد. در مقابل در تونلهاي انتقال آب حتي اگر جابجائي قابل توجهي نيز رخ دهد خطر جانبي به همراه نخواهد داشت و سيستم انتقال آب نيز مي‌تواند با مقداري نفاوت دبي به کار خود ادامه دهد.

۵-۲- انواع جابجايي هاي گسلي
معمولا جابجايي گسلها به سه شکل نرمال، معکوس و امتداد لغز انجام مي شود که در نوع امتداد لغز جابجائي افقي و در دو نوع ديگر جابجايي قائم مي‌باشد. البته معمولا در طبيعت حالات ترکيبي از اين حرکات مشاهده مي‌شود و به ندرت مي‌توان گسلي را يافت که صرفا در جهت افقي يا قائم حرکت کند. قسمتهاي مختلف يک گسل و انواع حرکات گسل در شکل ۵-۱ نشان داده شده است.

شکل ۵-۱ قسمتهاي مختلف يک گسل و انواع جابجائي آن

۵-۳- جابجائي گسل در چند رويداد مهم لرزه‌اي:
هر چند در اکثر واقع در هنگام زلزله جابجائي گسها در حد چند ده سانتي متر ميباشد ولي در رويدادهاي بزرگ لرزه‌اي اين جابجائي مي‌تواند به چند متر نيز برسد. در اين قسمت مثالهايي از برخي زلزله هاي مهم جهاني و داخلي جهت روشن شدن اهميت گسلش ارائه مي‌گردد:
§ زلزله سان فرانسيسکو (۱۹۰۶): در اين زلزله حرکت گسل سان آنرياس موجب تخريب و برهم خوردگي وضعيت بسياري از راهها، حصارها، خطوط لوله، پل و تونلها در امتداد گسل شد. پهناي زون شکستگي در اين مورد از چند ده سانتي متر تا بيش از ۱۵ متر متغير بود و ترکهاي زيادي نيز در دو طرف گسل اصلي تا شعاع چند ده متري ايجاد شد. مقدار جابجائي افقي با آنچه که توسط جابجائي حصارها و يا راهها قابل اندازه‌گيري بود از ۵/۲ متر تا ۵/۴ متر متغير بوده است که در بعضي نقاط به ۵/۶ متر هم ميرسيده است.
§ زلزله سان فرناندو (۱۹۷۱): نوع گسل در اين زلزله شيب لغز معکوس بوده است. گسلش در ناحيه‌اي به وسعت ۱۵ کيلومتر ايجاد شد و با حرکات لغزشي معکوس و امتداد لغز چپ گرد همراه بوده است. در ناحيه سان فرناندو حداکثر جابجائي بصورت چپ گرد ۹/۱ متر و بصورت شيب لغز ۵/۱ متر بوده است. اختلاف سطح عمودي حاصله برابر با ۳۹/۱ متر بوده و کوتاه شدگي در جهت قائم بر روند زون ۵۵/۰ متر بوده است.
§ در زلزله کوبه ژاپن (۱۹۹۵) با بزرگاي ۲/۷ گسل نوجيما در جهت قائم ۳/۱ متر و در جهت افقي ۸/۱ متر جابجا شده است.
§ در زلزله هاي ايران نيز جابجائي هاي قابل توجهي در گسلها در برخي از زلزله‌هاي بزرگ ديده شده است که خلاصه‌اي از آن در جدول (۵-۱) آورده شده است.

تاريخ نام رويداد بزرگا طول گسل
Km جابجائي افقي به چپ
(m) جابجائي افقي به راست
(m) جابجائي قائم (m)
23/1/1909 سيلاخور ۴/۷ ۴۵ ۵/۲
۱۸/۴/۱۹۱۱ راور ۲/۶ ۱۵ ۵/۰
۱/۵/۱۹۲۹ کپه داغ ۳/۷ ۷۰ ۱/۲
۶/۵/۱۹۳۰ سلماس ۲/۷ ۳۰ ۰/۴ ۰/۶
۱۶/۲/۱۹۴۱ محمد آباد ۱/۶ ۱۰ ۵/۰
۲۳/۹/۱۹۴۷ دوست آباد ۸/۶ ۲۰ ۱ ۸/۰
۱/۹/۱۹۴۷ بوئين زهرا ۲/۷ ۸۰ ۶/۰ ۴/۱
۳۱/۸/۱۹۶۸ دشت بياض ۴/۷ ۸۰ ۵/۴ ۱/۲
۱۶/۹/۱۹۷۸ طبس ۷/۷ ۷۵ ۷/۰
۱۴/۱۱/۱۹۷۹ کريزان – خواف ۶/۶ ۱۷ ۶/۰
۲۷/۱۱/۱۹۷۹ کولي – بيناباد ۱/۷ ۶۵ ۲۵/۲ ۹/۰ ۸/۳
جدول (۵-۱) برخي از زلزله‌هاي مهم ايران در سالهاي ۱۹۰۰ تا ۱۹۸۰ که همراه با گسلش قابل توجه بوده‌اند.

۵-۴- جابجائي در سطح و جابجائي در عمق :
نکته‌اي که بايد به آن توجه داشت اين است که در اکثر موارد ميزان جابجائي در عمق با ميزان آن در سطح فرق مي‌کند. به عنوان مثال، ميزان جابجائي حاصل از گسلش در زلزله ۱۹۵۲ کاليفرنيا در سطح زمين حدود يک متر و در عمق ۱۶۰ متري اين مقدار ۵/۲ متر بوده ‌است.در زلزله ۱۹۷۸ ژاپن نيز ميزان جابجايي در عمق حدود ۵/۰ متر و در سطح زمين تنها برابر ۱۹/۰ متر بود. در تمام موارد اندازه‌گيري شده، ميزان جابجائي در عمق بيش از سطح زمين بوده است؛ ولي در حال حاضر با توجه به کمبود اطلاعات از ميزان جابجائي‌ در عمق نميتوان رابطه‌اي را بين عمق و جاجائي حاصل از گسلش تعيين کرد. لذا، معمولا از همان مقادير سطحي با ضرايبي که به اهميت طرح بستگي دارند براي عمق استفاده مي‌گردد. به عنوان مثال، در يک مطالعه کاربردي در رابطه با متروي لوس آنجلس که با گسل هاليوود و چين خوردگي کويوت (Coyote) برخورد دارد از حداکثر جابجايي سطحي براي طراحي تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است. در اين مورد حداکثر جابجايي سطحي براي طراحي تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است. در اين مورد حداکثر جابجايي سطحي ثبت شده در مورد گسل هاليوود برابر دو متر و براي چين خوردگي کويوت برابر ۵/۰ متر بوده است. بايد توجه داشت که تونل در عمق ۵۰ متري با اين ساختارهاي زمين شناسي برخورد مي‌کند.