طبقه بندی تونل ها

• تونل ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد:
• تونل های حمل و نقل (تونل های راه آهن-راه- پیاده رو-ناوبری مترو)
• تونل های صنعتی (تونل های مربوط به نیروگاه های آب- انتقال آب- با کاربری عمومی و پناهگاه- فاضلاب-طرح های صنعتی- نظامی ودفن زباله های اتمی)
• تونل های معدنی (تونل های گشایش معدن-اکتشافی- استخراجی- خدماتی زه کشی)

طرح تونل ها

تونل های راه
تونل های راه معمولاً به شکل هلالی یا نعل اسبی هستند. معمولاً بخش بالایی تونل به شکل یک نیم دایره ودیواره ها و کف آن نیز منحنی است که شعاع قوس دیواره ها و کف معمولاً دو برابر شعاع بخش بالایی است.

تونل های راه آهن
در راه آهن مقاطع دایره، چهارگوش، دو نعل اسبی بیشتر متداول هستند. مزیت مقطع دایره نسبت به سایر مقاطع این است که حفاری آن را می توان توسط ماشین پیشرفته حفاری تمام مقطع (TBM) باسرعت بالایی انجام داد و مقاومت این مقاطع در برابر تنش های وارده زیاد است و تنها ایراد آن الزام صرف هزینه جهت تسطیح کف تونل در خاتمه کار است. مقطع چهارگوش هم در زمانی مقرون به صرفه است که فشارهای جانبی مؤثر بر دیواره تونل کم باشد. (تونل های مترو تقریباً شبیه تونل های راه آهن هستند با اندکی تفاوت)

مطالعات لازم جهت حفر تونل
بعد از اینکه لزوم احداث یک تونل در طول مسیر یک راه، راه آهن با احداث تونل جهت مترو در یک منطقه مشخص شد، بایستی مطالعات زمینه ساخت را انجام دهیم. که نتیجه مطالعات امکان ساخت تونل در آن منطقه، مناسب ترین مسیر تونل، روش حفاری، نگهداری، وسعت آبهای زیر زمینی و دیگر موارد لازم را معین می سازد.

• این مطالعات را می توان به صورت زیر فهرست کرد:
• جمع آوری اطلاعات منطقه از طریق سازمانهای ذیصلاح
• بررسی عکس های هوایی و نقشه توپوگرافی منطقه
• مطالعات زمین شناسی سطحی
• مطالعات ژئو فیزیکی
• حفر گمانه ها و گالری های اکتشافی
• مطالعات آبشناسی
• بررسی آزمایشگاهی

البته انجام کلیه کارهای فوق برای اجرای یک تونل ضروری نیست و تنها بعد از آنکه روش های ساده تر وضعیت قطعی منطقه را مشخص نکرده، به سراغ روش های دقیق تر و پر هزینه تر می رویم.

تجهیز کارگاه و تأسیسات
قبل از آغاز عملیات حفاری تونل، باید مقدمات کار را فراهم کرد. از جمله این کارها می توان به ایجاد جاده دسترسی، تسطیح محل دهانه تونل، احداث ترانشه جلو تونل، احداث ایستگاه های نقشه برداری و احداث اتاقک های نگهبانی و تأسیسات صنعتی و اداری و رفاهی اشاره کرد.
پس از ایجاد جاده دسترسی مناسب به دهانه تونل، محوطه جلوی تونل را جهت احداث تأسیسات، تسطیح می کنند. سپس تأسیسات صنعتی مورد نیاز، از جمله ، مولد برق، مخازن آب و ...و تأسیسات اداری و رفاهی شامل دفتر، سالن غذاخوری، انبار، محل خواب ، حمام و ... را در محل اجرا می کنند. در ادامه و قبل از آغاز عملیات حفاری یک ترانشه جلوی تونل احداث می کنند، به گونه ای که عرض آن بیشتر از عرض تونل باشد و طول آن طوری در نظر گرفته شود که خاکبرداری و ایجاد ترانشه مقرون به صرفه تر از حفر تونل گردد. شیب دیواره های ترانشه نیز باید به نحوی باشد که دیواره ها پایدار بمانند. پس از تکمیل ترانشه، در سطح نهایی آن وسایل نگهداری نصب می کنند تا به هنگام حفاری خطر ریزش سنگ ومواد دیگر وجود نداشته باشد.
قبل از شروع حفاری بایستی تجهیزات و وسایل لازم مانند وسایل نقلیه، دستگاه ها و ماشین آلات مورد نیاز، وسایل نگهداری موقت، تجهیزات ایمنی افراد و مصالح مورد نیاز را به کارگاه تونل انتقال داد و برنامه ریزی مناسبی جهت سه شیفت کاری بر اساس شیوه حفاری و ماشین آلاتی که به کار می رود طرح کرد تا بتوان حفر تونل را بر اساس تعهداتی که شده است، انجام داد.

روش ماشینی حفر تونل
ماشین های حفاری را به طور کل می توان به دو دسته بازویی و تمام مقطع تقسیم کرد. البته استفاده از ماشین های حفاری، جدا از مزایای فراوان، محدودیت هایی نیز دارد. به عنوان مثال در تونل های کوتاه نمی توان از ماشین های حفار تمام مقطع استفاده کرد، زیرا طول تونل باید به حدی باشد که هزینه های حمل مونتاژ ماشین را توجیه و آنرا مقرون به صرفه نماید. به همین خاطر در ایالات متحده حد اقل طول تونل را برای آنکه استفاده از TBM مقرون به صرفه باشد ۹۱ متر به ازای هر ۸ تا ۱۰ تن وزن ماشین در نظر گرفته اند، یعنی اینکه طول کل تونل باید چیزی حدود حداقل ۳ کیلومتر باشد

ماشین های حفار بازویی(Road Header)
در ماشین های بازویی، یک یا چند بازوی حفار وجود دارد که سطح مقطع آنها به مراتب کمتر از سطح مقطع تونل است و با جا به جا کردن بازوها در نقاط مختلف مقطع، تونل را حفاری می کنند. این نوع ماشین حفاری از سال ۱۹۴۰ میلادی در کشورهای اروپایی مورد توجه واقع شد و طی سالهای ۱۹۵۰ میلادی انواعی از آن در صنعت حفر تونل به کار رفت. این ماشین ها تقریبا قادرند سنگ هایی با مقاومت تک محوری تا ۸۰ مگا پاسکال و در بعضی مدل های سنگین ۲۰۰ Mpa Bo را حفر کنند.
اولین ماشین از این نوع،در سال ۱۸۸۰ میلادی به قطر ۲.۱۳ متر به کار گرفته شد و سرعت پیشروی آن ۵ متر در روز بود. همین نوع ماشین در سال ۱۸۸۲ میلاد برای حفر بخشی از یک تونل آزمایشی در کنار پروژه اصلی تونل زیر دریایی مانش به کار رفت. این تونل به طور تقریبی ۱۶۰۰ متر در زیر دریا حفر شد و آهنگ پیشروی آن در سنگهای گچی ۱۵ متر در روز بود.
نیروی محرکه این ماشین توربین های هوای فشرده بود که صفحه حفار را به گردش در می آورد. در واقع اولین ماشین تونل کنی واقعی از این نوع، طی سال های ۱۹۵۰ میلادی توسط شخصی به نام جیمز رابینز در ایالات متحده ساخته شد که قادر بود در انواع مختلفی از سنگها و تحت شرایط زمین شناختی متفاوت حفاری کند. در سال ۱۹۵۴ میلادی، نوع جدیدی از (TBM) توسط کمپانی رابینز به قطر ۷.۸۵ متر برای حفر تونل های سدی در ایالات داکوتای جنوبی آمریکا بکار گرفته شد وسرعت پیشروی آن در سنگ شیل به ۴۳ متر در روز می رسید. در همین سالها نوعی از این ماشین ها برای حفر تونل فاضلاب در تورنتو کانادا به قطر ۳.۲۷ متر بکار رفت، که در سنگ های رسوبی محکم با سرعت ۳ متر در ساعت پیشروی می کرد. کاربرد موفقیت آمیز این در تورنتو موجب افزایش تقاضا برای استفاده از (TBM) شد. به مرور وبا گذشت زمان این ماشین ها توسط مکانیزم های پیشرفته از قبیل سپر اسلاری (سپرگل) و سپر EPB و سپرهای یک لایه و دو لایه (دابل شیلد ) تجهیز و تکمیل شدند تا توانایی حفاری در هر نوع خاک زمینی را داشته باشند.
TBMها از دو بخش عمده ی بدنه اصلی و قسمت بکاپ تشکیل شده اند. بدنه اصلی شامل: صفحه حفار، (CUTTER HEAD) موتور تأمین کننده گشتاور لازم جهت چرخش صفحه حفار،جکهای مخصوص (گریپرها، جکهای پیشران صفحه حفار، جکهای نگهدارنده جلو و عقب) نوار نقاله، اتاق کنترل و سایر امکانات مورد نیاز حفاری و نصب پوشش دیواره ها می باشد. بر اساس نوع زمین مورد حفر، صفحه حفار به شکل های مختلف ساخته می شود و تجهیزات بدنه اصلی ماشین کم و زیاد می گردد. اگر حفاری در داخل خاکهای سست انجام شود، بدنه اصلی درون یک سپر فولادی استوانه ای (SHIELD) قرار می گیرد و اگر در سنگ حفاری شود نیازی به پوشش نیست.
قسمت بکاپ یا پشتیبانی ماشین هم، شامل سیستم نوار نقاله جهت انتقال خاک های حفر شده به درون لوکوموتیوها، مولدهای برق، سیستم تهویه وسایر تجهیزات مورد نیاز برحسب مورد می باشد.

تونل البرز
در انتها به استحضار به اختصار به معرفی تونل البرز در مسیر آزاد راه تهران- شمال و شیوه حفر آن می پردازیم که یکی از پروژه های ملی در حال اجرا می باشد.
تونل البرز در مسیر آزاد راه تهران-شمال و در ارتفاع ۲۴۵۰ متری از سطح دریا واقع شده است. آزاد راه برای و سایل نقلیه سنگین در سر بالایی باند اضافی در نظر گرفته شده است. بیشتر از ۳۰ رشته تونل دو قلو به طول ۶۳۰۰ متر طولانی ترین آنها خواهد بود که با دستگاه TBMحفاری می شود.
پس از وارد شدن قسمت های مختلف ماشین به داخل کشور و انتقال آنها به سایت، عملیات مونتاژ و اسمبل کردن ماشین در اوایل آبان ۱۳۸۲ آغاز شد و در اویل سال ۱۳۸۳ با تکمیل دستگاه عملیات حفاری آغاز گشت. این ماشین برای استحکام بخشیدن وپوشش دیواره تونل از راک بولت (Rockbolt) و تورسیمی (Wire Mesh) و شاتکریت (Shotcrete) استفاده می کند. و اضافه بر دستگاه راک بولتر، این ماشین حفاری به دستگاه نصب رینگهای محافظ دیواره نیز مجهز می باشد، که در شرایط خطر آفرین می توان دیواره ها را با این سیستم مستحکم ساخت.

قطر صفحه حفار این ماشین ۵.۲ متر، حداکثر سرعت سرمته ۸.۶ دور در دقیقه، تعداد جکها ۲۴ عدد، عرض نوار نقاله ۸۰ سانتی متر، سرعت نوار نقاله ۰.۲ متر در ثانیه و ظرفیت انتقال آن ۴۸۰ متر مکعب در ساعت می باشد.