ساخت تونل های کم عمق در خاک نرم کماکان یکی از چالشی ترین مسائل مهندسی عمران است و در نتیجه روش های متفاوتی در کشور های مختلف ارائه شده است که هرکدام مزیت ها و نواقص خاص خود را دارند. در ایتالیا، ویژگی های ریزساختاری و زمین شناسی زمین بسیار متنوع است، بنابراین، روش های ساخت منعطف معمولا نسبت به دیگر روش ها ترجیح دارند.
در واقع، طراحی تونل در خاک ضعیف، معمولا با ترکیب روش های مختلف بهسازی خاک و سازه نگهبان از جمله: دوغاب ریزی، جت گروتینگ (تزریق پرفشار)، میکروپایل و غیره انجام می گیرد. در اصل، هر روش مذکور در نوعی از خاک با شرایط زهکشی مربوط به خود به کار می رود. در نتیجه روش ساخت برای هر مورد به خصوص، با امکان در نظر گرفتن هر نوع تغییر پیش بینی نشده ای در محل در اثر رو به رو شدن با شرایط خاص، اتخاذ می شود. این مقاله بر نقش روش تزریق پرفشار (جت گروتینگ) در محافظت از تونل تمرکز می کند و همچنین تاثیر روش های تکمیلی نیز (فولاد مسلح کننده یا اجزای فایبر گلاس، شاتکریت، تیرچه فولادی و …) در محل مناسب در نظر گرفته شده است.
یادآوری می شود که، در تعداد محدودی از موارد، تزریق پرفشار (جت گروتینگ)، پیش از حفاری تونل، از سطح زمین اجرا می شود. در کل، با این حال، بهسازی به روش تزریق پرفشار در زیر سطح زمین به کار می رود. در این مورد، روش های رایج طراحی را می توان با توجه به توالی ساخت، به دو دسته اصلی نمای مجزا (divide face) و نمای کل (full face) تقسیم کرد (شکل 1). در هر دو مورد، تزریق پرفشار در جهت افقی با آرایشی که تاج سد را به دست دهد و پوششی برای خاک حفاری ایجاد کند اجرا شده است. از این طریق، یک محافظ برای بازشو زیرسطحی حاصل می شود و حفاری می تواند به طور متوالی به طول های 6 تا 10 متر انجام گیرد. بهسازی های افقی تکمیلی نیز ممکن است برای ایجاد بلوکی از مصالح صلب در پشت نمای تونل، اضافه شود. این روش البته نسبتا پرهزینه و زمان بر است ولی می تواند حفاظی موثر ایجاد کند و همچنین نشست های سطحی را به حداقل مقدار برساند.
تزریق پرفشار یا جت گروتینگ معمولا به وسیله روش سیستم تک سیاله اجرا می شود، که به تجهیزات خیلی سنگین نیازی ندارد. پس از بهسازی خاک، ستون های جتی که تاج تونل را تشکیل می دهند معمولا به وسیله لوله ها یا میله های فلزی مسلح می شوند، در حالی که ستون های جتی که در جلوی بلوک قرار می گیرند می توانند با میله ها یا لوله های فایبرگلاس مسلح شوند و سپس در حین حفاری های بعدی به راحتی حذف شوند.
از آن جا که معمولا در روش های جدید ساخت اتفاق می افتد، دانش در به کار بردن روش جت گروتینگ یا تزریق پرفشار برای محافظت از تونل ها به تدریج و با سعی و خطا به دست آمده است. با این حال، بخش نسبتا کوچکی از این تجربه در جامعه مهندسی منتشر شده است. البته مشخص است که گسیختگی هایی در گذشته اتفاق افتاده است ولی این گسیختگی ها در ادبیات فنی گزارش نشده است.
در ادامه، تجربه های حاصل از یک مورد از نمونه های اجرا شده ارائه شده است. مشاهدات گزارش شده و داده های آزمایشگاهی به دست آمده از این مورد مطالعاتی، برای کمک به شناخت طراحی شرایط حدی انتخاب شده است.
تونل لِس کریتِس
مورد مطالعاتی لِس کریتِس مربوط به دو تونل بزرگراهی موازی است که در سالیان گذشته بین شهرهای آئوستا و مونت بلانک احداث شده است. این تونل ها که از هم 24 متر فاصله دارند انحنا و شیب کمی داشته و طول کلی آن 1500 متر است. سطح مقطع هر تونل تقریبا عرض 13 متر و ارتفاع 9 متر دارد و خاکریز خاکی از 3 تا 50 متر متغیر است.
در بخش مربوط به آئوستا، در طولی به اندازه 200 متر، تونل با خاکبرداری و خاکریزی اجرا شده است و در آن ارتفاع خاکریز کمتر از 10 متر است (شکل 2(a)). بقیه 1300 متر با حفاری در خاکی با منشا یخی که عمدتا از شن ماسه دار متراکم و ماسه سیلت دار (شکل 3) با قلوه سنگ متغیر تشکیل شده اجرا شده است. حفاری به روش نمای مجزا با روش تاج سد انجام شده است (شکل 2(b)).
در ابتدا مقطع بالایی در کل طول تونل حفاری شد و سپس در فاز بعدی این کار برای قسمت پایینی انجام گرفت. بیشتر لایه های خاک، کاملا نفوذپذیر بودند و سطح آب زیرزمینی به دلیل تغییرات زیاد آب و هوایی، نوسان قابل توجهی داشت. با این حال، سطح آب به طور کلی بالاتر از تاج سد قرار داشت و بنابراین بیشتر قسمت های تاج سد با هدف جلوگیری از ورود آب و حفاظت از بازشوی زیرسطحی، با ستون های جت اجرا شد. قسمت کمی از تاج، در شرایطی که خاک ریزدانه تر و با نفوذپذیری کمتر وجود داشت، صرفا با لوله های فلزی اجرا شد.
بهسازی به روش تزریق پرفشار با سیستم سیال تکی انجام شد و برخی از ستون های جت نیز به وسیله لوله های فلزی مسلح شد. پوشش موقت با تیرچه های فلزی با فاصله 1 متری به همراه لایه شاتکریت مسلح شده به ضخامت 20 سانتی متر فراهم شده است. تیرچه ها در حین حفاری و با فاصله حداکثر 2 متر از نمای تونل، نصب شده اند.
بحرانی ترین مرحله حفاری مقطع فوقانی، در جایی که برخی انتظار گسیختگی داشتند، بود. کل گسیختگی ها به ناگاه توسعه یافتند و منجر به جریان بخش عظیمی از خاک به داخل تونل شدند. برای هر گسیختگی به تدریج، گودالی از تونل تا سطح زمین ایجاد شد.
سازوکارهای گسیختگی مشاهده شده را می توان به سه حالت دسته بندی کرد. حالت اول (شکل 4(a)) مربوط به گسیختگی خاک در حفاری نمای تونل است و نه تاج سد و نه پوشش موقت را درگیر می کند. این حالت گسیختگی می تواند به لایه های بسیار ضعیف خاک مربوط باشد و در اثر تراوش آب نفوذ یافته افزایش یابد.
سازوکار گسیختگی دوم (شکل 4(b)) مربوط به نوک تاج و دقیقا پشت نمای تونل است. این نوع گسیختگی ها که حفاری نما را هم درگیر می کند، عمدتا به دلیل نواقص محلی جت مربوط به تاج است. در واقع، باید توجه شود که هم قطر و هم مشخصات مکانیکی ستون های جت به دلیل ناهمگنی خاک طبیعی بسیار متغیر است. در نتیجه، مقاومت کلی تاج ممکن است با ناپیوستگی های نسبی ایجاد شده کاهش یابد.
سازوکار گسیختگی سوم (شکل 4(c)) در تاج سد مشاهده شد و می تواند مربوط به نواقص محلی پوشش موقت شامل جت مربوط به تاج سد، تیرچه های فلزی و لایه شاتکریت باشد.
در پروژه لِس کریتِس، جا به جایی های ایجاد شده در اثر ساخت تونل در سطح مقطع که خاکریزی به ضخامت 29 متر دارد به دقت ثبت شده است (شکل 2). موقعیت مقطع ناظر با توجه به اندازه ساخت و ساز نیز در شکل 5 نشان داده شده است. جا به جایی ها به وسیله مشاهدات توپوگرافی سطح زمین به همراه محاسبات شیب سنجی و غیر تخمینی به دست آمده در طول پنج لوله PVC، ثبت شده است. فشار پیزومتری به وسیله یک پیزومتر از نوع کاساگرانده محاسبه شده است. این تجهیزات پیش از حفاری نصب شده است. سه بارسنج، سه کرنش سنج و سه پیچ دقیقا پس از حفاری بر روی تیرچه فلزی نصب شده است.
نشست ایجاد شده در محور تونل، که در سطح زمین و در ارتفاعی بین تونل و سطح زمین به دست آمده است، و همین طور فشار پیزومتری در شکل 6 به عنوان تابعی از فاصله از نمای حفاری به نمایش در آمده است. دو نیمرخ نشست در این شکل یک جابه جایی رو به پایین را در خاک بالای تونل نشان می دهد. هر دوی این نمودارها را می توان به چهار مرحله متوالی تقسیم کرد. مرحله اول، نشست های اولیه کوچکی که در حین حفاری پیشین ایجاد شده اند را نشان می دهد که در فاصله تقریبا ده متری از نمای تونل آغاز شده اند. مرحله دوم، به وسیله حرکت رو به بالای کوچک ولی ناگهانی ایجاد شده در حین تزریق پرفشار (جت گروتینگ) مشخص می شود. مرحله سوم، که بالاترین نرخ نشست را نشان می دهد، مربوط به اندازه حفاری گذشته از مقطع ناظر است. در نهایت، مرحله چهارم که در آن حرکت رو به پایین در مدت طولانی تری اتفاق می افتد، در حین حفاری های بیشتر مشاهده می شود.
جابه جایی های خاک، دقیقا در پشت نمای تونل در شکل 7 در دو مرحله متوالی، بلافاصله پس از بهسازی به روش جت گروتینگ (تزریق پرفشار) و دقیقا پیش از حفاری، به نمایش در آمده است. این شکل ها رابطه ی واضحی را میان تغییر مکان خاک و مراحل ساخت تونل نشان می دهد. در واقع، پس از انجام عملیات تزریق پرفشار، یک جابه جایی افقی رو به جلو تقریبا به اندازه 20 میلی متر در تمام نقاط کنترلی مشاهده شد. چنین عملکردی می تواند به عنوان اثر تزریق پرفشار و حفاری های انجام گرفته پیش از مقطع ناظر، انگاشته شود. در حین مرحله حفاری بعدی، تغییرمکان های المان های خاک قرار گرفته به ترتیب در بالا و پایین جت واقع شده در تاج سد، روند های متفاوتی را نشان می دهد و یک دوران کلی توده خاک در حوالی نوک تاج سد قابل تشخیص است. این روند تغییر شکلی که عملکرد باربری تاج سد را تصدیق می کند، اساسا با سازوکارهای گسیختگی نمای تونل که پیشتر ارائه شد سازگار است.
منبع:
Croce P,Modoni G, Russo, G (2004) Jet-grouting performance in tunnelling. In: GeoSupport 2004. Drilled shafts, micropiling, deep mixing, remedial methods, and specialty foundation systems, pp 910–922. https://doi.org/10.1061/40713(2004)78
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
- تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
- ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
- پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
- تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
- ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
- شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
- مدل سازی عددی تراکم دینامیکی (Numerical Modeling of Dynamic Compaction)
- بررسی دو روش تراکم دینامیکی و اختلاط عمیق در بهسازی بستر سواحل (DSM & DC)
- مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
- خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
- سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
- دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
- دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
- زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
- نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
- پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
- دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
- فشار جانبی خاک چیست؟ (Lateral earth pressure)
در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار AutoCAD
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار ABAQUS
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
- ژئوفیزیک (Geophysics)
- آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
- روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
- روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
- آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
- آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
- آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
- پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
- نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
- خاک های رمبنده (Collapsible Soil)
- آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
- مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
- میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)
- پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
- نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
- مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
- مدیریت پیمان (Management Contracting)
- مدیریت طرح (Construction Management)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
- سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
- سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
مطالب مرتبط :
