8297
شناسه خبر: 8297
بازدید: 22

در این نوشتار به انواع ساخت های زمین شناسی ، گسل و ناپایداری تونل ها، پدیده کارستی شدن و در انتها به شیستوزیته خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

بر اثر عملکرد متقابل مواد تشکیل دهنده پوسته زمین با فرآیند تغییر شکل دهنده بیرونی و درونی، اشکال و ساخت های زمین شناسی متنوعی به وجود می آیند. یکی از هدف های اصلی زمین شناسی، شناسایی، تعبیر و تفسیر این ساخت ها در صحرا و به نقشه در آوردن آن ها است. ساختمان زمین شناسی در هر سه گروه اصلی سنگ ها، یعنی آذرین، دگرگونی و رسوبی ایجاد می شود.

ساخت های زمین شناسی متنوع موجود در سنگ ها را می توان به دو گروه عمده ساخت های اولیه که همزمان با تشکیل سنگ ایجاد شده اند و ساخت های ثانویه که نتیجه تغییرات بعدی به روی سنگ هستند، تقسیم بندی کرد. ساخت های اولیه ممکن است در هر سنگی به وجود آیند. لایه بندی و انواع ساخت های موجود در سطح و داخل لایه ها از ساخت های اولیه سنگ های رسوبی هستند. اشکالی مانند باتولیت، دایک و جریان گدازه نیز جزء ساخت های اولیه سنگ های آذرین به حساب می آیندساخت های زمین شناسی ثانویه اغلب بر اثر نیروهایی که پس از تشکیل سنگ عمل نموده اند ایجاد می شوند. مجموعه فرآیندهایی که باعث تغییر شکل فیزیکی ثانوی سنگ ها و ایجاد ساخت های مختلف در آن ها می شوند، تکتونیک نام دارد. عمده ساخت های زمین شناسی ثانویه را می توان چین خوردگی، گسل، درزه، و … نام برد.

ساخت های سنگ آذرین

توده سنگ های آذرین که از سخت و جامد شدن مواد مذاب در داخل یا سطح زمین ایجاد می شوند، اشکال بسیار متنوعی دارند. زمانی که مواد مذاب در داخل پوسته زمین جا گرفته و همان جا منجمد می شود، اشکال مختلفی را به وجود می آورد که ساخت های سنگ آذرین از انواع ساخت های زمین شناسی می نامند. این ساخت ها از نظر شرایط تشکیل و همچنین موقعیت و طرز قرار گرفتن در سنگ درون گیر انواع مختلفی دارند.

جدول 1 – ساخت های سنگ آذرین از انواع ساخت های زمین شناسی

ساخت های زمین شناسی

لایه بندی

یکی از بارزترین مشخصات سنگ های رسوبی لایه بندی و یا تشکیل آن ها از لایه های متعدد است. لایه بندی ممکن است در نتیجه تغییر در درشتی و یا نوع مواد به وجود آمده و یا در نتیجه انقطاع در امر رسوب گذاری حاصل شده باشد. تغییرات در نوع رسوبات ممکن است در نتیجه عوامل زیر حاصل شود :

  • تغییرات ناشی از جریان های آب
  • تغییرات فصلی
  • تغییرات اقلیمی
  • نوسان های سطح آب دریا
  • تغییرات بارز در نوع و تعداد موجودات

ضخامت لایه های رسوبی ممکن است از یک میلیمتر در یک شیل تا چندین متر و یا بیشتر در رسوبات آهکی و یا آواری تغییر کند. در صورتی که هیچ نوع لایه بندی مشخص در محیط وجود نداشته باشد به آن توده ای گفته می شود.

معمولاً لایه ها در زمان تشکیل به صورت افقی و تقریباً موازی با سطح محل رسوب گذاری تشکیل می شوند. اما در خیلی از نقاط سطح رسوب گذاری مسطح نبوده و زمین آن دارای پستی و بلندی و یا شیب هایی است که به ندرت حتی تا 30 درجه هم ممکن است برسد. شیب های زیاد اولیه را عموماً می توان در حوزه های کوچک و محدود مشاهده نمود.

چین خوردگی

یکی از معمول ترین پدیده های ساختاری سنگ ها، چین خوردگی است که اگر چه در سنگ های لایه ای به خوبی مشخص است، اما در حالت کلی، چین خوردگی در تمام انواع سنگ ها اتفاق می افتد. در صورتی که طبقات بیشتر از حالت ارتجاعی خود تحت فشار قرار گیرند خمش و یا موج هایی در آن ها ایجاد می شود که به آن چین خوردگی می گویند. علت چین خوردگی ممکن است تابع عوامل مختلفی مانند تزریق مواد از زیر، فشار ناشی از وزن مواد فوقانی و نیروهای تکتونیکی جهت دار باشد. ابعاد چینه ای حاصله در سنگ ها در مقیاس وسیعی متفاوت است و طول موج چین از چند سانتی متر تا چندین کیلومتر تغییر می کند. شکل 1 نمونه ای از رخنمون یک چین خوردگی در طبیعت را نشان می دهد.

رخنمون

شکل 1 – رخنمون یک چین در طبیعت (مسیر جاده تهران – چالوس)

بروز چین خوردگی در سنگ ها، سبب ایجاد تغییرات ژئومکانیکی در آن ها می شود که از جمله آن ها می توان به ایجاد درز و ترک در سنگ های مقاوم و نیز توسعه تنش های برشی در منطقه فشاری چین اشاره کرد. در مورد سنگ های چین خورده، اغلب پدیده تمرکز تنش نیز اتفاق می افتد و در مواردی که میزان این تنش ها زیاد باشد، ممکن است به هنگام حفر تونل، پدیده انفجار سنگ را در پی داشته باشد. وجود چین خوردگی در سنگ سبب کاهش مقاومت آن می شود و در اثر احداث تونل ممکن است درز و شکاف های بیشتری را در سنگ سبب شود. شکل 2 مثال هایی از تاثیر چین خوردگی را در حفر تونل نشان می دهد.

چین خوردگی شکل 2 – وجود شرایط ناپایدار در سقف و دیواره تونل به علت درز و شکاف های ناشی از چین خوردگی

گسل

گسل ها دسته ای از شکستگی ها هستند که سنگ های واقع در دو سوی آنها نسبت به هم حرکت کرده اند. مقدار این جابجایی ممکن است از چند میلی متر تا صدها متر باشد. اندازه طول گسل ها نیز بسیار متغیر و از چند سانتی متر تا هزاران کیلومتر می باشد. شکل 3 انواع گسل را نشان می دهد.

پبسنهاد مطالعه: شناخت انواع گسل با شکل و مشخصات آنها

انواع گسل

شکل 3 – انواع گسل از ساخت های زمین شناسی

وجود گسل سبب ایجاد صفحات شکستگی در سنگ می شود که پس از حفر تونل، احتمال لغزش قطعات سنگ را به دنبال دارد. در مورد مسائلی که ممکن است به هنگام حفر تونل در سنگ های گسل خورده پیش آید، به موارد زیر می توان اشاره کرد:

الف – در چندین مورد، حرکات مکرر ادواری زمین دیده شده است. اگر در منطقه فعالیت های تکتونیکی و آذرین هنوز فعال باشند، این امر اهمیت بیشتری دارد.

ب – در بسیاری موارد، گسل ها معبری برای حرکت آب های زیرزمینی هستند و در عین حال، در بعضی موارد ممکن است با جابجا کردن سنگ ها و قرار دادن سنگ های نفوذناپذیر در برابر سنگ های نفوذپذیر، مانند یک سد طبیعی مانع حرکت آب زیرزمینی شوند. حرکت آب زیرزمینی از میان بعضی از سنگ ها مانند سنگ آهک ممکن است سبب فرسایش درونی و ایجاد حفره در سنگ شود و در سنگ های دیگر، دگرسانی سنگ را به دنبال داشته باشد.

ج – لغزش سنگ ها در دو سمت صفحه گسل، سبب دگرگونی سنگ های طرفین می شود.

د – ضخامت منطقه خرد شده گسل ممکن است به ده ها متر برسد. بدیهی است این منطقه حاوی سنگ های خرد شده و به شدت ضعیف است و اگر چه در ابتدای تشکیل گسل در بین قطعات سنگ خرد شده فضای خالی وجود دارد ولی به مرور این فضای خالی با قطعات ریزتر و رسوبات پر می شود و برش گسل را تشکیل می دهد. منشاء این خرده سنگ ها ممکن است سنگ های بالا یا پایین صفحه گسل باشد.

ه – سنگ های خرد شده ناشی از حرکت و لغزش دیواره های گسل، که در امتداد صفحه گسل متمرکز هستند، معمولاً به نام گوج نامیده می شوند. در بعضی موارد این گوج ها حاوی مواد رسی هستند که در اثر جذب آب، توده خمیری شکلی را تشکیل می دهند که ممکن است به مرور زمان به سمت تونل حرکت کنند و سبب ریزش های خطرناکی در داخل تونل شوند.

در مواردی که تونل با منطقه ضخیمی از گوج گسل برخورد کند و سطح ایستابی بالاتر از تراز تونل باشد، خطر رانش این توده ها به داخل تونل وجود دارد. بدین ترتیب آگاهی از وضعیت و ضخامت گوج گسل از جمله نکات مهمی است که باید در طراحی تونل مورد توجه قرار گیرد.

و – سطوح گسل، نشانگر صفحات با اصطکاک ضعیف اند. بنابراین در امتداد این صفحات، احتمال لغزش سنگ ها به داخل تونل وجود دارد.

ز – گسل و شکستگی های همراه آن معبر مناسبی برای نفوذ آب زیرزمینی به اعماق و به داخل سنگ های طرفین گسل هستند. این امر سبب دگرسانی و هوازدگی سنگ ها و در نتیجه کاهش مقاومت آن ها تا عمق قابل توجهی نسبت به سطح زمین می شود.

ح – وضعیت نسبی امتداد گسل و تونل نیز از جمله مسائل مهمی است که در طراحی تونل باید مدنظر قرار گیرد زیرا طولی از تونل که در معرض گسل و تبعات آن قرار می گیرد، تابع این وضعیت نسبی است. شکل 4 مثال هایی از نقش گسل در ناپایداری تونل ها را نشان می دهد.

نقش گسل در ناپایداری تونل

شکل 4 – مثال هایی از نقش گسل در ناپایداری تونل ها

درزه

درزه ها نوعی از شکستگی ها هستند که در امتداد آن ها هیچ گونه جابجایی صورت نگرفته است. درزه ها معمولاً به صورت دسته های موازی هم، در سنگ ها دیده می شوند و از انواع ساخت های زمین شناسی به حساب می آیند. معمولاً در بین دسته درزه ها، دو دسته از آن ها از نظر فراوانی مهم تر هستند که این دو دسته درزه تقریباً بر هم عمود هستند. بعضی از محققین اعتقاد دارند که در سنگ های آذرین درشت دانه، خصوصاً گرانیت، معمولاً سه دسته درزه مشخص دیده می شود که در اثر آن ها، سنگ به قطعه های منشوری شکل تقسیم می شود. در مورد سنگ های رسوبی نیز در اکثر موارد سه دسته درزه وجود دارد که یکی از آنها به موازات لایه بندی است، حال آنکه دو دسته دیگر تقریباً به حالت عمود بر سطح لایه بندی قرار دارند. شکل 5 نمونه هایی از گسل و درزه در طبیعت را نشان می دهد.

برشی عرضی از گسل

شکل 5 – برش عرضی از گسل در مجاورت تونل کندوان – درزه ای با پرشدگی

فاصله درزه ها در سنگ آهک و ماسه سنگ بعضاً چند متر و در مورد شیل ها، این فاصله کمتر است. در مورد سنگ های دگرگونی نیز معمولاً دو یا چند دسته درزه دیده می شود که یکی از آن ها به موازات سطح تورق سنگ است. معمولاً با افزایش عمق سنگ فاصله درزه ها افزایش و عرض آن ها کاهش می یابد. از آنجا که درزه ها نیز مانند گسل ها و چین خوردگی ها، حاصل تاثیر عوامل تکتونیکی موثر بر سنگ هستند، لذا همیشه بین این ساختارها، رابطه ای وجود دارد. بدین ترتیب در حوالی محور چین خوردگی ها و سطح گسل ها، درزه های فراوانی را باید انتظار داشت. البته در بعضی موارد دسته درزه هایی بدون ارتباط با سایر ساختارهای تکتونیکی دیده می شود که منشاء آن ها را باید جدا از منشاء ساختارهای تکتونیکی یاد شده، جستجو کرد.

باید توجه داشت که وضعیت درزه ها در سطح سنگ ها با آنچه که به هنگام حفر تونل دیده می شود، متفاوت است. زیرا بسیاری از عوامل هوازدگی در گسترش درزه های سطحی سنگ دخیل هستند و از آنجا که عمق نفوذ عوامل هوازدگی محدود است، لذا در حالت کلی در محور تونل، بجز در حوالی دهانه تونل اثر نمی کنند. شکل 6 مثال هایی از تاثیر درزه در پایداری تونل را نشان می دهند.

تاثیر درزه در پایداری تونل

شکل 6 – مثال هایی از تاثیر درزه در پایداری تونل

به طور کلی می توان گفت که وجود درزه، سبب ضعیف شدن توده سنگ می شود و بنابراین زمان پایداری سنگ را تغییر می دهد. درزه ها، مدل شکستگی سنگ ها را هم تغییر می دهند و در خطرات ریزش سنگ به هنگام حفر تونل نیز تاثیر می گذارند. بدین ترتیب به هنگام طراحی سیستم حفاری و نگهداری تونل، حتماً باید وضعیت سیستم درزه های سنگ را مدنظر قرار داد.

زمین آماس پذیر

آماس کف تونل یکی از پدیده های عادی تونل سازی در زمین های آماس پذیر، به ویژه در سنگ های رسوبی ضعیف است که از انواع ساخت های زمین شناسی به حساب می آید. منظور از زمین آماس پذیر، خاک ها و مواد سنگی سست و شکل پذیری است که در اثر آب و در نتیجه تاثیر نیروی وزن به سمت تونل رانده می شوند و وضعیت تنش در اطراف تونل را به هم می زنند. در شکل 7 مثال هایی از مسائل مربوط به زمین های تورم پذیر در ارتباط با حفر تونل نشان داده شده است.

زمین اماس پذیر

شکل 7 – تاثیر زمین آماس پذیر ( از ساخت های زمین شناسی ) بر روی پایداری تونل

از کانی های رسی به عنوان عوامل آماس نام می برند. آب در سطح خارجی کانی های رسی جذب می شود و در سطح داخلی کانی های رسی لایه های متورم شونده قرار گرفته اند. فشار تورم بستگی به فاصله بین ذره ای داشته و همچنین تابعی از فاصله میان توده های ما بین لایه های متورم شونده می باشد. عمده کانی های رسی شامل کائولینیت، مونت موریلونیت و ایلیت می باشند. سنگ هایی از قبیل گوج گسل، لای سنگ، سنگ رس و سنگ های دگرسان شده آذر آواری و نیز سنگ های میکادار معمولاً خاصیت آماس پذیری دارند.

زمین های مچاله شونده

در ابتدا به دلیل اینکه در هر دو سنگ آماس پذیر و مچاله شونده تغییر شکل های بزرگی ایجاد می شد، تفاوت زیادی بین این دو نوع سنگ قائل نشده و این دو نوع سنگ در یک گروه قرار می گرفتند. اولین تعریف علمی برای سنگ های مچاله شونده توسط ترزاقی ارائه شد. طبق تعریف وی سنگ هایی که بدون افزایش حجم محسوس به آرامی به درون تونل پیشروی کنند مچاله شونده می باشند. طبق تعریف انجمن بین المللی مکانیک سنگ، آن دسته از سنگ ها که برش وابسته به زمان سنگ، سبب حرکت پیرامون تونل به سمت داخل شود مچاله شونده هستند.

زمین های رانشی

در مواردی که احتمال جریان آزاد مواد خاکی به داخل تونل وجود داشته باشد، به منظور مقابله با آن باید تمهیدات ویژه ای را برای حفاری و پوشش نگهداری تونل در نظر گرفت. اگرچه در مناطق گرم و خشک، به ویژه وقتی که تونل در مواد سست و نامتراکمی حفر می شود که در نزدیکی سطح زمین قرار دارند، احتمال فروکش مواد به صورت خشک وجود دارد، اما در حالت کلی مواد رانشی حاوی مقدار قابل توجهی آب و به حالت اشباع هستند. شکل 8 مثالی از فروکش مواد به داخل تونل را نشان می دهد. به طوری که دیده می شود، تونل در رسوبات یک رودخانه قدیمی مرکب از مواد نامتراکم مثل شن و ماسه حفر شده است. معمولاً فروکش این مواد وقتی اتفاق می افتد که به حالت اشباع باشند. فروکش مواد ممکن است پس از حفر تونل نیز اتفاق افتد. در چنین مواردی در اثر تداوم ریزش ها، حفرات بزرگی ایجاد می شود که امکان دارد آب به داخل آن راه یابد و سفره آب زیرزمینی تشکیل شود. مراحل مختلف چنین اتفاقی در شکل 9 نشان داده شده است. شکل های 10 و 11 نمونه های عینی از فروکش زمین به داخل تونل را نشان می دهد.

فروکش مواد نامتراکم

شکل 8 – فروکش مواد نامتراکم به داخل تونل به هنگام برخورد تونل با رسوبات رودخانه ای قدیمی

 

فروکش مواد سست

شکل 9 – فروکش های متوالی مواد سست

فروکش مواد به داخل تونل

شکل 10 – نمایی از فروکش مواد به داخل تونل

نمای فروکش مواد به تونل

شکل 11 – دو نما از فروکش مواد به داخل تونل

کارستی شدن

پدیده کارستی شدن در نتیجه انحلال سنگ در آب زیرزمینی به وجود می آید و از انواع ساخت های زمین شناسی به حساب می آید (نام کارست از منطقه ای در کشور یوگسلاوی سابق گرفته شده که در آنجا بخش های نزدیک به سطح زمین عمدتاً از سنگ آهک حفره دار و غاردار درست شده است). این پدیده در سنگ های آهکی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است هر چند که در بعضی از سایر سنگ ها از جمله دولومیت، ژیپس و حتی مارن هم می توان چنین پدیده ای را کم و بیش مشاهده نمود. ایجاد حفرات کارستی که گاه به ابعاد چند ده متری و در مواردی چند صد کیلومتری (همانند غار شاپور و یا غار علی صدر) می رسد، در آهک ها به کرات مشاهده شده و گزارش گردیده است. لذا در صورتی که حفرات کارستی حاوی آب باشند ممکن است مقادیر بسیار زیادی آب زیرزمینی را به سمت تونل هدایت نمایند. در صورت برخورد به چنین حفراتی در حین حفاری تونل، خطرات زیادی متوجه افراد، تجهیزات و روند حفاری می گردد. توپوگرافی نواحی کارستی دارای بریدگی ها، شیارها و حفره هایی است که در اثر ریزش سقف غارها و حفرات زیرزمینی ایجاد شده است. ویژگی های دیگر این مناطق عبارتند از: محو ناگهانی یک رودخانه، وجود چشمه های پرآب که در واقع محل خروج مجدد رودهای زیرزمینی است، وجود دهانه هایی در سطح زمین که با بالا آمدن سطح آب زیرزمینی به صورت چشمه و با پایین رفتن آب به صورت دهانه مکنده عمل می کنند.

شیستوزیته

از دیگر انواع ساخت های زمین شناسی می توان به پدیده شیستوزیته اشاره کرد. به طور معمول سنگ های حاوی رس در طی فرآیندهای تکتونیکی دچار پدیده شیستوزیته (تورق) می گردند. این پدیده موجب خردشدگی توده سنگ می گردد، به گونه ای که سنگ به راحتی در امتداد صفحات این ورقات جدا می شود. بدیهی است که تورق موجب کاهش مقاومت و افزایش ضریب نفوذپذیری توده سنگ می شود. شکل 12 نمونه هایی از شیستوزیته را نشان می دهد.

شیستوزیته

شکل 12 – دو نمونه از پدیده شیستوزیته از ساخت های زمین شناسی

منبع: راهنمای طراحی و اجرای پوشش داخلی تونل های راه و راه آهن – ضابطه 684

نویسنده

مجید غواصیه
فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی عمران از دانشگاه شیراز هستم. موضوعات مورد علاقه من راه سازی، حمل و نقل، مهندسی ترافیک و مسائل مربوط به محیط زیست می باشد.

مشاوره از طریق واتساپ