روشهای حفاری تونلها

پیشینه حفر تونل در کشور به احداث قنوات برای دستیابی به آبهای زیرزمینی و به بیش از ۳۰۰۰ سال پیش میرسد. حفر قنات هایی به طول ده ها کیلومتر در عمق تا چند صد متر، نشان از توانایی و تبحر ایرانیان قدیم در تونل سازی دارد. در حال حاضر نیز با پیشرفت فناوری و افزایش نیروهای متخصص و مجرب، انواع تونلهای شبکه حمل و نقلی، صنعتی، معدنی و... به روشهای گوناگون در کشور ساخته میشوند.

از آنجاکه احداث تونلها معمولاً بر عناصر طبیعی پیرامون مانند خاک و سنگ تاثیرمی گذارد، توجهی ویژه درمورد کاهش اثرات مخرب آن ضروری است، چراکه این امر سبب ازبین رفتن تعادل طبیعی این عناصر می شود. به همین علت است که هدف اصلی در انواع روش های حفاری به حداقل رساندن تغییرات زمین در زمان حفاری است.

همچنین یکی از مهمترین عوامل اصلی در زمینه پیشرفت و تکامل صنعت تونل سازی، پیشرفت هایی است که در مورد روش های حفاری آن انجام گرفته است. از جمله روش های حفاری که بدین منظور ابداع شده اند می توان از روش های سنتی ابتدایی ، روش های حفاری و حفاظت مرحله به مرحله، روش های حفاری با ماشین آلات اختصاصی، روش حفاری تمام مقطع و... نام برد. در ادامه به منظور آشنایی بیشتر با چگونگی حفر تونل بخصوص تونل های مترو، روش های حفاری ای که در احداث تونل های شبکه متروی تهران به کار رفته اند، تشریح می شوند.

روش نوین اتریشی

روش نوین تونلسازی اتریشی به عبارتی NATM از روشهای بسیار متداول در احداث تونل است که بین سال های ۱۹۵۷ و ۱۹۶۵ در اتریش پایهگذاری شد. اساس این روش استفاده بهینه از تنش های ژئوتکنیکی خاک یا سنگ های پیرامونی برای پایداری تونل است. درواقع اساس این روش بر اتصال پوسته محافظ به بخشی از خاک است که دیگر تغییر شکل ندارد. به عبارت دیگر استفاده از مقاومت خود خاک برای پایدارسازی تونل. درحال حاضر برای ساخت تونلهای مترو از این روش به شکل زیر استفاده میشود:

۱) حفاری مقطع فوقانی تونل

۲) حفاظت موقت مقطع فوقانی با نصب فریم و شاتکریت

۳) حفاری مقاطع تحتانی تونل

۴) حفاظت موقت مقطع تحتانی، با نصب فریم و شاتکریت

۵) اجرای رادیه کف (بتن ریزی فونداسیون)

۶) اجرای دیواره و تاج تونل (نصب قالب و بتن ریزی سازه اصلی دیواره و تاج)

داخل خاک، نیروی وارد برهر نقطه برابر ?* H است. وقتی تونل را در داخل خاک حفاری می کنیم، این نیرو به صفر می رسد. از آنجا که پس از این تغییر، خاک باید دوباره به تعادل برسد، تمایل به ریزش پیدا می کند که در روش اتریشی جلوی آن با فریم گرفته می شود. اگر بلافاصله بعد از حفاری فریم گذاری شود، باید از فریم های قوی استفاده شود، درصورتی که اگر درطول یک نوبت کاری خاک پایدار بماند و ریزش نکند (زمان پابرجایی برابر مدت یک نوبت کاری باشد)، فریم های مناسبتر می توانند طراحی شده و به کار روند. درواقع از توان خاک پایدار و به تعادل رسیده نیز کمک گرفته می شود.

دراین حالت خاک به اصطلاح طاق زده و پایدار شده است (اساس روش اتریشی) و دیگر به فریم قوی نیاز نیست. اگر در طول یک نوبت کار خاک ریزش کند (طاق نزند.)، باید پیش حفاظت درنظر گرفته شود.

هنگام برهم خوردن طبیعت خاک ۳ حالت اتفاق می افتد، حالتهای بوجود آمده عبارتند از: ۱) مناسب است و پایدار میایستد، ۲) ریزش اندکی داشته طاق می زند و پایدار می شود و ۳) ضعیف است و ریزشی. با نصب ابزار دقیق میتوان تغییر شکل های خاک را کنترل کرد. تغییرشکلها تناسب فریم با خاک را نشان میدهند.

فریم ها معمولاً برای فاصله استاندارد یک متر محاسبه می شوند. ولی با توجه به جنس خاک (ریزشی) می توان فواصل آنها را کم کرد. اگر خاک خیلی ضعیف باشد، باید پیش حفاظت انجام گیرد. همچنین می توان نوع فریم ها را از لتیس به پروفیل تبدیل کرد و یا فریم ها را به یکدیگر چسباند. قسمت عمده این عملیات توسط نیروی انسانی انجام می گیرد. بدین صورت کاربرد ماشینآلات و ابزار مکانیکی در این روش بسیار محدود است. ماشینآلات متداول بکار رفته در این روش معمولاً لودر یا بیل مکانیکی است، اما بهترین وسیله کله گاوی یا Road Header است، زیرا این وسیله بصورت قوسی حفاری کرده، دارای سرعت بالایی است، درضمن دراین روش تهویه هوا نیز مناسب است. میانگین متوسط راندمان اجرا در بخش حفاری و حفاظت موقت روزی ۳ متر طول و در زمان لاینینگ نهایی ۱ متر در روز میباشد. شایان ذکر است که برنامه زمانبندی و تقدم و تأخر فعالیتهای فوقالذکر در زمان اجرا موثر می باشد.

روش Forepolling برای جلوگیری از هرگونه ریزش دراثر برخورد با خاک سست و تحکیم خاک سست می توان از روش Fore poling استفاده کرد که در زیر توضیح داده میشود.

با توجه به پایداری نسبی دیواره های تونل و و ضعیت توزیع تنش در اطراف آن، گمانههایی در محیط سقف تونل مطابق شکل حفاری می شوند. گمانه ها با فاصلهبندی ۱ متر از یکدیگر و زاویه ۱۰ تا ۱۵ درجه نسبت به افق و به سمت بالا حفاری و سپس لوله گذاری می شوند. درحفاری گمانه ها باید فازبندی رعایت شود. بدین صورت که ابتدا گمانه ها با فواصل ۲ متر از یکدیگر حفاری و تزریق می گردند. سپس گمانه دیگر بین گمانه های مرحله قبل حفاری و تزریق می شوند.

درصورت ریزشی بودن گمانه ها و عدم موفقیت در لوله گذاری ممکن است طول لوله گذاری کاهش یابد یا در یک مرحله، گمانه حفاری شده تزریق گردد و گمانه با حفاری مجدد به عمق نهایی برسد. درهرصورت با توجه به وضعیت توده خاک و نفوذپذیری آن فاصله بندی گمانه ها، عمق، طول، زاویه شیب، فشار تزریق و نسبت اختلاط بهینه خواهد شد.

تهیه لوله بدین صورت است که ابتدا با توجه به قطر گمانه، نوع لوله انتخاب شده و در هر ۵/۰ متر طول لوله مشبک می شود. فقط یک متر ابتدای لوله برای جلوگیری از فرار دوغاب مشبک نمیگردد. عملیات مشبک سازی در مقاطعی که نیاز به تزریق است، انجام می گیرد. یک متر ابتدای لوله، بین جدار گمانه و لوله توسط دوغاب سیمان و سیلیکات سدیم پر می شود تا نشت دوغاب کنترل گردد. درصورت نشت دوغاب از اطراف تونل باید عملیات نشت گیری با گچ و سیمان و سیلیکات صورت گیرد و درصورت نیاز غلظت دوغاب افزایش یا فشار تزریق کاهش یابد. با توجه به وضعیت نشت دوغاب ممکن است لازم باشد تا لوله را طی دو مرحله تزریق نمود. فشار تزریق نباید از ۵ بار بالاتر رود.

بعد از اتمام تزریق گمانه ها و گیرش دوغاب تزریق شده، عملیات حفاری تونل انجام گرفته و عملیات فوق تکرار می شود.

حفاری تونل بصورت تمام مقطع بوسیله ماشین آلات اختصاصی (ماشین حفار زوکور) در زمین های کاملاً ریزشی و آّبدار یا کاملاً سفت و متراکم از این نوع ماشین آلات برای حفاری استفاده می گردد. جنس زمین تعیین کننده نوع ماشین آلات مناسب مورد نیاز کار است. چنانچه جنس زمین آبرفتی پایدار و قدرت برش آن بیش از kg/cm۲ ۵۰۰ باشد (تقریباً آهکی) از دستگاه حفار TBM استفاده می شود. درصورتی که جنس زمین ریزشی و آبرفتی ناپایدار باشد، از ماشین حفار Shield و چنانچه لازم است تونل در زیر آبهای زیرزمینی و تحت فشار هیدرواستاتیک حفاری گردد، برای حفاری ازHydro Shield استفاده می شود.

شرکت فرانسوی سوفرتو به منظور احداث تونلهای خطوط چهارگـانه متـروی تهران، در سال ۱۳۵۶ نسبت به انجام مناقصه بین المللی برای طراحی و ساخت دستگاه حفار مناسب خاک تهران اقدام کرد. در تاریخ ۲۹/۱۲/۱۳۵۶ قرارداد سـاخت سه دستگـاه حفار و واگن های حمل خاک و متعلقـات مربوطـه با شرکت آمریکایی زوکور منعقد گردید. پس از پیروزی انقلاب اسلامی در سال ۱۳۵۸ دو دستگاه حفاری به تهران حمل و در محل دائمی نمایشگاه بین المللی تهران انبار گردید.

به منظور ادامه کار و انتقال تکنولوژی و تحویل بقیه دستگاههای حفاری خریداری شده در تاریخ ۱۰/۱۲/۱۳۶۳ قراردادی بین شرکت ژاپنی ایرانی K.M.M و وزارت کشور منعقد و به منظور نظارت بر آماده سازی و حمل دستگاه حفار شماره (۳) و قطارهای حمل خاک و لوازم یدکی مربوطـه نسبت به اعزام کارشنـاسـان به کشور آمریکا نیز اقدام گردید. لازم به ذکر است که قطعات دستگاه حفار شماره (۳) و لوازم یدکی مورد تعهد و قطعات واگن های حمل خاک در تاریخ ۱۳/۹/۱۳۶۴ به ایران حمل و در کارگاه قورخانه انبار شد.

به دلیل تعطیل شدن شرکت آمریکایی زوکور و به منظور نصب و راه انـدازی دستگاه های حفار و آموزش نحوه عملکـرد دستگـاه هـای خریداری شده، مذاکرات لازم با شرکت های ذیصلاح ژاپنی، ایتالیایی، اسپانیایی و آلمانی به منظور ارائه خدمات به عمل آمد. پس از بررسی هزینه های اعلام شده توسط شرکت های خارجی، با توجه به نیاز به مبالغ قابل توجه ارز، هیأت مدیره وقت شرکت مترو تصمیم به راه اندازی دستگاه های حفار توسط متخصصین ایرانی گرفت. بدین منظور از عده ای متخصصین مکانیک ماشین آلات سنگین راهسـازی دعوت گردید که پس از تکمیل تیم مهندسی، نسبت به مونتاژ یکی از دستگاههای حفاری اقدام کنند. با توجه به ناقص بودن نقشه های مونتاژ دستگاه و جدید بودن این مجموعه از ماشین آلات در ایران، عملیات مونتاژ دستگاه حفار علی رغم مشکلات فراوان نهایتاً در سال ۱۳۶۵ تکمیل گردید. شکل (۱) نمایی از دستگاه حفار زوکور مونتاژ شده را نشان می دهد.

با توجه به موفقیت آمیز بودن عملیات نصب و راه اندازی دستگاه فوقالذکر، عملیات مونتاژ و نصب دو دستگاه دیگر در قورخانه و کارگاه دردشت شروع شد. این دستگاه ها در سه جبهه مختلف در خطوط یک و دو متروی تهران مورد استفاده قرار گرفتند. کل طول مسیر بهرهبرداری از سه دستگاه ماشین زوکور در خطوط ۱ و ۲ متروی تهران حدود ۱۱ کیلومتر بوده است.

در صورتی که برنامهریزیهای اولیه حاکی از حفاری حدوداً ۸۰ کیلومتر از تونلهای خطوط چهارگانه متروی تهران به توسط این دستگاهها می باشد.

در حال حاضر از سه دستگاه حفار زوکور یکی در قطعه R۴ Q۴ (حدفاصل ایستگاه کلاهدوز و ایستگاه نیروهوایی) خط ۴ متروی تهران، مورد استفاده قرار گرفته و دودستگاه حفار دیگر در سایت علی آباد شهرری دپو شده اند.

دستگاه حفار زوکور موجود در خط ۴ متروی تهران، پس از اتمام حفاری خطوط ۱ و ۲، مورد استفاده قرار گرفت. عملیات اجرایی احداث تونل در پایانه افسریه (R۴) با احداث شفت دسترسی آغاز و پس از حفاری حدوداً ۴۰۰ متر در سال ۱۳۷۴ متوقف گردید. مجدداً در سال ۱۳۸۵ حفاری ادامه مسیر با استفاده از دستگاه فوق شروع شده و پس از حفاری حدود ۸۰۰ متر در محل رکتیفایر ایستگاه نیرو هوایی (Q۴) متوقف گردید.

مراحل ساخت تونل بوسیله دستگاه حفار زوکور:

سپر فلزی دستگاه به نام شیلد توسط جک های پیش برنده به داخل خاک هدایت شده تا هنگام عملیات حفاری از ریزش خاک به روی دستگاه و متعلقات آن جلوگیری کند. دستگاه سپس بوسیله مته قدرتمند خود شروع به حفاری خاک نموده و همزمان بوسیله بیل مکانیکی خاک حاصل از حفاری را جهت انتقال به بیرون از تونل به روی نوار نقاله می ریزد. طول این نوار نقاله ها در مجموع ۶۰ متر، تعداد آن ها ۴ عدد می باشد و بصورت شیب دار نصب می شوند. خاک حمل شده با نقاله در بخش انتهائی دستگاه به داخل کامیون ریخته و از داخل تونل به بیرون حمل می گردد. پس از حفاری به میزان ۵/۱ متر طول، قطعات پیش ساخته بتنی بوسیله یک دستگاه جرثقیل ۱۰ تن به روی تراکتور مجهز به کفی بارگیری شده و به داخل تونل حمل می شوند. این قطعات که قبلاً در کارخانه علی آباد تولید شدهاند، از ۸ قطعه اصلی و یک قطعه به نام کلید به مجموع وزن ۵۰۵۰ کیلو گرم تشکیل شده و در محل تجهیز کارگاه احداث تونل دپو می شوند. این قطعات از بتن با مقاومت بسیار بالا بصورت سیستم پیش ساخته تولید شده اند. پس از حمل قطعات پیش ساخته، دستگاهی به نام وینچ، قطعات سگمنتی را از قسمت عقب دستگاه حفار به جلو حمل کرده و آنرا در زیر دستگاهی به نام اِرِکتور جهت نصب قرار می دهد.

اِرِکتور از دو رینگ متحدالمرکز تشکیل شده است و به منظور نصب قطعات پیش ساخته سگمنتی، بصورت محیطی کار می کند. نحوه عملکرد بدین صورت است که دستکهای این دستگاه داخل سوراخهای تعبیه شده در قطعات بتنی قرارگرفته و بوسیله آن قطعه بتنی را بلند می نماید، در راستای محیطی آن را چرخانده و در جای مناسب قرار می دهد. این عمل باید با حوصله و دقت بالا انجام گیرد تا قطعات آسیب نبینند. بلافاصله بعد از نصب هر قطعه، قطعه بعدی نصب می شود تا هنگام تزریق از خروج و پرتاب دوغاب سیمان جلوگیری نماید. پس از نصب کامل قطعات پیش ساخته بتنی و پیشروی دستگاه به جلو لازم است برای جلوگیری از جابجائی و افزایش فشار خاک، در اسرع وقت، فضای خالی مابین قطعات پیش ساخته و خاک محل، با مصالح مشخص تزریق گردد. به منظور آببندی سطح پشت تونل و همچنین جلوگیری از نفوذ آبهای سطحی اطراف، تزریق مرحله دوم با عمق بیشتری در خاک با فشار مناسب در پشت قطعات پیش ساخته انجام می گیرد. این عمل سبب آببندی و متراکم شدن خاک اطراف سگمنتها میشود.

مزایای استفاده از دستگاه حفاری

۱) حداقل مقدار پیشرفت فیزیکی دستگاه در یک جبهه کار و در یک سال برابر است با پیشرفت فیزیکی سه سال سه پیمانکار تونل ساز با روش سنتی در تونل مشابه.

۲) کاهش قابل توجه هزینه ساخت تونل با دستگاه حفار نسبت به روش سنتی.

۳) حفاری و ساخت تونل به روش سنتی همیشه با مخاطرات ریزش روبرو بوده که در روش استفاده از ماشین حفار هیچیک از اثرات ریزش و یا نشست مشاهده نخواهد شد.

۴) کیفیت تونل های ساخته شده با دستگاه حفار به مراتب بهتر از تونل های ساخته شده به روش سنتی است.

۵) در حفاری تونل به روش سنتی همواره مسائل ایمنی بسیار قابل توجه می باشد و احتمال بروز خسارات جبران ناپذیردر طول پروژه وجود دارد.در صورتی که با استفاده از دستگاه حفار بسیاری از مسائل ایمنی حل شده است.

لذا با توجه به نکات فوق الذکر از نظر زمانی،اقتصادی، فنی و کیفی احداث تونل با دستگاه مطلوبتر است.

بهینه سازی دستگاه حفار زوکور:

به دلیل بالا بودن زمان تعمیر دستگاه و کاهش راندمان حفاری در عملیات حفاری قسمتی از خطوط ۱ و ۲ ، پس از دمونتاژ، به منظور استفاده مجدد از یکی از این دستگاهها در عملیات حفاری قطعه R۴ Q۴ خط ۴ متروی تهران، طبق تصمیم مهندسین و کارشناسان مجرب در سال ۱۳۸۵ مقرر گردید تا تغییراتی در دستگاه اعمال گردد. در مجموع بعضی از قطعات حذف و به جای آن یک مته جدید طراحی و نصب گردید. با این تغییرات وزن کلی دستگاه حفار سبکتر شد و در مقایسه با دستگاه حفاری زوکور اولیه که در سه شیفت بطور متوسط روزانه یک رینگ (معادل ۵/۱ متر طول) حفاری انجام می داد، با تغییرات انجام شده، در دوشیفت کاری دو رینگ (معادل ۳ متر طول) حفاری انجام گرفت.

مشکلات دستگاه حفار زوکور:

در تاریخ ۱/۶/۸۶ دستگاه حفار به یک لایه سنگی غیر یکپارچه و سپس در تاریخ ۱۵/۶/۸۶ به یک توده یکپارچه سنگ برخورد کرد و عملاً پیشروی با تجهیزات نصب شده قبلی غیر ممکن گردید. عملیات تخریب سنگ ابتدا بوسیله چکش کمپرسور و استفاده از مواد منبسط شونده و گوه هیدرولیکی ادامه یافت.

به منظور بررسی دقیقتر صخره سنگی، عملیات شناسائی و آزمایشات ژئوفیزیک به شرح زیر انجام گرفت:

۱) حفر تونل پیش رو به طول ۳۰ متر با مقطع آدم رو .

۲) آزمایش مقاومت فشاری سنگ، که مقاومت بسیار بالای سنگ را ثابت میکرد.

۳) آزمایش ژئورادار که نشان دهنده وجود توده سنگ حد اقل در ۱۵۰ متر طول از تونل بود.

با توجه به نتایج آزمایشات فوق الذکر، تیم کارشناسان به این نتیجه رسیدند که بیش از این امکان حفاری با روش سنتی و دستگاه زکور با وسایل نصب شده قبل وجود ندارد.

با موافقت مدیریت محترم شرکت متروی تهران مقرر شد یک دستگاه چکش هیدرولیکی و یک دستگاه درام کاتر خریداری شود. عملیات ساخت و نصب بازوی جدید دومنظوره از تاریخ ۲۷/۸/۸۶ شروع و در تاریخ ۲۶/۱۱/۸۶ به اتمام رسید.عملیات حفاری با تجهیزات جدید نصب شده از تاریخ ۲۷/۱۱/۸۶ مجدداً آغاز شد ولی به علت مقاومت بالای سنگ عملیات حفاری با راندمان بسیار پایین تا اواسط خرداد سال ۸۸ بطول انجامید. پیشرفت عملیات اجرائی در این بخش از کار بطور متوسط ماهانه ۱ رینگ بود.

دمونتاژ دستگاه حفار زوکور:

بعد از اتمام عملیات حفاری برای بازیافت دستگاه زوکور در طرح اولیه، یک شفت با قطر حداقل ۱۵ متر و به عمق ۲۰ متر در خیابان پیروزی درنظر گرفته شد.

پس از بررسی های دقیقتر مشخص گردید به دلیل بارترافیکی، همچنین عبور لوله گاز شهری و دیگر تأسیسات شهری در طول خیابان پیروزی حفاری چنین شفتی غیر ممکن می باشد. لذا کارشناسان برآن شدن تا با تغییر در نقشه های اجرائی، در محل رکتیفایر(پست یکسوساز) ایستگاه نیروهوایی، دستگاه مذکور در زیر زمین دمونتاژ و قطعات آن به سطح خیابان منتقل گردد. این عمل برای اولین بار در کشور انجام گرفته است.

در این مرحله، پس از بررسی دقیقتر نقشه ها، روش اجرای رکتیفایر ایستگاه تغییر یافت و مقطع اصلی رکتیفایر به عرض ۲۴ متر به صورت مرحله به مرحله با اجرای عملیات نیلینگ به منظور تثبیت و تحکیم دیواره های طرفین انجام پذیرفت.

در نهایت فضائی مناسب جهت دمونتاژ دستگاه در زیر سطح خیابان پیروزی ایجاد و امکان حمل قطعات دستگاه بوسیله جرثقیل و تریلی کمر شکن فراهم گردید. قطعات از تونل اصلی عبور و از رمپ کارگاه تونل سازی بیرون آورده شدند. این عملیات به مدت ۴۵ روز به طول انجامید. هم اکنون امکان مونتاژ و استفاده مجدد از این دستگاه وجود دارد.