مدیریت آب زیرزمینی در گودبرداری عمیق مجاور تونل موجود؛ مطالعه موردی ایستگاه Hospital Kuala Lumpur

در بسیاری از پروژه‌های گودبرداری عمیق، کنترل تغییرشکل دیواره گود، نشست زمین و پایداری سازه‌های مجاور از مهم‌ترین اهداف طراحی و اجرا به شمار می‌رود. با این حال، در پروژه‌هایی که تونل‌های مترو پیش از اجرای گود احداث شده‌اند، مسئله دیگری نیز مطرح می‌شود که در صورت بی‌توجهی می‌تواند ایمنی پروژه را تحت تأثیر قرار دهد؛ شناوری تونل بر اثر فشار آب زیرزمینی.

با پیشرفت عملیات گودبرداری، ضخامت خاک بالای تونل کاهش می‌یابد و در نتیجه از وزن سرباری که در برابر فشار آب زیرزمینی مقاومت می‌کند کاسته می‌شود. اگر هم‌زمان سطح آب زیرزمینی و فشار منفذی به‌درستی مدیریت نشوند، ممکن است نیروهای بالابرنده موجب جابه‌جایی رو به بالای تونل یا افزایش تغییرشکل پوشش آن شوند.

مطالعه موردی ارائه‌شده در این مقاله به بررسی تجربه اجرای ایستگاه Hospital Kuala Lumpur  در پروژه متروی Klang Valley  می‌پردازد؛ پروژه‌ای که در آن تونل‌های حفاری‌شده با دستگاه TBM پیش از آغاز گودبرداری اجرا شده بودند و مدیریت آب زیرزمینی به یکی از مهم‌ترین ملاحظات طراحی و اجرا تبدیل شد. در ادامه، ضمن معرفی شرایط پروژه، راهکارهای اتخاذشده برای کنترل فشار آب زیرزمینی و نتایج حاصل از آن بررسی می‌شوند.

معرفی پروژه

مطالعه موردی مورد بررسی، مربوط به ایستگاه Hospital Kuala Lumpur در خط Putrajaya  از شبکه متروی Klang Valley (KVMRT) مالزی است. این پروژه شامل احداث یک ایستگاه زیرزمینی به طول حدود ۱۳۹ متر و اجرای گودبرداری عمیق به عمق ۲۸٫۹ متر در محیطی کاملاً شهری است. دو تونل حفاری‌شده با دستگاه TBM نیز از دو سمت شرقی و غربی به سازه ایستگاه متصل می‌شوند.

شکل ۱- موقعیت ایستگاه Hospital Kuala Lumpur و سازه‌های پیرامون آن در محدوده پروژه.

آنچه این پروژه را از بسیاری از پروژه‌های متداول گودبرداری متمایز می‌کند، ترتیب اجرای عملیات ساختمانی است. در این پروژه، تونل‌های مترو پیش از آغاز گودبرداری ایستگاه احداث شده بودند؛ بنابراین با پیشرفت عملیات خاکبرداری، ضخامت پوشش خاک بالای تونل به‌تدریج کاهش یافت و در بحرانی‌ترین مرحله اجرا به حدود 1/4 متر رسید. این موضوع باعث شد کنترل فشار آب زیرزمینی و جلوگیری از جابه‌جایی رو به بالای تونل، به یکی از مهم‌ترین ملاحظات طراحی و اجرا تبدیل شود.

از سوی دیگر، محل اجرای پروژه در یکی از پرتراکم‌ترین مناطق شهر کوالالامپور قرار داشت. مجاورت با بیمارستان، معابر اصلی شهری و ساختمان‌های حساس، محدودیت‌های قابل توجهی برای عملیات اجرایی ایجاد می‌کرد و ضرورت کنترل تغییرشکل زمین و حفظ پایداری سازه‌های موجود را دوچندان می‌ساخت. در چنین شرایطی، هرگونه کاهش کنترل‌نشده سطح آب زیرزمینی می‌توانست علاوه بر تأثیر بر تونل، موجب نشست زمین و آسیب به سازه‌های اطراف نیز شود. به همین دلیل، مدیریت آب زیرزمینی به یکی از ارکان اصلی راهبرد اجرایی این پروژه تبدیل شد.

چرا این پروژه با یک گودبرداری متداول تفاوت داشت؟

در بسیاری از پروژه‌های گودبرداری عمیق، مهم‌ترین نگرانی طراحان، کنترل تغییرشکل دیوار حائل، نشست زمین و پایداری سازه‌های مجاور است. با این حال، در پروژه‌هایی که تونل‌های مترو پیش از اجرای گودبرداری احداث شده‌اند، شرایط متفاوتی ایجاد می‌شود و علاوه بر مسائل متداول طراحی، رفتار تونل نیز به یکی از عوامل تعیین‌کننده در ایمنی پروژه تبدیل می‌شود.

در پروژه ایستگاه Hospital Kuala Lumpur، تونل‌های حفاری‌شده با دستگاه TBM در دو طرف ایستگاه پیش از آغاز عملیات خاکبرداری اجرا شده بودند. با پیشرفت گودبرداری و کاهش تدریجی تراز زمین، ضخامت خاک بالای تونل نیز کاهش می‌یافت. این تغییر اگرچه بخشی از فرآیند طبیعی اجرای پروژه بود، اما به‌طور هم‌زمان شرایط بارگذاری تونل را نیز تغییر می‌داد و موجب می‌شد نیروهایی که در ابتدای پروژه تعادل مناسبی داشتند، به‌تدریج دستخوش تغییر شوند.

کاهش ضخامت خاک بالای تونل، از یک سو وزن سربار مؤثر بر تونل را کاهش می‌داد و از سوی دیگر امکان تغییرشکل بیشتر دیوار دیافراگمی را فراهم می‌کرد. در چنین شرایطی، فشار آب زیرزمینی نیز به یکی از عوامل مؤثر بر رفتار تونل تبدیل می‌شود. اگر نیروی ناشی از فشار آب از مجموع وزن پوشش خاک، وزن پوشش بتنی تونل و مقاومت برشی خاک بالای آن بیشتر شود، احتمال ایجاد جابه‌جایی رو به بالا یا شناوری تونل (Tunnel Flotation) افزایش می‌یابد. این پدیده تنها به نیروی شناوری محدود نیست و در صورت وجود جریان تراوش، نیروهای ناشی از تراوش نیز می‌توانند اثر فشار آب را تشدید کنند.

شکل ۲-  شماتیک نیروهای وارد بر تونل در مراحل مختلف گودبرداری

از سوی دیگر، تغییر شرایط بارگذاری می‌تواند موجب افزایش نیروهای داخلی و تغییر شکل حلقه‌های سگمنتی تونل شود. در صورتی که این تغییرشکل‌ها از ظرفیت سازه‌ای پوشش تونل فراتر روند، احتمال آسیب‌دیدگی پوشش یا اختلال در عملکرد آن وجود خواهد داشت. به همین دلیل، در این پروژه طراحی پوشش تونل به گونه‌ای انجام شد که بتواند کاهش تدریجی سربار و افزایش تغییرشکل‌های ناشی از پیشروی گودبرداری را تحمل کند. در کنار این تمهیدات، رفتار واقعی تونل نیز به‌طور مستمر پایش شد تا در صورت مشاهده هرگونه انحراف از رفتار پیش‌بینی‌شده، اقدامات اصلاحی در کوتاه‌ترین زمان ممکن انجام شود.

بنابراین، چالش اصلی این پروژه صرفاً اجرای یک گودبرداری عمیق نبود، بلکه مدیریت هم‌زمان اندرکنش میان گودبرداری، تونل، دیوار حائل و آب زیرزمینی بود. همین موضوع سبب شد کنترل آب زیرزمینی از یک اقدام اجرایی معمول فراتر رفته و به یکی از ارکان اصلی راهبرد طراحی و اجرای پروژه تبدیل شود.

شرایط زمین‌شناسی؛ عامل اصلی پیچیدگی پروژه

یکی از مهم‌ترین عواملی که این پروژه را از بسیاری از پروژه‌های مشابه متمایز می‌کرد، شرایط زمین‌شناسی محل اجرای آن بود. محل احداث ایستگاه در محدوده سازند Kenny Hill  قرار داشت؛ سازندی که به‌طور کلی از تناوب لایه‌های ماسه‌سنگ، سیلت‌سنگ و شیل هوازده تشکیل شده است. با این حال، بررسی‌های ژئوتکنیکی نشان داد بخشی از محدوده پروژه تحت تأثیر توده‌های کوارتز هوازده (Weathered Quartz Intrusions) قرار گرفته است؛ موضوعی که رفتار هیدروژئولوژیکی زمین را به شکل قابل توجهی تغییر داده بود.

شکل ۳- شرایط زمین‌شناسی محدوده پروژه.

در مقایسه با مصالح رایج سازند Kenny Hill، توده‌های کوارتز هوازده حاوی مقادیر قابل توجهی ماسه ریزدانه و متوسط بودند. این مصالح علاوه بر نفوذپذیری بیشتر، در برابر جریان آب نیز حساسیت بالاتری داشتند و در صورت افزایش سرعت تراوش، احتمال شسته شدن ذرات ریز و فرسایش داخلی در آن‌ها وجود داشت. همین ویژگی باعث می‌شد کنترل آب زیرزمینی در این بخش از پروژه اهمیت بیشتری پیدا کند.

در طول عملیات گودبرداری نیز تفاوت رفتار زمین در بخش‌های مختلف پروژه به‌خوبی مشاهده شد. در بخش شمالی، که توده‌های کوارتز هوازده حضور بیشتری داشتند، میزان تراوش آب به‌مراتب بیشتر از بخش جنوبی بود. این موضوع نشان می‌داد که شرایط هیدروژئولوژیکی در طول پروژه یکنواخت نیست و راهکارهای کنترل آب باید متناسب با ویژگی‌های هر ناحیه طراحی و اجرا شوند.

وجود این تفاوت‌های زمین‌شناسی، مدیریت آب زیرزمینی را به مسئله‌ای فراتر از کاهش سطح آب تبدیل کرده بود. هدف اصلی، کنترل فشار آب بدون ایجاد فرسایش داخلی خاک یا نشست‌های نامطلوب در محدوده اطراف پروژه بود؛ موضوعی که نقش مهمی در انتخاب روش‌های اجرایی و برنامه پایش پروژه ایفا کرد.

شکل ۴- مشاهده تراوش آب از پوشش تونل

راهبرد مدیریت آب زیرزمینی؛ کاهش فشار بدون ایجاد آسیب

با توجه به شرایط زمین‌شناسی پروژه و خطر شناوری تونل، مدیریت آب زیرزمینی به یکی از مهم‌ترین بخش‌های برنامه اجرایی تبدیل شد. هدف این برنامه صرفاً پایین آوردن سطح آب زیرزمینی نبود، بلکه لازم بود فشار آب در محدوده گود به‌گونه‌ای کنترل شود که ضمن حفظ پایداری تونل و دیوار حائل، از ایجاد نشست در ساختمان‌ها و تأسیسات اطراف نیز جلوگیری شود. به همین دلیل، راهکار انتخاب‌شده بر پایه کنترل هدفمند فشار آب و پایش مستمر رفتار زمین طراحی شد.

یکی از اقدامات اصلی، استفاده از چاه‌های کاهش فشار (Relief Wells) در داخل محدوده گود بود. این چاه‌ها با کاهش فشار آب منفذی، نیروی بالابرنده وارد بر تونل را کاهش می‌دادند و احتمال شناوری آن را محدود می‌کردند. نکته قابل توجه آن بود که این چاه‌ها به‌عنوان یک راهکار اضطراری (Contingency Measure) از ابتدا وارد مدار بهره‌برداری نشدند، بلکه بر اساس نتایج پایش میدانی و مشاهده رفتار واقعی تونل، در محل‌های مورد نیاز فعال شدند. با این حال، کاهش بیش از حد سطح آب زیرزمینی می‌توانست باعث افزایش نشست زمین، به‌ویژه در مجاورت ساختمان‌های حساس، شود. بنابراین بهره‌برداری از این چاه‌ها به‌صورت مرحله‌ای و بر اساس نتایج پایش انجام می‌شد. دبی بهره‌برداری از هر چاه معمولاً در محدوده ۱ تا ۲ مترمکعب بر ساعت تنظیم می‌شد تا ضمن کاهش فشار آب منفذی، از افت بیش از حد سطح آب زیرزمینی و ایجاد نشست در محدوده اطراف جلوگیری شود.

در بخش‌هایی از پروژه که احتمال تأثیر منفی افت سطح آب بر سازه‌های مجاور وجود داشت، از چاه‌های تغذیه (Recharge Wells)  نیز استفاده شد. این چاه‌ها با تزریق مجدد آب به لایه‌های خاک، افت سطح آب در خارج از محدوده گود را کنترل می‌کردند و به کاهش احتمال نشست زمین کمک می‌کردند. ترکیب چاه‌های کاهش فشار و چاه‌های تغذیه این امکان را فراهم کرد که فشار آب در محدوده حفاری کنترل شود، بدون آنکه تغییرات گسترده‌ای در شرایط هیدروژئولوژیکی اطراف پروژه ایجاد شود.

در این پروژه، مدیریت آب زیرزمینی یک فرآیند ثابت و از پیش تعیین‌شده نبود، بلکه بر اساس داده‌های ابزار دقیق به‌صورت مستمر بازبینی و اصلاح می‌شد. این رویکرد سبب شد عملیات گودبرداری در مراحل مختلف با شرایط واقعی زمین تطبیق پیدا کند و در صورت مشاهده هرگونه تغییر غیرمنتظره، اقدامات اصلاحی در زمان مناسب انجام شود.

شکل ۵. چاه تغذیه و پیزومتر نصب‌شده در محل پروژه

ابزار دقیق و پایش؛ پایه تصمیم‌گیری در حین اجرا

در پروژه‌های گودبرداری عمیق، طراحی مناسب سیستم کنترل آب زیرزمینی به‌تنهایی تضمین‌کننده ایمنی پروژه نیست. عملکرد این سیستم باید در طول اجرا به‌صورت مستمر ارزیابی شود تا در صورت مشاهده هرگونه رفتار غیرمنتظره، اقدامات اصلاحی در کوتاه‌ترین زمان ممکن انجام گیرد. به همین دلیل، در پروژه ایستگاه Hospital Kuala Lumpur برنامه جامعی برای پایش رفتار زمین، سازه و آب زیرزمینی تدوین و اجرا شد.

برای دستیابی به تصویری دقیق از وضعیت پروژه، مجموعه‌ای از ابزارهای پایش در نقاط مختلف سایت نصب شد. این تجهیزات شامل استندپایپ‌های اندازه‌گیری سطح آب (Water Standpipes)، پیزومترهای سیم مرتعش (Vibrating Wire Piezometers)، نشانگرهای نشست زمین (Ground Settlement Markers)، انحراف‌سنج‌ها (Inclinometers)، نشانگرهای نشست ساختمان (Building Settlement Markers)، تیلت‌مترها (Tilt Meters) و منشورهای اپتیکی (Optical Prisms) بود. هر یک از این ابزارها با هدف پایش یکی از جنبه‌های رفتار پروژه انتخاب شده بودند و در محل‌های مناسب استقرار یافتند.

داده‌های حاصل از ابزار دقیق، تنها برای ثبت عملکرد پروژه استفاده نمی‌شد، بلکه نقش مهمی در تصمیم‌گیری‌های اجرایی داشت. نتایج پایش به‌صورت مستمر با پیش‌بینی‌های طراحی مقایسه می‌شد و در صورت مشاهده اختلاف قابل توجه، امکان اصلاح برنامه مدیریت آب زیرزمینی یا تغییر در روند اجرا فراهم بود. این رویکرد باعث شد تصمیمات اجرایی بر اساس شرایط واقعی کارگاه اتخاذ شوند، نه صرفاً بر مبنای فرضیات اولیه طراحی.

شکل ۶- آرایش ابزارهای پایش آب زیرزمینی در پروژه

در واقع، ابزار دقیق در این پروژه بخشی از فرآیند مدیریت ریسک محسوب می‌شد. تلفیق داده‌های پایش با اقدامات اجرایی، این امکان را فراهم کرد که اثرات کاهش سطح آب زیرزمینی، تغییرشکل دیوار حائل، نشست زمین و رفتار تونل به‌طور هم‌زمان ارزیابی شود و ایمنی پروژه در تمامی مراحل ساخت حفظ گردد.

نتایج پایش؛ آیا راهبرد مدیریت آب زیرزمینی موفق بود؟

موفقیت یک راهبرد مدیریت آب زیرزمینی زمانی قابل ارزیابی است که عملکرد آن با داده‌های واقعی پروژه مقایسه شود. در این پروژه، اطلاعات ثبت‌شده توسط ابزار دقیق نشان داد که رفتار آب زیرزمینی، زمین و تونل در تمام مراحل گودبرداری به‌صورت مستمر کنترل شده و نتایج پایش مبنای تصمیم‌گیری‌های اجرایی قرار گرفته است.

داده‌های ثبت‌شده از پیزومترها نشان داد که کاهش سطح آب زیرزمینی در بخش‌های مختلف پروژه رفتار یکسانی نداشت. در محدوده شمالی، که لایه‌های کوارتز هوازده غالب بودند، تغییرات سطح آب محسوس‌تر بود؛ در حالی که در بخش جنوبی، تحت تأثیر سازند Kenny Hill، نوسانات محدودتری مشاهده شد. این تفاوت، اهمیت شناخت دقیق شرایط زمین‌شناسی و تطبیق برنامه مدیریت آب با ویژگی‌های هر بخش از پروژه را نشان می‌دهد.

شکل ۷- نتایج پایش نشست ساختمان‌های مجاور

هم‌زمان، نتایج پایش نشست زمین نشان داد که تغییرشکل‌های سطحی بیشتر با روند گودبرداری و آزادسازی تنش ناشی از برداشت خاک ارتباط داشت تا صرفاً با افت سطح آب زیرزمینی. همچنین، پایش ساختمان‌های مجاور بیانگر آن بود که نشست سازه‌های اطراف در محدوده قابل قبول باقی مانده و تأثیر قابل توجهی از عملیات کنترل آب مشاهده نشد. این موضوع نشان‌دهنده عملکرد مناسب راهبرد مدیریت آب زیرزمینی در کنار روش اجرای پروژه بود.

یکی دیگر از مهم‌ترین شاخص‌های ارزیابی، رفتار تونل موجود در حین گودبرداری بود. اندازه‌گیری تغییرشکل و همگرایی پوشش تونل نشان داد که با وجود کاهش پوشش خاک در برخی مراحل اجرا، تغییرشکل‌ها در محدوده قابل کنترل باقی ماند. نتایج پایش تأیید کرد که اجرای مرحله‌ای عملیات، همراه با کنترل فشار آب و پایش مستمر، نقش مهمی در حفظ ایمنی تونل و جلوگیری از بروز تغییرشکل‌های نامطلوب داشته است.  همچنین، حداکثر تغییرشکل دیوار دیافراگمی حدود ۵۵ میلی‌متر اندازه‌گیری شد که از مقدار هشدار تعیین‌شده (۶۷ میلی‌متر) کمتر بود؛ موضوعی که عملکرد مناسب سیستم نگهداری و راهبرد مدیریت آب زیرزمینی را تأیید می‌کرد.

شکل ۸- نتایج پایش تغییرشکل و همگرایی تونل

جمع‌بندی

مطالعه موردی ایستگاه Hospital Kuala Lumpur  نشان می‌دهد که در پروژه‌های گودبرداری عمیق مجاور تونل‌های موجود، مدیریت آب زیرزمینی تنها به معنای کاهش سطح آب نیست؛ بلکه باید بخشی از یک راهبرد جامع مدیریت ریسک باشد. در این پروژه، وجود شرایط زمین‌شناسی پیچیده، نفوذپذیری متفاوت لایه‌ها و کاهش پوشش خاک روی تونل، خطر شناوری تونل و تغییرشکل سازه‌های نگهبان را به یکی از مهم‌ترین چالش‌های اجرایی تبدیل کرده بود.

برای کنترل این شرایط، مجموعه‌ای از اقدامات شامل مدیریت هدفمند فشار آب، بهره‌گیری از چاه‌های کاهش فشار، اجرای چاه‌های تغذیه در نواحی مورد نیاز و استقرار شبکه گسترده ابزار دقیق به کار گرفته شد. ویژگی مهم این پروژه آن بود که تصمیمات اجرایی صرفاً بر اساس طراحی اولیه اتخاذ نمی‌شد، بلکه نتایج پایش به‌صورت مستمر بررسی و در صورت نیاز، برنامه اجرایی متناسب با شرایط واقعی کارگاه اصلاح می‌شد. این رویکرد امکان واکنش سریع به تغییرات رفتار زمین و آب زیرزمینی را فراهم کرد.

نتایج پایش نیز نشان داد که با وجود پیچیدگی شرایط زمین‌شناسی و حساسیت بالای پروژه، رفتار تونل، دیوار حائل و ساختمان‌های مجاور در محدوده قابل قبول باقی ماند. این تجربه نشان می‌دهد که موفقیت پروژه‌های مشابه، بیش از آنکه به یک روش خاص کنترل آب وابسته باشد، به طراحی یک سیستم یکپارچه شامل شناخت دقیق زمین، برنامه‌ریزی مرحله‌ای، پایش مستمر و تصمیم‌گیری مبتنی بر داده‌های واقعی بستگی دارد.

این پروژه نمونه‌ای ارزشمند از کاربرد روش مشاهده‌ای (Observational Method) در مهندسی ژئوتکنیک است؛ رویکردی که در آن پایش مستمر و تحلیل داده‌های میدانی، نقش اساسی در مدیریت ریسک و حفظ ایمنی پروژه ایفا می‌کند. تجربه ایستگاه Hospital Kuala Lumpur  نشان می‌دهد که تلفیق طراحی مهندسی، مدیریت آب زیرزمینی و ابزار دقیق می‌تواند اجرای گودبرداری‌های عمیق در مجاورت تونل‌های شهری را با سطح قابل قبولی از ایمنی و اطمینان امکان‌پذیر سازد.

منابع

1. Khoo, K. S., & Boon, C. W. (2026). Groundwater Management Strategies for Ensuring Tunnel Safety at the Hospital Kuala Lumpur Station. International Journal of Geoengineering Case Histories, 8(2), 43–61. https://doi.org/10.4417/IJGCH-08-02-03