انواع روشهای حفر

[ریپورتر]

مقدمه

امروزه روشهای مختلفی جهت حفر انواع تونل وجود دارد.برحسب شرایط اعم اززمین شناسی، نوع کاربری تونل، سطح مقطع تونل، میزان پیشروی، میزان سرمایه مورد نیاز، مدت انجام پروژه و مهمتر ازهمه نوع سنگ در انتخاب روش موثر است.انوااع روش حفر تونل عبارتند از:

(BLASTING) --حفر تونل به روش سنتی یا آتشباری

(TBM)--حفر تونل به کمک ماشینهای تمام مقطع

)ROAD HEADER--حفر تونل به کمک ماشینهای بازویی(

(SHIELD TUNNELING)--حفر تونل به کمک سپر

(CUT and COVER)--حفر تونل به کمک کند وپوش

1-حفرتونل به روش سنتی(آتشباری)

برای اینکه راندمان حفر تونل را بالا ببرند، در قسمت های میانی جبهه کار تعدادی چال نزدیک بهم وبا زوایای مخصوص حفر می- کنند ونقشه انفجار را طوری در نظر می گیرند که ابتدا این چالها منفجر شود و یک جبهه کار آزاد برای سایر چالها فراهم سازد.

مجموعه این قبیل چالها به نام برش نامیده می شود، این برشها انواع مختلفی دارند که درزیر به شرح آنها می پردازیم.

حفرتونل به روش موازی

برش های موازی اغلب برای تونل های کوچک مقطع به کار می رونداما می توان برای حفر تونل های بزگ مقطع نیزاستفاده کرد.دربرش موازی یک یاچندچال خالی به صورت افقی وبا قطرزیاد(65تا175میلی متر)موازی یکدیگروعمود برسینه کارحفرکرده ودراطراف آنهاوبه فاصله10تا20سانتی متری چالهایی باقطرکم ونزدیک به یکدیگرو باخرج گذاری مناسب به وجود می آورند.چال های قطور که خرج گذاری نمی شوند، نقش سطح آزادرابرای چال های کوچک دارندوچال های کوچک باتاخیرهای 20تا30میلی .[1] ثانیه آتش می شوند

برش های موازی به اشکال مختلفی تحت نام های متفاوت صورت می گیرند که دارای ویژگی های مشترکی به شرح زیرمی باشند:

چال ها باهم موازی، افقی وعمود برسینه کارهستند -چال هابه نوبت منفجرمی شوند. -

برخی ازچال هاخرج گذاری نمی شوند -

هنگام کاربابرش موازی نکات زیر دقیقا بایدرعایت شوند:

-آرایش، امتدادوخرج گذاری چال ها مطابق آنچه که مقرراست اجراگردد.

-هرگونه تعدیل نظیرازدیادفاصله چال هاومیزان خرج،پیشروی راکم میکند.

-آتش کردن چال های هربرش مطابق طرح مربوطه صورت گیرد.

-در6یا8چال نزدیک به چال خالی نبایدخرج فشرده درته چال بکاربرد.

. [1] انواع برش های موازی برحسب آرایش وابعاد چال هابه شرح زیرمعرفی می گردد

1-برش شماره یک یا برش دواسپیرال: بیشترین پیشروی بااین نوع برش مقدوراست.

):TABY CUT2-برش شماره دو(

حالت خاص ازروش قبلی بوده ومیزان پیشروی اش ازآن کمتراست، چال زنی و مکانیزاسیون حفرچال راحت تراست.

3-برش شماره سه(سه مقطعی،چهارمقطعی): بسیارزیاد استعمال می شوند و پیشروی آنهابیش ازبرش شماره دواست.

)Fagersta cut4-برش شماره چهار (

چال های این برش باپرفراتوردستی حفرمی شوند.

:(coromant cut)-برش شماره پنج 5

شبیه برش دواسپیرال است.

(Burn cut)6-برش کانادایی

این برش به اشکال مختلفی دیده می شود، درمتداول ترین آنها قطرچال خالی وقطرچال انفجاری برابرهستند.

(Creater cut)7-برش شماره هفت

دراین برش تغییرات ابعاد چال خطی است اگرقطر،عمق وطول خرج دوبرابرشود،حفره ای باعمق دوبرابربوجودمی آید.

(Benching cut)8-برش شماره هشت

حفرتونل به روش غیرموازی(زاویه ای)

دربرش غیرموازی حفره ای که درابتدای انفجارو مرکزتونل بوجودمی آید شکل مخروط دارد و نتیجه انفجارچال هایی است که افقی اند، باامتدادتونل موازی نیستندو برسینه کارتونل عمود نمی باشند. این برش رادرجایی بکارمی برندکه سطح مقطع تونل

.[1] زیادباشدزیراحفرچال درامتدادی غیرموازی بامحورتونل مستلزم وجودفضای کافی برای استقراردستگاه چالزنی می باشد

(V cut)1-برش گوه ای

برای سنگهای متورق و شکاف دارمناسب است.چال هاافقی ومایل با محورتونل حفرمی شون و دراثرانفجارشکل گوه ای مانند ایجادمی شود

(Fan cut)2-برش بادبزنی

برای سنگ های متورق مانندشیل مناسب بوده و بیشترین موارداستعمال این روش درحفظ تاسیسات مثل چوب بست ازاصابت سنگ درنزدیک سینه کاراست.

Pyramid cut,cernter cut,diamond cut 3-برش هرمی(مرکزی)

این نوع برش برای حفر تونل درسنگ های سخت بکار می رود.

ازمعایب این روش می توان به مصرف زیاد ماده منفجره، لرزش زیادهواوگردوخاک ونیازداشتن به مهارت بالا جهت حفر چاه نام برد.

مزایاومعایب برش موازی وزاویه ای درحفرتونل:

-- حفرچال موازی ساده ترازچال غیرموازی است. -- میزان خردشدن سنگ درچال موازی بیش اززاویه ای است.

-- درموازی،چال های برش حتمابایدموازی یکدیگروعمودبرسینه کارباشد(درغیراین صورت پیشروی کم وطول ته چال زیاد خواهدبود).

--دربرش زاویه ای بایدانتهای چال بهم نزدیک باشد(درغیراین صورت پیشروی کم است).

:(TBM) حفر تونل به کمک ماشینهای تمام مقطع

با توجه به تنوع شرایط زمین شناسی و ترکیبات خاک و سنگ موجود در مسیر یک توتل بسته به شرایط انواع مختلفی از ماشین حفار تمام مقطع ساخته شده است.

:[2]در سال1980 (ISRM) تعریف انجمن بین المللی مکانیک سنک

در مورد سنگ سخت، مقاومت بیش از 50تا 100 مگا پاسکال و در مورد سنگ های نرم کمتر از 50 مگا پاسکال

: [3] ماشین های حفر تونل در سه گروه عمده زیر دسته بندی می شوند

الف) دستگاههای حفر تمام مقطع باز ب) دستگاههای حفر تمام مقطع تک سپری ج) دستگاههای حفر تمام مقطع سپر تلسکوپی

(Open TBM) الف) دستگاههای حفر تمام مقطع باز

ماشین های مقطع باز در مواردی که توده سنگ درون گیر تونل از مقاومت کافی جهت تحمل ریزشی نداشته باشد، بهترین گزینه هستند.

این ماشین ها طراحی متفاوتی دارند ولی در کل دو سیستم دوکفشکه و تک کفشکه، دارای عمومیت بیشتری در میان سازندگان این نوع ماشین ها می باشد.

(Single Shield TBM) ب) دستگاههای حفر تمام مقطع تک سپری

این ماشین ها در شرایطی به کار می روند که توسط سنگ درون گیر تونل به قدری سست باشد که امکان استفاده از کفشک برای تامین نیروی پیشروی وجود نداشته باشد. نصب قطعات بتنی در داخل سپر از ریزش دیواره ها جلوگیری کرده ومحیط مناسب برای فعالیت کارگران فراهم می نماید. سرعت پیشروی این ماشین ها در زمین های سست و احیاناً ریزشی، محدود به سرعت نصب قطعات بتنی می باشد. ماشین های تک سپری به صورت استوانه دارای پوشش بوده که در قسمت جلوی آن کله حفاری و در

.[3] قسمت عقب دستگاه نصب سگمنت و جکهای پیشران قرار گرفته اند

(Double Shield TBM) ج) دستگاههای حفر تمام مقطع سپر تلسکوپی

برای اولین بار این نوع ماشین با هدف کار در زمین های با شرایط مناسب به عرصه مهندسی تونل معرفی گردید.

این ماشین علاوه بر دو سر جلو و عقب مجهز به جک های پیشران همانند ماشین تک سپری و کفشک، همانند ماشینهای

باز می باشد. بنابراین این ماشین توانایی کار در زمین های با مقاومت مناسب و همچنین شرایط ضعیف را دارا می باشد.

در حالتی که زمین مقاومت مناسب برای حفاری به کمک کفشک را دارد. ماشین می تواند به حفاری و سگمنت گذاری

مستقل از هم و همزمان با هم بپردازد و به همین دلیل سرعت حفاری ماشین های سپر تلسکوپی به طورتئوریک دو برابر

. [3] ماشین هایتک سپری و در عمل 30-40 درصدبیشتر از آن است

)shield tunneling حفرتونل به کمک سپرها (

حفرتونل درزمینهای سست وریزشی، معمولابااستفاده ازسپرهای فولادی انجام میگیرد.این سپرها غالبا مقطع دایره ای دارندوفضای تونلد ممکن است طی شرایط هوای آزادیاتحت تاثیر هوای فشرده باشد .وجودسپرسبب می شودکه بتوان حفاری رادرشرایط ایمن .[4] انجام دادوسیستم نگهداری اولیه رابرپاساخت ونشست زمین راکنترل کرد

شرایط استفاده ازسیستم سپر:

1-خاکهای ضعیف وغیرچسبنده 2-خاکهای رسی ضعیف وخمیری 3-خاکهایی که تحت فشارآب قراردارند

انواع سپر

1-سپرهای بازکه از سه قسمت بدنه،دنباله ولبه حفار تشکیل شده است.ازاین سپردرزمینهایی بکار می برندکه به اندازه کافی سفت ومحکم هستندکه درجلوسپر ریزش نکنند.

2-سپر بسته که درمورد زمینهای خیلی سست مثل بعضی ازرسهاوسیلتهاونیز ماسه های ریز روان استفاده می شود.

3-نیم سپرهاکه به هنگام حفرتونل درزمینهای خشک یاآبکشی شده،ازسپرهای بامقطع نیم دایره یانیم بیضی برای نگهداری سقف تونل استفاده می شودکه به آنهانیم سپر می گوینداین شیوه درموردتونلهایی که درعمق کم حفر می شوند نیز بکار می رود.

__________________

[ریپورتر]

حفرتونل به وسیله ماشینهای بازویی

درماشینهای بازویی،یک یا چندبازوی حفاروجودداردکه سطح مقطع آن به مراتب کمترازسطح مقطع تونل است وباجابجاکردن آن .[4] درنقاط مختلف مقطع،تونل راحفاری می کنند

شیوه حفاری به وسیله ماشین بازویی

. [4] حفرسنگ به وسیله ماشین بازویی طی یکی ازدومکانیسم پودرکردن و وتراشه کردن انجام می گیرد

1-حفاری به روش پودرکردن:دراین شیوه، محوردوران سرمته درامتدادمحوربازوی دستگاه است.سرمته نیزحالت مخروطی داردوبتدریج بانفوذ سرمته به داخل سنگ ، تعدادبیشتری از ناخنها درحفر درگیر می شوند و برین ترتیب، سنگ تا عمق مورد نظر حفر می شودوبا تغییر موقییت سرمته، این عمل در نقاط مختلف مقطع تونل انجام می شود.این شیوه حفر سبب می شود که دستگاه برای حفرسنگهای محکم ونیز حفاری در شرایط دشوار زمین شناختی، مناسب باشد.

2-حفاری به روش تراشه کردن: این شیوه حفاری عمدتا درماشینهای حفار پیوسته وبرای حفر سنگهای نرم وضعیف بکار می رود ویکی از موارد کاربرد آن ، حفر لایه های زغال وسنگهای رسوبی اطراف آن است.

مزایاومعایب دستگاه های بازویی

الف-مزایا

*ازآنجا که در این دستگاهها عملیات حفاری، بارگیری مواد حفرشده وتخلیه آنها همزمان انجام میگیرد لذا درمقایسه با روشهای سنتی،باصرفه ترند.

*درزمینهای نرم ونیمه سخت، سرعت پیشروی زیاد است. *پرسنل مورد نیاز محدود است.

*با هدایت صحیح بازو می توان مقطع تونل را مطابق شکل از قبل تعیین شده حفرکرد و بدین ترتیب،ازاضافه حفاری جلوگیری کرد.

ب-معایب

*هزینه های سرمایه گذاری اولیه زیاد است. *پرسنل موجود باید مهارت های ویژه ای داشته باشد.

*ماشین به هنگام حفر،گردوغبار زیادی تولید میکند. *هزینه حمل قطعات وسوارکدن ماشین نسبتا زیاد است.

احداث تونل به روش کند و پوش

این روش در مواردی امکان پذیر است که در محل مرد نظر، سازه های سطحی وجود نداشته باشد ویا تخریب آنها امکان پذیر باشد :[5] مهمترین موارد کاربرد روش کندن وپوش به شرح زیراست

الف- در تونلهای زیر سطح ایستابی به منظور احداث ناحیه حد واسط بین ترانشه اولیه وتونل اصلی

ب-دهانه تونل هایی که در نواحی کوهستانی احداث می شوند. ج-مناطق شهری

روشهای اجرا

بسته وضعیت زمین وشرایط موجود در محل، از روشهای مختلفی استفاده می شود که مهمترین آنها عبارتند از:

--روش گود برداری با دیواره شیروانی،که دراین روش دیوارهای ترانشه به صودرت شیروانی یعنی با دیواره های کم شیب احداث می شود ونیازی به سیستم نگهداری ندارد.

-- روش میخ کوبی دیواره که درآن دیواره پر شیب ترانشه را بوسیله میله های فولادی به طول چندین متر، میخ کوبی می کنند

-- روش نگهداری دیواره با سپر فولادی -- روش استفاده از پایه های فولادی

-- روش دیوار سازی بتنی که در این روش،قبل از عملیات گود برداری، دیوار قائمی به ضخامت 50 تا80 سانتی متر در دو طرف دیواره ترانشه مورد نظر احداث می شود که نقش دیواره حائل وپرده آب بندی را بر عهده دارد.

-- روش استفاده از دیوار پیش ساخته که در این روش نیز عملیات مقدماتی یعنی حفر گودال، به همان روشهای قبلی انجام می- .[5]گیرد وپس از آنکه گودال تا عمق مورد نظر حفاری شد، قطعات پیش ساخته بتنی رادر داخل آن قرار می دهند

درانتها درجدول1-1 مقایساتی بین روشهایی که بیشتر متداول هستند صورت گرفته است

جدول 1-1 مقایسه بین روشها

Roadhear

TBM

سنتی(کلاسیک یا روش آتشباری)

عوامل

گاهی مواقع مهم

بسبار مهم

اهمیتی ندارد

شناسایی گمانه ها

30 فوت در روز

100 فوت در روز

30 فوت در روز

نرخ پیشروی(متوسط)

برای سنگ های بیش از مقاومت 40کاربرد ندارد Ksi بیش از

برای سنگ های بیش از مقاومت

40کاربرد ندارد Ksiس

برای همه نوع سنگ قابل استفاده است

مقاومت فشار سنگ

نسبتاَ زیاد است

زیاد است

در مرحله چالزنی و انفجار زیاد است

گرد و غبار

می توان در قوس های تندتر نیز استفاده کرد

شعاع انحنا نباید از75 فوت کمتر باشد

شعاع انحنا نباید از 100 فوت کمتر باشد

قوس یا انحنای تونل

برای زاویه 6 درجه مناسب نیست

برای شیب های افقی نه بیش از 6 درجه

هر شیبی ولی نه بیشتر از 18 درجه

شیب تونل

متناوب

بسیار صلب

بسیار بالا

انعطاف پذیری

می توان برای بیش از 10000 فوت استفاده کرد

طول های بیش از 10000 فوت

هم طول و هم بیش از 1000 فوت

طول تونل

پیوسته

پیوسته

چرخه ای ،متناوب غیر پیوسته

پیوستگی عملیات

میزان سر و صدا متوسط

نه چندان زیاد

بسیار زیاد(در آتشباری)

سر و صدا

4 ساعت

می توان کنترل کرد

حداقل 3 ساعت

زمان خود نگه داری

برای کلیه مقادیر RQD

غیر از 25 الی 45 مناسب است

برای کلیه مقادیر RQD

RQD

دایره ای، نعل اسبی، اصلاح شده

فقط دایره ای

هر شکل

شکل حفاری