روش NATM در ساخت تونل

1- مقدمه : روش تونلسازی اتریشی یا بالارو 1 (ارجاعات در پانویس)

روش تونلسازی اتریشی (قدیمی) یا بالارو همچنین با عناوینی از قبیل روش پالار یا تیرعرضی2 نیز توصیف می‌شود که این به دلیل نوع چوب‌بستکاری این روش است.. این روش نخستین بار در ساخت تونل اُبِرا3 روی خط آهن لایبزیگ به دریسدِن4 در 1837 استفاده شد. در سال 1839 از این روش در ساخت تونل گومپُلدکیچنِر5 در استرالیا مورد استفاده قرار گرفت و پس از 1848 مهم‌ترین استفاده آن در تونل‌های آلپی بود که از اصول اساسی روش انگلیسی پیش از خود منشعب شد. شیوه‌های بسیار مختلفی از توالی حفر در این روش ثبت شده و توسعه آن تا به امروز همچنان در جریان است. اصطلاحات زیر را می‌توان از هم متمایز نمود:

الف- روش تونلسازی اتریشی قدیمی6

ب- روش تونلسازی اتریشی جدیدتر7

پ- روش تونلسازی اتریشی جدید 8(NATM)

ت- جدیدترین روش تونلسازی اتریشی9

ویژگی بارز این روش این است که کل مقطع در قالب نوارهایی (متشکل از چند یا چندین مقطع) از تاج به سمت کف حفر و نگهداری موقت به صورت بخش به بخش نصب می‌شود تا هنگامی که حفر و نگهداری کل مقطع پایان یابد (شکل 1)؛ سپس لاینینگ نهایی (در گذشته دیوار بنائی) از کف تونل (از روی پایه‌های کف‌بند) به سمت بالا تا تاج تونل ایجاد می‌شود. قوس کف‌بندی در پایان جاسازی می‌شود.

شکل 1- روش تونلسازی قدیمی اتریشی. اعداد ریاضی توالی حفر و اعداد لاتین توالی نگهداری هستند: الف- توالی حفر و نگهداری ب – اجرای کلاسیک در تونل سِمرینگ (زمینو، 1396)

شیوه‌های مختلفی از اجرای عملیات تاکنون مورد توجه قرار گرفته است (شکل 2)؛ زیرا تمایل کلی بر این است که بیشترین نقطه ممکن برای شروع حفاری گشوده شود تا امکان به‌کارگیری حداکثر نیروی انسانی به وجود آید و در نتیجه مدت زمان ساخت تا حد ممکن کاهش یابد. از این طریق امکان دستیبابی یه زمان‌های ساخت کوتاه قابل توجهی نیز در مقایسه با تونلسازی مدرن میسر شده است.

شکل 2- روش تونسازی اتریشی؛ روش عملیاتی پیشروی فوقانی

مزایای این روش به شرح زیر هستند:

امکان حفر تونل پیشاهنگ برای وارسی زمین در مراحل اولیه و نیز زهکشی وجود دارد؛

توانایی خوبی برای افزایش تعداد نقاط حفاری و موازی‌سازی گام‌های کاری متوالی وجود دارد؛

حفر به صورت نواری امکان ایجاد سازه حلقوی را می‌دهد (حتی با اجرای فرآیند صلب‌کردن کف‌بند).

معایب این روش نیز به صورت زیر قابل بیان است:

• محدودیت فضای کاری به دلیل وجود داربست‌ها و چوب‌بستکاری متراکم؛
• مستعد بروز نشست به دلیل تجدید مهاربندی‌ها؛
• مدت نگهداری توده‌سنگ با چوب‌بستکاری طولانی است و امکان نشست را تشدید می‌کند؛
• تناوب دائم بین حفر و نگهداری منجر به نرخ پیشروی آهسته در یک موقعیت حفر می‌شود (تولید پیوسته ممکن نیست).

توسعه بعدی این روش به «روش تونلسازی اتریشی جدیدتر» شامل استفاده از آهن به عنوان عنصر اصلی نگهداری بود. در این گام نقش اصلی را ژیها با ارائه یک «روش جدید» ایجاد حلقه نگهداری ایفا نمود. پس از آن ایده ساخت حلقه به سیستم نگهداری کونز توسعه یافت. سیستم نگهداری کونز اغلب تنها در تاج و در جریان روش‌های پی‌بندی کاربرد داشت. هیچ یک از دو روش تونلسازی اتریشی قدیمی و جدیدتر در سال‌های اخیر توسعه و کاربرد تازه‌ای نداشته‌اند.

2- روش تونلسازی اتریشی جدید10

روش تونلسازی اتریشی جدید به طور کوتاه NATM (یا در آلمانی NÖT) نامیده می‌شود و بر فلسفه «ساخت همراه با پیشروی» با رعایت این تدابیر استوار است: «نه خیلی صلب و نه خیلی منعطف» و «نه خیلی زود و نه خیلی دیر». شکل 3 این اصول را بر اساس فشار (محور قائم) و جابجایی شعاعی تونل (محور افقی) تبیین می‌کند.

شکل 3- زمان مناسب اجرای نگهداری (لاینینگ) در روش NATM

این روش در آلمان به انواع روش‌های تونلسازی همراه با بتن‌پاشی ارجاع داده می‌شود؛ اما در اتریش معمولا آن را به عنوان تونلسازی چرخه‌ای در مقابل تونلسازی پیوسته (حفر مکانیزه) در نظر می‌گیرند.

فلسفه NATM بر پایه نظرات رابسِویچ در سند ثبت اختراع سال 1948 بدین صورت است: یک دیواره نازک به عنوان نگهداری موقت باید برای فرونشاندن فشار زمین و انتقال آن به درون توده‌سنگ می‌بایست احداث شود. بنابراین، لاینینگ نهایی تحت تاثیر بار کمتری قرار خواهد گرفت و با تاخیر بیشتر و به صورت یک سازه خیلی نازک‌تر نصب شود (شکل 4). تغییرشکل و جابجایی‌ها اندازه‌گیری و پایش می‌شوند و از داده‌های حاصل می توان در محاسبات و اعتبارسنجی سازه‌ها استفاده کرد. متن سند ثبت اختراع از چند سانتی‌متر در این زمینه به عنوان حد مجاز یاد می‌کند.

روش NATM در ریشه اصلی خود (سند رابسِویچ) همان اصول پایه‌ای روش‌های تونلسازی اتریشی «قدیمی و جدیدتر» را نیز در بردارد. در گذشته، نگهداری شامل قاب‌بندی چوبی بود؛ امروزه از تیرهای فولادی، پیچ‌سنگ و بتن‌پاشی استفاده می‌شود. NATM آنگونه که امروز شناخته می‌شود بر این سه عنصر ساختاری اصلی استوار است:

الف- بتن‌پاشی

• اتصال کامل نگهداری به توده‌سنگ بدون برجا ماندن حفرات را تضمین می‌کند؛
• این نگهداری نه تنها نقش یک سازه باربر مستقل را دارد؛ بلکه سطوح حفریات در توده‌سنگ را نیز بهبود می‌بخشد؛
• یک کامپوزیت از «توده‌سنگ-بتن» ایجاد می‌شود که بیشترین کنش ساختاری را در توده‌سنگ دارد

ب- پیچ‌سنگ

• ارتباط متقابل توده‌سنگ و بتن با نصب پیچ‌سنگ‌ها تقویت می‌شود (یکدیگر را می‌کشند و هم‌بند می‌کنند)؛
• اثر ناپیوستگی‌ها مانند لایه‌بندی و درزه‌داری کاهش می‌یابد؛
• دامنه نفوذ حلقه ساختاری سازه کامپوزیتی (بتن-توده‌سنگ) می‌تواند بیشتر در درون توده‌سنگ گسترش یابد؛
• سست‌شدگی‌های ناشی از فرآیند حفر (آتشباری) تا حدی کاهش می‌یابد.

پ- تیرهای فولادی یا مشبک

• محافظت از بخش پیشروی پیش از نصب؛
• باربری بلافاصله پس از اجرای بتن‌پاشی؛
• تقویت حلقه لایه بتن‌پاشی؛
• مفید برای نیازهای نقشه‌برداری و هندسه پیشروی

شکل 4- روش تونلسازی اتریشی جدید بر اساس سند ثبت اختراع رابسِویچ

بنابر آنچه آمد، به منظور استفاده از روش NATM لازم است که زمین در طول بخش حفرشده خودنگهدار باشد که این توان می‌تواند با ابزارهای مصنوعی چون انجماد یا تزریق نیز بهبود یابد ولی در هر صورت فرض اصلی این روش بر پایداری زمین در طول چرخه ساخت در مقطع مورد نظر استوار است. پیشروی می‌تواند بسته به شرایط زمین با استفاده از آتشباری، ماشین‌های حفر پاره-مقطعی یا با حفارهای مکانیکی ساده صورت پذیرد

به طور کلی توالی مرسوم پیشروی در NATM شامل پیشروی طاق سپس پیشروی پله و در نهایت پیشروی بخش کف‌بند است که در شکل 5 به خوبی نشان داده شده است.

بنیاد مهندسان عمران14 (ICE) در سال 1996 چهار نوع نوبت‌بندی مبنا برای حفر تونل پیشنهاد می‌کند که با شیوه اجرایی NATM قابل تطبیق و استفاده است (ICE, 1996). این چهار نوع توالی حفر در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 5- مقطع عرضی مرسوم در جریان ساخت تونل به روش NATM

شکل 6- انواع نوبت‌بندی حفر ممکن برای بتن‌پاشی و NATM

شکل 6 (ادامه)- انواع نوبت‌بندی حفر ممکن برای بتن‌پاشی و NATM

`

مستندات NATM با گذشت سالیان دراز همچنان دارای یک ماهیت پیچیده و مبهم هستند و نمی‌توان یک برداشت قاطع و یگانه ارائه کرد؛ حتی گاهی ضد و نقیض هستند. 21 اصل NATM توسط مولر به شرح زیر بیان شده است. ترجمه این 21 اصل بر اساس منبع مذکور در پایان این نوشته و توسط واحد پژوهش و گردآوری وبسایت زمینو صورت پذیرفته است:مستندات NATM با گذشت سالیان دراز همچنان دارای یک ماهیت پیچیده و مبهم هستند و نمی‌توان یک برداشت قاطع و یگانه ارائه کرد؛ حتی گاهی ضد و نقیض هستند. 21 اصل NATM توسط مولر به شرح زیر بیان شده است. ترجمه این 21 اصل بر اساس منبع مذکور در پایان این نوشته و توسط واحد پژوهش و گردآوری وبسایت زمینو صورت پذیرفته است:
عنصر باربر اصلی یک سازه تونلی، خود توده‌سنگ است.
برای این که سنگ بتواند بازتوزیع توده (و میدان تنش) ناشی از گشایش حفره را تحمل کند باید شرایطی ایجاد کرد که مقاومت اصلی آن یا اصلا تغییر نکند یا دست کم در یک دامنه بسیار محدود اجتناب‌ناپذیر تغییر کند.
از آنجا که تحمل دگرشکلی‌های ناشی از برداشتن بار برای سنگ به مراتب سخت‌تر از تحمیل بار اضافی است، باید از ایجاد تنش‌های یک یا دو محوره حتی به صورت موقت جلوگیری نمود.
به دلیل الزامات پیش‌گفته، از یک طرف باید اجازه تغییرشکل سنگ در محدوده‌ای داده شود که نوعی مقاومت در اثر دگرگونی شکل سنگ دور حفره ایجاد شود و در نتیجه یک حلقه باربر در سنگ ایجاد شود که به عنوان یک زون محافظتی نقش ایفا نموده از حرکت بیشتر سنگ به سمت حفره جلوگیری کند؛ از طرف دیگر میزان جابجایی سنگ باید چنان محدود شود که دگرشکلی آن به یک وسعت یا مقداری نرسد که منجر به سست‌شدگی ناشی از اضافه‌بارگذاری شده و بنابراین به نرم‌شدگی و از دست رفتن توان باربری سنگ بینجامد.
هدف از نگهداری حفره این است (و نه چیز دیگر) که سطوح فضای حفرشده را نگهداری کند. نقش این نگهداری کنترل دگرشکلی سنگ به واسطه ایجاد یک مقاومت نگهداری انفعالی15 یا با ایجاد یک فشار نگهداری فعال16 مطابق توصیف بالا است. این نگهداری اساسا وظیفه حمل بار سنگی که توان بابری خود را از دست داده ندارد (چنان که در گذشته لازم بود)، بلکه هدف اصلی آن مراقبت از سنگ در شرایط باربری و محافظت آن از سست‌شدگی و نرم‌شدگی است.
برای برآورده کردن این هدف به صورت بهینه می‌بایست نگهداری در زمان درست نصب شود (یعنی نه خیلی زود و نه خیلی دیر) و عملکرد موثر داشته باشد (که اثرگذاری نگهداری اغلب تنها پس از دگرشکلی متعاقب داخلی‌ترین پوسته سنگ به دست می‌آید). مدت زمانی که سنگ برای تغییرشکل خود نیاز دارد باید به گونه‌ای تعیین شود و مورد استفاده قرار گیرد که مقاومت نگهداری در عین این که از دگرشکلی‌های نرم‌کننده سنگ جلوگیری می‌کند، امکان ایجاد زون محافظتی را فراهم سازد.
برای دستیابی به خواسته پیش‌گفته لازم است که یک فاکتور زمان ویژه17 برای سنگ تعیین شود و البته که سنگ باید از این نظر به شیوه درستی مورد سنجش قرار گیرد.
این سنجش می‌تواند به واسطه آزمایشات اولیه در سنگ دربرگیرنده محقق شود یا با اندازه‌گیری جابجایی و تغییرشکل در تونل در جریان عملیات ساخت صورت پذیرد.
برای نگهداری سنگ به طور کلی از بتن‌پاشی استفاده می‌شود؛ به دلیل اثر صفحه‌ای آن که اتصال مکانیکی لازم را تضمین می‌کند و این که می‌توان سرعت اجرای آن را نیز تطبیق داد. همچنین بتن‌پاشی بیشتر به صورت ترکیبی با پیچ‌سنگ‌ و مش تقویتی و اغلب همراه با قاب‌های تونلی استفاده اجرا می‌شود؛ البته باید دقت کرد که بتن‌پاشی قرار نیست یک قوس برای تحمل بارِ سنگ ایجاد کند بلکه اساسا قرار است که سنگ را به عنوان بخشی از یک سازه کامپوزیتی متشکل از بتن، فولاد و سنگ، آب‌بندی و درزگیری کند. در بیشتر انواع سنگ استفاده از تنها یک نوع نگهداری کافی است؛ مثلا بتن‌پاشی همراه با قاب‌ و بدون پیچ‌سنگ،‌ یا همراه پیچ‌سنگ و بدون قاب یا حتی تنها بتن‌پاشی یا پیچ‌سنگ به تنهایی.
نگهداری مبتنی بر بتن‌پاشی (که یک عملکرد ساختاری معین ناشی از مقاومت خود در سراسر سازه دارد و همچنین مشخصات متغیر کاملا منفک از میزان اتصالش با سنگ ایجاد می‌کند) در کل به صورت یک لایه نازک اجرا می‌شود و به لحاظ خمش ضعیف باقی گذاشته می‌شود چرا که تنها تنش‌های خمشی ثانویه می‌بایست در این لایه حادث شوند؛ برای تخفیف تنش‌های خمشی در پی بروز دگرشکلی اولیه و برانگیختن مقاومت نگهداری، لازم است که این لایه تا حد ممکن رفتار پلاستیک، قابلیت خزش و ترکیب بتنی مناسبی داشته باشد.
بر اساس این مفهوم بنیادی که حفره زیرزمینی را می‌توان به لحاظ ساختاری به صورت یک لوله با دیواره ضخیم پنداشت، بستن حلقه در نقطه زمانی مناسب (بستن کف‌بند) تضمین می‌کند که این لوله درست در زمانی که نیاز به عملکرد ساختاری آن بود، کامل شده است.
لایه بیرونی‌تر -که در مواردی شبکه پیچ‌سنگ‌های کششی نقش آن را ایفا می‌کند- می‌تواند به عنوان بخشی از سازه نهایی محسوب گردد (البته تا زمانی که در معرض تخریب بر اثر خوردگی نباشد یا در مقابل آن محافظت شده باشد).
مدت زمانی که بستن حلقه می‌بایست درون آن بازه صورت پذیرد (زمان بستن کف‌بند) یک فاکتور اساسی در عملیات ساخت است و تخمین آن در شرایطی که تفسیر وضعیت ژئوتکنیکی زمین دشوار باشد، پیش از شروع عملیات صورت می‌پذیرد و سپس با سنجش در خلال ساخت تونل نیز تصحیح می‌شود.
در طراحی تونل باید در نظر داشت که سازه را یک لوله انگاشتیم، و بنابراین شکل‌های تا حد ممکن مدور (دایره یا بیضوی) برای اجتناب از تمرکز تنش بر گوشه‌ها یا شیارها ترجیح داده می‌شوند.
توجه ویژه‌ای نیز باید معطوف شرایط خلال ساخت شود. برای جلوگیری هر چه بیشتر از بازتوزیع تنش‌ها و اجتناب از تداخل لایه‌های محافظتی، تا حد ممکن باید ایجاد حفره در تعداد گام‌های کمتری صورت گیرد؛ پس اولویت با روش‌های حفاری تمام-مقطع و یا حفر به روش پلکانی دومرحله‌ای است.
به منظور بهبود ایمنی یا برای داشتن یک لایه عایق می‌توان یک لایه درونی دومی نیز در نظر گرفت. این لایه همچنین باید به‌طورکلی نازک کار شود به گونه‌ای که تا حد ممکن از تنش خمشی محفوظ بماند؛ نیروهای شعاعی (و نه اصطکاک یا نیروهای برشی) می‌بایست بین دو لایه تبادل شوند.
تحکیم هر دو لایه بیرونی و درونی باید در کل با تقویت خود لایه‌ها و نه ضخیم‌سازی تحقق یابد؛ تعبیه قاب‌های فولادی برای تقویت بتن‌پاشی به طور ویژه برای تحکیم ساختاری مناسب است. تحکیم سراسری سازه نیز باید با افزایش تعداد پیچ‌سنگ‌ها یا طول آن‌ها صورت پذیرد که در واقع حلقه سازه را به سنگ محکم می‌کند.
پایدارسازی سراسری سیستم و ایمنی آن، لزوم تحکیم یا امکان کاهش ضخامت لاینینگ جملگی بر اساس اندازه‌گیری‌ همگرایی جابجایی‌های پیرامون تونل ارزیابی می‌شوند.
برای طراحی لایه بیرونی، اندازه‌گیری‌ تنش بتن و تنش تماسی بین لایه نگهداری و سنگ صورت می‌پذیرد که هم امکان ارزیابی ایمنی سازه را فراهم می‌کند و هم یک تخمین اولیه برای طراحی بخش‌ پیش روی تونل به دست می‌دهد. در عمل این کار با فر اهم کردن تعداد کافی از انواع پروفایل‌های تونل محقق می‌شود که هر کدام می‌توانند بر اساس نتایج اندازه‌گیری‌های تغییرشکل مورد استفاده قرار گیرند.
طراحی لاینینگ درونی می‌تواند از دو دیدگاه صورت پذیرد: اگر لایه بیرونی چنان قوی طراحی شود که بخش عمده پایداری سراسری سیستم را تامین کند، طراحی لاینینگ درونی با هدف تامین ایمنی تکمیلی مورد نیاز خواهد بود. اگر برعکس لایه بیرونی چنان ضعیف طراحی می‌شود که تنها توان کاهش سرعت تغییرشکل سنگ را تا زمان نصب لاینینگ درونی داشته باشد، پس لاینینگ درونی می‌بایست به گونه‌ای طراحی شود که هم سهم مانده از وظیفه پایدارسازی و هم ایمنی مورد نیاز تکمیلی را تامین کند. در حالتی که انتظار پوسیدگی لایه بیرونی در طول دوره متصور باشد، می‌بایست تا حد ممکن ضعیف در نظر گرفته شود و لاینینگ نهایی طوری طراحی شود که عملکرد ساختاری مورد نیاز را به تنهایی تامین کند.
لایه نگهداری بیرونی (و نیز در صورت لزوم لایه درونی) می‌بایست در برابر فشار آب و فشار جریان خارجی در سنگ پیرامونی با استفاده از زهکشی و ضدآب‌سازی کافی محافظت شوند.

منابع
2- Maidl, B., Thewes, M. Maidl, U.(2013), Handbook of Tunnel Engineering, Volume I: Structures and Methods, Wilhelm Ernst & Sohn.

پانویس

  1The Austrian or upraise tunnelling method
2Rafter or crossbeam method
3Oberau
4Dresden
5Gumpoldskirchner
6Old Austrian tunnelling method
7Newer Austrian tunnelling method
(8New Austrian tunnelling method (NÖT, NATM
9Newest Austrian tunnelling method
10New Austrian tunnelling method
11Shotcrete
12Rock bolts
13Steel or lattice beams
14Institution of Civil Engineers
15Reactive support resistance
16Active support pressure
17Specific time factor

مصطفی آصفی

مصطفی آصفی از بنیان‌گذاران مجموعه‌های آموزشی زمینو و هم‌رویش مستقر در پارک علم و فناوری استان همدان است…+