تعریف تونل:

تونل راهرو زیرزمینی افقی یا تقریباً افقی که از هر دو طرف به هوای آزاد مرتبط است.

مراحل تونل سازی

الف) تهیه طرح تونل

ب) نقشه برداری مسیر و تحقیقات مهندسی

ج) حفر تونل

د) نگهداری موقت تونل

طبقه بندی تونلها:

به طور کلی تونلها را می توان به سه دسته تونلهای حمل و نقل، تونلهای صنعتی و تونلهای معدنی تقسیم کرد.
تونلهای حمل و نقل: این تونلها به قصد رفت و آمد افراد و حمل مواد احداث شده و خود به گروههای زیر تقسیم می شوند:

الف) تونلهای راه آهن

ب) تونلهای راه

ج) تونلهای پیاده رو

د) تونلهای ناوبری

هـ) تونلهای مترو

تونلهای صنعتی:

این تونلها به منظور انتقال مواد و تاسیسات احداث می شوند و گروه تونلهای زیر را دربرمی گیرند:

الف) تونلهای مربوط به نیروگاههای آبی

ب) تونلهای انتقال آب

ج) تونلهای استفاده همگانی و پناهگاهها

د) تونلهای فاضلاب

هـ) تونلهای طرحهای صنعتی

و) انباری های نظامی

ذ) تونلهای دفن زباله های اتمی

تونلهای معدنی:

این تونلها که به منظور احداث شبکه معادن حفر می شوند، شامل تونلهای زیرهستند:

الف) تونلهای گشایشی معدن

ب) تونلهای اکتشافی

ج) تونلهای استخراجی (مثل راهروهای معدنی، گالریها)

د)تونلهای خدماتی

هـ) تونلهای زهکشی

تونلهای حمل و نقل به عنوان یک سازه دائمی و برای استفاده طولانی مدت طراحی می شوند و سیستم نگهداری آنها بطور اصلوی با تونلهای معادن متفاوت است.
از جمله اختلافات دیگر تونلهای معدنی و حمل و نقل، ابعاد آنهاست. تونلهای معدنی ابعاد محدودی دارند، حال آنکه تونلهای حمل و نقل به مراتب ابعاد بزرگتری دارند.
قبل از حفر و احداث تونل، بایستی منطقه موردنظر را مطالعه کرد و مناسب ترین مسیر تونل را برگزید و آنگاه مسیر را مطالعه کرد. واضح است که این مطالعات زمان بر و هزینه بر است، اما بدون انجام آن ممکن است اشکالات اساسی در ضمن احداث تونل بروز کند.

به طور کلی مطالعات مسیریابی را می توان به شرح زیر رده بندی کرد:

الف) جمع آوری اطلاعات منطقه

ب) بررسی عکسهای هوایی و نقشه های توپوگرافی منطقه

ج) مطالعات زمین شناسی سطحی

د) مطالعات ژئوفیزیکی

ل) حفر گمانه های اکتشافی

ن) مطالعات آب شناسی

ی) حفر گالریهای اکتشافی

و) آزمایشات برجا

ه) بررسیهای آزمایشگاهی

از دیدگاه مهندسی، خاک یا سنگی که مسیر تونل از آنها می گذرد، در واقع نوعی مصالح ساختمانی به شمار می رود و بنابراین برای آ“که بتوان شیوه حفر و نگهداری مناسب را برگزید، ابتدا باید ویژگی های مهندسی ژنها را به خوبی شناسایی کرد.

با توجه به این واقعیت که در واقع زمین محل، مصالح سازنده فضای زیرزمینی را تشکیل می دهد، نه پوششهای موقت و یا دائمی به هنگام طراحی تونل ها باید نکات زیر را مدنظر قرار داد:

الف) مطالعه دقیق وضعیت زمین شناسی و ژئوتکنیکی محل

ب) تطبیق هر چه بیشتر طرح و اجرای آن با شرایط طبیعی زمین

ج) حداقل دستکاری در وضعیت طبیعی زمین

د) ثبت دائمی حرکات زمین در اطراف فضای ایجاد شده

قبل از هرگونه عملیات تحقیقاتی در مورد منطقه، ابتدا باید اطلاعات موجود را جمع آوری کرد. بدین منظور بایستی با مراجعه به سازمان ها و موسساتی که احتمال دارد در منطقه کارکرده باشند، اطلاعات احتمالی را به دست آورد. این اطلاعات شامل موارد زیر است:

الف) نقشه توپوگرافی منطقه که معمولاً از طریق سازمان نقشه برداری کشور و یا سازمان جغرافیایی ارتش تهیه می شود

ب) نقشه زمین شناسی منطقه که برای تهیه آن باید به سازمان زمین شناسی کشور مراجعه کرد

ج) عکسهای هوایی منطقه که برای تهیه آن باید به سازمان جغرافیایی ارتش مراجعه کرد

د) مراجعه به بانکهای اطلاعاتی برای تهیه تحقیقات احتمالی که در مورد منطقه انجام گرفته است

ارزیابی ساختمان تونل: براساس مطالعاتی که درباره ساختگاه تونل انجام می گیرد، می توان محدوده را از نظر ژئوتکنیکی ارزیابی کرد. اصولاً بسته به واکنش زمین نسبت به ایجاد تونل (یا هر فضای زیرزمینی دیگر) آن را به دو گروه کلی با شرایط مناسب و نامناسب تقسیم بندی می کنند. اگر شرایط زمین مناسب باشد، در زمینه حفر تونل مشکلی پیش نمی آید، حال آنکه در مورد زمینهای نامناسب ممکن است احداث تونل با خطراتی توام باشد و یا موجب توقف، تاخیر و افزایش غیرعادی هزینه ها بشود.

در چنین شرایطی قبل از شروع حفاری تونل، باید زمین را بهسازی کرد. عوامل اصلی تعیین کننده شرایط زمین عبارتند از:

الف) مشخصات سنگ

ب) خاک

ج) آب زیرزمینی

د) سایر عوامل

پیش بینی نشت زمین:

در اثر احداث تونل، وضعیت تنشهای موثر بر زمین تغییر می کند که تغییر شکلهایی را به دنبال دارد. اگر برای مهار این تغییر شکلها تدبیری اتخاذ نشود، امکان دارد که تاج تونل نشت کند و تاثیر آن به سطح زمین برسد و سرانجام باعث نشت ساختمانها و تاسیسات واقع در بالای تونل بشود. یکی از عوامل دیگر که در نشت زمین موثر است، زهکشی آب زیرزمینی منطقه به وسیله تونل و در نتیجه پایین رفتن سطح ایستابی است.
با توجه به اهمیت پدیده نشت زمین باید روشهایی را برای حفر و نگهداری تونلها برگزید که نشت به حداقل ممکن برسد.
در بعضی موارد طراحی و اجرای سیستم نگهداری مناسب، مانع از نشت موثر زمین یم شود و گاه نیز لازم است زمین بهسازی یا تقویت شود. میزان نشت به شرایط زمین شناختی، ابعاد تونل و روش حفاری و نگهداری بستگی دارد.

پدیده نشت معمولاً در مورد تونلسازی در زمین های خاکی مهمتر از زمینهای سنگی است، اما در پاره ای موارد اجرای نامناسب حفاری و نگهداری تونل در زمینهای سنگینی نیز پدیده نشست را به دنبال داشته است.
شکل و ابعاد مقطع تونل:
انتخاب شکل و ابعاد مقطع تونل تابع هدف احداث تونل، سیستم حفر تونل،‌ شیوه بارگیری و روش نگهداری دایمی آن است. در مواردی که استفاده از شکلهای مختلف امکان پذیر باشد، باید شکلی را انتخاب کرد که هزینه های کلی احداث تونل به حداقل ممکن برسد.

تونلهای مترو:

ابعاد تونلهای مترو نیز تابع نوع قطارها و سرعت آنها است.

امتداد تونلها:

حداقل شعاع انحنای تونلهای مترو نیز تابع سرعت ماکزیمم پیش بینی شده برای قطارها است. به عنوان مثال، حداقل شعاع انحنای تونلهای مترو شهر نیویورک واقع در ایالات متحده آمریکا، ۱۰۷ متر در نظر گرفته شده، حال آنکه این عدد در مورد مترو شهر سانفرانسیسکو همین کشور، حداقل ۱۱۰۰ متر است.

شیب تونلها:
حداقل شیب مجاز تونلهای مترو در طول مسیر ۳ درصد و در ایستگاهها ۱ درصد و حداقل آن ۵/۰ درصد می باشد.

وضعیت سنگ شناسی محدوده تونل:

ساختگاه تونل ممکن است حاوی سنگهای آذرین، رسوبی،‌ دگرگونی و یا مخلوط آنها باشد. هر یک از این سنگها از نظر حفر و نگهداری تونل، وضعیت های مختلفی دارند.

الف) سنگهای آذرین،‌ مقاومت فشارشی بالایی دارند و به همان نسبت حفاری آنها مشکل است، اما به علت مقاومت خوبی که دارند، در بسیاری موارد «خودنگهدار» هستند و نیازی به نصب سیستم نگهداری در آنها نیست.

ب) سنگهای رسوبی در حالت کلی ضعیف تر از سنگهای آذرین اند و بنابراین برای حفر تونل در بسیاری از این سنگها، می توان از ماشین های تونل کنی استفاده کرد. در عین حال، در بسیاری موارد، تونلهایی که در این سنگها حفر می شوند، به سیستم نگهداری نیاز دارند.
ج) از جمله مشخصات مهم سنگهای دگرگونی، وجود تورق در آنها است که از جمله صفحات ضعیف این سنگها به شمار می آیند. البته بعضی از سنگهای دگرگونی، فاقد این ساخت اند.

در مورد تمام سنگها، مسئله هوازدگی از جمله مسائل مهم تونلسازی است زیرا به شدت مقاومت سنگها را کاهش می دهد و ممکن است تا عمق زیادی بر سنگها اثر کند.
عواملی همچون وضعیت جوی و توپوگرافی منطقه و عوامل فرسایش و البته نوع سنگها در عمق هوازدگی سنگها موثرند.

تجهیز کارگاه:

قبل از آغاز عملیات حفر تونل، مقدمات کار باید فراهم شود. فراهم کردن مقدمات امر معمولا تحت عنوان تجهیز کارگاه نامیده می شود.

احداث جاده دسترسی:

در بعضی موارد، جاده دسترسی به محل دهانه تونل یا چاهی که حفر تونل از طریق آن انجام می گیرد، از قبل احداث شده است به عنوان مثال در مورد بسیاری از تونلهای راه وضعیت این چنین است.

احداث ایستگاههای نقشه برداری:

به منظور کنترل مسیر تونل حداقل باید دو ایستگاه نقشه برداری در محوطه جلو تونل احداث شود که خط واصل این دو ایستگاه از امتداد محور تونل باشد.

احداث اطاقک نگهبانی دهانه تونل:

به منظور کنترل رفت و آمد افراد و تجهیزات به داخل تونل، احداث اطاقک نگهبانی ضروری است، این امر نه تنها از نظر مسائل مادی اهمیت دارد بلکه ضرورت اصلی آن توجه به مسائل ایمنی است.

احداث تاسیسات صنعتی مورد نیاز : مهمترین تاسیسات صنعتی موردنیاز حفر تونل عبارتند از:

الف) کمپرسور

ب) نیروگاه برق

ج) چراغ خانه

د) مخزن آب

الف) کمپرسور خانه: ابعاد و مشخصات کمپرسور خانه به تعداد کمپرسورهای موردنیاز بستگی دارد. معمولاً در ابتدای شروع کار یک کمپرسور سیار کافی است و به مرور و با افزایش طول تونل، ممکن است تعداد زیادتری کمپرسور موردنیاز باشد.
ب) نیروگاه برق: برای تامین روشناسی و سایر موارد، وجود مولد برق ضروری است. بدیهی است ابعاد و مشخصات این نیروگاه تابع مولد برق موردنیاز است.
ج) چراغ خانه: برای هر یک از کارکنانی که در داخل تونل کار می کنند، یک چراغ انفرادی موردنیاز است که فقط قادر است ۸ ساعت کار کند و در بقیه مدت شبانه روز، باید تحت شارژ قرار گیرد.
د) مخزن آب: برای مصارف صنعتی و بهداشتی، وجود مخزن آب در محوطه تاسیسات تونل ضروری است، حجم مخزن به میزان مصارف آب وابسته است و برای تامین آب در صورت امکان می توان از آبهای موجود در حوالی دهانه تونل استفاده کرد و یا آب موردنیاز را به وسیله تانکر حمل کرد.

احداث تاسیسات اداری و رفاهی:

این تاسیسات شامل دفتر، محل غذاخوری، انبار، محل خواب، حمام و اطاق کمکهای اولیه است.

قبل از آغاز حفر تونل، برای تعیین موقعیت دقیق دهانه و مسیر و نیز مشخص کردن محل تاسیسات باید محوطه جلو تونل به طور مقدماتی نقشه برداری شود. نقشه برداری مقدماتی براساس ایستگاهها و نقشه های موجود، انجام می گیرد. البته در صورت لزوم، تعدادی ایستگاه نقشه برداری جدید احداث می شود.
پس از آغاز عملیات حفاری، مسیر پیشروی تونل و نیز چگونگی نصب سیستم نگهداری آن کنترل می شود.

کنترل مسیر:

یکی از نکات مهم در کنترل مسیر تونل، اختلاف محور ونل و محور خط آهن در مورد تونلهای مترو است. گرچه در بسیاری موارد در بخشهای مستقیم تونل این دو محور برهم منطبق اند، اما به علت فاصهل آزاد لازم در طرفین خط، در قسمتهای منحنی این دو از یکدیگر فاصله می گیرند. در این گونه موارد، باید محور تونل را برای کنترل مسیر تونل در نظر گرفت.

کنترل قطعات سیستم نگهداری:

برای نگهداری تونل از قطعه های فلزی یا بتنی پیش ساخته که مجموعاً محیط تونل را پوشش می دهند، استفاده می شوند. در قسمتهای مستقیم تونل، حلقه ها به طور مستقیم و چسبیده به هم به کار می روند اما در مواردی که مسیر تونل در امتداد محور افقی یا قائم به حالت منحنی در می آید، از حلقه های تبدیلی استفاده می شود تا مسیر تونل تغییر یابد.

معمولاً پیمانکار تونل، تمایل دارد که قبل از آغاز کار، تعداد حلقه های استاندارد و تبدیلی موردنیاز در کل تونل را بداند. بدین منظور، با معلوم بودن مسیر تونل و مشخص کردن قسمتهایی که باید قطعات استاندارد و تبدیلی به کار رود، می توان یک ایده کلی در این مورد به دست آورد.

توجیه امتداد محور تونل

حالتی که تونل از دو دهانه حفر می شود:
در مواردی که تونل از طریق یک یا دو دهانه حفر می شود، وجود دو ایستگاه نقشه برداری که در هر دهانه، که هر دو دوی امتداد محور تونل قرار گرفته باشند، کافی است. زیرا به کمک آنها می توان، محور کاری را به داخل تونل منتقل کرد.

حالتی که تونل از طریق چاه حفر می شود:
در بعضی موارد، با حفر یک چاه در میانه محور تونل و دستیابی به محور تونل حفاری تونل را در دو جهت مخالف آغاز می کنند. در چنین مواردی ید محور کاری که در نقشه و در سطح زمین مشخص است، به داخل جبهه کارهای تونل منتقل شود. بدین منظور روشهای مختلفی وجود دارد که از جمله متداول ترین آنها، استفاده از سه شاغول است.

احداث ایستگاههای نقشه برداری در تونل:
برای برداشت و کنترل تونل، ابتدا باید تعدادی ایستگاه نقشه برداری در امتداد محور تونل احداث کرد. پس از احداث این ایستگاهها، معمولاً مختصات آنها را به سه روش پیمایش تعیین می کنند
ایستگاههای نقشه برداری به فواصل مناسب در طول تونل انتخاب می شوند. علاوه بر این نقاط عادی، هر کجا که تغییری در امتداد یا شیب تونل به وجود آید نیز ایستگاه اضافی در نظر گرفته می شود.
انتخاب ایستگاه در قسمتی از تونل که مستقیم است. به قدرت دید دوربین بستگی دارد. بدیهی است ایستگاهها باید به گونه ای انتخاب شوند که هر ایستگاه نسبت به ایستگاههای ماقبل و مابعد خود دید داشته باشد.
برای احداث ایستگاه در سقف تونل پس از مشخص کردن نقطه در سقف و علامت گذاری موقت آن با رنگ، چال کوچکی به عمق حدود ۱۰ سانتی متر در سقف حفر کرده و در داخل آن یک میخ چوبی نصب می کنند و بر روی این میخ چوبی یک میخ فلزی می کوبند. تمام میخ ها به گونه ای ساخته شده اند که به کمک آنها می توان شاغولی را از سقف تونل آویزان کرد و شاغول همواره در یک وضعیت معین قرار می گیرد.