تونل سازی و روش های مختلف آن (1)

تاریخچه تونل سازی و سازه‌های زیر زمینی

احتمالا اولین تونل‌ها در عصر حجر برای توسعه خانه‌ها با انجام حفریات توسط ساکنان شروع شد . این امرنشانگر این است که آنها در تلاشهایشان جهت ایجاد حفریات به دنبال راهی برای بهبود شرایط زندگی خود بوده اند. پیش ازتمدن روم باستان ، در مصر ، یونان ، هند و خاور دور و ایتالیای شمالی ، تماما تکنیکهای تونلسازی دستی مورد استفاده قرار می‌گرفت که در اغلب آنها نیز از فرایندهای مرتبط با آتش برای حفر تونل های نظامی ، انتقال آب و مقبره‌ها کمک گرفته شده است. در ایران نیز از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آبهای زیر زمینی تونل هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز می‌رسد. تعداد قنات های ایران بالغ بر50000 رشته برآورده شده است. جالب توجه است که این قنات های متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند.
رومی ها نیز در ساخت قنات‌ها و همچنین در حفاری تونل های راه پرکار بودند. آنها در ضمن اولین دوربینهای مهندسی اولیه را در جهت کنترل تراز وحفاری تونل ها به کار بردند.
اهمیت احداث تونل ها دردوران های قدیم ، تا بدین جاست که کارشناسان کارهای احداث تونل درآن تمدن‌ها را نشانگر رشد فرهنگ و به ویژه رشد تکنیکی و توان اقتصادی آن جامعه دانسته‌اند. تمدنهای اولیه به سرعت ، به اهمیت تونل‌ها ، به عنوان راه‌های دسترسی به کانی ها و مواد طبیعی نظیر سنگ چخماق به واسطه اهمیتش برای زندگی، پی‌بردند. همچنین کاربرد آنها دامنه گسترده‌ای از طاق زدن بر روی قبرها تا انتقال آب و یا گذرگاههایی جهت رفت و آمد را شامل می شد. کاربردهای نظامی تونل‌ها ، به ویژه از جهت بالابردن توان گریز یا راههایی جهت یورش به قرارگاهها و قلعه های دشمن ، ازدیگر جنبه های مهم کاربرد تونلها در تمدن های اولیه بود.
تونل سازی همزمان با انقلاب صنعتی، به ویژه به منظور حمل و نقل ، تحرک قابل ملاحظه ای یافت. تونلسازی به گسترش و پیشرفت کانال سازی کمک کرد و این امر در توسعه صنعت به ویژه در قرون 18 و 19 میلادی در انگلستان سهم بسزایی داشت. کانال‌ها یکی از پایه های انقلاب صنعتی بودند وتوانستند در مقیاس بسیار بزرگ هزینه‌های حمل و نقل را کاهش دهند. تونل مال پاس با طول 157 متر برروی کانال دومیدی در جنوب فرانسه اولین تونلی بود که در دوره‌های مدرن در سال 1681 ساخته شد. همچنین اولین تونل ساخته شده با کاربرد حفاری و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن 18 نیز جیمز بریندلی از خانواده ای مزرعه دار با نظارت بر طراحی و ساخت بیش از 580 کیلومتر کانال و تعدادی تونل به عنوان پدر کانال و تونل های کانالی ملقب شد. وی در سال 1759 با ساخت یک کانال به طول 16 کیلومتر مجموعه معدن زغال دوک بریدجواتر را به شهر منچستر متصل نمود. اثر اقتصادی تکمیل این کانال نصف شدن قیمت زغال در شهر و ایجاد یک انحصار واقعی برای معدن مذکور بود.
در اوایل قرن نوزدهم به منظور عبور از قسمتهای پایین دست رودخانه تایمز هیچ سازه ای موجود نبود و 3700 عابر مجبور بودند با طی یک راه انحرافی 3 کیلو متری با قایق مسیر روترهایت به ویپنیگ را طی کنند. اقدام به ساخت یک تونل نیز به دلیل ریزشی بودن ومناسب نبودن رسوبات کف رودخانه متوقف شد. تا اینکه در حدود سال 1820 فردی بنام مارک ایرامبارد برونل از فرانسه ایده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال 1825 کار احداث تونل بین روترهایت و ویپنیگ را آغاز و علی رغم جاری شدن چند نوبت سیل در سال 1843 آن را باز گشایی نمود. این تونل تامس نام گرفته و اولین تونل زیر آبی بود که بدون هر گونه رودخانه انحرافی حفر شد. در دیگر موارد تونلهای زهکشی بزرگ ، نظیر تونلی با طول 7 کیلو متر در هیل کارن انگلستان ، اهمیت زیادی در توسعه صنعت معدنکاری داشته‌اند. البته بررسی تاریخچه پیشرفت در روش ها و تکنیک ها و به عبارتی در هنر تونل سازی نشانگر این مطلب است که مانند بسیاری دیگر از علوم و فنون بیشتر رشد این هنردر قرن گذشته صورت گرفته و تا حال نیز ادامه دارد.

ویژگی های فضاهای زیرزمینی و نمونه های بارز آنها

هم اکنون در زمینه های مختلف کاربرد تونل‌ها ، مزایای متفاوت و گوناگونی را بر می شمرند. از آن جمله ویلت، استفاده فزاینده فعلی از فضاهای زیر زمینی را به دلایل زیر رو به افزایش دانسته است.
1- تفوق محیط ساختاری به معنای وجود یک حصار وساختار طبیعی فراگیر.
2-عایق سازی با سنگهای فراگیر که دارای ویژگیهای عالی عایق‌ها می باشند.
3- محدودیت کمتر دراحداث سازه های بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی سطح زمین.
4- کمتر بودن تأثیرات منفی زیست محیطی.
5- کوتاهتر شدن مسیرها و افزایش راند مان ترافیکی
6-بهبود مشخصات هندسی مسیر
7-جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن
8-ایمنی بیشتر در برابر زلزله،
مثال های متعددی می توان از نقش وتأثیر عمده تونلسازی و پروژه های بزرگ این صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد . تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ایتالیا را به هم متصل می سازد. عملیات ساختمانی آن در سال 1959 آغاز گردید و حفر این تونل فاصله بین میلان و پاریس را به طول 304 کیلو متر کوتاهتر نموده است. از دیگر نمونه ها کشور فنلاند است که سازه های زیر زمینی را به صورت غارهای عظیم بدون پوشش بتنی ، به منظور انبار مواد نفتی مورد استفاده قرار داده و در حال حاضر بیش از 75 انبار نفتی در سراسر کشور فنلاند با گنجا یشی بیش از 10 میلیون متر مکعب ساخته شده.

تونل سازی شغلی با خطر های پنهان

تونل سازی پیشرفته و اتوماتیک در زیر زمین اکنون به سمتی میرود که حـــذر از اشتبــاه در آن اجتناب ناپذیر است. تونل سازی موفق به شکل و معماری تونل و کیفیت ساخت آن ، شناخته می شود در حالیکه در پشت آن سرمایه گذاری سنگین تکنیک های حفاری توسط سیستم های لجستیکی پیچیده قرار گرفته است. چنین تکنیکهایی برای اجرای سریع و بدون توقف تونل سازی با قابلیت محاسبه خطرات پیش رو و همچنین بالا بردن راندمان پیشرفت، طراحی می شوند.

خطرات پنهان در تونل سازی

بستر زمین می تواند با زونهای خطرناک زمین ساختاری نهفته در آن همواره منبعــی از مشکـــلات غیر قابل انتظار در تونل سازی باشد.
تغییرات غیر قابل پیش بینی در کیفیت سنگ اغلب سبب مشکلات و هزینه های تاخیــر غیــر ضروری می گردد که امروزه هیچکس برای آن پول کافی ندارد.
بدون پیش بینی، شما با خطرات زیر مواجه خواهید شد:
1-حفره ها، ریزش ها، جریان شدید آب داخل تونل
2-پرداخت های اضافه شامل تاخیرات پروژه
3-مواجهه TBM با تله های پیش روی آن
4-به خطر انداختن پرسنل و تجهیزات مورد استفاده آگاهی از آنچه پیش روی است:
اطلاعات کافی از لایه های زمین ساختاری و تغییر در پارامترهای مکانیک سنگ که تاثیر زیادی در انتخاب روشهای اجرا دارد، اکنون فاکتور مهمی در توفیق تونل های پیشرفته امروزی است. چنین پیش بینی و هشدار هایی در اجرا، امکان بموقع برآورد دقیق هزینه ها و لجستیک آن را برای رفع موانع در طراحی تونل سبب شده و به دنبال آن پیش بینی هر چه دقیق تر، موجب تونل سازی مقرون به صرفه در خطرات همیشگی زیر زمین است.

کاربردهای زمین شناسی در تونل سازی

فن تونل سازی سابقه دیرینه ای در کشور ما دارد. حدود 3000 سال پیش نیاکان ما با حفر قناتها که در واقع تونل های قدیمی هستند، به آب زیرزمینی دست می یافتند. قدیمی ترین تونل شناخته شده در حدود 4000 سال پیش دربین النهرین حفر شد.
در ایران از چند هزار سال پیش به منظور استفاده از آبهای زیرزمینی تونل هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول برخی از آنها به 70 کیلومتر می رسد.

مراحل تونل سازی:

مراحل احداث و آماده سازی تونل ها به شرح زیر است:
الف) تهیه طرح تونل
ب) نقشه برداری مسیر و تحقیقات مهندسی
ج) حفر تونل
د) نگهداری موقت تونل
ه) انجام خدمات فنی از قبیل تهویه، آبکشی، روشنایی و نظایر آن
و) نگهداری دائم تونل

طبقه بندی تونل ها:

1- تونل های حمل و نقل

- تونل های راه آهن
- تونل های راه
- تونل های پیاده رو
- تونل های ناوبری
- تونل های مترو

2- تونل های صنعتی

- تونل های مربوط به نیروگاههای آبی
- تونل های انتقال آب
- تونل های استفاده همگانی و پناهگاهها
- تونل های فاضلاب
- تونل های طرحهای صنعتی
- تونل های انبارهای نظامی
- تونل های دفن زباله اتمی

3- تونل های معدنی

- تونل های گشایش معدن
- تونل های اکتشافی
- تونل های استخراجی
- تونل های خدماتی
- تونل های زهکشی
تفاوت تونل های حمل و نقل و تونل های معدنی:
تونل های معدنی پس از استخراج معدن بصورت متروکه رها می شدند ولی تونل های حمل و نقل سازه هایی دائمی هستند و برای استفاده طولانی مدت طراحی می شوند.

مطالعه ساختگاه تونل:

قبل از حفر و احداث تونل، بایستی منطقه مورد نظر را مطالعه کرد و مناسب ترین مسیر تونل را برگزید و آنگاه مسیر را مطالعه کرد. با وجود اینکه این مطالعات بسیار پرهزینه و زمان بر است اما بدون انجام آن ممکن است اشکالات اساسی در ضمن احداث تونل رخ دهد که در زیر به مثالهایی از آن اشاره می شود.
1- تونل مورن واقع در مسیر راه آهن پاریس به ورسای که عملیات حفاری آن در سال 1900 میلادی آغاز و در طول مسیر با 45 متر ماسه سست مواجه شد که عبور از آن 15 ماه به طول انجامید.
2- تونل لتسبرگ در فرانسه که حفاری آن در سال 1908 میلادی آغاز و پس از حفر 1200 متر از تونل به علت هجوم شدید آب زیرزمینی متروک شد.
3- تونل مربوط به نیروگاه برق آبی رزلند که حفر 50 متر از آن 18 ماه طول کشید.

مطالعه ساختگاه تونل شامل مراحل زیر است:

1- جمع آوری اطلاعات:

که با مراجعه به سازمان ها و مؤسساتی که احتمال دارد در منطقه کار کرده باشند می توان اطلاعات احتمالی را به دست آورد.

2- بررسی نقشه های توپوگرافی و عکسهای هوایی منطقه:

برای آگاهی از وضعیت توپوگرافی منطقه باید بزرگ مقیاس ترین نقشه موجود را مطالعه کرد. مطالعه عکسهای هوایی منطقه در بسیاری موارد اطلاعات با ارزشی دست می دهد مانند چین خوردگی ها، درزه ها، گسل ها و ... .

3- مطالعات زمین شناسی سطحی:

آگاهی از وضعیت زمین شناسی منطقه از جمله ضروری ترین اطلاعات مورد نیاز طراحی تونل ها است.

4- مطالعات ژئوفیزیکی:

مهمترین کاربرد روشهای ژئوفیزیکی در اکتشاف ساختگاه تونل ها، تعیین موقعیت های غیرعادی است که باید به وسیله روشهای مستقیم و دقیق تر، بررسی شود.

5- حفر گمانه های اکتشافی:

هدف از حفر گمانه های اکتشافی شناسایی وضعیت، ضخامت، جنس و مشخصات فیزیکی و مکانیکی سنگ هایی است که تونل از آنها عبور می کند.

6- مطالعات آب شناسی:

از آنجا که وضعیت آبهای زیرزمینی منطقه و نفوذپذیری سنگها چه از نقطه نظر حفر تونل و چه از نظر طراحی سیستم نگهداری آن اهمیت زیادی دارد. لذا بعضی مطالعات آب شناسی نیز انجام می گیرد.

7- آزمایش های برجا:

روشهای تعیین مشخصات ژئوتکنیکی زمین به حالت برجا از جمله مهمترین مطالعاتی است که قبل از احداث تونل انجام می گیرد.

8- پیش بینی نشست زمین:

با توجه به اهمیت پدیده نشست زمین باید روشهایی را برای حفر و نگهداری تونل ها برگزید که نشست به حداقل ممکن برسد.

طراحی تونل:

طراحی شکل و ابعاد مقطع تونل بسته به نوع کاربری آن و شرایط زمین شناختی منطقه فرق می کند. به عنوان مثال تونل های معادن دارای سطح مقطع ذوزنقه ای شکل، تونل های راه به شکل هلالی، تونل های راه آهن به شکل دایره و چهارگوش، و تونل های آبرسانی نیز با توجه به حداکثر توان پیش بینی شده نیروگاه فرق می کند.