طراحی تونل با توجه به مبانی مقاومت مصالح، مکانیک خاک، مکانیک سنگ، هیدروژئولوژی و دیگر اصول مهندسی تونل انجام می‌شود. در ادامه به معرفی مهم‌ترین اصول طراحی تونل می‌پردازیم.
رده بندی توده سنگ چیست و چگونه استفاده می‌شود؟
یکی از مهم‌ترین اطلاعات مورد نیاز برای طراحی تونل، کیفیت توده سنگ مسیر پیشنهادی است. روش‌های مختلفی برای دستیابی به این اطلاعات وجود دارند. این روش‌ها به سخ گروه تحلیلی (ریاضی)، تجربی و عددی (نرم افزاری) تقسیم می‌شوند. طبقه بندی توده سنگ، یکی از روش‌های تجربی پرکاربرد برای تعیین کیفیت محیط اطراف تونل است که در مرحله طراحی، تحلیل پایداری و امکان‌سنجی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اولین رده بندی توده سنگ در سال 1946 میلادی (سال 1325 شمسی) برای تعیین سیستم‌های نگهداری تونل ارائه شد. این مسئله، اهمیت به کارگیری این ابزار در اصول مهندسی تونل را نمایش می‌دهد. از پرکاربردترین طبقه بندی های توده سنگ مورد استفاده برای تونلسازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- رده بندی ترزاقی
- رده بندی شاخص کیفیت سنگ (RQD)
- رده بندی ساختار سنگ (RSR)
- رده بندی توده سنگ (RMR)
- رده بندی Q
رده بندی Q در تونلسازی چیست؟
از میان طبقه بندی های توده سنگ، سیستم کیو (Q) به عنوان یک رده بندی تخصصی برای طراحی تونل و نگهداری آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این سیستم، عددی با عنوان «Q-value» مطابق با رابطه زیر محاسبه می‌شود:
- RQD: شاخص کیفیت سنگ
- Jn: عدد دسته درزه (ابعاد بلوک‌های سنگ بکر در توده سنگ)
- Jr: عدد زبری درزه
- Ja: عدد هوازدگی درزه
- Jw: عدد آب درزه
- SRF: ضریب کاهش تنش
با تعیین پارامترهای بالا و محاسبه Q-value، امکان طراحی سیستم پیشنهادی بر اساس گرافی مشابه با تصویر زیر فراهم می‌شود.
محور افقی در گراف بالا، Q-value و محور عمودی، طول دهانه به نسبت دهانه خونگهدار است. با قرارگیری مقادیر در محدوده‌های 1 تا 9، سیستم نگهداری پیشنهادی تغییر خواهد کرد. به عنوان مثال، در ناحیه 1، نیازی به نصب سیستم نگهداری نخواهد بود اما در ناحیه 3، باید از راک بولت استفاده شود. چندین مقاله در زمینه انواع، کاربردها و نحوه محاسبه رده بندی های توده سنگ در مجله فرادرس تهیه شده است که مطالعه آن‌ها را به شما پیشنهاد می‌کنیم:
تعیین مقاومت توده سنگ
مرحله بعدی برای طراحی تونل، تعیین پارامترهای مقاومتی توده سنگ و ناپیوستگی‌های موجود در آن است. روش‌های مختلفی برای این کار وجود دارند. برای سنگ‌های بکر (با درزه‌داری بسیار پایین)، این کار با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی انجام می‌شود. با این وجود، امکان تعیین مقاومت سنگ‌های درزه‌دار و خرد شده در آزمایشگاه وجود ندارد. از این‌رو، کارشناسان از روش‌های تجربی استفاده می‌کنند. از متداول روش‌های تجربی تعیین پارامترهای مقاومتی توده سنگ درزه‌دار می‌توان به شاخص مقاومت زمین شناسی اشاره کرد.
شاخص مقاومت زمین شناسی یا GSI چیست ؟
«شاخص مقاومت زمین شناسی» (Geological Strength Index) یا به اختصار «جی اِس آی» (GSI)، سیستمی است که با استفاده از ساختمان توده سنگ و وضعیا سطح بلوک‌های آن، پارامترهای مقاومتی را تعیین می‌کند. روش‌های مختلفی برای محاسبه این شاخص وجود دارند. در اغلب این روش‌ها، Q-value و RMR به عنوان یکی از پارامترهای اصلی مورد استفاد قرار می‌گیرند.
معیار شکست چیست؟
یکی از دیگر روش‌های تعیین مقاومت توده اطراف تونل، استفاده از معیارهای شکست است. معیارها یا تئوری های شکست، معادلاتی هستند که به منظور پیش‌بینی رفتار مواد در شرایط بارگذاری مختلف و لحظه شکست آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. پرکابردترین معیار شکست مورد استفاده برای طراحی تونل‌ها و فضاهای زیرزمینی، «معیار شکست هوک و براون» (Hoek–Brown Failure Criterion) است.
تحلیل تنش در طراحی تونل
تحلیل تنش و کرنش، یکی دیگر از اصول مهندسی تونل و فضاهای زیرزمینی است. پس از تعیین پارامترهای مقاومتی محدوده اجرای تونل، تاثیر ایجاد حفره در توده یا سنگ مورد بررسی قرار می‌گیرد. پیش از حفر تونل، تنش‌های موجود در توده خاک یا سنگ (تنش‌های برجا) در حالت تعادل قرار دارند.
با حفر فضای زیرزمینی، این تعادل برهم می‌خورد. به این ترتیب، توده سنگ یا خاک برای رسیدن به حالت تعادل، محبور به تغییر شکل می‌شود. این تغییر شکل‌ها، تمرکز تنش در اطراف تونل (تنش القایی) و در برخی از مواقع، تغییر شکل بر روی سطح زمین (نشست) را در پی دارد. هدف از مرحله تحلیل تنش، محاسبه تنش‌های القایی ناشی از حفاری و طراحی سیستم نگهداری به منظور جلوگیری از ناپایداری تونل و سطح زمین است.
روش‌های مختلفی برای تحلیل تنش در طراحی تونل وجود دارند. این روش‌ها معمولا به صورت تحلیلی یا عددی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، «معادلات کرش» (Kirsch equations)، به عنوان یکی از پرکاربردترین روش‌های توصیف تنش‌های الاستیک اطراف حفریات زیرزمینی با مقطع دایره‌ای شناخته می‌شوند.
با وجود تخمین‌های قابل قبول، این روش جای خود را به تحلیل‌های عددی داده است. امروزه، نرم افزارهای عددی دو بعدی و سه بعدی، تحلیل‌های دقیقی را از شرایط تنش اطراف حفریات زیرزمینی و عکس‌العمل سیستم‌های نگهداری ارائه می‌کنند. از پرکاربردترین نرم افزارهای تحلیل و طراحی تونل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- RocSupport
- Phase2
- FLAC
- Plaxis
- VISAGE