انواع شکل مقطع تونل راه و راه آهن

در این نوشتار تصمیم داریم به شکل مقطع تونل هاي راه و راه آهن بپردازیم. در ادامه به بررسی مشخصات هندسی شکل مقطع تونل ها و مقطع عرضی ان ها می پردازیم.

پیشنهاد مطالعه: مراحل اجرای تونل های بزرگ و ساخت آنها

يكي از پارامترهاي مهم در طراحي پوشش داخلي تونل ها مشخصات هندسي شکل مقطع تونل ها شامل اندازه مقطع و شيب تونل مي باشد. انتخاب شکل مقطع تونل و ابعاد تونل تابع هدف احداث تونل، سيستم حفر، شيوه بارگيري و روش نگهداري دائمي آن است. در مواردي كه استفاده از شكل هاي مختلف امكان پذير باشد بايد شكلي را انتخاب كرد كه هزينه هاي كلي احداث تونل به حداقل برسد. شکل مقطع تونل ها مي تواند به صورت دايره اي، چهارگوش، نعل اسبي و يا شكل حرف انگليسي D كه معادل 90 درجه در جهت خلاف عقربه هاي ساعت چرخش يافته باشد، كه به غلط تونل هاي با مقطع D شكل نام گرفته است، باشد. البته در صورت حفاري مقطع به صورت دايره اي، شكل مقطع نهايي را با استفاده از دال هاي بتني به صورتي اصلاح مي نمايد كه كف تونل به صورت مسطح و قابل استفاده به عنوان تونل هاي راه و راه آهن باشد.

مقطع دايره

شکل مقطع تونل دايره از نظر حفاري به وسيله ماشين هاي تونل زني (TBM) و مقاومت در برابر تنش هاي وارده، بسيار مناسب است. در مقابل، انحناي پايين تونل از جمله معايب اين مقطع به حساب مي آيد زيرا پس از خاتمه حفاري با صرف هزينه بايد آن را به حالت مسطح درآورد.

در زمين هاي نامناسب و نرم، به ويژه در مواردي كه احتمال تورم و آماس زمين وجود دارد، معمولاً مقطع دايره به دليل سهولت در حفر و نصب سيستم نگهداري موقت و دائم، مناسب ترين شکل مقطع تونل است. شكل 1 یک نمونه از تونل با مقطع دايره را نشان مي دهد.

شکل 1 – تونل با مقطع دايره قبل از كف سازي

مقطع چهارگوش (باكس)

در مواردي كه فشار جانبي موثر بر ديواره تونل و يا ضخامت روباره كم باشد، حفر تونل هاي چهار گوش با ديواره هاي نسبتاً قائم و كف مسطح، مقرون به صرفه است. در صورت لزوم، سقف اين تونل ها را مي توان به صورت قوسي انتخاب كرد زيرا استفاده از اين سيستم، به ويژه در مورد تونل هاي كوچك ارزان تر تمام مي شود. شكل 2 یک نمونه تونل با مقطع چهارگوش را نشان مي دهد.

شکل 2 – نمايي از يك تونل با مقطع چهارگوش

مقطع D شكل

در اين تونل ها، ديواره تونل تقريباّ قائم و قسمت بالاي آن قوسي شكل يا نيم دايره است. به علت آن كه در سنگ هاي محكم، ديواره قائم تونل به آساني در برابر تنش هاي وارده مقاومت مي كند، لذا اين مقطع در تونل هاي سنگي بيشتر معمول است. مقطع اين تونل به شكل حرف انگليسي D كه معادل 90 درجه در جهت خلاف عقربه هاي ساعت چرخش يافته مي باشد كه به اشتباه تونل هاي با مقطع D شكل، نام گرفته است. شكل 3 نمونه ای از تونل با مقطع D شكل را نشان مي دهد.

شکل 3 – نمايي از يك تونل با مقطع D شكل

شکل مقطع تونل نعل اسبي

اغلب تونل هاي راه و راه آهن به شكل نعل اسبي هستند. بخش بالاي تونل به شكل نيم دايره و ديواره ها و كف آن نيز منحني است. شعاع قوس ديواره ها و كف تونل معمولاّ دو برابر شعاع بخش بالايي است. از محاسن شکل مقطع تونل نعل اسبي اين است كه براي نگهداري تونل مي توان از قاب هاي فلزي استفاده كرد و از اين نظر امتيازات مقطع تونل دايره اي شكل را دارد، با اين تفاوت كه كف آن ها تقريباّ مسطح است. كف مسطح علاوه بر آنكه براي كاربرد تونل مناسب است، بلكه موجب آساني حفر تونل به وسيله مواد منفجره نيز مي شود. از جمله امتيازات ديگر اين مقطع، سهولت بارگيري و حمل مواد حفر شده است. شكل 4 نماهاي شماتيك از تونل هاي راه و راه آهن با مقطع نعل اسبي را نشان مي دهد. شكل 5 نسبت بين شعاع هاي مختلف شکل مقطع تونل هاي نعل اسبي را نشان مي دهد.

شكل 4 – دو نما از تونل با مقطع نعل اسبي

شكل 5 – نسبت بين شعاع هاي مختلف در تونل هاي نعل اسبي

مشخصات هندسي تونل هاي راه

تونل، سازه اي پر هزينه است و به همين علت در راه هاي كم اهميت يا كم ترافيك مثلاً راه هاي فرعي درجه 1 و 2 از ساخت تونل پرهيز مي شود. تونل هاي راه معمولاً دو خطه يا سه خطه است و بر حسب نوع مسير به دو صورت زير تقسيم بندي مي شوند:

1 – تونل هاي يك طرفه كه معمولاً هر يك از جهت هاي رفت و برگشت داراي تونل مستقل است و در آزادراه ها و بزرگراه ها ساخته مي شوند.

2 – تونل هاي دو طرفه كه معمولاً در راه هاي اصلي ساخته مي شوند. در حال حاضر تونل هاي راه به صورت دو طبقه نيز اجرا مي شوند.

مقطع عرضي تونل هاي راه

ابعاد مقطع عرضي تونل هاي راه، تابع چگالي، نوع ترافيك، طول تونل و تعداد تونل هايي كه به طور سري پشت سر هم در امتداد يكديگر قرار مي گيرند، مي باشند. مطابق آئين نامه طرح هندسي راه هاي ايران در طراحي مقطع عرضي تونل نكات ذيل را بايد مورد توجه قرار داد:

1 – پيش بيني فضاي لازم جهت تامين نياز ترافيك آينده (حداقل بيست سال پس از افتتاح تونل)

2 – در راه هاي با بيش از سه خط عبور، به جاي يك تونل با مجراي بزرگ، احداث دو تونل با مجراي كوچك، به دلايل زير توصيه مي شود:

الف) با ساختن تونل در ابتدا مي توان از آن به صورت دو طرفه استفاده كرد.

ب) با ساختن تونل دوم از هر تونل مي توان در يك جهت استفاده كرد.

پ) هزينه ساخت دو تونل با مجراي كوچك، از يك تونل با مجراي بزرگ كمتر است.

ت) در آينده دور مي توان تونل سوم را ساخت و از يكي از تونل ها براي يك جهت و از تونل ديگر براي جهت مخالف ولي از تونل سوم (كه معمولاً تونل وسط خواهد بود) براي جهت تراكم استفاده كرد. به اين ترتيب جهت عبور از تونل وسط، بسته به جهت تراكم ترافيك، در ساعت هاي مختلف اوج روز تغيير مي كند.

3 – پيش بيني فضاي مناسب براي روشنايي و تهويه تونل ها در صورت نياز.

4 – خط هاي اصلي

الف) تعداد خط هاي عبور

تعداد خط هاي عبور داخل تونل، همانند قسمت هاي معمولي راه است. چنانچه در توسعه آتي راه افزايش خط هاي عبور منظور شده باشد، وضع نهايي خط ها را ملاك عمل قرار داده و تونل را طبق وضع نهايي ساخته يا احداث تونل ديگري را براي تامين توسعه آينده، در نظر گرفته مي شود.

ب) عرض خط هاي عبور

طبق آئين نامه طرح هندسي راه ها و همچنين استاندارد AASHTO پهناي هر خط عبور تونل در مسير آزاد راه، بزرگراه، راه اصلي و راه فرعي بهتر است با توجه به آينده دور، 3.65 متر در نظر گرفته شود. در حالت هاي استثنايي براي راه هاي اصلي و فرعي، مي توان اين عرض را حتي تا 3 متر كاهش داد، مشروط بر اينكه ترافيك آينده مسير تونل كمتر از 4000 وسيله نقليه در روز و درصد وسايل نقليه سنگين، كمتر از % 10 باشد.

5 – نوارهاي كناري (شانه تونل) سمت راست و چپ

شانه هاي تونل مانند راه در طرفين خط هاي اصلي قرار مي گيرند و بدون وجود اختلاف سطحي به آن متصل مي شوند . اين شانه ها فاقد هرگونه ممانعتي است و براي جلوگيري از اثر ديوار كناري روي خط عبور در نظر گرفته شده است. در ضمن از شانه هاي سمت راست براي توقف اضطراري نيز استفاده مي شود. عرض اين شانه ها در جدول 1 ارائه شده است.

جدول 1 – عرض شانه مورد نياز در تونل ها

6 – پاركينگ اضطراري

در تونل هاي با طول بيش از 1000 متر توصيه مي شود كه در هر 500 متر يك پاركينگ احداث شود در تونل هاي دو طرفه بهتر است كه پاركينگ هاي دو طرفه در مقابل هم قرار نگيرد.

7 – پياده روها

معمولاً ورود عابران پياده به داخل تونل هاي برون شهري مجاز نيست و پياده روها فقط براي استفاده ماموران بهره برداري و كساني كه وسايل نقليه آنها دچار خرابي شده است، احداث مي شود. اين پياده روها بايد داراي شرايط زير باشند.

الف – در تونل با مقطع منحني، حداقل عرض پياده رو 60 سانتي متر باشد.

ب – در تونل با ديواره هاي قائم، حداقل عرض پياده رو 75 سانتي متر باشد.

ج- حداقل ارتفاع پياده رو از لبه راه 20 سانتي متر و حداكثر آن 40 سانتي متر باشد. توضيح اينكه هر چه ارتفاع پياده رو بيشتر باشد امنيت عابر پياده در مقابل تصادف بيشتر و دسترسي به آن نيز مشكل تر است. شكل 6 مقطع تونل راه را با در نظر گرفتن پياده رو، شانه، زهكشي و فضاي ويژه پاركينگ اضطراري نشان مي دهد.

شكل 6 – مقطع تونل راه با در نظر گرفتن پياده رو، شانه، زهكشي و فضاي ويژه پاركينگ اضطراری

8 – ارتفاع

حداقل ارتفاع آزاد تونل از سطح سواره رو تا تاسيسات تونل مانند روشنايي و سيستم هاي تهويه 5.20 متر (5.10 متر مجاز به علاوه 10 سانتي متر روكش آسفالت آتي) است. در صورتي كه تونل نياز به روشنايي داشته باشد و نتوان فضاي موجود در مقطع تونل را براي تامين نيازمندي هاي فوق استفاده كرد، به ناچار فضاي اضافي مناسب براي روشنايي و يا سيستم تهويه با توجه به رعايت معيارهاي حداقل فضاي آزاد در نظر گرفته مي شود. مطابق با استاندارد AASHTO ارتفاع تونل هاي بزرگراهي كه كاميون رو نيز می باشند، پس از نصب سيستم نگهدارنده بايد حداقل 4.78 متر به اضافه ضخامتي كه براي روكش در نظر گرفته شده است، باشد.

9 – شيب عرضي

شيب عرضي سطح راه تونل ها  %1 تا %1.5 مي باشد.

10 – تعيين سرعت طرح

سرعت طرح براي تونل اغلب از مسير راهي كه تونل در آن قرار گرفته، كمتر است. مقدار سرعت طرح انتخاب شده نه تنها در تعيين مشخصات هندسي تونل تاثیر دارد، بلكه در موارد زير نيز موثر است:

الف – طول مربوط به روشنايي اضافي ورودي

ب – آغاز روشنايي كمتر در جايي كه فاصله ديد از فاصله ديد توقف، بيشتر باشد.

پ – عمل فشرده شدن هواي تونل توسط وسايل نقليه (اثر پيستوني وسايل نقليه در امر تهويه)

ت – آلودگي هواي تونل

سرعت طرح تونل در آزادراه ها و بزرگراه ها، 80 كيلومتر در ساعت و در راه هاي اصلي 60 كيلومتر در ساعت مي باشد.

11 – گنجايش تونل

وسايل نقليه با در نظر گرفتن شرايط ويژه داخل تونل، مانند وجود دود (كاهش قدرت ديد) و چرب بودن سطح سواره رو (كاهش قدرت ترمز) سعي در افزايش فاصله نسبت به وسيله نقليه جلويي دارند. با توجه به اين شرايط گنجايش تونل ها از ظرفيت مربوط به راه هاي موجود در هواي آزاد در شرايط مساوي سرعت، % 10 كمتر است.

12 – پله

پله هاي طرفين، مرز بخش قابل عبور تونل را مشخص مي كنند و اثر ديوار تونل بر ترافيك خودروها را كاهش مي دهد. پله به صورت جدول، از كف بلندتر و براي استفاده اضطراري پياده است. در تونل هاي راه، بطور كلي راننده و سرنشينان خودروهايي كه دچار نقص فني شده اند و مامورين نگهداري، از پياده رو اضطراري استفاده مي كنند. تخليه آب و عبور كابل، معمولاً از طريق محل عبور زير پياده رو صورت مي گيرد. شكل 7 مقطع عرضي تونل هاي راه طبق استاندارد AASHTO را نشان مي دهد.

شكل 7 – مقطع عرضي تونل هاي راه طبق استاندارد AASHTO

مقطع طولي تونل هاي راه

در سربالايي ها شيب تونل هاي راه بيشتر از 500 متر نبايد از %2 تجاوز كند. توصيه مي شود كه اين شيب در محدوده 1.5% باقي بماند. در سرازيري ها حداكثر شيب در تونل هاي كوتاه تر از 500 متر بهتر است از %4 تجاوز نكند.

مشخصات هندسي شکل مقطع تونل هاي راه آهن

با توجه به پروفيل مسير راه آهن كه در مرحله طراحي مسير مشخص مي گردد، موقعيت مسير راه آهن نسبت به تراز سطح زمين در 3 حالت ذيل مي تواند قرار گيرد:

• مسير در تراز هم سطح (روي زمين)
• مسير در تراز بالاي سطح زمين (در ارتفاع)
• مسير در تراز زيرزمين (تونل)

در شرايطي كه خط پروژه راه آهن برحسب پروفيل طراحي شده در تراز زير زمين واقع شود، لازم است براي حفاظت مسير در زيرزمين از تونل استفاده شود.

مقطع عرضي تونل هاي راه آهن

مقطع تونل هاي راه آهن بايد به گونه اي در نظر گرفته شود تا حداقل فضاي آزاد را با احتساب فضاي مورد نياز براي امنيت عبور قطار (قواره راه آهن) در نظر گيرند. در تونل هاي دو يا چند خطه فاصله محور به محور دو خط مجاور بايد با فاصله محور به محور خطوط اصلي در بيرون تونل يكسان در نظر گرفته شود. اگر چه ممكن است فضاي مفيد تونل هاي راه و راه آهن به دليل نوع قطار يا ابعاد تجهيزات متفاوت باشد ولي معمولاً با حداقل فضاي مفيد تونل هاي راه آهن مشابه هستند. جدول 2 ابعاد تیپیک تونل هاي راه آهن را در چند كشور نشان مي دهد.

جدول 2 – ابعاد تونل هاي راه آهن در چند كشور

پیشنهاد مطالعه : با معروف ترین تونل های جهان آشنا شوید