اجرای مطالعات زمین شناسی به منظور ارزیابی محل‌های پیشنهادی برای اجرای پروژه، یکی از مهمترین اصول مهندسی تونل به حساب می‌آید. در این مرحله، پارامترهای کنترل‌کننده رفتار توده سنگ نظیر ابعاد بلوک‌های سنگی (فاصله‌داری درزه‌ها)، نواحی ضعیف، وضعیت کمر پایین و کمر بالا، نواحی برشی، نواحی هوازده، سطح آب زیرزمینی، الگوی جریان آب، فشار آب، دمای محیط، گازهای موجود و میزان لرزه‌خیزی محل توسط زمین‌شناسان ارزیابی میشوند و عدم قطعیت‌های موجود مورد بررسی قرار می‌گیرند.
نتایج حاصل از مطالعات زمین شناسی، کاربردهای گسترده‌‌ای در فعالیت‌های تونلسازی دارند. از مهمترین این کاربردها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- انتخاب مسیر تونل (راستای تونل)
- انتخاب روش حفاری
- انتخاب طراحی تونل
- تخمین هزینه و تحلیل پایداری
- ارزیابی پیامدهای زیست محیطی
اطلاعات مورد نیاز برای هر یک از فعالیت‌های بالا، برای هر پروژه‌های مختلف متفاوت هستند. از این‌رو، مطالعات زمین شناسی در سه فاز مقدماتی، تفصیلی و تکمیلی انجام میشوند تا اطلاعات مورد نیاز برای پروژه مورد نظر به دست بیاید.
مطالعات مقدماتی زمین شناسی
مطالعات زمین شناسی پیش از برنامه‌ریزی پروژه و به منظور دستیابی به اطلاعات زیر انجام می‌گیرند:
- توپوگرافی منطقه
- سنگ‌شناسی منطقه (جنس، موقعیت و ضخامت)
- وضعیت هیدروژئولوژی (عمق سطح آب زیرزمینی، امکان وجود سفره‌های آب زیرزمینی و غیره)
- ساختمان سنگ‌های منطقه (درز، شکست، چین‌خوردگی، صفحات برش و غیره)
در طی مطالعات این مرحله، محل قرارگیری سنگ‌های مناسب برای ساخت تونل نظیر سنگ آهک نیز مشخص می‌شود. مهندسان و طراحان با استفاده از اطلاعات به دست آمده، مجموعه‌ای از روش‌های مناسب را پیشنهاد می‌کنند.
مطالعات تفصیلی زمین شناسی
در مرحله مطالعات تفصیلی، اطلاعات دقیق‌تری از مشخصات زمین شناسی ناحیه به دست می‌آید. در این مرحله که با فاصله کمی از مرحله مطالعات مقدماتی انجام می‌شود، نمونه‌های حاصل از حفر گمانه، چاه و تونل‌های آزمایشی (با ابعاد کوچک)، برای تعیین پارامترهای زیر در آزمایشگاه مورد بررسی قرار می‌گیرند:
- ترکیب کانی‌شناسی
- مقادیر استحکام (مقاومت برشی، فشاری، کششی و خمشی)
- مدول الاستیسیته
- تخلخل و نفوذپذیری
- مشخصات شیمیایی
پروفیل زمین شناسی تونل چیست؟
داده‌های به دست آمده در مطالعات زمین‌شناسی از پارامترهای مهم برای اجرای تحلیل پایداری، طراحی تونل و طراحی سیستم نگهداری هستند. اطلاعات به دست آمده دو مرحله مقدماتی و تفصیلی، به منظور رسم پروفیل زمین شناسی تونل مورد استفاده قرار می‌گیرند. پروفیل زمین شناسی تونل، مهمترین و تنها گزارش کاربردی برای مهندس تونل محسوب می‌شود.
(با وجود یکنواخت بودن جنس مسیر، مشخصات درز و گسل‌ها، اجرای تونل را تحت تاثیر قرار خواهند داد)
از اطلاعات موجود در پروفیل زمین شناسی تونل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- محل و عمق حفاری گمانه‌های اکتشافی
- جنس زمین و مشخصات ژئومکانیکی آن (تحکیم یافتگی، میزان هوازدگی، سطح درزه‌داری)
- ساختمان زمین با جزئیات کامل (لایه‌ای یا توده‌ای، افقی یا شیب‌دار، چین‌خوردگی، گسل‌خوردگی)
- شرایط آب زیرزمینی (محل قرارگیری خط سطح آب زیرزمینی نسب به محور تونل، محل قرارگیری سفره‌ها)
- شرایط دمای زمین در راستای محور تونل
مطالعات تکمیلی زمین شناسی
مطالعات زمین شناسی در دو مرحله قبلی به پایان نمی‌رسند. در حین حفاری تونل، بسیاری از عدم قطعیت‌های موجود در مطالعات قبلی برطرف میشوند و داده‌های بیشتر و واقعی‌تری از شرایط موجود به دست می‌آیند. اطلاعات به دست آمده در حین حفاری، به اعتبارسنجی مراحل قبلی و پیش بینی بهتر شرایط پیش رو کمک می‌کنند.
نمونه‌های مورد نیاز برای انجام مطالعات تکمیلی از حفاری تونل‌هایی با مقطع کوچک‌تر و طول کم بر روی جبهه‌کار فعلی حاصل میشوند. البته مشاهده بصری شرایط محل حفاری شده نیز اطلاعات خوبی را در اختیار مهندسان قرار می‌دهد. با استفاده از این اطلاعات، نیاز به تغییر برنامه‌های اجرایی، طراحی تونل یا طراحی نگهداری مورد بررسی و بحث قرار می‌گیرد.
مطالعات زمین شناسی در زمین های نرم
مطالعات زمین شناسی برای تونلسازی در خاک نرم اغلب به منظور دستیابی به اهداف زیر انجام می‌شود:
- تهیه پروفیل زمین شناسی در راستای محور مرکزی تونل پیشنهادی
- به دست آوردن داده‌های دقیق از مشخصات لیتولوژی و نحوه تشکیل رسوبات
- ارزیابی دقیق شرایط آب زیرزمینی و اثرات آن بر محور تونل
با استفاده از پروفیل زمین‌شناسی، انواع خاک‌های موجود در مسیر تونل مشخص میشوند. این پروفیل، به منظور تعیین بارهای اعمال شده در طول مسیر، طراحی تونل، روش اجرا، نوع و میزان اقدامات ایمنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین ترتیب، تاثیر لایه‌های رسوبی و شرایط آب زیرزمینی، به عنوان مهمترین عوامل مخرب در تونل‌های خاکی نیز بررسی میشوند.