اصول مهندسی تونل

مهندسی تونل یکی از حوزه‌های مهندسی عمران – ژئوتکنیک و از گرایش‌های کارشناشی ارشد مهندسی معدن است که به مطالعه روش‌های تحلیل، طراحی و اجرای فضاهای زیرزمینی می‌پردازد. مهندسی تونل ارتباط نزدیکی با مفاهیم مقاومت مصالح، مکانیک خاک، مکانیک سنگ و بهسازی زمین دارد. به دلیل اهیمت بالای این مبحث در پروژه‌های تونلسازی، قصد داریم اصول مهندسی تونل و حفر فضاهای زیرزمینی را در این مقاله آموزش دهیم. در طی این آموزش، برخی از تعاریف ابتدایی، انواع، مطالعات زمین شناسی، مبانی طراحی، روش‌های اجرا، سیستم‌های نگهداری و خدمات فنی را به همراه بهترین منابع و کتاب های اصول مهندسی تونل معرفی می‌کنیم.

اصول مهندسی تونل

تونل چیست؟

«تونل» (Tunnel)، مسیر زیرزمینی یا دور پوشیده‌ای است که به منظور عبور انسان‌ها، ماشین‌آلات، تاسیسات و مصالح مورد استفاده قرار می‌گیرد. تونل‌ها به صورت طبیعی یا مصنوعی ساخته می‌شوند. مسیرهای حفر شده در زیرِ زمین، نزدیک به سطح زمین، درون کوه‌ها و زیر آب را می‌توان به عنوان مثال‌هایی از تونل در نظر گرفت. تونل‌ها دارای انواع مختلف با کاربری‌های متنوع در حوزه‌های مهندسی (عمران، معدن)، نظامی و محیط زیست هستند.

مهندسی تونل چیست و مهندس تونل کیست؟

مهندسی تونل، یکی از گرایش‌های تخصصی مهندسی ژئوتکنیک و معدن است که اصول مورد نیاز برای مطالعه رفتار حفریات زیرزمینی در شرایط بارگذاری مختلف را در اختیار مهندسان قرار می‌دهد. مهندس تونل، کارشناسی است که با استفاده از اصول مهندسی تونل به تحقیق، تحلیل، طراحی و اجرای حفریات زیرزمینی می‌پردازد. برای آشنایی بهتر با اصول مهندسی تونل ابتدا باید با ویژگی‌ها، کاربردها و انواع تونل آشنا شد.

مزایای تونل چیست؟

از مهمترین مزایای ساخت تونل در مقایسه با دیگر روش‌های راه‌سازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• در عمق‌های زیاد، تونلسازی هزینه کمتری نسبت به روش‌های خاکبرداری دارد.
• ساخت تونل در اعماق زیاد، مشکلی را برای انجام فعالیت‌های روی زمین ایجاد نمی‌کند.
• تونلسازی، از سرعت اجرای بالا و مصرف پایین انرژی بهره می‌برد.
• اجرای تونل، آلوگی صوتی کمتری دارد.
• بارش برف و خطرات ناشی از یخ‌زدگی در ارتفاعات بالا، هیچ تداخلی را در فرآیند ساخت تونل ایجاد نمی‌کنند.
• ساخت تونل با شیب مناسب، هزینه حمل و نقل را کاهش می‌دهد.
• حمل و نقل عمومی با استفاده از تونل، مزیت‌های بیشتری نسبت به پل دارد.
• تونل از خطرات ناشی از انفجارهای سطحی در امان است.

انواع تونل کدام هستند؟

معیارهای مختلفی نظیر جنس محیط، راستای مسیر، شکل سطح مقطع و کاربری برای تقسیم‌بندی انواع تونل مورد استفاده قرار می‌گیرند. تونل‌ها بر اساس جنس محیط دربرگیرنده به انواع خاکی، سنگی، با مصالح پرکننده، آبی و شنی تقسیم‌بندی می‌شود. اجرای این مسیرها معمولا با راستای مستقیم یا کفی، مارپیچی و شیب‌دار صورت می‌گیرد. به علاوه، تونل‌ها را می‌توان با سطح مقطع دایره‌ای، مستطیلی، بیضوی، نعلی، تخم مرغی و چندمرکزی ساخت. این سازه‌های مهندسی دارای کاربردهای متنوعی در زمینه راهسازی (جاده، راه‌آهن، مترو)، معدنکاری، انتقال آب، انحراف آب (سدسازی) و توزیع خدمات شهری هستند. در ادامه به توضیح بیشتر انواع تونل بر اساس کاربرد می‌پردازیم.

تونل معدنی چیست؟

استخراج ذخایر معدنی معمولا به دو روش سطحی و زیرزمینی انجام می‌گیرد. تونل، یکی از بخش‌های ثابت در اکثر معادن زیرزمینی است. تونل های معدنی به منظور جابجایی کارکنان (ورود و خروج)، اتصال طبقات مختلف به یکدیگر (رمپ)، دسترسی به کارگاه‌ها، حرکت ماشین‌آلات و انتقال مواد استخراجی توسط تجهیزات باربری (لوکوموتیو، واگن، نوار نقاله و غیره) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تونل راه یا تونل حمل و نقل چیست؟

استفاده از تونل برای عبور و مرور وسایل نقیله را می‌توان به عنوان شناخته‌شده‌ترین کاربرد این سازه مهندسی در نظر گرفت. ساخت تونل راه معمولا درون بلندی‌ها (کوه، تپه)، زیرِ زمین و حتی زیرِ آب انجام می‌گیرد. هدف اصلی از اجرای این نوع تونل، ایجاد مسیرهای مستقیم با عبور از داخل موانع (اتصال نقاط مختلف با کمترین فاصله ممکن) و افزایش سرعت جابجایی وسایل نقلیه است. به این ترتیب، هزینه اجرای جاده‌های پیچیده و حجم ترافیک ناشی از سرعت پایین وسایل نقلیه کاهش می‌یابد. تونل مترو و تونل راه آهن نیز از دیگر انواع تونل‌های حمل و نقل هستند که به منظور جابجایی افراد یا باربری مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تونل انتقال آب چیست؟

تونل انتقال آب، همان طور که از نامش پیداست، به منظور انتقال آب برای مصارف خانگی، صنعتی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته برخی از تونل‌های انتقال آب، برای مقاصد محیط زیستی نیز کاربرد دارند. به عنوان مثال، هدف از احداث تونل انتقال آب کانی سیب، احیای دریاچه ارومیه است.

تونل انحراف آب چیست؟

یکی دیگر از کاربردهای تونل، انحراف جریان آب رودخانه در هنگام ساخت سد است. به تونل‌های حفر شده برای این منظور، «تونل انحراف» (Diversion Tunnel) می‌گویند. تونل‌های انحراف برای کاربری‌های موقتی یا دائمی ساخته می‌شوند. برخی از این تونل‌ها به منظور هدایت آب جهت تامین آب مورد نیاز مصارف خانگی، صنعتی و کشاورزی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تونل تاسیسات شهری چیست؟

تونل تاسیسات شهری، یکی دیگر از انواع تونل‌ها است که در انتقال برق، گاز، آب (تاسیسات بهداشتی ساختمان)، فاضلاب و دیگر خدمات شهری کاربرد دارد. به کارگیری تونل تاسیسات شهری، علاوه بر جلوگیری از اشغال کردن اضافی فضای شهر توسط کابل‌ها و لوله‌ها، مانع از آسیب رسیدن به این تجهیزات در شرایط آب و هوایی یا توسط عوامل دیگر می‌شود. قنات یا کاریز را می‌توان به عنوان یکی از نمونه‌های سنتی تونل انتقال آب و تاسیسات شهری در نظر گرفت.

مراحل ساخت تونل چه هستند؟

اصول مهندسی تونل و اجرای حفریات زیرزمینی مشابه دیگر سازه‌های مهندسی است. تونل طی مطالعه ساختگاه، تحلیل، طراحی، تجهیز کارگاه، حفاری (سنتی یا مکانیزه)، نصب سیستم نگهداری و اجرای تاسیسات (خدمات فنی) ساخته می‌شود. در ادامه، به معرفی اجمالی برخی از مهم‌ترین مراحل ساخت تونل می‌پردازیم.

مطالعات زمین شناسی مهمترین اصول مهندسی تونل و  تونل سازی

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 تونل سازی 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.

اصول مهندسی تونل

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.

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 تونل سازی 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.

طراحی و اصول مهندسی تونل تونل چگونه انجام می‌شود؟

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 اصول مهندسی تونل و 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 تونل سازی 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

سیستم نگهداری تونل چیست؟

«سیستم نگهداری تونل» (Tunnel Support System)، مجموعه المان‌های موقتی یا دائمی است که به منظور تامین پایداری تونل و فراهم کردن شرایط مناسب برای استفاده از فضاهای حفر شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف اصلی سیستم نگهداری به کاربری مورد انتظار از تونل بستگی دارد. به طور کلی، سیستم های نگهداری تونل به دو گروه اصلی سیستم نگهداری موقت و دائم تقسیم می‌شوند:

سیستم نگهداری موقت

المان‌های تقویت‌کننده‌ای هستند که برای نگهداری سطح تونل از زمان حفاری تا نصب سیستم نگهداری دائم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیستم نگهداری دائم

المان‌های تقویت‌کننده‌ای که وظیفه نگهداری از سطح تونل در طولانی مدت (سرویس‌دهی) را برعهده دارند.

اصول مهندسی تونل نوین، هیچ مرز مشخصی را بین طراحی سیستم نگهداری موقت و دائم مشخص نمی‌کند. به همین دلیل، بر اساس دسته‌بندی جدید، سیستم‌های نگهداری تونل را می‌توان به دو گروه سیستم‌های اولیه (اصلی) و ثانویه (فرعی) تقسیم کرد:

سیستم نگهداری اصلی یا سیستم نگهداری اولیه

اولین سیستم‌های نصب شده بر روی سطح تونل هستند که تمام یا بخش عمده‌ای از بارهای اعمال را تحمل می‌کنند. این سیستم‌های نگهداری، تغییر شکل‌های داخل تونل را کنترل می‌کنند و احتمال رخ دادن مشکل برای سازه‌های روی زمین یا مجاور تونل را به حداقل می‌رسانند.

سیستم نگهداری فرعی یا سیستم نگهداری ثانویه

هر پوششی یا اصطلاحا لاینینگ نصب شده بر روی سیستم اولیه با عنوان سیستم ثانویه شناخته می‌شود. این سیستم‌ها معمولا به منظور فراهم کردن قابلیت‌های بیشتر نظیر آب‌بندی دیواره تونل یا مسائل محیط زیستی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

راه سازی جهان نما

راه سازی جهان نما فعال در زمینه ی مجری عملیات خاک برداری و راه سازی، مخلوط ریزی و تهیه آسفالت گرم، فروش و تهیه مصالح ساختمانی در خدمت هموطنان عزیز در جای جای این سرزمین می باشد. عمده فعالیت شرکت ما به دلیل سابقه ی طولانی در استان تهران و مناطق دماوند، رودهن، پردیس و لواسانات (لواسان)‌ می باشد. تیم ما شامل مهندسین ماهر و تحصیل کرده می باشد و این موضوع باعث افتخار ماست تا با دانش کاملا بروز به خدمت رسانی به هموطنان عزیز بپردازیم.

شماره تماس:
موبایل 09124707416
موبایل 09011061426
دفترکار 02176392446