پروژه فرایند گزینش ماشین حفاری مناسب جهت تونل سازی

مهندسی معدن- استخراج معدنچکیده:

در سالهای اخیر فضاهای زیرزمینی مخصوصاً حفر تونل در کشورمان اهمیت زیادی پیدا نموده چرا که مسئله آب به صورت یک مشکل اساسی در کشورهای خشک و کم آب مطرح می باشد، به طوریکه بعضی از تحلیل گران، جنگهای آینده را جنگ بر سر آب می دانند، به همین خاطر در کشور ما نیز، مهار آبهای سطحی سر لوحه برنامه های سازندگی قرار گرفته است. لذا تونلهای انحراف و انتقال آب بسیاری در حال انجام گرفتن است و یا در برنامه های درازمدت دولت قرار دارند.

از طرف دیگر توسعه راههای کشور (چه اتوبانهای داخل شهری و چه جاده های خارج از شهر) باعث افزایش روزافزون تونلزنی در سالهای اخیر گردیده و روش حفر مکانیزه تونیل بعنوان یکی از روشهای سریع و رایج در دنیا حائز اهمیت می باشد.

اما انتخاب غلط دستگاهها در بعضی از پروژه های موجود، گواه این مطلب است که نه تنها هیچ پارامتر کمی و کیفی درباره مشخصات این دستگاهها، اعم از نیروی لازم و توان موردنظر و ... وجود ندارد تا کارفرما بتواند براساس آن طرح موردنظر را ارزیابی کند، بلکه حتی شناخت کافی نیز از انواع دستگاهها و محدوده کاری و نحوه عملکرد آنها دردست نمی باشد.

در فصل اول به معرفی و جایگاه این صنعت، مقایسه این روش با دیگر روشها، تقسیم بندی دستگاهها از دیدگاههای مختلف و معرفی دستگاههای مهم روش حفر مکانیزه پرداخته شده است.

در فصل دوم نحوه انتخاب دستگاهها و محدوده کاری آنها و خلاصه ای راجع به چگونگی تهیه پارامترهای با ارزش بحث گردیده است.

در فصل سوم علاوه بر آشنایی پارامترهای مهم و اصلی دستگاه، نحوه بدست آوردن آنها بصورت بسیار ساده بیان شده است که مشخص کردن این پارامترها دیگر مشخصات و تجهیزات دستگاه را تعیین می کند.

در فصل چهارم آزمایشهای مختلفی که در محل و یا در آزمایشگاه باید انجام گیرد تا مشخصات و پارامترهای مختلف زمین و دستگاه قابل محاسبه باشند از منابع مختلف جمع آوری شده اند.

و در فصل آخر یک پروژه در حال کار (تونل امامزاده هاشم) به عنوان طویل ترین تونل راه کشور ارائه گردیده است. کارفرمای این طرح وزارت راه و ترابری، مشاور شرکت ایران استن و پیمانکار موسسه حرا می باشد و در پایان روش اجرایی تونل امامزاده هاشم و مشکلات ناشی از حفر تونل در زمین های سست و ریزش آن ارائه گردیده است.

چکیده:

1- اشاره به موضوع پروژه و اهمیت و ضرورت بررسی آن

2- اشاره به روش تحقیق (از محتوای پرونده فوق روش جمع آوری مطالب و مطالعه میدانی بوده است)

3- اشاره به فصول پروژه که در بخش چه موضوعی بررسی می گردد

4- اشاره به نتایج و دستاوردهای تحقیق

فصل اول

مقدمه:

در چندسال اخیر ایجاد فضاهای زیرزمینی رشد فزاینده ای داشته است. اگر قبلاً این فضاها فقط برای مقاصد خاصی مانند معدنکاری و یا حمل و نقل در محل های صعب العبور و کوهستانی استفاده می گردید، اما امروزه به علت زندگی شهری و توسعه شهرنشینی، مشکلات تراکم و کمبود فضاهای سطحی، ایجاد سازه های زیرزمینی از توجه خاصی برخوردار شده است و کاربرد این سازه ها را در زمینه های مختلف گسترش داده است. تنوع کاربری و الزامات موجود، موجبات گسترش و رشد صنعت تونلسازی و احداث سازه های زیرزمینی را فراهم آورده است.

1-1- دسته بندی فضاهای زیرزمینی:

امروزه فضاهای زیرزمینی جهت حل مشکل حمل و نقل جاده ای بیرون و درون شهری انتقال آب، خدمات آب رسانی همگانی، ایجاد مراکز صنعتی مانند نیروگاهها، انبارها و پناهگاهها، سیستم فاضلاب، مترو، معدنکاری و موارد بیشمار دیگر، مورد استفاده قرار می گیرند.

این فضاها برحسب شیب، سطح مقطع و طول به سه دسته کلی تونلها[1]، چاهها[2] و مغارها[3] تقسیم می شوند. در جدول شماره 1-1- دسته بندی صورت گرفته برای سه نوع فضاهای ذکرشده بر مبناهای مختلف آورده شده است.

- مطالعات و طراحی:

تونل: یک گذرگاه زیرزمینی باریک، دراز و افقی و یا نزدیک به افقی است که از ابتدا و انتهای آن به هوای آزاد راه دارد و برای انتقال آب، فاضلاب، عبور قطار، رفت و آمد وسائل نقلیه و تأسیسات زیرزمینی مختلف و معدن بکار می رود.

ایجاد یک تونل طی دو مرحله اصلی یعنی طراحی و احداث صورت می گیرد. طراحی به عمل تصورکردن و طرح ریزی ترکیب اصلی و پارامترهای ارزشمند یک سیستم، نقشه، عملیات و یا کار هنری گفته می شود که لازمه آن به ویژه در مورد تونل جمع آوری اطلاعات مربوط به زمین است. این اطلاعات به سه دسته عمده تقسیم می شوند:

1- اطلاعات فیزیکی و مکانیکی مانند: مقاومت فشاری سنگ، قابلیت حفاری و غیره.

2- اطلاعات زمین شناسی مانند: جنس سنگها، ژنز آنها، گسلها و غیره

3- اطلاعات آب مانند: سطح ایستایی، ضریب نفوذناپذیری و غیره

مرحله بعد از طراحی که به مدد اطلاعات مربوط به زمین صورت می گیرد. احداث تونل می باشد. برای آنکه تونلی احداث گردد ابتدا باید حفر و سپس نگهداری شود که نگهداری بطور دائم یا موقت میباشد.

حفر: مجموعه عملیاتی است که منجر به ایجاد یک حفره در زمین می شود. این عملیات و یا به عبارت دیگر عملیات واحد شامل عملیات تولیدی و عملیات جانبی یا کمکی می باشد.

عملیات جانبی: آن عملیاتهایی هستند که خود مستقیماً در ایجاد تونل نقشی ندارند، اما برای تداوم کار لازمند و در حقیقت به عملیات تولیدی، خدمات رسانی می کنند. مانند تهویه، آبکشی، روشنایی و حتی بعضی، نگهداری را نیز جزء این بخش می دانند.

عملیات تولیدی: مستقیماً با حفر تونل در ارتباط هستند برای این کار باید ابتدا سنگ شکسته شود[4] و یا خاک کنده شود[5] و سپس مواد به محلی مناسب منتقل گردند.[6]

برای شکستن سنگ و یا کندن خاک احتیاج است که ابتدا در آنها نفوذ شود[7] و سپس خاک کنده و سنگ خرد گردد.[8] نفوذ در سنگ به طرق مختلف میسر است به صورت مکانیکی مانند: حفاری و یا استفاده از ابزار برنده به صورت حرارتی، صوتی، جت آب و ... و برای خردکردن سنگها نیز از انواع مختلف انرژی استفاده می شود، از جمله از انرژی شیمیایی مانند انفجار، انرژی مکانیکی مانند باVس و گوه و یا سرمته ها.

کندن خاک نیز به شیوه های مختلف صورت می گیرد، از جمله روشهای هیدرولیکی مانند استخراج محلولی[9] و یا روشهای مکانیکی مانند سرمته های چنگکی یا ناخنی[10].

گام بعدی انتقال مواد کنده شده است تا ادامه عملیات امکان پذیر باشد، برای این منظور مواد کنده شده بارگیری می شوند[11] و سپس جابه جا می گردند.[12]

1-2-1- عملیات پیوسته:

با پیشرفت و ترقی جامعه بشری و رشد روزافزون این صنعت و با توجه به طولانی بودن چرخه عملیات در روشهای غیرپیوسته مانند چالزنی، آتشباری، بارگیری و باربری احتیاج به شیوه هایی بود که از سرعت بیشتری برخوردار باشند و در نتیجه روشهای پیوسته حفر مورد توجه قرار گرفتند و به سرعت پیشرفت کرد تا جایی که پیشرفت دستگاههای تونلزنی حفاظ دار امکان احداث تونل را در اعماق زمین، در سطوح نزدیک به زمین در نقاط کم استحکام زمین و حتی در زیر دریاها به وجود آورده است. استفاده از این دستگاهها در همه نقاط با کمترین استحکام و بیشترین فشارهای سطح زمین از قبیل بسترهای پست خاکی که نرم و روان هستند نیز امکان پذیر است.

البته تونلزنی با دستگاههای مکانیزه نباید و نمی تواند به طور کامل جایگزین سایر روشهای حفر تونل شود ولی از نظر فنی و اقتصادی در جایگاههایی که روشهای دیگر کاربرد ندارند و یا مسافت حفاری شده زیاد باشد. با سرعت پیشروی بالا مدنظر می باشد و یا اگر محدودیتهای سخت زیست محیطی در سطح زمین حاکم باشد، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

مهمترین مزایا و معایب استفاده از این گونه دستگاهها چنین است:

مزایا:

سرعت پیشروی بالا و مکانیزه بودن روش حفاری

اجرای دقیق حفر تونل به لحاظ یکنواختی سطح مقطع و عدم انحراف از مسیر مشخص شده

حداقل تأثیرات منفی بر روی زندگی در سطح زمین

ایمنی بالا در حین حفاری.

روشهای ساختمانی هماهنگ با شرایط محیط.

کیفیت بالا و امکان تحکیم اقتصادی تونل.

معایب:

دوره نسبتاً طولانی طراحی، ساخت و نصب دستگاه

اقتصادی نبودن برای حفر تونل های کوتاه

خطر عملکرد نامناسب هنگام تغییرات ناگهانی و پیش بینی نشده ساختار ترکیب زمین.

چنانچه قرار باشد از این گونه دستگاهها بطور موفقیت آمیز استفاده شود، طراحی دقیق دستگاه روش تحکیم مناسب و پشتیبانی دقیق لازم است. تجربه و دانش فنی از پیش نیازهای اصلی یک طرح اقتصادی و منطقی از نظر فنی می باشد.

1-3- ملاحظات طراحی:

جدول 1-2 ملاحظات طراحی برای انتخاب روش احداث تونل برای روش چالزنی و آتشباری، TBMها و ماشین حفار بازوئی را به طور مقایسه ای مطرح نموده است.

[1] - tunnel

[2] - shaft

[3] - Covern

[4] - Rock Breaking

[5] - Soil Digging

[6] - Material Handing

[7] - Rock or Soil Penetration

[8] - Rock Fragmentation

[9] - Solution Mining

[10] - Drag Bit

[11] - Loading

[12] - Howlage or Hoisting