بخشی از مقاله
دستاوردهای ابزاردقیق و رفتارنگاری در تونلکاری مناطق خاص شهری، مطالعه موردی خط 2 قطار شهری کرج و حومه
چکیده
با گسترش روز افزون جمعیت شهری، ساخت و توسعه زیرساخت هـای شـهری بـیش از پـیش ضـرورت می یابد. اهتمام به احداث سیستمهای حمل و نقل ریلی شهری در کنترل و کـاهش ترافیـک کـلان شـهرها در دستور کار دولتهای اخیر بوده و در اغلب کلان شهرهای کشور در حال سـاخت و تکمیـل مـیباشـد. سـاخت تونلها و ایستگاههای مترو در محیطهای شهری دارای محدودیتهای مختلف و اغلب توام با مخاطرات متعـدد نظیر ریزش معابر، ساختمانها و قطع و شکستگی خطوط انرژی بوده که متأسفانه بعضاً منجر به حوادث نـاگوار و خسارات مالی و جانی جبران ناپذیری شده است. مهندسان و طراحان بـه منظـور کـاهش خطـرات بـالقوه در عملیات تونل کاری در بافتهاینسبتاًضعیف و خاکی شهری، علاوه بر بکارگیری روشهـای طراحـی نـوین، از پایش و عملیات رفتار نگاری بهره میگیرند که در آن بـا نصـب تجهیـزات ابـزار دقیـق در مسـیر عبـور تونـل، سازههای مشرف، مناطق حساس و با قرائت و تحلیل نتایج، نسبت بـه بـروز شـرایط نـامطلوب و خطـرزا پـیش هشداری لازم را اعلام میدارند. در این مقاله سعی گردیده دستاوردها و چگـونگی اسـتفاده از نتـایج حاصـله از عملیات رفتارنگاری و پایش تونل در فاز اول خط 2 قطار شهری کرج تشریح گردد.
واژههای کلیدی: رفتارنگاری، ابزاردقیق، مخاطرات تونل کاری شهری، دستاوردها، قطار شهری
-1 مقدمه
امروزه با توجه به گسترش روزافزون شهرها، ساخت فضاهای زیرزمینی جهت حمل و نقل (قطار شهری) رو به گسترش میباشد. ساخت فضاهای زیرزمینی بخصوص قطار شهری با توجه به مسیرهای طولانی و عبور از زیر تأسیسات شهری و عوارضسطحی گوناگون و شرایط مختلف زمینشناسی، همواره با خطرات بالقوهای روبرو است. تلاشهای فراوانی جهت تعیین روابط دقیق و الگوهای حاکم بر رفتار توده خاک و اثرات حفر فضاهای زیرزمینی بر مناطق مجاور صورت گرفته است اما طبیعت پیچیده توده زمین، شرایط متغیر زمینشناسی و عدم آگاهی کامل از تغییرات آن، پیشبینی و مدلسازی رفتار فضاهای زیرزمینی را مشکل مینماید. اگرچه قبل از حفر یک سازه زیرزمینی، اطلاعات مناسبی برای طراحی، روش اجرا و
1
سیستم نگهداری تهیه میگردد، امامعمولاًاین اطلاعات کافی نبوده و مبین رفتار واقعی توده زمین نمیباشد. علاوه بر این عوامل مختلف و متعدد مؤثر بر رفتار توده خاک و عدم شناخت قطعی آنها، همچنین عدم امکان شناسایی جامع و دقیق عوارض زیرسطحی و ساختارهای موجود در مسیر تونل لزوم اندازهگیریها و پایشهای برجا و ارزیابی رفتار واقعی زمین را ایجاب میکند. بنابراین طراحان و مهندسان با استفاده از روشهای مشاهدهای و ابزاربندی و رفتارنگاری، با تشخیص و پیشبینی پتانسیلهای حساس و خطرآفرین، خطرات تونلکاری شهری را به حداقل میرسانند. با استفاده از رفتارنگاری مناسب، میتوان علاوه بر تأمین ایمنی و کاهش مخاطرات، اجرای تونل را بهینهسازی کرده و هزینهها را کاهش داد. عدم توجه و استفاده از این روشها و نتایج مربوطه در برخی از پروژههای مهندسی ژئوتکنیک به ویژه در محیطهای شهری و مناطق حساس منجر به وقوع حوادث نامطلوب و بروز خسارات جبران ناپذیر جانی و مالی و نیز تحمیل زمان و هزینههای گزاف شده است. در شکل 1 نمونهای از از این ریزشها و ناپایداریها ارائه شده است.
شکل - 1 تصاویری از ریزشها و خرابیها در برخی از پروژههای تونلهای شهری
در این نوشته ضمن به اشتراک گذاشتن تجربیات به دست آمده از انجام عملیات رفتارسنجی با جامعه علمی و اجرایی کشور، تلاش شده تا با تبیین اهمیت و ضرورت ابزاردقیق و رفتارسنجی در احداث تونلهای شهری، در راستای اجرای هر چه ایمنتر و اقتصادیتر پروژههای زیرزمینی در اقصی نقاط کشور گام برداشته شود. مواردی مانند وجود مصالح آبرفتی، خاکهای ضعیف و مسئلهدار، بافتهای شهری فرسوده، تاسیسات و شریانات حیاتی و ارتفاع کم روباره؛ اغلب در پروژههای تونلکاری شهری ایجاد مشکل مینمایند. که این پروژه نیز از این مسأله مستثنی نبوده و در حین احداث پروژه خط 2 قطارشهری کرج موارد متعددی از این دست مشاهده شده که در این مقاله به تشریح این موارد و بیان راهکارهای استفاده شده پرداخته خواهد شد.
2
-2 معرفی پروژه خط 2 قطارشهری کرج
کلان شهر کرج با داشتن جمعیتی بالغ بر 2.5 میلیون نفر و موقعیت جغرافیایی خاص و دارا بودن شهرکهای اقماری و صنعتی متعدد در اطراف از شرایط ویژه و ممتازی برای احداث سیستمهای حمل و نقل ریلی برخوردار میباشد. مطالعات امکانسنجی اولیه ایجاد خطوط حمل و نقل ریلی شهری از سال 1383 شروع شده و طرح سیستم حمل و نقل قطارشهری کرج و حومه با 6 خط به تصویب رسیده است. در شکل 2 نمایی از خطوط مصوب نمایش داده شده است. خط 2 این مجموعه طولانیترین خط مصوببطول حدوداً 27 کیلومتر بوده و از غرب (منطقه کمال شهر و حصارک) شروع شده و با عبور از مناطق پرجمعیت به محدوده جنوب شرقی در منطقه ملارد متصل میشود. مطالعات تفصیلی خط 2متروی کرج حدوداً از اوایل سال 1383 شروع و احداث این خط در قالب دو فاز اجرایی برنامهریزی شده است که مراحل اجرایی فاز یک آن به طول تقریبی14 کیلومتر از کمالآباد تا ایستگاه خط 5 متروی تهرانـکرج با در نظر گرفتن 14 ایستگاه مترو، بصورت زیرزمینی از سال 1384 شروع شده و تا کنون ادامه دارد.
شکل -2 پلان مسر خط 2 و دیگر خطوط مصوب قطار شهری کرج
-1-2 روشهای حفاری و تحکیم تونل
تونل خط 2 متروی کرج در رده تونلهای کم عمق با روباره حدوداً 11 متر تا حداکثر 20 متر بوده و مقطع آن نعل اسبی و به قطر 9/66 متر و سطح مقطع 77 متر مربع میباشد. حفاری در دو قسمت فوقانی و تحتانی، بصورت سنتی، براساس فلسفه حفاری NATM و مبتنی بر دادههای ابزاردقیق، حفاری و احداث میشود. جهت دسترسی به جبهههای کاری از رمپ یا تونل دسترسی و احداث سازه سهراهی بهره گرفته شده سپس تونل اصلی در دو جبههکار مستقل، حفاری و تحکیم میشود. سیستم نگهداری اولیه مشتمل بر نصب دو لایه توری فلزی و پاشیدن شاتکریت به ضخامت حدود 30 سانتیمتر با استفاده از قاب مشبک1 یا پروفایلهای توپر (قابهای (IPE و نگهداری نهاییشامل پوشش بتنی مسلح به ضخامت عموماً 35 سانتیمتر
3
میباشد. در شکل 3 نمایی از عملیات تحکیم اولیه تونل نشان داده شده است. این مسیر از خط 2 شامل 14 ایستگاه بوده که اکثر آنها به دلیل محدود بودن محیط کاری در مناطق شهری به روش زیرزمینی احداث می شوند. در این روش ایستگاههای مترو به روش ترکیبی و با احداث سازه نگهبان اولیه (شمع و ریبهای بتنی مسلح) و ایجاد یک قاب مقاوم آغاز و سپس با حفاری بخشهای درونی، فضای زیرزمینی توسعه و ایستگاه تکمیل میگردد. تعدادی از این ایستگاهها نیز به روش روباز با حفاری و خاکبرداری از سطح زمین و اجرای سازه نگهبان در حال احداث میباشد.
شکل - 3 نمایی از عملیات حفاری و تحکیم تونل
-2-2 زمینشناسی مسیر
شهر کرج در دامنه جنوبی البرز مرکزی قرار داشته و بطورکلی بر روی رسوبات آبرفتی جوان استقرار یافته است. بررسیهای ژئوتکنیک نشان میدهد اغلب این رسوبات از خاکهای درشت دانه شن و ماسهای تشکیل شده که با حرکت به سمت غرب و دور شدن از قسمتهای مرکزی مصالح ریزدانهتر میشوند. صرف نظر از منشاء رسوبات تشکیل دهنده شهر کرج بطور کلی در مسیر پروژه، سه نوع خاک متفاوت به لحاظ ظاهری، دانهبندی و خواص مهندسی قابل تشخیص است. در شکل 4 پروفیل طولی در ناحیه اانتقالی و تصویر نمونهای از خاک، به نمایش در آمده است. دسته اول خاکهای ریزدانه شامل لایههای رس، رس ماسهای و لای بوده (ML,CL,SC) که در سمت غرب ساختگاه (منطقه کمال شهر) با فراوانی بیشتری وجود داشته و لایه غالب به حساب میآید. مابقی مسیر از مرکز به سمت شرق،عمدتاً متشکل از مصالح شنی و درشت دانه، اغلب با دانهبندی مناسب و توپر بوده و این مصالح بر اساس طبقهبندی متحد خاکها جزو ردههای (GC,GW,GP,GM,SC,SM) میباشند. همچنین در برخی محدودهها (محدوده غربی ساختگاه) در تراز فوقانی یک لایه خاک دستی با ضخامت حداکثر 2 متر مشاهده شده است.
شکل -4 تصویری از خاک های ریز دانه غربی ساختگاه و خاک های درشت دانه تشکیل دهنده مسیر
4
-3 طرح ابزاربندی
با حفاری فضاهای زیرزمینی در اثر باز توزیع تنش و رفتار وابسته به زمان مصالح، تغییرشکلها و جابجاییهایی در اطراف این فضاها روی میدهد که با اندازهگیری و تعیین آهنگ تغییرات آنها، میتوان پایداری این فضاها را ارزیابی کرد. برای اندازهگیری این تغییرشکلها و جابجاییها در مراحل اجرایی فاز یک خط 2 قطار شهری کرج، از سیستم ابزاربندی و رفتارسنجی حداقل، شامل پینهای نشستسنج سطحی و همگرائیسنجی استفاده میشود که نمایی از آن در شکل 5 نشان داده شده است.
در این پروژه به منظور اندازهگیری تغییرشکل مقطع هندسی تونلها و فضاهای زیرزمینی از همگراییسنج1 استفاده میشود. بدین ترتیب که با انتخاب نقاطی در پوشش داخلی تونل، پینهایی در این نقاط نصب شده و توسط ابزار سنجش همگرایی (متر همگراییسنج دقیق) تحت نیروی کشش ثابت، در قرائتهای متوالی تغییرات فاصله بین هر دو پین اندازهگیری میگردد. آرایش پینها به صورت پنج نقطهای در نظر گرفته شده به این صورت که در هنگام حفاری مقطع فوقانی سه پین نصب و با حفاری مقطع تحتانی دو پین تحتانی اضافه شده و ایستگاه همگراییسنجی تکمیل میگردد.
جهت اندازهگیری نشستسطحی، ایستگاههای نشستسنج2 سطحی بر فراز تونل و در سطح زمین بسته به نیاز و شرایط موجود با دو آرایش طولی (در راستای تونل) یا عرضی (عمود بر راستای تونل) و به صورت سهنقطه ، پنجنقطه و یا بیشتر نصب میشوند. همچنین جهت مقایسه و کنترل میزان نشست پینهای دیگر در یک یا چند نقطه که اثرات حفر تونل بر نشست آنها قابل اغماض باشد، پینهایی به عنوان نقطه مبنا نصب میگردد. تعداد و فواصل میان پینها و همچنین آرایش و محل نصب براساس ملاحظات فنی و اطلاعات مورد نیاز، تعیین و انتخاب میشوند. پینهای نشستسنجی و نقاط مرجع مناسب در سطح زمین نصب شده و با استفاده از دوربین ترازیاب دقیق و کنترل نقاط با نقطه مرجع، تأثیر احداث فضای زیرزمینی در لایههای در برگیرنده را به صورت نشست یا بالازدگی مشخص میگردد.
با انتقال جابجاییها به سطح زمین و بوجود آمدن گود نشست برفراز تونل نشستهای نامتقارنی در پی ساختمانهای اطراف بوجود میآید که این نشست ها باعث به وجود آمدن درزه های جدید یا فعال شدن درزه های قدیمی میشود. به همین منظور مستندسازی و تصویربرداری دورهای از ساختمانها و عوارض سطحی پیشروی تونل قبل از رسیدن جبههکار، هنگام حفاری و بعد از عبور جبههکار بصورت منظم و مدون انجام میگردد. در این راستا بر حسب نوع و کیفیت ساختمانها از نقاط با پتانسیل آسیبپذیری و مکانهای حساس عکس و فیلمبرداری صورت میگیرد و در موقعیتهایی خاص درزهسنج3 برای رفتارنگاری کمی و کیفی تغییرات درزهها استفاده میشود.
5
شکل - 5 جانمایی ابزارهای به کار رفته و تصویری از عملیات نصب و قرائت ابزارها
-4 مناطق حساس پروژه
احداث و حفاری این خط با موانع و مشکلات متعددی روبرو بوده که با بهرهگیری از نتایج ابزار دقیق و تعامل ارکان پروژه حفر تونل با حداقل مشکلات فنی و اجرایی میسر گردیده است. از جمله این مشکلات میتوان به موارد ذیل اشاره کرد:
عبور مسیر از مناطق دارای مصالح ریزدانه و خاکهای دستی، بافتهای شهری فرسوده و پرجمعیت، گذر از زیر آزادراههای اصلی پرتردد با ارتفاع روباره کم و خاکهای ضعیف، عبور از زیر ساختمانهای بلند مرتبه، حفاری در محیطهای دارای چاهکها و حفرات متعدد پیشبینی و اکتشاف نشده، عبور از زیر کانالهای آب و خطوط انرژی و ... .
در شکل 6 پهنهبندی جنس مصالح A) و (B و برخی مناطق حساس مسیر R1) تا (R5 به صورت شماتیک نشان داده شده است.
6
: A محدوده مصالح ریزدانه
: B محدوده مصالح درشتدانه
: R1 محدوده ترکهای سطحی
: R2 آزادراه
: R3 ساختمانهای بلند مرتبه
: R4 کانال آب
: R5 جایگاه سوختگیری
شکل – 6 پهنهبندی جنس مصالح عبوری و مناطق حساس
-5 نقش و کاربرد ابزاردقیق در مناطق خاص
در پروژه های تونل شهری به دلایل متعدد قسمتهایی از تونلکاری از شرایط معمول برخوردار نبوده و در اجرای آن مخاطرات جدی و محتملی پیشبینی و برآورد می گردد که در صورت عدم توجه و بررسی کامل به جزئیات کنترلی و پیش هشداری میتواند اجرای آن دچار مشکلات عدیده و پیچیدهای با عواقب ناگوار گردد. در این مقاله به این محدودهها مناطق خاص اطلاق می گردد.
در خط 2 قطارشهری کرج با تکیه بر عملیات رفتارنگاری و ابزاردقیق و عملکرد مناسب این واحد در طول اجرای پروژه، مناطق حساس و بحرانی تشخیص و با بهرهگیری از نتایج پایشها، حفر و احداث این بخشها با کمترین آثار نامطلوب و معارضین انجام شده است. باید توجه داشت که دامنه کاربرد عملیات رفتارنگاری در این پروژه گسترده است و در سطور زیر تنها گوشهای از نقشآفرینی و کاربرد آن تشریح شده است.
-1-5 خاکهای ریزدانه (A)
تونل کاری در محدوده غربی ساختگاه به دلیل قرار گیری تونل در زمین های نرم همواره با مخاطرات ویژه ای همراه بوده بطوریکه پیش هشدارهای به موقع و موثری بر اساس نتایج ابزاردقیق و پایش در مکان ها و شرایط مختلف ارائه میشد که مورد بهرهبرداری گروههای اجرایی و طراحی قرار میگرفت. در زمان اجراء، میزان نشست بخصوص در خاکهای ریزدانه و سست مورد مطالعه بیشتری قرار گرفت و بر حسب شرایط زمینشناسی محدوده و سطوح خطرپذیری، کیفیت، اهمیت، تراکم ساختمانها و تاسیسات شهری، تصمیمات مختلفی اتخاذ گردید و در برخی قسمتها جهت کاهش و کنترل تغییرشکلهای سطحی و عمقی، روش اجراء تغییر کرد. هر چند تشریح تمامی تمهیدات اجرایی صورت گرفته در این مجال نمیگنجد ولی
