تونل با استفاده از مواد منفجر یا ماشینآلات حفاری ساخته میشود. از متداولترین روش های ساخت تونل میتوان به روش چالزنی و انفجار، NATM، حفاری با رودهدر، حفاری با چکش مکانیکی و حفاری با TBM اشاره کرد. در ادامه به معرفی خلاصهای از اصول مهندسی تونل برای هر یک از این روشها میپردازیم.
تونلسازی به روش چالزنی و انفجار
«چالزنی و انفجار» (Drilling and Blasting)، یکی از متداولترین روشهای حفر تونل معدنی، تونل انحراف آب و تونل حمل و نقل است. در این روش، ابتدا الگوی چالهای انفجاری با توجه به خواص ژئومکانیکی مواد موجود در مقطع تونل توسط مهندسان تهیه میشود. کارکنان اجرا با استفاده از دستگاههای حفار و محور (آکس) مشخص شده توسط نقشهبردار، چالها را بر اساس الگوی پیشنهادی بر روی مقطع حفر میکنند. در مرحله بعد، عوامل آتشباری با نظارت کارشناسان آتشبار، مواد منفجرهای نظیر آنفو را درون چالهای حفر شده قرار میدهند. پس از تکمیل فرآیند و تخلیه محل تا شعاع ایمن، انفجار چالها صورت میگیرد. به این ترتیب، مقطع تونل به مقدار مشخص و با توجه به طول چالها پیشروی میکند.
پس از اتمام فرآیند چالزنی و انفجار، کارشناسان از ایمن بودن محل اطمینان حاصل میکنند. در مرحله بعد، مواد منفجر شده توسط ماشینآلات باربری به محل دیگری منتقل میشوند. سپس، نصب سیستم نگهداری (راک بولت، شاتکریت و یا قاب) بر روی بخش پیشروی کرده و آمادهسازی جبهه کار جدید برای تکرار فرآیندهای قبلی انجام میگیرد. دستیابی به نتیجه مطلوب در روش چالزنی و انفجار، نیازمند بررسی دقیق جنس مواد، حفاری با طول کامل و دقیق بر اساس الگوی پیشنهادی، تخمین مناسب مواد منفجره مورد نیاز برای هر چال، پر کردن مناسب چالها و دیگر نکات فنی و ایمنی است. با رعایت این مسائل، پیشروی بر اساس برنامه خواهد بود. علاوه بر این، میزان اضافه حفاری یا کسری حفاری سطوح نیز به حداقل میرسد.
روش تونلسازی جدید اتریشی
«روش تونلسازی اتریشی جدید» (New Austrian Tunnelling Method) یا به اختصار «ان اِی تی اِم» (NATM)، یکی از روشهای مدرن طراحی و اجرای حفریات زیرزمینی است. NATM، با توجه به نوع سنگ مسیر و تنشهای زمینشناسی، از سیستمهای مختلف نگهداری برای تامین ایمنی مقطع حفر شده استفاده میکند. کنترل بسیار بالای فعالیتهای اجرایی و بهرهگیری از مقاومت ذاتی سنگهای دربرگیرنده، استفاده از المانهای تقویتکننده و هزینه اجرای تونل را به حداقل میرساند. این روش، معمولا در نواحی کوهستانی مورد استفاده قرار میگیرد.
بسیاری از تونلهای مدرن با استفاده از روش NATM ساخته میشوند. روند کلی این روش به صورت زیر است:
- چالزنی مقطع و خرجگذاری چالها با استفاده تجهیزاتی نظیر جامبو دریل
- انفجار و خروج مواد استخراجی
- پاشیدن شاتکریت، نصب راک بولت و قابگذاری با توجه به سطح پایداری (طبقه بندی توده سنگ) و تنش مواد دربرگیرنده
- اجرای صفحات آببند بر روی سطح تونل از بخش ورودی (پس از گذشت چند پاس از پیشروی)
- نصب پوشش بتنی (لاینینگ) تونل از بخش ورودی
در طی تمام فرآیندهای بالا، وضعیت تونل همواره با استفاده از ابزار دقیق پیشرفته و پیچیده کنترل میشود. NATM، امکان اجرای ایمن و اقتصادی تونلهایی با مقطع بزرگ و طولانی را فراهم میکند. همین ویژگی، باعث محبوبیت روزافزون آن شده است.
تونلسازی با استفاده از ماشین آلات حفاری
استفاده از ماشین آلات حفاری، یکی دیگر از متداولترین روشهای ساخت تونل با ابعاد مختلف و طولهای متفاوت است. تونلسازی به این روش معمولا با استفاده از ماشینآلات حفاری بازویی مانند رودهدر یا ماشینآلات حفاری تمام مقطع نظیر TBM انجام میگیرد. در ادامه به معرفی شناخته شدهترین و پرکاربردترین تجهیزات مکانیزه حفر تونل میپردازیم.
رودهدر چیست؟
«رودهدر» (Roadheader)، یکی از پرکاربردترین ماشینآلات حفاری مورد استفاده برای ساخت تونلهای معدنی و شهری با مقطع کوچک تا بزرگ است. این دستگاه با عنوان ماشین حفاری گله گاوی نیز شناخته میشود و اغلب در محیطهای خاکی کاربرد دارد. رودهدرها دارای ابعاد بسیار متنوع با مکانیزم حفاری عمودی یا افقی هستند. بخش جلویی این دستگاهها شامل یک بازوی متحرک با سری دارای تیغههای چرخشی است. هنگام حفاری، مواد استخراج شده بر روی نوار نقاله رودهدر ریخته شده و به پشت دستگاه منتقل میشوند.
رودهدر برای حفاری در سنگهایی با مقاومت ضعیف تا متوسط نیز کاربرد دارد. البته مساله اصلی در این محیطها، ظرفیت استخراج و هزینه تیغههای مورد نیاز یا تعویض تیغهها است. به طور کلی، انعطافپذیری این دستگاه، آن را به یک گزینه مناسب برای ساخت تونلهای نسبتا کوچک در محیطهای تبدیل نرم میکند.
چکش هیدرولیکی چیست؟
«چکش هیدرولیکی» (Hydraulic Hammer)، یکی دیگر از ماشینهای بازویی قابل استفاده برای تونلسازی است. این دستگاه مانند رودهدر از انعطافپذیری بالایی بهره میبرد. با این تفاوت که میتوان از آن برای حفر تونل در محیطهای سنگی متوسط تا قوی نیز استفاده کرد. در سالهای اخیر، توجه ویژهای به کاربردهای چکش هیدرولیکی در ساخت تونلهای مختلف شده است.
روش حفاری تمام مقطع یا حفاری با TBM چیست؟
«دستگاه حفاری تونل» (Tunnel Boring Machine) یا به اختصار «تی بی ام» (TBM)، یکی از شناختهشدهترین و پرکاربردترین تجهیزات مورد استفاده برای ساخت تونلهای بزرگ به روش مکانیزه است. TBM از بخشهای مختلفی نظیر سری حفار، نوار نقاله پیچشی، نوار نقاله خروج مواد و واحد نصب سگمنت (نگهداری دائم) تشکیل میشود. این دستگاه از فرآیند پیوسته حفاری و نصب نگهداری بهره میبرد. این ویژگی، استفاده از TBM را به یکی از روشهای سریع و ایمن ساخت تونل در نواحی شهری و غیرشهری تبدیل میکند.
چرخش تیغهها و سری حفار، مواد را خرد کرده و آنها را با فشار آب به سمت بیرون تونل (با پمپ یا نوار نقاله) هدایت میکند. با پیشروی به اندازههای مشخص، واحد نگهداری، سگمنتهای بتنی را به طور خودکار بر روی دیواره تونل نصب میکند. TBM دارای انواع مختلف است که هر یک برای حفاری در شرایط مخصوص مورد استفاده قرار میگیرد. این دستگاه حفاری تونل بر اساس ویژگیها و قابلیتها به انواع زیر تقسیم میشود:
- TBM باز (Main Beam)
- مناسب برای حفاری در سنگ سخت، قطر کاترهد برابر با قطر تونل
- TBM تک سپره (Single Shield)
- مناسب برای حفر تونلهایی با سطح مقطع بزرگ در زمین خرد شده
- TBM دو سپره (Double Shield)
- مناسب برای حفاری در سنگ خرد شده
- TBM ترکیبی (Cross Over)
- مناسب برای حفر تونل در محیطهایی با ویژگیهای زمینشناسی متفاوت (دارای سنگ سخت، خاک نرم، تخته سنگ و غیره)
- TBM متعادل کننده فشار زمین یا EPB
- مناسب ربای حفر تونل در خاک نرم تحت فشار آب زیرزمینی
به دلیل کاربردهای فراوان TBM در حفر فضاهای زیرزمینی، آشنایی با مکانیزم انواع این دستگاه، به یکی از اصول مهندسی تونل تبدیل شده است.
روش کند و پوش چیست و چگونه انجام میشود؟
«کند و پوش» (Cut and Cover)، یکی از روشهای ساده برای ساخت تونلهای کم عمق با استفاده از ماشینآلات گودبرداری است. در این روش، ترانشهای با ابعاد مورد نظر حفر شده و سقف آن توسط سیستم نگهداری مناسب پوشانده میشود. سیستم نگهداری در روش کند و پوش باید قادر به تحمل بارهای پیشبینی شده پس از ساخت سازه بر روی تونل در آینده را داشته باشد. اجرای کند و پوش معمولا به دو روش بالارو یا پایینرو صورت میگیرد:
- کند و پوش بالارو: تونل با اجرای سیستم نگهداری در زیر سطح زمین ساخته میشود.
- کند و پوش پایینرو: پس از نصب سیستم نگهداری جانبی (دیوار تزریقی) و سقف تونل بر روی زمین، اجرای حفاری از سطح به سمت پایین انجام میگیرد.
مراحل کلی روش کند و پوش برای ساخت تونل طبقاتی بالا عبارت هستند از:
- اجرای دیوار حائل بتنی
- گودبرداری تا رسیدن به عمق مشخص (سقف تونل)
- نصب تیر نگهدارنده برای تحمل فشار جانبی بین دو دیوار
- نصب عرشه در تراز زمین و دال بتنی زیر تیر نگهدارنده
- ادامه گودبرداری، نصب تیر نگهدارنده، دال کف طبقه بالا و تیر نگهدارنده بعدی و دال کف تونل
- نصب دال دیواره تونل
- پر کردن سقف تونل تا سطح زمین
روش های دیگر حفر تونل
در بخشهای قبلی، روشهای متداول حفر تونل را معرفی کردیم. از دیگر تکنیکهای قدیمی و جدید تونلسازی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- حفر تونل با احداث شفت یا چاه
- به منظور ساخت تونل در اعماق زیاد، ابتدا یک شفت از سطح زمین تا کف محور تونل پیشنهادی حفر میشود. سپس، با انتقال تجهیزات حفاری به انتهای شفت، اجرای تونل انجام میگیرد.
- حفر تونل به روش لوله رانی یا «پایپ جکینگ» (Pipe Jacking)
- این روش برای احداث تونل در زیر سازههای موجود نظیر راه، راهآهن و غیره کاربرد دارد. در پایپ جکینگ، لولههای مخصوص، با استفاده از فشار جکهای هیدرولیکی به زیرِ زمین رانده میشوند. حداکثر قطر تونل در این روش، حدود 3 متر است. روش «باکس جکینگ» (Box Jacking) نیز مانند پایپ جکینگ اما با تجهیزات جعبهای شکل است.
- ساخت تونل زیرآبی
- اجرای تونل زیر آب یا با استفاده از تیوبهای غوطهور یا با حفر فضای زیر کف آب انجام میگیرد. هزینههای این روشها بسیار بیشتر از روشهای دیگر است.
