بخشی از مقاله
چکیده
تحلیل پایداری تونلهای قرار گرفته در توده سنگهای درزه دار همواره از اهمیت خاصی برخوردار است. یکی از عواملی که در تحلیل و ارزیابی اینگونه فضاها مورد بررسی قرار میگیرد، گسترش زون پلاستیک اطراف آنها می باشد. از جمله روش هایی که با استفاده از آنها میتوان گسترش زون پلاستیک اطراف تونل را بررسی نمود، روشهای عددی و همگرایی- همجواری است.
در این پژوهش با بهرهگیری از روشهای مذکور، گسترش زون پلاستیک قبل و پس از نصب سیستم نگهداری در تونل آب بر خروجی سد سیاه بیشه مورد ارزیابی قرار گرفته است. با توجه به درزهداری تاثیرگذار در توده سنگ درونگیر این تونل، از روش عددی اجزاء مجزا و نرم افزار UDEC استفاده شد. سیستم نگهداری مورد استفاده در هر دو روش، سیستم پیشنهادی روشهای تجربی است.
سیستم نگهداری روش تجربی شامل شاتکریت با ضخامت 10 سانتیمتر و پیچ سنگ تمام تزریقی سیستماتیک به طول 4 متر و فاصله جانبی 1/5 تا 2 متر میباشد. نتایج تحلیل عددی نشان میدهد با نصب سیستم نگهداری، شعاع زون پلاستیک اطراف تونل حدود 50 درصد کاهش مییابد. همچنین در روش همگرایی-همجواری، نصب سیستم نگهداری منجر به کاهش 33 درصدی زون پلاستیک شد. با توجه به نتایج این پژوهش، پس از نصب سیستم نگهداری شعاع زون پلاستیک کاهش بیشتری در روش عددی المان مجزاء نسبت به روش همگرایی- همجواری دارد. بنابراین میتوان شعاع زون پلاستیک حاصل از روش همگرایی- همجواری را به صورت محافظهکارانه در نظر گرفت.
-1 مقدمه
از جمله مهمترین مراحل طراحی فضاهای زیرزمینی، تحلیل پایداری و طراحی سیستم نگهداری مورد نیاز آن فضا است. عوامل موثر بر پایداری فضای زیرزمینی به دو دسته کلی قابل تقسیم میباشد؛ یکی عوامل طبیعی مانند ساختار توده سنگ، خواص فیزیکی و مکانیکی سنگ، پارامترهای هندسی و مکانیکی درزهها، زاویه شیب لایههای زمین، عمق حفاری، وضعیت آبهای زیرزمینی. دیگری پارامترهای تکنیکی مربوط به عملیات تونلسازی مانند شکل مقطع مورد حفاری، مشخصات تکنیکی سیستم نگهداری موقت و نهایی، تکنولوژی نصب سیستم نگهداری. در تونلهای سنگی عمدتاً دو نوع ناپایداری ممکن است رخ دهد ؛ در حالت اول تونل با تخریب ناگهانی همراه است.
در این حالت ناپیوستگیها، سنگهای اطراف تونل را به قطعات جداگانه تقسیم کرده و قطعات مزبور میتوانند حرکت انتقالی و یا چرخشی داشته باشند. در اثر وجود بارهای نا متعادل بر روی دیواره تونل، قطعات روی دیواره در قسمت تاج تونل دچار ریزش شده و در قسمت دیواره چرخش پیدا میکنند. این نوع ناپایداری که توسط عوامل ساختاری کنترل میشود عموماً در حفاریهای کم عمق و سنگهای سخت مشاهده میگردد.
در حالت دوم که بر خلاف حالت اول با همگرایی تدریجی تونل همراه است، ناپایداری در اعماق زیاد و در اثر وجود تنشهای اولیه بیش از حد ایجاد میشود. در این حالت تأثیر ناپیوستگیها در توده سنگ عاملی ثانویه به شمار میرود. یکی از مهمترین روشهای پایدارسازی تونل استفاده از سیستم نگهداری است.
هدف اصلی از کاربرد سیستم نگهداری جلوگیری از سقوط سنگها و همگرایی تونل میباشد. بنابراین نصب به موقع سیستم نگهداری با توجه به جابجاییهای توده سنگ فراگیر تونل در جلوگیری از گسترش زون پلاستیک موثر است. عدم پایداری راهروهای معدنی و تونل ها اغلب ناشی از تمرکز بیش از حد تنش در توده سنگ مجاور سینه کار، وارد آمدن فشار بیش از حد به سیستم نگهداری و تغییر در خواص تغییر شکلپذیری و مقاومت سنگ می-باشد. وقوع هر یک از حالتها ممکن است در اثر عواملی از این قبیل باشد :
· موقعیت یا محل نامناسب تونل نسبت به امتداد شیب طبقات سنگی،
· انتخاب نادرست شکل و عدم تناسب ابعاد مقطع حفاری،
· رها کردن تونل بدون نصب سیستم نگهداری در شرایطی که به سیستم نگهداری نیاز باشد؛
· استفاده از سیستم نگهداری نامناسب،
· نصب اشتباه سیستم نگهداری،
· اثر مخرب سایر حفریات و فضاهای زیرزمینی مجاور،
· اثر پدیدههای دینامیکی،
· تغییرات ناگهانی در وضعیت آبهای زیرزمینی و حرارت توده
سنگهای اطراف تونل.
حفر تونل سبب از بین رفتن حالت اولیه تنشها در زمین میشود. بدین ترتیب با حفر مقطعی جدید از تونل و با گذشت زمان، جابجایی دیوارهها و فشار وارده از طرف زمین بر پوشش داخلی تونل افزایش مییابد. این تغییرات ممکن است هفتهها و یا حتی ماهها و سالها ادامه داشته باشد. عموماً حفاری یک تونل خواص مکانیکی محیط اطراف توده سنگ در برگیرنده تونل را تغییر میدهد. همچنین زون خرد شده مذکور میتواند بهترین مسیر برای عبور جریان سیال در توده سنگ باشد و پایداری تونل را تحت تأثیر قرار دهد. مطالعات متعددی در زمینه زون پلاستیک و تغییر شکل یافته اطراف تونل صورت گرفته است.
میگلیس و همکاران1 در سال 2001 سرعت امواج اولتراسونیک را در حین حفاری تونل در مرکز تحقیقات زیرزمینی مین بای کانادا بررسی کردند .
مارتینو و چلندر2 در سال 2004 در همین پژوهشگاه به بررسی خواص زون اغتشاش اطراف تونل پرداختند .
همچنین در این دوره مطالعات زیادی برای یافتن روابط تحلیلی مربوط به زون اغتشاش تونل انجام شد که از جمله مهمترین این تحقیقات میتوان به مطالعات شوارتز و اینستین3 اشاره کرد
مبنای این مطالعات بررسی مقادیر تنش و جابجایی القایی به توده سنگ ناشی از حفاری است که در نهایت به رابطهای تحلیلی بر اساس ارتباط سختی نسبی لاینیگ تونل و فضای حفاری شده منجر شد. بابت، لی و ونگ4 در سال 2009 به یک راه حل الاستیک بر اساس تئوری کرنش نرمی در تونل دایرهای شکل در توده سنگ که تحت تأثیر بارگذاری یکنواخت و ایزوتروپیک بر اساس تنش و جابجایی موجود دست یافتند
این مطالعات منجر به تکمیل رهیافتهای تحلیلی برای تونلهایی با روباره کم و دارای زمینهای اشباع شد. فهیمی فر و همکاران5 در سال2010 با استفاده از روش حل بسته راه حلی برای تعیین جابجایی دیواره تونل و فشار ناشی از بارگذاری زمین روی سیستم نگهداری تونل ارائه داد
علیرغم اهمیت زیاد روشهای تحلیلی، با توجه به پیچیدگیهای زیاد محیط زمین، استفاده از این روشها در تحلیل رفتار زون اغتشاش تونل کارایی مطلوبی نداشته و نهایتاً اعتماد به نتایج حاصل از این روشها احتمال ریزش تونل را در پی خواهد داشت. در پی تحقیقات مختلف محققین برای غلبه بر ضعف این روشها به خصوص در سادهسازیهای در نظر گرفته شده، روشهای عددی مورد استفاده قرار گرفتند.
برای نمونه میتوان به مطالعات هومند و اتینل6 در سال 1998 اشاره کرد ؛ آنها با استفاده از روش های عددی یک فضای زیرزمینی را در سنگ ترد و خرد شونده مورد بررسی قرار دادند، نتایج بدست آمده نشان داد که زون خرد شده در ناحیه تحت تأثیر حفاری در اثر تنشهای فشاری بالا به وجود آمده است. ژو و براهنس7 نیز در سال 2008 به شبیهسازی زون اغتشاش اطراف تونل در شرایط هیدرواستاتیکی با نرم افزار RFPA2D پرداختند
روش های تحلیلی هر چقدر هم دقیق باشند اما در تعیین جهت و میزان توسعه زون اغتشاش اطراف تونل کارایی کمتری دارند. در این پژوهش به بررسی زون پلاستیک اطراف تونل با استفاده از روش عددی اجزاء مجزا و روش همگرایی - همجواری پرداخته میشود. مطالعه موردی در نظر گرفته شده، تونل آببر خروجی سد سیاه بیشه است.
-2 مطالعه موردی: تونل آببر خروجی سد سیاه بیشه
ساختگاه طرح سد و نیروگاه تلمبه ذخیرهای سیاه بیشه واقع در 125 کیلومتری شمال تهران و در 10 کیلومتری شمال تونل کندوان واقع در استان مازندران در مسیر رودخانه چالوس قرار دارد
شیلی سیاه رنگ و قرمز مایل به قهوهای و سنگ آهک سیاه تا خاکستری متمایل به آبی است. سنگ آذرین موجود در ناحیه مورد بررسی عمدتاً از داسیت با معادل درونی کوارتز دیوریت، بازالت اسپیلیتی و لاتیت با معدل درونی مونزونیت تشکیل شدهاند که در بخشهایی به صورت تودهای گسترش دارند اما به صورت سیل در بین توالی سنگهای رسوبی با ضخامتهای متغیر در سنگ های آهکی تا چینهشناسی جوانتر مانند لایه-های ماسه سنگی- شیلی دیده میشوند. نتایج نهایی از برداشتهای زمینشناسی از محل تونلهای خروجی و بررسی رخمنونهای موجود و تحلیل نقاط تمرکز آنها، نشان داد که در منطقه مورد مطالعه سه دسته درزه اصلی مطابق - شکل - 2وجود دارد .
شکل-1 موقعیت جغرافیایی ساختگاه سد و نیروگاه تلمبه ذخیرهای سیاه بیشه
رودخانه چالوسرودخانه نسبتاً پرآبی است که حوضه آبریز آن کاملاً کوهستانی و سرچشمه آن ارتفاعات 4000 متری واقع در البرز مرکزی بوده که معروفترین آنها کندوان میباشد. این طرح در محدوده سد بالا بر روی رودخانه چالوس و در محدوده سد پایین در محل تلاقی رودخانه های چالوس و گرم رودبار در مجاورت روستای ورکلو واقع شده است.
اجزای اصلی طرح شامل سدهای بالا دست و پایین دست، سازه ورودی، تونلهای آببر، مخازن فشارشکن، چاههای تحت فشار، مغارهای نیروگاه، ترانسفورمر و سازه تونلهای خروجی است .[10] در طرح سازه سد و نیروگاه تلمبه ذخیرهای سیاه بیشه دو فقره تونل خروجی چپ و راست به ترتیب هر کدام به طولهای 182/25 و 218/79 متر، قطر حفاری 8 متر و قطر نهایی بدست آمده بعد از لاینینگ 7 متر و شیب 10/2 و 8/5 درصد تا محل خروج برای انتقال آب در محل پایین دست ساختگاه نیروگاه طراحی شده است. حداکثر روباره با توجه به وضعیت توپوگرافی منطقه 268 متر است
در این مقاله بررسی بر روی یکی از مقاطع تونل خروجی سمت راست که در فاصله 150 متر از خروجی تونل قرار دارد صورت گرفته است. از لحاظ زمینشناسی محل ساختگاه میزبان تونلهای خروجی در سازند زمینشناسی درود قرار دارد. سازند زمینشناسی درود از لایههای ضخیم سنگ آهک و میان لایههای آهک مارنی و شیل تشکیل شده است. از نظر چینه شناسی سنگهای ناحیه از نوع ماسه سنگ کوارتزیتی، لای سنگ
شکل-2 تمرکز قطبهای ناپیوستگیها
مشخصات مکانیک سنگی توده سنگ میزبان محل تونلهای خروجی سد و نیروگاه سیاه بیشه در جدول 1 ارایه شده است.
جدول -1 مشخصات مکانیک سنگی محل تونل های خروجی
