حتمالا اولین تونلها در عصر حجر برای توسعه خانه‌ها با انجام حفریات توسط ساکنان شروع شد . این امرنشانگر این است که آنها در تلاشهایشان جهت ایجاد حفریات به دنبال راهی برای بهبود شرایط زندگی خود بوده اند. پیش ازتمدن روم باستان ، در مصر ، یونان ، هند و خاور دور و ایتالیای شمالی ، تماما تکنیکهای تونلسازی دستی مورد استفاده قرار می‌گرفت که در اغلب آنها نیز از فرایندهای مرتبط با آتش برای حفر تونل های نظامی ، انتقال آب و مقبره‌ها کمک گرفته شده است. در ایران نیز از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آبهای زیر زمینی تونل هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز می‌رسد. تعداد قنات های ایران بالغ بر50000 رشته برآورده شده است. جالب توجه است که این قنات های متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند.
رومی ها نیز در ساخت قناتها و همچنین در حفاری تونل های راه پرکار بودند. آنها در ضمن اولین دوربینهای مهندسی اولیه را در جهت کنترل تراز وحفاری تونل ها به کار بردند.
اهمیت احداث تونل ها دردوران های قدیم ، تا بدین جاست که کارشناسان کارهای احداث تونل درآن تمدن‌ها را نشانگر رشد فرهنگ و به ویژه رشد تکنیکی و توان اقتصادی آن جامعه دانسته‌اند. تمدنهای اولیه به سرعت ، به اهمیت تونلها ، به عنوان راه‌های دسترسی به کانی ها و مواد طبیعی نظیر سنگ چخماق به واسطه اهمیتش برای زندگی، پی‌بردند. همچنین کاربرد آنها دامنه گسترده‌ای از طاق زدن بر روی قبرها تا انتقال آب و یا گذرگاههایی جهت رفت و آمد را شامل می شد. کاربردهای نظامی تونلها ، به ویژه از جهت بالابردن توان گریز یا راههایی جهت یورش به قرارگاهها و قلعه های دشمن ، ازدیگر جنبه های مهم کاربرد تونلها در تمدن های اولیه بود.
تونل سازی همزمان با انقلاب صنعتی، به ویژه به منظور حمل و نقل ، تحرک قابل ملاحظه ای یافت. تونلسازی به گسترش و پیشرفت کانال سازی کمک کرد و این امر در توسعه صنعت به ویژه در قرون 18 و 19 میلادی در انگلستان سهم بسزایی داشت. کانال‌ها یکی از پایه های انقلاب صنعتی بودند وتوانستند در مقیاس بسیار بزرگ هزینه‌های حمل و نقل را کاهش دهند. تونل مال پاس با طول 157 متر برروی کانال دومیدی در جنوب فرانسه اولین تونلی بود که در دوره‌های مدرن در سال 1681 ساخته شد. همچنین اولین تونل ساخته شده با کاربرد حفاری و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن 18 نیز جیمز بریندلی از خانواده ای مزرعه دار با نظارت بر طراحی و ساخت بیش از 580 کیلومتر کانال و تعدادی تونل به عنوان پدر کانال و تونل های کانالی ملقب شد. وی در سال 1759 با ساخت یک کانال به طول 16 کیلومتر مجموعه معدن زغال دوک بریدجواتر را به شهر منچستر متصل نمود. اثر اقتصادی تکمیل این کانال نصف شدن قیمت زغال در شهر و ایجاد یک انحصار واقعی برای معدن مذکور بود.
در اوایل قرن نوزدهم به منظور عبور از قسمتهای پایین دست رودخانه تایمز هیچ سازه ای موجود نبود و 3700 عابر مجبور بودند با طی یک راه انحرافی 3 کیلو متری با قایق مسیر روترهایت به ویپنیگ را طی کنند. اقدام به ساخت یک تونل نیز به دلیل ریزشی بودن ومناسب نبودن رسوبات کف رودخانه متوقف شد. تا اینکه در حدود سال 1820 فردی بنام مارک ایرامبارد برونل از فرانسه ایده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال 1825 کار احداث تونل بین روترهایت و ویپنیگ را آغاز و علی رغم جاری شدن چند نوبت سیل در سال 1843 آن را باز گشایی نمود. این تونل تامس نام گرفته و اولین تونل زیر آبی بود که بدون هر گونه رودخانه انحرافی حفر شد. در دیگر موارد تونلهای زهکشی بزرگ ، نظیر تونلی با طول 7 کیلو متر در هیل کارن انگلستان ، اهمیت زیادی در توسعه صنعت معدنکاری داشته‌اند. البته بررسی تاریخچه پیشرفت در روش ها و تکنیک ها و به عبارتی در هنر تونل سازی نشانگر این مطلب است که مانند بسیاری دیگر از علوم و فنون بیشتر رشد این هنردر قرن گذشته صورت گرفته و تا حال نیز ادامه دارد.
ویژگی های فضاهای زیرزمینی و نمونه های بارز آنها
هم اکنون در زمینه های مختلف کاربرد تونلها ، مزایای متفاوت و گوناگونی را بر می شمرند. از آن جمله ویلت، استفاده فزاینده فعلی از فضاهای زیر زمینی را به دلایل زیر رو به افزایش دانسته است.
1- تفوق محیط ساختاری به معنای وجود یک حصار وساختار طبیعی فراگیر.
2-عایق سازی با سنگهای فراگیر که دارای ویژگیهای عالی عایق‌ها می باشند.
3- محدودیت کمتر دراحداث سازه های بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی سطح زمین.
4- کمتر بودن تأثیرات منفی زیست محیطی.
5- کوتاهتر شدن مسیرها و افزایش راند مان ترافیکی
6-بهبود مشخصات هندسی مسیر
7-جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن
8-ایمنی بیشتر در برابر زلزله،
مثال های متعددی می توان از نقش وتأثیر عمده تونلسازی و پروژه های بزرگ این صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد . تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ایتالیا را به هم متصل می سازد. عملیات ساختمانی آن در سال 1959 آغاز گردید و حفر این تونل فاصله بین میلان و پاریس را به طول 304 کیلو متر کوتاهتر نموده است. از دیگر نمونه ها کشور فنلاند است که سازه های زیر زمینی را به صورت غارهای عظیم بدون پوشش بتنی ، به منظور انبار مواد نفتی مورد استفاده قرار داده و در حال حاضر بیش از 75 انبار نفتی در سراسر کشور فنلاند با گنجا یشی بیش از 10 میلیون متر مکعب ساخته شده.
تونل سازي شغلي با خطر هاي پنهان
تونل سازي پيشرفته و اتوماتيك در زير زمين اكنون به سمتي ميرود كه حـــذر از اشتبــاه در آن اجتناب ناپذير است. تونل سازي موفق به شكل و معماري تونل و كيفيت ساخت آن ، شناخته مي شود در حاليكه در پشت آن سرمايه گذاري سنگين تكنيك هاي حفاري توسط سيستم هاي لجستيكي پيچيده قرار گرفته است. چنين تكنيكهايي براي اجراي سريع و بدون توقف تونل سازي با قابليت محاسبه خطرات پيش رو و همچنين بالا بردن راندمان پيشرفت، طراحي مي شوند.
خطرات پنهان در تونل سازي
بستر زمين مي تواند با زونهاي خطرناك زمين ساختاري نهفته در آن همواره منبعــي از مشكـــلات غير قابل انتظار در تونل سازي باشد.
تغييرات غير قابل پيش بيني در كيفيت سنگ اغلب سبب مشكلات و هزينه هاي تاخيــر غيــر ضروري مي گردد كه امروزه هيچكس براي آن پول كافي ندارد.
بدون پيش بيني، شما با خطرات زير مواجه خواهيد شد:
1-حفره ها، ريزش ها، جريان شديد آب داخل تونل
2-پرداخت هاي اضافه شامل تاخيرات پروژه
3-مواجهه TBM با تله هاي پيش روي آن
4-به خطر انداختن پرسنل و تجهيزات مورد استفاده آگاهي از آنچه پيش روي است:
اطلاعات كافي از لايه هاي زمين ساختاري و تغيير در پارامترهاي مكانيك سنگ كه تاثير زيادي در انتخاب روشهاي اجرا دارد، اكنون فاكتور مهمي در توفيق تونل هاي پيشرفته امروزي است. چنين پيش بيني و هشدار هايي در اجرا، امكان بموقع برآورد دقيق هزينه ها و لجستيك آن را براي رفع موانع در طراحي تونل سبب شده و به دنبال آن پيش بيني هر چه دقيق تر، موجب تونل سازي مقرون به صرفه در خطرات هميشگي زير زمين است.
کاربردهای زمين شناسی در تونل سازی
فن تونل سازي سابقه ديرينه اي در كشور ما دارد. حدود 3000 سال پيش نياكان ما با حفر قناتها كه در واقع تونل هاي قديمي هستند، به آب زيرزميني دست مي يافتند. قديمي ترين تونل شناخته شده در حدود 4000 سال پيش دربين النهرين حفر شد.
در ايران از چند هزار سال پيش به منظور استفاده از آبهاي زيرزميني تونل هايي موسوم به قنات حفر شده است كه طول برخي از آنها به 70 كيلومتر مي رسد.
مراحل تونل سازي:
مراحل احداث و آماده سازي تونل ها به شرح زير است:
الف) تهيه طرح تونل
ب) نقشه برداري مسير و تحقيقات مهندسي
ج) حفر تونل
د) نگهداري موقت تونل
ه) انجام خدمات فني از قبيل تهويه، آبكشي، روشنايي و نظاير آن
و) نگهداري دائم تونل
طبقه بندي تونل ها:
1- تونل هاي حمل و نقل
- تونل هاي راه آهن
- تونل هاي راه
- تونل هاي پياده رو
- تونل هاي ناوبري
- تونل هاي مترو
2- تونل هاي صنعتي
- تونل هاي مربوط به نيروگاههاي آبي
- تونل هاي انتقال آب
- تونل هاي استفاده همگاني و پناهگاهها
- تونل هاي فاضلاب
- تونل هاي طرحهاي صنعتي
- تونل هاي انبارهاي نظامي
- تونل هاي دفن زباله اتمي
3- تونل هاي معدني
- تونل هاي گشايش معدن
- تونل هاي اكتشافي
- تونل هاي استخراجي
- تونل هاي خدماتي
- تونل هاي زهكشي
تفاوت تونل هاي حمل و نقل و تونل هاي معدني:
تونل هاي معدني پس از استخراج معدن بصورت متروكه رها مي شدند ولي تونل هاي حمل و نقل سازه هايي دائمي هستند و براي استفاده طولاني مدت طراحي مي شوند.
مطالعه ساختگاه تونل:
قبل از حفر و احداث تونل، بايستي منطقه مورد نظر را مطالعه كرد و مناسب ترين مسير تونل را برگزيد و آنگاه مسير را مطالعه كرد. با وجود اينكه اين مطالعات بسيار پرهزينه و زمان بر است اما بدون انجام آن ممكن است اشكالات اساسي در ضمن احداث تونل رخ دهد كه در زير به مثالهايي از آن اشاره مي شود.
1- تونل مورن واقع در مسير راه آهن پاريس به ورساي كه عمليات حفاري آن در سال 1900 ميلادي آغاز و در طول مسير با 45 متر ماسه سست مواجه شد كه عبور از آن 15 ماه به طول انجاميد.
2- تونل لتسبرگ در فرانسه كه حفاري آن در سال 1908 ميلادي آغاز و پس از حفر 1200 متر از تونل به علت هجوم شديد آب زيرزميني متروك شد.
3- تونل مربوط به نيروگاه برق آبي رزلند كه حفر 50 متر از آن 18 ماه طول كشيد.
مطالعه ساختگاه تونل شامل مراحل زير است:
1- جمع آوري اطلاعات:
كه با مراجعه به سازمان ها و مؤسساتي كه احتمال دارد در منطقه كار كرده باشند مي توان اطلاعات احتمالي را به دست آورد.
2- بررسي نقشه هاي توپوگرافي و عكسهاي هوايي منطقه:
براي آگاهي از وضعيت توپوگرافي منطقه بايد بزرگ مقياس ترين نقشه موجود را مطالعه كرد. مطالعه عكسهاي هوايي منطقه در بسياري موارد اطلاعات با ارزشي دست مي دهد مانند چين خوردگي ها، درزه ها، گسل ها و ... .
3- مطالعات زمين شناسي سطحي:
آگاهي از وضعيت زمين شناسي منطقه از جمله ضروري ترين اطلاعات مورد نياز طراحي تونل ها است.
4- مطالعات ژئوفيزيكي:
مهمترين كاربرد روشهاي ژئوفيزيكي در اكتشاف ساختگاه تونل ها، تعيين موقعيت هاي غيرعادي است كه بايد به وسيله روشهاي مستقيم و دقيق تر، بررسي شود.
5- حفر گمانه هاي اكتشافي:
هدف از حفر گمانه هاي اكتشافي شناسايي وضعيت، ضخامت، جنس و مشخصات فيزيكي و مكانيكي سنگ هايي است كه تونل از آنها عبور مي كند.
6- مطالعات آب شناسي:
از آنجا كه وضعيت آبهاي زيرزميني منطقه و نفوذپذيري سنگها چه از نقطه نظر حفر تونل و چه از نظر طراحي سيستم نگهداري آن اهميت زيادي دارد. لذا بعضي مطالعات آب شناسي نيز انجام مي گيرد.
7- آزمايش هاي برجا:
روشهاي تعيين مشخصات ژئوتكنيكي زمين به حالت برجا از جمله مهمترين مطالعاتي است كه قبل از احداث تونل انجام مي گيرد.
8- پيش بيني نشست زمين:
با توجه به اهميت پديده نشست زمين بايد روشهايي را براي حفر و نگهداري تونل ها برگزيد كه نشست به حداقل ممكن برسد.
طراحي تونل:
طراحي شكل و ابعاد مقطع تونل بسته به نوع كاربري آن و شرايط زمين شناختي منطقه فرق مي كند. به عنوان مثال تونل هاي معادن داراي سطح مقطع ذوزنقه اي شكل، تونل هاي راه به شكل هلالي، تونل هاي راه آهن به شكل دايره و چهارگوش، و تونل هاي آبرساني نيز با توجه به حداكثر توان پيش بيني شده نيروگاه فرق مي كند.
نقش شرايط زمين شناختي در طراحي تونل:
1- چين خوردگي: وجود چين خوردگي در سنگ سبب كاهش مقاومت آن مي شود و در اثر احداث تونل ممكن است درز و شكافهاي بيشتري را در سنگ سبب شود.
2- گسل: وجود گسل سبب ايجاد صفحات شكستگي در سنگ مي شود كه پس از حفر تونل احتمال لغزش قطعات سنگ را به دنبال دارد.
3- آب زيرزميني: وجود آب زيرزميني از جمله مسائلي است كه علاوه بر آنكه عمليات تونل سازي را با مشكل مواجه مي سازد خطراتي را نيز در پي دارد.
مواردي كه در بالا اشاره شد از جمله مهمترين مسائلي بود كه در طراحي تونل نقش دارند ولي مواردي مانند زمين هاي آماس پذير، درزه ها، گازهاي موجود در سنگ ها، دماي سنگها، زمين هاي رانشي و ... نيز در طراحي تونل ها نقش دارند كه از اهميت كمتري برخوردارند.
صنعت تونل ایران
سالهای طولانی است که متخصصان و کارگران زحمتکش ايران زمين در صنعت تونل آثار ارزشمندی را به تمدن بشری اهدا نموده‌اند بطوريکه از چند هزار سال پيش تونلهايی موسوم به قنات حفر می‌شده است که يکی از ابتکارات شگفت‌انگيز ايرانيان است. طول بعضی از اين سازه های زيرزمينی به 70 کيلومتر می رسد. تعداد قناتهای ايران بالغ بر 5000 رشته بر آورد شده و جالب توجه آن است که اين قناتهای متعدد، طويل و حساس از لحاظ جهت و شيب با وسايل بسيار ابتدايی حفر شده‌اند. قديمي‌ترين آثار و قنات که در دنيا کشف شده و باستان‌شناسان رد‌يابی و کاوش کرده‌اند، ناحيه‌ای در شمال ايران است که قدمت آن به حدود سه هزار سال قبل يعنی دوره ورود آريايی‌ها می‌رسد. در دوره معاصر و ابتدای قرن سيزدهم هجری احداث اولين تونلهای راه وراه‌آهن در دستور کار دولت ايران قرار گرفت.بر اساس برنامه‌های پنج ساله و بالاخص چشم انداز بيست ساله برنامه‌های توسعه کشور، نياز به ساختارهای زيربنايی در کشور بيش از پيش تجلی می‌کند.
با توجه به شرايط اقليمی و جغرافيايی کشور و توسعه و گسترش شهرها و مراکزصنعتی ، تونل و فضاهای زيرزمينی برای استفاده‌های حمل و نقل داخل و خارج از شهر، انتقال آب و فاضلاب ، لوله رانی بدون حفاری سطحی برای انتقال مواد سوختنی و انرژی از قبيل نفت و گاز ، احداث فضاهای زيرزمينی استراتژيکی و دفاعی ، توليد برق ، ايستگاه‌های مترو و پارکينگ به‌طور فزاينده‌ای در حال مطالعه ، ساخت و يا بهره‌برداری هستند. عوامل زمين‌شناسی و اقتصادی در گذشته از جمله موانع توسعه فضاهای زيرزمينی بوده است. با توجه به توسعه علم و فناوری در مطالعات زمين‌شناسی و مهندسی ژئوتکنيک وآشنايی بهتر و بيشتر با شرايط زمين و ساخت و گسترش تجهيزات ساخت و بهره‌برداری تونلها باعث شده است که رويکرد به اين ساختار زيرزمينی بيشتر شود. اغلب شهرهای بزرگ توانايی و گنجايش داشتن حمل ونقل روی سطحی را نداشته و در نتيجه به سيستم های زير زمينی از قبيل مترو روی آورده و بدون دست‌خوردگی در سطح زمين ، با احداث خطوط متعدد مترو، شبکه وسيعی از حمل و نقل را در شهرها ايجاد نموده‌اند. برای انتقال آب وفاضلاب نيز مشابه حمل و نقل گزينه‌ای به جز استفاده از مجاری زيرزمينی وجود نداشته و شبکه‌های بزرگ و گسترده تونلهای آب و فاضلاب شهری در حال احداث می باشند. در حال حاضر در کشورهای توسعه يافته در برخی موارد، فضاهای زيرزمينی به عنوان تنها گزينه مناسب برای ايجاد فضاهای تفريحی ، فرهنگی و ورزشی مطرح می‌باشند. در اغلب موارد فضاهای زيرزمينی در دراز مدت با صرفه تر خواهد بود. از مزايای استفاده از فضاهای زيرزمينی و تونلها ،می‌توان به موارد زير اشاره کرد:
- حفظ محيط زيست
- تأمين ايمنی و امنيت بيشتر
- صرفه‌جوئی در هزينههای تأمين انرژی
- صرفه‌جوئی در هزينههای بهره‌برداری و نگهداری
- صرفه‌جوئی در هزينههای جابجائی تاسيسات شهری و هزينه تملک و خريد زمين
از جمله تونلهای در حال ساخت کشور به موارد زير می توان اشاره کرد:
الف- تونلهای راه: آزاد راه تهران-شمال(تالون،البرزو...) ، امام زاده هاشم ، تهران-رودهن ، تنگه هيچان-سرخه .
ب- تونلهای راه آهن و مترو: قطعه چهارBيزد-هرمزگان ، متروی شيراز ، متروی تبريز ، خط تهران-کرج(خط پنج) ، خط 3و4 متروی تهران ، متروی اصفهان خطAشمالی وجنوبی ، متروی مشهد .
ج- تونلهای انحراف و انتقال آب: کوهرنگ3 (چارمحال وبختياری) ، گاوشان(کردستان) ، چشمه لنگان(اصفهان) ، انتقال آب دز به قمرود ، رباط کريم تهران ، خيام و خروجی تهران ، سد کوثر(خوزستان) ، سد کرج به تهران ، نوسود کرمانشاه ، سولکان کرمان ، چشمه روزيه سمنان ، قشلاق سنندج ، سبزکوه(چهارمحال و بختياری) ، روانسر کرمانشاه ، سد نسای کرمان وآبرسانی بوشهر
د- تونلهای معدنی: ضرورت تأمين مواد معدنی در راستای برنامه‌های توسعه و سياست های دولت ، حفر فضاهای گسترده زير زمينی را ايجاب می نمايد که از آن جمله می توان به معدن زير زمينی زغال سنگ مرکزی طبس اشاره کرد که استخراج آن به صورت مکانيزه طراحی شده و برآورد توليد ساليانه آن 5/1ميليون تن می باشد.
دولت ايران نيز با توجه به کمبودها و نيازبه فضاهای زيرزمينی در رابطه با کاربردهای مختلف آنها ، سرمايه‌گذاری در بخش تونلسازی را بالاخص در سالهای اخير مورد توجه قرار داده و از جمله تحولات مهم چند سال گذشته صنعت تونل ايران احداث فضاهای زيرزمينی را با کاربردهای متفاوت در احجام و طولهای بسيار زياد می باشد. به‌طورکلی امروزه دولت در قالب وزارتخانه های نيرو ، راه و ترابری ، صنايع و معادن و کشور(شهرداری‌ها) به طور عمده و وزارتخانه‌های دفاع ، نفت و جهاد کشاورزی به ميزان کمتر به احداث سازه‌های زيرزمينی می‌پردازد. به تازگی در تمامی اين سازمان‌ها با تصويب قوانين و ايجاد امکان عقد قراردادهايی با ساختارهای متنوع امکان مشارکت شرکت های خارجی وداخلي در سرمايه‌گذاری و اجرای پروژه فراهم شده است. از ديگر اقدامات جديد انجام شده می توان به حضور موثر و بی سابقه متخصصان داخلی در پروژه‌های مختلف احداث فضاهای زيرزمينی اشاره داشت و بعضی در زمره بزرگترين سازه‌های زيرزمينی در دست احداث جهان می باشند که با رعايت استانداردهای جهانی و با طراحی واجرای کارشناسان ايرانی به انجام می رسد.
تونلسازي سيري
در روش تونلسازي سپري متعارف و معمولي قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت ميماند ولي با اين حال مواردي است که مانياز مند افزايش قطر موجود در نواحي خاصي از تونل ميباشيم در چنين مواردي قبل از معرفي روش گسترشي ما مجبور به ايجاد مقطع با استفاده از کند و آکند و يا روش ناتم بوديم که البته آن هم بايد پس از بهسازي توده سنگ در مقياس بزرگ انجام ميگرفت ...
در ابتدا اين روش براي ايجاد و حفر تونل در زميني نرم و از زير رودخانه استفاده شد شيوه عمليات مبتني بود بر فشار و فرو بردن استوانه اي فلزي و انعطاف ناپذير در داخل خاک و سپس ايجاد ساختار تونل به طورکل عمليات شامل فرو راندن سپر در داخل خاک و ايجاد لاينينگ از پشت سر سپربود به اين طريق تونل در آن شرايط و بدون ريزش و تخريب در سطوح بالايي تونل مورد نظر حفر شد که البته رانش سپر در داخل توده خاک توسط جکهايي قابل اجراست . اين کار در 1823 در زير رودخانه thames لندن اجرا شد که سطح مقطع سپر به کار رفته نيز مستطيل شکل بود طراحي مقطع دايروي براي سپرهاي مذکور در سال 1869 و از جانب Greathead James Henry مهندس انگليسي ارائه شد استفاده از سگمنتهاي فولادي خاکريزي ونيز تزريق از سوي او در پروه اش به کار برده شد همانگونه که گفته شد سپر جسمي‌است فولادي معمولاً‌به شكل استوانه كه از ريزش مواد به داخل تونل جلوگيري كرده و خود را به جلو و داخل زمين مي‌راند. انواع سپرها عبارتند از :
● سپرهاي باز
● سپرهاي كور
● سپرهاي تعادل فشار خاك
● سپرهاي گل آبي
ميتوان گفت که کشور ژاپن نقشي عمده در توسعه اين روش داشته است در تونلهاي احداث شده در شهرهاي بزرگ ژاپن به دليل اينکه اکثرا در زمينهاي سست بوده و همچنين به دليل تراکم رفت و آمد در مناطق پر ترافيک و شلوغ بيشتر به روش سپري حفر شده اند . اين کشور همچنين در امر طراحي و ساخت انواع سپرها و ماشين آلات سپري بسيار پيشرفته ميباشد.
از روش تونل سازي سپري در اواخر دهه شصت قرن نوزدهم و براي احداث تونلهاي زهکشي و فاضلاب استفاده شد و بعد از آن نيز براي ساخت انواع ديگر تونلها نظير تونلهاي کابلهاي انتقال برق و همچنين براي احداث تونلهاي زيرزميني و مترو که از آن به عنوان روش ايجاد تونل در مناطق شهري ياد ميشود تعميم يافت.
دلايل استفاده از اين روش:
با استفاده از روش تونلسازي گسترشي يا همان روش توسعه ي تونلهاي ايجاد شده به روش سپري ما ميتوانيم قطر تونل موجود را افزايش دهيم .
در روش تونلسازي سپري متعارف و معمولي قطر تونل از ابتدا تا به انتها ثابت ميماند ولي با اين حال مواردي است که مانياز مند افزايش قطر موجود در نواحي خاصي از تونل ميباشيم در چنين مواردي قبل از معرفي روش گسترشي ما مجبور به ايجاد مقطع با استفاده از کند و آکند و يا روش ناتم بوديم که البته آن هم بايد پس از بهسازي توده سنگ در مقياس بزرگ انجام ميگرفت.
اصول روش ناتم در تونل سازی
روش تونلسازی اتریشی (NATM)، در فاصله سالهای ۱۹۵۷ تا ۱۹۶۵ در اتریش ابداع گردید. نام این روش در سال ۱۹۶۲ در سالزبورگ و جهت تمیز از روش قدیمی تونملسازی اتریشی اعطا گردید. نخستین ارائه دهندگان این روش Ladislaus von Rabcewicz, Leopold Müller و Franz Pacher بودند. ایده نخستین این روش عبارت است از استفاده از فشارهای زمین شناسی در برگیرنده توده سنگ جهت مقاوم سازی ونگهداری تونل.
باید گفت که امروزه مطالعات گسترده ای از سوی متخصصین علم مکانیک سنگ در ارائه طرحی مطمئن برای نگهداری فضاهای زیرزمینی صورت می گیرد که بتواند سیستم نگهداری را به گونه ای طراحی کند که علاوه بر ایمن بودن، از نظر اقتصادی نیز معقول باشد. نتایج این مطالعات بر ضرورت بکارگیری روشهای مشاهده ای همچون NATM در تونلسازی تاکید دارد.
● ویژگی های اساسی ناتم :
ناتم روشی است مبتنی بر تابع نگاری رفتار توده های سنگ تحت بار و مونیتورینگ عملیات ساختمان زیرزمینی سنگ. واقعیت اینست که ناتم به عنوان یک مرحله از حفاری و نیز تکنیک های نگهداری مطرح نیست. ناتم بر هفت ویژگی استوار است:
۱- بسیج مقاومت توده سنگ: این متد بر مقاومت ذاتی توده سنگ پیرامون به عنوان یک جز اصلی نگهداری شده در تونل، تکیه می کند. تکیه گاه اولیه طوری هدایت می شود که سنگ را قاد رسازد تا بر خودش تکیه کند.
۲- حمایت شاتکریت: سست کردن و نیز تغییر شکل بی اندازه سنگ می بایست به حداقل برسد. این امر با مهیا کردن لایه های نازک شاتکریت بلافاصله پس از پیشروی جبهه کار حاصل می اید.
۳- 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.
۴- تکیه گاه انعطاف پذیر: آسترگیری اولیه نازک است و شرایط لایه بندی اخیر را بازتاب می دهد. این مدل به کارگیری، نسبت به تکیه گاه مجهول سریعتر به کار می اید و موثر می شود. مقاوم سازی با یک آستر بتنی ضخیم به دست نمی اید بلکه با یک ترکیب منعطف از پیچ سنگ، سیم تنیده و شیارهای فولادی حاصل می گردد.
۵- بستن وارونگی: بستن سریع وارونگی و ایجاد حلقه حامل بار دارای اهمیت است. این امر در تونلهای حفر شده در زمینهای نرم بسیار وخیم است، جایی که هیچ مقطعی از تونل نباید بطور موقت رها شود.
۶- ترتیب قراردادی: دانش ناتم بر اساس اندازه گیری مونیتورینگ پایه ریزی شده است. تغییر در متد تکیه گاه و ساختمان امکان پذیر است. این تنها در شرایطی ممکن است که سیستم قراردادی فادر به تغییرات باشد.
۷- اندازه گیری پشتیبانی رده بندی توده سنگ: رده های اصلی سنگ برای تونل و پشتیبانی متناظر آن موجود است. اینها برای هدایت در زمینه تقویت تونل بکار می روند.
اصول کلی ناتم:
تونلزنی به روش جدید اتریشی در خاکهای سست تا سنگ های سخت و مقاوم و در اعماق کم (در جهت به حداقل رساندن نشست سطح) تا اعماق زیاد و بیش از ۱۰۰۰ متر تحت میدانهای تنش ناشی از عملیات معدنکاری انجام گرفته است.
بنابراین اصول زیر به طور کلی قابل اعمال می باشند. این اصول در مقاله آقای دکتر فکر به ترتیب زیر آورده شده است:
▪ عنصر اصلی باربری یک تونل، توده سنگ پیرامونی آن می باشد.
▪ بنابراین یکی از اصول عبارت می باشد از: حفظ مقاومت اولیه سنگ تا آنجایی که امکان داشته باشد.
▪ اتساع یا جابجایی ها باید به حداقل رسانده شود زیرا موجب پایین آوردن مقاومت می گردد.
▪ وضعیت تنش تک محوری یا دو محوری، شرایط نامناسب برای تونل بوده و باید از آن اجتناب گردد.
▪ دگرشکلی ها باید به طرزی تحت کنترل دراید که توده سنگ پیرامون تشکیل یک حلقه باربر حول تونل را بدهد. به گونه ای که از
دست رفتن مقاومت به وسیله اتساع در سطحی قابل قبول نگهداشته شود. با اجرای خوب این کنترل، ایمنی واقتصاد افزایش می یابد.
▪ برای رسیدن به این منظور، تکیه گاه اولیه می باست در زمان درست نصب گردد.
▪ عامل زمان ویژه سیستم ترگیبی سنگ به اضافه تکیه گاه اولیه، باید به صحت کافی تخمین زده شود.
▪ تخمین عامل زمان بستگی دارد به :
الف : آزمونهای آزمایشگاهی
ب : آزمونهای برجا
ج : رده بندی توده سنگ
از این سه نرخ دگرشکلی و زمان پابرجایی می تواند استنتاج شده و با رفتار واقعی تونل در حین ساختمان تطبیق و کنترل گردد.
▪ هرجا که دگرشکلی ها زیاد بود و یا سست شدن توده سنگ انتظار می رود، می بایست از تماس کامل تکیه گاه اولیه با جدار تونل در محل برخورد اطمینان حاصل اید. این امر با بکار گرفتن شاتکریت به بهترین نحو حاصل می گردد.
▪ تکیه گاه اولیه باید نازک و دارای صلبیت خمشی پایین باشد، از این رو گشتاورهای خمشی پایین آورده و وقوع شکستگی ها در اثر خمش به حداقل می رسد.
▪ افزایش نگهداری با شبکه توری اضافی، قابهای فولادی، سیمهای فولادی، سیم مهارها یا میل مهارها حاصل می اید نه با آسترگیری ضخیمتری نوع و مقدار تکیه گاه و زمان نصب، از نتایج اندازه گیری دگرشکلی ها تعیین می گردد.
▪ از نظر استاتیکی تونل را می توان لوله ای ضخیم (یا حلقه ای دوبعدی) که از توده، سنگ و آسترگیری تشکیل یافته در نظر گرفت.
▪ از آنجا که یک لوله مساعدترین ویژگی پایداری را بدون آنکاه درز داشته باشد داراست، بستن همزمان کف تونل در هنگامیکه سنگ دارای مقاومت کافی نباشد دارای اهمیت است.
▪ رفتار توده سنگ با بستن به موقع کف تونل تعیین می گردد. پیشروی های زیاد در طاق منجر به دیر بسته شدن کف و آنهم منجر به تشکیل لوله نیمه آسترگیری اولیه گردیده که نتیجه آن بروز گشتاورهای بزرگ خمشی در جهت محور تونل می باشد که منجر به ایجاد تمرکز تنش زیاد در سنگ، در پای دیواره های جانبی می گردد.
▪ حفاری پیشانی کامل، بهترین روش برای دستیابی یک توزیع یکنواخت تنش است. هر چند که در سنگهای سست، حفاری بخش بخش، برای پایداری در حین ساختمان ممکن است لزوم پیدا کند.
▪ روند حفاری و نگهداری برای پایداری مهم می باشد. زیرا آنها عامل زمان توده سنگ را تحت تاثیر قرار می دهند.
تغییر در طول دوره حفاری، زمان بستن کف، طول پیشروی طاق، مقاومت و زمان نصب تکیه گاه تماما به طور سیستماتیک برای کنترل فرایند توزیع مجدد تنش و پایدارسازی به کار گرفته میشوند.
▪ در موارد آستربندی مضاعف، آستربندی نهایی باید همچنان نازک باشد. تنش عمود می باید بر روی تمام سطح تماس بین آستربندی ها منتقل گردیده و تنش برشی در سطح برخورد می باید پایین باشد.
▪ کل سیستم، توده سنگ به اضافه پوشش می بایست با نگهداری اولیه پایدار گردند.
در صورت خورنده بودن آبهای زیرزمینی آستربندی نهایی می بایست قادر به پایدار سازی توده سنگ به تنهایی باشد. سیم مهارها تنها می توانند به عنوان یک نگهدارنده دائمی تلقی گردند، البته در صورتی که از گزند خورندگی در محیطهای خاص در امان باشند.
▪ برای کنترل ایمنی سازه تونل، اندازه گیری تنش بتن و تنش برخورد در مرز بین سنگ و آستربندی ضرورت دارد. اندازه گیری دگرشکلی ها همچنان ادامه پیدا می کند.
▪ فشار ایستایی آب بر روی پوشش و فشار جریان در توده سنگ با زهکشی مناسب پایین آورده می شود.
به طوری که از این اصول دریافت می شود، ناتم روند و دستور کاری نیست که با دنبال کردن آن به نتیجه مورد نظر رسید بلکه عبارت است از مجموعه ای از ایده ها که به ویژگی های زمین شناسی منطقه توجه ویژه ای دارد. این روش در نتیجه تجربیات متعدد در کار تونلزنی به دست آمده است و برای به دست آوردن هر یک از این ایده ها و نیز جمعبندی آنها به عنوان یک روش سالهای زیادی وقت صرف شده است. نوآوری اساسی این ایده، یک فن ساختمانی یا یک روش خاص محاسباتی نمی باشد، اما برای ساختمان تونل در توده سنگ و چگونگی برخورد با آن ارائه طریق می نماید.
یکی از اصول موفقیت زای این روش گردآوری موضوعات متعدد از مهندسی عمران و مکانیک سنگ می باشد که شامل موضوعات نظری و عملی است.
روش اجرای ناتم:
با اینکه هنوز هیچ پشتوانه نظری حقیقی برای ناتم وجود ندارد اما عواملی وجود دارند که منجر به موفقیت این روش می گردند که عبارتند از:
۱- بتن پاشی به عنوان سازنده سازه ترکیبی قوس سنگ که به حلقه حمال سنگ موسوم بوده و حفره را احاطه می کند.
۲- بتن پاشی به مراتب قدیمی تر از ناتم می باشد اما ویژگی های عالی آن از نظر مقاومت و لغزش، این روش را به عنوان یکی از ابزارهای غالب نگهداری در تونلسازی به روش ناتم گردانیده است. بیشترین اهمیت آن امکان اجرای سریع برای پوشانیدن سطح تازه حفاری شده سنگ می باشد. مزیت دیگر آن دستیابی به یک مقاومت نسبی بالادر مدت زمان کوتاه، حدود ۵ نیوتن بر میلی مترمربع (مگاپاسکال) در ۶ ساعت می باشد.
شاتکریت در تونلسازی دارای اثر مضاعف است: محافظت سنگ در اثر هوازدگی و فرسایش: با بستن ترک ها تمرکز تنش در اطراف تونل کاهش یافته، همچنین ضخامت زیاد شاتکریت به عنوان یک قوس نگهدارنده عمل می کند. در تمام موارد اتصال اتصال تنگاتنگ با سنگ مهم می باشد. زیرا این عمل موجب می گردد سنگ بارها را مشترک حمل نموده و ساختاری مرکب با سنگ تشکیل دهد. شاتکریت مناسب، نیاز به یک تکیه گاه نیمه صلب را برآورده می سازد، زیرا دگرشکلی شعاعی زیادی را بدون شکستگی امکان پذیر می سازد. با دگرشکلی های بزرگ تونل، شاتکریت می شکند. اما در صورت مسلح شدن به توری سیمی یا رشته های فولادی، قطعات برش یافته شاتکریت خطری آنی برای خدمه ایجاد نخواهد کرد.
۳- وسیله دیگر برای ساختن طاق بیرونی، قابهای فولادی می باشد. این قابها در توده های سنگ فشرده شده و بسیار خردشونده به کار گرفته شده و تکیه گاهی سریع و موثر برای سنگ به شمار می ایند. در چند سال اخیر کاربرد قوسهای پروفیلی به میزان زیاد افزایش یافته است. این قوس ها نسبت به قابهای فولادی مزایای بیشتری دارند و نیز به دلیل سبک وزن بودن، نصب آنها آسانتر می باشد.
۴- در تونلسازی هوراه با مفاهیم ناتم، نصب میل مهارها جایگاه ویژه ای دارد و اهمیت آنها به همان اندازه اهمیت شاتکریت می باشد. این میل ها نیز مثل شاتکریت در صورت نصب موجب تشکیل حلقه حمال در اطراف توده سنگ می گردند. میل مهارها در برابر دگرشکلی شعاعی مقاومت کرده از اینرو ایجاد دگرشکلی کنترل شده می نماید که شکل ژئومتریک تونل را حفظ می نماید. همچنین میل مهارها از آنرو که تاثیر ناهمسانی و ناهمگونی را کاهش می دهند، تشکیل صفحات برشی و لغزشی را مشکل تر ساخته و سبب ایجاد مقاومت ماندگار بالا حتی در توده های سنگ به شدت دستخورده می گردد که این نیز به نوبه خود سبب بهسازی کیفیت سنگ می گردد. تنش مماسی در حلقه سنگ حمال موجب افزایش چسبندگی مهاری ها می گردد. طاقهای ثانویه ایجاد شده بین تکیه گاهها، در برابر تمایل توده سنگ نسبت به جابجایی به داخل تونل مقاومت ایجاد می نماید که این مقاومت به نزدیکی مهاری ها بستگی دارد. در صورتیکه طاق تونل تحت تنش زیاد در اثر فرایندهای تجدید آرایش دوباره قرار گیرد، یا اگر سیستم سنگ در معرض شکستگی قرار داشته باشد، تونل نیاز به بهسازی با بتن پاشی به سطح خواهد داشت.
بنابراین به طور خلاصه مواد پایدار کننده در ناتم عبارتست از: شاتکریت، میل مهارها، قوس های فولادی یا پروفیلی، صفحات فولادی و....
نتيجتا هدف اصلی ناتم ایجاد یک قوس نیمه صلب خارجی بلافاصله پس از حفاری با وسایل نگهداری از قبیل شاتکریت، کوه پیچ و غیره می باشد. این امر موجب تنظیم تنش در محدوده اطراف تونل گردیده از سست شدگی مخرب جلوگیری به عمل می آورد و این همان چیزی است که ناتم را از روش های تونلزنی محافظه کارانه تمیز می دهد. زیرا اصولا در شیوه های سنتی تونلسازی، بار سنگ می بایست تماما بوسیله تجهیزات نگهداری تحمل شود که این کار نیز مستلزم صرف هزینه های زیاد می باشد.
روش ناتم بیشتر در نتیجه تجربه عملی بوجود آمده و مانند دیگر روشهایی که در حال تکمیل و تکوین می باشند، دستخوش تغییر و تحولات و مشکلات متعددی گردیده تا به شکل کنونی در آمده است. این روش از انعطاف پذیری قابل توجهی در شرایط مواجهه با وضعیت های متفاوت توده سنگی برخوردار است.
بطور کلی ضروری می باشد که مطالعات و بررسی دقیقی به منظور بررسی ظرایط زمین ساختاری بویژه در زمیسن های نامناسب انجام گرفته، بین هزینه های مطالعات و اجرای عملیات رابطه ای منطقی ایجاد گردد.
تهیه مواد و مصالح مورد نیاز ناتم و طریقه ریختن بتن در فضاها، حتی در طرح های کوچک تونلسازی با ناتم نیاز به ساماندهی مناسب و کارآمد دارد که خود ناشی از تجربه ومهارت بالای معدنچی ها و اجراکاران دارد. اهمیت نصب شعاعی مهاریها به طور سیستماتیک در سنگ های سست، به منظور تامین توزیع مناسب تنش های بوجود آمده در قوس های دایره ای شکل سنگی، فوق العاده مناسب تشخیص داده شده است.
موفقیت در روش ناتم نیاز به آموزش های تئوریک و عملی همزمان در محل عملیات دارد زیرا تنها در ارتباط بودن نزدیک و دقیق مهندسان با مسائل و مشکلات در محل کار می تواند آنها را به اعمال راهنمایی های خاص و دقیق قادر سازد. یک بخش مهم و جدایی ناپذیر در این روش مشاهده رفتار تنش کرنش سنگ با فنون اندازه گیری می باشد.