عمران، مهندسی ۲۸۲۱ بازدید

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.

فهرست مطالب این نوشته

تونل چیست؟

«تونل» (Tunnel)، مسیر زیرزمینی یا دورپوشیده‌ای 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.

تونل مترو، یکی از کاربردهای حفاری زیرزمینی برای ساخت مسیر حمل و نقل عمومی است.
تونل مترو، یکی از کاربردهای حفاری زیرزمینی برای ساخت مسیر حمل و نقل عمومی است.

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.

مهندس تونل، باید اطلاعات کافی در زمینه مباحث فنی، اجرایی و ایمنی تونلسازی را داشته باشد.
مهندس تونل، باید اطلاعات کافی در زمینه مباحث فنی، اجرایی و ایمنی تونلسازی را داشته باشد.

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.

حفر تونل، بخش جدایی‌ناپذیر اکثر روش‌های استخراج زیرزمینی مواد معدنی است.
حفر تونل، بخش جدایی‌ناپذیر اکثر روش‌های استخراج زیرزمینی مواد معدنی است.

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، حمل و نقل در مسیرهای کوهستانی را ساده می‌کند.
تونل، حمل و نقل در مسیرهای کوهستانی را ساده می‌کند.

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 انتقال آب از سد آزاد کردستان به دشت قروه
تونل انتقال آب از سد آزاد کردستان به دشت قروه

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.

حفر تونل انحراف آب، زمینه اجرای عملیات‌های سدسازی بدون مزاحمت جریان رودخانه را فراهم می‌کند.
حفر تونل انحراف آب، زمینه اجرای عملیات‌های سدسازی بدون مزاحمت جریان رودخانه را فراهم می‌کند.

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.

بدون احداث تونل تاسیسات، چهره شهر شلوغ و انجام عملیات‌های تعمیر و نگهداری دشوار می‌شود.
بدون احداث تونل تاسیسات، چهره شهر شلوغ و انجام عملیات‌های تعمیر و نگهداری دشوار می‌شود.

حفر چاه و فضاهای زیرزمینی، یکی از دروس مهم رشته‌های مهندسی معدن، مکانیک سنگ و تونلسازی است. فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را به منظور آشنایی دانشجویان، فارغ‌التحصیلان و داوطلبان کنکور کارشناسی ارشد با اصول مهندسی تونل آماده کرده است که می‌تواند شما را در یادگیری مباحث مهم حفاری فضاهای زیرزمینی آشنا کند. لینک سرفصل‌ها و جزئیات این آموزش در ادامه آورده شده است.

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 برای تونلسازی

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.

مغزه‌های گرفته شده از زمین محل پیشنهادی برای حفر تونل، برای انجام آزمایش و تعیین خواص ژئومکانیکی استفاده می‌شوند.
مغزه‌های گرفته شده از زمین محل پیشنهادی برای حفر تونل، برای انجام آزمایش و تعیین خواص ژئومکانیکی استفاده می‌شوند.

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:

در صورت وجود آزمایشگاه در فاصله کم از محل نمونه‌برداری، تعیین پارامترهای بالا با آزمون‌های آزمایشگاهی انجام می‌گیرد. با این وجود، در برخی از پروژه‌های عمرانی، نمونه‌ها به صورت برجا و مستقیم آزمایش می‌شوند. فرادرس، به منظور آشنایی دانشجویان و مهندسان با روند اجرای آزمایش‌های صحرایی و آزمایشگاهی به عنوان یکی از مهم‌ترین مراحل اجرای پروژه‌های عمرانی و معدنی، دو فیلم آموزشی کاربردی را در زمینه متداول‌ترین آزمایش‌های صحرایی تهیه کرده است. برای مشاهده جزئیات این فرادرس‌ها بر روی عنوان آن‌ها کلیک کنید:

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.

نمونه‌ای از پروفیل زمین شناسی رسم شده بر اساس مطالعات تفصیلی (با وجود یکنواخت بودن جنس مسیر، مشخصات درز و گسل‌ها، اجرای تونل را تحت تاثیر قرار خواهند داد)
نمونه‌ای از پروفیل زمین شناسی رسم شده بر اساس مطالعات تفصیلی (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.

اجرای مطالعات زمین‌شناسی، بخش جدایی‌ناپذیر اکثر پروژه‌های عمرانی است. درس‌های متعددی نیز در مقاطع کارشناسی، کارشناسی ارشد و دکتری برای آموزش مبانی و اصول این مطالعات اختصاص یافته‌اند. به منظور آشنایی دانشجویان و مهندسان با این دروس، فرادرس، چندین فیلم آموزشی جامع و کاربردی را با کمک اساتید مجرب تهیه کرده است. لینک جزئیات عناوین موجود در این مجموعه در ادامه آورده شده است.

طراحی 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 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:

$$
Q=\frac{R Q D}{J_{n}} \times \frac{J_{r}}{J_{n}} \times \frac{J_{w}}{S R F}
$$

  • 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.

گراف سیستم Q رده بندی توده سنگ
برای مشاهده گراف در ابعاد اصلی + اینجا کلیک کنید.

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.

تمرکز تنش و ایجاد تنش‌های القایی در اطراف یک تونل (خروجی نرم افزار تحلیل عددی)
تمرکز تنش و ایجاد تنش‌های القایی در اطراف یک تونل (خروجی نرم افزار تحلیل عددی)

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

در رابطه با یادگیری اصول مهندسی تونل، یک فیلم آموزشی جامع در مجموعه فرادرس تهیه شده است که می‌تواند شما را با تمامی مباحث موجود در این حوزه آشنا کند. لینک جزئیات و سرفصل‌های این فیلم در ادامه آورده شده است.

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.
سیستم پایدارسازی چتری، یکی از روش‌های پیش نگهداری در محیط‌های نرم
سیستم پایدارسازی چتری، یکی از روش‌های پیش نگهداری در محیط‌های نرم

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.

انواع سیستم های نگهداری تونل کدام هستند؟

سیستم های نگهداری تونل، معمولا با توجه به جنس محیط (سنگ یا خاک) انتخاب می‌شوند. از متداول‌ترین سیستم‌های نگهداری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • نگهداری موقت
    • بتن‌پاشی یا شاتکریت
    • مش بندی یا استفاده از تورهای سیمی
    • تقویت سنگ
    • چوب بست
    • قاب‌گذاری
    • پایدارسازی چتری
  • نگهداری دائم
    • لاینینگ (سگمنت‌های ساخته شده از جنس بتن، فولاد، چدن)
    • برخی از راک بولت‌ها
بتن پاشی بر روی سطح تونل (سیستم مش و شاتکریت) برای تامین نگهداری اولیه
بتن پاشی بر روی سطح تونل (سیستم مش و شاتکریت) برای تامین نگهداری اولیه

سیستم نگهداری تونل سنگی و خاکی

استفاده از راک بولت، قاب فولادی و شاتکریت از متدوال‌ترین روش‌های نگهداری تونل‌های سنگی با استفاده از سیستم‌های اولیه هستند. استفاده از سیستم‌های نگهداری ثانویه در تونل‌های سنگی به کاربری و استحکام (خودنگهداری) تونل بستگی دارد. در طرف مقابل، تونل‌های خاکی از استحکام پایین برخوردارند. این تونل‌ها نیازمند نظارت مداوم در حین حفاری و به کارگیری سیستم‌های نگهداری اولیه و ثانویه هستند. جدول زیر، لزوم اجرای نگهداری اصلی در تونل‌های سنگی با مشخصات ژئومکانیکی مختلف را نمایش می‌دهد.

سیستم نگهداری کیفیت سنگ امکان اجرای سیستم نگهداری
راک بولت خوب بله
مناسب بله
بد بستگی به شرایط (ترجیحا خیر)
خیلی بد خیر
شاتکریت خوب بله
مناسب بله
بد بله
خیلی بد بستگی به شرایط (ترجیحا بله)
قاب فولادی خوب بله
مناسب بله
بد بله
خیلی بد بله

جدول زیر نیز، ویژگی‌های به کارگیری سیستم‌های نگهداری اصلی در تونل‌های خاکی را توضیح می‌دهد.

سیستم نگهداری مشخصات
سگمنت فولادی با راک بولت
  • اجرا در محیط‌هایی با خاک ضعیف
  • هزینه‌بر در خاک‌های دیگر
  • پوشش با غشا ضد خوردگی
  • عدم نیاز به لاینینگ ثانویه
سگمنت چدنی با راک بولت
  • اجرا در محیط‌هایی با خاک نرم و حفاری مکانیزه
  • بدون نیاز به نگهداری ثانویه برای محافظت در برابر خوردگی
سگمنت بتنی با راک بولت
  • اجرا در محیط‌هایی با خاک ضعیف
  • نیاز به نگهداری ثانویه برای محافظت در برابر خوردگی
سگمنت بتنی بدون راک بولت
  • اجرا در محیط‌های خاکی با زمان خودنگهداری بالا (مانند رس سخت)
  • بدون نیاز به نگهداری ثانویه برای محافظت در برابر خوردگی
مش فولادی با پشت چینی چوبی یا صفحات فلزی انعطاف‌پذیری بالا برای اجرا در انواع محیط‌های خاکی مانند ماسه‌های روان
صفحات فلزی بدون مش فقط برای تونل‌هایی با قطر کوچک
شاتکریت
  • اجرا در خاک‌هایی با زمان خودنگهداری بسیار بالا
  • بدون نیاز به نگهداری ثانویه
  • عدم استحکام کافی برای تحمل فشار سپر حفار مکانیزه
بتن پیش ساخته
  • استحکام کافی برای تحمل فشار سپر حفار مکانیزه
  • بدون نیاز به نگهداری ثانویه فقط برای تونل‌هایی با قطر کوچک در خاک خوب

عوامل موثر بر انتخاب سیستم نگهداری تونل کدام هستند؟

انتخاب سیستم نگهداری مناسب برای تونل معمولا در دو فاز طراحی مقدماتی و طراحی تفصیلی انجام می‌گیرد. پارامترهایی نظیر عمق تونل، جهت‌گیری تونل، هندسه تونل، وضعیت محیط بیرونی و شرایط آب زیرزمینی (میزان نیاز به آب‌بندی) از عوامل موثر بر طراحی مقدماتی سیستم نگهداری هستند. در انتهای این مرحله، گزینه‌های مناسب امتیازدهی و انتخاب می‌شوند. سپس، طراحی تفصیلی به منظور انتخاب روش دقیق اجرا و نصب سیستم نگهداری با توجه به جزئیات زمین شناسی، مسیر احتمالی، انواع مواد موجود در طی مسیر و غیره انجام می‌گیرد. به این ترتیب، مناسب‌ترین گزینه از نظر فنی و اقتصادی انتخاب می‌شود.

آشنایی با نرم افزارهای تخصصی، یکی از مهم‌ترین مهارت های مهندسی عمران است که می‌تواند آینده شغلی شما را بهبود ببخشد. به منظور کسب این مهارت، فراردرس، یک فیلم آموزشی در زمینه طراحی سیستم نگهداری تونل تهیه کرده است. برای مشاهده جزئیات این فرادرس بر روی عنوان آن کلیک کنید:

آموزش بالا، تنها یکی از عنوان‌های مجموعه فیلم‌های آموزش نرم افزارهای مهندسی عمران است.

تونل چگونه ساخته می شود ؟

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.

خرج‌گذاری چال‌های حفر شده و نصب چاشنی‌های آن‌ها
خرج‌گذاری چال‌های حفر شده و نصب چاشنی‌های آن‌ها

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.

چالزنی سطح مقطع تونل با جامبو دریل در روش NATM
چالزنی سطح مقطع تونل با جامبو دریل در روش NATM

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.

کندن مواد نسبتا نرم از سطح مقطع تعیین شده برای تونل توسط رودهدر
کندن مواد نسبتا نرم از سطح مقطع تعیین شده برای تونل توسط رودهدر

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.

کند مواد نسبتا سخت از سطح مقطع تونل توسط چکش هیدرولکی
کند مواد نسبتا سخت از سطح مقطع تونل توسط چکش هیدرولکی

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.

نمایی از سری حفار یک دستگاه TBM
نمایی از سری حفار یک دستگاه TBM

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.
نمای شماتیک از یک تونل زیرزمینی دو طبقه ساخته شده به روش کند و پوش
نمای شماتیک از یک تونل زیرزمینی دو طبقه ساخته شده به روش کند و پوش

مراحل کلی روش کند و پوش برای ساخت تونل طبقاتی بالا عبارت هستند از:

  1. اجرای دیوار حائل بتنی
  2. گودبرداری تا رسیدن به عمق مشخص (سقف تونل)
  3. نصب تیر نگهدارنده برای تحمل فشار جانبی بین دو دیوار
  4. نصب عرشه در تراز زمین و دال بتنی زیر تیر نگهدارنده
  5. ادامه گودبرداری، نصب تیر نگهدارنده، دال کف طبقه بالا و تیر نگهدارنده بعدی و دال کف تونل
  6. نصب دال دیواره تونل
  7. 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.
نمونه‌ای از یک تونل زیرآبی ساخته شده برای مقاصد تفریحی و گردشگری
نمونه‌ای از یک تونل زیرآبی ساخته شده برای مقاصد تفریحی و گردشگری

فرادرس، چندین فیلم آموزشی جامع و کاربردی را به منظور آشنایی دانشجویان و مهندسان با دروس ژئوتکنیکی و اصول مهندسی تونل تهیه کرده است. مشاهده این آموزش‌ها می‌تواند زمینه یادگیری بهتر اصول مهندسی تونل را برای شما فراهم کند. لینک این مجموعه در ادامه آورده شده است.

خدمات فنی تونل چه هستند؟

خدمات فنی و تاسیسات تونل، سیستم‌هایی هستند که به منظور عملکرد مناسب حفریات زیرزمینی به طور موقت یا دائم نصب می‌شوند. از اصلی‌ترین خدمات فنی تونل می‌توان به سیستم تهویه، سیستم روشنایی و سیستم آبکشی اشاره کرد. طراحی مناسب این سیستم‌ها برای اجرای حفریات زیرزمینی، به عنوان یکی دیگر از مهم‌ترین اصول مهندسی تونل در نظر گرفته می‌شود.

سیستم تهویه تونل چیست؟

سیستم تهویه تونل، مجموعه‌ای از تجهیزات و سازه‌های مورد استفاده نظیر جت فن، شفت یا لوله برای تامین هوای سالم و دمای مناسب برای محیط داخلی تونل است. تونل‌ها گذشته از کاربریشان (عمرانی یا معدنی)، همیشه با مشکل وجود گازهای سمی و هوای راکد مواجه هستند. این مشکل با طراحی و اجرای سیستم تهویه مناسب حل می‌شود. در اغلب تونل‌ها، جت فن به عنوان اصلی‌ترین دستگاه برای به جریان انداختن هوای داخل تونل و کاهش میزان گازهای سمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته پارامترهایی مانند توان جت فن، تعداد و محل قرارگیری آن با توجه به ابعاد تونل، ترافیک مورد انتظار (تونل‌های ترابری)، حجم انفجار (تونل‌های معدنی) و غیره طراحی می‌شوند.

نمونه‌ای از جت فن‌های مورد استفاده در تونل مترو
نمونه‌ای از جت فن‌های مورد استفاده در تونل مترو

سیستم تهویه برای متعادل کردن دما تونل و خروج گازهای ناشی از آتش‌سوزی کاربرد دارد. معمولا علاوه بر طراحی سیستم تهویه اصلی، سیستم تهویه اضطراری نیز برای شرایط پیش بینی نشده (آتش‌سوزی، ترافیک سنگین و غیره) در نظر گرفته می‌شود. به طور کلی، این سیستم فقط برای زمان بهره‌برداری از تونل نیست و فضای حفر شده در حین عملیات‌های اجرایی نیز باید از هوای تازه و دمای مناسب برخوردار باشد. در غیر اینصورت، احتمال عملکرد نامناسب کارکنان و وارد شدن خسارت‌های جانبی و مالی شدید افزایش می‌یابد.

سیستم روشنایی تونل چیست؟

سیستم روشنایی، یکی دیگر از تاسیسات مورد استفاده برای عملکرد مناسب تونل است. در اغلب موارد، امکان بهره‌گیری از نور طبیعی در فضای داخلی تونل وجود ندارد. از این‌رو، مهندسان ملزم به طراحی سیستم روشنایی برای فعالیت بهتر کارکنان (حین ساخت) و عملکرد مناسب تونل (حین بهره برداری) خواهند بود. این سیستم‌ها باید شرایط زیر را فراهم کنند:

  • روشنایی معمولی به منظور فراهم کردن دید مناسب برای افراد در روز و شب
  • روشنایی اضطراری به منظور فراهم کردن حداقل دید مورد نیاز برای خروج افراد از محل در هنگام قطع سراسری برق
  • روشنایی هدایت کننده به سمت بیرون تونل
سیستم روشنایی تونل راه
سیستم روشنایی تونل راه

سیستم آبکشی و زهکشی تونل چیست؟

بسیاری از تونل‌های زیرزمینی با مشکل نفوذ آب به درون فضای حفر شده مواجه هستند. در برخی از مواقع، حجم آب ورودی به اندازه‌ای است که عملیات‌های اجرایی را به طور کامل متوقف کرده و هزینه‌های زیادی را به پروژه وارد می‌کند. به همین دلیل، در حین حفاری تونل، سیستمی برای تخلیه آب (آبکشی) در نظر گرفته می‌شود. در تونل‌های شیب‌دار این کار توسط حفر جوی در کنار مسیر و هدایت آب با نیروی ثقلی انجام می‌گیرد. در تونل‌هایی که امکان بهره‌گیری از جریان ثقلی وجود نداشته باشد، معمولا سیستم پمپ و لوله به کار گرفته می‌شود.

مجموعه‌ای از خدمات فنی تونل (زهکشی، روشنایی و تهویه)
مجموعه‌ای از خدمات فنی تونل (زهکشی، روشنایی و تهویه)

تصویر بالا، سه سیستم زهکشی (لوله‌های سیاه در کف تونل)، روشنایی (چراغ‌های نصب شده بر روی دیواره تونل) و تهویه (داکت انتقال هوا در سقف) را نمایش می‌دهد. پس از اتمام حفاری، در صورت عدم درزبندی و احتمال نفوذ آب به درون تونل، سیستمی برای جمع‌آوری و خروج آب (زهکشی) در کف یا کنار‌های مسیر تعبیه می‌شود. در بخش‌های قبلی با کلیات اصول مهندسی تونل آشنا شدید. در بخش آخر، بهترین منابع و کتاب های یادگیری اصول مهندسی تونل را به شما معرفی می‌کنیم.

منابع و کتاب های اصول مهندسی تونل چه هستند؟

اهمیت استراتژیک تونلسازی در دنیای امروزی، باعث تمرکز زیاد مهندسان و محققان بر روی مبانی تئوری و عملی روش های ساخت تونل شده است. از این‌رو، منابع و کتاب‌های زیادی در زمینه اصول مهندسی تونل وجود دارند که می‌توانند دانشجویان، مهندسان و علاقه‌مندان را با این حوزه جذاب آشنا کنند. برخی از این منابع به صورت نوشتاری و برخی دیگر به صورت فیلم‌های آموزشی تهیه و ارائه شده‌اند. تنوع منابع اصول مهندسی تونل به قدری زیاد است که در اغلب موارد باعث سردرگمی علاقه‌مندان به یادگیری این حوزه می‌شود. برای رفع این مشکل، در این بخش، مجموعه‌ای از شناخته‌شده‌ترین، بهترین و جامع‌ترین کتاب‌ها و فیلم‌های آموزشی اصول مهندسی تونل را به شما معرفی می‌کنیم.

کتاب تونلسازی و مکانیک تونل: نگرشی منطقی به تونلسازی

کتاب تونلسازی و مکانیک تونل: نگرشی منطقی به تونلسازی

کتاب «تونلسازی و مکانیک تونل: نگرشی منطقی به تونلسازی» (Tunneling and Tunnel Mechanics: A Rational Approach to Tunneling)، اثر «دیمیتریوس کولیمباس» (Dimitrios Kolymbas) را می‌توان به عنوان یکی از منابع شناخته‌شده‌ترین منابع یادگیری اصول مهندسی تونل در نظر گرفت. کتاب کولیمباس توسط رحمان صمدزادگان ترجمه شده و در انتشارات نورپردازان به چاپ رسیده است. سرفصل‌های این کتاب عبارت هستند از:

  • مقدمه (مشخصات، مزایا، انواع، استانداردها و غیره)
  • نصب تاسیسات در تونل
  • بررسی و توصیف زمین
  • پیشروی
  • نگهداری
  • تزریق و یخبندان
  • روش NATM
  • مدیریت آب زیرزمینی
  • کاربرد هوای فشرده
  • حفر تونل زیر آب
  • شفت
  • ایمنی عملیات‌های اجرایی
  • رفتار خاک و سنگ
  • محدوده تنش و تغییر شکل در اطراف تونل
  • عکس‌العمل تکیه‌گاهی میل‌مهار/پیچ‌سنگ
  • طراحی تونل‌های کم عمق
  • پایداری سطح حفریات
  • تاثیر زلزله بر تونل
  • نشست سطح زمین
  • مشکلات پایداری در تونلسازی
  • مانیتورینگ و ابزار دقیق
  • تحلیل عددی تونل

کتاب تونلسازی حسن مدنی

کتاب تونلسازی حسن مدنی

یکی دیگر از منابع اصلی یادگیری اصول مهندسی تونل در دانشگاه‌ها، مجموعه پنج جلدی تونلسازی، اثر حسن مدنی است. جلد‌های اول تا پنجم این کتاب به ترتیب به آموزش حفاری و اجرا، خدمات فنی، تحلیل پایداری، طراحی سیستم نگهداری و ایمنی می‌پردازد. بخش‌های مختلف هر جلد عبارت هستند از:

  1. جلد اول: حفاری و اجرا
    1. مطالعه ساختگاه و طراحی تونل
    2. حفر تونل به روش آتشباری
    3. کنترل مسیر تونل و حمل مواد حفاری شده
    4. حفر تونل به وسیله ماشین
  2. جلد دوم: خدمات فنی
    1. عوامل آلوده‌کننده هوای تونل‌ها
    2. تهویه تونل‌ها در مرحله حفاری
    3. تهویه تونل‌ها در مرحله بهره‌برداری
    4. تامین روشنایی در تونل‌ها
    5. سایر خدمات فنی (سیستم برق، آتش‌نشانی و آبکشی)
  3. جلد سوم: تحلیل پایداری
    1. خواص مهندسی سنگ‌ها
    2. تحلیل تنش در تونل‌ها
    3. بررسی پایداری
  4. جلد چهارم: طراحی و اجرای سیستم نگهداری
    1. روش‌های طراحی سیستم نگهداری
    2. اجرای انواع سیستم‌های نگهداری
  5. جلد پنجم: ایمنی
    1. آتش‌سوزی در تونل‌ها
    2. تجهیزات ایمنی
    3. بازرسی از تونل‌ها

فیلم آموزش اصول مهندسی تونل

آموزش مهندسی تونل

مهندسی تونل، علمی است که با در نظر گرفتن شرایط زمین، امکان ساخت مسیرهای زیرزمینی برای کاربری‌های متنوع را فراهم می‌کند. تونل‌ها به عنوان یکی از پرکاربردترین سازه‌های مهندسی، از اهمیت ویژه‌ای در توسعه یک کشور برخوردار هستند. مهندسان معدن و ژئوتکنیک باید با اصول مهندسی تونل در سطوح مقدماتی تا پیشرفته آشنا باشند. یادگیری صحیح این اصول، نیازمند تهیه یک منبع جامع و کامل است. به این منظور، فرادرس، یک فیلم آموزشی کاربردی را برای دانشجویان و فارغ‌التحصیلان مهندسی ژئوتکنیک و معدن تهیه کرده است. آموزش مذکور، به مدت 20 ساعت در قالب 21 درس، اصول مهندسی تونل را آموزش می‌دهد.

درس‌های یکم تا بیست و یکم این فرادرس، مباحثی نظیر تعریف سازه‌های زیرزمینی، پارامترهای موثر بر تونلسازی، رده‌بندی‌های مکانیک سنگ، روش‌های اندازه‌گیری پارامترهای مکانیکی، مبانی حفاری، حائل بندی، محاسبات طراحی تونل، رسم منحنی مشخصه، روش اجزای محدو برای طراحی تونل، روش واکنش‌های هایپراستاتیک، بررسی تنش‌های ژئواستاتیک، پوشش‌های تونل، تونل‌های تحت فشار، حفاری با انفجار، حائل بندی، میل‌مهار، تونل‌های آبدار، روش حفاری NATM، تزریق، ابزار دقیق و حفاری تونل در محیط‌های نرم مورد بررسی قرار می‌گیرند.

کتاب تونلسازی منیر عباسی

کتاب تونلسازی منیر عباسی

کتاب تونل سازی اثر آرمین منیر عباسی و محمدرضا خانی‌مهرآبادی از دیگر کتاب‌های شناخته‌شده در زمینه اصول مهندسی تونل است. این کتاب در پنج فصل به توضیح مباحثی نظیر تاریخچه و مبانی تونلسازی، انواع روش‌های تونل‌سازی، نگهداری تونل‌ها، نگهداری دائم در حفاری مکانیزه (سگمنت)، مزایا، معایب و معیارهای انتخاب نوع تکنیک تونل‌سازی می‌پردازد.

دیگر کتاب های اصول مهندسی تونل

علاوه بر منابع و کتاب‌های بالا، کتاب‌های دیگری نیز در زمینه یادگیری اصول مهندسی تونل به چاپ رسیده‌اند که از شناخته‌شده‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • کتاب اصول مهندسی تونل از سهیل قره (انتشارات دانشگاه پیام نور)
  • کتاب اصول مهندسی تونل از حسن صادقی (انتشارات دانشگاه جامع امام حسین)

محدودیت های تونل چه هستند؟

در کنار تمام مزایا و ویژگی‌های معرفی شده، اجرای تونل محدودیت‌هایی دارد که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • هزینه سرمایه‌گذاری اولیه بالا نسبت به روش‌های روباز (خاکبرداری)
  • نیاز به نیروی کار ماهر، طراحان باتجربه و مهندسان زبده
  • نیاز به کنترل بالا از لحظه شروع پروژه تا اتمام آن
  • سطح بالای پیچیدگی و تخصصی بودن تجهیزات مورد استفاده و نحوه به کارگیری آن‌ها

یکی از مهم‌ترین وظایف مهندسان، در نظر گرفتن مزایا و معایب هر سازه به منظور انتخاب بهترین گزینه برای دستیابی به عملکرد مورد نیاز است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۳ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«حسین زبرجدی دانا»، کارشناس ارشد مهندسی استخراج معدن است. فعالیت‌های علمی او در زمینه تحلیل عددی سازه‌های مهندسی بوده و در حال حاضر آموزش‌های مهندسی عمران، معدن و ژئوتکنیک مجله فرادرس را می‌نویسد.

یک نظر ثبت شده در “اصول مهندسی تونل | آموزش رایگان مبانی حفر تونل و فضاهای زیرزمینی — به زبان ساده

  • سلام. باتشکر از مطالب خوبتون. فایل کتاب تونلسازی جلد اول ، دکتر مدنی که اواخر متن بهش اشاره کردید رو دارید؟
    ممنون میشم برام ایمیل کنید.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.