آشنایی با چالش های پنهان در تونلسازی - فصل اول: خطر کارست در سنگ های آهکی
تهیه کننده: صادق طریق ازلی مدیرعامل مهندسین مشاور رهسازطرح
مقدمه
تونلسازی یکی از چالش برانگیزترین حوزه های مهندسی ژئوتکنیک است که با پیچیدگی های زمین شناسی فراوانی مواجه می شود. یکی از مهم ترین مخاطرات در ساخت تونل ها، وجود تشکیلات کارستی در سنگ های آهکی است که می تواند منجر به ریزش تونل، ورود ناگهانی آب های زیرزمینی و افزایش هزینه های اجرایی شود. در این مقاله، ضمن آشنایی با این پدیده به بررسی پدیده کارست در تونلسازی با مطالعه موردی تونل راه آهن دورود–خرم آباد پرداخته و راهکارهای مهندسی برای کاهش این مخاطرات را بررسی خواهیم کرد.
مبانی نظری و پیشینه پژوهشی
کارست چیست؟
کارست به پدیده انحلال سنگ های کربناته (آهکی) توسط آب های اسیدی زیرزمینی گفته می شود که باعث ایجاد حفره ها، غارها و شکستگی های زیرزمینی می شود. این فرایند به مرور زمان موجب ضعیف شدن سازه های سنگی و ناپایداری تونل ها می شود. مناطق کارستی، به دلیل ناپایداری زیاد، همواره از پرریسک ترین مناطق برای احداث تونل محسوب می شوند.
شرایط تشکیل کارست
پدیده کارست بیشتر در شرایط زیر تشکیل و گسترش می یابد:
· نوع سنگ: عمدتا در سنگ های آهکی، دولومیتی و سنگ های تبخیری مانند گچ و نمک تشکیل می شود.
· درجه خردشدگی: هرچه شکستگی ها و درزه ها در سنگ بیشتر باشد، امکان نفوذ آب و انحلال سنگ افزایش می یابد.
· عمق: پدیده کارست بیشتر در عمق های کم تا متوسط (۵۰ تا ۳۰۰ متر) رخ می دهد، اما در شرایط خاص می تواند در اعماق بیشتر نیز توسعه یابد.
· بارندگی: مناطقی با میزان بارندگی زیاد و نفوذپذیری بالا، مستعد توسعه کارست و ایجاد حفرات بزرگ تر هستند.
خطرات کارست در تونلسازی
· ریزش تونل به دلیل وجود حفره های خالی
· نفوذ ناگهانی آب های زیرزمینی و سیلاب های کارستی
· افزایش هزینه های تحکیم و مقاوم سازی
· مشکلات اجرایی در حفاری و نگهداری تونل
📷
نمونه هایی از برخورد با کارست در تونلسازی
· تونل کوهرنگ ۳: در این پروژه، وجود حفرات کارستی منجر به چالش های جدی در حفاری و نگهداری تونل شد.
· تونل گاوشان: در حین حفاری این تونل، به حفرات کارستی بزرگی برخورد شد که نیاز به طراحی مجدد و تقویت سازه ای داشت.
· تونل Gotthard Base در سوئیس: در طول حفاری این تونل، به مناطق کارستی متعددی برخورد شد که منجر به تغییر مسیر تونل و استفاده از تکنیک های پیشرفته تزریق برای پایداری شد.
· تونل Big Walnut Creek در ایالات متحده: در این پروژه، وجود کارست منجر به فروریزش های متعدد و نیاز به تقویت های اضافی در سازه تونل شد.
در جدول زیر چند نمونه از تونل هایی که به مناطق کارستی برخورد کرده اند و مشکلاتی که با آن ها مواجه شده اند را نشان می دهد. این نوع مشکلات می توانند تاثیرات جدی بر ساخت و نگهداری تونل ها داشته باشند.
مطالعه موردی: تونل راه آهن دورود–خرم آباد
تونل راه آهن دورود–خرم آباد یکی از پروژه های راهبردی حمل ونقل در ایران است که از مناطق دارای تشکیلات آهکی عبور می کند. در جریان اجرای این پروژه، حفرات کارستی بزرگی مشاهده شد که موجب بروز چالش های فنی و ایمنی شد.
ویژگی های زمین شناسی منطقه
· جنس غالب سنگ ها: آهک های کرتاسه با شکستگی های فراوان
· فعالیت هیدروژئولوژیکی بالا: جریان های زیرزمینی و چشمه های فعال
· وجود حفرات کارستی متعدد در مسیر تونل
روش های بررسی و شناسایی
برای کاهش ریسک های کارستی، از روش های مختلفی برای شناسایی این پدیده استفاده شد:
· نقشه برداری زمین شناسی مهندسی
· استفاده از ژئوفیزیک روش رادار GPR
· حفاری اکتشافی و لاگینگ ژئوتکنیکی
خطرات هجوم آب در حین تونلسازی و هنگام بارندگی های شدید
یکی از چالش های بزرگ در تونلسازی در مناطق کارستی، هجوم ناگهانی آب های زیرزمینیاست که می تواند منجر به توقف پروژه، آسیب های جدی به تجهیزات و حتی خطرات جانی برای کارگران شود.
مهم ترین عوامل تاثیرگذار بر نفوذ آب در تونل های کارستی
· وجود شکاف ها و شکستگی های باز در سنگ های آهکی
· بارندگی های شدید و افزایش سطح آب های زیرزمینی
· سیستم های جریان زیرزمینی که باعث نفوذ سریع آب به تونل می شوند
· ارتباط تونل با چشمه ها یا غارهای آبی فعال
اثرات مخرب نفوذ آب در تونلسازی
· تضعیف استحکام سنگ ها و افزایش احتمال ریزش تونل
· افزایش هزینه های پمپاژ و زهکشی تونل
· کند شدن عملیات اجرایی و افزایش زمان پروژه
· خطرات جانی ناشی از ورود ناگهانی حجم زیاد آب
راهکارهای کنترل نفوذ آب در تونل های کارستی
· تزریق دوغاب سیمان و بنتونیت در شکستگی ها برای کاهش نفوذپذیری
· اجرای سیستم های زهکشی مناسب در کف و دیواره های تونل
· استفاده از موانع موقت و روش های کنترل فشار آب در حین حفاری
· پایش مداوم سطح آب های زیرزمینی و کنترل شرایط هیدروژئولوژیکی منطقه
نتیجه گیری و پیشنهادات
🔹 بررسی های انجام شده نشان می دهد که وجود کارست در مسیر تونل سازی، یکی از مهم ترین چالش های ژئوتکنیکی است که می تواند ایمنی و هزینه های پروژه را به شدت تحت تاثیر قرار دهد. 🔹 در تونل راه آهن دورود–خرم آباد، شناسایی اولیه و پایش دقیق کارست، نقش اساسی در کاهش خطرات و افزایش بهره وری پروژه داشته است.
🔹 به کارگیری روش های مهندسی نوین مانند تزریق سیمان، اصلاح مسیر و طراحی سیستم های نگهداری ویژه، تاثیر قابل توجهی در کاهش مشکلات اجرایی و افزایش عمر مفید تونل ها دارد.
منابع
· مقاله مروری بر مشکلات احداث تونل در محیط های کارستی
· تشکیل غار و بررسی آبخوان های کارستی با تاکید ویژه بر طبقه بندی
· مقاله بررسی خطرات زمین شناسی تونلسازی در زمین های کارستی (تونل کوهرنگ)
· Ford, D., & Williams, P. (2007). Karst Hydrogeology and Geomorphology. Wiley.
· Waltham, T., Bell, F., & Culshaw, M. (2005). Sinkholes and Subsidence: Karst and Cavernous Rocks in Engineering and Construction. Springer.
· Parise, M., & Gunn, J. (2007). Natural and Anthropogenic Hazards in Karst Areas. Geological Society of London.
· Beck, B.F. (1984). Sinkholes: Their Geology, Engineering, and Environmental Impact. Balkema.
·
🔍 نگاهی به چالش های پنهان در تونلسازی
تونلسازی در محیط های پیچیده زیرسطحی با چالش های متعددی همراه است که هرکدام می توانند تاثیرات عمده ای بر ایمنی، هزینه و زمان اجرای پروژه داشته باشند. در بخش های بعدی این مجموعه، موضوعات زیر بررسی خواهند شد:
✅ خطر ورود آب زیرزمینی در تونلسازی ✅ مچاله شوندگی در تونلسازی مکانیزه و روش های مقابله با آن ✅ سایندگی و تاثیر آن بر سایش TBM و هزینه های حفاری ✅ کلاکینگ (Clogging) و مشکلات ناشی از چسبندگی زمین در حفاری مکانیزه ✅ تونلسازی در زون های گسله و روش های پایدارسازی ✅ چالش های تونلسازی در مناطق کم روباره و راهکارهای مهندسی ✅ تونلسازی در محیط های شهری و تاثیر آن بر سازه های سطحی ✅ خطر بولدرها و مشکلات حفاری در سینه کار مختلط
📢 با ما همراه باشید تا در مقالات آینده، این چالش ها و راهکارهای مهندسی مقابله با آن ها را بررسی کنیم!
📷📌 برای اطلاعات بیشتر می توانید از طریق لینک های زیر با من در ارتباط باشید
وب سایت شخصی www.underground-rc.ir
وب سایت مهندسین مشاور رهسازطرح www.rahsaztarh.com
