کارشناسی ارشد مفاهیم علمی ۸ آذر ۱۳۹۷ زمان خواندن: ۸ دقیقه

انواع سگمنت تونل برای نگهداری سنگ در تونل های حفاری شده

در این پست می‌خوانید:

در این مقاله به بررسی انواع سگمنت تونل برای نگهداری سنگ در تونل های حفاری شده می پردازیم. انواع پوشش سگمنت ها شامل سگمنت شش وجهي يا لانه زنبوري، مستطیلی، عادی، چپ و راست و متوازی الاضلاع است. با ما همراه باشید.

پیشنهاد مطالعه: انواع شکل مقطع تونل راه و راه آهن

سيستم نگهداري سنگ براي يك تونل حفاري شده با دستگاه حفاري TBM شامل پيچ سنگ ها، شاتكريت، قطعات فولادي، پوشش داخلي بتن برجا (لاينينگ) و پوشش داخلي بتن پيش ساخته (سگمنت) مي باشد. مناسب ترين روش تونل سازي در سنگ هاي شديداً درزه دار و بلوكي و همچنين رسوبات آبرفتي، استفاده از دستگاه حفار با سپر محافظ براي محافظت كارگران و تجهيزات در مقابل ريزش سنگ مي باشد. براي استفاده بهينه از اين نوع دستگاه حفار بهره گيري از پوشش داخلي سگمنتي موجب افزايش بازدهي همراه با ايجاد محيط مناسب اجرايي امن خواهد شد. پوشش داخلي سگمنتي به سرعت در انتهاي سپر قابل نصب بوده و يك پروسه تقريباً پيوسته در تونل سازي را فراهم مي كند. همچنين از هر گونه رخنمون سنگي در تاج و ديواره هاي تونل اجتناب مي شود. از مزيت هايي كه براي اين نوع سيستم نگهداري مي توان ذكر كرد عبارتند از :

داراي كيفيت خيلي بالايي است.
وقتي كه رينگ از دنباله سپر خارج مي شود داراي مقاومت نهايي بوده و توانايي تحمل بار آن زياد مي باشد.
نشت از پوشش داخلي سگمنتي به آساني قابل تشخيص بوده و كار تعمير آن بر حسب نوع موارد امكان پذير است.
كنترل كيفيت پوشش داخلي سگمنتي خيلي آسان مي باشد زيرا در محيط خارج از تونل و با استفاده از استانداردهاي مشخصي ساخته مي شود.

اشكال عمده پوشش داخلي سگمنتي هزينه مواد مورد استفاده در ساخت آن مي باشد. البته اين هزينه مي تواند از طريق نصب سريع و عدم تاخير در تونل سازي جبران شود.

در قسمت دنباله دستگاه حفار تونل، پوشش داخلي سگمنتي تونل نصب مي شود كه با اتصال تعداد مشخصي از سگمنت ها محيط تونل پوشانده مي شود كه اصطلاحاً به آن رينگ مي گويند. يك رينگ تونل متشكل از تعدادي سگمنت مي باشد كه همه آن ها ظاهراً داراي اندازه يكساني هستند، به جز يك سگمنت كه كوچكتر از بقيه است و در آخر براي كامل كردن رينگ نصب مي شود. اين سگمنت، سگمنت كليد ناميده مي شود و در اغلب موارد حالت ذوزنقه اي شكل دارد. همچنين اين قطعه براي ايجاد انحنا در مسير پيشروي شيلد مورد استفاده قرار مي گيرد.

اتصالات ميان دو سگمنت در يك رينگ اتصالات سگمنتي ناميده مي شود و اتصالات ميان دو رينگ، اتصالات دايروي ناميده مي شود. براي جلوگيري از نفوذ آب به داخل تونل ها از نوارهاي آب بند كه در تمام طول رينگ قرار مي گيرد، استفاده مي شود.

شكل 1 – نمايي از پوشش داخلي سگمنتي

شكل 2 – اصطلاحات و نامگذاري بخش هاي مختلف سگمنت

انواع پوشش داخلي سگمنتي

شكل سگمنت از جمله مهم ترين پارامترهاي موثر در طرح هندسي سگمنت مي باشد كه متناسب با نوع دستگاه حفاري، نرخ پيشروي و الزامات مربوط به كاربري تونل تعيين مي گردد. برخي از اين الزامات شامل موارد زير مي باشند :

نوع دستگاه TBM و نرخ پيشروي آن
نيازهاي طراحي سازه اي پوشش سگمنت
نياز يا عدم نياز به آب بندي تونل
امكانات و تكنولوژي ساخت سگمنت
قابليت اجرايي كارگاه
تجارب پرسنل بخش ساخت، حمل و نصب سگمنت

سگمنت شش وجهي يا لانه زنبوري

اين نوع پوشش داخلي سگمنتي متشكل از قطعات بتني شش وجهي مي باشد كه با توجه به شكل هندسي آن به طور پيوسته (نه به صورت يك رينگ كامل) در طول مسير تونل نصب شده و نيازي به قطعه كليد نمي باشد. از مهم ترين مزاياي سگمنت شش وجهي، پيوستگي در نصب قطعات مي باشد كه امكان هم زماني حفاري و سگمنت گذاري را فراهم مي سازد. از مزاياي ديگر اين نوع سگمنت ها مي توان به سرعت نصب آن ها اشاره نمود. همچنين با توجه به يكسان بودن شكل سگمنت ها در ديوارها، تعداد قالب كمتري مورد نياز مي باشد. عمليات دپوي آن ها نيز به آساني صورت مي گيرد. همچنين به دليل ثابت بودن سگمنت كف، شكل قالب آن به صورتي در نظر گرفته مي شود كه تراورس بتني بر روي آن تعبيه شده و نياز به ساخت تراورس به منظور سيستم ترابري در حين اجراي تونل نمي باشد. شكل 3 نمايي از نوع پوشش داخلي سگمنتي شش وجهي را نشان مي دهد.

يكي از معايب سگمنت هاي شش ضلعي ضعف آن ها در آب بندي تونل مي باشد. به دليل اتصالات شعاعي، استفاده از گسكت در اين سگمنت ها غير ممكن بوده و به منظور آب بندي نياز به تزريق سيماني در محل درزها و يا تزريق تحكيمي در اطراف تونل مي باشد. در صورت استفاده از اين نوع سگمنت بايد زمان زيادي براي پيش تزريق يا پس تزريق به منظور كاهش ورود آب به داخل تونل و رساندن آن به ميزان نشت مجاز صرف كرد. از ديگر نقاط ضعف اين نوع سگمنت ها مي توان به قرارگيري آن ها در محل قوس ها اشاره نمود. در محل قوس فاصله بين درزها افزايش پيدا كرده و ميزان نشت آب به داخل تونل افزايش مي يابد. همچنين سطح تماس سگمنت ها با يكديگر كاهش يافته و باعث افزايش تنش در اين محل ها و لهيدگي قطعات سگمنت مي شود. در ضمن با توجه به ميزان قفل شدگي بالايي كه بين سگمنت ها به وجود مي آيد، سختي كل سيستم پوشش بتني افزايش يافته و در زون هاي گسله و مناطق زلزله خيز عملكرد مناسبي از خود نشان نمي دهد.

شكل 3 – سگمنت شش وجهي يا لانه زنبوري 4 قطعه اي

سگمنت مستطيلي

با استفاده از سگمنت هاي مستطيلي شكل، عموماً چرخه حفاري در هنگام نصب سگمنت ها متوقف می شود و تا زماني كه حلقه سگمنتي به طور كامل نصب نشود، چرخه حفاري شروع نمي شود. فاصله خالي مابين سپر و سطح بيروني سگمنت معمولاً كوچك بوده و حلقه سگمنتي با يك قطعه كليد كوچك بسته مي شود. اين قطعه كليد در هنگام نصب نياز به فضاي بيشتري دارد و به شكل ذوزنقه مي باشد.

شكل 4 – دو نما از پوشش داخلي تونل با سگمنت مستطيلي شكل

هندسه قطعات مجاور قطعه كليد متناسب با اين قطعه بوده و به آن ها قطعات متقابل گفته مي شود. حلقه سگمنت هاي مستطيلي، متشكل از تعدادي قطعات استاندارد مستطيلي شكل، دو قطعه متقابل و يك قطعه كليد مي باشد. اتصال اين نوع سگمنت ها غالباً با بولت انجام مي شود. عموماً اتصالات دايروي دو حلقه مجاور هم در يك راستا قرار نمي گيرند و اين براي جلوگيري از ايجاد نقص در آب بندي گوشه هاي قطعات مي باشد. همچنين با اين روش در زمان آزاد شدن جك هاي پيشران، از رها شدن كامل سگمنتي كه در مرحله قبل نصب شده، جلوگيري به عمل مي آيد. شكل 4 دو نما از تونل هاي ساخته شده با سگمنت مستطيلي را نشان مي دهد. با در نظر گرفتن شكل مستطيلي براي سگمنت ها، دو نوع رينگ را مي توان طراحي و اجرا نمود :

رينگ عادي

در اين حالت و در اجراي پوشش بتني در مسير مستقيم بايد رينگ به طور متوالي به ميزان 180 درجه حول محور تونل در چرخش باشد، لذا سگمنت كليد همواره در موقعيت هاي مختلف در تغيير است. به عنوان مثال سگمنت كليد مي تواند در كف، ديواره و يا تاج تونل قرار گيرد. در واقع در اين نوع آرايش، قطعه كليد به ناچار در موقعيت هاي مختلفي بايد قرار گيرد تا قوس مورد نظر در تونل تامين گردد. لازم به ذكر است با توجه به اينكه سگمنت كليد آخرين قطعه نصب شده در هر رينگ مي باشد، نصب آن در موقعيت كف (قسمت پاييني مقطع تونل) با مشكلاتي همراه مي باشد.

رينگ چپ و راست

براي جلوگيري از چرخش سگمنت كليد در مقطع تونل مي توان از دو تيپ رينگ موسوم به رينگ هاي چپ و راست استفاده نمود كه اين دو نوع رينگ مكمل يكديگر هستند. با اين آرايش در مسير مستقيم و يا در قوس ها سگمنت كليد همواره در موقعيت تاج تونل قرار مي گيرد. در اين شرايط جا زدن سگمنت كليد، بسيار آسان تر از حالتي است كه سگمنت كليد در موقعيتي غير از تاج واقع مي شود.

از معايب استفاده از اين نوع رينگ ها لزوم به كارگيري مديريت منظم و هماهنگ در حين توليد و انتقال سگمنت به داخل تونل مي باشد، زيرا در صورت ناهماهنگي و ارسال نادرست سگمنت به داخل تونل، وقفه زيادي در پيشروي تونل به وجود مي آيد.

سگمنت متوازي الاضلاع

اين طرح از سگمنت ها با استفاده از اتصالات داولي مرتبط مي شود. هنگامي كه اين اتصالات در موقعيت خود قرار مي گيرند (سطوح تماس محيطي)، سگمنت هاي بعدي بدون آنكه بتوانند در جهت هاي مخالف حركت كنند به سمت جلو هل داده مي شوند. يك حلقه از اين نوع سگمنت ها شامل قطعات استاندارد متوازي الاضلاع، يك قطعه كليد معكوس و يك قطعه كليد معمولي مي باشد. شكل 5 نمايي از پوشش داخلي تونل با سگمنت متوازي الاضلاع و تشكيل يك رينگ كامل با سگمنت متوازي الاضلاع را نشان مي دهد.

شكل 5 – الف: نمايي از پوشش داخلي تونل با سگمنت متوازي الاضلاع ب: نمايي از رينگ كامل با سگمنت متوازي الاضلاع

سگمنت ذوزنقه اي

با استفاده از اين نوع پوشش داخلي تونل امكان انجام همزمان عمليات حفاري تونل و نصب سيستم نگهداري به وجود مي آيد. نيروي جك هاي پيشرو بر روي دو حلقه سگمنتي اعمال مي شود. در حالت كلي تعداد سگمنت هاي ذوزنقه اي يك حلقه پوشش زوج مي باشد كه نصف اين سگمنت ها از نوع متقابل هستند. يعني عرض اين قطعات در سمت حلقه نصب شده قبلي بزرگتر است. نصف ديگر اين سگمنت ها از نوع سگمنت هاي كليد هستند يعني عرض آن ها در سمت حلقه نصب شده قبلي كوچكتر است. جدول 1 پوشش داخلي تونل با اشكال هندسي مختلف را با يكديگر مقايسه مي كند و جدول 2 مزايا و معايب اشكال مختلف سگمنت را نشان مي دهد.

جدول 1 – مقايسه قطعات پيش ساخته بتني با اشكال مختلف