بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر پایداری و نحوه طراحی پوشش نهایی سازههای زیرزمینی بزرگ مقیاس با روباره زیاد بررسی شده و همچنین نحوه باربری سازههای زیرزمینی در طولانی مدت بررسی شده است. این مطالعه با بررسی موردی تونل گلاب و مغار پمپاژ آن صورت گرفته و در این تحقیق روشهای مختلف تعیین بارهای وارده بر پوشش بررسی و مقایسه شده است و در نهایت با استفاده از این روشها عملیات طراحی صورت میگیرد.
از این روشها میتوان به روشهای تجربی، عددی و تحلیلی اشاره کرد. روش کار اینگونه است که پس از بررسی بارهای وارده و مدلسازی، به انجام تحلیل و محاسبات لازم برای طراحی پوشش فضاهای زیرزمینی پرداخته میشود. یکی از موارد مهم در تحلیل پایداری فضای زیرزمینی وضعیت تنشها و جابجایی حاصل از حفاری میباشد. که در این پژوهش مدلسازی عددی جهت درک رفتار توده سنگ، توزیع مجدد تنش و نواحی شکست بارهای مختلف حاصل از زلزله و همچنین پیشبینی مقادیر تغییر شکل ناشی از حفاری توسط نرم افزارهای تحلیلی انجام گرفته است.
مقدمه
در دهههای اخیر استفاده از فضاهای زیرزمینی اعم از تونلهای راه، راهآهن، مترو، مغارها، فضاهای زیرزمینی برای نیروگاهها، مخازن ذخیره نفت و گاز و سایر موارد رشد به سزایی داشته است. متغیر بودن شرایط زمینشناسی و ژئوتکنیکی در ساختگاه پروژههای مختلف، روشهای طراحی، محاسبه و اجرای متفاوتی را میطلبد و نیز ایجاب میکند که از تجربههای گذشته و اصول علمی و فنی به طور مداوم استفاده شود. روشها و ابزارهای طراحی متعددی برای کارهای مهندسی، برنامهریزی و ساخت سازههای زیرزمینی در سنگ به کار میرود. پایداری یک سازه زیرزمینی بستگی به رفتار زمین اطراف آن دارد. رفتارهای متنوع و گوناگون نیاز به محاسبات و روشهای طراحی متفاوت دارد. بنابراین شناخت رفتار واقعی زمین، جهت محاسبه و تخمین سیستم نگهداری و سایر محاسبات لازم و ضروری می باشد
بنابراین متناسب با شرایط توده سنگ و رفتار زمین، روش یا روشهای مناسب طراحی انتخاب میشود. برای مثال، رفتار زمین در محدوده تونل شماره یک راهآهن قزوین-رشت به صورت پایدار با پتانسیل سقوط بلوکها، شکست برشی، ریزشی، رفتار پلاستیک و رفتا ر شکننده میباشد. متناسب با رفتار زمین روشهای طراحی مناسب برای این تونل شامل روشهای تجربی، NATM، مدلسازی عددی، محاسبات تحلیلی، روشهای مشاهدهای و قضاوت مهندسی تعیین شد و از روشهای تجربی، مدلسازی عددی و قضاوت مهندسی برای طراحی سیستم نگهداری استفاده شد. بنابراین سیستم نگهداری مناسب شامل بتنپاشی به ضخامت 20 سانتیمتر همراه با یک لایه شبکه فلزی - مش - و نصب قاب فولادی - IPE160 - به فاصله 1 تا 2 متری برای تونل شماره یک راهآهن قزوین-رشت تعیین شد.
طراحی فضاهای زیرزمینی، به مفهوم وسیع کلمه، عبارت از طراحی سیستمهای حائل برای این سازهها است. متغیر بودن شرایط زمینشناسی و ژئوتکنیکی در ساختگاه پروژههای مختلف، روشهای طراحی، محاسبه و اجرای متفاوتی را میطلبد و نیز ایجاب میکند که از تجربههای گذشته و اصول علمی و فنی به طور مداوم استفاده شود
همچنین به منظور طراحی سازههای مهندسی سنگ، لازم است که نتایج گزینههای مختلف طراحی ارزیابی شود تا اگر سازه با شرایط بحرانی طراحی شود بتوان پیشبینی کرد که چه اتفاقی در توده سنگ می افتد. بدین منظور بعضی از پیشبینیها در مدلسازی لازم است.
بیش از هزاران تونل طی سالیان اخیر در مناطق مختلف دنیا توسط مهندسان ساخته شدهاند. در کشور ما نیز تونلهای زیادی برای اهداف مختلف ساخته شده و به بهرهبرداری رسیده است. با توجه به مطالبی که قبلاً ذکر گردید و با توجه به عوامل ناپایدار کننده تونل، ضریب ایمنی و ریسک حفریات زیرزمینی، کاربردها و غیره روشهای مختلف پایدارسازی برای هر تونل و برای هرقسمت از تونل با توجه به عمق، جنس مصالح دربرگیرنده، فشار آب، تنشهای جهتدار و غیره انتخاب میگردد. در ادامه به ذکر مثالهایی پرداخته میشود که مربوط به ایران بوده و در سالیان اخیر به انجام رسیدهاند.
-یکی از تونلهای بسیاری که در ایران به اتمام رسیده است تونل انحراف آب سد خرسان 3 میباشد. این تونل با هدف تسهیل در مراحل اجرایی سد خرسان 3 در نظر گرفته شده است.[4] مسیر تونل از بین لایههای آهکی سازند آسماری میگذرد. این منطقه در ناحیه زاگرس چینخورده واقع گردیده که در اثر آن گسلها و ناپیوستگیهای متعددی در توده سنگهای مسیر بوجود آمده و متحمل شکستگیهای فراوان شده است.
جهت طبقه بندی توده سنگهای مسیر تونل از طبقهبندی ژئومکانیکی - Bieniawski 1989 - ، شاخص تونلسازی در سنگ - Barton et al. 1980 - و شاخص مقاومت زمینشناسی - Hoek & Brown 1997 - ، استفاده شده است. بر اساس این طبقهبندیها سیستم نگهدارنده مناسب طراحی گردیده است نهایتاً با استفاده از نرم افزار که بر پایه روش اجزاء محدود میباشد، تونل مورد نظر تحلیل شده است.
در طی این تحلیل مناطق دارای بیشترین و کمترین جابجایی و همچنین نقاط تمرکز تنش شناسایی شده و بر اساس آن سیستم نگهدارنده تونل مورد بررسی قرار گرفته است. برای تحلیل پایداری و طراحی سیستم نگهدارنده 3 روش استفاده گردیده است: .1 به کمک نرم افزار unwedge تحلیل پایداری انجام گردیده و گوههایی از سنگ ناپایدار در مسیر تونل شناسایی شد. اگرچه تعداد این گوهها زیاد هستند ولی حجم آنها بسیار کم بوده و دارای فاکتور مقاومت کمی میباشند. اصولاً دارای وزنی کمتر از یک تن بوده و برای تثبیت آنها میتوان از شاتکریت استفاده کرده و یا لقگیری نمود. بنابراین نیازی به نگهداری سیستماتیک دیده نشد
با توجه به سیستم نگهدارنده پیشنهادی توسط دو روش تجربی RMR و Q ملاحظه میگردد که در سیستم پیشنهادی بینیاوسکی به شرایط توده سنگ دربرگیرنده به صورت واقع بینانه تری توجه میگردد که این موضوع با توجه به دادهها و نتایج حاصل از تحلیل توسط روش عددی به کمک نرمافزار Phase2 به وضوح دیده شد.
در روش پیشنهادی بارتن شرایط بحرانیتر و ارائه پیشنهادات جهت سیستم نگهدارنده محتاطانهتر است. حال با در نظر گرفتن شرایط پروژه و فاکتور مقاومت مورد نیاز به نظر رسید که بهتر است از تمهیدات پیشنهادی بینیاوسکی در این پروژه در نقاط مورد نیاز کمک گرفته شود.
-3 تحلیل پایداری به کمک نرمافزار Phase2 که بر اساس ویژگیهای مقاومتی توده سنگ و شرایط تنش موجود در منطقه میباشد، انجام گردید که طبق نتایج به دست آمده مشاهده گردید بیشترین جابجایی افقی و عمودی در دیواره تونل و به میزان 3/4 میلیمتر و در کف تونل به مقدار 2/28 میلیمتر میباشد که بسیار جزئی میباشد.
همچنین تمرکز تنش در گوشههای فضای حفاری شده بوجود آمده است. به این ترتیب احتیاج به نصب نگهدارنده سیستماتیک نمیباشد و تنها در نقاطی از تاج که گسیخته میشوند پیچسنگ با طول 4 متر در صورت نیاز پیشبینی گردید. در نهایت از دید روشهای تجربی نگهداری مورد نیاز بوده است اگرچه روش عددی آنرا توصیه نکرده.
در حقیقت روش تجربی سیستم نگهداری را به صورت محافظه کارانه در نظر میگیرد.
شیوههای حفظ پایداری کوتاه مدت و بلند مدت سازههای زیرزمینی در طول سالیان دراز دستخوش تغییرات زیادی شده است. با توجه به اهمیت و کاربرد این فضاها و ریسک پذیری این سازهها اقدامات مختلفی جهت حفظ پایداری اتخاذ میگردد. علاوه بر مدت استفاده پیشبینی شده برای این فضاها و بودجه و ارزش اقتصادی که برای این حفریات در نظر گرفته میشود عامل مهمی که بایستی در نظر گرفته شود این است که پایداری فضاهای زیرزمینی ارتباط مستقیمی با ابعاد سازه دارد و هرچه ابعاد سازه بیشتر باشد دسته درزهها و گسلهای بیشتری این فضاها را در بر میگیرند و ممکن است به شدت بر زمان و هزینه صرف شده برای این تاسیسات اثر بگذارند.
هدف در اینجا بررسی پایداری و نحوه طراحی پوشش نهایی سازه های زیرزمینی بزرگ مقیاس با روباره زیاد و همچنین نحوه باربری سازه های زیرزمینی در طول مدت بهره برداری می باشد. بدین شکل که به بررسی پایداری محیط میزبان قبل از نصب پوشش پرداخته شود و با نرم افزارهای phace2 و flac2d و 3dec مدل سازی صورت میگیرد. پس از مشخص سازی بارهای وارده از طرف زمین ومدل سازی در نرم افزار sap2000 تلاش های ایجاد شده در پوشش بدست میاید. پس از ان عملیات طراحی براساس آیین نامهها صورت میپذیرد. در این پژوهش روشهای مختلف تعیین بارهای وارده بر پوشش بررسی و مقایسه میگردد. از این روشها میتوان به روشهای تجربی، عددی و تحلیلی اشاره کرد. در این پژوهش به صورت خاص به بررسی و تحلیل تونل گلاب میپردازیم که نحوهی جانمایی تونل و مغار آن در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 موقعت قرارگیری حفریات اطراف مغار پمپاژ گلاب
بارهای وارده و معادلات تعادل
بارهای وارده به پوشش بتنی را میتوان به دو دسته اصلی تقسیم کرد. دسته اول بارهایی هستند که در زمان ساخت تونل یا بهرهبرداری از آن به پوشش وارد شده و یا محتمل است که وارد شود. این بارها شامل بار مرده، بار سنگ، بار هیدرواستاتیکی، بار تزریق، بار زنده، بار جکهای TBM و بار ناشی از زلزله میباشد. این بارها، بارهای اصلی اعمال شده به سگمنت بوده و عمدتا متأثر از شرایط زمینشناسی و محیطی و یا فرآیند احداث تونل میباشد. دسته دوم بارهایی هستند که در حین فرایند تولید ، انتقال، دپو و نصب سگمنت به قطعات سگمنت وارد میشود.
در این تحقیق، ابتدا پوشش بتنی تحت اثر ترکیب بارهای ناشی از بار مرده، بار زنده، بار سنگ، بار ناشی از لهیدگی، بار هیدرواستاتیکی و بار تزریق - تماسی - طراحی میشود. سپس سگمنتهای طراحی شده برای بار جک، بار زلزله و بارهای دسته دوم کنترل میشود. لازم به ذکر است که سگمنتها برای بار ناشی از ضربه قوچ - Hammer Water - طراحی نشده است و فرض بر این بوده که طراحی هیدرولیکی تونل بگونهای انجام میشود که از ایجاد ضربه قوچ در تونل جلوگیری به عمل آید. در ادامه مقادیر بار و نحوه اعمال آن در مدل توضیح داده میشود.
بار مرده
بار مرده عبارت است از بار وزن پوشش بتنی تونل که با توجه به وزن مخصوص بتن مسلح 2/5 - تن بر مترمکعب - و حجم آن در برنامه لحاظ میشود.
بار وارد بر سیستم نگهداری ناشی از حضور آب زیرزمینی
در هنگام حفاری تونلها سطح آب زیرزمینی همزمان با حفاری پایین میرود، زیرا تونل به منزله یک زهکش عمل میکند. وقتی که سیستم نگهداری تونل زهکشی نشده درنظر گرفته شود پایین رفتن سطح آب زیرزمینی بعد از نصب سیستم نگهداری - پوشش نهایی - مختل شده و در نتیجه سطح آب زیرزمینی دوباره به سطح اولیه خود باز میگردد. اما برای یک سیستم زهکشی شده، آب زیرزمینی پایین رفته و آنقدر پایین میرود که بارندگی و یا نشت آب در آینده برای بالابردن سطح آب زیرزمینی کافی نباشد.
در مورد تونل های زیرآب، سطح آب زیرزمینی بدلیل حجم آبی که بالای تونل است ثابت بوده و برای سیستمهای زهکشی نشده در آنها بایستی تمامی فشار هیدرستاتیک آب درنظر گرفته شود مگر اینکه در زمین اطراف برنامه تزریق با حجمی گسترده انجام شده باشد. روشهای فوق به دو صورت سیستم عایق کاری زهکشی شده و زهکشی نشده بررسی میشوند.
سیستمهای عایق کاری زهکشی شده باعث کاهش بارهای هیدروستاتیکی وارده بر پوشش تونلها شده و در نتیجه، میتوان پوشش با ضخامت کمتر و مقدار آرماتور کمتر طراحی نمود. در تودهسنگهای شکسته حجم بالایی از جریان آب زیرزمینی وارد سیستم زهکشی شده - حتی بعد از تزریق سیمان در تودهسنگ - که باعث افزایش هزینههای پمپ کردن شده و باعث رسوب کلسیم در لولهها نیز میشود.
در چنین شرایط سیستم زهکشی نشده حتی میتواند موثرتر باشد. در سیستم عایقکاری زهکشی شده مجاری لولهها و لایههای زهکش بایستی همیشه باز باشد تا جریان آب همیشه برقرار بوده تا از افزایش فشار هیدروستاتیکی جلوگیری شود. در نتیجه، برای جلوگیری از افزایش بارهای هیدروستاتیک به سطحی که بتواند از ظرفیت باربری سازه فراتر رود، بازرسیهای مداوم و نگهداری سیستم زهکشی ضروری است. شکل 2 نمایی از یک سیستم عایق کاری زهکشی شده متداول را نشان میدهد.
شکل :2 نمونهای از تونل با سیستم عایق کاری زهکشی شده
سیستمهای عایق کاری زهکشینشده که از یک غشا تشکیل شدهاند و تمامی محیط تونل را پوشاندهاند، بمنظور بیرون نگاه داشتن کامل آب زیرزمینی بکار گرفته میشوند. در این نوع سیستم عایقکاری، پوشش نهایی تونل بایستی برای تحمل کل فشار هیدروستاتیک آب طراحی شود. در نتیجه، دیوارهای دالی تخت یا کفبندها معمولاً ضخیم بوده و در عوض مقاومت پوشش در نواحی انحنادار و طاق نیاز کمتری به تقویت دارد. در شکل 3 نمایی از یک سیستم عایق کاری زهکشی نشده معمول نشان داده شده است. بار ناشی از آب زیرزمینی که بر پوشش تونلها وارد میشود را میتوان با استفاده از سیستم زهکشی تا زمانیکه سطح آب زیرزمینی ثابت شود کاهش داد. عوامل اصلی موثر بر بار آب ناشی از جریان آب در پوشش تونلها عبارتند از:
-1نفوذپذیری نسبی زمین-پوشش؛ -2 صلبیت نسبی زمین-پوشش؛ -3عوامل هندسی از جمله عمق زیر آب.
سیستم عایق کاری
مجرای زهکش اصلی
شکل :3 نمونهای از تونل با سیستم عایق کاری زهکشی نشده بار سنگ
برای بررسی بار وارده از طرف سنگ به بدنه تونل، تونل برای بحرانیترین وضعیت طول مسیر تحلیل شده و طراحی سازهای بر اساس بیشترین بار سنگ که مربوط به یک زون بحرانی میباشد، انجام شده است.
