بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مطالعه، تحلیل پایداری در بخشی از تونل بازی دراز که بصورت سنتی حفاری خواهد شد، میباشد .برای طراحی پایداری، در ابتدا شرایط پایداری تونل با استفاده از روش های رده بندی تجربی توده سنگ بررسی شده است .در مراحل بعدی، با استفاده از دو روش تحلیل ساختاری و تحلیل تنش پایداری تونل بررسی گردید . در این مطالعه، در حالت وجود آب زیرزمینی پارامترهای توده سنگ در شرایط توده سنگ اشباع وارد شده است و بنابراین، نتایج بدست آمده برای شرایط بحرانی توده سنگ مورد استفاده خواهند بود .
همچنین، بر پایه شرایط هیدروژئولوژی محدوده تونل، فرض بر این است که در بیشتر بخشهای تونل آب موجود در توده سنگ بوسیله زهکشی کنترل شده و سپس بوسیله پمپاژ از تونل خارج خواهد شد . در بخشهایی که بدلیل حجم زیاد آب امکان پمپاژ وجود نداشته باشد، تمهیدات لازم برای آببندی تونل و جلوگیری از جریان آب ارائه خواهد شد.
واژه های کلیدی
پایداری،تنش،هیدروژئولوژی، تونل،بازی دراز
مقدمه
تونل یک گذرگاه زیرزمینی از طریق یک کوه، زیر یک شهر یا زیر یک آبراهه می باشد این گذرگاهها ممکن است برای دوچرخه سواران، ترافیک عمومی جاده، وسایل نقلیه موتوری، راه آهن، یا برای یک کانال باشد. برخی از تونلها صرفاً برای انتقال آب - برای مصرف،آبی و یا به عنوان فاضلاب - کاربرد دارند. خدماتی دیگر مانند ارتباطات مخابراتی نیز از کاربردهای تونل ها میباشند.[1]
تونل کوه روش ناتم تونلزنی جدید اتریشی متداولترین روش اجرای تونل است.این روش زمانی استفاده میشود که تونل زدن در شرایط سنگ سخت و استفاده از راک بولت و شاتکریت مدنظر باشد.در این روش بلافاصله پس ازانفجار اغلب یک پوشش بتنی با استفاده از قالب نصب میگردد.. [1]
مقدمه
روش تونلسازی اتریشی ناتم، در فاصله سالهای 1957 تا 1965 در اتریش ابداع گردید. نام این روش در سال 1962 در سالزبورگ و جهت تمییز از روش قدیمی تونلسازی اتریشی اعطا گردید. نخستین ارائه دهندگان این روش راب ویکز ,و مولر و پچر بودند. ایده نخستین این روش عبارت است از استفاده از فشارهای زمینشناسی در برگیرنده توده سنگ جهت مقاومسازی ونگهداری تونل.
باید گفت که امروزه مطالعات گستردهای از سوی متخصصین علم مکانیک سنگ در ارائه طرحی مطمئن برای نگهداری فضاهای زیرزمینی صورت می گیرد که بتواند سیستم نگهداری را به گونهای طراحی کند که علاوه بر ایمن بودن، از نظر اقتصادی نیز معقول باشد. نتایج این مطالعات بر ضرورت بکارگیری روشهای مشاهدهای همچون ناتم در تونلسازی تاکید دارد. [2]
ویژگی های اساسی ناتم ناتم روشی است مبتنی بر تابعنگاری رفتار تودههای سنگ تحت بار و مانیتورینگ عملیات ساختمان زیرزمینی سنگ. واقعیت اینست که ناتم به عنوان یک مرحله از حفاری و نیز تکنیکهای نگهداری مطرح نیست.
بسیج مقاومت توده سنگ: این روش بر مقاومت ذاتی توده سنگ پیرامون به عنوان یک جز اصلی نگهداری شده در تونل، تکیه می کند. تکیه گاه اولیه طوری هدایت میشود که سنگ را قادرسازد تا بر خودش تکیه کند.
حمایت شاتکریت: سست کردن و نیز تغییر شکل بی اندازه سنگ می بایست به حداقل برسد.[2] این امر با مهیا کردن لایههای نازک شاتکریت بلافاصله پس از پیشروی جبهه کار حاصل می آید.
اندازه گیری: هرگونه تغییر شکل ناشی از حفاری باید اندازه گرفته شود. ناتم به نصب تجهیزات اندازه گیری در سطح بالایی نیاز دارد. این در آستر، زمین و گمانه ها جاسازی می شود.
تکیهگاه انعطاف پذیر: آسترگیری اولیه نازک است و شرایط لایهبندی اخیر را بازتاب می دهد. این مدل به کارگیری، نسبت به تکیهگاه مجهول سریعتر به کار میآید و موثر میشود. مقاومسازی با یک آستر بتنی ضخیم به دست نمیآید بلکه با یک ترکیب منعطف از پیچ سنگ،سیم تنیده و شیارهای فولادی حاصل میگردد.
بستن وارونگی :بستن سریع وارونگی و ایجاد حلقه حامل بار دارای اهمیت است.[2] این امر در تونلهای حفر شده در زمینهای نرم بسیار وخیم است، جایی که هیچ مقطعی از تونل نباید بطور موقت رها شود ترتیب قراردادی: دانش ناتم بر اساس اندازهگیری مانیتورینگ پایه ریزی شده است.
تغییر در متد تکیهگاه و ساختمان امکان پذیر است. این تنها در شرایطی ممکن است که سیستم قراردادی قادر به تغییرات باشد.
اندازه گیری پشتیبانی رده بندی توده سنگ: ردههای اصلی سنگ برای تونل و پشتیبانی متناظر آن موجود است .اینها برای هدایت در زمینه تقویت تونل بکار میروند.[2]
تحلیل ساختاری
تحلیل ساختاری ناپایداریها در تونل از طریق بررسی موقعیت دسته درزهها در توده سنگهای میزبان نسبت به امتداد وهندسه دهانه تونل انجام میگیرد.[3]با توجه به اینکه پتانسیل ناپایداری گوهای در شرایط سه دسته درزه متفاوت ممکن است ایجاد شود، لازم است پایداری ساختاری در ترکیبهای مختلف ناپیوستگیها بررسی شود . در این مطالعه بصورت جداگانه، ناپایداری ساختاری برای آرایشهای سهتایی مختلف ناپیوستگیها در هر یک از واحد زمینشناسی بررسی میشود.[ 3]
لازم بذکر است که طبق اطلاعات زمینشناسی واحد RT-3، واحد گچی هستند کهغالباً فاقد درزه میباشند. برخی از بخشها میانلایههایی بسیار نازک دارند که امکان برداشت درزه داشتهاند .به همین دلیل، امکان تشکیل گوه و بلوک بزرگ در این لایهها وجود نخواهد داشت و بلوکهای کوچک ایجاد شده نیز با لق-گیری و اجرای یک لایه شاتکریت پایدار خواهند شد. به همین دلیل، تحلیل ساختاری تنها در واحدRT-12 از تونل که پتانسیل ناپایداری ساختاری بزرگ مقیاس یا با مقیاس متوسط دارد انجام خواهد شد. در این واحد زمینشناسی، سه تیپ مختلف ناپیوستگی برداشت شده است .
بر اساس تحلیل انجام گرفته در این بخش، وزن ناپایدارترین گوهحدوداً 61 تن خواهد بود - شکل . - 1گوه مذکور به همراه دیگر گوههای ناپایدار، بوسیله2متر تونل در10سانتیمتر شاتکریت و بولت-های سیستماتیک به قطر 25 میلی متر، طول تقریبی 3 متر و با آرایش 2,5 در 2,5 متر تونل پایدار خواهند شد.
شکل:1مشخصات بلوک های ساختاری در واحد RT-8
شکل:2 پایدارسازی گوه های ایجاد شده در واحد RT-12
تحلیل تنش
در طراحی تونلها لازم است تا علاوه بر تحلیل ساختاری، شرایط ناپایداری در اثر تغییرات تنش نیز بررسی شود .برای تحلیل تنش میتوان از تئوریهای تحلیل کلی مانند روش کرش که برای تونل های دایروی ارائه شدهاند یا تئوریهای جدیدتری مانند همگرایی همجواری با تبدیل مقطع معادل استفاده نمود .از جمله دیگر روش های مرسوم برای تحلیل تنش، استفاده از شبیهسازی عددی محیط معادل است.
کاربرد روش های عددی در طراحی تونل
با توجه به توسعه روز افزون کاربرد کامپیوتر در علوم مهندسی، روش های عددی تحلیل محیط های پیوسته جهت محاسبات و طراحی انواع سازهها با مصالح و اشکال مختلف در نظر کلیه مهندسین زیربط قرار گرفته است.[3 ] طراحی سیستم نگهداری تونل مستلزم در نظر گرفتن تاثیر عوامل متعدد بمنظور پایدارسازی می باشد که انجام آن به روشهای محاسباتی کاری ساده و بادقت نخواهد بود .بطور معمول به دلیل وجود شرایط کرنش محوری در تونلها بخصوص - تونلهای سنگی - میتوان از تحلیل دوبعدی با کفایت کافی برای تعیین سیستم نگهداری استفاده کرد.
هرچند به صورت عمومی در محدوده دهانه تونلها نمیتوان شرایط کرنش محوری را در نظر گرفت، اما در صورت مناسب بودن کیفیت توده سنگ و همچنین ایجاد شرایط پایدار در ترانشه ورودی، برای تحلیل پایداری تونل پس از متراژهای اولیه میتوان از تحلیل دوبعدی استفاده کرد .در متراژهای اولیه تونل بدلیل وجود سطوح آزاد تنش و شرایط نسبی ناپایداری در ترانشه، لازم است تمهیدات مناسب نگهداری مانند تونل مصنوعی در نظر گرفته شود.[3]
برنامه - فلک - یک برنامه آنالیز عددی با منطق اختلاف اجزاء محدود اف-دی-ام در شرایط دوبعدی می باشد که از قابلیت بسیار زیادی در تحلیل عددی سازههای سطحی و زیرسطحی در شرایط پیوسته برخوردار است .این برنامه قابلیت مدلسازی شرایط فیزیکی زمین با حداکثر انطباق با طبیعت را دارا می باشد.مدل سازی عددی انجام شده، منطبق با مراحل حفاری و نحوه استفاده از پوشش موقت انجام شده است و با استفاده از تحلیلهای تنش، نواحی پلاستیک جابجائیها و در نهایت نیروهای ایجاد شده در پوشش دائم به دست میآیند .این نتایج به همراه نتایج روشهای تحلیلی و قضاوت مهندسی، میتوانند برآورد مناسبی را برای طراحی تونل ارائه دهند.[3 ]
مفهوم آزادسازی تنش
پس از ایجاد یک حفره در درون زمین، تنشهای منطقه دچار اغتشاش گردیده و لذا سبب همگرایی تونل و جابجائی سنگها به طرف داخل تونل میشود .مقابله با چنین نیروی عظیمی که ناشی از وزن توده سنگ بالای حفره میباشد بخصوص در شرایط زیاد بودن روباره درعمل غیرممکن است مگرآنکه فرصتی داده شود تا آزادسازی تنش صورت گیرد .
این مفهوم در واقع مبنای روش تونلزنی جدید اتریشی - ناتم - میباشد.[ 4]در این شیوه، حفاری تونل بر این پایه استوار است که تا حد امکان از قابلیت باربری توده سنگ استفاده گردد تا طرح اقتصادی تری به دست آید .از این رو در اولین گام لازم است تا ظرفیت باربری توده سنگ، بدون استفاده از سیستمهای نگهدارنده، مشخص گردد .برای این منظور میتوان منحنی رفتاری توده سنگ ترسیم کرد و میزان باربری توده سنگ با استفاده از شکل رفتاری به دست آمده و حدود جابجاییهای قابل قبول، تعیین نمود.[4]
همگرایی تونل به صورت تغییر مکان نسبی دو نقطه روبروی هم در دیواره تونل هنگام پیشروی جبهه حفاری تعریف میشود .برای یک تونل با حائل بندی، همگرایی تابع جنس زمین است .این تغییرات از طرفی تابع پیشرفت مقطع در حال حفاری تونل و همچنین تابع رفتار زمین میباشد .به طور کلی در اجرای روش عددی نیز شرایط تنش برجا، خواص مصالح و همچنین سختی سازه حائل در صورت نصب لحاظ میشود .
آنچه که در ادامه تحلیل مورد نظر قرار گیرد، میزان ترخیص تنش، گام پیشروی، فاصله بین قسمت نگهداری نشده تا سینه کار حفاری و همچنین زمان خودایستایی تونل قبل از اجرایی نگهداری میباشد.
مفهوم کرنش بحرانی
ساکورایی در سال 1983 پیشنهاد کرد که میتوان پایداری تونلها را بر اساس کرنش به وقوع پیوسته در توده سنگ اطراف آن، ارزیابی نمود .کرنش مزبور به صورت زیر تعریف میشود: مدول تغییر شکل پذیری توده سنگ بر حسب کیلوگرم نیرو بر سانتیمتر مربع است . کرنش بحرانی بر E که در آنها باشد، مشکل ناپایداری ندارد .کرنش بحرانی حاصل از تراز I حسب درصد می باشد .اگر تونل در شرایط تراز هشدار پایداری کوتاه III بعنوان مبنای طراحی نگهداری تونل-های مهندسی عمران پیشنهاد شده است و تراز هشدار II هشدار مدت تونل را نشان می دهد .[5]
انحرافی بریموند - در صورت امکان - و مصارف دشت های جگیران، ذهاب شمالی و جنوبی، تغذیه سد تنگ حمام و دشت بشیوه و قراویز را نام برد .هدف از این مطالعه تحلیل پایداری در بخشی از تونل بازیدراز که بصورت سنتی حفاری خواهد شد، میباشد .برای طراحی پایداری، در ابتدا شرایط پایداری تونل با استفاده از روشهای رده-بندی تجربی توده سنگ بررسی شده است .
در مراحل بعدی، با استفاده از دو روش تحلیل ساختاری و تحلیل تنش پایداری تونل بررسی میگردد .باید توجه شود که چگونگی آب بندی پوشش تونل، مستقیماً در تعیین فشار هیدرواستاتیک آب خارج تونل تاثیرگذار است و در مقدار بارسنگ تونل نیز تاثیر دارد .در این تحقیق، در حالت وجود آب زیرزمینی پارامترهای توده سنگ در شرایط توده سنگ اشباع وارد شده است و بنابراین، نتایج بدست آمده برای شرایط بحرانی توده سنگ مورد استفاده خواهند بود.
همچنین، بر پایه شرایط هیدروژئولوژی محدوده تونل، فرض بر این است که در بیشتر بخش های تونل آب موجود در توده سنگ بوسیله زهکشی کنترل شده و سپس بوسیله پمپاژ از تونل خارج خواهد شد .در بخشهایی که بدلیل حجم زیاد آب امکان پمپاژ وجود نداشته باشد، تمهیدات لازم برای آببندی تونل و جلوگیری از جریان آب ارائه خواهد شد.
مشخصات تونل و محدوده پروژه
طرح گرمسیری در مطالعات پایه به 5 قطعه تقسیم شده است که تونل بازی دراز که موضوع مطالعه می باشد. در بخش آغازین قطعه 2 جانمایی شده است. این تونل سازه اصلی برای گذر آب سامانه گرمسیری از ارتفاعات بازی دراز محسوب می گردد .قطر داخلی تونل 6 متر و تراز دهانه های ورودی و خروجی تونل به ترتیب 547,1 و 540,4تعیین شده است .طول کل تونل بر اساس طراحی اولیه حدود 8551 متر بوده و روباره حداکثر به 500 متر می رسد .مقطع عرضی تونل در بخش سنتی بصورت نعل اسبی بوده و ابعاد نهایی آن با توجه به حداقل فضای مورد نیاز درونی تونل جهت عبور تجهیزات در زمین اجرا و همچنین عبور آب در زمان بهرهبرداری در نظر گرفته شده است.
شکل:3 نحوه محاسبه کرنش
مواد و روش ها
طرح گرمسیری با هدف انتقال آب حوزه سیروان به مناطق گرمسیری استان های کرمانشاه و ایلام موردنظر میباشد.در این طرح آب خروجی تونل نوسود که به عنوان نقطه پایانی سیستم انتقال آب سیروان به شمار میرود از طریق کانال،سیفون - آب شویه - ، سد و تونل در طول مسیر منتقل و بر اساس منابع و مصارف توزیع می گردد .طرح گرمسیری دارای مصارف و منابع آب متعددی میباشد که از آن جمله میتوان تغذیه سامانه انتقال از سد هواسان و سد بنابر طرح اولیه، حفاری تونل از دهانه خروجی بصورت تمام مکانیزه و با استفاده از دستگاه تی-بی-ام و از دهانه ورودی بصورت سنتی انجام خواهد شد .حفاری از دهانه ورودی بصورت سنتی به دلایل فنی و همچنین در جهت اجرای تونل در زمان کمتر و ایجاد بازدهی
