روش های حفاری در تونلها و بناهای زیر زمینی و مقایسه ی آنها

حفاری در کل به دو گروه تقسیم بندی می‏شود
الف : حفاری مکانیکی
ب : حفاری به روش آتشکاری
در روش آتشکاری سینه کار تونل و فضاهای زیرزمینی محل چالها مشخص می‏شود و بعد از مشخص شدن آکس تونل و با توجه به شکل هندسی فضای زیرزمینی محل چالها مشخص می‏شود و بعد از حفاری توسط دستگاههای حفاری از جمله چکش دستی و یا دریل واگن و یا جامبو و دریل توسط چاشنی و دینامیت خرج گذاری و منفجر می‏گرددکه این روش بیشتر در فضاهای بزرگ کاربرد دارد. حفاری در این فضاها به صورت پله ای انجام می‏گیرد. روش حفاری مکانیکی خود به دو گروه تقسیم بندی می‏شود :

1- حفاری به صورت تمام مقطع با دستگاههای T.B.M : این دستگاهها به صورت کامل، مقطع را با یک صفحه برش که در جلو دستگاه نصب شده است و حول محور تونل می‏چرخد ، حفاری می‏نمایند. این دستگاه روی ریل نصب شده که با پیشروی تونل، ریل گذاری انجام شده و حفاری به صورت مداوم انجام می‏گیرد.
2- حفاری به صورت موضعی با دستگاه کله گاوی : این دستگاه برای زمینهایی که به صورت ریزشی می‏باشند ، بیشتر کاربرد دارد و دارای یک یا دو بازو می‏باشند که به انتهای آن یک وسیله حفاری وصل شده است که حول بازو می‏چرخد و مقطع را کم کم بزرگ می‏نماید و مصالح را روی یک سینی که جلو دستگاه می‏باشد ریخته و توسط یک تسمه نقاله به انتهای دستگاه انتقال داده و تخلیه می‏نماید.
حفر تونل به روش کلاسیک (چالزنی و انفجار)
سیکل حفر تونل
حفر تونل به روش چالزنی و انفجار بصورت یک سیکل انجام می‏گیرد بطوریکه فازهای مختلف کار بصورت تکرار همدیگر را دنبال می‏کنند . یک سیکل کامل، یک دور نامیده می‏شود و در هر دور یک مقدار حقیقی از تونل حفر و ایجاد که مقدار پیشرفت هر دور نامیده می‏شود (معمولاً 1 تا 5 متر است)
هر دور حداقل شامل مراحل زیر می‏باشد :
- چالزنی
- خرج گذاری
- انفجار و تهویه
 لق گیری
 بارگیری و حمل مواد کنده شده
علاوه بر فازهای ذکر شده سایر فازهای به شرح زیر نیز مورد احتیاج هستند، مانند :
 دوختن سقف
 نصب وسائل نگهداری با توری‏های فولادی
 پاشیدن دوغاب سیمانی
 حفر چالهای اکتشافی
درسنگ خیلی خوب فقط سیکل کار اصلی ممکن است کافی باشد ولی هر چه نوع سنگ ضعیف تر(غیر مقاوم تر)باشد، برای کار نگهداری باید اهمیت بیشتری قائل شد.
برای حفر تونل در سنگهای سخت از روش چالزنی و آتشکاری با مواد منفجره استفاده می‏شود. عوامل مؤثر در این عملیات بشرح زیر هستند :
1- آرایش چالهای انفجار (الگوی انفجاری)
2- حفر تونل
3- خرج گذاری
4- انفجار
1- آرایش چال
برای چالزنی تونلها، الگوهایی بر حسب تجربه طراحی شده اند که با حداقل حفر چال و انفجار و خرج گذاری اقتصادی در چال بهترین نتیجه حاصل شده است. حفر تونل با حفر کارگاههای دیگر متفاوت است، زیرا در اینجا همیشه فق یک سطح آزاد وجود دارد. الگوی مناسب چالهای انفجار در حفاری سنگهای سخت معمولاًبه ابعاد مقطع بستگی دارد.
چالها در مرکز مقطع بشکل گوه‏های (V) شکل یا موازی و در اطراف محیط تونل به طور موازی حفر می‏گردند. چاشنی‏های الکتریکی با تأخیر کم در هسته مرکزی و چاشنی‏های با تأخیر زیاد در اطراف محیط قرار می‏گیرند و بدین وسیله عمل تخریب به مقطع مورد نظر ختم می‏گردد.
نقشه انفجار در تونلها بستگی به ابعاد تونل، مقاومت سنگها، ضخامت فشنگهای مواد منفجره، قدرت مواد منفجره و عواملی نظیر آنها دارد.
آرایش چالها عملاً آنها را به چند قسمت تقسیم می‏کند :
1- بخش مرکزی یا بری که مهمترین نقش را در سایر چالها و پیشروی تونل دارد.
2- چالهای انفجاری که افقی هستند و سطح آزاد حاصل از چالهای برش در مقابل آنها است.
3- چالهای دیوار و سقف تونل
4- چالهای کف تونل
باید توجه داشت که در سینه کار تونلها فقط یک سطح آزاد وجود دارد و آن هم سطح مقطع تونل می‏باشد. به دلیل وجود تنها سطح آزاد نباید انتظار راندمان مطلوب را داشت. لذا میزان پیشروی تونل بسیار کم خواهد بود . اما در عمل برای ازدیاد پیشروی تونل و کارمکرد مناسب و معقول مواد منفجره، وضعیت قرار گرفتن چالها، امتداد، طول و نوبت انفجار آنها به نحوی است که انفجار هر گروه از چالها یا حتی انفجار یک چال موجب تشکیل سطح آزاد برای چال یا چالهای بعدی می‏شود.
اولین سطح آزادی که بوجود می‏آید شروع حفرتونل است و برش نامیده می‏شود. چالهای برش و همچنین چالهایی که بخش یک را بوجود می‏آورند چال برش نام دارند.
چالزنی و آتشکاری برشها باید با دقت بسیار صورت گیرد. زیرا پیشروی تونل تا مقدار زیادی در گرو بوجود آمدن برش مرکزی است.
چالهای برش به دو صورت حفر می‏شوند :
1- برش موازی
که در آن چالهای برش موازی با یکدیگر و با محور تونل موازیند.
2- برش مایل (زاویه ای)
که در آن چالهای برش با یکدیگر و با محور تونل موازی نیستند و تابع پهنای تونل می‏باشند.


2-حفر چال
حفر چال با روش چالزنی دورانی یا ضربه ای و با استفاده از نیروی محرکه هوای فشرده یا الکتریسیته انجام می‏گیرد. برای جلوگیری از ایجاد گرد و خاک می‏توان به کمک آب، خرده ریزهای حفاری را در حین حفر چال از آن خارج کرد.
برای حفر چال، بسته به مساحت مقطع تونل می‏توان از پرفراتور مجهز به پایه و یا جامبوهای چالزنی استفاده کرد. جامبوها قادرند چند چال را همزمان حفر کنند، لذا برای حفر چال در تونلهای بزرگ مقطع مقرون به صرفه هستند.
3- خرج گذاری
عملیات خرج گذاری بمعنی قرار دادن مواد منفجره در داخل چالهای حفر شده می‏باشد. این عملیات طی مراحل زیر انجام می‏گیرد:
 اتصال چاشنی به اولین یا آخرین دینامیت ورودی به چال
 قرار دان دینامیت‏ها (خرجها) در داخل چال
 سنبه زدن بوسیله یک چوب باریکتر از قطر چال
 بستن در چال با مخلوطی از گل رس مرطوب + ماسه که در داخل یک لفافه پارچه‏ای پیچیده شده و کوبیدن و سنبه زدن آن به منظور حصول اطمینان از بسته شدن کامل دهانه چال.
4- عملیات انفجار
انفجار شامل اتصال سیمهای چاشنی به طور متوالی و اتصال دو سر سیم انتهایی به ماشین آتش کن می‏باشد.
به طور کلی می‏توان گفت میزان پیشروی، تعداد چالهای مورد نیاز برای حفر یک تونل، کیفیت سنگ، کیفیت ماده منفجره، خرج گذاری، انفجار و مساحت مقطع تونل به هم مربوط هستند.
روشهای پیشروی در حفر تونل
1- سیستم تمام جبهه (FULLFACE)
2- سیستم پلکانی TOP HEADING BENCH
3- سیستم TOP HEADING
4- سیستم حفر تونل با استفاده از روش پیشاهنگ یا روش حلقه حلقه کردن
SEGMENT SHAPED METHOD

حفر تونل با استفاده از ماشین حفاری تمام مقطع T.B.M
حفر صخره به وسیله نصب کردن وسایلی روی بعضی ماشینهای حفر تونل در خلال قرن نوزدهم، بعنوان یک قدم مهم در رسیدن به تداوم حفر تونل شناخته شد. احتمالاً قدیمیترین T.B.M آن بود که در سال 1856 برای کندن شیاری به عرض 33 سانتی متر در پیرامون قاب دروازة تونل هوزاک بکار رفت. پس از خدود 3 متر پیشروی ، ادامه ی کار را مقرون بصرفه ندانستند و آن را کنار گذاشتند . پس از آن ماشینهای T.B.M سیر تکامفل خود را طی کردند تا در سال 1956 نسل جدید این ماشینها که دارای تیغه‏های دیسکی مدور در جلو بودند، با ساخت اولین سری از آنها توسط رابینز آمریکائی متولد شد.
توسعه ماشینهای حفر تونل (T.B.M)‏ها که بطور مناسبی به دیسک برنده مجهز می‏باشند، احتمالاً برجسته ترین پیشرفت انجام گرفته در امر ساخت تونل بوده است. برای رسیدن به درصد بزرگ تر
پیشرفت ،این ماشینها میدان کاربرد خیلی زیادی در حفر تونل زنی جدید،در گودبرداری از سنگ با روشهای مته کاری و آتشکاری رقابت می‏کند و در این کار اغلب سریعتر و کارآمدتر از مواد منفجره است.
دستگاههای حفاری تونل را با توجه به شرایط زمین می‏توان به دو دسته کلی تقسیم کرد :
 ماشینهای حفاری در زمینهای نرم
 ماشینهای حفاری در زمینهای سخت
دستگاههای حفاری در زمینهای نرم
مطمئن ترین روش حفاری در زمینهای نرم استفاده از انواع سپرها (SHIELD) می‏باشد. سپر جسمی‏است فولادی معمولاًبه شکل استوانه که از ریزش مواد به داخل تونل جلوگیری کرده و خود را به جلو و داخل زمین می‏راند. انواع سپرها عبارتند از :
 سپرهای باز
 سپرهای کور
 سپرهای تعادل فشار خاک
 سپرهای گل آبی
دستگاههای حفاری در زمینهای سخت
این دستگاهها را به طور کلی می‏توان به دو گروه حفاری جزء مقطع و ماشینهای تمام مقطع تقسیم کرد.
عمده ترین ماشینهای جزء مقطع دستگاه کله گاوی (Road header) است و اصلی ترین ماشین حفاری تمام مقطع که ابزار برنده در این دستگاه بر روی مجموعه ای بنام کله حفار (Cutter head) قرار دارد، T.B.M یا Tunnel boring machin می‏باشد که خود انواع مختلفی دارد.
عملیات ویژه برای مکانیزه کردن حفاری تونلها
در چهارچوب مطالعات مقدماتی پیش از برپایی یک کارگاه حفاری مکانیزه ، مشخصات اصلی که استعداد یک توده سنگی را از نظر حفاری با ابزار مکانیکی تعیین می‏کنند، عبارتند از :
 مقاومت مشخصه سنگ یعنی مشخصات مکانیکی تعیین کننده مقدار انرژی که ماشین حفاری باید به ابزار حفاری برای کندن سنگ منتقل کند.
 طول تونل، به علت بالا بودن سرمایه ای اولیه و هزینه ی مونتاژ ماشین،نبایستی از حدی کمتر باشد.
 سایش پذیری سنگ که میزان پیشرفت کار و شرایط تعویض ابزارهای برنده و ساینده بدان بستگی دارد تا پیوستگیها که نقش مهمی‏در فشارهای لازم برای برش سنگ تحت تأثیر متقابل ابزارها دارند.
 پاره ای از معیارهای تکمیلی نیز برای بررسی مشخصات حفاری تمام مقطع تونلها، لازم است که عبارتند از :
 بررسی آبهای زیرزمینی و نشت آبهای قابل پیش بینی در نزدیکی جبهه ی تراش
 ارتفاع بالا پوش (زمین روی طاق تونل) و تنشهای طبیعی.
در مورد زمینهای قابل تغییر شکل بسیار در زیر پوشش زیاد بالای تونل، خطر گیرکردن دامن ماشین حفاری باید بررسی شود و همیشه نمی‏توان چنین خطری را با برش توسط ابزاری پیرامونی رفع کرد.
مقایسه روش کلاسیک و استفاده از ماشین تونلزنی T.B.M در حفر تونل
مزایای ماشین
1- ایمنی استفاده از ماشین بیشتر است. همچنین اغتشاش زمین کمتر و به سنگهای دیواره تونل آسیب کمتری وارد می‏شود. در استفاده از ماشین حفاری خطرات مربوط به حمل مواد منفجره در روش کلاسیک وجود ندارد، به طوری که برای هر 1000 متر پبشروی در روش مکانیزه نسبت به حوادث 69/2 و در روش کلاسیک 28/4 است.
2- در سیستم حفاری با ماشین، حفاری اضافی کمتری داریم حدود (05/0)، در صورتی که در روش کلاسیک این مقدار بسیار بیشتر است و در حدود (30-25) درصد می‏باشد ، بدین ترتیب مقدار جابجایی سنگ کمتر، بنابراین نیاز به نگهداری زیادی نیست.
3- در استفاده از ماشین حفاری T.B.M به دلیل اینکه از نیروی انسانی کمتری استفاده می‏شود، از مدیریت بهتری نسبت به روش کلاسیک برخوردار است.
4- در ماشین T.B.M به علت یک دست بودن سنگهای خورده شده، افزایش راندمان وسایل حمل و نقل را داریم و ازوسایل حمل و نقل مختلف از قبیل نوار نقاله و لوله می‏توان استفاده نمود.
5- حفر تونل بوسیله ماشین به صورت پیوسته انجام می‏شود، در صورتی که در روش کلاسیک شروع هر کار منوط به خاتمه کار دیگری است.

انواع پیچها
در بین انواع پیچهای سقفی، پیچهای گوه و شکاف و پیچهای با پوسته‏ی منبسط شونده به صورت مکانیکی درگیر می‏شوند. در پیچهای دوغابی محیط نصب با تزریق سیمان پر می‏شود. برای جلوگیری از خروج دوغاب از داخل چال، از یک مسدود کننده استفاده می‏شود و برای خروج هوا در هنگام تزریق دوغاب در اطراف میله عاج دار(پیچ) از لوله پلاستیکی نازکی استفاده می‏شود. پیچ کردن رزینی آخرین پیشرفتی است که در آن انواع رزینهای زودگیر به صورت کاملاًمؤثری در نصب پیچ در محل استفاده می‏شوند.
مزایای استفاده از پیچهای سقفی
مزایای پیچ کردن سقفی نسبت به سیستمهای نگهداری دیگر را می‏توان به ترتیب چنین خلاصه کرد :
1- پیچها را می‏توان به محض حفر فضا و قبل از هر گونه تغییر شکلی نصب کرد. این مسئله مهمترین عامل است که به کنترل سقف کمک کرده و ایمنی را افزایش می‏دهد.
2- پیچها، بخصوص نوع رزینی ، تحت تأثیر امواج شوک ناشی از انفجار نمی‏باشد.
3- هیچگونه ستون، تیر آهن یا چیزی شبیه به اینها باعث سد کردن گالری نمی‏شود. تجهیزات حمل و نقل می‏توانند به راحتی عبور کنند، سطح مقطع راهرو باز نگه داشته می‏شود.
4- مقاومت در مقابل جریان هوا کم بوده ، تهویه راحت تر انجام می‏شود.
5- پیچها بعنوان نگهدارنده‏هایی طبیعی برای آویختن لوله‏ها و نظایر آنها هستند. بنابراین کف را برای عبور و مرور باز نگه می‏دارند.
6- ورقه ورقه شدن سقف تا حد زیادی کاهش می‏یابد و باعث کاهش رقیق شدگی زغال سنگ به دلیل ریزش سنگهای سقف می‏شود.
7- پیچ کردن سقف از سیستمهای دیگر اقتصادی تر است.