روش تونلسازی اتریشی (NATM)، در فاصله سالهای ۱۹۵۷ تا ۱۹۶۵ در اتریش ابداع گردید. نام این روش در سال ۱۹۶۲ در سالزبورگ و جهت تمیز از روش قدیمی تونملسازی اتریشی اعطا گردید. نخستین ارائه دهندگان این روش Ladislaus von Rabcewicz, Leopold Müller و Franz Pacher بودند. ایده نخستین این روش عبارت است از استفاده از فشارهای زمین شناسی در برگیرنده توده سنگ جهت مقاوم سازی ونگهداری تونل.
باید گفت که امروزه مطالعات گسترده ای از سوی متخصصین علم مکانیک سنگ در ارائه طرحی مطمئن برای نگهداری فضاهای زیرزمینی صورت می گیرد که بتواند سیستم نگهداری را به گونه ای طراحی کند که علاوه بر ایمن بودن، از نظر اقتصادی نیز معقول باشد. نتایج این مطالعات بر ضرورت بکارگیری روشهای مشاهده ای همچون NATM در تونلسازی تاکید دارد.

● ویژگی های اساسی ناتم :

ناتم روشی است مبتنی بر تابع نگاری رفتار توده های سنگ تحت بار و مونیتورینگ عملیات ساختمان زیرزمینی سنگ. واقعیت اینست که ناتم به عنوان یک مرحله از حفاری و نیز تکنیک های نگهداری مطرح نیست. ناتم بر هفت ویژگی استوار است:
۱- بسیج مقاومت توده سنگ: این متد بر مقاومت ذاتی توده سنگ پیرامون به عنوان یک جز اصلی نگهداری شده در تونل، تکیه می کند. تکیه گاه اولیه طوری هدایت می شود که سنگ را قاد رسازد تا بر خودش تکیه کند.
۲- حمایت شاتکریت: سست کردن و نیز تغییر شکل بی اندازه سنگ می بایست به حداقل برسد. این امر با مهیا کردن لایه های نازک شاتکریت بلافاصله پس از پیشروی جبهه کار حاصل می اید.
۳- اندازه گیری: هرگونه تغییر شکل ناشی از حفاری باید اندازه گرفته شود. ناتم به نصب تجهیزات اندازه گیری در سطح بالایی نیاز دارد. این در آستر، زمین و گمانه ها جاسازی می شود.
۴- تکیه گاه انعطاف پذیر: آسترگیری اولیه نازک است و شرایط لایه بندی اخیر را بازتاب می دهد. این مدل به کارگیری، نسبت به تکیه گاه مجهول سریعتر به کار می اید و موثر می شود. مقاوم سازی با یک آستر بتنی ضخیم به دست نمی اید بلکه با یک ترکیب منعطف از پیچ سنگ، سیم تنیده و شیارهای فولادی حاصل می گردد.
۵- بستن وارونگی: بستن سریع وارونگی و ایجاد حلقه حامل بار دارای اهمیت است. این امر در تونلهای حفر شده در زمینهای نرم بسیار وخیم است، جایی که هیچ مقطعی از تونل نباید بطور موقت رها شود.
۶- ترتیب قراردادی: دانش ناتم بر اساس اندازه گیری مونیتورینگ پایه ریزی شده است. تغییر در متد تکیه گاه و ساختمان امکان پذیر است. این تنها در شرایطی ممکن است که سیستم قراردادی فادر به تغییرات باشد.
۷- اندازه گیری پشتیبانی رده بندی توده سنگ: رده های اصلی سنگ برای تونل و پشتیبانی متناظر آن موجود است. اینها برای هدایت در زمینه تقویت تونل بکار می روند.

اصول کلی ناتم:

تونلزنی به روش جدید اتریشی در خاکهای سست تا سنگ های سخت و مقاوم و در اعماق کم (در جهت به حداقل رساندن نشست سطح) تا اعماق زیاد و بیش از ۱۰۰۰ متر تحت میدانهای تنش ناشی از عملیات معدنکاری انجام گرفته است.
بنابراین اصول زیر به طور کلی قابل اعمال می باشند. این اصول در مقاله آقای دکتر فکر به ترتیب زیر آورده شده است:
▪ عنصر اصلی باربری یک تونل، توده سنگ پیرامونی آن می باشد.
▪ بنابراین یکی از اصول عبارت می باشد از: حفظ مقاومت اولیه سنگ تا آنجایی که امکان داشته باشد.
▪ اتساع یا جابجایی ها باید به حداقل رسانده شود زیرا موجب پایین آوردن مقاومت می گردد.
▪ وضعیت تنش تک محوری یا دو محوری، شرایط نامناسب برای تونل بوده و باید از آن اجتناب گردد.
▪ دگرشکلی ها باید به طرزی تحت کنترل دراید که توده سنگ پیرامون تشکیل یک حلقه باربر حول تونل را بدهد. به گونه ای که از
دست رفتن مقاومت به وسیله اتساع در سطحی قابل قبول نگهداشته شود. با اجرای خوب این کنترل، ایمنی واقتصاد افزایش می یابد.
▪ برای رسیدن به این منظور، تکیه گاه اولیه می باست در زمان درست نصب گردد.
▪ عامل زمان ویژه سیستم ترگیبی سنگ به اضافه تکیه گاه اولیه، باید به صحت کافی تخمین زده شود.
▪ تخمین عامل زمان بستگی دارد به :
الف : آزمونهای آزمایشگاهی
ب : آزمونهای برجا
ج : رده بندی توده سنگ
از این سه نرخ دگرشکلی و زمان پابرجایی می تواند استنتاج شده و با رفتار واقعی تونل در حین ساختمان تطبیق و کنترل گردد.
▪ هرجا که دگرشکلی ها زیاد بود و یا سست شدن توده سنگ انتظار می رود، می بایست از تماس کامل تکیه گاه اولیه با جدار تونل در محل برخورد اطمینان حاصل اید. این امر با بکار گرفتن شاتکریت به بهترین نحو حاصل می گردد.
▪ تکیه گاه اولیه باید نازک و دارای صلبیت خمشی پایین باشد، از این رو گشتاورهای خمشی پایین آورده و وقوع شکستگی ها در اثر خمش به حداقل می رسد.
▪ افزایش نگهداری با شبکه توری اضافی، قابهای فولادی، سیمهای فولادی، سیم مهارها یا میل مهارها حاصل می اید نه با آسترگیری ضخیمتری نوع و مقدار تکیه گاه و زمان نصب، از نتایج اندازه گیری دگرشکلی ها تعیین می گردد.
▪ از نظر استاتیکی تونل را می توان لوله ای ضخیم (یا حلقه ای دوبعدی) که از توده، سنگ و آسترگیری تشکیل یافته در نظر گرفت.
▪ از آنجا که یک لوله مساعدترین ویژگی پایداری را بدون آنکاه درز داشته باشد داراست، بستن همزمان کف تونل در هنگامیکه سنگ دارای مقاومت کافی نباشد دارای اهمیت است.
▪ رفتار توده سنگ با بستن به موقع کف تونل تعیین می گردد. پیشروی های زیاد در طاق منجر به دیر بسته شدن کف و آنهم منجر به تشکیل لوله نیمه آسترگیری اولیه گردیده که نتیجه آن بروز گشتاورهای بزرگ خمشی در جهت محور تونل می باشد که منجر به ایجاد تمرکز تنش زیاد در سنگ، در پای دیواره های جانبی می گردد.
▪ حفاری پیشانی کامل، بهترین روش برای دستیابی یک توزیع یکنواخت تنش است. هر چند که در سنگهای سست، حفاری بخش بخش، برای پایداری در حین ساختمان ممکن است لزوم پیدا کند.
▪ روند حفاری و نگهداری برای پایداری مهم می باشد. زیرا آنها عامل زمان توده سنگ را تحت تاثیر قرار می دهند.
تغییر در طول دوره حفاری، زمان بستن کف، طول پیشروی طاق، مقاومت و زمان نصب تکیه گاه تماما به طور سیستماتیک برای کنترل فرایند توزیع مجدد تنش و پایدارسازی به کار گرفته میشوند.
▪ در موارد آستربندی مضاعف، آستربندی نهایی باید همچنان نازک باشد. تنش عمود می باید بر روی تمام سطح تماس بین آستربندی ها منتقل گردیده و تنش برشی در سطح برخورد می باید پایین باشد.
▪ کل سیستم، توده سنگ به اضافه پوشش می بایست با نگهداری اولیه پایدار گردند.
در صورت خورنده بودن آبهای زیرزمینی آستربندی نهایی می بایست قادر به پایدار سازی توده سنگ به تنهایی باشد. سیم مهارها تنها می توانند به عنوان یک نگهدارنده دائمی تلقی گردند، البته در صورتی که از گزند خورندگی در محیطهای خاص در امان باشند.
▪ برای کنترل ایمنی سازه تونل، اندازه گیری تنش بتن و تنش برخورد در مرز بین سنگ و آستربندی ضرورت دارد. اندازه گیری دگرشکلی ها همچنان ادامه پیدا می کند.
▪ فشار ایستایی آب بر روی پوشش و فشار جریان در توده سنگ با زهکشی مناسب پایین آورده می شود.
به طوری که از این اصول دریافت می شود، ناتم روند و دستور کاری نیست که با دنبال کردن آن به نتیجه مورد نظر رسید بلکه عبارت است از مجموعه ای از ایده ها که به ویژگی های زمین شناسی منطقه توجه ویژه ای دارد. این روش در نتیجه تجربیات متعدد در کار تونلزنی به دست آمده است و برای به دست آوردن هر یک از این ایده ها و نیز جمعبندی آنها به عنوان یک روش سالهای زیادی وقت صرف شده است. نوآوری اساسی این ایده، یک فن ساختمانی یا یک روش خاص محاسباتی نمی باشد، اما برای ساختمان تونل در توده سنگ و چگونگی برخورد با آن ارائه طریق می نماید.
یکی از اصول موفقیت زای این روش گردآوری موضوعات متعدد از مهندسی عمران و مکانیک سنگ می باشد که شامل موضوعات نظری و عملی است.

روش اجرای ناتم:

با اینکه هنوز هیچ پشتوانه نظری حقیقی برای ناتم وجود ندارد اما عواملی وجود دارند که منجر به موفقیت این روش می گردند که عبارتند از:
۱- بتن پاشی به عنوان سازنده سازه ترکیبی قوس سنگ که به حلقه حمال سنگ موسوم بوده و حفره را احاطه می کند.
۲- بتن پاشی به مراتب قدیمی تر از ناتم می باشد اما ویژگی های عالی آن از نظر مقاومت و لغزش، این روش را به عنوان یکی از ابزارهای غالب نگهداری در تونلسازی به روش ناتم گردانیده است. بیشترین اهمیت آن امکان اجرای سریع برای پوشانیدن سطح تازه حفاری شده سنگ می باشد. مزیت دیگر آن دستیابی به یک مقاومت نسبی بالادر مدت زمان کوتاه، حدود ۵ نیوتن بر میلی مترمربع (مگاپاسکال) در ۶ ساعت می باشد.
شاتکریت در تونلسازی دارای اثر مضاعف است: محافظت سنگ در اثر هوازدگی و فرسایش: با بستن ترک ها تمرکز تنش در اطراف تونل کاهش یافته، همچنین ضخامت زیاد شاتکریت به عنوان یک قوس نگهدارنده عمل می کند. در تمام موارد اتصال اتصال تنگاتنگ با سنگ مهم می باشد. زیرا این عمل موجب می گردد سنگ بارها را مشترک حمل نموده و ساختاری مرکب با سنگ تشکیل دهد. شاتکریت مناسب، نیاز به یک تکیه گاه نیمه صلب را برآورده می سازد، زیرا دگرشکلی شعاعی زیادی را بدون شکستگی امکان پذیر می سازد. با دگرشکلی های بزرگ تونل، شاتکریت می شکند. اما در صورت مسلح شدن به توری سیمی یا رشته های فولادی، قطعات برش یافته شاتکریت خطری آنی برای خدمه ایجاد نخواهد کرد.
۳- وسیله دیگر برای ساختن طاق بیرونی، قابهای فولادی می باشد. این قابها در توده های سنگ فشرده شده و بسیار خردشونده به کار گرفته شده و تکیه گاهی سریع و موثر برای سنگ به شمار می ایند. در چند سال اخیر کاربرد قوسهای پروفیلی به میزان زیاد افزایش یافته است. این قوس ها نسبت به قابهای فولادی مزایای بیشتری دارند و نیز به دلیل سبک وزن بودن، نصب آنها آسانتر می باشد.
۴- در تونلسازی هوراه با مفاهیم ناتم، نصب میل مهارها جایگاه ویژه ای دارد و اهمیت آنها به همان اندازه اهمیت شاتکریت می باشد. این میل ها نیز مثل شاتکریت در صورت نصب موجب تشکیل حلقه حمال در اطراف توده سنگ می گردند. میل مهارها در برابر دگرشکلی شعاعی مقاومت کرده از اینرو ایجاد دگرشکلی کنترل شده می نماید که شکل ژئومتریک تونل را حفظ می نماید. همچنین میل مهارها از آنرو که تاثیر ناهمسانی و ناهمگونی را کاهش می دهند، تشکیل صفحات برشی و لغزشی را مشکل تر ساخته و سبب ایجاد مقاومت ماندگار بالا حتی در توده های سنگ به شدت دستخورده می گردد که این نیز به نوبه خود سبب بهسازی کیفیت سنگ می گردد. تنش مماسی در حلقه سنگ حمال موجب افزایش چسبندگی مهاری ها می گردد. طاقهای ثانویه ایجاد شده بین تکیه گاهها، در برابر تمایل توده سنگ نسبت به جابجایی به داخل تونل مقاومت ایجاد می نماید که این مقاومت به نزدیکی مهاری ها بستگی دارد. در صورتیکه طاق تونل تحت تنش زیاد در اثر فرایندهای تجدید آرایش دوباره قرار گیرد، یا اگر سیستم سنگ در معرض شکستگی قرار داشته باشد، تونل نیاز به بهسازی با بتن پاشی به سطح خواهد داشت.
بنابراین به طور خلاصه مواد پایدار کننده در ناتم عبارتست از: شاتکریت، میل مهارها، قوس های فولادی یا پروفیلی، صفحات فولادی و….
نتيجتا هدف اصلی ناتم ایجاد یک قوس نیمه صلب خارجی بلافاصله پس از حفاری با وسایل نگهداری از قبیل شاتکریت، کوه پیچ و غیره می باشد. این امر موجب تنظیم تنش در محدوده اطراف تونل گردیده از سست شدگی مخرب جلوگیری به عمل می آورد و این همان چیزی است که ناتم را از روش های تونلزنی محافظه کارانه تمیز می دهد. زیرا اصولا در شیوه های سنتی تونلسازی، بار سنگ می بایست تماما بوسیله تجهیزات نگهداری تحمل شود که این کار نیز مستلزم صرف هزینه های زیاد می باشد.
روش ناتم بیشتر در نتیجه تجربه عملی بوجود آمده و مانند دیگر روشهایی که در حال تکمیل و تکوین می باشند، دستخوش تغییر و تحولات و مشکلات متعددی گردیده تا به شکل کنونی در آمده است. این روش از انعطاف پذیری قابل توجهی در شرایط مواجهه با وضعیت های متفاوت توده سنگی برخوردار است.
بطور کلی ضروری می باشد که مطالعات و بررسی دقیقی به منظور بررسی ظرایط زمین ساختاری بویژه در زمیسن های نامناسب انجام گرفته، بین هزینه های مطالعات و اجرای عملیات رابطه ای منطقی ایجاد گردد.
تهیه مواد و مصالح مورد نیاز ناتم و طریقه ریختن بتن در فضاها، حتی در طرح های کوچک تونلسازی با ناتم نیاز به ساماندهی مناسب و کارآمد دارد که خود ناشی از تجربه ومهارت بالای معدنچی ها و اجراکاران دارد. اهمیت نصب شعاعی مهاریها به طور سیستماتیک در سنگ های سست، به منظور تامین توزیع مناسب تنش های بوجود آمده در قوس های دایره ای شکل سنگی، فوق العاده مناسب تشخیص داده شده است.
موفقیت در روش ناتم نیاز به آموزش های تئوریک و عملی همزمان در محل عملیات دارد زیرا تنها در ارتباط بودن نزدیک و دقیق مهندسان با مسائل و مشکلات در محل کار می تواند آنها را به اعمال راهنمایی های خاص و دقیق قادر سازد. یک بخش مهم و جدایی ناپذیر در این روش مشاهده رفتار تنش کرنش سنگ با فنون اندازه گیری می باشد.