طراحی سازه های زیرزمینی

مقدمه
سازه های زیرزمینی از جمله سازه های پیچیده مهندسی هستند که طراحی و روش های اجرای آنها دامنه بسیار وسیعی دارد . شاید تنوع این سازه ها از نظر شرایط محیطی قابل شمارش نیست، همان گونه که ویژگی های ژئومکانیکی و تنش های طبیعی برای دو نوع زمین فقط بر حسب تصادف می تواند یکسان و مشابه باشد. به همین سبب استاندارد کردن بارهای سنگ و کنش و اندرکنش سازندهای زمین شناسی با عناصر مهندسی که در ساختن این سازه ها به کار می روند و شامل حفاظت های موقت ( و پوشش های دائم ) می باشد مقدور نمی باشد.

به عنوان مثال ، مقایسه این سازه ها با سدها که بزرگت ترین سازه های مهندسی ساخته شده هستند، روشن می نماید که در سدها ناشناخته های طراحی منحصر به پی و تا اندازه ای رژیم های جریان رودخانه ها است در حالی که مصالح مورد استفاده کاملاً قابل کنترل بوده و شناخته شده هستند. با این حال در سدها، پی سد و چگونگی برخورد به مسائل آن، اثر بسیار عمده ای

در تصمیم گیری های طراحی داشته و حتی نوع سازه سد را تعیین می کند. در سازه های زیرزمینی شامل تونل ها، مغارها و شفت ها ، ویژگی های ژئومکانیکی خاص مقاطع یا محدوده های زمین شناسی به سختی قابل تشخیص بوده و تعیین دقیق این ویژگی ها به جز هنگام

حفاری های اجرایی معین نمی شود. به این ترتیب، بارهای وارد به سامانه و پایدار نگه داشتن مغار با ضریب اطمینان کافی پس از رسیدن به لایه های زمین شناسی متفاوت و انجام آزمایش های لازم تعیین می شود.
دشواری های اشاره شده، سبب می شود که پروژه های متشکل از سازه های زیرزمینی نیازمند راهنمایی ها و دستورالعمل های تجربی و نظری باشد که طراحان مربوطه با توجه به آنها بتوانند در مقاطع پیش از اجرا، طرح هایی در حد قابل قبول ارائه نمایند.
موضوع این مجموعه عمدتاً کلیات مشترک مربوط به سازه های زیرزمینی و روش های برخورد به طراحی ها و کلیاتی از اجرا می باشد.
در نبود استانداردهای بین المللی، این مجموعه نیز مانند دستورالعمل ها و ضوابط موجود، گروه های طراح را در سازماندهی طراحی و اتخاذ روش های طراحی، راهنمائی خواهد کرد.
در خاتمه امیدوار است با نهایت کوششی که در خلاصه نویسی و حذف موارد تشریحی به عمل آمده ، مجموعه حاضر بتواند نقاط نظر عملی مورد نیاز را تا حد ممکن پوشش دهد .

فصل اول – کلیات
۱-۱ هدف
هدف از تهیه این مجموعه، ارائه ضوابط، دستورالعمل ها و استانداردهای طراحی سازه ای برای تونل های آب بر و پوشش آنها است. پرداختن به چنین هدفی ، بدون اشاره به تعاریف و مفاهیم کلی ، راه گشا نیست. در بارگذاری تونل ها، زمین اطراف تونل با تمام ویژگی های فیزیکی و مکانیکی آن نقش عمده ای دارد. به همین سبب ، کلیاتی در مورد زمین شناسی و طبقه بندی زمین شناختی در پوسته های این مجموعه آمده تا مراجعه به مأخذهای گوناگون به حداقل کاهش یابد.

با توجه به تأثیر روش های اجرا، در حفاظت های موقت و دائم در مجموعه حاضر ضمن معرفی روش های اجرا گزینه های لازم برای حفاظت ها نیز توصیه شده اند. بدین ترتیب این مجموعه منحصراً جنبه استاندارد ندارد، بلکه ترکیبی از توصیه ها ، دستورالعمل ها و استانداردها است .
۱-۲ دامنه کاربرد

این مجموعه شامل نقطه نظرهای فنی، رهنمودهای مربوط به طراحی و اجرای تونل ها و شفت ها با کاربردهای هیدرولیکی می باشد. در مواردی از جمله محاسبات پایداری جدار تونل های سنگ بری شده، می توان در زمینه تونل های ترافیکی نیز از این مجموعه استفاده کرد. دامنه کاربرد مجموعه در زمینه مطالعات و نتیجه گیری ژئوتکنیک در حد نیاز مهندس طراح سازه مطرح شده

است. با توجه به تنوع روش های اجرای تونل ها و متدولوژی های مختلف ، از جمله استفاده از ماشین آلات خاص حفاری یا روش های ویژه مانند لوله رانی ، برای کاهش حجم متن، تنها به این روش ها اشاره گردیده است . همچنین این مجموعه از نظر اجرایی، خاص تونل ها و شفت ها در زمین های سنگی است که با اجرای آنها در زمین های نرم تفاوت عمده ای دارند.

برای طراحی موفق فنی که توأم با نقطه نظرهای اقتصادی باشد، استفاده از گروه مهندسین با تجربیات بالا در زمینه های تخصصی مختلف ضرورت دارد. از آنجا که عملیات اجرایی و قرارداد مربوط به اجرا در عملیات اجرایی مورد بحث نقش اساسی دارد، بنابراین در مواردی این مجموعه به مفاد قراردادهای اجرایی اشاره داشته که البته از اشاره فراتر نرفته و به این ترتیب نقطه نظرهای مربوط به تهیه اسناد قرارداد را به طور کامل نمی پوشاند.

طراحی تونل ها و شفت ها به علت این که محیط اجرای آنها بر خلاف سایر موضوعات مهندسی منحصراً تشکیلات زمین شناسی هستند، با سازه های دیگر اختلاف بنیادی دارد؛ در سازه های مهندسی معمولاً طراحی عناصر مهندسی مورد نظر است ولی در مورد تونل ها، در صورتی ک

ه مغار حفاری شده با استفاده از روش های مختلف از جمله به کار بردن میل مهارها، بتن پاشی و تمهیدات دیگر تقویت شوند،باز در مورد پایداری وضریب ایمن سازه نمی توان به اعداد دقیقی رسید .
در این راستا، بررسی ها و اکتشافات باید اتفاقات محتمل را پیش از وقوع روشن نمایند تا پیمانکار آمادگی و شرایط ایمنی کافی را برای اجرای طرح فراهم آورد .

۱-۳ روش ها و استانداردهای طراحی
در طراحی تونل ها، شفت ها و سازه های زیرزمینی از آنجا که عامل اصلی محیط میزبان و اثر آن بر جدار مغار می باشد وبه این سبب که میزان شناخت ازمحیط میزبان و ویژگی های آن در مقایسه با دیگر سازه های مهندسی محدودتر است، محاسبات و طراحی ها ضمن اختلاف با دیگر سازه های مهندسی، اساساً محاسبات ویژه ای بوده و به همین دلیل کدها و استانداردهای مربوط به تونل ها و شفت ها محدود و کمیاب هستند.

در این مجموعه، روش های طراحی با برنامه عملیات اجرایی مورد بحث قرار گرفته است . به این معنی که ابتدا خلاصه ای از ویژگی های سازندهای زمین شناسی به عنوان محیط میزبان معرفی گردیده و سپس طراحی حفاظ ها و عناصر پایدار کننده موقت بااستفاده از روش های مختلف تشریح گردیده و سرانجام روش های مختلف محاسبات پوشش های تونل های هیدرولیکی بیان

شده است. روش های برخورد به رفتار سنگ در مغارها شامل روش های نظری و تجربی می باشد که در مجموعه حاضر متداول ترین آنها معرفی شده اند. تأکید این مجموعه بر این است که پارامترهای شناسایی نشده در رفتار سنگ و سایر عوامل محیطی در طراحی ، طوری در نظر گرفته شود که طراحی حاصل، هم از نظر ایمنی و هم به لحاظ اقتصادی بهینه باشد .

۱-۴ گروه تخصصی طراحی
گروه طراحی به علت ویژگی های سازه های زیرزمینی باید شامل تخصص های زیر باشد :
۱-۴-۱ مهندس زمین شناس، برای تهیه برنامه بررسی ها و اکتشافات ژئوتکنیک و ژئوفیزیک و تفسیر نتایج حاصل از شرایط غیرمعمول و انتخاب مسیر اصلی تونل و همکاری با متخصص آب زیرزمینی .
۱-۴-۲ مهندس هیدرولیک، برای طرح پلان و پروفیل، و فشار آب در تونل و ویژگی های هیدرولیکی مقطع ساخته شده تونل و اعلام نظر در مورد گزینه ها.
۱-۴-۳ مهندس سازه ، برای محاسبات پوشش ها در تونل های تحت فشار و پنستاک ها و محاسبات بتن مسلح، همکاری در انتخاب نوع پوشش تونل و حفاظت های موقت .

۱-۴-۴ مهندس ژئوتکنیک ، برای محاسبه و ارزیابی حفاظت های موقت، انتخاب روش ها و تدابیر مربوط به ناهنجاری ها و شرایط غیرمتعارف، انتخاب نوع پوشش تونل و مسیر کلی تونل .
۱-۴-۵ مهندس عمران (سیویل) ، برای انتخاب موقعیت کارگاه وتجهیزات ، دستیابی به کارگاه، محل انبار مواد اضافی و تغییر محل تجهیزات مربوط به اجرا .

۱-۴-۶ مهندس عمران (سیویل)، یا نقشه بردار، برای تهیه نقشه های پایه، انتخاب روش های تعیین مختصات و نقاط اصلی نقشه برداری و کنترل اجرای عملیات صحرایی .
۱-۴-۷ گروه زیست محیطی
۱-۴-۸ مهندس عمران با تجربه اجرا در سازه های زیرزمینی، برای مشاوره در مورد روش های اجرای پیش بینی شده و راه حل های مقطعی و مشارکت در تهیه اسناد قرارداد و برنامه های کنترل کیفیت .
۱-۴-۹ سایر تخصص ها، شامل متخصص آنالیز قیمت های واحد (معمولاً با تخصص عمران – اجرایی ) ، نقشه کش های آشنا با نرم افزارهای ترسیمی و کارشناسان مورد نیاز برای تهیه و تنظیم اسناد قرارداد .

۱-۵ مراحل طراحی و اجرا
در تمامی مراحل طراحی، زمینه های تخصصی مهندسی تونل، زمین شناسی ومهندسی ژئوتکنیک باید مورد توجه باشند. مراحل طراحی و اجرا به اختصار بدین ترتیب می باشد :
۱-۵-۱ مطالعات شناسایی
این مرحله شامل معرفی و تعیین سیمای طرح شامل بیان علل و نیازهای اجرای طرح یا چشم اندازهایی است که اجرای طرح ایجاد می نماید. عمده ترین پروژه هایی که زمینه اصلی آنها سازه های زیرزمینی و تونل ها را تشکیل می دهد عبارتند از : نیروگاه ها ، کنترل سیلاب، انحراف آب و سرانجام تأمین و انتقال آب برای اهداف آبیاری و کشاورزی و اهداف دیگر .

۱-۵-۲ مطالعات توجیهی
۱-۵-۲-۱ بخش عمده فعالیت ها در این دوره، روی اقتصاد طرح متمرکز می گردد . در این مرحله باید امتیاز و برتری اجرای طرح بر هزینه های اجرا و آسیب های زیست محیطی ناشی از اجرا روشن شود. در این راستا، باید دقت طرح در حد مناسبی بیشتر از مرحله قبل بوده و مسائل زمین شناسی و زیست محیطی با دقت کافی تشریح شوند .
۱-۵-۲-۲ در مورد هر طرح، گزینه هایی با در نظر گرفتن مشکلات وموانع و اثرات زیست محیطی بررسی می شوند که پس از غربال کردن گزینه ها، طرح نهایی شامل طرح اولیه، هندسه طرح، راستاها و ترازها و پارامترهای جانبی ( از جمله راه های دستیابی ) به عنوان طرح حاصل از مطالعات توجیهی ارائه می شود

.
در این مرحله محاسبات هیدرولیکی طرح در تعیین هندسه وراستا و ترازها نقش عمده ای دارد . طرح مرحله اول باید شامل سازه های جانبی از قبیل مخزن ضربه گیر، محفظه هوا و غیره باشد . در گزینه ها باید علاوه بر تونل و تجهیزات جانبی، گزینه های جایگزین نیز بررسی شوند. مشکلات و پیچیدگی های زمین شناسی و عوارض ناشی از حفاری( مانند برخورد به چشمه های آب گرم وگازهای مسموم ) در این مرحله ملاحظه خواهند شد. به این ترتیب، در مرحله اول باید مطالعات بررسی ها و اکتشافات ژئوتکنیکی و ژئوفیزیکی در حد مناسب انجام شده واز نتایج آنها در ارائه گزینه ها و انتخاب مسیر مناسب و همچنین هندسه مناسب و محاسبات پایداری استفاده گردد .
۱-۵-۳ تهیه طرح اجرایی

پس از انتخاب مسیر و هندسه مناسب تونل و موقعیت شفت ، بر اساس نقشه های توپوگرافی دقیق تر( حداقل مقیاس ۱:۲۰۰۰ برای مسیر و حداقل ۱:۱۰۰۰ برای ورودی و خروجی ) و با توجه به اطلاعات ژئوتکنیکی و ژئوفیزیکی ، طراحی ها انجام می گیرد. نکات مهمی که در این مرحله باید مورد استفاده و توجه باشند، عبارتند از :
– جزییات ژئوتکنیک

– حفظ تأسیسات موجود
– تدابیر لازم برای جلوگیری از آب شکستگی ها و یا انباشته شدن رسوبات هنگام وقوع جریان های سطحی
– جانمایی ورودی، خروجی و شفت
– حفاظت های موقت
– شرایط و حدودی که پیمانکار باید حفاظت های موقت را طراحی کند
– مراحل و ترتیب اجرا

– پوشش نهایی تونل ( شامل بتن ، میل گرد و فولاد )
– سازه های جانبی وجزییات آنها
– حفاظت های کاتدی
– ابزار دقیق و سامانه های رفتارنگاری و
– مشخصات فنی و خصوصی و برنامه گزارش های کارگاهی
۱-۵-۴ مرحله اجرا

در مرحله اجرا، تیم اجرایی شامل مدیر پروژه ، مهندس مقیم، نظار و سایر نفرات لازم می باشد . در این مرحله، طراح باید کلیه پیشنهادهای فنی پیمانکار را ملاحظه نماید . نتایج قرائت ابزار، برای ملاحظات فنی باید در اختیار طراح قرار داده شود. حضور نماینده ای از طرف گروه طراحی در کارگاه نیز لازم است .

۱-۵-۵ مرحله راه اندازی و بهره برداری
پیش از اعلام تحویل ، باید آزمایش های لازم از جمله هیدرواستاتیک انجام و دستورالعمل بهره برداری و نگهداری و نقشه های چون ساخت تهیه شود .
درمرحله بهره برداری، از قرائت های سامانه های رفتارنگاری بهره گیری گردد .

فصل دوم – محیط میزبان
۲-۱ ملاحظات زمین شناسی
ملاحظات زمین شناسی تونل ها به شرح زیر می باشند :
۲-۱-۱ زمین شناسی محدوده کار در مورد تونل ها، مغارها و سازه های زیرزمینی باید گویای ویژگی های مکانیکی از جمله تغییر شکل و شکست آنها هنگام حفاری باشد. در صورت احتمال برخورد به آب زیرزمینی مقدار و فشار آن باید بررسی شود .

 

۲-۱-۲ هنگام طراحی و اجرای تونل ” چینه شناسی ” و ساختمان ” زمین شناسی توده سنگ ” چهارچوب اصلی طبقه بندی را تعیین می کند. توده سنگ ها از نظر زمین شناسی با توجه به ویژگی های مختلف طبقه بندی می شوند. در این بررسی ها ضمن طبقه بندی زمین شناسی و مسائل آن، عواملی از جمله برخورد به آب زیرزمینی پیش بینی می گردد . از نمونه های دست نخورده سنگ ویژگی های مکانیکی به دست می آید. حال آن که توده سنگ، به علت داشتن ابعاد بزرگ تر ویژگی های دیگر از جمله اثر درزه ها و شکستگی ها را نیز دربردارد.
به این ترتیب، در آغاز به کلیات زمین شناسی که باید در طراحی سازه ای مغارها و حفره های زیرزمینی مورد توجه قرار گیرند اشاره می شود. در رفتار عمومی توده ویژگی های رفتاری ژئوتکنیکی سنگ سالم و توده سنگ ، تنش های موجود در توده سنگ در حالت طبیعی ، اثر هوازدگی و ناپیوستگی ( از جمله درزه ها و گسله ها) و وجود آب زیرزمینی و گازها که پایه های پیش بینی رفتاری سازه های زیرزمینی را تشکیل می دهند ملحوظ می شود .

۲-۲ ویژگی های سنگ دست نخورده
ویژگی های سنگ بکر را به صورت کلی به ترتیب زیر می توان بیان کرد:
سنگ، ماده ای طبیعی است که ترکیب بسیار متنوعی دارد. سنگ ها معمولاً متشکل از قطعات کانی هایی هستند . کانی ها ترکیبات شیمیایی یکدستی دارند. کانی های هر سنگ ویژگی های خاص خود را دارند. شناختن کانی ها معمولاً از روی مقاطع نازک از سنگ صورت می گیرد. بیشترین کانی ها از ترکیبات سیلیکات ها می باشند .
۲-۲-۱ مشخصات کانی

ویژگی کانی ها غالباً خصوصیات مهندسی سنگ ها را تحت تأثیر قرار می دهد، خصوصاً اگر مقدار آن در سنگ زیاد باشد. سیلیکات های بدون آب ( فلداسپارها، کوارتز، هورن بلند، اوژیت و اولیوین) در قیاس با کانی های دیگر به طور قابل توجهی سخت تر می باشند که این امر، سبب افزایش مقاومت تک محوری و برشی سنگ می شود .

 

اگر مقدار کانی های نسبتاً نرم مانند میکا یا کلسیت در توده قابل ملاحظه باشد، می توانند موجب هوازدگی زیاد و شکست سریع سنگ شوند. کانی هایی که قابلیت تورق دارند، سبب بروز آنیزوتروپی در سنگ می گردد، ولی از آنجا که قطعات متمرکز از یک کانی در سنگ کم است ، هر کانی غالباً اثر مستقیم کمی در رفتار مکانیکی سنگ داشته و رفتار سنگ را به میزان محدودی تحت تأثیر قرار می دهند . برای تعیین مشخصات و ویژگی های سنگ انجام آزمایش های مکانیکی روی نمونه های آن ضروری است .

۲-۲-۲ طبقه بندی عمده سنگ ها
منشأ سنگ ها، عامل اصلی طبقه بندی آنهاست. سنگ ها به گروههای زیر تقسیم می شوند :
۱- سنگ های آذرین
۲- سنگ های رسوبی
۳- سنگ های دگرگون
در طبقه بندی سنگ ها که توسط آقایان کلیتون ، سیمون، میتو در سال ۱۹۸۲ انجام شده ، سنگ های آذرین بر حسب اندازه بلورها طبقه بندی شده اند، زیرا اندازه بلورها به نحوه خنک شدن آنها بستگی دارد. طبقه بندی سنگ های رسوبی نیز بر حسب نحوه رسوبگذاری و ترکیب شیمیایی انجام گردیده و سرانجام، گروه سنگ های دگرگون بر مبنای ساختمان قطعات و کانی ها طبقه بندی شده اند .

فصل سوم – گردآوری اطلاعات ژئوفیزیک و ژئوتکنیک برای تونل ها و شفت ها
۳-۱ کلیات
علاوه بر اطلاعات عمومی، موردی و تجربی در اجرای تونل های هیدرولیکی، از اطلاعات ژئوفیزیکی و ژئوتکنیکی نیز باید استفاده شود. اولین قدم در این زمینه ، ارائه برنامه بررسی ها می باشد .
هدف از ارائه برنامه ژئوتکنیک برای تونل ها، آن گروه از جزییات است که ایمنی و روش های مناسب اجرا و عملکرد صحیح تونل در دوره بهره برداری را تأمین نمایند. در این بخش ، روش ها و استانداردهای لازم مورد بحث قرار می گیرند .
دستورالعمل های قید شده در USACE 1110-1804 ، بخش بررسی های ژئوتکنیک و EM1110-1802 ، بررسی های ژئوفیزیک از جمله استانداردهای لازم هستند که می توان به آنها استناد کرد. در دنباله مطلب، عملیات اکتشافی مورد نیاز احداث تونل ها در مراحل مختلف مطالعات قیده شده است .
اطلاعاتی را که باید گردآوری کرد به صورت زیر طبقه بندی می شوند:
۳-۱-۱ پروفیل های زمین شناسی ( چینه شناسی ، ساختمان و ماهیت اصلی نوع سنگ ها و خصوصیات عمده آنها )

۳-۱-۲ ویژگی ها و شرایط ژئومکانیکی توده سنگ
۳-۱-۳ آب زیرزمینی ( مخازن آب زیرزمینی ، آبخوان ها و فشار آب
۳-۱-۴ خطرات اجرایی ( تلافی با گسله های اصلی حامل آب، گازها و غیره
۳-۲ حفاری های اکتشافی لازم برای مراحل مختلف
برای جمع آوری اطلاعات فنی لازم برای مطالعات تونل ها در مراحل مختلف ، بررسی های ژئوفیزیک و ژئوتکنیک به شرح زیر موردنیاز می باشند :
۳-۲-۱ مرحله شناسایی
اطلاعات ژئوتکنیک مورد نیاز مرحله شناسایی عمدتاً از داده های موجود گرفته می شود و عملیات ژئوتکنیک به حداقل محدود می گردد. گردآوری اطلاعات بیشتر، به مرحله توجیهی موکول می شود. در مرحله شناسایی، اتکا عمدتا بر زمین شناسی منطقه و بر عوامل کلی طراحی و اجرا می باشد . کمترین اطلاعات مورد نیاز شامل موارد زیر است :

– گردآوری اطلاعات و نتایج مطالعات موجود
– دریافت اطلاعات از راه دور ( سنجش از راه دور)
– تهیه نقشه های زمین شناسی صحرایی اولیه
– عملیات مناسب ژئوفیزیک
– حفاری درنقاط حساس و کلیدی ، حسب انتخاب
۳-۲-۱-۱ منابع اطلاعات موجود
نقشه های توپوگرافی ۱:۵۰۰۰۰ برای تمام سطح کشور ایران موجود است. نقشه های زمین شناسی تقریباً برای تمام کشور به مقیاس ۱:۲۵۰۰۰۰ از سازمان زمین شناسی کشور قابل حصول بوده و گذشته از این، بخش هایی از کشور دارای نقشه های به مقیاس ۱:۱۰۰۰۰۰ می

باشند . همچنین از وزارتخانه ها و نهادهای دیگر از جمله وزارت صنایع و معادن و وزارت نفت، می توان نقشه برخی مناطق دیگر را گردآوری کرد. شرکت های خصوصی در مطالعات خود، نقشه های زمین شناسی با مقیاس های متفاوت را تهیه کرده اند که در پروژه های بزرگ، دسترسی به آنها حسب دستور کارفرمای طرح یا مراجعه به مقامات سازمان های مربوطه امکان پذیر است. بنابراین در مطالعات شناخت، مهندسین مشاور مطالعه کننده باید منابع نقشه ها و اطلاعات را به کارفرما اطلاع دهد تا معرفی و همکاری برای اخذ و گردآوری آنها به عمل آید .

در مناطق شهری، با مراجعه به وزارت مسکن وشهرسازی، سازمان های آب، شرکت های منطقه ای آب و فاضلاب و مهندسین مشاور فعال در پروژه های توسعه شهری، می توان اطلاعات لازم را گردآورد .
اطلاعاتی که به شرح بالا جمع آوری می شوند، غالباً هدف های خاص خود را دنبال می کنند. بنابراین مطالعه کننده باید در جهت اهداف طرح خود روی داده های خام، کار کرده وتغییرات لازم را به عمل آورد. نتیجه این کارها باید به تهیه مجموعه نقشه های زمین شناسی، پروفیل ها، تشریح انواع سنگ ها و فهرست مشکلات و آنومالی ها منجر شود. تمامی این اطلاعات باید با مشاهدات محلی، صحرایی و سایر روش ها تکمیل شوند.

استفاده از عکس های ماهواره ای ، عکس های هوایی، نقشه ها و بازدیدهای محلی در تهیه مجموعه کامل نقشه، گسله ها و سایر عوارض متداول است و مطالعه کننده باید در حدود مناسب با ابعاد طرح و اهمیت و حساسیت آن در مرحله شناخت، بسته به مورد ازاین اطلاعات( باتوافق کارفرما و پس از گنجانیدن حدود آن در شرح خدمات قرارداد ) استفاده نماید . گاه نتایج حفاری روی سازندهای مورد نظر که در سایر نقاط انجام شده ، در دسترس هستند که از آنها می توان

استفاده نمود . جمع آوری و بررسی داده های موجود باید شامل اطلاعات مربوط به ویژگی های جغرافیایی ، فرهنگی ، داده های محیطی مانند مالکیت اراضی، تأسیسات موجود، راه های دسترسی ، حساسیت های محیطی و غیره باشد . توسعه منابع محلی مانند معادن ، معادن سنگ و چاه های نفت باید در نقشه آورده شوند.

۳-۲-۱-۲ روش های دریافت اطلاعات از دور (سنجش از دور)
گذشته از عکس های هوایی سیاه وسفید که در فئوژئولوژی کاربرد مفید و مؤثری دارند، امروزه استفاده از عکس های ماهواره ای متداول است .
در ایران استفاده از عکس های هوایی به مقیاس های مختلف، همراه با ایماژهای ماهواره ای برای تمامی سطح کشور امکان پذیر است.

۳-۲-۱-۳ تهیه نقشه مورد نظر زمین شناسی
اولین اقدام، انجام مطالعات صحرایی و بررسی دقیق و شناسایی مسیر تونل است؛ در این بررسی ها باید به محل محورها و ورودی ها و خروجی ها توجه خاص داشت . اجزا و بخش های تصویر

شده در نقشه ها و عکس های هوایی نیز باید بررسی شوند . رخنمون های سنگ ها که غالباً در خاکبرداری جاده ها وجود دارند، از جمله بهترین عوامل شناسایی توده سنگ ها ، شکستگی های آنها و امتداد لایه های رسوبگذاری و موقعیت مرز و محدوده انواع سنگ ها می باشند.
مشاهدات زمینی ، خصوصاً به عوارضی که ضرورت مسئله را مطرح می کند می پردازد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود :

– زمین لغزه های نو و کهنه ، خصوصاً در محدوده ورودی ها و خروجی های تونل
– گسل های مهم
– حفره های فرونشسته و مناطق کارستی
– چشمه های آب گرم
– فعالیت های آتشفشانی
– آنیدریت های آتشفشانی
– آنیدریت ها و گچ و یا شیل های متورم شونده
– غارها
– ترک های رهایی تنش
– مناطق دارای هوازدگی عمیق و واریزها
پس از تعیین و تثبیت مسیر تونل و ورودی و خروجی ، باید نقشه جزییات زمین شناسی تهیه شود. درزها، گسل ها و صفحات لایه بندی، باید روی نقشه آمده و قرارگیری آنها و چینه ها مشخص می شود، به طوری که محاسبات پایداری را بتوان انجام داد .
۳-۲-۱-۴ آب زیرزمینی ( هیدروژئولوژی )
آب زیرزمینی بالقوه می تواند بیشترین دشواری را

در حفر تونل ها ایجاد کند. بنابراین برای تعیین رژیم آب زیرزمینی، منابع آب، کیفیت آب، دما و عمق آب کوشش خاص لازم است . در بررسی و برآورد مقدار آب زیرزمینی باید اطمینان حاصل شود که حفر تونل چه تأثیری بر رژیم آب زیرزمینی محیط زیست، اقتصادی و اجتماعی و پایداری سازه های مجاور دارد.
برای استنتاج موارد بالا، استفاده از نقشه ها و عکس های هوایی لازم و مفید است . پیاده کردن چشمه های دائمی و سایر منابع آبی روی نقشه در مقاطع مختلف سال غالباً لازم می باشد . تخمین پتانسیل آب زیرزمینی می تواند بر اساس کشت و کار منطقه ارزیابی شود .

۳-۲-۱-۵ بررسی های ژئوفیزیک سطحی
روش های ژئوفیزیکی ، به علت ارزان بودن نسبی آنها و ارائه اطلاعات نسبتاً مناسب در مدت کوتاه برای مراحل ابتدایی مطالعات مفید است. جزییات برنامه ریزی و اجرای بررسی های ژئوفیزیک، درمراجع مختلف از جمله در EM-1110-1-1802 ارائه شده است .

متداول ترین روش ژئوفیزیک برای کارهای زیرزمینی، عملیات سایسمیک انعکاسی- انکساری و مقاومت الکتریکی است. در روش سایسمیک( امواج صوتی ) وجود سنگهای متمایز یا مناطق گسلیده مشخص می شود . این روش برای تعیین عمق آب زیرزمینی نیز مفید می باشد .
سرعت امواج صوتی به عنوان شاخص برای کیفیت سنگ و قابلیت سنگ برای حفاری به کار می رود، در صورتی که مغایرتی در سرعت امواج در محدوده ملاحظه نشود، منطقه از نظر امواج صوتی نامکشوف یا ناشناخته است .

بسته به قدرت و انرژی اعمال شده در عملیات سایسمیک و تکنیک های خاص آن، بررسی های سایسمیک را می توان برای کارهای با عمق کم، با دقت بالا و حفاری های عمیق با دقت کم طراحی کرد.
اندازه گیری مقاومت الکتریکی غالباً برای تعیین عمق آب زیرزمینی مفید است .
۳-۲-۲بررسی های مربوط به مطالعات توجیهی

بعد از انجام زمین شناسی مهندسی در مرحله شناخت، بررسی های تکمیلی شامل حفر گمانه ها و ترانشه ها برای مطالعات مرحله توجیهی صورت می گیرند. دامنه کار در این مرحله از کار، باید به حدی باشد که عوارض مهم و تعیین کننده زمین شناسی که روی سیمان طرح توجیهی می توانند مؤثر باشند و یا اثرات قابل توجهی بر انتخاب ورودی و خروجی تونل بگذارند، شناخته شوند .
۳-۲-۲-۱ بررسی های مربوط به برنامه ریزی و مهندسی پیش از اجرا

در مرحله طراحی های مهندسی ، باید بررسی های لازم نه تنها برای برآورده ساختن نیازهای طراحی سازه زیرزمینی، بلکه برای به دست آوردن اطلاعات اجرایی صورت گیرد. به همین دلیل ، برنامه عملیات باید توسط مهندس زمین شناس یا مهندس ژئوتکنیک با همراهی نزدیک با مهندس طرح و مهندسین اجرایی تهیه شود .

اغلب داده های ژئوتکنیک ، برای طراحی در مرحله برنامه ریزی پیش از اجرا به دست می آیند، با این حال، حفاری های تکمیلی، و نیز حفاری و آزمایش های لازم برای اجرا را می توان در مراحل بعدی طراحی گردآوری کرد. عواملی که شناسایی آنها در طرح و یا عملیات مؤثرند، در پیوست شماره ۲ آمده است .

فصل چهارم – روش های اجرا
۴-۱ کلیات
روش های اجرایی، با توجه به ابعاد پروژه و شرایط سنگ و امکانات اجرایی تنوع قابل توجهی دارند . این روش ها از روش های سنتی شامل حفاری و سنگ بری با استفاده از مواد منفجره تا استفاده از ماشین های حفاری ویژه متفاوت می باشند توجه به این نکته لازم است که سنگ بری در مقطع تونل به علت ایجاد شکستگی های ثانویه و یا بازشدن درزه های موجود بر مراحل بعدی اجرا اثر می

گذارد و روش های حفاظت موقت را تحت تأثیر قرار می دهد . در این بخش از مجموعه، سعی شده است که مطالب مهم تا حد امکان فهرست گونه آورده شوند و تنها به آن قسمت ها که بر طراحی و پایداری مغارها اثر می گذارند تأکید نسبتاً بیشتری معطوف شده است . از آنجا که ملاحظه شده در غالب کارگاه ها، انفجار در تونل ها ( و پی کنی در زیرزمین های سنگی ) به علت عدم رعایت مقادیر بهینه مواد ناریه موجب خساراتی به توده سنگ وتأسیسات مجاور می گردد، به استفاده

مناسب از مواد ناریه و ملاحظات ایمنی اشاره شده است.
در مورد تی . بی . ام ها با توجه به ویژگی دستگاه ها به اشاره مختصری در مورد روش کار و عوامل مؤثر در انتخاب دستگاه بسنده شده و با توجه به حجم سرمایه گذاری، در صورت استفاده از این دستگاه ها طبعاً بررسی های ویژه لازم است که انتظار نمی رود این مجموعه شامل چنین اطلاعاتی باشد .

تیم طراحی باید مرکب از مهندسین طراح، مهندسین اجرا و زمین شناس با تجربه در سازه های زیرزمینی باشد روش ها و مراحل حفاری روی بارها و جابه جایی هایی که باید سامانه های حفاظت موقت و دائم در برابر آنها مقاومت و پایداری کنند مؤثر هستند . شکل تونل باید طوری باشد که قابلیت اجرایی و عملی داشته باشد . جزییات بیشتر به دوره اجرا موکول می شود

.
۴-۱-۱ ملاحظات اصلی
مراحل عملیات اجرایی در سازه های زیرزمین را می توان به صورت زیر بیان کرد:
– حفاری شامل حفاری با وسایل دستی، انفجار و یا استفاده از دستگاه ها و ماشین های مخصوص
– حفاظت های اولیه
– حفاظت های دائمی زمین
۴-۱-۲ سایر ملاحظات

سایر ملاحظات مهم اجرا را به ترتیب زیر می توان بیان نمود :
– آماده سازی و تجهیز کارگاه و ورودی ها
– نقشه برداری
– تهویه فضاهای زیرزمینی
– زهکشی و کنترل آب
– مقابله با خطرات
– ملاحظه اثرات اجرای تونل بر سازه های مجاور
– کنترل اثرات زیست محیطی
۴-۲ حفر تونل با انفجار
اگرچه استفاده از تی بی ام در بسیاری از پروژه های حفر تونل متداول نشده است ، اما هنوز بخش عمده ای از حفاری های زیرزمینی در سنگ با انفجار انجام می شود. در پیوست شماره ۳ روش های اجرا ، با تفضیل بیشتری آمده است .

۴-۲-۱ مراحل اجرایی حفاری با انفجار
این روش شامل مراحل اجرایی به ترتیب زیر است :
۱- حفر چال ها و خرج گذاری
۲- آتش باری و تهویه برای خروج دودهای انفجار
۳- حمل قطعات سنگ ریخته شده
۴- لق گیری سقف و دیوارها
۵- نصب حفاظ های اولیه
۶- پیشروی و ریل گذاری ( در صورت استفاده از سامانه واگن) ، تهیه تجهیزات
۴-۲-۲ پیشروی در تمام مقاطع و یا بخشی از مقطع

غالباً حفاری در تونل ها در تمام مقطع انجام می شود. طول چال های انفجار اندکی کمتر از ابعاد گشودگی و طول پیشروی در آتش باری مطلوب در حد ۹۰ درصد عمق چاه ها است . طول های تیپ پیشروی در هر دور بین ۲ تا ۴ متر می باشد .
در صورت وجود محدودیت هایی از نظر ابعاد تونل، ماشین آلات یا کیفیت سازند مورد حفاری ، سنگ بری به صورت مرحله ای مناسب تر است . متداول ترین نوع حفاری های مرحله ای ، روش های حفر پیشانی و کرسی است .

در روش اول، بخش فوقانی ( پیشانی ) با عرض کامل و به دنبال آن کرسی ها حفاری می شوند . در حفر کرسی ها از چال های عمودی می توان استفاده کرد .
روش های متعدد حفاری مرحله ای وجود دارد که از آن جمله ، می توان اول حفر قسمت میانی و سپس دو بخش در طرفین پیشانی و بخش کرسی باقی مانده در یک ، دو یا سه مرحله را نام برد .
علت انتخاب روش حفر مرحله ای( در مقایسه با حفر مقطع کامل ) شامل موارد زیر است :
۴-۲-۲-۱ سطح مقطع برای یک دستگاه چال زن جامبو بزرگ است. این حالت در مغارهای نیروگاه ها، تونل های دو یا سه خطه آزاد راه ها و شیرخانه ها عمومیت دارد .
۴-۲-۲-۲ شدت انفجار بر پایه کنترل ارتعاش صورت گیرد.

۴-۲-۲-۳ زمین خیلی سست باشد به طوری که حفاری در تمام مقطع، مجال تثبیت با حفاظ های موقت را ندهد .
۴-۳ طراحی مراحل انفجار
مراحل پیش بینی شده برای اجرا به صورت زیر است :
۴-۳-۱ روش انجام کار باید توسط پیمانکار ارائه شده و به تصویب دستگاه نظارت برسد. حفاری چال ها معمولاً با دستگاه های بادی یا هیدرولیکی حفاری صورت می گیرد .
در حفر تونل های با مقطع کوچک، از دستگاه های تک چکش و در مقاطع بزرگ از جامبوهایی با دو بازو یا بیشتر استفاده می شود. جامبو ممکن است روی شاسی با چرخ های لاستیکی، چرخ زنجیری و یا اصلاً روی سامانه ای که روی ریل ها حرکت می کند سوار شود .

۴-۳-۲ در طراحی انفجار میزان احاطه شدن چال ها حایز اهمیت است. اگر چال از اطراف محاط باشد، انفجار می تواند موجب تغییر شکل پلاستیک باشد. در چال هایی نزدیک سطوح آزاد ، موج انفجار ، در رویه دیوار ترک هایی ایجاد نموده و سبب ریزش سنگ می گردد. فاصله چال تا سطح آزاد و رویه ، قاعدتاً ۷۵/۰ تا ۱ برابر فواصل چال ها انتخاب می شود . بحث بیشتر در زمینه حفاری در پیوست شماره ۳ آمده است .

۴-۴ حفاری تونل ها با وسایل مکانیکی
وسایل حفاری تونل ، تنوع زیادی دارند که از دستگاه های ساده تا تی . بی . ام را شامل می شود، عمده ترین ماشین ها شامل که گاوی ها و تی بی ام ها می باشند .
۴-۴-۱ استفاده از ماشین آلات مختلف حفاری تونل

استفاده از دستگاه های کله گاوی در حفاری تونل ها، به صورت تمام مقطع ، نیم مقطع ، تونل های دسترسی ، بازکننده جبهه کار برای TBM و سایر موارد متداول است . بخش های عمده در این سامانه عبارتند از :
• بخش حفار ( دورانی ) مجهز به ناخن
• بازوی هیدرولیکی که می تواند مته را با راستای عمودی در نقاط مختلف مستقر نماید
• گردان افقی، برای انتخاب موقعیت مناسب در راستای افقی
• بخش بارگیری شامل پیش بند و بازوهای جمع آوری کننده
• تسمه نقاله برای بارکردن نخاله ها به ماشین های حمل مواد
• قاب پایه
• سیستم حرکتی دستگاه که غالباً زنجیری است .
دستگاه ها دارای توانایی و ظرفیت های متفاوتی هستند. دستگاه های بزرگ می توانند از یک محل استقرار تا حدود ۶۰متر مربع را حفاری کنند . بازوی حفاری، زوایای مختلفی می گیرد که می تواند حتی شفت ها را حفاری کند .
اکثر دستگاه ها می توانند سنگ هایی با مقاومت فشاری تک محوری بین ۶۰ تا ۱۰۰ مگاپاسکال را حفاری کنند . دستگاه های قوی تر می توانند سنگ های با مقاومت بین ۱۵۰-۲۰۰ مگاپاسکال را (برای زمان محدودی) برش دهند .

ماشین های متوسط و کوچک، بین ۲۰ تا ۸۰ وزن دارند، توان کله برشی بین ۳۰ تا ۱۰۰ کیلووات و توان کلی بین ۸۰ تا ۶۵۰ کیلووات می باشد. دستگاه های بزرگ تر با وزن حدود ۹۰ تن توان برشی حدود ۲۲۵ کیلووات دارند . در صورتی که دستگاه خوب مستقر شود، نیروی عمودی کله گاوی بیش از ۵۰تن خواهد بود. میزان کارآیی این دستگاه ها از نتایج آزمایش سنگ های مورد حفاری از جمله بررسی میکرواسکپی، بررسی میزان سیمانتاسیون، بررسی مقدار کوارتز، سلراسکوپ و چکش

اشمیدت به دست می آید . مقادیر چگالی ، تخلخل ، مقاومت های فشار و کششی نیز مهم می باشند . اپراتور با توجه به لایه بندی و سامانه درزه ها، روش و راستاهای با بازدهی مناسب را انتخاب می کند .
۴-۴-۲ دستگاه تی . بی . ام (TBM)
این دستگاه متشکل از بخش حفار، جام های تخلیه کننده، تولید انرژی و سرانجام حفاظ های نگه دارنده حفاری می باشد. از جمله امتیازات این دستگاه می توان موارد زیر را برشمرد:
– سرعت حفاری
– عملیات بدون توقف

– کمترین صدمه وارده به سنگ
– امکان کنترل از دور و راهبری اتوماتیک
از محدودیت های این سامانه، می توان حفاری در مقاطع ثابت دایره، فقدان انعطاف در برابر شرایط استثنایی زمین شناسی، زمان طولانی تجهیز و هزینه سنگین سرمایه گذاری را نام برد. از مجموعه اطلاعات گردآوری شده از پروژه های متعدد که با تی . بی . ام حفاری شده اند دیدگاه مفیدی را می توان به دست آورد .

۴-۵ حفاری شفت ها یا میله ها
غالباً در حفر تونل بلند و سازه های زیرزمینی، دست کم یک شفت دائمی یا موقت باید حفاری شود. شفت ها به صورت تیپ از لایه های متغیر زمین شناسی شامل واریزه ها، سنگ هوازده و سالم ( از انواع مختلف) و با فشار آب رو به افزایش عبور می کنند .
ابعاد شفت ها، بسته به کاربری آنها ( شامل عبور نفر، هوادهی و تهویه، انتقال تأسیسات ، مخزن ضربه گیر و ….) متغیر است . شفت هایی که در واریزه ها حفاری شوند، غالباً کم عمق بوده و سطح مقطع آن شکل مستطیلی دارد. در صورتی که فضای کافی وجود داشته باشد، پیش بینی

یک شیب تند ۱۰ درصد، در عمل مفیدتر از شفت قائم است. شفت هایی که برای کمک به تونل ها حفر می شوند بهتر است حداقل قطر را داشته باشند. با توجه به کاربری ( تخلیه مواد، انتقال وسایل و تجهیزات) قطر تیپ بین ۵ تا ۱۰ متر است . در صورت استفاده از تی . بی . ام قطر شفت باید در حدی باشد که بزرگ ترین قطعه یکپارچه دستگاه را بتوان از آن عبور داد . در غالب موارد این قطر حدود دو سوم قطر تی . بی . ام است .

حفاری شفت ها، بسته به نوع سنگ وابعاد آن می تواند توسط بیل مکانیکی، کلنگ بلدوزر یا در زمین های بهتر با استفاده از انواع ماشین های حفار از جمله اوگرها و حفاری های حلزونی که روی یک سامانه KELLY قرار گرفته اند انجام شود . با این سامانه می توان شفت های با قطر ۸ متر را تا عمق ۷۵ متر حفاری کرد. با تقویت سامانه و تأسیسات سرچاهی و حفار، می توان بازده کار را بیشتر نیز کرد .