تونل سازی و انواع روش های حفر تونل

تاریخچه تونل‌سازی و سازه‌های زیرزمینی

احتمالا اولین تونل‌ها در عصر حجر برای توسعه خانه‌ها با انجام حفریات توسط ساکنان شروع شد. این امر نشانگر این است که آنها در تلاش‌هایشان جهت ایجاد حفریات به دنبال راهی برای بهبود شرایط زندگی خود بوده‌اند. پیش از تمدن روم باستان، در مصر، یونان، هند و خاور دور و ایتالیای شمالی، تماما تکنیک‌های تونلسازی دستی مورد استفاده قرار می‌گرفت که در اغلب آنها نیز از فرایندهای مرتبط با آتش برای حفر تونل‌‌های نظامی، انتقال آب و مقبره‌ها کمک گرفته شده است.

در ایران نیز از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آب‌های زیرزمینی تونل‌هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به ۷۰ کیلومتر و یا بیشتر نیز میرسد. تعداد قنات‌‌های ایران بالغ بر۵۰۰۰۰ رشته برآورده شده است. جالب توجه است که این قنات‌‌های متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده‌اند.

رومی‌‌ها نیز در ساخت قنات‌ها و همچنین در حفاری تونل‌‌های راه پرکار بودند. آنها در ضمن اولین دوربین‌های مهندسی اولیه را در جهت کنترل‌ تراز و حفاری تونل‌‌ها به کار بردند.

اهمیت احداث تونل‌‌ها در دوران‌‌های قدیم، تا بدین جاست که کارشناسان کارهای احداث تونل درآن تمدن‌ها را نشانگر رشد فرهنگ و به ویژه رشد تکنیکی و توان اقتصادی آن جامعه دانسته‌اند. تمدن‌های اولیه به سرعت، به اهمیت تونل‌ها، به عنوان راه‌های دسترسی به کانی‌‌ها و مواد طبیعی نظیر سنگ چخماق به واسطه اهمیتش برای زندگی، پی بردند.

همچنین کاربرد آنها دامنه گستردهای از طاق زدن بر روی قبرها تا انتقال آب و یا گذرگاه‌هایی جهت رفت و آمد را شامل می‌شد. کاربردهای نظامی تونل‌ها، به ویژه از جهت بالابردن توان گریز یا راه‌هایی جهت یورش به قرارگاه‌ها و قلعه‌‌های دشمن، ازدیگر جنبه‌‌های مهم کاربرد تونل‌ها در تمدن‌‌های اولیه بود.

 

تونل‌سازی همزمان با انقلاب صنعتی، به ویژه به منظور حمل و نقل، تحرک قابل ملاحظه‌ای یافت. تونلسازی به گسترش و پیشرفت کانال سازی کمک کرد و این امر در توسعه صنعت به ویژه در قرون ۱۸ و ۱۹ میلادی در انگلستان سهم بسزایی داشت. کانال‌ها یکی از پایه‌‌های انقلاب صنعتی بودند و توانستند در مقیاس بسیار بزرگ هزینه‌های حمل و نقل را کاهش دهند.

تونل مال پاس با طول ۱۵۷ متر برروی کانال دومیدی در جنوب فرانسه اولین تونلی بود که در دوره‌های مدرن در سال ۱۶۸۱ ساخته شد. همچنین اولین تونل ساخته شده با کاربرد حفاری و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن ۱۸ نیز جیمز بریندلی از خانواده‌ای مزرعه دار با نظارت بر طراحی و ساخت بیش از ۵۸۰ کیلومتر کانال و تعدادی تونل به عنوان پدر کانال و تونل‌‌های کانالی ملقب شد.

وی در سال ۱۷۵۹ با ساخت یک کانال به طول ۱۶ کیلومتر مجموعه معدن زغال دوک بریدجواتر را به شهر منچستر متصل نمود. اثر اقتصادی تکمیل این کانال نصف شدن قیمت زغال در شهر و ایجاد یک انحصار واقعی برای معدن مذکور بود.

 

در اوایل قرن نوزدهم به منظور عبور از قسمت‌های پایین دست رودخانه تایمز هیچ سازه‌ای موجود نبود و ۳۷۰۰ عابر مجبور بودند با طی یک راه انحرافی ۳ کیلو متری با قایق مسیر روترهایت به ویپنیگ را طی کنند. اقدام به ساخت یک تونل نیز به دلیل ریزشی بودن ومناسب نبودن رسوبات کف رودخانه متوقف شد.

تا اینکه در حدود سال ۱۸۲۰ فردی بنام مارک ایرامبارد برونل از فرانسه ایده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال ۱۸۲۵ کار احداث تونل بین روترهایت و ویپنیگ را آغاز و علی رغم جاری شدن چند نوبت سیل در سال ۱۸۴۳ آن را باز گشایی نمود. این تونل تامس نام گرفته و اولین تونل زیر آبی بود که بدون هرگونه رودخانه انحرافی حفر شد.

در دیگر موارد تونل‌های زهکشی بزرگ، نظیر تونلی با طول ۷ کیلومتر در هیل کارن انگلستان، اهمیت زیادی در توسعه صنعت معدنکاری داشته‌اند. البته بررسی تاریخچه پیشرفت در روش‌‌ها و تکنیک‌‌ها و به عبارتی در هنر تونل‌سازی نشانگر این مطلب است که مانند بسیاری دیگر از علوم و فنون بیشتر رشد این هنردر قرن گذشته صورت گرفته و تا حال نیز ادامه دارد.

 

ویژگی‌‌های فضاهای زیرزمینی و نمونه‌‌های بارز آنها

هم اکنون در زمینه‌‌های مختلف کاربرد تونل‌ها، مزایای متفاوت و گوناگونی را بر می‌شمرند. از آن جمله ویلت، استفاده فزاینده فعلی از فضاهای زیرزمینی را به دلایل زیر رو به افزایش دانسته است.

1. تفوق محیط ساختاری به معنای وجود یک حصار و ساختار طبیعی فراگیر.
2. عایق‌سازی با سنگ‌های فراگیر که دارای ویژگی‌های عالی عایق‌ها می‌باشند.
3. محدودیت کمتر دراحداث سازه‌‌های بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی سطح زمین.
4. کمتر بودن تأثیرات منفی زیست محیطی.
5. کوتاه‌تر شدن مسیرها و افزایش راندمان ترافیکی
6. بهبود مشخصات هندسی مسیر
7. جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن
8. ایمنی بیشتر در برابر زلزله

مثال‌‌های متعددی می‌توان از نقش و تأثیر عمده تونلسازی و پروژه‌‌های بزرگ این صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد. تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ایتالیا را به هم متصل می‌سازد. عملیات ساختمانی آن در سال ۱۹۵۹ آغاز گردید و حفر این تونل فاصله بین میلان و پاریس را به طول ۳۰۴ کیلومتر کوتاه‌تر نموده است. از دیگر نمونه‌‌ها کشور فنلاند است که سازه‌‌های زیرزمینی را به صورت غارهای عظیم بدون پوشش بتنی، به منظور انبار مواد نفتی مورد استفاده قرار داده و در حال حاضر بیش از ۷۵ انبار نفتی در سراسر کشور فنلاند با گنجایشی بیش از ۱۰ میلیون متر مکعب ساخته شده.

 

تونل‌سازی شغلی با خطر‌‌های پنهان

تونل‌سازی پیشرفته و اتوماتیک در زیرزمین اکنون به سمتی می‌رود که حذر از اشتباه در آن اجتناب‌ناپذیر است. تونل‌سازی موفق به شکل و معماری تونل و کیفیت ساخت آن، شناخته می‌شود در حالی که در پشت آن سرمایه‌گذاری سنگین تکنیک‌‌های حفاری توسط سیستم‌‌های لجستیکی پیچیده قرار گرفته است. چنین تکنیک‌هایی برای اجرای سریع و بدون توقف تونل‌سازی با قابلیت محاسبه خطرات پیش رو و همچنین بالا بردن راندمان پیشرفت، طراحی می‌شوند.

 

خطرات پنهان در تونل سازی

بستر زمین می‌تواند با زون‌های خطرناک زمین ساختاری نهفته در آن همواره منبعی از مشکلات غیر قابل انتظار در تونل‌سازی باشد. تغییرات غیر قابل پیش‌بینی در کیفیت سنگ اغلب سبب مشکلات و هزینه‌‌های تاخیر غیر ضروری می‌گردد که امروزه هیچکس برای آن پول کافی ندارد.

بدون پیش‌بینی، شما با خطرات زیر مواجه خواهید شد:

1. حفره‌ها، ریزش‌ها، جریان شدید آب داخل تونل
2. پرداخت‌‌های اضافه شامل تاخیرات پروژه
3. مواجهه TBM با تله‌‌های پیش روی آن
4. به خطر انداختن پرسنل و تجهیزات مورد استفاده آگاهی از آنچه پیش روی است.

اطلاعات کافی از لایه‌‌های زمین‌ساختاری و تغییر در پارامترهای مکانیک سنگ که تاثیر زیادی در انتخاب روش‌های اجرا دارد، اکنون فاکتور مهمی در توفیق تونل‌‌های پیشرفته امروزی است. چنین پیش بینی و هشدار‌هایی در اجرا، امکان به موقع برآورد دقیق هزینه‌‌ها و لجستیک آن را برای رفع موانع در طراحی تونل سبب شده و به دنبال آن پیش‌بینی هر چه دقیق‌تر، موجب تونل‌سازی مقرون به صرفه در خطرات همیشگی زیر زمین است.

 

کاربردهای زمین شناسی در تونل سازی

فن تونل‌سازی سابقه دیرینه‌ای در کشور ما دارد. حدود ۳۰۰۰ سال پیش نیاکان ما با حفر قنات‌ها که در واقع تونل‌‌های قدیمی هستند، به آب زیرزمینی دست می‌یافتند. قدیمی‌ترین تونل شناخته شده در حدود ۴۰۰۰ سال پیش در بین‌النهرین حفر شد. در ایران از چند هزار سال پیش به منظور استفاده از آب‌های زیرزمینی تونل‌هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول برخی از آنها به ۷۰ کیلومتر می‌رسد.

 

مراحل تونل‌سازی

مراحل احداث و آماده‌سازی تونل‌‌ها به شرح زیر است:

• الف) تهیه طرح تونل
• ب) نقشه‌برداری مسیر و تحقیقات مهندسی
• ج) حفر تونل
• د) نگهداری موقت تونل
• ه) انجام خدمات فنی از قبیل تهویه، آبکشی، روشنایی و نظایر آن
• و) نگهداری دائم تونل

 

طبقه‌بندی تونل‌ها

1) تونل‌‌های حمل و نقل

• تونل‌‌های راه آهن
• تونل‌‌های راه
• تونل‌‌های پیاده رو
• تونل‌‌های ناوبری
• تونل‌‌های مترو

2) تونل‌‌های صنعتی

• تونل‌‌های مربوط به نیروگاه‌های آبی
• تونل‌‌های انتقال آب
• تونل‌‌های استفاده همگانی و پناهگاه‌ها
• تونل‌‌های فاضلاب
• تونل‌‌های طرحهای صنعتی
• تونل‌‌های انبارهای نظامی
• تونل‌‌های دفن زباله اتمی

3)  تونل‌‌های معدنی

• تونل‌‌های گشایش معدن
• تونل‌‌های اکتشافی
• تونل‌‌های استخراجی
• تونل‌‌های خدماتی
• تونل‌‌های زهکشی

 

تفاوت تونل‌‌های حمل و نقل و تونل‌‌های معدنی

تونل‌‌های معدنی پس از استخراج معدن به صورت متروکه رها می‌شدند ولی تونل‌‌های حمل و نقل سازه‌هایی دائمی هستند و برای استفاده طولانی مدت طراحی می‌شوند.

 

مطالعه ساختگاه تونل

قبل از حفر و احداث تونل، بایستی منطقه مورد نظر را مطالعه کرد و مناسب‌ترین مسیر تونل را برگزید و آنگاه مسیر را مطالعه کرد. با وجود اینکه این مطالعات بسیار پرهزینه و زمان‌بر است اما بدون انجام آن ممکن است اشکالات اساسی در ضمن احداث تونل رخ دهد که در زیر به مثال‌هایی از آن اشاره می‌شود.

• تونل مورن واقع در مسیر راه آهن پاریس به ورسای که عملیات حفاری آن در سال ۱۹۰۰ میلادی آغاز و در طول مسیر با ۴۵ متر ماسه سست مواجه شد که عبور از آن ۱۵ ماه به طول انجامید.
• تونل لتسبرگ در فرانسه که حفاری آن در سال ۱۹۰۸ میلادی آغاز و پس از حفر ۱۲۰۰ متر از تونل به علت هجوم شدید آب زیرزمینی متروک شد.
• تونل مربوط به نیروگاه برق آبی رزلند که حفر ۵۰ متر از آن ۱۸ ماه طول کشید.

 

مطالعه ساختگاه تونل شامل مراحل زیر است:

1. جمع آوری اطلاعات:
   که با مراجعه به سازمان‌‌ها و مؤسساتی که احتمال دارد در منطقه کار کرده باشند می‌توان اطلاعات احتمالی را به دست آورد.
2. بررسی نقشه‌‌های توپوگرافی و عکس‌های هوایی منطقه:
   برای آگاهی از وضعیت توپوگرافی منطقه باید بزرگ مقیاس‌ترین نقشه موجود را مطالعه کرد. مطالعه عکس‌های هوایی منطقه در بسیاری موارد اطلاعات با ارزشی دست می‌دهد مانند چین‌خوردگی‌ها، درزه‌ها، گسل‌‌ها و … .
3. مطالعات زمین شناسی سطحی:
   آگاهی از وضعیت زمین‌شناسی منطقه از جمله ضروری‌ترین اطلاعات مورد نیاز طراحی تونل‌‌ها است.
4. مطالعات ژئوفیزیکی:
   مهمترین کاربرد روش‌های ژئوفیزیکی در اکتشاف ساختگاه تونل‌ها، تعیین موقعیت‌‌های غیرعادی است که باید به وسیله روش‌های مستقیم و دقیق‌تر، بررسی شود.
5. حفر گمانه‌‌های اکتشافی:
   هدف از حفر گمانه‌‌های اکتشافی شناسایی وضعیت، ضخامت، جنس و مشخصات فیزیکی و مکانیکی سنگ‌هایی است که تونل از آنها عبور می‌کند.
6. مطالعات آب شناسی:
   از آنجا که وضعیت آب‌های زیرزمینی منطقه و نفوذپذیری سنگ‌ها چه از نقطه نظر حفر تونل و چه از نظر طراحی سیستم نگهداری آن اهمیت زیادی دارد. لذا بعضی مطالعات آب شناسی نیز انجام می‌گیرد.
7. آزمایش‌‌های برجا:
   روش‌های تعیین مشخصات ژئوتکنیکی زمین به حالت برجا از جمله مهمترین مطالعاتی است که قبل از احداث تونل انجام می‌گیرد.
8. پیش‌بینی نشست زمین:
   با توجه به اهمیت پدیده نشست زمین باید روش‌هایی را برای حفر و نگهداری تونل‌‌ها برگزید که نشست به حداقل ممکن برسد.

 

طراحی تونل

طراحی شکل و ابعاد مقطع تونل بسته به نوع کاربری آن و شرایط زمین شناختی منطقه فرق می‌کند. به عنوان مثال تونل‌‌های معادن دارای سطح مقطع ذوزنقه ای شکل، تونل‌‌های راه به شکل هلالی، تونل‌‌های راه آهن به شکل دایره و چهارگوش، و تونل‌‌های آبرسانی نیز با توجه به حداکثر توان پیش بینی شده نیروگاه فرق می‌کند.

نقش شرایط زمین شناختی در طراحی تونل:

• چین خوردگی: وجود چین‌خوردگی در سنگ سبب کاهش مقاومت آن می‌شود و در اثر احداث تونل ممکن است درز و شکاف‌های بیشتری را در سنگ سبب شود.
• گسل: وجود گسل سبب ایجاد صفحات شکستگی در سنگ می‌شود که پس از حفر تونل احتمال لغزش قطعات سنگ را به دنبال دارد.
• آب زیرزمینی: وجود آب زیرزمینی از جمله مسائلی است که علاوه بر آنکه عملیات تونل‌سازی را با مشکل مواجه می‌سازد خطراتی را نیز در پی دارد.

مواردی که در بالا اشاره شد از جمله مهمترین مسائلی بود که در طراحی تونل نقش دارند ولی مواردی مانند زمین‌‌های آماس پذیر، درزه‌ها، گازهای موجود در سنگ‌ها، دمای سنگ‌ها، زمین‌‌های رانشی و …  نیز در طراحی تونل‌‌ها نقش دارند که از اهمیت کمتری برخوردارند.

 

 

روش های حفر تونل

امروزه روش‌های مختلفی جهت حفر انواع تونل وجود دارد. برحسب شرایط اعم از زمین‌شناسی، نوع کاربری تونل، سطح مقطع تونل، میزان پیشروی، میزان سرمایه مورد نیاز، مدت انجام پروژه و مهم‌تر از همه نوع سنگ در انتخاب روش موثر است. انواع روش حفر تونل عبارتند از:

1. حفر تونل به روش سنتی یا آتشکاری (BLASTING)
2. حفر تونل به کمک ماشین‌های تمام مقطع (TBM)
3. حفر تونل به کمک ماشین‌های بازویی (ROAD HEADER)
4. حفر تونل به کمک سپر (SHIELD TUNNELING)
5. حفر تونل به کمک کند و پوش (CUT and COVER)

 

حفر تونل به روش سنتی (آتشکاری)

 

برای اینکه راندمان حفر تونل را بالا ببرند، در قسمت‌‌های میانی جبهه کار تعدادی چال نزدیک بهم و با زوایای مخصوص حفر می‌کنند و نقشه انفجار را طوری در نظر می‌گیرند که ابتدا این چال‌ها منفجر شود و یک جبهه کار آزاد برای سایر چال‌ها فراهم سازد. مجموعه این قبیل چال‌ها به نام برش نامیده می‌شود، این برش‌ها انواع مختلفی دارند که در زیر به شرح آنها می‌پردازیم.

 

حفر تونل به روش موازی

برش‌‌های موازی اغلب برای تونل‌‌های کوچک مقطع به کار می‌رونداما می‌توان برای حفر تونل‌‌های بزگ مقطع نیز استفاده کرد. در برش موازی یک یا چند چال خالی به صورت افقی و با قطرزیاد (65 تا 175 میلی‌متر) موازی یکدیگر و عمود بر سینه کار حفر کرده و در اطراف آنها و به فاصله 10 تا 20 سانتی متری چال‌هایی با قطر کم و نزدیک به یکدیگر و با خرج‌گذاری مناسب به وجود می‌آورند. چال‌‌های قطور که خرج‌گذاری نمی‌شوند، نقش سطح آزاد را برای چال‌‌های کوچک دارند و چال‌‌های کوچک با تاخیرهای 20 تا 30 میلی‌ثانیه آتش می‌شوند.

برش‌‌های موازی به اشکال مختلفی تحت نام‌‌های متفاوت صورت می‌گیرند که دارای ویژگی‌‌های مشترکی به شرح زیر می‌باشند:

• چال‌‌ها با هم موازی، افقی و عمود برسینه کار هستند.
• چال‌‌ها به نوبت منفجر می‌شوند.
• برخی از چال‌ها خرج‌گذاری نمی‌شوند

 

هنگام کار با برش موازی نکات زیر دقیقا باید رعایت شوند:

• آرایش، امتداد و خرج‌گذاری چال‌‌ها مطابق آنچه که مقرر است اجرا گردد.
• هرگونه تعدیل نظیر ازدیاد فاصله چال‌ها و میزان خرج، پیشروی را کم می‌کند.
• آتش کردن چال‌‌های هر برش مطابق طرح مربوطه صورت گیرد.
• در 6 یا 8 چال نزدیک به چال خالی نباید خرج فشرده در ته چال به کاربرد.

 

انواع برش‌‌های موازی برحسب آرایش و ابعاد چال‌ها به شرح زیر معرفی می‌گردد.

1. برش شماره یک یا برش دواسپیرال: بیشترین پیشروی به این نوع برش مقدوراست.
2. برش شماره دو (TABY CUT2): حالت خاص از روش قبلی بوده و میزان پیشروی‌اش از آن کمتر است، چالزنی و مکانیزاسیون حفر چال راحت‌تراست.
3. برش شماره سه (سه مقطعی، چهارمقطعی): بسیار زیاد استعمال می‌شوند و پیشروی آنها بیش از برش شماره دو است.
4. برش شماره چهار (Fagersta cut): چال‌‌های این برش با پرفراتور دستی حفر می‌شوند.
5. برش شماره پنج (coromant cut): شبیه برش دواسپیرال است.
6. برش کانادایی (Burn cut): این برش به اشکال مختلفی دیده می‌شود، در متداول‌ترین آنها قطر چال خالی وقطر چال انفجاری برابر هستند.
7. برش شماره هفت Creater cut: دراین برش تغییرات ابعاد چال خطی است اگر قطر، عمق و طول خرج دو برابر شود، حفره‌ای با عمق دو برابر به وجود می‌آید.
8. برش شماره هشت Benching cut

 

حفرتونل به روش غیرموازی (زاویه‌ای)

در برش غیرموازی حفره‌ای که در ابتدای انفجار و مرکز تونل بوجود می‌آید شکل مخروط دارد و نتیجه انفجار چال‌هایی است که افقی‌اند، با امتداد تونل موازی نیستند و بر سینه کار تونل عمود نمی‌باشند. این برش را در جایی به کار می‌برند که سطح مقطع تونل زیاد باشد زیرا حفر چال در امتدادی غیرموازی با محور تونل مستلزم وجود فضای کافی برای استقرار دستگاه چالزنی می‌باشد.

1. برش گوه‌ای V cut: برای سنگ‌های متورق و شکاف‌دارمناسب است. چال‌ها افقی ومایل با محور تونل حفر می‌شوند و در اثر انفجار شکل گوه‌ای مانند ایجاد می‌شود.
2. برش بادبزنی Fan cut: برای سنگ‌های متورق مانند شیل مناسب بوده و بیشترین موارد استعمال این روش در حفظ تاسیسات مثل چوب بست ازاصابت سنگ در نزدیک سینه کاراست.
3. برش هرمی (مرکزی) Pyramid cut,cernter cut,diamond cut: این نوع برش برای حفر تونل در سنگ‌های سخت به کار می‌رود. از معایب این روش می‌توان به مصرف زیاد ماده منفجره، لرزش زیاد هوا و گرد و خاک و نیاز داشتن به مهارت بالا جهت حفر چاه نام برد.

 

مزایا و معایب برش موازی و زاویه‌ای در حفر تونل:

• حفرچال موازی ساده‌تر از چال غیرموازی است.
• میزان خردشدن سنگ درچال موازی بیش از زاویه‌ای است.
• درموازی، چال‌‌های برش حتما باید موازی یکدیگر وعمود بر سینه‌کار باشد (درغیراین صورت پیشروی کم وطول ته چال زیاد خواهدبود).
• در برش زاویه‌ای باید انتهای چال بهم نزدیک باشد (درغیراین صورت پیشروی کم است).

 

حفر تونل به کمک ماشین‌های تمام مقطع (TBM)

 

با توجه به تنوع شرایط زمین شناسی و ترکیبات خاک و سنگ موجود در مسیر یک توتل بسته به شرایط انواع مختلفی از ماشین حفار تمام مقطع ساخته شده است.  در سال 1980 (ISRM) تعریف انجمن بین‌المللی مکانیک سنک:

در مورد سنگ سخت، مقاومت بیش از 50 تا 100 مگاپاسکال و در مورد سنگ‌های نرم کمتر از 50 مگا پاسکال

 

ماشین‌‌های حفر تونل در سه گروه عمده زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• الف) دستگاه‌های حفر تمام مقطع باز
• ب) دستگاه‌های حفر تمام مقطع تک سپری
• ج) دستگاه‌های حفر تمام مقطع سپر تلسکوپی

 

الف) دستگاه‌های حفر تمام مقطع باز (Open TBM)

ماشین‌‌های مقطع باز در مواردی که توده سنگ درون‌گیر تونل از مقاومت کافی جهت تحمل ریزشی نداشته باشد، بهترین گزینه هستند. این ماشین‌‌ها طراحی متفاوتی دارند ولی در کل دو سیستم دوکفشکه و تک کفشکه، دارای عمومیت بیشتری در میان سازندگان این نوع ماشین‌‌ها می‌باشد.

 

ب) دستگاه‌های حفر تمام مقطع تک سپری (Single Shield TBM)

این ماشین‌‌ها در شرایطی به کار می‌روند که توسط سنگ درون‌گیر تونل به قدری سست باشد که امکان استفاده از کفشک برای تامین نیروی پیشروی وجود نداشته باشد. نصب قطعات بتنی در داخل سپر از ریزش دیواره‌‌ها جلوگیری کرده ومحیط مناسب برای فعالیت کارگران فراهم می‌نماید.

سرعت پیشروی این ماشین‌‌ها در زمین‌‌های سست و احیاناً ریزشی، محدود به سرعت نصب قطعات بتنی می‌باشد. ماشین‌‌های تک سپری به صورت استوانه دارای پوشش بوده که در قسمت جلوی آن کله حفاری و در قسمت عقب دستگاه نصب سگمنت و جک‌های پیشران قرار گرفته‌اند.

 

ج) دستگاه‌های حفر تمام مقطع سپر تلسکوپی (Double Shield TBM)

برای اولین بار این نوع ماشین با هدف کار در زمین‌‌های با شرایط مناسب به عرصه مهندسی تونل معرفی گردید. این ماشین علاوه بر دو سر جلو و عقب مجهز به جک‌‌های پیشران همانند ماشین تک سپری و کفشک، همانند ماشین‌های باز می‌باشد.

بنابراین این ماشین توانایی کار در زمین‌‌های با مقاومت مناسب و همچنین شرایط ضعیف را دارا می‌باشد. در حالتی که زمین مقاومت مناسب برای حفاری به کمک کفشک را دارد. ماشین می‌تواند به حفاری و سگمنت‌گذاری مستقل از هم و همزمان با هم بپردازد و به همین دلیل سرعت حفاری ماشین‌‌های سپر تلسکوپی به طورتئوریک دو برابر ماشین هایتک سپری و در عمل 30-40 درصد بیشتر از آن است.

 

حفرتونل به کمک سپرها shield tunnelling

 

حفر تونل در زمین‌های سست و ریزشی، معمولا با استفاده از سپرهای فولادی انجام می‌گیرد. این سپرها غالبا مقطع دایره‌ای دارند و فضای تونل ممکن است طی شرایط هوای آزاد یا تحت تاثیر هوای‌فشرده باشد. وجود سپر سبب می‌شود که بتوان حفاری را در شرایط ایمن انجام داد و سیستم نگهداری اولیه را برپا ساخت و نشست زمین را کنترل کرد.

شرایط استفاده از سیستم سپر:

1. خاک‌های ضعیف وغیرچسبنده
2. خاک‌های رسی ضعیف وخمیری
3. خاک‌هایی که تحت فشارآب قراردارند

 

انواع سپر

1. سپرهای باز که از سه قسمت بدنه، دنباله و لبه حفار تشکیل شده است. از این سپر در زمین‌هایی به کار می‌برند که به اندازه کافی سفت و محکم هستند که در جلو سپر ریزش نکنند.
2. سپر بسته که در مورد زمین‌های خیلی سست مثل بعضی از رس‌ها و سیلت‌ها و نیز ماسه‌‌های ریز روان استفاده می‌شود.
3. نیم سپرها که به هنگام حفرتونل در زمین‌های خشک یا آبکشی شده، از سپرهای با مقطع نیم دایره یا نیم بیضی برای نگهداری سقف تونل استفاده می‌شود که به آنها نیم سپر می‌گویند این شیوه در مورد تونل‌هایی که در عمق کم حفر می‌شوند نیز به کار می‌رود.

 

حفر تونل به وسیله ماشین‌های بازویی

 

در ماشین‌های بازویی، یک یا چند بازوی حفار وجود دارد که سطح مقطع آن به مراتب کمتر از سطح مقطع تونل است و با جابجاکردن آن در نقاط مختلف مقطع، تونل را حفاری می‌کنند.

 

شیوه حفاری به وسیله ماشین بازویی

حفرسنگ به وسیله ماشین بازویی طی یکی از دو مکانیسم پودر کردن و تراشه کردن انجام می‌گیرد.

1. حفاری به روش پودرکردن: در این شیوه، محوردوران سرمته درامتدادمحوربازوی دستگاه است.سرمته نیزحالت مخروطی داردوبتدریج بانفوذ سرمته به داخل سنگ، تعداد بیشتری از ناخن‌ها درحفر درگیر می‌شوند و برین ترتیب، سنگ تا عمق مورد نظر حفر می‌شودوبا تغییر موقییت سرمته، این عمل در نقاط مختلف مقطع تونل انجام می‌شود. این شیوه حفر سبب می‌شود که دستگاه برای حفرسنگ‌های محکم و نیز حفاری در شرایط دشوار زمین شناختی، مناسب باشد.
2. حفاری به روش تراشه کردن: این شیوه حفاری عمدتا در ماشین‌های حفار پیوسته و برای حفر سنگ‌های نرم وضعیف به کار می‌رود و یکی از موارد کاربرد آن، حفر لایه‌‌های زغال وسنگ‌های رسوبی اطراف آن است.

 

مزایا ومعایب دستگاه‌‌های بازویی

الف) مزایا

• ازآنجا که در این دستگاه‌ها عملیات حفاری، بارگیری مواد حفرشده وتخلیه آنها همزمان انجام می‌گیرد لذا درمقایسه با روش‌های سنتی،باصرفه ترند.
• درزمین‌های نرم ونیمه سخت، سرعت پیشروی زیاد است.
• پرسنل مورد نیاز محدود است.
• با هدایت صحیح بازو می‌توان مقطع تونل را مطابق شکل از قبل تعیین شده حفرکرد و بدین ترتیب، ازاضافه حفاری جلوگیری کرد.

ب) معایب

• هزینه‌‌های سرمایه گذاری اولیه زیاد است. *پرسنل موجود باید مهارت‌‌های ویژه ای داشته باشد.
• ماشین به هنگام حفر،گردوغبار زیادی تولید میکند. *هزینه حمل قطعات وسوارکدن ماشین نسبتا زیاد است.

 

احداث تونل به روش کند و پوش

این روش در مواردی ‌‌امکان‌پذیر است که در محل مرد نظر، سازه‌‌های سطحی وجود نداشته باشد و یا تخریب آنها ‌‌امکان‌پذیر باشد مهمترین موارد کاربرد روش کندن و پوش به شرح زیراست:

• الف) در تونل‌های زیر سطح ایستابی به منظور احداث ناحیه حد واسط بین ترانشه اولیه وتونل اصلی
• ب) دهانه تونل‌هایی که در نواحی کوهستانی احداث می‌شوند.
• ج) مناطق شهری

 

روش‌های اجرا

بسته وضعیت زمین و شرایط موجود در محل، از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که مهمترین آنها عبارتند از:

• روش گودبرداری با دیواره شیروانی، که دراین روش دیوارهای ترانشه به صورت شیروانی یعنی با دیواره‌‌های کم شیب احداث می‌شود و نیازی به سیستم نگهداری ندارد.
• روش میخ کوبی دیواره که در آن دیواره پر شیب ترانشه را به وسیله میله‌‌های فولادی به طول چندین متر، میخ کوبی می‌کنند
• روش نگهداری دیواره با سپر فولادی
• روش استفاده از پایه‌‌های فولادی
• روش دیوارسازی بتنی که در این روش، قبل از عملیات گودبرداری، دیوار قائمی به ضخامت 50 تا80 سانتی‌متر در دو طرف دیواره ترانشه مورد نظر احداث می‌شود که نقش دیواره حائل و پرده آب بندی را بر عهده دارد.
• روش استفاده از دیوار پیش ساخته که در این روش نیز عملیات مقدماتی یعنی حفر گودال، به همان روش‌های قبلی انجام می‌گیرد و پس از آنکه گودال تا عمق مورد نظر حفاری شد، قطعات پیش ساخته بتنی را در داخل آن قرار می‌دهند.