تاریخ: ۱۳۹۳/۱۰/۲۰
نویسنده :  حسين ميسمي، پدرام موسوي، مصطفي جلال

بررسي اثر بارهاي ديناميكي ناشي از انفجار و زلزله بر تونل و ارائه پيشنهادات ويژه تونل هاي شهر تهران

 

-1  مقدمه:

عمدتا هر سازه اي كه به صورت حفره هاي منظم و طولاني در عمق خاك و سنگ قرار گيرد، تونل ناميده می شود.

 قديمي ترين تونل شناخته شده در حدود 4000 سال پيش در بين النهرين به طول يك كيلومتر حفر شد كه از زير رود فرات گذشته و قصر پادشاهي بابل را به معبد اختصاصي متصل مي ساخت. در ايران از چند هزار سال پيش به منظور استفاده از آبهاي زير زميني تونلهايي مرسوم به قنات حفرشده است به طوريكه بعضي از آنها طولشان به 70 كيلومتر   مي رسد واين امر نشان از سابقه طولاني تونل سازي درايران دارد. به طور كلی تونلها را مي توان به سه دسته تونلهاي حمل و نقل، تونلهاي صنعتي وتونلهاي معدني تقسيم كرد.  

 

بنابراين اهداف ايجاد تونل را مي توان به صورت زير ذكر كرد:

كوتاهتر شدن مسيرها و افزايش راندمان ترافيكي

كاهش فشار نيروي بالا روندگي uplift كه هنگام اجراي سازه و

براي كاهش فشار ايجاد مي شود

محدوديت كمتر دراحداث سازه هاي بزرگ به دليل نياز كمتر به

استفاده از وسايل نگهداري عمده در مقايسه با احداث همان سازه بر

روي سطح زمين.

جلوگيري از فرار آب

كمتر بودن تأثيرات منفي زيست محيطي

ايجاد پناهگاه، استقرار نيروگاه ها

استفاده از تونل براي استفاده از تأسيسات، برق رساني، آب و گاز

رساني از يك طرف منطقه به طرف ديگر، به طوري كه از دسترس

فضاي باز دور باشد.

 

-2 مديريت كلان شهري و نياز بكارگيري فضا هاي زير زميني:

با توجه به رشد شهري و تراكم بر روي سطح زمين نياز به كارگيري از ساير فضاهاي در دسترس نظير فضاهاي      زير زميني بيش از پيشاحساس مي گردد. هم اكنون در 2 تا 3 متري سطح زمين هاي شهري انواع تاسيسات و خدمات عبور كرده و روي زمين نيز انواع فضاهاي مسكوني، گردشگاهي و فرهنگي، براي حل مسائل مربوط به آمد و شد

شهري، تاسيسات شهري و مواردي نظير باكسهاي جمع آوري روان آب شهري در آينده نزديك در مديريت كلان شهري بايد از فضاهاي زير زميني استفاده نمود. تونلهاي شهري نظير تونل رسالت، راه آهن زير زميني ( متروي تهران)، شبكه هاي آب و برق و تلفن و فاضلاب، پاركينگ هاي چند طبقه زير زميني و غيره همگي قابليت جاي پذيري در اين فضاهاي مدفون را دارا است. از چندين دهه پيش تاكنون استفاده هاي جديدي از فضاهاي زيرزميني به عمل آمده كه درحال توسعه است، مواردي مانند كارخانه هاي زير زميني، تونل هاي انتقال گرما، نيروگاه هاي هسته اي و غيره. سرانجام در بهره برداري از معادن مانند گذشته، ساختمان هاي زيرزميني زيادي مورد نياز خواهد بود.

در اين مقاله به انواع روشهاي حفاري زير زميني و مقايسه آنها درمديريت شهري مي پردازيم.

 

-3 هدف از مقاوم سازي:

يكي از اساسي ترين كاركرد هاي مقاوم سازي در تونل ها حفاظت ازآن در برابر بارهاي احتمالي مي باشد. مواردي چون شدت آسيب پذيري، هزينه مالي و مقدار عمليات مورد نياز شاخصه هاي اصلي درمقاوم سازي ابنيه بخصوص ابنيه زير زميني مي باشد.

 

-4 نحوه اتخاذ تصميم براي مقاوم سازي ابنيه:

جهت كاهش خطر پذيري سازه هاي مختلف در برابر زلزله و انفجار نياز به استفاده از شاخص هاي مختلف طراحي و ساخت مي باشد. احتساب بالاترين كاربرد در كنار هزينه حداقل و كمترين مقدار آسيب پذيري امري بسيار سخت دست نيافتني است. موارد زير، در قسمت طراحي ابنيه امن بسيار مهم است:

تعيين محدوده طراحي بهينه و برابر ساختن نتايج حاصل از

هزينه، مقدار فعاليت و آسيب پذيري بنا

تعيين راهكار، جهت به كاربندي امكانات مقاومتي موجود و بالا

بردن توان آنها به منظور صرف هزينه كمتر.

درنهايت، بايد ارتباط تنگاتنگي بين بخش هاي مختلف طراحي بر قرار باشد، و امكان سنجي افزايش مقاومت در آينده    نيز در صورت لزوم در نظر گرفته شود.

 

-5 انواع تونل:

تونل را مي توان به صورت زير طبقه بندي كرد:

1. تونل هاي آبرساني به نيروگاه هاي برق

2. تونل هاي دسترسي در نيروگاه هاي برق آبي و راه آهن اصلي

3. فضا هاي زير زميني دفاع شهري

4. تونلهاي زهكشي بزرگ

5. تونل در بزرگراه ها

6. گذرگاههايي جهت رفت و آمد

7. تونل هاي معدني با عمر كوتاه و موقت

8. شفت هاي قائم و مايل

9. تونل هاي معدني قائم

6 - تاثير بار ديناميكي بر تونل:

گسيختگي زمين در هنگام وقوع بارهاي ديناميكي عمدتا شامل گسلش، زمين لغزش و روانگرايي م يباشد. ولي عامل اصلي در خرابي تونل ارتعاشات ممتد است. به علت اينكه نوع امواج ايجاد شده مي تواند به شكل امواج طولي، عرضي و برشي باشد، هر كدام ازآنها تغييرات خاصي را بر پي هاي تونل و ديواره ها ايجاد مي كند. جلوگيري از خسارت ها كار بسيار سخت مي باشد و اغلب سعي مي شود خسارات كاهش داده شود. ويژگيهاي تونلها و نحوه ساخت آنها در تاثير پذيري آنها از زلزله نقش موثري دارد و لذا در اين مقاله سعي شده با بيان روش هاي ايجاد تونل، اثر هركدام در تاثير پذيري تونلها  و اهميت آنها در كاهش خسارت حاصل از زلزله، قدمي در كاهش خسارات و هزينه ها برداشته شود.                  بعضي از عوامل مهم در كاهش اثر پذيري زلزله عبارتند از :

 

6-1- وضعيت جنس زمين:

6-1-1- ژئوتكنيك محل تونل:

در ساخت تونل، اولين عاملي كه بايد در نظر گرفته شود شرايط زمين شناسي مهندسي است و در صورت عدم انجام مطالعات زمين شناسي ممكن است اشكالات اساسي در ضمن احداث تونل بروز كند مثل حفرتونل باكس هيل در انگلستان در طول 3.4 كيلومتر، كه در آن 100نفر كشته شدند.

آنچه بايد در اين زمينه مورد توجه قرار گيرد عبارت است از:

-1 نفوذ آب به تونل

-2 زلزله خيز بودن منطقه

-3 دماي زمين كه تونل هاي عميق مورد توجه قرار مي گيرد

-4 تكتونيك منطقه

-5 گاز دار بودن سنگ ها ( از جمله وجود گاز رادون كه براي كارگران بسيار خطرناك است و نظير متروي تهران حتي  بعد ازاتمام تونل نيز ممكن است مشكل ساز باشد.)

6-ساختمان زمين شناسي منطقه جهت اجراي تونل و نحوه مقاوم سازي خاك هاي اطراف در جهت كاهش ريسك زلزله مطلب مهم قابل ذكر در اينجا اين است گسيختگي زمين در هنگام وقوع زلزله عمدتا شامل گسلش، زمين لغزش و روانگرايي مي باشد كه گسلش و زمين لغزش در نواحي مشخصي اتفاق مي افتد كه مي توان با مطالعات دقيق زمين شناسي اين مكان ها را شناسايي كرد و اقدامات پيشگيرانه را انجام داد.

 

-6-1-2 گمانه هاي اكتشافي:

هدف از اين گونه گمانه هاي اكتشافي شناسايي وضعيت، ضخامت، جنس، مشخصات فيزيكي و مكانيكي سنگها و همين طور اطلاعاتي پيرامون وضعيت آب هاي زيرزميني مي باشد. تعيين نوع سنگ ها وجنس لايه هاي خاك در اقدامات پيشگيرانه در برابر زلزله نقش مهمي را ايفا مي كند. بايد توجه داشت كه حتي يك برنامه بسيار خوب گمانه زني هم قادر

نيست به تمام سوالات مطروحه درباره وضعيت سنگ هاي منطقه، خواص آنها و وضعيت و مسائل زمين شناسي كه به هنگام حفر تونل با آنها روبرو خواهيم بود، پاسخ دهد.

 

 

6-2-عمق تونل:

تونل ها از نظرعمق به 3 دسته زيرتقسيم مي شود، هرچه عمق تونل بيشتر باشد بخش بزرگتري از انرژي زلزله كاهش مي يابد.

 

6-3- شكل و اندازه تونل:

 

انتخاب شكل و ابعاد مقطع تونل تابع هدف احداث تونل، سيستم حفر تونل، شيوه بارگيري و روش نگهداري دايمي آن است به طوريكه ضمن امكان پذيري ايجاد اين شكل هزينه هاي كلي احداث تونل حداقل شده و در برابر انرژي كرنشي زلزله كه به صورت امواج منتشر شده است رفتار بهتري داشته باشد.

 

6-3-1- امواج زلزله:

 

امواج زلزله به 2 نوع حجمي و سطحي بر حسب كرنش تقسيم مي گردند.

 

6-3-2- اثر امواج بر روي تونل ها:

امواج فشاري: اين گونه امواج حجمي سريعترين امواج ايجاد شده در هنگام زلزله است و در صورت انعطاف پذير بودن تونل، آسيب جدي متوجه آن نيست.

امواج برشي قائم: اين گونه امواج داراي انرژي بسيار هستند و مانند امواج فشاري در صورت انعطاف پذير بودن تونل آسيب جدي متوجه آن نيست.

امواج رايلي: اينگونه امواج سطحي تنها باعث تغيير مكان قائم درتونل ها مي شوند.

امواج لاو: بطور كلي امواج سطحي تنها عامل تهديد كننده تونل ها هستند. سازه تحت اثر اين امواج متحمل تغييرات ديناميكي جانبي مي شود. مقدار جابجائي جانبي بين بالا و پايين سازه متفاوت است.

مطلب قابل ذكر قدرت امواج زلزله، فاصله بين مركز و سازه و مشخصات خاك در اين فاصله  می باشد. همانطور كه مشخص است، هر چه مقطع تونل بزرگتر باشد، حساسيت آن به زلزله بيشتر است.

 

6-4- نحوه ساخت تونل:

در مورد تاثير نحوه ساخت بر رفتار تونلها جدول زير درHAZUS99  كه توسط NIBS آمريكا ارائه شده است (جدول 4-1)

 

جدول (1) پارامترهاي توابع خرابي تونل HAZUS99

حداكثر شتاب زمين PGA

نوع تونل

حالت خرابي

ميانه (g)

β

حفاري شده

حداقل

متوسط

0.6

0.8

0.6

0.6

خاكبرداري شده

حداقل

متوسط

0.5

0.7

0.6

تغيير شكل پايدار زمين PGD

نوع تونل

حالت خرابي

ميانه (in)

β

همه تونلها

حداقل و متوسط

زياد

كامل

6

12

60

0.7

0.5

0.5

 

6-4-1- عوامل تعيين كننده پيش از ساخت:

الف - مسير تونل:

مسير يابي، بخش وسيع تحقيقات را در بر مي گيرد كه بعضي از آنها عبارتند از:

مطالعات زمين شناسي سطحي

مطالعات ژئوفيزيكي

بررسي عكس هاي هوايي و نقشه هاي تو پوگرافي منطقه

مطالعات آب شناسي

آزمايش هاي درجا

البته لازم نيست همه بررسيهاي فوق الذكر انجام شود و تنها درصورتي كه پس از انجام روش هاي كم خرجتر به اطلاعات خواسته شده دست يافته نشود به انجام عمليات وقتگيرتر و گرانتر رو آورده مي شود.

اين مطلب قابل ذكر است كه در صورت قرار گرفتن تونل بر روي رسوبات سست كه درصد بالاي ماسه و سيلت دارند، به علت وقوع روانگرايي در هنگام زلزله صدمات زيادي مي بينند، و در مترو ها به علت عبور از لايه هاي سست بسيار مورد توجه است.

 

ب- نقش دهانه تونل در اجرا و مقاوم سازي:

در قسمت طراحي دهانه تونل موارد زير در جهت سهولت اجرا و مقاوم سازي و كاهش ريسك خطر پذيري آن در برابر زلزله بايد موارد زيرمدنظر قرار گيرد:

در محل تونل، حداقل سر باره سنگي بايد 1.5 برابر قطر تونل باشد.

در صورتي كه دهانه تونل در مناطق پر شيب باشد بايد جهت تونل به گونه اي انتخاب شودكه با امتداد هاي ساختار مناسب باشد.

بايد در انتخاب مكان دهانه تونل، عدم امكان ورود آب هاي سطحي در بدترين حالت هاي منطقه در نظر گرفته شود.

حتي الامكان از قرار دادن مكان دهانه تونل در مناطق نا پايدار وسست خودداري كرد.

 

ج- تونل سازي در زمان حاضر:

-اجراي تونل به كمك سپر:

شايد بتوان گفت كه استفاده از سپر محافظ براي حفر تونل ها، يكي از مهمترين پيشرفت هاي اخير صنعت تونل سازي است. استفاده از سپر، امتياز عمده را در پي دارد، نخست تامين شرايط ايمني در زمين هاي سست و ضعيف و ديگري كاهش و يا حذف سيستم نگهداري موقت چوب در جبهه كار تونل.

 

- اجراي تونل به كمك هواي فشرده:

در مورد حفر تونل هاي زير آبي، استفاده از سيستم هواي فشرده به واقع انقلابي را در اين زمينه وجود آورد. با افزايش فشار هوا در داخل تونل، به گونه اي كه فشار آب هاي ورودي بيشتر باشد مي توان از ورود آب به داخل تونل جلوگيري كرد. افزايش فشار هوا در داخل تونل به حدود 2.4 تا 2.7 بار محدود است. در اين صورت كارگران بدون مشكل جدي، اين فشار را تحمل مي كنند اين فشار معادل 24 تا 27 متر ارتفاع آب است. مشكلي كه اين روش دارد در عدم استفاده از آن در لايه هاي شني آبدار يا موارد مشابه ديگر است كه طي آن در اثر نشت هوا به داخل خلل و فرج اين لايه ها، فشار موثر هوا كاهش شديد مي يابد.

 

- اجراي تونل به كمك ماشين هاي تونل كني:

با استفاده از اين گونه ماشين ها، سرعت حفر تونل ها در حد قابل توجهي افزايش يافته است. بعضي از اين ماشينها، سيستم نگهداري دائم تونل را نيز نصب مي كنند و با استفاده از آنها، ساختمان تونل در مدت كوتاهي خاتمه مي يابد.

 

7- پوشش داخلي تونل :(Lining)

پس از حفاري تونل براي محافظت در مقابل ريزش از پوشش استفاده مي شود. البته مواردي نيز وجود دارد كه در صورت استحكام كافي سنگها، از پوشش استفاده نمي شود، ولي در غير اين صورت امكان استفاده از شاتكريت،         بتن درجا، و يا اجزاي پيش ساخته وجود دارد.

8- نتايج :

به علت اينكه اغلب مترو هاي ايران در حال ساخت است در صورت رعايت و نظارت در اجراي مسائل ذكر شده و آيين نامه ها مي توان خسارتهاي مالي را به حداقل رساند. وقوع زلزله به تنهايي سبب خسارت هاي مختلف نمي گردد؛ بلكه،  بر اثر كاهش اندركنش نامطلوب حركات زمين با محيط زيست باعث بروز آسيب مي گردد.

زلزله هاي گذشته نيز نشان داده است كه آسيب هاي وارده به قسمتهاي زير بنائي نظير مترو مي تواند چه آسيب هاي حياتي و جدي به دنبال داشته باشد. در نهايت از وقوع زلزله ها نمي توان جلوگيري كرد ولي در صورت انجام درست آيين نامه ها و توجه به آن مي توان خسارت ها را به حداقل ممكن رساند.

9- پيشنهادات:

- ميزان ريسك لرزه اي كه تونلهاي مترو تهران را تهديد مي كند برآورد گردد.

براي اين منظور از نقشه هاي ريزپهنه بندي خطر لرزه اي، اعم از نقشه ي خطوط هم شتاب، نقشه استعداد روانگرايي، نقشه ي استعداد زمين لغزش و غيره، با توجه به سطوح خطر يا احتمال فراگذري درنظر گرفته شده استفاده شود.

- ميزان آسيب پذيري تأسيسات شهري، به ويژه پل ها، ساختمانهاي بلند مجاور بزرگراه ها و خيابان هاي اصلي، تأسيسات و خطوط لوله آب و گاز و فاضلاب و ساير تأسيسات موجود كه مي توانند تونل هاي اجرا شده در شهر تهران با آنها ، اندركنش داشته باشند تعيين شود.

- انتخاب مناسب مقطع تونل، روش حفاري، روش تثبيت خاك، روش مقاوم سازي و موارد ديگر جهت سطح عملكرد مطلوب تر بر اساس نتايج تحليلي صورت گرفته توسط ساز مان هاي مسئول.

- مطالعات و تحقيقات جامع تحليلي، تجربي، ميداني و دستگاهي ايمن سازي لرزه اي ساخت و ساز پيرامون اجراي تونلهاي مختلف نظير انواع تونلهاي ترابري ، باكس ها، تونلهاي مترو.

- گسترش روشهاي طراحي لرزه اي ساخت تونلهاي جديد، مقاوم سازي تونلها و باكس هاي مدفون موجود دربرابر زلزله و تدوين آيين نامه و دستورالعمل هاي مربوطه.

- بكارگيري و توسعه فناوري هاي نوين حفاري تونل و تحليل آسيب پذيري تونل، تدوين روشهاي كاهش آسيب پذيري و كمك به اجراي آن مطالعه و ارائه مناسب اقتصادي و اجرايي براي كاهش آثار مخرب زلزله در تونلها.

 

10- مراجع:

1 -مدني، ح. ،" تونل سازي"، 1382 ، جلد 1، انتشارات دانشگاه امير كبير

-2 مقاوم سازي لرزه اي تونلهاي انتقال آب با استفاده از مدل اندر كنش خاك و نگهدارنده، وثوقي فر، اولين همايش مقاوم سازي لرزه اي، 1385

-3 ماتيوا، ژاك -بوگارد، ژان فرانسوا ترجمه ابوالحسن بهنيا كامبيز بهنيا "روشهاي كلي اجرا " 1985 ، جلد سوم بناهاي زير زميني، انتشارات دانشگاه تهران

"-4 آب و فناوري در ايران باستان"، 1350 ،انتشارات وزارت آب و برق (وزارت نيرو)