بخشی از مقاله
بررسی ویژگی های زمین شناسی مهندسی خط 2 مترو تبریز با نگرشی ویژه به پیش بینی مشکلات حفاری مکانیزه
چکیده
امروزه با توسعه شهرها و افزایش روزافزون جمعیت، رویکرد استفاده از سیستم مترو در جهان رو به گسترش است . مزایای فراوان این سامانه، سرعت قابل قبول، دقت، امنیت، صرفه جویی در مصرف انرژی و ... میباشد. روشهای اجرا و راه اندازی سیستم مترو نیز در تمام زمینه ها به سرعت در حال توسعه و پیشرفت میباشد. با توجه به محدودیتهای فراوان حفاری تونل در محیطهای شهری، استفاده از روش مکانیزه حفاری تونل اجتناب ناپذیر میباشد. یکی از مسائلی که حفاری تونل مترو با آن مواجه است ضرورت اجرای سریع، ایمن و بدون توقف پروژه میباشد. بنابر این انجام مطالعات دقیق زمین شناسی، ژئوتکنیک و سایر مطالعات پایه قبل از طراحی و اجرای تونل ضرورتی انکار ناپذیر است. با توجه به شرایط متنوع زمین شناسی و قابلیت انعطاف محدود ماشین حفار، معمولا مقابله با برخی از مشکلات اجرایی در حفاری مکانیزه ناگزیر بوده و ضرورت آمادگی برای رویارویی با آنها بسیار مهم است.
خط 2 مترو تبریز به طول تقریبی 22 کیلومتر و با روند عمومی شرقی- غربی، در تمام طول مسیر خود به صورت مکانیزه و با دو دستگاه ماشین حفار تونل به قطر خارجی 9.50 متر حفاری میشود. جنس زمین در مسیر تونل دارای ویژگیهای مهندسی متنوعی بوده و عمدتا ماهیت آبرفتی دارد که البته در برخی قسمتهای شرقی به لایه های مارن، سیلتستون و رس سنگ نیز برخورد می نماید. مطالعه خصوصیات زمین شناسی مهندسی مسیر تونل بر اساس اطلاعات گمانههای اکتشافی و آزمایشهای صحرایی و آزمایشگاهی و تلفیق این نتایج با وضعیت زمین شناسی عمومی تبریز میباشد. هدف پژوهش ارائه پیش آگاهیهای لازم از وجود مخاطرات مختلف از دیدگاه زمین شناسی مهندسی و شیوه مقابله با آنها میباشد.
کلمات کلیدی: ماشین حفار تونل، تونلسازی، خط 2 مترو تبریز، حفاری مکانیزه
-1 مقدمه
از حدود یکصد و پنجاه سال پیش که اولین سیستم حمل و نقل ریلی زیرزمینی جهان در شهر لندن به راه افتاد تا کنون با توسعه شهرهای بزرگ و افزایش روزافزون جمعیت کلان شهرها در بسیاری از کشورهای دنیا، رویکرد استفاده از این سیستم حمل و نقل همگانی رو به گسترش بوده است. مزایای فراوان این سامانه از جمله سرعت قابل قبول جابجایی مسافرین، دقت، امنیت، صرفه جویی در مصرف انرژی، کاهش آلاینده های هوا و محیط زیست و مزایای مستقیم و غیرمستقیم دیگر باعث شده است که تقاضای فزایندهای برای استقرار سیستم مترو در شهرهای بزرگ ایجاد شود. همزمان با رشد این تقاضا، تکنیکهای اجرا و راه اندازی سیستم مترو نیز در تمام زمینه ها به سرعت در حال توسعه و پیشرفت میباشد.
با توجه به محدودیتهای فراوان حفاری تونل در محیط های شهری به خاطر وجود ترافیک، تأسیسات شهری، معابر کم عرض، بافت مسکونی و تجاری، ابنیه تاریخی و ... استفاده از روش مکانیزه حفاری تونل با استفاده از ماشین حفار تونل1 امری اجتناب ناپذیر میباشد. یکی از مسائلی که انجام پروژه های عمرانی شهری ازجمله حفاری تونل مترو با آن مواجه است ضرورت اجرای سریع، ایمن و بدون توقف پروژه میباشد. بنابراین انجام مطالعات دقیق زمین شناسی، ژئوتکنیک، ژئوفیزیک، آبهای زیرزمینی و سایر مطالعات پایه قبل از اجرای تونل برای طراحی ماشین حفار مناسب ضرورتی انکار ناپذیر بشمار میرود .[1]
مسیر خط 2 مترو تبریز به طول تقریبی 22 کیلومتر و با امتداد عمومی شرقی- غربی از مرکز شهر تبریز عبور نموده و در تمام مسیر به شکل تونل عمیق و به صورت مکانیزه با استفاده از دو دستگاه ماشین حفار تونل به قطر خارجی 9.50 متر حفاری میشود (شکل .(1 قطر داخلی تونل
پس از سگمنت گذاری 8.50 متر میباشد. جنس زمین در مسیر تونل با توجه به عبور از مناطق مختلف شهر دارای ویژگیهای مهندسی متنوعی بوده و عمدتا ماهیت آبرفتی دارد که البته در برخی قسمتهای شرقی به لایه های مارن، سیلتستون و رس سنگ نیز برخورد می نماید. مطالعه خصوصیات زمین شناسی مهندسی مسیر تونل بر اساس اطلاعات بدست آمده از گمانه های اکتشافی حفر شده و نتایج آزمایشهای صحرایی و آزمایشگاهی و تلفیق این نتایج با وضعیت زمین شناسی عمومی تبریز میباشد.
شکل : 1 نقشه خطوط چهارگانه مترو تبریز
با وجود سابقه نسبتا زیاد حفاری مکانیزه تونل با استفاده از سپر، ماشینهای حفار تونل تقریبا از اوایل دهه 70 میلادی رایج شده است. در کشورمان این صنعت نوپا بوده و سابقه آن اندکی بیش از یک دهه میباشد. بنابراین بسیاری از مسائل و مشکلات این روش حفاری معمولا تازگی داشته و گاه از دید کارشناسان مخفی می ماند. انجام مطالعات شتاب زده و ناکافی در کنار عجله برای انتخاب ماشین حفار و شروع سریع عملیات اجرایی پروژه ها، معمولا باعث غفلت از برخی از ویژگیهای زمین شناسی و زمین شناسی مهندسی مسیر تونل گشته و هنگام اجرای تونل مشکلات پیش بینی نشده موجبات توقف های گاه و بیگاه و تأخیر در اجرای پروژه را فراهم میسازند.
تجزیه و تحلیل دقیق مطالعات انجام شده و تلفیق آنها با شرایط زمین شناسی و هیدروژئولوژی مسیر تونل میتواند پیش آگاهی لازم از چگونگی مسیر را فراهم ساخته و عوامل حفاری تونل با توجه کردن به اطلاعات حاصله ضمن آمادگی رویارویی با مشکلات احتمالی، قادر به اتخاذ روش های مناسب برای مقابله و از میان برداشتن این مشکلات خواهند بود.
-2 تاریخچه حفاری مکانیزه تونل
حفاری تونل در برخی از شرایط دشوار زمین شناسی از جمله حفاری در زیر بستر رودخانههای بزرگ همواره یکی از آرزوهای انسان بوده است. همزمان با انقلاب صنعتی در اروپا و در قرنهای هفدهم و هیجدهم میلادی، تونلسازی به ویژه برای حمل و نقل جاده ای و راه آهن و همین طور مقاصد نظامی پیشرفت زیادی نمود ولی کماکان حفاری تونل در آبرفتهای ریزشی و اشباع از آب با روشهای متداول آن روزها امکان پذیر نبود .[2]
نخستین کسی که به فکر ابداع روشی نوین برای حفاری تونل در چنین زمینهایی افتاد یک مهندس فرانسوی تبار انگلیسی بنام مارک ایزامبارد برونل1 بود. در سال 1818 برونل با استفاده از ورق های آهنی نوعی حفاظ برای تونلهای معادن ساخت که در آن معدنکاران می توانستند در محفظه های مجزایی زیر آن به صورت ایمن بکار حفاری تونل بپردازند. این محفظه یا سپر بطور متناوب و همزمان با پیشروی تونل توسط جک های بزرگی به جلو رانده می شد. برونل در ساخت این سپر از حرکت نوعی صدف دریایی کرم مانند موسوم به کرم کشتی2 الهام گرفته بود. این نوع کرم به کمک پوسته سختی که در قسمت سر خود دارد بتدریج به بدنه چوبی کشتی های غرق شده و هر نوع جسم چوبی که در آب دریا غوطه ور باشد نفوذ کرده و باعث تخریب آنها میگردد. برونل تصمیم گرفت با استفاده از چنین سپری تونلی را در زیر رودخانه تایمز حفاری نماید.
2
-3 مطالعات و بررسیهای زمین شناسی و ژئوتکنیک قبل از احداث تونل ها
تونل ها و فضاهای زیرزمینی سازه های مهندسی پیچیدهای هستند که بیشترین تأثیر متقابل را با زمین و ویژگیهای مهندسی آن دارند. تجربیات گذشته مهندسی نشان داده است که در قبال هرگونه کوتاهی در انجام مطالعات زمین شناسی و ژئوتکنیک بهای گزافی پرداخته شده است و حداقل هزینه آن توقف کار و طولانی شدن زمان اجرای تونل و تأخیر در بهره برداری از آن بوده است.
مهم ترین عامل در طراحی تونل یا هر فضای زیرزمینی دیگر، تأمین پایداری آن است. تونل ها باید در زمینی مطمئن و مقاوم حفر شوند، ولی شرایط درون زمین بسیار متغیر بوده و برخلاف سطح زمین، دسترسی به تمام ویژگیهای عمق آن آسان نیست. از سوی دیگر در بسیاری از موارد انتخاب زمین مناسب برای حفر تونل به اختیار ما نیست و عوامل و نقاط اجباری مسیر تونل را مشخص میسازند. معمولا زمینهای سست و ریزشی، خرد شده و گسل خورده، هوازده، متورم شونده و زمینهای آبدار بیشترین مشکلات را برای حفر تونل بوجود می آورند. در چنین شرایطی وظیفه کاوشگر عبارتست از مطالعه مسیر موجود و کسب اطلاعاتی که با استفاده از آنها بتوان طراحی تونل را به انجام رسانده و با بکارگیری کمترین استحکامات داخلی، تونل بتواند پایداری قابل قبولی در برابر عوامل مخرب از خود نشان دهد .[3]
-4 مشکلات پیش روی حفاری مکانیزه تونل از دیدگاه زمین شناسی مهندسی
یکی از اهداف اصلی مطالعات و بررسیهای زمین شناسی مهندسی و ژئوتکنیک قبل از حفاری مکانیزه تونل ها، شناسایی و پیش بینی مشکلات و مخاطرات زمین شناسی و بررسی نحوه تأثیرگذاری آنها بر پروژه و چگونگی مقابله با آنها میباشد. در واقع یکی از اصلی ترین نیازهای طراح تونل برای انتخاب صحیح مسیر تونل و طراحی آن و همین طور طراحی روش اجرای بهینه و ماشین حفار مناسب برای آن، آشنایی دقیق با مخاطرات و مشکلات موجود بر سرراه حفاری تونل است. بدیهی است اگر طراحان تونل و سازندگان ماشین حفار بدرستی از وجود این مشکلات آگاهی نیابند، روش مناسبی نیز برای حفاری سریع، درست، ایمن و بی وقفه تونل طراحی نخواهد شد و ویژگیهای ماشین حفار ساخته شده نیز ممکن است قابلیت لازم و کافی برای غلبه بر برخی از این مشکلات را نداشته باشد.
نمونههای پروژههای ناموفق حفاری تونل که به دلیل عدم تطابق کافی شرایط زیرسطحی واقعی با شرایطی که براساس مطالعات مفروض بوده است، متحمل خسارتهای سنگین مالی و تأخیرات طولانی مدت در اجرای پروژه گشتهاند، کم نیست. بنابراین لازم است که در مراحل اولیه، احتمال وقوع پدیده های مخرب و مخاطره آمیز زمین شناسی مهندسی را با دقت و وسواس بررسی نموده و با صرف وقت و هزینه کافی به شناسایی آنها و پیش بینی راهکارهای مقابله و تمهیدات ازمیان برداشتن آنها بپردازیم .[1] فهرستی از مهمترین مشکلات و پدیده های مخاطره آمیز از دیدگاه زمین شناسی مهندسی که در تونلهای شهری، از جمله تونلهای مترو، با آنها مواجه هستیم در جدول (1) ارائه شده است.
جدول : 1 انواع پدیده های مشکل آفرین در تونلهای مکانیزه شهری از دیدگاه زمین شناسی مهندسی
با توجه به موارد ذکر شده در جدول (1)، آن دسته از ویژگیها و خصوصیات زمین که برای هرکدام از مشکلات و مسائل یاد شده اهمیت دارند در جدول (2) ارائه شده است.
جدول : 2 پارامترهای ژئوتکنیکی لازم برای ارزیابی مخاطرات زمین شناسی مهندسی
3
پیش بینی مشکلات و مخاطرات زمین شناسی از طرفی موجب تخمین درست میزان پیشروی روزانه دستگاه حفاری و راندمان آن می شود که در برنامه ریزی عملیات اجرایی حفاری تونل برای کارفرما و پیمانکار نقش اساسی دارد. البته عوامل دیگری نیز در میزان پیشروی دخیل هستند که از جمله آنها میتوان به نحوه نگهداری ماشین حفار و چگونگی انجام تعمیرات آن، تجربه و صلاحیت حرفه ای شرکت پیمانکار و همین طور مهارت پرسنل اپراتور ماشین حفار اشاره نمود .[4]
-5 پیش بینی مهمترین مشکلات حفاری مکانیزه تونل خط 2 متروی تبریز
با توجه به تجارب قبلی در خط 1 مترو تبریز، از میان مسائل و مشکلات عدیده زمین شناسی موجود، بنظر میرسد چهار موضوع زیر از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و گمان میرود در زمان حفاری تونلهای خط 2 مترو تبریز مهمترین مخاطرات از جانب موارد زیر ایجاد شود:
-1 مشکل وجود قطعه سنگهای درشت در مسیر تونل -2 مشکل وجود لایههای رسی چسبنده
-3 مشکل نشست سطحی زمین و اثرات آن بر سازه های مجاور -4 مشکل وجود خاکهای دانهای ساینده
در مورد وجود لایههای چسبنده، نشست سطح زمین و ساییندگی خاکهای این خط مطالعاتی انجام شده که از جمله آنها مطالعه اصغری و همکاران (2012) میباشد .[5] عبور مسیر خط 2 متروی تبریز از میان مصالح آبرفتی دشت تبریز و به خصوص گذشتن آن از زیر رودخانه مهران رود باعث شد که توجه به مشکلات مقابله با قطعه سنگهای بزرگ در سر راه ماشین حفار تونل از اهمیت ویژهای برخوردار باشد. تمرکز این پژوهش بر روی همین مسئله میباشد.
-6 مشکلات برخورد با قطعه سنگهای بزرگ و نحوه مقابله با آنها
یکی از مسائل اساسی در بررسیهای ژئوتکنیکی زمینهای نرم 1 دارای قطعه سنگهای درشت، برای حفاری تونل توسط ماشین حفار تونل، روشهای شناسایی این سنگها و شیوه مقابله و از میان برداشتن آنها میباشد (شکل .(2 بررسیهایی که به این منظور انجام میشوند بطور عمده سه هدف اصلی را دنبال می کنند:
-1 شناسایی سنگها در مرحله طراحی و ساخت تونل -2 برنامه ریزی و طراحی بهترین روش مقابله با آنها ضمن در نظر گرفتن شرایط زمین شناسی، سنگ شناسی، آبهای زیرزمینی و همین
طور با توجه داشتن به اندازه سنگها -3 اجرای روشهای مناسب خرد کردن و یا از میان برداشتن سنگهای بزرگ توسط خود ماشین حفار و یا نیروی انسانی و ...
بدیهی است اگر سنگهای بزرگ در مرحله مطالعات اولیه و هنگام طراحی ماشین حفار تونل و همچنین طراحی پلان و پروفیل مسیر تونل مورد شناسایی دقیق قرار بگیرند، مقابله با آنها در هنگام عملیات اجرایی نیز آسانتر خواهد بود.
-1-6 روش شناسایی قطعه سنگهای بزرگ:
بر اساس طبقه بندی یونیفاید دانه های خاک درشت دانه باقیمانده روی الک شماره 4 (به قطر بزرگتر از 4.75 میلیمتر) شامل شن درشت، قلوه سنگ و قطعه سنگ2 میباشند. طبق این رده بندی قطعه سنگ قطعات درشت تر از 300 میلیمتر را تشکیل می دهند. قطعه سنگ بطور مشخصی از خاکهای پیرامون خود مقاوم تر هستند. این سنگها دارای منشاء گوناگونی هستند و معمولا توسط رودخانه ها یا در اثر ریزش، لغزش، حرکت یخچالها و سایر عوامل حمل شده و در لابلای رسوبات نرم تر و داته ریزتر ته نشین شده اند.
هنگامی که دستگاه حفار تونل با قطعه سنگ بزرگی مواجه می شود، بخاطر طبیعت نرم تر مصالح اطراف سنگ، ماشین حفار قادر به اعمال فشار لازم برای شکستن، خرد کردن و یا بریدن سنگ نمیشود و ابعاد بزرگ سنگ نیز اجازه ورود آن بداخل دستگاه از طریق فضاهای باز3 روی کاترهد4 را نمیدهد، بنابراین چنانچه در شکل (2) نشان داده شده است، سنگ به اطراف لغزیده و در کنارههای کاترهد و مقابل آن تجمع کرده و باعث صعوبت حرکت دستگاه بطرف جلو و کندی عملیات حفاری تونل می شود. در واقع اگر این قطعه سنگها در جای خود ثابت قرار داشتند، ماشین حفار تونل توسط کاتردیسکها5 و ابزارهای برشی روی کاترهد قادر به بریدن و خرد کردن آنها می بود. لیکن در عمل بخاطر سستتر بودن خاکهای اطراف قطعه سنگ، این اتفاق نمیافتد .[6]
