بتن ریزی توأم با حفاری
مدار فلزیاب با برد 5متر +شماتیک +pcb مخصوص حفاری باستان شناسان (کتب تخصصی به زبان انگلیسی)
مقدمه :
نخستین سپر محافظ تونل، توسط سر مارک ایزامبارد برونل در سال ۱۸۲۵ و برای حفاری تونل تِیمز ساخته شد. اگرچه این ابتکار تنها به منظور ساخت یک سپر بوده و شامل ساختن یک دستگاه حفاری تونل کامل نبود؛ اما عملیات حفر تونلها نیاز داشت که با استفاده از روشهای استاندارد حفاری به سرانجام برسد.
مشهور است که نخستین دستگاه حفاری ساخته شده، هنری-جوزف ماوس یک دستگاه برش کوه بودهاست. این دستگاه در سال ۱۸۴۵ به سفارش پادشاه ساردینیا و به منظور حفر تونل ریلی فرجوس از میان رشتهکوههای آلپ، بین دو کشور فرانسه و ایتالیا ساخته شده بود. عملیات ساخت این دستگاه در یک کارخانه اسلحهسازی در نزدیکی تورین و در سال ۱۸۴۶ به پایان رسید. این دستگاه عبارت بودهاست از بیش از ۱۰۰مته کوبهای که در قسمت جلویی دستگاهی به اندازه لوکوموتیو نصب شده بود که نیروی رانشی آن از ورودی تونل به صورت مکانیکی اعمال میشد. بودجه این پروژه تحت تاثیر قرار گرفته و تونل هنوز کامل نشده بود؛ تا اینکه با استفاده از روشهای مبتکرانه و کمهزینهای همچون استفاده از ، پس از ۱۰ سال به بهرهبرداری رسید.
نخستین ماشین حفر تونل ساخته شده در ایالات متحده برای ساختن در سال ۱۸۵۳ مورد استفاده قرار گرفت. این دستگاه، با چدن ساخته شده و به نام ماشین برش سنگ انحصاری ویلسون و به نام مخترعی به اسم
در اوایل دهه ۱۹۵۰، ف. ک. مایتری برنده مناقصه احداث سد انحرافی اوه واقع در پییر در ایالت داکوتای جنوبی شد که با مشاوره جیمز س. رابینز (بنیانگذار شرکت رابینز) حفاری زمینهای سنگ رسی پییر شیل را که مشکلترین عملیات حفاری زمینهای سنگ رسی در آن زمان بود شروع کرد. شرکت رابینز دستگاهی درست کرد که قادر بود ۱۶۰ فوت از زمینهای سنگ رسی را در بیست و چهار ساعت حفر کند که نسبت به روشهای رایج در آن هنگام ۱۰ برابر سریعتر بود.
چیزی که باعث شد ماشینهای حفر تونل، کارآمد و مطمئن شوند، اختراع سر گردان آنها بود که به صفحه برش نصب میشد. در ابتدا، در دستگاه تیبیام رابینز از چکشهای فولادی چرخشی استفاده کردند که با حرکت دایرهای خود زمین پیشرویاش را حفر میکرد؛ اما او سریعاً متوجه این شد که این چکشها، علیرغم محکم بودنشان کارآیی زیادی ندارند؛ زیرا به محض شکستن و کند شدن، باید مکرراً با چکشهای جدید تعویض میشدند. این مشکل با جایگزین کردن صفحات برش بادوامتر به جای چکش، به طور قابل ملاحظهای برطرف شد. در سال ۱۹۵۶ این طرح، برای اولین بار در تونل فاضلاب و رودخانه هامبر با موفقیت مورد استفاده قرار گرفت (فولی، ۲۰۰۹). از آن زمان تاکنون، در تمام حفاریهایی که در زمینهای سخت، با توفیق همراه بودهاست، از تیبیامهایی با چرخهای برش گردان و صفحات برش مدور استفاده گردیدهاست
ماشین آلات حفر تونل TBM
دستگاهای T.B.M یا Tunnel Boring Machine یکی از مهمترین ماشین آلات حفر تونل می باشند که قادرند تونل را به صورت تمام مقطع حفر کنند. مواد حفر شده به وسیله سیستم ویزه از جلوی جبهه کار جمع آوری شده و به داخل نوار نقاله ای که از داخل دستگاه می گذرد به پشت ماشین هدایت می شود.
تکامل و گسترش این دستگاه ها سبب شده است که آهنگ پیشروی تونل ها در حد قابل توجهی افزایش یابد. امروزه در سنگ های نسبتا سخت نیز برای حفر تونل از این ماشین ها استفاده می کنند.
بعد از سال ها تلاش و ساخت انواعی از این نوع ماشین ها کوشش های بعدی به منظور ساخت ماشین های تمام مقطعی بود که شرایط سخت زمبن شناختی قادر به حفر تونل باشد که آهنگ پیشرفت و تکامل در این زمینه در مقایسه با پیشرفت های اولیه این ماشین ها محدود تر است. در واقع شروع این تحقیقات کوشش های رابینز در سال 1957 میلادی برای ساخت ماشین هایی بود که بتواند در سنگ های خیلی سخت نیز با راندمان معقول تونل حفر کند.
در آن زمان به تدریج این دستگاه ها سنگینتر و محکم تر شد ند و توان آنها نیز افزایش یافت اما پیشرفت آنها در زمینه حفاری سنگ های محکم کند است. به عنوان مثال عملکرد نوعی از این دستگاه ها که مجهز به هر دو سیستم برش ناخنی و دیسکی بود برای حفر در سنگهای آهکی سیلیتی که در بین آنها لایه هایی با مقاومت140مگا پاسکال وجود داشت راضی کننده نبود. سر انجام ناخن ها به طور کلی حذف شد و حفر تونل تنها با استفاده از دیسک های حفار ادامه یافت
ساختار زمین در مسیر تونل عمیق از رسوبات دوره چهارم و عمدتاً از دانه های شن، سیلیت، رس( با خاصیت خمیری زیاد) و قلوه سنگ تشکیل شده است،تراز سطح آبهای زیرزمینی در مسیر تونل 10 متر تا 18 متر در تغییر است. به لحاظ گذر از زیربافت مسکونی و واقع شدن در محل های پر ازدحام وپرترافیک، حفاری با روشهای معمول کُند و پوش
CUT AND COVER)) و روش حفاری دستی ( NATM) سخت و امکان ناپذیر بود ونیاز به استفاده از روشهای مکانیزه حفاری بود که به تبع آن دو دستگاه حفار تمام مقطع TBM ـ EPBباقطر 6،88 متر انتخاب گردید. این دو دستگاه قابلیت حفاری و نصب قطعات پیش ساخته بتنی را برای دیوار گذاری آن ( LINING) نیز دارد. با توجه به شرایط خاص زمین شناسی و عوامل مؤثر بر پروژه در یک سیکل کاری هر دستگاه قابلیت حفاری و رینگ گذاری 20 تا 25 طول را دارد.
مشخصات فنی دستگاههای حفار خط یک قطار شهری تبریز
دستگاههای حفار تونل از نوع EPB ( Earth pressure balance ) می باشند. این نوع دستگاهها به طور معمول در خاک های ریز دانه و خاکهایی که دارای آب های زیر زمینی هستند کاربرد دارد. طراحی دستگاههای TBM براساس خاکهایی از نوع Soft ground می باشد.
در اوخر دهه 1970 حفاری تونل های کم عمق در مناطق شهری و خصوصا در خاک نرم با استفاده از ماشین های TBM از طریق کنترل کامل جبهه کار پیشرفت های قابل ملاحظه ای نمود. در جایی که استفاده از فن آوری های پیشین حفاری تونل منجر به اختلالات بسیاری در تأسیسات سطحی و ایجاد محیط کاری پرخطر برای کارگران در داخل تونل می شد، کنترل کامل جبهه کار تونل باعث افزایش ایمنی و کاهش اجرای پر دردسر تونل در خاکهای نرم گردید.
سپرهایی که از هوای فشرده جهت نگهداری جبهه کار تونل استفاده می کردند تنها فن آوری کنترل جبهه کار تونل قبل از ساخت TBMهای نوع دوغابی و نوع EPB بودند. به علّت مشکلات وخطراتی که برای پرسنل فنی داخل تونل ایجاد می شد استفاده از سپر هوای فشرده به تدریج منسوخ شد. امروزه عمدتا از انواع ماشین های TBM مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:
1ـ ماشین حفاری تمام مقطع تونل از نوع متعادل کننده فشار زمین یا EPB- TBM
1ـ ماشین حفاری تمام مقطع تونل از نوع دوغابی یا SLURRY TBM
ترکیب دو ماشین فوق تحت عنوان سپر ترکیبی یا MIX SHIELD که قابلیت استفاده همزمان به صورت EPB و دوغابی را دارد، شناخته می شود.
در حالی که هر دو ماشین TBM نوع دوغابی و EPB قابلیت کنترل کامل جبهه کار تونل را دارند اما درنحوه کنترل و نگهداری جبهه کار تونل تفاوت زیربنایی دارند.
در روش متعادل کننده فشار زمین نگهداری مدوام جبهه کار تونل از طریق ایجاد تعادل بین فشار خارجی زمین و فشارآب در مقابل نیروی فشاری ماشین و نرخ خروج مصالح حفاری شده از ماشین انجام می گیرد.
TBM نوع دوغابی پایداری جبهه کار تونل را توسط دوغاب گل حفاری تأمین می نماید. گِل حفاری (بنتونیت) یک نوع رُس است که در مجاورت آب متورم شده، دوغاب در خاک جبهه کار تونل نفوذ کرده و یک پوسته در اطراف جبهه کار تونل ایجاد می کند که باعث حفظ فشار بر جبهه کار تونل خواهد شد.
TBM های نوع EPB از منظر زیست محیطی بر TBM های نوع دوغابی مزیت دارند. زیرا در این ماشینها نیاز به جداسازی و تخلیه دوغاب گل حفاری نمی باشد. معمولا در فضاهای داخل شهر و خصوصا در مترو از TBM های نوع EPB استفاده می شود.
از فوم برای بهسازی خاک در TBM های نوع EPB استفاده می کنند با تبدیل خاک به خمیر آبکی با اصطکاک داخلی کم و نفوذپذیری کم می توان راندمان حفاری را بالا بُرد. بهسازی خاک با فوم عموما باعث بهبود کنترل خاک ـ کاهش سایش ابزارهای بُرشی، کاهش چسبندگی در مسیر انتقال خاک و کاهش نفوذ پذیری را باعث می شود.
اجزای اصلی دستگاههای TBM از نوع EPB
با توجه به اینکه نوع دستگاههای TBM مورد استفاده در خط یک قطار شهری تبریز از نوع EPB می باشد. توضیح مختصری را در مورد این نوع، بیان می کنیم؛
اصولا ویژگی های اصلی تمام TBM های از نوع EPB بدون توجه به سازنده مشابه است. سپر، یک سازه فولادی متشکل از سه قسمت می باشد. بخش جلویی که شامل سر حفار، سیستم محرک اصلی و نقاله مارپیچ می باشد. قسمت میانی که شامل سیستم رانش و سیستم نقاله بوده ویک سپر انتهایی آن شامل تجهیزات نصب پوشش تونل است.نیروی رانش بوسیله مجموعه ای از جک های فشاری که قسمت جلویی را با استفاده از لبه پوشش اجرا شده تونل به عنوان سکوی عکس العمل به سمت جلو رانده، فراهم می گردد. جک های فشاری بطور جداگانه عمل کرده یا در گروههایی برای فراهم نمودن قابلیت هدایت اصلی برای سپر جلویی عمل می کنند. برای هدایت در قوس هایی با شعاع کم، سپر بین قوس میانی وقوس عقبی بصورت اتصال مفصلی ساخته می شود.
برای انجام حفاری در روی کله حفار به یک سری ابزار برش مورد نیاز می باشد که جنس ونوع این ابزارهای برشی متناسب با شرایط ژئوتکنیک زمین انتخاب می گردند. بعد از حفاری با یک طول کورس معین، تونل نیاز به یک سیستم پوشش بتنی پیش ساخته دارد که لاینینگ تونل نامیده می شود. این قطعات به نام سگمنت در یک کارخانه مجزا با استفاده از قالب های مخصوص و فراوری بخار با مقاومت بالا تا 700 کیلوگرم بر سانتی متر مربع، تولید و جهت نصب به داخل تونل انتقال می یابند.
مشخصات فنی عمده دستگاههای TBM تبریز به شرح ذیل می باشد:
1ـ قطر حفاری 6/88 متر
2ـ قطر خارجی تونل 6/60 متر
3ـ قطر داخلی تونل 6 متر
4ـ طول دستگاه 102 متر
5ـ وزن دستگاه 620 تن
6ـ ماگزیمم پیشروی دستگاه 80 میلی متر بر دقیقه
7ـ توان مصرفی دستگاه 1820 کیلو وات
8ـ تعداد سگمنت (1+5) 6
9ـ وزن کل رینگ 22 تن
10ـ تعداد ابزار برش روی کله حفار 185
11ـ نیروی جلو برندگی دستگاه 44000 کیلونیوتن
12ـ حداقل شعاع افقی قوس های قابل حفاری 300 متر
13ـ حداقل شعاع قائم قوس های قابل حفاری 2000 متر
سفری به درون بزرگ ترین ماشین حفاری تونل جهان TBM در روزهای گذشته یک ماشین حفاری تونل (TBM) بسیار بزرگ که حتی بزرگ تر از مرغ افسانه ای رعد و برق به نظر می رسد، به شهری در سیاتل اختصاص داده شد. این ماشین با نام برتا، بزرگ ترین ماشین حفاری تونل جهان به حساب می آید و قرار است 14 ماه آینده را به حفر یک تونل 2.7 کیلومتری در زیر سطح شهر به عنوان بخشی از پروژه 1.2 میلیارد دلاری برای جایگزینی پل آسیب دیده در زلزله سال 2001 مشغول شود. به عنوان یک تور مطبوعاتی، وزارت حمل و نقل آمریکا به سایت گیز
روشهای حفاری تونلها
پیشینه حفر تونل در کشور به احداث قنوات برای دستیابی به آبهای زیرزمینی و به بیش از ۳۰۰۰ سال پیش میرسد
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 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
بتن ریزی توأم با حفاری
مدار فلزیاب با برد 5متر +شماتیک +pcb مخصوص حفاری باستان شناسان (کتب تخصصی به زبان انگلیسی)