Design and Construction of Tunnels – Analysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils

مخاطرات زمین شناسی و فقدان ابزارهای بررسی، طراحی و ساخت مناسب برای مقابله با زمین هایی که آنها را «سخت» می نامیم، با چشم اندازهای موفقیت آمیز، همواره طراحی و ساخت آثار زیرزمینی را به یک امر مخاطره آمیز تبدیل کرده است. بنابراین نمی توان با همان درجه دقتی که سایر کارهای مهندسی عمران دارد، با این مسئله مواجه شد. سازه های زیر زمینی همیشه یک موقعیت وابسته را با توجه به سازه های سطحی مشابه اشغال کرده اند و در گذشته تنها زمانی به آنها مراجعه می شد که مورد دوم یعنی ساخت سازه های سطحی غیر عملی یا غیر کاربردی به نظر می رسید.
با این حال، پیشرفت قاطع ایجاد شده در زمینه بررسی های زمین شناسی، در دسترس بودن رایانه های قدرتمند برای انجام محاسبات و بالاتر از همه معرفی فناوری های حفاری مؤثر در همه نوع زمین، شرایط را برای یک جهش کمی و کیفی به جلو ایجاد کرده است. آخرین عامل دشوار منفی برای دستیابی به شفافیت در این زمینه که تاکنون در انحصار کارهای سطحی سنتی بوده است، غلبه بر فقدان یک رویکرد طراحی مدرن و معتبر جهانی است که قادر به ادغام و بهره برداری از قابلیت های جدید و هدایت مهندس طراح در مراحل طراحی و ساخت باشد. در واقع حتی امروزه نیز پاسخ به این سوال به ظاهر بدیهی و پیش پا افتاده، “طراحی و ساخت یک سازه زیر زمینی از چه مواردی تشکیل شده است؟” بسیاری از مهندسان طراح را نه تنها در مورد شکل طراحی، بلکه در مورد محتوای طراحی نیز با اختلاف نظر مواجه می کند. و این تعجب آور نیست چرا که این نوع مشکل همیشه به شکلی بسیار نامعین مورد توجه قرار گرفته است. تا چندی پیش، ناکافی بودن دانش و ابزار موجود به این معنی بود که طراحی یک سازه زیرزمینی باید در حین پیشروی تونل ساخته شود. بنابراین، طراحی این سازه ها صرفا به شناسایی هندسه مسیر و برخی از انواع مقاطع تونل ختم می شد؛ در حالی که روش های حفاری، عملیات برای تثبیت تونل و نوع پوشش مورد استفاده، مواردی بودند که با پیشرفت ساخت تونل در مورد آنها تصمیم گرفته می شد.

بنابراین عمل “مشاهده” واکنش زمین به حفاری، به منظور انجام اقدامات متقابل مناسب برای تثبیت یک تونل در کوتاه مدت و میان مدت، همواره اساس ساخت و ساز زیرزمینی بوده است. در قرن گذشته، برخی از مهندسان به دنبال توسعه «روش‌های» طراحی و ساخت در اجرا بودند و اگر چه کارشان بر اساس نظریه علمی نادرست بود، با این وجود پیشرفت چشمگیری در آن زمان داشتند. این امر در ابتدا موفقیت بزرگی را برای آنها به ارمغان آورد، و علیرغم بسیاری از شکست های ناراحت کننده، آنها با وجود فقدان ایده های جایگزین ناشی از تنبلی، تمایل رایج برای هم نوایی و دلایل غیر قابل توضیح توانستند ادامه دهند و شکوفا شوند. این روش ها که توسط NATM ارائه می شود، نه تنها در شرایط ژئوتکنیکی و ژئومکانیکی واقعاً ناکافی بودند، بلکه بسیار عقب تر از زمان خود به نظر می رسیدند، زیرا با توجه به ماهیتشان نمی توانستند راه حل هایی ارائه دهند که ساخت و ساز را قادر برنامه ریزی در مورد مباحث مالی و زمان بندی ها در هر شرایطی کند که این مورد بدون شک از ملزومات اساسی در مدیریت معقول و شفاف منابع در جوامع مدرن است.

این شرایطی است که در آن، کمی بیش از ده سال پیش، ارائه روشی مبتنی بر تجزیه و تحلیل تغییر شکل کنترل شده در سنگ‌ها و خاک‌ها (ADECO-RS) با علاقه عمومی زیادی همراه با درجه ای از شک و تردید مواجه شد. من و تیم تحقیقاتی ام آن را طی یک دوره طولانی تحقیقات نظری و تجربی که خارج از رویکردهای سنتی انجام شده، توسعه دادیم. در نهایت تشخیص داده شد که ماهیت سه بعدی استاتیکی و دینامیکی حفاری تونل چقدر مهم است و با استفاده از این تشخیص در نتایج نهایی و همچنین با استفاده مناسب از فناوری های نوین، به نظر رسید که آن جهش کمی که مدت ها مورد انتظار بود به دست آمد. این روش برای اولین بار امکان طراحی یک سازه زیرزمینی را قبل از شروع ساخت و ساز با تمام مزایای بعدی از نظر برنامه ریزی، هزینه های ساخت و زمان بندی فراهم می کند.

از آن زمان اعتبار این روش با ساخت بیش از 300 کیلومتر تونل آزمایش شده است در حالی که حداقل 150 کیلومتر آن تحت شرایط تنش-کرنش بسیار دشوار بوده است. در کنفرانس ها و نشریاتی که در آن ها اثبات می شود که چگونه وعده های خود را به واقعیت تبدیل کنیم، این موارد به طور کامل مورد بحث قرار گرفته است. این روش در واقع امکان پیش بینی زمان و هزینه های ساخت آثار زیرزمینی را با دقتی مناسب (متناسب با دانش زمین شناسی از قبل به دست آمده)، با به حداقل رساندن رویدادهای پیش بینی نشده و حذف مشکلات پیشروی تونل که قبلاً با آن مواجهه وجود داشت، تحت شرایط یکسان زمین و سربار ممکن کرد. به نظر می رسد با ارائه این روش، نهایتا امکان زدن تخمینی مطمئن از نسبت سود و هزینه در یک پروژه زیرزمینی فراهم شده است. این تخمین، پارامتری اساسی در تصمیم گیری در مورد پیشرفت انتخاب گزینه های طراحی است.

از قول نویسنده کتاب طراحی و ساخت تونل ها:

بنابراین، ما در مسیر درستی حرکت می کنیم؛ اگرچه، من فکر می کنم که همچنان نیاز است که بررسی ها و مطالعات زیادی انجام شود. هدف کتاب طراحی و ساخت تونل ها فقط این نیست که مفاهیم اساسی این روش را تا حد امکان به طور کامل و جامع بیان کند و نشان دهد که چگونه می توان با پیروی از اصول آن، سازه های زیرزمینی را با قابلیت اطمینان طراحی و ساخت که البته قبلاً به آن دست نیافته بودیم. هدف کتاب طراحی و ساخت تونل ها بیش از هر چیز ارائه یک متن مرجع مفید به جامعه علمی است که با استفاده از آن، همه با هم برای بهبود روش ADECO-RS یا حتی فراتر از آن کار کنند.

کتاب طراحی و ساخت تونل ها با دو مجموعه محتوا، یکی برای صفحات با شماره فرد که موضوع اصلی کتاب توسط آنها آشکار می شود و دیگری برای صفحات زوج که می توان آنها را مستقل از متن خواند. در این صفحات سعی شده است با ارائه مشاهدات و جزئیات بیشتر، میل خواننده را برای توضیحات بیشتر برآورده کند.

همانطور که در کتاب طراحی و ساخت تونل ها به آن پرداخته شده است، روش ADECO-RS از جنبه های مختلف و مهمی با دیگر روش هایی که معمولا از آنها تبعیت می شود، متفاوت است:

1. دیگر به طراحی و ساخت یک تونل مانند گذشته نگاه نمی شود، این روش دو مرحله کاملاً متمایز را با شکلی واضح و مشخص از نظر زمان و عملکرد ارائه می دهد.
2. این روش از نوع جدیدی از چارچوب مفهومی برای عملیات زیرزمینی بر اساس یک پارامتر واحد مشترک برای همه کاوش ها استفاده می کند: رفتار تنش-کرنش سطح هسته.
3. این روش مبتنی بر پیش‌بینی، کنترل و تفسیر پاسخ تغییر شکل توده سنگ که تنها متغیر مرجع در نظر گرفته شده است تعریف می شود. این متغیر ابتدا به وسیله روش های نظری پیش بینی و تنظیم می شود، سپس به وسیله روش های آزمایشگاهی، به منظور تنظیم دقیق طراحی در طول ساخت و ساز اندازه گیری و تفسیر می شود.
4. مفهوم پیش از محصور شدگی (preconfinement) به عنوان افزوده ای به مفهوم قبلاً شناخته شده محصور شدگی (confinement) معرفی شده است. این امر امکان حل حتی دشوارترین مسائل استاتیکی را به صورت برنامه ریزی شده بدون نیاز به مراجعه به ابتکار در حین ساخت امکان پذیر می کند.
5. این روش شامل استفاده از سیستم های حفاظتی است که برای حفظ ویژگی های ژئوتکنیکی و ساختاری زمین، که به عنوان “مصالح ساختمانی” در نظر گرفته می شوند، تا حد امکان بدون تغییر در زمانی که نقش اساسی در سرعت و نرخ ساخت و ساز زیرزمینی ایفا می کنند، طراحی شده است.

این روش چارچوب مفهومی جدیدی را برای بررسی سازه های زیرزمینی معرفی می کند.

از آنجایی که مشاهده شده است که تغییر شکل محیط در حین حفاری و در نتیجه پایداری تونل به رفتار هسته زمین جلوتر از سطح (هسته پیشروی) وابسته است، پایداری سطح هسته به عنوان عنصر اساسی در چارچوب مفهومی در نظر گرفته شده است. در نتیجه، با ارجاع به یک متغیر واحد معتبر برای همه انواع زمین (پاسخ تغییر شکل هسته زمین جلوتر از سطح)، این روش بر محدودیت های سیستم های مورد استفاده تا کنون، به ویژه در خاک هایی با چسبندگی ضعیف، غلبه می کند.

به طور کلی سه دسته رفتار اساسی را می توان شناسایی کرد:

• دسته A: هسته سطح پایدار یا رفتار شبیه به سنگ.
• دسته B: هسته سطح پایدار کوتاه مدت یا رفتار شبیه به خاک چسبنده.
• دسته C: هسته سطح ناپایدار یا رفتار شبیه به خاک سست.

دسته A زمانی اتفاق می افتد که وضعیت تنش در زمین در سطح و اطراف گودبرداری برای غلبه بر خواص مقاومتی محیط کافی نباشد. هرچه نیمرخ واقعی تونل به نیمرخ محاسباتی تونل نزدیکتر باشد، شکل گیری یک اثر قوس به آن نیمرخ نزدیکتر خواهد بود.

دسته B زمانی اتفاق می افتد که وضعیت تنش در زمین در سطح و اطراف حفره در حین پیشروی تونل برای غلبه بر استحکام محیط در محدوده خطی کافی باشد.

دسته C زمانی اتفاق می افتد که وضعیت تنش در زمین به طور قابل توجهی بیشتر از خواص مقاومتی مواد حتی در ناحیه اطراف سطح باشد.