تونل یکی از شناخته‌شده‌ترین و پرکاربردترین سازه‌های مهندسی است که برای کاربری‌های مختلفی نظیر حمل و نقل، استخراج ماده معدنی، هدایت جریان آب‌های زیرزمینی و سطحی، نصب تاسیسات و غیره مورد استفاده قرار می‌‌گیرد. مفاهیم مرتبط با تونل‌ها و نحوه ساخت آن‌ها از مباحث مهم در مهندسی عمران و معدن محسوب می‌شوند. در این مقاله، به معرفی تاریخچه، مراحل اجرا، انواع، کاربردها و ویژگی‌های تونل می‌پردازیم. علاوه بر این، منابع مورد نیاز برای یادگیری اصول تونل‌سازی را نیز ارائه می‌کنیم.

تونل چیست؟

«تونل» (Tunnel)، یک سازه مهندسی است که در دل کوه، زیر زمین، زیر آب و حتی سطح زمین ساخته می‌شود و مسیر مناسب برای حمل و نقل، هدایت آب و انتقال خطوط خدمات شهری را فراهم می‌کند. تونل‌ها، طول مسیر مورد نیاز برای کاربری‌های مختلف و حجم عملیات مورد نیاز برای اجرای مسیر به روش‌های دیگر را کاهش می‌دهند. کاربری‌های متنوع و مزایای متعدد تونل، گسترش تونل‌سازی و پیشرفت ماشین‌آلات مخصوص این فرآیند را به همراه داشته است. حفر تونل‌ها توسط تجهیزات و روش‌های مختلفی انجام می‌گیرد. حفاری توسط رودهدر، انفجار و دستگاه TBM، متداول‌ترین روش‌های تونلسازی هستند.

تونل راه
تونل راه

تاریخچه حفر تونل به چه دورانی باز می‌گردد؟

شروع تونل‌سازی توسط انسان به چندین هزار سال پیش باز می‌گردد. انسان‌های ماقبل تاریخ، از روش‌های حفاری دستی به منظور ساخت فضای مناسب برای زندگی یا بزرگ‌تر کردن فضاهای موجود استفاده می‌کردند. یکی از روش‌های جالب برای حفاری در محیط‌های سنگی، حرارت دادن به سنگ و ریختن آب بر روی آن بود. این کار، با گسترش ترک‌های موجود، فرآیند حفاری را تسهیل می‌کرد. با ظهور تمدن‌های باستانی بزرگ، روش‌های متعددی برای ایجاد حفریات زیرزمینی شکل گرفتند. در زمان تمدن‌های اولیه، حفر فضاهای زیرزمینی با استفاده از ابزارهای دستی انجام می‌شد. در دوران تمدن بابل، تونل‌های زیرزمینی به طور گسترده برای مصارف کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

فاضلابی که قدمت آن به حدود 2500 تا 4000 سال پیش از میلاد باز می‌گردد.
تونل فاضلابی که قدمت آن به حدود 2500 تا 4000 سال پیش از میلاد باز می‌گردد.

توسعه ابزارآلات حفاری در دوران مصر باستان، امکان ایجاد فضاهای زیرزمینی در صخره‌های سنگی را فراهم کرد. این فضاها اغلب به منظور ساخت معابد ایجاد می‌شدند. رومیان و یونانیان باستان معمولا از تونل‌ها برای انحراف و انتقال آب استفاده می‌کردند. یکی از بزرگ‌ترین سازه‌های زیرزمینی به جامانده از آن دوران، «تونل پاسیلیپو» (Pausilippo Tunnel) به طول 1.5 کیلومتر، ارتفاع 9 متر و عرض 7 متر است. این تونل حدود 2060 سال پیش و به صورت دستی حفاری شد.

نمایی از ورودی تونل تاریخی پاسیلیپو
نمایی از ورودی تونل تاریخی پاسیلیپو

اولین پیشرفت جدی در حوزه تونل‌سازی، به سال 1681 میلادی (1060 شمسی) و حفاری کانالی به طول 160 متر با روش انفجار باروت مربوط می‌شود. در سال 1850 میلادی (1229 شمسی)، باروت جای خود را نیتروگلیسیرین (ماده اصلی دینامیت) داد. در این دوران، حفر چال‌های انفجار (چالزنی) با استفاده از ماشین آلات مخصوص نیز توسعه یافت. اغلب این ماشین آلات از بخار و هوای فشرده برای تامین انرژی مورد نیاز خود استفاده می‌کردند.

حفاری تونل با استفاده از روش چالزنی و انفجار
حفاری تونل با استفاده از روش چالزنی و انفجار

در بین سال‌های 1820 تا 1865 میلادی (1199 تا 1234 شمسی)، روش جدید حفاری با استفاده سپرهای نگهدارنده زمین توسعه یافت. این روش، امکان حفر دو تونل در زیر رودخانه تیمز در شهر لندن را فراهم کرد. تونلسازی در محیط‌های خاکی و سنگ‌های پرشکاف، خطراتی را به همراه داشت که باعث گسترش روش‌های بهسازی خاک به عنوان نگهداری موقت یا دائمی حفریات زیرزمینی شد. در اوایل دهه 1900 میلادی (دهه 1280 شمسی)، بهسازی خاک محل حفاری توسط روش انجماد انجام می‌گرفت. از دهه 1920 میلادی (دهه 1300 شمسی)، شاتکریت به عنوان یکی از گزینه‌های اصلی برای نگهداری موقت و دائمی تونل مطرح شد. بهسازی خاک به روش تزریق، گزینه دیگری بود که در دهه 1970 میلادی (دهه 1350 شمسی) گسترش زیادی پیدا کرد.

تزریق دوغاب به درون درز و شکاف‌های سطح
تزریق دوغاب به درون درز و شکاف‌های پشت دیواره‌ها

در سال 1931 میلادی (1330 شمسی)، اولین دستگاه جامبو دریل برای حفاری تونل انحراف آب در سد هوور مورد استفاده قرار گرفت. این دستگاه از 24 تا 30 مته حفاری تشکیل می‌شد. در سال 1954 میلادی (1333 شمسی)، حین اجرای تونل انحراف آب سدی در داکوتای جنوبی، ماشین حفاری تونل یا TBM اختراع شد. TBM، دستگاهی مکانیزه با مقطع دایره‌ای شکل است که بخش جلویی آن از چندین دیسک حفار تشکیل می‌شود. اختراع این ماشین، حوزه تونل‌سازی را به طور کامل متحول کرد. امروزه اکثر تونل‌های مدرن و بزرگ در محیط‌های شهری با استفاده از TBM ساخته می‌شوند.

حفاری تونل‌های شهری توسط دستگاه حفاری تونل TBM
حفاری تونل‌های شهری توسط دستگاه حفاری تونل TBM

طراحی تمام تونل‌های خاکی با استفاده از اصول مکانیک خاک انجام می‌گیرد. به همین دلیل، گذراندن درس مکانیک خاک، از پیش‌نیازهای درس تونل‌سازی یا حفر چاه و تونل است. در زمینه آموزش مفاهیم مکانیک خاک و حل مسائل ژئوتکنیکی، فرادرس دو فیلم آموزشی جامع و کاربردی را تهیه کرده است که می‌تواند در یادگیری این مبحث به شما کمک کنند. لینک مشاهده این فیلم‌ها در ادامه آورده شده است:

کاربرد تونل چیست؟

تونل‌های یکی از پرکاربردترین سازه‌های مهندسی هستند که به منظور استخراج مواد معدنی، حمل و نقل (جاده، راه‌آهن، مترو)، کنترل جریان آب (زهکشی، انتقال، انحراف) و اجرای تاسیسات شهری (فاضلاب، آب آشامیدنی، برق، گاز، تلفن و غیره) مورد استفاده قرار می‌گیرند. فضاهای زیرزمینی بزرگ نظیر مغارها معمولا از شبکه‌ای پیچیده شامل چندین تونل و شفت متصل به هم تشکیل می‌شوند. این فضاها برای ساخت نیروگاه‌های برق آبی، کارخانه‌های فرآوری، ایستگاه‌های پمپاژ، بچینگ، پارکینگ وسایل نقلیه، ذخیره آب یا سوخت، کارخانه‌های تصفیه آب، انبار کالا، کارخانه‌های صنایع سبک، قرارگاه‌های نظامی و پدافند غیر عامل کاربرد دارند.

حفر مغار زیرزمینی برای ذخیره نفت
حفر مغار زیرزمینی برای ذخیره نفت

تقسیم بندی تونل‌ها

تونل‌ها انواع مختلفی دارند که بر اساس کاربری، راستا، شکل سطح مقطع و محیط حفاری به موارد زیر تقسیم می‌شوند:

  • بر اساس کاربری
    • تونل‌های معدنی
    • تونل‌های راه و ترابری
    • تونل‌های انتقال آب
    • تونل‌های انتقال آب
    • تونل‌های تاسیسات شهری
    • تونل‌های پیشاهنگ و غیره
  • بر اساس راستا
    • تونل‌های مارپیچی
    • تونل‌های کوتاه و مستقیم
    • تونل‌های پایه‌ای
    • تونل‌های شیب‌دار
  • بر اساس شکل سطح مقطع
    • تونل‌های دایره‌ای
    • تونل‌های نعل اسبی
    • تونل‌های ذوزنقه‌ای یا D شکل
    • تونل‌های بیضوی یا تخم مرغی شکل
    • تونل‌های مستطیلی
  • بر اساس محیط حفاری
    • تونل‌های خاکی
    • تونل‌های سنگی
    • تونل‌های کند و پوش (برداشتن مواد و پر کردن با مواد مشابه یا مواد دیگر)
    • تونل‌های زیر آبی (در محیط آبی یا زمین زیر محیط‌های آبی)

شکل سطح مقطع، راستا و محیط دقیق حفاری تونل، پارامترهایی هستند که در طی مطالعات زمین‌شناسی و طراحی تعیین می‌شوند. از این‌رو، مهم‌ترین دسته‌بندی برای تعیین نوع تونل‌ها، کاربری آن‌ها است. در بخش‌های بعدی، به معرفی انواع تونل‌ها بر اساس کاربری خواهیم پرداخت. در رابطه با اصول حفر چاه و فضاهای زیرزمینی در پروژه‌های معدنی، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است که می‌تواند در یادگیری این درس به شما کمک کند. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است.

تونل چگونه ساخته می شود ؟

ساخت تونل، فرآیند زمان‌بری است که بر اساس اصول مهندسی تونل و طی مطالعه ساختگاه، تحلیل، طراحی، تجهیز کارگاه، حفاری (سنتی یا مکانیزه)، نصب سیستم نگهداری و اجرای تاسیسات (خدمات فنی) انجام می‌گیرد. در ادامه به معرفی مختصری از فعالیت‌های هر یک از این مراحل می‌پردازیم.

تونلسازی در محیط خاکی با استفاده از ماشین حفار رودهدر
تونلسازی در محیط خاکی با استفاده از ماشین حفار رودهدر

مطالعات زمین شناسی

مطالعات زمین‌شناسی، مجموعه فعالیت‌هایی هستند که به منظور تعیین پارامترهای مورد نیاز برای انتخاب مسیر تونل، روش حفاری، تحلیل پایداری، طراحی، تخمین هزینه و ارزیابی پیامدهای زیست‌محیطی اجرا می‌شوند. انجام این مطالعات در سه فاز زیر صورت می‌گیرد:

  • مطالعات مقدماتی: رسم نقشه توپوگرافی، حفر گمانه‌های اکتشافی، مطالعه سنگ‌شناسی، هیدروژئولوژی و ساختمان سنگ‌های منطقه
  • مطالعات تفصیلی: تعیین ترکیب کانی‌شناسی، انجام آزمایش‌های برجا و آزمایشگاهی برای تعیین پارامترهای فیزیکی و مقاومتی نظیر مدول الاستیسیته، تخلخل، نفوذپذیری و مشخصات شیمیایی
  • مطالعات تکمیلی: ادامه مطالعات زمین‌شناسی و تکمیل اطلاعات موجود بر اساس داده‌های به دست آمده در حین حفاری تونل

رسم نقشه توپوگرافی منطقه در مرحله مطالعات زمین‌شناسی، معمولا با استفاده از نرم افزارهایی نظیر Surfer انجام می‌گیرد. علاوه بر این، آزمون‌های صحرایی و آزمایشگاهی متعددی در این مرحله وجود دارند که آشنایی با آن‌ها به عنوان یکی از مهارت‌های مهم مهندسی در نظر گرفته می‌شود. فرادرس سه فیلم آموزشی کاربردی را تهیه کرده است که می‌توانند شما را به خوبی با این مباحث آشنا کنند. لینک مشاهده این فیلم‌ها در ادامه آورده شده است:

  • برای مشاهده فیلم آموزش آشنایی با نرم افزار Surfer برای ترسیم نقشه‌های توپوگرافی + اینجا کلیک کنید.
  • برای مشاهده فیلم آموزش آزمایش‌های صحرایی در مهندسی ژئوتکنیک + اینجا کلیک کنید.
  • برای مشاهده فیلم آموزش تعیین خواص مکانیکی سنگ‌ها با روش‌های آزمایشگاهی + اینجا کلیک کنید.

تحلیل تونل

مهندسان واحد طراحی پروژه، از داده‌های به دست آمده طی مطالعات زمین‌شناسی برای مدل‌سازی تونل و تحلیل تنش اطراف آن استفاده می‌کنند. در این مرحله، تغییر شکل‌ها، تمرکز تنش در اطراف تونل (تنش القایی) و نشست سطح زمین مورد بررسی قرار می‌گیرند. در تحلیل تونل‌های دایره‌ای شکل، معمولا از معادلات کرش برای تعیین تنش‌های الاستیک استفاده می‌شود. تحلیل‌های دقیق‌تر با استفاده از نرم افزارهای عددی انجام می‌گیرند. برخی از این نرم افزارها عبارت هستند از:

  • RocSupport
  • Phase2
  • FLAC
  • PLAXIS
  • VISAGE
نمونه‌ای از خروجی گرافیکی تحلیل سه بعدی تونل در نرم افزار PLAXIS 
نمونه‌ای از خروجی گرافیکی تحلیل سه بعدی تونل در نرم افزار PLAXIS

طراحی تونل

نتایج حاصل از مرحله تحلیل، به منظور طراحی تونل از نظر ابعاد، شکل سطح مقطع، گام‌های پیشروی، نوع نگهداری و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. ابزارهای تجربی، تحلیلی و عددی متنوعی برای این مرحله وجود دارند. طبقه بندی توده سنگ نظیر رده بندی ترزاقی، رده بندی شاخص کیفیت سنگ (RQD)، رده بندی ساختار سنگ (RSR)، رده بندی توده سنگ (RMR) و رده بندی Q، معیارهای شکست مانند «معیار شکست هوک و براون» (Hoek–Brown Failure Criterion) و نرم افزارهای عددی معرفی شده در بخش قبلی از گزینه‌های متداول برای طراحی تونل و سیستم نگهداری آن هستند.

تجهیز کارگاه و شروع حفاری

پس از تکمیل فرآیندهای تحیل و طراحی، نوبت به تجهیز کارگاه و شروع فرآیند حفاری می‌رسد. روش و ماشین آلات مورد استفاده در این مرحله به نوع تونل و وضعیت زمین‌شناسی آن بستگی دارد. از روش‌های حفاری تونل می‌توان به چالزنی و انفجار، روش تونلسازی جدید اتریشی یا NATM، استفاده از ماشین آلات حفاری (رودهدر، چکش هیدرولیکی)، حفاری تمام مقطع (دستگاه TBM)، کند و پوش، پایپ جکینگ و باکس جکینگ اشاره کرد.

چال‌های حفاری شده و آماده خرج‌گذاری برای اجرای تونلسازی به روش چالزنی و انفجار
چال‌های حفاری شده و آماده خرج‌گذاری برای اجرای تونلسازی به روش چالزنی و انفجار

نصب سیستم نگهداری

سیستم‌های نگهداری از المان‌های بسیار مهم در فرآیند تونل‌سازی هستند که ایمنی حفریات زیرزمینی و سازه‌های مجاور آن‌ها را تامین می‌کنند. به طور کلی، سیستم‌های نگهداری تونل، به دو نوع اولیه (اصلی) و ثانویه (فرعی) تقسیم می‌شوند. شاتکریت، مش، قاب‌ فولادی و لاینینگ از متداول‌ترین سیستم‌های نگهداری هستند. در برخی از موارد، اجرای این سیستم‌ها با استفاده از روش های بهسازی خاک نظیر بهسازی به روش تزریق انجام می‌گیرد. عمق تونل، جهت‌گیری تونل، هندسه تونل، وضعیت محیط بیرونی و شرایط آب زیرزمینی، مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار در انتخاب سیستم نگهداری مناسب هستند.

قاب‌های فولادی
قاب‌های فولادی، رایج‌ترین نگهدارنده‌های مورد استفاده در تونل‌ها و کارگاه‌های معادن زیرزمینی به شمار می‌روند.

فرادرس، دو فیلم آموزشی کاربردی را در زمینه بهسازی خاک و طراحی سیستم‌های نگهداری تهیه کرده است که می‌توانند به شما در یادگیری این مباحث کمک کنند. لینک مشاهده این فیلم‌ها در ادامه آورده شده است:

نصب تاسیسات

تاسیسات تونل، مجموعه‌ای از سیستم‌ها و تجهیزاتی هستند که به منظور بهبود عملکرد تونل‌ها و کاربران آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. سیستم تهویه، روشنایی و زهکشی از مهم‌ترین تاسیسات و خدمات فنی تونل‌ها محسوب می‌شوند. از وظایف این سیستم‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • سیستم تهویه تونل: جت فن، شفت، لوله یا ترکیبی از این موارد است که هوای سالم و دمای مناسب برای کاربری مورد نظر را تامین می‌کند. این سیستم، در کنترل آتش‌سوزی نیز کاربرد دارد.
  • سیستم روشنایی تونل: مجموعه‌ای از روشنایی‌های معمولی، اضطراری و هدایت‌کننده است که به منظور فراهم کردن دید مناسب، نور کافی برای خروج افراد در حین رخ دادن مشکل و هدایت آن‌ها به سمت خروجی مورد استفاد قرار می‌گیرد.
  • سیستم زهکشی تونل: جوی، لوله و حتی شیب تونل است که برای هدایت آب اضافی به بیرون استفاده می‌شود.
مجموعه‌ای از خدمات فنی تونل (زهکشی، روشنایی و تهویه)
مجموعه‌ای از خدمات فنی تونل نظیر زهکشی (لوله‌های کف)، روشنایی (چراغ‌های سمت چپ) و تهویه (داکت سقف)

معرفی فیلم آموزش حفر چاه و فضاهای زیرزمینی

فیلم آموزش درس حفاری چاه و تونل

اصول مرتبط با تونل و حفر فضاهای زیرزمینی، از مباحث مهم در مهندسی معدن و گرایش‌های مختلف آن محسوب می‌شود. با وجود شباهت‌های زیاد بین اصول مهندسی تونل‌های عمرانی و معدنی، تفاوت تفاوت‌هایی نیز در طراحی، اجرا و نگهداری تونل‌های معدنی وجود دارد. اصول تونلسازی معدنی، درسی با عنوان حفر چاه و فضاهای زیرزمینی به دانشجویان مقطع کارشناسی و کارشناسی ارشد مهندسی معدن آموزش داده می‌شود. فرادرس، با تهیه یک فیلم آموزشی تخصصی برای دانشجویان معدن، به مدت 44 ساعت و 22 دقیقه، سرفصل‌های این درس را پوشش داده است.

درس‌های یکم تا هفتم این فیلم آموزشی، به ترتیب به معرفی مطالعات ساختگاهی و مخاطرات طراحی حفریات، حفر تونل در زمین‌های سنگی، حفر تونل در زمین‌های سست، چالزنی و انفجا در انواع حفریات زیرزمینی، حفر چاه و تونل، مخاطرات نول‌سازی و روش‌های بهسازی زمین می‌پردازد.

انواع تونل کدام هستند؟

از انواع تونل‌های پرکاربرد در حوزه‌های مهندسی می‌توان به تونل معدنی، تونل پیشاهنگ، تونل حمل و نقل، تونل تاسیسات شهری، تونل-زیرگذر، تونل پایه‌ای، تونل انتقال آب، تونل زهکشی، تونل انحراف آب، مسیر سرپوشیده و تونل باد اشاره کرد. در ادامه به معرفی کاربرد و ویژگی‌های هر یک از این تونل‌ها می‌پردازیم.

تونل معدنی چیست؟

تونل، از سازه‌های مهم در استخراج مواد معدنی به روش زیرزمینی است. دسترسی به مواد معدنی و انتقال مواد استخراج شده به بیرون از طریق تونل‌ها انجام می‌شود. به تونل‌های حفر شده برای اجرای عملیات‌های معدنکاری، «تونل معدنی» (Mining Tunnels) می‌گویند. البته اصطلاحات مورد استفاده برای تونل‌های معدنی با تونل‌های عمرانی تفاوت دارد. تونل‌های معدنی بر اساس کاربری به «اَدیت» (Adit)، «کراس کات» (Cross-Cut) و «دریفت» (Drift) تقسیم‌بندی می‌شوند. به طور کلی، معادن زیرزمینی، شبکه‌ای متشکل از حفریات عمودی، افقی و شیبدار هستند. حفریات عمودی یا همان تونل‌های معدنی توسط حفریات عمودی نظیر شفت (چاه) و حفریات شیب‌دار نظیر رمپ (جاده اتصال ترازها) به یکدیگر متصل می‌شوند.

تونل ورودی معدن یا ادیت چیست ؟

ایجاد مسیر مناسب برای دسترسی افراد و تجهیزات به داخل زمین و شروع عملیات استخراج مواد معدنی، به دو روش انجام می‌گیرد. در صورت قرارگیری مواد معدنی در دل کوه یا تپه، یک تونل افقی یا تقریبا افقی بر روی دامنه و به سمت کانسار حفر می‌شود. به این تونل، ادیت می‌گویند. ادیت‌ها، امکان دسترسی مستقیم به ماده معدنی یا دسترسی به محل مناسب برای حفر چاه، رمپ و دیگر تونل‌های دسترسی را فراهم می‌کنند. البته توجه داشته باشید که در اصطلاح کلی، به ورودی و خروجی تمامی تونل‌ها، پرتال تونل گفته می‌شود.

ورودی یا ادیت یک معدن زیرزمینی با مسیر دسترسی ریلی
ورودی یا ادیت یک معدن زیرزمینی با مسیر دسترسی ریلی

تونل میانبر یا کراس کات چیست ؟

در صورتی که ماده معدنی در زیر زمین قرار داشته یا گسترش عمودی آن زیاد باشد، در ترازهای مختلف کانسار، تونل‌هایی از چاه یا رمپ به سمت ماده معدنی حفر می‌شوند. به این تونل‌ها، کراس کات یا تونل میانبر می‌گویند. در برخی از کارگاه‌ها، کراس کات را با عنوان لِوِل (تراز) یا تونل دسترسی به لول می‌شناسند.

تونل دنباله لایه یا دریفت چیست ؟

تونل‌های حفر شده در راستای گسترش ماده معدنی درون لایه‌ها یا توده‌ها با عنوان دریفت یا تونل دنباله لایه شناخته می‌شوند. دریفت‌ها، در صورت ضخامت کم ماده معدنی، دریفت‌ها کارگاه‌های اصلی استخراج خواهند بود. در صورت گسترش عرضی کانسار، این تونل‌ها به عنوان یک کارگاه استخراج و محلی برای باز کردن کارگاه‌های جانبی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تونل پیشاهنگ چیست؟

تونل پیشاهنگ یا «تونل پایلوت» (Pilot Tunnel)، حفریه کوچکی است که معمولا در مرکز سطح مقطع جبهه کار تونل‌های بزرگ یا تونل‌های معدنی حفر می‌شود. تونل‌های پیشاهنگ اطلاعات مورد نیاز در مورد مشخصات خاک و یا سنگ در متراژهای بعدی پیشروی را در اختیار مهندسان قرار می‌دهند. به این ترتیب می‌توان با اطلاع از موانع احتمالی، رویکرد مناسب برای حفاری را اتخاذ کرد. علاوه بر این، حفر تونل‌های کوچک‌تر در مرکز سطح مقطع‌های بزرگ، میزان سطح آزاد را افزایش می‌دهد. سطح آزاد بیشتر، راندمان بالاتر عملیات آتشباری و حفاری را در پی دارد. تونل‌های پایلوت، کاربرد گسترده‌ای در حفاری‌های مکانیزه توسط دستگاه TBM دارند. این تونل‌ه با فراهم کردن فضای کافی برای اجرای نگهداری در سقف محیط‌های سست، احتمال گیر کردن دستگاه را کاهش می‌دهند.

تونل پیشاهنگ در عملیات حفاری تونل به وسیله دستگاه TBM
تونل پیشاهنگ در عملیات حفاری به وسیله دستگاه TBM

تونل حمل و نقل چیست؟

تونل‌های حمل و نقل، از متداول‌ترین و شناخته‌شده‌ترین سازه‌های مورد استفاده برای جابجایی افراد و بار در محیط‌های شهری و غیر شهری توسط جاده یا راه‌آهن هستند. این سازه‌ها با عبور از درون کوه‌ها، زیر زمین و زیر آب، مسیر مورد نیاز برای عبور وسایل نقلیه شخصی و عمومی نظیر اتوبوس و قطار را فراهم می‌کنند. امروزه با افزایش جمعیت، گسترش شهرنشینی و افزایش تعداد وسایل نقلیه، مسئله ترافیک به یک معضل همگانی تبدیل شده است. تونل‌های ترابری، سازه‌هایی هستند که می‌توانند بخش قابل توجهی از این مشکل را برطرف کنند. از مزیت‌های این نوع تونل‌ها می‌توان به کاهش طول مسیر، افزایش سرعت جابجایی، امکان اجرای طبقاتی و کاهش میزان مصرف سوخت اشاره کرد.

مدل سه بعدی از یک تونل طبقاتی طراحی شده برای حمل و نقل جاده‌ای
مدل سه بعدی از یک تونل طبقاتی طراحی شده برای حمل و نقل جاده‌ای

تونل مترو چیست؟

تونل مترو یکی از انواع تونل‌های مورد استفاده برای حمل و نقل عمومی است. این تونل‌ها به عنوان بهترین گزینه برای جابجایی سریع و ارزان در کلان‌شهرها در نظر گرفته می‌شوند. تونل‌های مترو، بار ترافیکی جاده‌های سطح شهر و آلودگی‌های ناشی از آن را کاهش می‌دهند. تونل‌های مترو معمولا با استفاده از روش‌های مکانیزه و در نظر گرفتن تمهیدات مربوط به نشست زمین حفر می‌شوند. از این‌رو، ایمنی آن‌ها در سطح بالایی قرار دارد. البته مسیر راه‌آهن مترو همیشه از زیر زمین عبور نمی‌کند و امکان سطحی بودن بخش یا کل مسیر بین دو ایستگاه وجود دارد.

یکی از ایستگاه‌های زیرزمینی مترو در کشور فنلاند
یکی از ایستگاه‌های زیرزمینی مترو در کشور فنلاند

تونل تاسیسات شهری چیست؟

یکی از پرکاربردترین تونل‌های مورد استفاده در محیط‌های شهری، بخصوص در کلان‌شهرها، شهرهای توسعه یافته و شهرهای صنعتی، «تونل تاسیسات» (Utility Tunnel) است. این نوع از تونل‌ها به منظور انتقال خطوط آب، برق، گاز، تلفن، فاضلاب و دیگر خدمات شهری مورد استفاده قرار می‌گیرند. تونل‌های تاسیسات شهری، زیرساخت‌های مورد نیاز برای راه‌اندازی تاسیسات مکانیکی (مانند تاسیسات بهداشتی) و الکتریکی ساختمان‌های مسکونی و اداری را تامین می‌کنند. این تونل‌ها باعث انتقال ایمن و باکیفیت خدمات بدون شلوغ کردن فضای شهر می‌شوند. علاوه بر ساختمان‌های مسکونی و اداری، تونل‌های تاسیسات، در کارخانه‌های صنعتی (اجرای پایپینگ) و مجتمع‌های بزرگ نظیر دانشگاه‌ها، بیمارستان‌ها، آزمایشگاه‌ها و غیره کاربرد دارند.

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.

در زمینه مباحث مرتبط با مهندسی تونل در حوزه‌های عمران و معدن، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع و کامل را تهیه کرده است که می‌تواند در یادگیری این مباحث به شما کمک کند. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است.

زیرگذر چیست؟

زیرگذر، اصطلاحی است که برای اشاره به مسیر عبور افراد و در برخی از موارد وسایل نقلیه از زیر جاده و راه‌آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور کلی نمی‌توان زیرگذر را به عنوان یکی از انواع تونل‌ها در نظر گرفت. با این وجود، در صورت حفر زمین در زیر مسیرهای حمل و نقل، سازه ساخته شده به عنوان یک تونل-زیرگذر در نظر گرفته می‌شود. به عنوان مثال، زیرگذر خیابان استاد معین در شهر تهران، نمونه‌ای از یک تونل-زیرگذر است.

تونل-زیرگذر خیابان استان معین تهران
تونل-زیرگذر خیابان استان معین تهران

تونل پایه ای چیست ؟

«تونل پایه ‌ای» (Base Tunnel)، یکی از انواع تونل‌های عمرانی است که اغلب به منظور اجرای مسیرهای راه‌آهن در کوه‌پایه نواحی کوهستانی حفر می‌شوند. در گذشته، به دلیل محدودیت‌های فنی و اقتصادی تونل‌سازی، اجرای خطوط راه‌آهن در نواحی کوهستانی با هدف به حداقل رساندن عملیات‌های حفاری و افزایش شیب و انحنا صورت می‌گرفت. با پیشرفت تونل‌سازی و معرفی تونل‌های پایه‌ای، شیب و انحنای مورد نیاز برای اجرای خطوط راه‌آهن در نواحی کوهستانی به حداقل رسید. به این ترتیب، طول تونل در این حالت افزایش یافت اما مسیر حمل و نقل به میزان قابل توجهی کمتر شد. این مسئله بهبود سرعت جابجایی و کاهش هزینه انرژی مصرفی را به همراه داشت. «تونل پایه گوتهارد» (Gotthard Base Tunnel)، طولانی‌ترین تونل پایه ای و ترافیکی جهان به طول 57.09 کیلومتر است که شمال کشور سوئیس را از درون رشته کوه‌های آلپ به جنوب آن متصل می‌کند.

تونل پایه ای گوتهارد
تونل پایه ای گوتهارد

تونل انتقال آب چیست؟

تونل انتقال آب، مسیرهای زیرزمینی مورد استفاده برای انتقال آب برای مصارف خانگی، صنعتی، کشاورزی یا محیط زیستی هستند. این تونل‌ها معمولا به عنوان بخشی از سیستم‌های آبرسانی در کنار سازه‌های دیگری نظیر قنات، کانال، آبگذر و دیگر مجراهای جریان آب مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این وجود، برخی از سیستم‌های آب‌رسانی فقط از یک تونل تشکیل می‌شوند. در موارد دیگر، امکان هدایت آب اضافی تونل‌های انتقال آب به درون رودخانه وجود دارد.

نمونه‌ای از یک تونل انتقال آب با طول کم که به عنوان بخشی از سیستم آب‌رسانی عمل می‌کند.
نمونه‌ای از یک تونل انتقال آب با طول کم که به عنوان بخشی از سیستم آب‌رسانی عمل می‌کند.

تونل زهکشی چیست؟

تونل زهکشی، مجرا یا کانال زیرزمینی است که به منظور کنترل جریان آب‌ در فضاهای زیرزمینی و خروج آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در معادن زیرزمینی، ادیت یا تونل دسترسی می‌تواند وظیفه تونل‌های زهکشی برای هدایت جریان آب به بیرون را بر عهده داشته باشد. طراحی اکثر تونل‌های زهکشی به گونه‌ای است که باعث جابجایی آب تحت نیروی ثقلی می‌شود. این طراحی، هزینه پمپاژ را کاهش می‌دهد. در کل، تونل‌های زهکشی، محیط مناسب برای اجرای پروژه‌های عمرانی و معدنی را فراهم می‌کنند.

تونل‌های دسترسی و زهکشی در یک ورودی یک معدن زیرزمینی
تونل‌های دسترسی (راست) و زهکشی (چپ) در یک ورودی یک معدن زیرزمینی

تونل انحراف آب چیست؟

تونل‌های انحراف آب از پرکاربردترین سازه‌های مهندسی مورد استفاده در پروژه‌های سدسازی هستند. این تونل‌ها در بالادست سد حفر می‌شوند و جریان آب رودخانه را از مسیر دیگری به پایین دست انتقال می‌دهند. این کار، امکان اجرای سد را بدون مزاحمت جریان آب فراهم می‌کند. تونل‌های انحراف آب به دو نوع دائمی و موقت تقسیم می‌شوند. این تونل‌ها مانند تونل‌های انتقال آب، در هدایت جریان رودخانه به محل‌های دیگر جهت تامین آب مورد نیاز مصارف خانگی، صنعتی و کشاورزی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. به علاوه، تونل‌های انحراف آب به عنوان یکی از انواع تونل‌های زهکشی در تخلیه آب‌های اضافی ناشی از سیل نیز کاربرد دارند.

دهانه ورودی تونل انحراف آب موقت در پشت یک سد
دهانه ورودی تونل انحراف آب موقت (راست) در پشت یک سد

مسیرهای سرپوشیده

در برخی از موارد، مسیر جاده، راه‌آهن، پیاده‌رو و دیگر مسیرهای بدون سقف با استفاده از مواد مختلفی نظیر فولادی، آجر، چوب و غیره پوشانده می‌شوند. به این تریب مسیرهای سرپوشیده‌ای به وجود می‌آیند که از افراد یا وسایل عبوری را در برابر گرمای بیش از حد ناشی از تابش نور آفتاب، ریزش سنگ، بارش باران یا برف، وزش باد و دیگر عوامل طبیعی یا غیر طبیعی محافظت می‌کنند. مسیرهای سرپوشیده به عنوان یکی از انواع تونل‌های مصنوعی در نظر گرفته می‌شوند. این تونل‌ها در ایجاد المان‌های معماری نیز کاربرد دارند.

مسیر سرپوشیده موسوم به دروازه سیاه در شهر استرگم کشور مجارستان
مسیر سرپوشیده موسوم به دروازه سیاه در شهر استرگم کشور مجارستان

تونل باد چیست؟

تونل باد، سازه‌ای توخالی است که به منظور شبیه‌سازی عملکرد اشیا پرنده نظیر هواپیماها یا وسایل نقلیه در برابر جریان هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اغلب موارد، چندین فن قدرتمند در تونل‌های باد تعبیه می‌شوند و هوا را در طول تونل به جریان در می‌آورند. شی مورد آزمایش در یک محل مشخص به خوبی ثابت می‌شود. این شی می‌تواند یک مدل کوچک‌تر یا نمونه واقعی از وسیله مورد آزمایش نظیر ماشین، هواپیما، فضاپیما و غیره باشد. جریان هوای ایجاد شده در اطراف شی، شرایطی مشابه با حرکت شی را شبیه‌سازی می‌کند. مهندسان با تعبیه ابزار دقیق بر روی شی، تاثیر نیروی هوا را مورد بررسی قرار می‌دهند.

نمونه‌ای از تونل باد مورد استفاده در ناسا برای آزمایش عملکرد مدل فیزیکی هواپیما با مقیاس کوچک در برابر جریان هوا
نمونه‌ای از تونل باد مورد استفاده در ناسا برای آزمایش عملکرد مدل فیزیکی هواپیما با مقیاس کوچک در برابر جریان هوا

تونل‌های چند منظوره

در این بخش، به معرفی انواع تونل‌ها بر اساس کاربری پرداختیم. برخی از تونل‌ها برای چندین کاربری مورد استفاده قرار می‌گیرند. به این تونل‌ها، تونل‌های چند منظوره می‌گویند. تونل اسمارت در کشور مالزی، اولین تونل چندمنظوره است که به عنوان مسیر حمل و نقل وسایل نقلیه موتوری و مجرای کنترل‌کننده جریان سیل به کار گرفته می‌شود. این تونل، دارای دو طبقه مجزا است. طبقه پایین، کنترل جریان سیل‌های معمولی را بر عهده دارد. در صورت رخ دادن سیل‌های شدید، ورودی طبقه بالا بسته می‌شود و هر دو این تونل‌ها برای کنترل جریان آب‌های اضافی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مدل کامپیوتری تونل چندمنظوره اسمارت در کشور مالزی
مدل کامپیوتری تونل چندمنظوره اسمارت در کشور مالزی

منابع یادگیری دروس تونل و تونلسازی کدام هستند؟

تونل‌سازی از گرایش‌های ارشد مهندسی معدن و از حوزه‌های فعال در مهندسی عمران است. مباحث مربوط به تونل و تونل‌سازی در مقاطع کارشناسی و ارشد با عناوین مختلفی نظیر اصول مهندسی تونل، حفر چاه و تونل، تونلسازی و حفر چاه و فضاهای زیرزمینی تدریس می‌شوند. از منابع اصلی این دروس می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • کتاب تونلسازی (حسن مدنی)
  • کتاب تونلسازی (منیر عباسی)
  • کتاب تونلسازی و مکانیک تونل: نگرشی منطقی به تونلسازی (دیمیتریوس کولیمباس)
  • کتاب اصول مهندسی تونل (سهیل قره)
  • کتاب اصول مهندسی تونل (حسن صادقی)

معرفی فیلم آموزش مهندسی تونل

آموزش مهندسی تونل

تونل، یکی از شناخته‌شده‌ترین سازه‌های مهندسی است که کاربرد بسیار گسترده‌ای در پروژه‌های برون‌شهری و درون‌شهری دارد. اصول مرتبط با تونل و تونل‌سازی، از مباحث مهم رشته‌های مهندسی عمران و مهندسی معدن، بخصوص گرایش‌های ژئوتکنیک، مکانیک سنگ و تونل‌سازی هستند. این اصول طی دروسی با عنوان اصول مهندسی تونل، تونل‌سازی، حفر چاه و تونل یا حفر چاه و فضاهای زیرزمینی تدریس می‌شوند. به دلیل اهمیت بالای این دروس برای دانشجویان عمران و معدن، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را به مدت 19 ساعت و 56 در قالب 22 درس دقیقه تهیه کرده است. در این فیلم، بسیاری از مفاهیم مربوط به انواع تونل‌ها، اصول طراحی، روش‌های اجرایی و نگهداری این سازه‌های مهندسی آموزش داده می‌شوند.

سوالت متداول

در این بخش، به سوال‌هایی راجع به استانداردهای تونل، تفاوت تونل با شفت، مزایا و معایب تونل‌ها پاسخ می‌دهیم.

استاندارهای تونلسازی کدام هستند؟

استانداردهای بین‌المللی و ملی متعددی در زمینه اجرای تونل‌ها و تاسیسات آن‌ها ارائه شده‌اند. انتشارات انجمن جهانی جاده یا «پیارک» (PIARC)، متداول‌ترین استانداردهای مورد استفاده برای ساخت تونل‌های حمل و نقل هستند. استاندارد بین‌المللی ISO 93.060 نیز الزامات ساخت تونل‌ها را ارائه می‌کند. استانداردهای ملی در این حوزه اغلب بر روی ایمنی عملیات‌های تونل‌سازی تمرکز دارند. برخی از این استانداردها عبارت هستند از:

  • نشریات انجمن تونل ایران
  • استاندارد 18779: سلامت و ایمنی در تونل‌سازی
  • استاندارد 11940: ایمنی در تونل‌های راه‌آهن
  • استاندارد 20613: الزامات ایمنی رودهدر (حفار بازویی)
  • استاندارد 20614: الزامات ایمنی دریچه‌های هوابند ماشین‌های تونل‌سازی
  • استاندارد 21193-1: الزامات ایمنی طراحی تونل‌ها و بهره‌برداری از آن‌ها
  • استاندارد 11938: تعیین سطح مقطع تونل‌های راه آهن بر اساس ملاحظات آیرودینامیکی

در بررسی وضعیت تونل‌ها و کنترل ایمنی آن‌ها، ابزار دقیق نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کنند. آشنایی با انواع ابزار دقیق و نحوه عملکرد آن‌ها، مهارتی است که فرصت‌های شغلی مناسبی را پیش روی دانشجویان و مهندسان حوزه‌های مرتبط با تونل‌سازی قرار می‌دهد. به این منظور، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است که می‌تواند به یادگیری این مبحث به شما کمک کند:

تفاوت تونل با شفت چیست؟

شفت، یک حفره یا چاه عمودی، بلند و نسبتا کم عرض است که به منظور دسترسی به فضاهای زیرزمینی و فراهم کردن مسیر تهویه برای آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع، شفت، یکی از بخش‌های شبکه حفریات زیرزمینی، مخصوصا مسیر دسترسی عمودی به آن را تشکیل می‌دهد. عملیات تونلسازی در بسیاری از پروژه‌های دارای دسترسی دشوار برای به کارگیری تجهیزات، با استفاده از حفر شفت شروع می‌شود.

شفت‌های تهویه مورد استفاده برای هدایت هوای آلوده به بیرون
شفت‌های تهویه مورد استفاده برای هدایت هوای آلوده تونل به بیرون

مزایا و معایب تونل چه هستند؟

فراهم کردن زمینه احداث جاده و انتقال تاسیسات در شهرهای شلوغ، محافظت از سیستم‌ها در برابر عوامل مخرب محیطی، کوتاهی مسیر و افزایش سرعت جابجایی، کاهش مصرف سوخت و کاهش هزینه حمل و نقل، بخشی از مزایای تونلسازی هستند. از محدودیت‌های اجرای این سازه‌ها می‌توان به هزینه اولیه بالا، نیاز به نیروی کار ماهر، نیاز به نظارت مداوم، زمان ساخت بیشتر و نیاز به تجهیزات پیشرفته در برخی از پروژه‌ها اشاره کرد.

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

بر اساس رای ۹ 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.