Ground Characterization and Structural Analyses for Tunnel Design

معرفی فصل های کتاب خصوصیات زمین و تحلیل های سازه ای برای طراحی و ساخت تونل

در سال 1961، کارولی سچی کتابی را با عنوان Alagutepitestan منتشر کرد که در سال 1967 به انگلیسی به عنوان هنر تونل زنی ترجمه شد. این کتاب نقطه عطفی به یاد ماندنی در ترکیب دانشی بود که باید برای طراحی تونل به کار رود، اما این دانشمند باید با موانع ناشی از دانش محدود در مورد مکانیک سنگ در آن سال ها زندگی می کرد.

در سال 1964 لئوپولد رابسویچ بخش اول کار خود را در مورد روش جدید تونل زنی اتریشی (NATM) منتشر کرد که مفاهیم طراحی و ساخت تونل را که تا آن زمان وجود داشت متحول کرد.

کلید تأثیر عظیم و مثبتی که NATM در طراحی تونل داشته است، در شناخت نقش مرتبطی است که رفتار زمین در تثبیت تونل دارد که انقلابی در مفاهیم قبلی بر اساس رواج پوشش با توجه به رسانه های حفاری شده ایجاد کرد.

یکی دیگر از نقاط عطف برجسته در طراحی تونل، انتشار کتاب اورت هوک و ادوارد براون، کاوش‌های صحرایی در سنگ در سال 1980 بود که در آن توده سنگ را در هنگام ساخت تونل در کانون توجه قرار دادند و به مجموعه ‌ای عالی از مفاهیم اصلی دست یافتند. از زمان انتشار این کتاب که همچنان به عنوان یک مرجع در طراحی تونل ادامه دارد، 35 سال می گذرد و در این مدت توسعه عظیمی در طراحی تونل در نتیجه تونل سازی بزرگ رخ داده است.

در اسپانیا، طی دوره بین سال‌های 1995 تا 2012، فعالیت‌های گسترده ای در ساخت تونل مشاهده شده است، از جمله برخی ساخت ‌و سازهای چالش برانگیزکه مانند آن تا آن زمان در حفاری تونل چه در خاک و چه در سنگ مشاهده نشده بود.

کتاب خصوصیات زمین و تحلیل های سازه ای برای طراحی تونل، معیارها و روش شناسی طراحی تونل را بر اساس تجربیات مهمی که در دهه های اخیر با هدف به روز رسانی اطلاعات موجود در زمینه طراحی تونل رخ داده است، ارائه می دهد. این موضوع به طراحی بهتر تونل های ایمن و اقتصادی کمک می کند.

فصل 2

فعالیت حرفه ای مهندس در طراحی به اوج خود می رسد، کلمه ای که از لاتین designare آمده است. می توان آن را به عنوان فعالیت اجتماعی- اقتصادی تعریف کرد که در آن معیارهای علمی و عملکردی با توانایی، تخیل و عقل سلیم برای ایجاد فرآیندها، سیستم ها یا چیزهایی با منفعت اقتصادی و زیبایی شناختی و از نظر زیست محیطی قابل قبول به کار گرفته می شود.

این تعریف حاوی پیام مهمی است مبنی بر اینکه طراح نه تنها به دانش طراحی، بلکه به دانش خود در مورد فرآیند طراحی نیز نیاز دارد. همانطور که توسط انجمن ژئومکانیک اتریش (2010) نشان داده شده است، یک محصول طراحی خوب نتیجه ترکیبی هوشمندانه از تخصص فنی، اهداف، ابزار، تجزیه و تحلیل و مدیریت است.

طراحی یکی از قدیمی‌ ترین تلاش ‌های بشر است که به دوران ماقبل تاریخ باز می‌گردد، زمانی که بشر ابزارها، پناهگاه ‌ها و لباس ‌های شکار را طراحی کرد. این اختراعات و اختراعات بعدی قرن ها قبل از توسعه علوم بوده است. با این حال، تا همین اواخر، طراحی بیشتر یک هنر بود تا یک علم: تجربه مهم تر از آموزش رسمی بود.

طراحی تونل و روش های ساخت آن در دو قرن اخیر، به ویژه از نیمه دوم قرن بیستم، تکامل چشمگیری داشته است که با مشارکت رشته‌های مختلف، مانند زمین‌شناسی، مکانیک خاک و سنگ، مهندسی عمران، مهندسی زمین شناسی و مهندسی معدن امکان‌پذیر شد.

هدف این فصل از کتاب خصوصیات زمین و تحلیل های سازه ای برای طراحی تونل معرفی روش شناسی فرآیند طراحی، اصول راهنمای آن و روش های طراحی در حال حاضر مورد استفاده در مهندسی تونل است.

فصل 3

کاوش های صحرایی و شناخت خصوصیات زمین هسته اصلی فاز 1 طراحی یک سازه است که در فصل قبل معرفی شد. توصیف زمین به قدری مهم است که در چهار فصل پوشش داده شده است: فصل حاضر به بررسی محل پروژه می پردازد. فصل 4 شامل تعیین تنش درجا می شود. فصل 5 به آزمون های آزمایشگاهی اختصاص دارد و فصل 6 بر طبقه بندی های ژئوتکنیکی تمرکز دارد که دانش به دست آمده از فصل های 3، 4 و 5 را ترکیب می کند.

فصل 4

هنگامی که یک تونل حفاری می شود، توزیع تنش های اولیه در محل منجر به تنش های القایی می شود و پس از این توزیع مجدد، زمین باید تنش مماسی اطراف حفاری را تحمل کند در حالی که تکیه گاه تونل باید تنش شعاعی را نیز تحمل کند.

برای محاسبه تنش‌های مماسی و شعاعی اطراف تونل، دانستن حالت تنش اصلی، که به عنوان بکر نیز شناخته می‌شود، ضروری است. هدف این فصل از کتاب خصوصیات زمین و تحلیل های سازه ای برای طراحی و ساخت تونل تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر وضعیت تنش درجا و توصیف رایج‌ترین روش ها برای تخمین و تعیین مستقیم آن است.

فصل 5

نمونه ‌های به دست آمده در حین بررسی محل و کاوش های صحرایی باید در آزمایشگاه آزمایش شوند تا استحکام و سایر خواص مربوطه مشخص شود.

معمولاً حجم نمونه های آزمایش شده در آزمایشگاه بین 150 تا 1600 سانتی‌متر مکعب است و به دلیل اندازه کوچک آنها، آزمایش های آزمایشگاهی نمی توانند به طور کامل تأثیر ناپیوستگی‌ های موجود در زمین را در محل در نظر بگیرند. بنابراین، نتایج به‌ دست آمده در آزمایشگاه داده ‌های مطلوب‌تری نسبت به آن‌هایی که رفتار واقعی زمین را نشان می‌دهند، به دست می دهد.

با این وجود، آزمایشات آزمایشگاهی بسیار ارزشمند و گاهی تنها وسیله برای به دست آوردن بینشی از رفتار پیچیده سنگ تحت بار هستند. در واقع، در اواسط دهه 1960، آزمایشات آزمایشگاهی منجر به ایجاد ساز و کار دقیق شکست شکننده سنگ شد (Bieniawski، 1967).

به گفته گودمن (1989)، 20 سال بعد، تغییرپذیری موجود در توده سنگ با توجه به ساختارها، بافت ها و کانی ها، طبقه بندی کمی را بر اساس برخی از ویژگی هایی که ساده ترین آنها برای اندازه گیری هستند و به عنوان ویژگی های شاخص شناخته می شوند، ضروری می کند:

• تخلخل: نسبت بین فضاهای خالی و دانه های جامد

• چگالی: اطلاعاتی را به طور غیر مستقیم در مورد ترکیب کانی شناسی نمونه اضافه می کند.

• سرعت صوتی: همراه با توصیف سنگ نگاره، امکان ارزیابی درجه مقاومت نمونه را فراهم می کند.

• نفوذپذیری: ارتباطات متقابل منافذ بین یکدیگر را توصیف می کند.

• دوام: نشان دهنده استعداد نمونه برای زوال است.

• مقاومت: نشان دهنده صلاحیت سنگ یا خاک در برابر تنش ها هنگام آزمایش است. در خاک ها برخی از شاخص های فوق معنی خود را از دست می دهند و به همین دلیل باید شاخص های جدید مشخص شوند.

• محتوای آب: نسبت بین آب و جرم خاک در یک نمونه است.

• وزن مخصوص دانه: علاوه بر چگالی نمونه آزمایش، وزن واحد ذرات تشکیل دهنده زمین نیز باید تعیین شود.

• حدود اتربرگ: در خاک های ریزدانه، محتوای آبی را نشان می دهند که در آن رفتار مکانیکی آنها تغییر می کند. این مقادیر با استحکام، نفوذپذیری، تراکم پذیری و پتانسیل تورم همبستگی دارند. می توان آن را در بین حد روانی (LL)، حد پلاستیک (PL) و شاخص پلاستیک (PI) به عنوان تفریق دو مورد قبلی متمایز کرد.

• گرانولومتری: توزیع اندازه ذرات تشکیل دهنده نمونه است که در طبقه بندی خاک بسیار مفید است.

• محتوای مواد آلی: به طور کلی، کارهای زیرزمینی در زیر خاک های تحت تأثیر مواد آلی انجام می شود، اما وجود آب در زمین ممکن است اثرات مضر مواد آلی را افزایش دهد.

طبقه بندی الکتروشیمیایی: اطلاعاتی در مورد تهاجمی بودن خاک و پتانسیل آن برای حمله به فولاد و بتن می دهد.

بخش های زیر بیشترین آزمایشات آزمایشگاهی انجام شده بر روی نمونه های سنگ یا خاک را ارائه می دهد.

فصل 6

توده های سنگ مواد پیچیده ای هستند که طراح مهندسی را با مشکلات منحصر به فردی مواجه می کند. آنها عمیقاً ناهمگن هستند زیرا منشأ آنها با فرآیندهای کانی شناسی ناشی از پدیده های رسوبی، زمین ساختی و نفوذی مرتبط است. برای طراحی یک تونل، دانستن ویژگی ‌های توده سنگی که باید حفاری شود ضروری است، اما اغلب این دانش ممکن است به دلیل مشکلات در کاوش توده ‌های سنگ در عمق نادرست باشد. طبقه بندی توده سنگ به عنوان کمک های طراحی قدرتمند در مهندسی عمران، معدن و زمین شناسی به سال 1948 ظاهر شد.

خاستگاه علم طبقه بندی به تمدن یونان بر می گردد و این رشته تلاش جنبه مهمی از بیشتر علوم را تشکیل می دهد، با اصول و رویه های مشابهی که به طور مستقل در بسیاری از رشته ها توسعه یافته است.

تاکسونومی نام رسمی علم طبقه بندی است و به جنبه های نظری طبقه بندی از جمله مبانی، اصول، رویه ها و قواعد آن می پردازد. باید بین طبقه بندی و شناسایی تمایز قائل شد. طبقه بندی به عنوان چیدمان اشیاء به گروه ها بر اساس رابطه آنها تعریف می شود، در حالی که شناسایی به معنای تخصیص یا تخصیص اشیاء ناشناس اضافی به کلاس صحیحی است که قبلاً ایجاد شده است.

طبقه بندی ها برای قرن ها نقش مهمی در مهندسی ایفا کرده اند. به عنوان مثال، انجمن طبقه بندی پیشرو برای کشتیرانی، Lloyd’s Register of London، در سال 1760 تأسیس شد و امروزه استانداردهای سفت و سختی برای طراحی، ساخت و نگهداری مشخص شده است، قبل از اینکه هر کشتی در جهان با بیش از 100 تن وزن مرده بیمه شود. با توجه به همه این دلایل، طبقه بندی توده سنگ یکی از فعالیت های اساسی مهندسی تونل محسوب می شود و در این فصل متداول ترین طبقه بندی های مهندسی، برآورد مشخصه های تنش-کرنش توده سنگ بر اساس آنها و معیارهای طبقه بندی توده سنگ از نقطه کاوش پذیری آنها مورد بررسی  قرار گرفته است.

فصل 7

کلمه روش که از یونانی “métodos” گرفته شده است به عنوان “روش انجام کاری به روشی سازمان یافته” تعریف شده است. با انطباق این تعریف، روش ساخت یک تونل را می توان به عنوان مجموعه ای از فعالیت ها تعریف کرد که تحت یک مفهوم یکپارچه انجام می شود که امکان ساخت یک تونل را به روشی ایمن و اقتصادی می دهد. همانطور که در فصل 1 از کتاب خصوصیات زمین و تحلیل های سازه ای برای طراحی تونل بحث شد، زمین عامل غالب در فرآیند تثبیت در طول ساخت تونل است. بر اساس این دیدگاه، مفهوم یکپارچه فعالیت های لازم برای ساخت تونل باید رفتار تنش-کرنش توده سنگ حفاری شده باشد. در این بخش، طبقه بندی متداول ترین روش های مورد استفاده در ساخت تونل، بر اساس این معیار، مورد بحث قرار می گیرد.

انتخاب مناسب‌ترین روش ساخت تونل، از بین بسیاری از روش های موجود، منجر به روشی می شود که ایمنی بالاتر و هزینه های ساخت کمتری را فراهم می کند. شناسایی مناسب ترین روش برای ساخت تونل یک کار پیچیده است که شامل ارزیابی خطرات احتمالی زمین شناسی و سایر عوامل مانند محدودیت های زیست محیطی، محدودیت تاثیرات روی سطح ناشی از ساخت تونل، مهلت ساخت، دسترسی به محل کار و به تجهیزات و تجربه شرکت ساختمانی می شود.

فصل 8

فصل‌های قبلی کتاب خصوصیات زمین و تحلیل های سازه ای برای طراحی و ساخت تونل بر توصیف گونه ‌شناسی آثار زیرزمینی، بررسی مسائل اساسی، پیشنهاد روش های طراحی برای کارهای زیرزمینی، توصیف روش های اجرای تونل و بالاتر از همه، پیشنهاد خصوصیات زمین مناسب برای تعریف دقیق رفتار تنش-کرنش آن متمرکز شده اند. این فصل به انتخاب مدل های سازنده ای می پردازد که باید تا حد امکان دقیق رفتار تنش-کرنش یک حفاری را نشان دهند.

فصل 9

تکیه گاه تونل برای تقویت زمین حفاری شده برای مقاومت در برابر افزایش تنش های برشی ایجاد شده در حین توزیع مجدد تنش ها در حین حفاری تونل قرار می گیرد. این مفهوم از پشتیبانی تونل به این معنی است که عناصر آن باید به سرعت با زمین حفاری شده تعامل داشته باشند و تا زمانی که بخش تونل تثبیت شود با هم عمل کنند. در حال حاضر متداول ترین انواع تکیه گاه تونل، قوس های فولادی، بولت های سنگی و شاتکریت می باشد که مشخصات و زمینه های کاربرد آنها در این فصل ارائه شده است. سند مشخصات تونل زنی که توسط انجمن تونل سازی بریتانیا و موسسه مهندسین عمران (2010) منتشر شده است، حاوی مشخصات کاملی برای انواع پشتیبانی مورد استفاده برای ساخت تونل در بریتانیا است.

فصل 10

در داخل DEA، یک روش طراحی تونل، فاز دوم به طراحی ساختاری حفاری‌ های زیرزمینی اختصاص دارد و بر اساس تحلیل تنش-کرنش بخش های پشتیبانی تونل است. این مقاطع که برای حفاری و تثبیت یک حفاری زیرزمینی انتخاب شده اند، بر اساس نمودار فعالیت ارائه شده در فصل 2 طراحی شده اند. این فصل از کتاب خصوصیات زمین و تحلیل های سازه ای برای طراحی تونل اصول اولیه ای را که باید برای کاربرد روش تحلیل تنش-کرنش در نظر گرفته شود، ارائه می کند.