احداث تونل در زمین های سست

ساخت و احداث تونل در زمین های سست

ساخت و احداث تونل در زمین های سست , گروه خاکبرداران : مقصود از زمینهای سست، زمین هایی است که در مورد آنها امکان حفر تونل با وسایل دستی وجود دارد، گو اینکه ممکن است حفر تونل در این زمین ها، الزاما با این وسایل انجام نگیرد. در این موارد، درجه سختی احداث تونل، هزینه‌های حفر و روش اجرا، به زمان «خود برجایی» سازه احداث شده بستگی دارد.
یکی از مهمترین اشکالاتی که به هنگام حفر تونل در این زمینها وجود دارد، رها شدن یا تنش زدایی زمین های بالای بخش حفاری شده را پر کند. در ‌صنعت تونل سازی این واقعه را افت فشار می‌نامند. امکان وقوع این پدیده در صورت وجود آب زیرزمینی، بیشتر می‌شود و اگر کنترل نشود، خطرات زیادی را دربردارد و ممکن است منجر به ریزشهای موضعی و یا حتی خرابی کامل بنا بشود. همچنین، تخلیه مواد به داخل تونل علاوه بر تخریب سازه، ممکن است نشست سطحی زمین را نیز در پی داشته باشد.
معمولا در ساخت تونل ها سه مسئله حفاری، نگهداری اولیه و کنترل آب، در ارتباط بسیار نزدیک با هم‌اند و این سه مقوله را باید با هم مورد بررسی قرار داد.
یکی دیگر از مسائل مهم در احداث این تونلها، مسئله بارگیری و حمل سریع مواد حفاری شده است تا بتوان به سرعت، سیستم نگهداری اولیه را نصب کرد.
نکته مهم اینجاست که معمولا این وضعیت در حفر تونلهای شهری یعنی تونلهای مترو یا فاضلاب پیش می‌آید زیرا اغلب شهرهای بزرگ، در کنار رودهای بزرگ، دریاچه‌ها و دریاها بنا شده‌اند و بنابراین زمین محلی در آنجا اغلب آبرفتی و سست و سطح ایستایی نیز نزدیک سطح زمین است.

روش های احداث تونل در زمین های سست

روشهای اجرای تونل در این زمینها را می‌توان به شرح زیر رده بندی کرد:

الف- روش سنتی

ب- روش امریکایی

ج- روش انگلیسی

د- روش آلمانی

ه- روش اطریشی

و- روش بلژیکی

در زیر هر یک از روشهای یاد شده را جداگانه بررسی خواهیم کرد.

روش سنتی احداث تونل در زمین های سست

احداث تونل سازی در زمین های سست از زمان های قدیم و قبل از اختراع ماشین های تونل کنی و سپرها، به کار می‌رفته است. واضح است که امروزه در مواردی از این روشها استفاده می‌شود که به علت مسائل نفی و یا اقتصادی نتوان از روشهای مکانیزه استفاده کرد. به عنوان مثال، در حالتی که تونل در زمینی مرکب از رسوبات یخچالی حفر می‌شود که در آن مواد تشکیل دهنده زمین نامتجانس‌اند و همراه با ذرات شن و ماسه، تخته سنگهای بزرگ نیز وجود دارد، دیگر نمی‌توان از سپر یا ماشینهای تونل سازی استفاده کرد و در این موارد باید شیوه سنتی را به کار گرفت و حفاری تونل را با وسایل دستی (و یا چکش بادی) انجام داد.

احداث تونل در زمین های سست

مورد دیگر استفاده از شیوه سنتی، وقتی است که شرایط اقتصادی اجازه استفاده از روشهای مدرن را ندهد. مثلا در مواردی که به علت کوتاه بودن تونل، حمل و نصب ماشینهای تونل کنی یا سپر، اقتصادی نباشد و یا اصولا سرمایه اولیه برای استفاده از ماشینها وجود نداشته باشد.
اساس شیوه سنتی، تفکیک مقطع تونل به چند قسمت و حفر هر قسمت به روش گالریهای چوب بست شده‌است. این گالریها یا دالانها را حتی المقدور با سطح مقطع بزرگتر انتخاب می‌کننند اما حداقل ابعاد آنها نباید از عرض ۵/۱ متر و ارتفاع ۲ متر کمتر باشد .

معمولا در احداث تونل در زمین های سست اولین قسمتی که برای حفاری مقطع تونل انتخاب می‌کنند، قسمت طاق تونل است و سپس به ترتیب بخش میانی، دیوارهای جانبی و کف بند تونل را اجرا می‌کنند.

نگهداری موقت هر یک از گالریها، با استفاده از چوب بست انجام می‌گیرد. برای اینکه در ضمن‌حفاری، جبهه کار گالری ریزش نکند، جبهه کار را به حالت مورب در نظر می‌گیرند، به گونه‌ای که جبهه کار به طور طبیعی پایدار بماند. در این حالت سقف جبهه کار به وسیله کلاهک هایی که بر روی ستون ها قرار گرفته است نگهداری می‌شود.
در بعضی موارد، برای نگهداری موقت گالریها علاوه بر چوب از پایه‌های فولادی نیز استفاده می‌شود که در این صورت، پایه‌های فلزی را به کمک جک و یا با استفاده از چکش بادی نصب می‌کنند .

در زیر نحوه اجرای بخشهای مختلف از یک تونل را شرح می‌دهیم.

اجرای طاق احداث تونل در زمین های سست

اولین قسمتی که در این روش احداث می‌شود، طاق است که حفاظی را برای کارهای بعدی تشکیل می‌دهد و بدین ترتیب، عملیات بعدی با ایمنی بیشتری انجام می‌گیرد.
طرز احداث تونل بدین ترتیب است که پس از حفر یک چاه در ابتدای تونل که چاه شروع است، یک گالری در بالای قسمت وسط طاق احداث می‌کنند.
پس از اینکه گالری که معمولا عرض آن ۵/۲ تا ۳ متر و بلندی آن ۲ تا ۴ متر است به طول‌کافی حفر و چوب بست شد، آن را از دو طرف به قطعاتی به عرض ۳ تا ۵ متر عمود بر محور گالری عریض می‌کنند تا فضای لازم برای احداث حلقه‌های طاق که سیستم نگهداری دایمی را تشکیل می‌دهد، آزاد شود و بلافاصله حلقه‌ها را می‌سازند.
قسمت‌هایی را که عریض می‌کنند ۱۰ تا ۱۵ متر با هم فاصله دارند. تعریض این قسمت‌ها و طاق سازی آنها پس از طاق سازی قسمتهایی که ابتدا عریض کرده‌اند انجام می‌شود و بدین ترتیب تمام حلقه‌ها ساخته شده و پیوستگی طولی اتاق تامین می‌شود.

چوب بست‌ها و حایل بندی‌های قسمت‌های عریض‌شده نظیر‌چوب بست‌های گالری وسط است و از قاب‌هایی که از پشت آنها الوارهای چوبی رد می‌کنند، تشکیل شده است و با استفاده از تیرهای طولی که قاب‌ها را به هم متصل می‌کنند و شمع‌های مایل و دستک‌ها تکمیل می‌شود.
پایه‌ها و شمع‌های مایل و دستک‌ها برای جلوگیری از فرو ریختن زمین به داخل گالری لازم‌اند، ولی در عین حال، مانعی برای بنایی و اجرای طاق هستند زیرا برای بنایی طاق لازم‌است که ابتدا الوار‌بندی برای نگاهداری قالب طاق را اجرا کرد تا بتوان قالب را روی آن مستقر ساخت. الوار بندی باید بتواند وزن طاق را در طول مدت ساختمان تحمل کند.

بنایی طاق با سنگ رگه‌ای و ملات سیمان انجام می‌گیرد و از پا طاق‌های دو طرف شروع شده و به طرف وسط طاق، که کلید طاق نامیده می‌شود، پیش می‌رود. البته به تدریج که بنایی‌پیش می‌رود، دستک‌هایی را‌که برای نگهداری الوار‌بندی نصب شده بود، برمی‌دارند.

این کار باید با دقت کامل انجام گیرد و به ویژه باید توجه شود که طاق و تخته‌هایی که برای حفظ خاک در بالای آن با هم نصب می‌شود، تماس کامل داشته باشند. این تخته‌ها در پشت بنایی طاق باقی خواهند ماند. بستن کلید (یعنی جا گذاری سنگ وسط) باید با دقت کامل انجام گیرد تا دو نصف طاق که از دو طرف ساخته شده‌اند کاملا به هم متکی باشند و طاق نشست نکند.

این روش که طی مدتهای مدید مطمئن‌ترین روش برای تونل سازی در زمینهای سست بود، این عیب را دارد که نمی‌تواند مانع از بروز افت فشار در زمین بالای طاق بشود. این افت فشار ممکن است به هنگام حفاری و یا در موقع برداشتن دستک‌های زیر الوار بندی طاق‌به هنگام ساختمان آن‌و یا پس از‌پوسیدن چوب پشت طاق در اثر رطوبت و یا عوامل دیگر بروز کند.

برای‌جلوگیری از‌بخشی از‌این مشکلات در احداث تونل در زمین های سست ، از داخل تونل به پشت دیوار طاق دو غاب سیمان و یا ملات سیمان تزریق می‌کنند تا فضاهای خالی بین زمین و طاق پر شود و تخته‌های پشت‌دیوار به‌سیمان آغشته شده و تا حدی حفظ شوند. برای تزریق سیمان، سوراخهایی در طاق احداث می‌کنند.
به عنوان نتیجه می‌توان گفت که این روش از نظر پایداری کار رضایت بخش است، ولی گاه نشست‌هایی هم دیده شده است. به علاوه به کارگران بسیار ماهر (سنگ تراش، بنا، نجار و غیره…. ) نیاز دارد که امروزه کمتر یافت می‌شود و مدت اجرای کار هم طولانی است.

ساختمان دیوارهای جانبی

در احداث تونل در زمین های سست پس از احداث طاق، دیوارهای جانبی را می‌سازند. بدین منظور ابتدا قسمت وسط مقطع را که خاک برداری نشده است، خاک برداری می‌کنند. این بخش ترانشه‌ای در طول محور تونل است و عمق آن تقریبا تا سطح کف بند در نظر گرفته می‌شود. این ترانشه امکان احداث دیوارهای جانبی را فراهم می‌سازد و پس از اجرای آن، قطعاتی به عرض ۳ تا ۵ متر در دو طرف و عمود به محور تونل تا زیر طاق خاک برداری می‌شود. در این فضا، قطعه‌دیواری را‌با سنگ و‌ملات سیمان یا با بتن تا ۵۰ سانتیمتر مانده به پا طاق می‌سازند و بالاخره این قسمت را با قطعات منظم سنگ طوری بنا می‌کنند که طاق به پایه متکی شود. در حال حاضر با تکنیک‌های بتن ریزی می‌توان اتکا طاق به پایه را به هنگام بتن ریزی دیوار تامین کرد.

در‌طول مدت‌اجرای این کار، قسمت‌هایی از طاق به زمینی که هنوز خاکبرداری نشده و یا به قطعات دیواری که ساخته شده، متکی است. در بخشهایی که خاک برداری انجام شده ولی دیوار سازی به اتمام نرسیده است، طاق به سبب صلیب طولی خود می‌ایستد .
در زمین‌های بسیار سست، قسمت وسط خاکبرداری نمی‌شود و دیوارها قطعه به قطعه با حفر چالهای جدا بندی شده، اجرا و طاق به این دیوارها متکی می‌شود.

احداث کف بند

پس از اینکه دو قسمت از دیوار که مقابل هم قرار دارند ساخته شد، می‌توان گودبرداری را تکمیل کرد و کف بند را ساخت.
روش گالریهای چوب‌بندی شده‌که در زمینهای خیلی سست اجرا می‌شود، آهنگ پیشرفت کار را بسیار کند می‌سازد. در زمینهای متوسط، روشهای سستی دیگری به کار گرفته می‌شود. در این روشها مراحل مختلف کار همانهایی است که در بالا ذکر شد، فقط ترتیب تقدم و تاخر کارها متفاوت است و روشها را می‌توان ساده‌تر کرد. در این شرایط امکان اجرای عملیات خاک برداری طاق و دیوارهای جانبی در مراحل مختلف و انجام مجموعه پوشش از پایین به بالا فراهم می‌آید.

روش آمریکایی

این روش، مطابق شکل طی پنج مرحله اجرا می‌شود. بدین منظور ابتدا یک گالری در قسمت بالای تونل (طاق) اجرا می‌شود که آن را با استفاده از پایه‌ها و کلاهک چوبی نگهداری می‌کنند. سپس ای گالری تعریض می‌شود تا قسمت طاق تونل تکمیل شود و در این حالت، قطعات بتنی نگهدارنده طاق را نصب می‌کنند. این قطعات به وسیله تیرهای چوبی اضافی که بدین منظور نصب می‌کنند، نگهداری می‌شوند.
پس از تکمیل طاق، قسمت بالای دیواره‌ها حفر و با استفاده از چوب بست، نگهداری می‌شوند و این عمل تا احداث کامل دیواره‌ها تا کف تونل، ادامه می‌یابد. پس از تکمیل دیوارها، خاکهای باقیمانده را حفر و بارگیری می‌کنند.

روش انگلیسی

در این روش، تمام مقطع خاکبرداری می‌شود. عملیات خاکی به صورت برشهای افقی از بالا به پایین همراه با نصب فوری حایل بندی انجام می‌گیرد.
پس از اتمام خاکبرداری مقطع، اجرای پوشش از دیوارهای دو طرف شروع می‌شود. پس از آن طاق با سنگ و ملات سیمان و یا با بتن ساخته شده و سرانجام، کف بند بین دو دیوار اجرا می‌شود.
با این روش می‌توان تونلهایی به مقطع بزرگ تا ۱۰۰ متر مربع را ساخت ولی در واقع کارایی روش در شرایطی است که زمین نسبتا سالم و دارای چسبندگی کافی باشد

روش آلمانی

این روش احداث تونل در زمین های سست در تونل های با مقطع بزرگ به کار می‌رود . بدین منظور ابتدا دو گالری در پایین مقطع و در محل دیوارهای دو طرف احداث می‌کنند و دیوارها را می‌سازند. سپس یک گالری در بالا و در وسط حفر شده و با چوب بست تقویت می‌شود. آنگاه این گالری از دو طرف توسعه داده می‌شود تا به گالریهای پایه‌ها متصل می‌گردد. در این شرایط طاق آماده ساختن است.
پس از بتن‌ریزی طاق و برداشتن قالب بندی آن که به زمین موجود در وسط متکی است، این قسمت را خاکبرداری می‌کنند و بالاخره کف بند را می‌سازند.
این روش‌مطمئن است ولی‌احداث سه‌گالری مختلف‌خرج را‌بالا می‌برد و‌بیشتر در تونلهای بلند (با ارتفاع زیاد) مورد استفاده قرار می‌گیرد .

روش اتریشی

این روش در ۵ مرحله به شرح زیر انجام می‌گیرد :

ابتدا یک شیار باریک در محور تونل و به ارتفاع کل تونل احداث می‌شود. بدین منظور، ابتدا‌در قسمت‌بالا یک گالری حفر می‌کنند و پس از کمی پیشروی، یک گالری نیز در پایین حفر کرده، به وسیله مجرایی آن دو را به هم وصل می‌کنند. جبهه کار پیشروی این دو گالری بالا و پایین با هم متفاوت است.
گاهی‌نیز ممکن است ابتدا گالری پایینی و سپس گالری بالایی حفر شده و آنگاه به وسیله برش به هم متصل شوند. حسن این کار این است که می‌توان خاکهای حاصل از گالری بالایی را به داخل گالری پایینی ریخت و از آنجا به بیرون حمل کرد.

به هر حال، پس از احداث این شیار میانی، گالری بالایی تعریض می‌شود تا قسمت طاق تونل تکمیل گردد. بدیهی است ضمن حفاری، چوب بست لازم به عنوان وسیله نگهداری موقت، نصب می‌شود. پس از حفاری کامل مقطع، دیوار‌سازی نهایی تونل از پایین به بالا انجام می‌گیرد.

از جمله مزایای این روش آن است که تخلیه خاکها از طریق گالری پایینی به آسانی انجام می‌گیرد و بدین ترتیب می توان عملیات حفر گالری بالایی و بقیه قسمتها را در چند نقطه و با فاصله از هم انجام داد. در مقابل این امتیازات، می‌توان لزوم استفاده از مقدار زیادی چوب بست را به عنوان عیب این روش نام برد.

روش بلژیکی

این روش احداث تونل در زمین های سست در مواردی مناسب است که بار موثر بر تونل عمدتا در جهت قائم عمل کند و فشارهای جانبی ناچیز باشد. در این روش، ابتدا قسمت طاق تونل در بالا احداث می‌شود. حفر این قسمت از بخش میانی طاق به اطراف انجام می‌گیرد تا تمام طاق تونل حفاری شود. این قسمت را با استفاده از پایه های چوبی به طور موقت نگهداری می‌کنند. پس از احداث طاق به تدریج و قطعه به قطعه دیوارها را احداث می‌کنند. بدین منظور، از کف‌ طاق، در‌دو طرف چاهکهایی تا‌تراز کف تونل احداث می‌کنند و‌از طریق‌آنها دیواره‌های تونل را می‌سازند. پس از آنکه دیواره دو طرف به طور اصل ساخته شد، خاکهای وسط را برمی‌دارند.