بخشی از مقاله
چکیده -
تونل انتقال آب سد چمشیر به طول 7465 متر و قطر تمام شده 4/6 متر در فاصله 70 کیلومتری پایین دست سد چمشیر قرار گرفته است. با در نظر گرفتن شرایط زمینشناسی و همچنین طول تونل و زمان اجرای پروژه، استفاده از ماشین تمام مقطع یا TBM برای حفاری کل تونل تعیین گردیده است.
طبق مطالعات زمین شناسی انجام شده است تشکیلات زمین شناسی در ابتدای این مسیر سنگهای کنگلومرایی و ماسه سنگی سازند بختیاری بوده و در ادامه مسیر تونل، سنگهای نرم گل سنگی، مارنی با میان لایه های ماسه سنگی سازند آغاجاری رخنمون دارند. در این مقاله به بررسی پایداری تونل براساس روشهای عددی با استفاده از برنامه المان محدود دو بعدی Phase 2.0 پرداخته شده است.
پایداری تونل در دو مرحله مورد بررسی قرار می گیرد که شامل قبل و بعد از نصب سیستم نگهداری می باشد. تحلیلهای انجام شده با استفاده از روش عددی حاکی از ناپایداری در هر سه زون CST، SST و MMT بعد از حفاری تونل میباشد. با توجه به حفاری تونل به روش مکانیزه و استفاده از سگمنت های بتنی به ضخامت 25 سانتیمتر جهت نگهداری تونل، پس از نصب، میزان جابجایی تونل به کمتر از مقدار مجاز رسیده است که نشان دهنده پایداری تونل می باشد. ضمنا براساس دیاگرام ظرفیت باربری هیچگونه شکستی در سگمنتهای بتنی دیده نمی شود و ضرایب ایمنی مربوط به آنها بیش از 1/2 می باشد.
-1 مقدمه
سد چم شیر در استان کهگیلویه و بویراحمد و در فاصله 20 کیلومتری جنوب شرقی شهرستان گچساران قرار گرفته است. هدف از اجرای این سد کنترل سیلاب و تأمین آب کشاورزی مناطقی از استان خوزستان و بوشهر می باشد. برای کنترل و انتقال بخشی از آب خروجی از سد چم شیر به تونل انتقال آب و در نهایت به دشت دیلم، یک بند تنظیمی در فاصله 70 کیلومتری پایین دست سد اصلی چم شیر طراحی شده است.
آب در محل بند تنظیمی وارد تونل انتقال آب به طول 7465 متر و با قطر حفاری 5/3 متر و قطر تمام شده 4/6 متر شده و به صورت جریان آزاد انتقال می یابد. با در نظر گرفتن شرایط زمینشناسی و همچنین طول تونل و زمان اجرای پروژه، استفاده از ماشین تمام مقطع یا TBM برای حفاری کل تونل تعیین گردیده است . بنابراین ماشین مورد استفاده باید توانایی حفر تونل به قطر حداقل 5/3 متر را داشته باشد.
به دلیل حفاری در لایه های رسی و مارنی، ماشین انتخابی باید توانایی به کارگیری کاتر های محیطی - Gauge cutter - برای اضافه حفاری تا 10 سانتیمتر را نیز داشته باشد.در شکل 1 موقعیت تونل انتقال آب سد چمشیر نشان داده شده است.
شکل -1 موقعیت تونل انتقال آب چمشیر
-2 زمین شناسی مسیر تونل
تونل انتقال آب از محل آبگیر بند تنظیمی واقع در حاشیه چپ رودخانه زهره شروع گردیده و با امتداد تقریبا شمالی- جنوبی - آزیموت 191 درجه - بصورت مستقیم و با شیب 0/0065 تا خروجی تونل ادامه می یابد. تشکیلات زمین شناسی در ابتدای این مسیر - حدود 2/25 کیلومتر - سنگهای کنگلومرایی و ماسه سنگی سازند بختیاری بوده و در ادامه مسیر تونل، سنگهای نرم گل سنگی، مارنی با میان لایه های ماسه سنگی سازند آغاجاری رخنمون دارند. مسیر تونل انتقال آب گرچه از روی نقشه زمین شناسی علاوه بر سازند آغاجاری، سازند بختیاری را نیز قطع می کند، ولی به دلیل عبور تونل از تراز پایین و همچنین ضخامت کم سازند بختیاری،عمدتاً از سازند آغاجاری عبور نموده و فقط در محدوده ابتدایی مسیر از بخش لهبری این سازند عبور می نماید.
با توجه به مقاطع زمینشناسی مسیر تونل انتقال آب و با در نظر گرفتن کیفیت سنگهای حاصل از نمونههای حفاری شده و نتایج بدست آمده از آزمایشات مقاومتی این سنگها، سنگهایی که دارای خصوصیات کیفیتی و پارامترهای مقاومتی مشابهی میباشند در یک واحد زمینشناسی مهندسی قرار گرفته که به شرح ذیل میباشند:
واحد زمینشناسی مهندسی کنگلومرایی یا CST ارائه شده از سوی هوک و مارینوس و با در نظر گرفتن مشاهدات صحرائی، تعیین نموده و سپس ثابت سنگ mi از روی نتایج آزمایشات مقاومت سه محوری و یا از روی جدول ارائه شده انتخاب کرده و آنگاه اطلاعات خروجی که شامل پارامترهای مکانیکی توده سنگ و همچنین نمودارهای پوش هوک- براون و موهر- کولمب میباشد توسط نرمافزار ارائه میگردد. در شکل 2 پارامترهای محاسبه شده برای واحد CST که توسط نرم افزار Rocdata محاسبه شده است نشان داده شده است.
شکل -2 نمودارهای مور- کولمب و هوک- براون و محاسبه پارامترهای مقاومتی توده سنگ در واحد زمین شناسی مهندسی CST با استفاده از نرم افزار Roc Data
-3 تخمین پارامترهای ژئومکانیکی مسیر تونل
در طراحی سازههای مهندسی گرچه اطلاعات توصیفی و کیفی ناشی از بررسی های صحرایی ضروری است ولی به تنهایی جوابگوی نیازهای طراحینیستند و الزاماً دادههای کمی درباره ویژگیهای ذاتی سنگ بکر و تودههای سنگ را میطلبد. در طراحی تونلها اطلاعات مورد نیاز شامل اطلاعات زمینشناسی، خواص مکانیکی توده سنگی و ارزیابی تنشهای زمین محدوده تونل است. بعبارت دیگر پارامترهای زیر از تودهسنگی باید جمعآوری و در تلفیق با یکدیگر تجزیه و تحلیل شوند. برای بدست آوردن پارامترهای مکانیکی توده سنگ از قبیل مقاومت فشاری توده سنگ ، مدول تغییر شکلپذیری، چسبندگی وزاویه اصطکاک داخلی توده سنگ، از نرمافزار RocData میتوان استفاده نمود. بدین ترتیب مقدار GSI را از روی چارت یا جدول
-4 مقطع هندسی تونل
با توجه به روش حفاری تونل که بصورت مکانیزه میباشد؛ مقطع خارجی تونل دایرهای به قطر 5/1 متر میباشد. مقطع هندسی تونل و وضعیت قرارگیری سیستم نگهداری در آن در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل -3 مقطع هندسی تونل - ابعاد به سانتیمتر -
-5 روش حفاری تونل و سیستم نگهداری
عوامل بسیاری در انتخاب روش اجرای تونل نقش دارند که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- شرایط زمین شناسی مسیر تونل
- طول و کاربری تونل
- سطح مقطع تونل
- پتانسیل وقوع مخاطرات زمین شناسی
- امکان دسترسی به تونل و جبهه های کاری متفاوت
- هزینه اجرای پروژه
- برنامه زمان بندی پروژه
- شرایط سیاسی و اقتصادی
با توجه به وجود سازند کنگلومرای بختیاری که از سنگدانههای شن، قلوه سنگ و ماسه درشت دانه با سیمان شدگی ضعیف تشکیل گردیده و از نفوذپذیری بالایی برخوردار هستند، استفاده از روش آتشباری به دلیل هدرروی گاز انفجار، کاربرد ندارد. همچنین استفاده از این روش در لایه های مارنی، گل سنگی و رس سنگی سازند آغاجاری به دلیل خاصیت انعطافپذیری این سازند، امکان توسعه ترک و انتشار انرژی آزاد شده از انفجار، کم بوده و کاربرد موثری ندارد.
استفاده از ماشین های بازویی در این سازندها به دلیل اینکه مقاومت کنگلومرای بختیاری و همچنین لایه های مارنی، گل سنگی و رس سنگی کمتر از 25 مگاپاسکال می باشد از نظر راندمان حفاری مناسب بوده و کاربرد دارد، ولی به دلیل نیاز به سیستم نگهداری موقت و همچنین نیاز به حمل مصالح با ماشین آلات از طریق تونل های دسترسی و یا تونل های حمل و نقل - به خاطر طولانی بودن طول تونل - راندمان حفاری کاهش یافته و هزینه پروژه و زمان اجرای تونل افزایش می یابد. این روش برای تونلهای کوتاه و همچنین ورودی و خروجی تونلهای بلند مناسب میباشد.
استفاده از ماشین های تمام مقطع به دلیل تنوع ماشینها، در تمام شرایط زمین شناسی - از زمین های نرم وخاکی تا توده سنگهای مستحکم و سخت و حتی در زمینهای ترکیبی خاک و سنگ - کاربرد داشته و قابل استفاده میباشد. استفاده از قطعات بتنی - سگمنت - به عنوان پوشش بتنی داخل تونل در روش ماشینهای تمام مقطع، همچنین سرعت بالای حفاری همراه با ایمنی پرسنل حفاری و در نتیجه کاهش زمان اجرای پروژه از مزایای دیگر این روش میباشد.
با در نظر گرفتن شرایط زمین شناسی و همچنین طول تونل و زمان اجرای پروژه و با توجه به روش اجرای تونل پیشنهاد استفاده از روش ماشینهای بازویی برای حفاری قسمتهای ابتدا و انتهای تونل و ماشین تمام مقطع یا TBM برای حفاری کل تونل میباشد و بر همین اساس سیستم نگهداری تونل پیشنهاد می گردد.
-6 تخمین مقدار تنشها
روشهای مختلفی جهت تخمین مقدار K - نسبت تنش افقی به قائم - توسط محققان ارائه شده است. بهترین و مطمئنترین راه برای محاسبه این پارامتر با اهمیت انجام آزمایشات برجا است ولی با این وجود برخی توصیههای تجربی نیز در مراجع مختلف ارائه شده است. هر چند آزمایش برجا جهت تخمین مقدار K در این پروژه انجام نشده است ولی در مطالعات زمینشناسی مهندسی انجام شده مقدار0/4 تا 1/0 برای آن پیشنهاد شده است. نظر به اهمیت این پارامتر و با توجه به توصیه برخی مراجع مبنی بر در نظر گرفتن مقدار بزرگتر از 1/0 برای آن، در این تحقیق آنلیز حساسیت براساس مقدار K به ترتیب برابر 0/4، 1/0 و 1/5 در نظر گرفته شده است.
-7 تحلیل عددی
در این بخش تحلیل پایداری تونل به روش عددی مورد بررسی قرار گرفته است. جهت تعیین مقاطع طراحی موارد زیر مورد بررسی قرار گرفتهاند:
- مقدار روباره
- جنس مصالح
بر این اساس 6 مقطع در راستای تونل انتخاب شدند که موقعیت آنها در جدول 1 ارائه شده است. در جدول 2 نیز پارامترهای مقاومتی سنگ بکر و تودهسنگ که توسط نرم افزار Rocdata و مطالعات صحرایی بدست آمده اند ارائه شده است.
