بخشی از مقاله
بررسی پایدار سازی جداره تونل ها به روش طاق بتنی و شمع
چکیده
ارزیابی و تحلیل رفتار سازه های زیر زمینی نگهــداری شده به روش پیش تثبیت طاق بتنی و شمع در خاک های سسـت در سال های اخیر در کشور عزیزمان توسط محققان و دانشجویان بسیاری مورد ارزیابی و مطالعه قرار گرفـته است . استفاده ازفضاهای زیرزمینی از جمله تونلها به منظور ایجاد خطوط حمل و نقل شهری و برطرف کردن بخشی از مشکلات ترافیکی و استفاده بهینه از زمین در نظر گرفته شده است. ایستگاههای زیرزمینی مترو نوعی از سازههای زیرزمینی میباشند که استفاده از آنها رو به افزایش بوده و اغلب در مناطق کم عمق و سست شهری با بازشدگی بزرگ اجرا میشوند . به همین دلیل این فضاها به لحاظ پایداری، جزء پیچیدهترین و حساس ترین نوع فضاهای زیرزمینی بوده و تعیین رفتار این سازهها در حین اجرا اهمیت زیادی دارد . با توجه به اینکه احداث این فضاهای بزرگ عمدتاً در مجاورت سازهها و یا در زیر آنها انجام میگردد بررسی تغییر شکلهای ناشی از حفاری این فضاها بر روی سطح زمین و در نتیجه سازههای مذکور ضروریست و لازم است .
کلمات کلیدی : طاق بتنی ، شمع ، خاک سست ، گالری پیشرو .
.1 مقدمه
توزیع مجدد تنش ناشی از حفاری تونل موجب حرکتهایی در توده زمین و نهایتاً در سطح زمین میشود. نشست زمین قابل-ملاحظهترین تأثیر زیستمحیطی تونلهای حفاریشده در نواحیشهری پرجمعیّت است. مقدار قابل ملاحظهای از نشست زمین ناشی از پیشهمگرایی، در طول مدت تنظیم سیستم محافظ که پس از آن حفاری اتفاق میافتد و حرکت جبهه تونل به داخل تونل، میباشد. ریسک صدمه به ساختمانها توسط نشست زمین میتواند فاجعه آفرین باشد. بنابراین، مهندسین سنگ وظیفه خطیری برای ممانعت از صدمات بالقوه به ساختمانها با کنترل نشست زمین هنگام حفاری تونلها به عهده دارند. ریسک صدمه به ساختمانها وقتی اتفاق میافتد که نشست زمین بیش از 10 میلیمتر باشد. صدمات احتمالی به ساختمانها توسط چندین محقق شناسایی شدهاست. چندین روش برای پیش بینی نشست سطح زمین توسط پک 1(1969)، چوو 2(1994)، وانگ و سامپاکو 3(2000) و ایتا 4 (2007) ارائه شدهاند.
مسلماً بسیار رضایتبخش خواهد بود اگر قبل از شروع به ساخت تمامی معیارهای مورد نیاز برای به حداقلرساندن تأثیرات کارهای تونلکاری را برنامهریزی کنیم. با وجود این، فراهم کردن چنین شرایط بهینهای هم از لحاظ فنّی و هم اقتصادی به علّت احتمالاتی که در مرحله طراحی در مورد رفتار خاک نسبت به تونلکاری و شرایط واقعی ساختمانها وجود دارد به
1
سختی ممکن است. بر اساس تجارب قبلی، پیشنهاد میشود که در مرحله طراحی مجموعه منطقی از معیارهای نگهدارندهای که باید استفاده شود را قبل و در طول ساخت طراحی و همچنین راهحلهای مشروط مفیدی را در صورت مواجه با مشکلات در طول ساخت توسعه داده شود.
چندین روش برای محدودکردن نشستها یا علّت آنها در زیر توضیح داده شدهاند. بخش زیر بر روی اصول راهحلها و محدودیّتهای آنها تأکید میکند. این روشها را توانمی از نوع نگهدارنده یا اصلاحی برشمرد و معمولاً مشکل است واقعاً بین دو این دو دسته تمایزی قائل شد؛ در واقع این تمایز بیشتر سابجکتیو است و عمدتاً به زمان تصمیمگیری برای اجرایی
کردن آنها بستگی دارد.
روشهای تسلیح و بهبود خاک و سنگ برای حفاریهای ایمن در تونلزنی در شرایط زمینشناسی مختلف استفاده شدهاند. این روشها برای اصلاح تنشهای اطراف کارهای زیرزمینی یا پارامترهای ژئوتکنیکی خاک استفاده میشوند.
هر اقدامی نیازمند رویکردی متفاوت برای مشکل تونلزنی در خاک سست میباشد چون هر روشی یکی از پارامترهای مختلفی که در راهحلهای تکنولوژیکی وجود دارند را بهبود میبخشد.
انتخاب روش به خصوصیّات ژئوتکنیکی خاک و تعادل اقتصادی بین هزینه اقدامات و سود آنها بستگی دارد.
استفاده فزاینده از فضای زیرسطحی همراه با شرایط ژئوتکنیکی که تا حد زیادی از یک تونل به تونل دیگر و حتّی از نقطهای به نقطهی دیگر در یک تونل تغییر میکند منجر به استفاده گستردهای از این روشها شده است .
پارامترهای اقتصادی اصلی که باید در طراحی و ساخت تونل مدنظر قرار گیرد عبارتند از :
1. موثر بودن هزینهها. این پارامتر به انتخاب روش حفاری تونل بستگی دارد.
2. سرعت حفاری. این پارامتر به انتخاب روش حفاری تونل و انعطافپذیری آن بستگی دارد. وقفههای کاری باید در طول تونلزنی به حداقل برسد.
3. کاهش احتمالات بین طراحی و ساخت . این پارامتر به دانش پیشگیری کافی از توده سنگ و انعطاف پذیری روش حفاری بستگی دارد.
4. شرایط ایمنی . این پارامتر به انتخاب روش تونلزنی و مهارت کارگران بستگی دارد .
روشهای بهبود و تسلیح خاک معمولاً امکان بهینهسازی این پارامترها را فراهم میسازند زمانی که تونلها در شرایط خاکی نامطلوبی حفر میشوند .
2
.2 ارزیابی و مقایسه روش های مختلف با سیستم طاق بتنی و شمع : 2 روشهای مداخله1
اقدامات بهبود یا تسلیح خاک با توجه به اثراتی که روی خاک دارند را میتوان به دو دسته تقسیم نمود:
1. اقداماتی که شرایط خاک را بهبود میبخشند.
2. اقداماتی که شرایط خاک را حفظ میکنند.
: 1-2 روشهای بهبود خاک2
اقدامات زیر موجب بهبود در خصوصیّات ژئوتکنیکی خاک اطراف حفاری میشوند:
: 1-1-2 تسلیح خاک3
اقدامی بادوام که توسط عناصر ساختاری مقاومتر و صلبتر از خاک (مثل پیچها، کابلهای فولادی یا لولههای فایبرگلاس) در خود خاک انجام میشود.
: 2-1-2 تزریق4
اقدامی بادوام که با تزریق دوغاب به داخل خاک در فشاری 20 تا 40 بار صورت میگیرد. مخلوطها، حفرات درون خاک را پر میکنند و بدین وسیله نفوذپذیری و تخلخل خاک را کاهش میدهند و پارامترهای ژئوتکنیکی خاک را بهبود میبخشند. دوغاب میتواند سیمان یا ترکیباتی با پایه شیمیایی باشد (مثال 1 در بخش 5 را ببینید) .
: 3-1-2 تزریق معمولی5
تزریق توده خاک را میتوان برای افزایش خاصیّت چسبندگی آن (تزریق متراکمکننده) و کاهش نفوذپذیری آن (تزریق ضد آب)بکار برد. میزان موثربودن این روش به قابلیّت تزریقپذیری خاک و سهولت انجام آن بستگی دارد.
این کار را میتوان در صورتی که شرایط محل اجازه دهد از سطح خاک یا از تونلی که بنوبه خود منجر به کاهش نرخ پیشروی میشود، انجام داد. در حالت خاصّی که در تونل از سپرهااستفاده شود این امر ممکن است نیازمند اقدامات خاصّی حین ساخت ماشین باشد.
این روش ممکن است باعث برآمدگی خاک شود اگر درزه کنترلنشدهای درون خاک ایجاد شود که در تونلهای کم عمق شهری که بزرگی تنشهای برجا امکان ابقای فشارهای تزریق زیاد را فراهم نمیسازد بسیار مشاهده میشود. جالب اینکه، بنظر میرسد نگرانیها بیشتر به خاطر ریسک برآمدگی است تا نشستهاف اگرچه هر دو پدیده میتوانند صدماتی با ماهیّتی یکسان و مشابه پدید آورند که وقتی همزمان با هم اتفاق افتند میتوانند اثراتی تجمّعی داشته باشند.
باید به شرایط میانه بازدهی کارهای تزریق توجه نمود. در صورتی که عملیات تزریق چندین ماه قبل از تونلکاری صورت پذیرد، ممکن است در نتیجه تخریب دوغاب با گذر زمان تا حدودی با کاهش عملکرد مکانیکی مواجه شویم.
همچنین باید بخاطر داشت که ریسک آلودهکردن سفرههای آب زیرزمینی بعد از استفاده از هر نوع محصولی ارزیابی گردد.
3
: 4-1-2 زهکشی1
این روش زمانی بکار میرود که آب مشکل عمده در حفر تونل است. این کار با کاهش فشار آب و کنترل جریان آب با زهکشهایی با شفتها و یا شکلهای متفاوت انجام میگیرد. کنترل گرادیانهای هیدرولیکی که ممکن است بر پایداری جبهه تونل تأثیر گذارند با پایینآوردن سطح سفرههای زیرزمینی از سطح با زهکشی در جبهه امکانپذیر است. این کار باید تا حد ممکن با فاصله از جلوی جبهه حفاری انجام شود.
وقتی احتمال میرود که خاک نشستهای تحکیمی را تجربه کند یا در نتیجه زهکشی ناپایدار شود، ارزیابی ریسک پیامدهای احتمالی انجام زهکشی یا ضعفهای مرتبط با آن باید قبل از استفاده از این روش انجام شود. مثالهای 3، 8 و 9 در بخش 5 این نوع مداخله را نشان میدهند.
: 5-1-2 انجماد خاک 2
این روش زمانی اعمال میشود که خاک اشباع از آب است. هدف از این روش، حفاری تونل در خاک منجمد است که موجب پایداری خاک اشباع میگردد. وقتی حفاظ نهایی در محل خود قرار گرفت عمل انجماد متوقف میشود. اصول این روش ساختن پوسته یا پوششی طاقمانند از خاک منجمد اطراف ناحیهای که باید حفاری شود میباشد. اگرظرفیّت سیستم کافی باشد، تمام سطح مقطع تونل نیز ممکن است منجمد شود. این روش ممکن است در هر نوع خاکی با نفوذپذیری تقریبی کمتر از 10-3 m/s استفاده شود.
انجماد را میتوان از سطح یا جبهه کار انجام داد. در هر دو حالت، مشکل اصلی در کنترل انحراف در حفاری در طول نصب لولههای منجمدکننده (که طول آنها به 50 متر میرسد) و جریان گسترده آبهای زیرزمینی میباشد. اگرچه این روش می-تواند پایداری خاک را تا حد زیادی بهبود بخشد، امّا بخاطر اثرات تخریبی بالقوه که ممکن است درون خاک همراه با برآمدگیهایی حاصل از نشت آبهای زیرزمینی به سمت منبع سرد به طول انجامد و نشستهای بعدی ناشی از تغییر خصوصیّات خاک حین بازشدن انجماد در انتهای فرایند انجماد، اتفاق بیفتد نیازمند کنترل بسیار شدیدی نیز میباشد. این روشها مانع از افت پارامترهای خاک به مقادیر باقیمانده میشوند؛ این روشها امکان ایجاد آشفتگیها کمی در تنشهای پیرامون منطقه حفاری شده را فراهم میسازند. هدف تکنولوژیکی از این روشها کاهش تغییرشکل خاک تا حد امکان است.
: 2-1-2 روش مداخله نگهدارنده : : 1-2-1-2 کمان سلولی3
برای سازههای زیرزمینی کوچک و بزرگ استفاده میشود. یک ساختار نگهدارنده قبل از اینکه حفاری انجام شود ساخته میشود. این روش را میتوان به طرز موفقیّتآمیزی در مواردی بکار برد که پوشش آنقدر نازک است که امکان استفاده از دیگر روشهای نگهدارنده ممکن نیست.
نگهدارنده ساختار اصلی این سیستم از لولههای با قطر زیاد تشکیل شده که در زمین اطراف تاج تونل و موازی با محور طولی تونل نصب میشوند. سپس لولهها با بتن پر میشوند و با المانهایی عرضی به همدیگر متصل میشوند. اشکال 2 و 3 استفاده ازز روش کمان سلولی را نشان میدهد.
