به دلايل تاريخي شناخته شده اكثر شهرهاي بزرگ از جمله تهران بر روي زمينهاي نرم بنا شده اند. پيشرفت زمان و رشد فزاينده جمعيت اين شهرها نيز لزوم احداث فضاهاي زيرزميني جهت تاسيسات و ارتباطات شهري را امري اجتناب ناپذير شمرده است. لذا مهندسين طراح بايد با توجه به وضعيت زمين شناسي مهندسي منطقه ، سازه هاي سطحي ، حجم ترافيك ، سطح قيمتها ، كيفيت و كميت نيروي انساني ، زمان مجاز كار و … روش منطبق با شرايط مزبور انتخاب و يا احتمالا“ ابداع نمايند.
گرچه در سطح شهر تهران موانع طبيعي مانند رودخانه وجود ندارد كه آن نيز بر مشكلات موجود بيفزايد ، ولي وجود تعداد زيادي قنات دائر و باير ، چاههاي دفع فاضلاب و بالا آمدن سطح آبهاي زيرزميني از جنوب تا مركز شهر تهران ، كار اجرائي طرح را پيچيده تر كرده است.
بطور كلي راه حل هاي جلوگيري از نفوذ آب به داخل سازه ها در دو بخش كلي انجام شده:
- تخليه آب بمنظور آماده سازي محل جهت احداث ساختمانهاي پيش بيني شده.
- جلوگيري از نفوذ آب به داخل سازه هاي ساخته شده و آماده نمودن تاسيسات جهت بهره برداري مطابق با آئين نامه هاي موجود.
شناخت وضعيت زمين شناسي و آبهاي زيرزميني در دشتهاي جنوب تهران
كلياتي در مورد وضعيت زمين شناسي مهندسي دشت هاي جنوب تهران :
منطقه تهران در پهنه اي بين دو وادي كوه و كوير (دامنه جنوبي البرز و دشتهاي شهريار و ورامين) واقع شده و حد طبيعي فضاي آن از دو طرف ديگر بوسيله دو رودخانه جاجرود و كرج مشخص مي شود. اين در رودخانه در نزديكي ورامين به يكديگر ملحق شده و به سوي درياچه فصلي واقع در كوير نمك جاري شوند.
شكل 1 – فضاي جغرافيايي تهران
در يك مقطع شمالي و جنوبي از پهنه تهران،پنج بخش مشاهده مي شود:
شكل 2
- دامنه كوهستان شميرانات با شيب 10 تا 15 درصد
- از تجريش تا تپه هاي عباس آباد با شيب 3 تا 5 درصد
- از عباس آباد تا خيابان انقلاب
- از انقلاب تا نزديكي ري با شيب 2 درصد
- از ري تا ورامين با شيب بسيار ملايم 1 درصد كه تا كناره كوير ادامه مي يابد.
در يك نگرش كلي ، وضعيت رسوبات آبرفتي تهران از جنوب به سمت شمال به صورت زير است :
قسمت اعظم جنوب تهران را رسوبات ريز دانه رس و سيلت تشكيل داده (ML – CL) كه در اعماق مختلف داراي لايه هايي از شن و ماسه با ضخامتهاي متفاوت مي باشند. البته در قسمتهاي جنوبي تر گهگاه به رس با پلاستيسيته بالا (CH) نيز برخورد شده است عمده اين خاكها از نوع پيش تحكيم يافته مي باشند. در اين خاكها مواد گچي و آهكي به صورت پراكنده ديده شده است . اين امر موجب مشكل بودن حفاري دستي گرديده بطوريكه در حوالي بهشت زهرا گاها“ از قلم و چكش جهت كندن استفاده مي شود.
از جنوب به سمت شمال بر ميزان درشت دانه ها افزوده شده به نحوي كه درحوالي قورخانه،عمده خاك از شن ريز و ماسه به همراه مقدار كمي سيلت و رس تشكيل شده و در مناطق شمالي تر،قلوه سنگ و شن درشت نيز در بين روسوبات يافت مي شود.
بطور كلي خاكهاي نواحي مركزي و شمالي تهران عمدتا“ شن و ريگ همراه با مقداري مواد ريز دانه و آهكي بوده كه همين امر موجب مقاومت بالاي آن شده است اين مقدار ريز دانه باعث نامگذاري هاي مختلفي براي اين خاكها در طبقه بندي خاك (GW – GC – GP) گرديده است. در شكل 3 برش عرضي ، شمالي – جنوبي از شهر تهران ملاحظه مي شود.
شكل 3
وضعيت آبهاي زيرزميني در دشتهاي جنوب تهران:
جريان آب بداخل تونل
بطور كلي مساله آب زيرزميني در احداث تونل در مناطق شمالي و مركزي تهران وجود نداشته مگرآنكه در شمال به چينه هاي با تراوايي كم و در مركز به قناتهاي فعال برخورد شود كه آنهم بطور موضعي بوده و باعايق نمودن آن بخش از تونل و يا منحرف ساختن قنات رفع خواهد شد.
اما در جنوب تهران بعلت سيلتي و رسي بودن خاكها و وجود خاكهاي دستي احتمالي در مسير تونل و با توجه به بالا بودن سطح آب،ضروري است كه سطح آب زيرزميني پايين انداخته شود كه اين امر در حال حاضر توسط سازمان آب تهران با بكارگيري چندين چاه پمپاژ بطور شبانه روزي در مسير چهار راه گلوبندك تا خيابان شوش انجام مي گيرد.البته سازمان آب تهران در نظر دارد تا با احداث حدود 40 كيلومتر كانال و سيفون، آب اين منطقه را بطرف جنوب غربي (حوالي پشت فرودگاه مهر آباد) هدايت و مشكل اين منطقه را بطور اصولي حل نمايد. بدين ترتيب زمينهاي جنوب غربي تهران نيز از خطر خشك شدن رهايي خواهند يافت.
نفوذ آب به سازه هاي متروي تهران عمدتا“ از منابع به شرح زير ميباشد :
- نزولات جوي و آبهاي سطحي
- آبهاي زيرزميني
- قنات و كانالهاي جمع آوري آبهاي سطحي
- نشت آب از شبكه لوله كشي آب تهران
- نشت آب از فاضلاب ها و آب نماها
روشهاي حفاري متداول در حفر تونلهاي متروي تهران
بطور كلي تونل هاي متروي تهران به سه روش حفاري با سپر ، روش ايراني (روش جديد اتريشي اصلاح شده) و روش ترانشه باز اجرا مي شود.
- روش ترانشه باز معمولا“ در نقاطي كه مسير مترو كاملا“ در زير امتداد يك خيابان و يا يك منطقه غير مسكوني است اجرا مي شود در اين روش ابتدا خاكبرداري از سطح تا عمق راديه تونل انجام سپس تونل با مقطع نعل اسبي و يا چهارگوش ساخته شده و پس از اجراي لايه آب بندي،خاكريزي تا سطح اوليه صورت مي گيرد.
- روش حفاري با سپر معمولا“ در بخشهاي مركزي و پرترافيك شهر اجرا مي شود در اين روش حفاري به صورت دايره اي به قطر 9 متر انجام شده وبراي نصب قطعات بتني از 18 جك در پايين و 12 جك در بالا استفاده مي شود. سپس در پشت قطعات بتني ، عمل تزريق با فشار حدود پنج اتمسفر انجام ميگيرد. طول دستگاه 65 متر،وزن آن 650 تن و زاويه چرخش بيل 360 درجه ميباشد.
- در روش ايراني يا روش جديد اتريشي اصلاح شده ابتدا بخش فوقاني تونل در هر وهله 8/0 تا 2/1 متر پيشروي كرده سپس يك شبكه توري فلزي پيرامون بخش حفاري شده پهن مي شود. در مرحله بعد يك قاب فلزي سه تكه در پيشاني كار نصب و با چند مهار طولي به قاب قبلي متصل مي شود. سپس مجددا“ يك شبكه توري ديگر بر روي قاب گسترده شده و در نهايت با اجراي شاتكريت در بين دو شبكه حفاظت موقت تكميل ميگردد. در بخش تحتاني كه با فاصله اي نسبتا“ زياد حدود 200 متر از بخش فوقاني انجام مي شود ( اين تفاوت اصلي اين روش با روش جديد اتريشي است چرا كه معمولا“ در روش اتريشي اين فاصله بسياركم است) طول هر وهله حفاري حدود 3 تا4 متر بوده اما قابها درست در زير قابهاي فوقاني نصب شده و به آنها جوش داده مي شوند تا در پايان يك حلقه بسته را دور تا دور تونل تشكيل دهند.
گسيختگيها و فرو ريزشها در روش جديد اتريشي:
در تونلهاي اجرا شده به روش جديد اتريشي كه پيشروي حفاري بخش فوقاني در دوره هاي حدودا“يك متري انجام و اجراي كامل حفاظ موقت با تاخير زماني حدودا“ هشت ساعت بعد از حفاري صورت ميگيرد، غالبا“ ريزشهاي كره اي يا گنبدي شكلي با ارتفاع متوسط حدود 50 سانتيمتر رخ مي دهد. در تونلهايي كه با ماشين حفار بطور تمام مقطع اجرا ميشوند نيز ريزشهاي گوه اي شكل در تاج تونل در سينه كار به ابعاد حدودا“ 50 سانتيمتر رخ مي دهد.
شكل 4- ابعاد مقطع و مراحل حفاري تونل به روش جديد اتريشي اجرا شده در تونلهاي مترو
براي ساخت تونل در محدوده شهري دو گزينه وجود دارد : روش حفر و پوشش و روش تونلزني
- روش حفر و پوشش :كه اقتصادي ترين روش براي ساخت تونل است مي تواند بدون مشكل ژئوتكنيكي خاصي مورد استفاده قرار گيرد.احداث تونل به اين روش دربرخي از مسيرها بسته به نوع خاك منطقه و شرايط زمين مستلزم استفاده از فنوني مانند: ايجاد ديوار ديافراگمي،خشك اندازي و تزريق دوغاب ميباشد.استفاده از روش حفر و پوشش ( COVER & CUT ) در صورتيكه مشكل عبور از لايه هاي فاقد چسبندگي آبدار وجود نداشته باشد،راهكار عملي و ارزاني بوده ، بدون نياز به ماشين آلات و تجهيزات خاص قابل اجرا مي باشد.
در شكل هاي 6 و 7 چگونگي ساخت تونل با روش حفر و پوشش در مناطق با سطح ايستايي (به ترتيب) پائين و بالا نشان داده شده است.
شكل 5
شكل 6
- روش تونلزني : كه راهكاري گرانتر ميباشد،مزيت ايجاد مزاحمت حداقل را بر محيط زيست و زندگي شهري دارد. تونلزني در سازندهاي سنگي،داراي برون زد در بخش هاي جزيي شهر، مي تواند با روش سنتي و با بكارگيري ماشين تونلزني كله گاوي صورت گيرد. در حاليكه، براي تونلزني در سازندهاي آبرفتي نرم،بويژه در رسوبات بدون چسبندگي آبدار،بكارگرفتن ماشين تونلزني سپر تعادل فشار خاك و يا گلاب بهترين راهكار عملي می باشد
حفر تونل با روش هاي سنتي
- سازندهاي سنگي
- سازندهاي آبرفتي
تونلزني با ماشين
- سازندهاي سنگي
- سازندهاي آبرفتي
روشهاي عايق بندي ( ايزولاسيون ) تونلهاي مترو در برابر نفوذ آب :
روش سگمنت گذاري و تزريق پشت سگمنت (Grouting)
هدف از انجام عمل تزريق:
به طور كلي عمل تزريق با دو هدف اساسي انجام ميشود.
- محكم كاري و ايجاد اطمينان از نظر ايمني براي مثال در سدهايي كه براي كنترل آب زده ميشود فشار قائم بسيار بالايي از طرف آب موجود در پشت سد به ديواره سد وارد ميشود و يا در تونلهاي معادن زيرزميني و نيز در تونلهاي مترو فشار لايه هاي بالايي زمين به قسمتهاي سقف و ديواره تونل وارد ميشود كه در صورت عدم محكم كاري و تامين ايمني ممكن است خسارات جاني و مالي جبران ناپذيري به بار آورد.
با انجام عمل تزريق هم فضاي خالي پشت سگمنتها پر ميشود و هم با نفوذ دوغاب در لايه هاي آبرفتي كه در اثر حفاري دچار به هم خوردگي در ساختارشان شده اند باعث استحكام لايه هاي آبرفتي پشت سگمنتها ميشود.
- عايق بندي تونل در برابر نفوذ آب حاصل از برف و باران . وقتي دوغاب از گمانه ها تزريق ميشود و در فضاهاي خالي پخش شود به صورت عايقي از ورود آب به داخل تونل جلوگيري ميشود.
كاربردهاي تزريق درچه مواردي است:
همانطور كه در بالا گفته شد موارد استفاده از تزريق در سدها و تونلهاي مترو و در برخي از تونلهاي معادن زيرزميني است.
انواع تزريق از نظر ساختار ديواره داخلي تونل:
پوشش نگهدارنده داخلي تونل مترو ممكن است سگمنتي باشد و يا به صورت Lining اجراء شود در روش دوم ديواره داخلي تونل بعد از حفاري ، آرماتوربندي و قالب بندي ميشود و سپس با بتن پر ميشود و ليكن اجراي اين روش مستلزم صرف زمان زيادي ميباشد. در نهايت براي كار تزريق ، ساختار سگمنتي يا آرماتوري ديواره تونل فرق چنداني نمي كند.
تعريف سگمنت و كليد و طرز قرارگيري آنها در يك حلقه يا رينگ:
سگمنت در واقع قطعات بتن پيش ساخته اي است كه به دليل سهولت كار از آن استفاده ميشود به اين صورت كه بتون را در قالبهاي مخصوص ميريزند و پس از خشك شدن و سفت شدن آنها را در داخل تونلها با بولتهايي به هم وصل مي كنند و به اين طريق ديواره يا در واقع پوشش نگهدارنده داخلي تونل ساخته ميشود.طرز وصل كردن اين سگمنتها به يكديگر در داخل تونل به اين شكل است كه در قسمتهاي انتهايي اين سگمنتها سوراخهايي تعبيه شده است كه پيچهايي با ضخامت بالا داخلي انها قرار مي گيرد و توسط مهره هايي سفت و محكم بسته ميشوند.
توضيح ميكسرها و همزنها و كارشان :
راي آماده سازي و تهيه دوغاب از دستگاهاي ميكسر و همزن استفاده ميشود.روش كار چنين است كه ابتدا آب و سيمان و روان كننده با نسبتهاي تعيين شده در طرح داخل ميكسر ريخته ميشود و احيانا“ در صورت نياز مقداري هم ماسه همراه با آنها داخل ميكسر ريخته ميشود. در انتهاي ميكسر در قسمت پائين آن پره اي وجود دارد كه در حال چرخش است و باعث مخلوط شدن آب و مصالح خشك ميشود. بعد اين مخلوط وارد دستگاه همزن ميشود كه در آنجا يك ميله همراه با پره هايش از بالا نصب شده است كه در داخل ظرف همزن مي چرخد و باعث ميشود كه سيمان و احيانا“ ماسه به طور كامل در آب مخلوط شوند و يك مخلوط يك دست كه غلظت درتمام نقاط آن يكسان است بدست آيد كه دوغاب ناميده ميشود ، ضمن اينكه اينكار از ته نشين شدن سيمـان و مصـالـح در داخـل ظرف همزن جلوگيري مي كند. سپس دوغاب از همزن خارج مي شودو مراحل بعدي را تا تزريق به داخل گمانه طي مي كندكه در بخشهاي بعدي به آنها توجه خواهد شد.
پمپهاي توليد فشار و پمپهاي فشار شكن و توضيح كار آنها
پمپهاي ايجاد فشار يكي از اعضاي سيستم انتقال دوغاب به گمانه است كه توسط آن دوغاب از دستگاه همزن بيرون كشيده ميشود و پس از عبور از خود پمپ با فشار معيني در مسير شلنگهاي انتقال ، پمپاژ ميشود. اساس كار اين پمپ سليندرهايي است كه در آن قرار دارند و با حركت مداوم پيستون در داخل اين سليندرها فشار لازم به دوغاب وارد ميشود. تعداد اين سليندرها معمولا“ 2 يا 3 عدد است.چون كار پمپاژ دوغاب به وسيله اين پمپها (بعضي از اين پمپها) مدام قطع و وصل ميشود و تناوبي است لازم است كه يك كپسول فشار شكن در سر راه ، بعد از پمپ توليد فشار قرار گيرد تا اين فشار را يكنواخت نمايد و در واقع دوغاب با يك فشار ثابت انتقال پيدا كند. البته در مورد پمپهاي ايجاد فشار قديمي اين موضوع صدق مي كند ولي پمپ هاي جديدتر كه در حال حاضر توليد ميشوند هر دو اين كارها را با هم انجام مي دهند و نيازي به پمپ فشارشكن نيست و خود پمپ توليد فشار دوغاب را با فشار ثابتي پمپاژ مي كند.
تعريف اصطلاح خورند در كارهاي تزريق:
در تمام كارهاي تزريقي چه تزريق تونلهاي مترو و معدن و چه تزريق در سدها تعريف يكساني براي اصطلاح خورند وجود دارند و آن هم عبارتند از مقدار حجم دوغاب در زمان معين كه در هر مرحله اي از تزريق بتوان به داخل گمانه يا محل مخصوص حفاري شده فرستاد و تزريق كرد در تونلها دوغاب به داخل گمانه تزريق ميشود ولي در سدها در راستاي ديواره سد از دو طرف حفاري مي كنند و دوغاب را به داخل آن تزريق مي كنند كه به هر حال به حجم دوغاب مصرفي در يك زمان معين در اين تزريقها خورند گويند و اگر مصرف دوغاب يك گمانه زياد باشد مي گويند خورند بالا است و بر عكس اگر مصرف دوغاب كم باشد مي گويند خورند پائين است.
حداكثر زماني كه ميتوان كار را به طور موقت تعطيل كرد:
دلايلي كه مي تواند باعث تعطيلي و توقف موقت كار تزريق شود عبارتند از : قطع برق براي مدت كوتاه ، گرفتگي در سيستم انتقال به هر دليل ، نشتي و بيرون زدگي دوغاب در قسمتي در آنجا تزريق انجام ميشود ، ايجاد هر گونه اشكال و خرابي در سيستم دستگاههاي همزن ، ميكسر و پمپ ، آسيب ديدگي يكي از افراد گروه تزريق و …
مسئله مهمي كه در اين بخش به آن توجه شده است اين است كه به هر دليلي از دلايل ذكر شده در بالا كار تزريق موقتا“ متوقف شود ، زمان توقف به قدري باشد كه دوغاب موجود در ميكسر و همزن خودش را نگيرد سفت نشود و قابل استفاده براي كار تزريق باقي بماند.
بر حسب آئين نامه بتن ايران ( آبا ) از مدت زمان 45 دقيقه به بعد گيرش بتن آغاز ميشود. بنابر اين به هر يك از دلايل بالا كه كار متوقف شود بايد ظرف مدت حداكثر 45 دقيقه هر گونه اشكال ايجاد شده بر طرف شود و كار تزريق دو باره ادامه پيدا كند. در غير اين صورت به اصطلاح گيرش و سفت شدن بتن شروع ميشود و اين بتن ديگر قابليت استفاده جهت كار تزريق را از دست مي دهد.
انجام تست آب در انتهاي كار براي اطمينان از عايق بندي تونل :
در انتها ، كه همه كارهاي لازم جهت عايق بندي تونل در برابر نفوذ آب به داخل آن بر روي آن انجام شد، يعني بعد از تزريق در سه مرحله و نيز استفاده از Penetron براي اطمينان كامل از صحت عايق بندي تونل، روي آن يك تست آب انجام مي دهند كه به اين تست آب آزمايشهاي لوژن و لوفران نيز گفته ميشود. براي انجام اين تست ، روش كار چنين است كه ابتدا يك گمانه در قسمت تاج تونل و در فواصل مشخص شده در طرح و با عمق معين شده در طرح ، حفاري مي كنند ( مانند گمانه زني در مراحل سه گانه تزريق ) و سپس همانند انجام كار تزريق عمل مي كنند ، فقط با اين تفاوت كه در اينجا به جاي تزريق دوغاب ، آب را به داخل گمانه هاي حفاري شده تزريق مي كنند. وقتي آب با فشار به داخل گمانه پمپاژ ميشود ، در صورتي كه در قسمتي از ديواره تونل عايق بندي كامل نباشد و حفره يا درز كوچكي وجود داشته باشد ، آب از آن قسمت شروع به نشت كردن و بيرون زدن مي كند. به اين شكل ايرادات كار عايق بندي تونل نمايان ميگردد. و مهندسين ناظر مستقر در داخل تونل مترو به دقت اين محلهاي بيرون زدگي آب را تشخيص داده و نشتي موجود در آن قسمت از ديواره تونل را با استفاده از روشهايـي كـه گفتـه شد بر طرف مي كنند.
بنابراين پس از انجام مرحله تست آب و بر طرف كردن نشتي هاي احتمالي ، درصد خطاي كار عايق بندي تونل مترو به حداقل مي رسد. اگر مهندسان اين چنين پروژه هاي تشخيص دهند كه قسمتهايي از تونل مترو در تماس مستقيم و يا بسيار نزديك ، با آبهاي موجود در سطح ايستابي آن منطقه است، و خطر نفوذ و نشتي آب در آن بخشها از تونل بيشتر است ، مي توانند براي افزايش اطمينان از كار ، تست آب را براي بار دوم هم انجام دهند. با افزايش مراتب انجام تست آب درصد خطاي عايق بندي تونل به صفر ميل مي كند.
