چکیده:
امروزه با پیشرفت فن آوری، سهولت نسبی در حفاری و ساخت سازه‌های زیرزمینی، محدودیتهای فضاهای سطحی برای اجرای طرحهای عمرانی و نیز به واسطه مسائل سیاسی و امنیتی، توجه بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه به احداث سازه‌های زیر رمینی برای کاربریهای عمرانی، نظامی و معدنی معطوف شده است. راهها و بزرگراههای زیرزمینی، انواع تونلها، شبکه متروی شهری، نیروگاهها و سایر مغارهای زیر زمینی برای دفن زباله‌های هسته‌ای و یا به عنوان مخازن نفت، معادن، پناهگاهها و انبارها، تعدادی از سازه‌هایی هستند که در کشورهای مختلف به سرعت در حال ساخت و اجرا می‌باشند.
با توجه به توسعه روز افزون سازه‌های زیر زمینی و هزینه‌های فراوانی که برای ساخت هر یک از این سازه‌ها صرف میگردد و نیز اهمیت آنها در شبکه حمل و نقل بین شهری و داخل شهری و خطری که در صورت آسیب دیدگی آنها متوجه جان مردم میشود، لازم است که پایداری آنها در برابر خطرات ناشی از زلزله مورد مطالعه قرار گیرد.
در این گزارش پس از نگرشی اجمالی به تاریخ صنعت سازه‌های زیر زمینی و آسیبهای گذشته این سازه‌ها در زلزله، به بررسی تعاریف مربوط به تونلها و نیز مشخصات کلی امواج زلزله و نحوه تاثیر آنها بر تونلها می‌پردازیم و برآورد خطر پذیری این گونه سازه‌ها را بیان می‌نماییم.
بخش دوم این گزارش، به تونلها و ایستگاههای زیر زمینی مترو اختصاص دارد که پس از بیان تفاوت عملکردی اینگونه تونلها نسبت به سایر تونلها، به مطالعه موردی تونل متروی دایکایی که در زلزله کوبه دچار آسیب شده بود و نیز بررسی خطرپذیری تونل متروی شهر قاهره خواهیم پرداخت. سپس معیارهای طراحی لرزه‌ای تونلها بیان میگردد.
تاریخچه تونل سازی و سازه‌های زیر زمینی
احتمالا اولین تونلها در عصر حجر برای توسعه خانه‌ها با انجام حفریات توسط ساکنان شروع شد . این امرنشانگر این است که آنها در تلاشهایشان جهت ایجاد حفریات به دنبال راهی برای بهبود شرایط زندگی خود بوده اند. پیش ازتمدن روم باستان ، در مصر ، یونان ، هند و خاور دور و ایتالیای شمالی ، تماما تکنیکهای تونلسازی دستی مورد استفاده قرار می‌گرفت که در اغلب آنها نیز از فرایندهای مرتبط با آتش برای حفر تونل های نظامی ، انتقال آب و مقبره‌ها کمک گرفته شده است. در ایران نیز از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آبهای زیر زمینی تونل هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز می‌رسد. تعداد قنات های ایران بالغ بر50000 رشته برآورده شده است. جالب توجه است که این قنات های متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند.
رومی ها نیز در ساخت قنات‌ها و همچنین در حفاری تونل های راه پرکار بودند. آنها در ضمن اولین دوربینهای مهندسی اولیه را در جهت کنترل تراز وحفاری تونل ها به کار بردند.
اهمیت احداث تونل ها دردوران های قدیم ، تا بدین جاست که کارشناسان کارهای احداث تونل درآن تمدن‌ها را نشانگر رشد فرهنگ و به ویژه رشد تکنیکی و توان اقتصادی آن جامعه دانسته‌اند. تمدنهای اولیه به سرعت ، به اهمیت تونلها ، به عنوان راههای دسترسی به کانی ها و مواد طبیعی نظیر سنگ چخماق به واسطه اهمیتش برای زندگی، پی‌بردند. همچنین کاربرد آنها دامنه گسترده‌ای از طاق زدن بر روی قبرها تا انتقال آب و یا گذرگاههایی جهت رفت و آمد را شامل می شد. کاربردهای نظامی تونلها ، به ویژه از جهت بالابردن توان گریز یا راههایی جهت یورش به قرارگاهها و قلعه های دشمن ، ازدیگر جنبه های مهم کاربرد تونلها در تمدن های اولیه بود.
تونل سازی همزمان با انقلاب صنعتی، به ویژه به منظور حمل و نقل ، تحرک قابل ملاحظه ای یافت. تونلسازی به گسترش و پیشرفت کانال سازی کمک کرد و این امر در توسعه صنعت به ویژه در قرون 18 و 19 میلادی در انگلستان سهم بسزایی داشت. کانال‌ها یکی از پایه های انقلاب صنعتی بودند وتوانستند در مقیاس بسیار بزرگ هزینه‌های حمل و نقل را کاهش دهند. تونل مال پاس با طول 157 متر برروی کانال دومیدی در جنوب فرانسه اولین تونلی بود که در دوره‌های مدرن در سال 1681 ساخته شد. همچنین اولین تونل ساخته شده با کاربرد حفاری و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن 18 نیز جیمز بریندلی از خانواده ای مزرعه دار با نظارت بر طراحی و ساخت بیش از 580 کیلومتر کانال و تعدادی تونل به عنوان پدر کانال و تونل های کانالی ملقب شد. وی در سال 1759 با ساخت یک کانال به طول 16 کیلومتر مجموعه معدن زغال دوک بریدجواتر را به شهر منچستر متصل نمود. اثر اقتصادی تکمیل این کانال نصف شدن قیمت زغال در شهر و ایجاد یک انحصار واقعی برای معدن مذکور بود.
در اوایل قرن نوزدهم به منظور عبور از قسمتهای پایین دست رودخانه تایمز هیچ سازه ای موجود نبود و 3700 عابر مجبور بودند با طی یک راه انحرافی 3 کیلو متری با قایق مسیر روترهایت به ویپنیگ را طی کنند. اقدام به ساخت یک تونل نیز به دلیل ریزشی بودن ومناسب نبودن رسوبات کف رودخانه متوقف شد. تا اینکه در حدود سال 1820 فردی بنام مارک ایرامبارد برونل از فرانسه ایده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال 1825 کار احداث تونل بین روترهایت و ویپنیگ را آغاز و علی رغم جاری شدن چند نوبت سیل در سال 1843 آن را باز گشایی نمود. این تونل تامس نام گرفته و اولین تونل زیر آبی بود که بدون هر گونه رودخانه انحرافی حفر شد.
در دیگر موارد تونلهای زهکشی بزرگ ، نظیر تونلی با طول 7 کیلو متر در هیل کارن انگلستان ، اهمیت زیادی در توسعه صنعت معدنکاری داشته‌اند. البته بررسی تاریخچه پیشرفت در روش ها و تکنیک ها و به عبارتی در هنر تونل سازی نشانگر این مطلب است که مانند بسیاری دیگر از علوم و فنون بیشتر رشد این هنردر قرن گذشته صورت گرفته و تا حال نیز ادامه دارد.
ویژگی های فضاهای زیرزمینی و نمونه های بارز آنها
هم اکنون در زمینه های مختلف کاربرد تونلها ، مزایای متفاوت و گوناگونی را بر می شمرند. از آن جمله ویلت، استفاده فزاینده فعلی از فضاهای زیر زمینی را به دلایل زیر رو به افزایش دانسته است.
1- تفوق محیط ساختاری به معنای وجود یک حصار وساختار طبیعی فراگیر.
2-عایق سازی با سنگهای فراگیر که دارای ویژگیهای عالی عایق‌ها می باشند.
3- محدودیت کمتر دراحداث سازه های بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی سطح زمین.
4- کمتر بودن تأثیرات منفی زیست محیطی.
از دیگر مزایای تونل ها در راههای ارتباطی می توان به :
1- کوتاهتر شدن مسیرها و افزایش راند مان ترافیکی
2-بهبود مشخصات هندسی مسیر
3-جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن
4-ایمنی بیشتر در برابر زلزله،
اشاره کرد .
مثال های متعددی می توان از نقش وتأثیر عمده تونلسازی و پروژه های بزرگ این صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد . تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ایتالیا را به هم متصل می سازد. عملیات ساختمانی آن در سال 1959 آغاز گردید و حفر این تونل فاصله بین میلان و پاریس را به طول 304 کیلو متر کوتاهتر نموده است. از دیگر نمونه ها کشور فنلاند است که سازه های زیر زمینی را به صورت غارهای عظیم بدون پوشش بتنی ، به منظور انبار مواد نفتی مورد استفاده قرار داده و در حال حاضر بیش از 75 انبار نفتی در سراسر کشور فنلاند با گنجا یشی بیش از 10 میلیون متر مکعب ساخته شده.
تعاریف مربوط به تونلها و ساختگاه
مشخصات و ویژگیهای تونلها و نحوه ساخت آنها در تاثیر پذیری آنها از زلزله موثر است. در این قسمت تعاریف مربوط به تونلها بیان شده و اثر هرکدام در تاثیر پذیری تونلها بررسی میشود.
4-1- عمق تونل :
بطور کلی تونلها در مقابل زلزله، نسبت به سایر سازه‌های سطحی بسیار پایدارترند. چرا که جابجائی زمین، دامنه حرکات، شتاب و سرعت ذره‌ای زمین عموما با زیاد شدن عمق، کاهش می‌یابد (مخصوصا اگر زمین نرم باشد)؛ بطوری که در مواردی شتاب زلزله در عمق بیش از 50 متر، حدود 40 درصد کاهش بافته است. البته ذکر این نکته نیز ضروری است که اگر چه شتاب و بعضی پارامترهای دیگر در عمق کمتر از لایه سطحی است، اما مشخصاتی مثل فرکانس زلزله به منبع تولید موج بستگی دارد و تابع عمق زمین نمیباشد. البته باید به این نکته نیز توجه داشت که میزان جابجائی ناشی از گسلش در عمق بیشتر از سطح است که این موضوع در بخش جداگانه‌ای مورد بحث قرار خواهد گرفت.
4-2- شکل و اندازه تونل :
همانطور که در بخش قبل اشاره شد، هر چه مقطع تونل بزرگتر باشد، حساسیت آن به زلزله بیشتر است. یکی از موارد بزرگ بودن موضعی تونلها، در تقاطعها و ایستگاههای مترو میباشد. همچنین وجود دو یا چند تونل در کنار هم معمولا باعث تمرکز تنشهای استاتیکی در محیط بین تونلها میگردد. همین حالت در هنگام گذر موج زلزله که نوعی تنش است، اتفاق می‌افتد.
4-3- وضعیت لایه بندی و جنس زمین:
امواج تولید شده در حین حرکت، تحت تاثیر خواص زمین قرار می‌گیرند. امواج فشاری و برشی در سطح برخورد با لایه‌های مختلف دچار انکسار و انعکاس می‌شوند و این باعث افزایش یا کاهش دامنه نوسانها میگردد. از طرف دیگر، شرایط و وضعیت خاک تحت الارضی و حتی توپوگرافی یک ناحیه ممکن است عامل افزایش اساسی در شدت جنبشهای سطح زمین گردد. تقویت شتاب در انباشته‌ای نرم بزرگتر از مقدار آن در انباشته‌های سفت میباشد.
4-4- نحوه ساخت تونل
روشهای مختلفی برای ساخت تونل (کندن تونلها) وجود دارد که بستگی به شرایط ساختگاهی و زمین ساختی روش مناسب انتخاب میشود. روشهایی که بیشتر معمول هستند روش حفاری شده و خاکبرداری شده است. در مورد تاثیر نحوه ساخت بر رفتار تونلها جدول زیر در HAZUS99 که توسط NIBS آمریکا ارائه شده است (جدول 4-1). نحوه ساخت تاثیر بسیار زیادی بر اثر پذیری از امواج زلزله دارد، چرا که در روش حفاری، خاک اطراف کاملا دست نخورده باقی می‌ماند و از طرف دیگر این گونه تونلها معمولا در جائی ساخته می‌شوند که عمق قرار گیری تونل زیاد باشد. ولی در تونلهای سطحی مانند تونلهای مترو، اغلب از روش خاکبرداری و پوشش استفاده میشود.
حداکثر شتاب زمین PGA
نوع تونل حالت خرابی میانه (g) β
حفاری شده حداقل
متوسط 0.6
0.8 0.6
0.6
خاکبرداری شده حداقل
متوسط 0.5
0.7 0.6
تغییر شکل پایدار زمین PGD
نوع تونل حالت خرابی میانه (in) β
همه تونلها حداقل و متوسط
زیاد
کامل 6
12
60 0.7
0.5
0.5
جدول (4-1) پارامترهای توابع خرابی تونل HAZUS99
4-5- پوشش داخلی تونل (Lining)
پس از حفاری تونل در صورت نیاز از پوشش داخلی برای محافظت در مقابل ریزش استفاده میشود. البته مواردی نیز وجود دارد که در صورت استحکام کافی سنگها، از پوشش استفاده نمیشود، ولی در غیر این صورت امکان استفاده از شاتکریت، بتن درجا، و یا اجزای پیش ساخته وجود دارد.
تاثیر گسلش بر تونلها:
گسلش یکی از عواملی است که میتواند در هنگام وقوع زلزله خسارات زیادی را به سازه‌های زیر زمینی و بخصوص سازه‌های خطی زیر زمینی وارد نماید.
5-1- اهمیت مطالعه گسلش در طراحی سازه‌های زیر زمینی
جابجائی برشی در یک پهنه باریک در دو طرف گسل آثار تخریبی شدیدی بر روی سازه‌های زیر زمینی خواهد داشت. تنشهای حاصل از گسلش در مقاطع تونل یا سایر سازه‌های زیر زمینی میتواند به مراتب از تنشهای حاصل از لرزش و لغزش بیشتر باشند. طراحی تونلها به نحوی که بتواند در برابر جابجایی‌های چند سانتیمتری تا چند متری ناشی از گسلش مقاومت کنند، نیز از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست؛ بدین لحاظ مطالعه خطر گسلش در مسیر یک تونل و یا سایر سازه‌های زیر زمینی از اهمیت خاصی برخوردار است.
در واقع بسیاری از سازه‌های زیر زمینی و بخصوص تونلها دارای تقاطع‌هایی با گسلها می‌باشند که این امر باعث آسیب پذیری آنها بر اثر حرکت گسل میگردد. به همین جهت در حین بررسیهای ساختگاه برای ساخت سازه‌های زیرزمینی باید به وجود گسلها توجه خاصی مبذول شود تا بتوان با شناخت کامل آنها، پیش گیریهای لازم را در جهت کاهش میزان صدمات ناشی از گسلش انجام داد. در این راستا، نه تنها مکان گسلهای فعال باید دقیقا شناسایی گردند، بلکه باید نوع گسل و نحوه حرکت آن، نحوه حرکت گسل در گذشته، نحوه انتخاب رویداد مناسب برای طراحی و اهمیت و یا تاثیر گسلش در کاربری سازه زیر زمینی نیز دقیقا بررسی گردد. بررسی نوع گسل نحوه حرکت آن را در جهات افقی یا قائم و یا هر دو، مشخص می‌کند. جابجائی گسل میزان حرکت آن را در جهات مختلف نشان می‌دهد. رویدادهای تاریحی میتوانند برای پیش بینی نوع حرکت، میزان جابجائی و زمان احتمالی گسلش در اینده مورد استفاده قرار گیرند و انتخاب رویداد مناسب نیز میتواند امکان طراحی بهینه و اقتصادی سازه را فراهم آورد. همچنین تاثیر گسلش بر کاربری طرح باید به دقت مشخص گردد. به عنوان مثال، در تونلهای راه آهن حساسیت زیادی در برابر جابجائی وجود دارد؛ زیرا، امکان قطع شدن ریلها یا مختل شدن سیستم آنها به واسطه جابجائی حاصل از گسلش وجود دارد و این امر میتواند حوادث ناگواری را بوجود آورد. در مقابل در تونلهای انتقال آب حتی اگر جابجائی قابل توجهی نیز رخ دهد خطر جانبی به همراه نخواهد داشت و سیستم انتقال آب نیز میتواند با مقداری نفاوت دبی به کار خود ادامه دهد.
5-2- انواع جابجایی های گسلی
معمولا جابجایی گسلها به سه شکل نرمال، معکوس و امتداد لغز انجام می شود که در نوع امتداد لغز جابجائی افقی و در دو نوع دیگر جابجایی قائم میباشد. البته معمولا در طبیعت حالات ترکیبی از این حرکات مشاهده میشود و به ندرت می‌توان گسلی را یافت که صرفا در جهت افقی یا قائم حرکت کند. قسمتهای مختلف یک گسل و انواع حرکات گسل در شکل 5-1 نشان داده شده است.
شکل 5-1 قسمتهای مختلف یک گسل و انواع جابجائی آن
5-3- جابجائی گسل در چند رویداد مهم لرزه‌ای:
هر چند در اکثر واقع در هنگام زلزله جابجائی گسها در حد چند ده سانتی متر میباشد ولی در رویدادهای بزرگ لرزه‌ای این جابجائی میتواند به چند متر نیز برسد. در این قسمت مثالهایی از برخی زلزله های مهم جهانی و داخلی جهت روشن شدن اهمیت گسلش ارائه میگردد:
§ زلزله سان فرانسیسکو (1906): در این زلزله حرکت گسل سان آنریاس موجب تخریب و برهم خوردگی وضعیت بسیاری از راهها، حصارها، خطوط لوله، پل و تونلها در امتداد گسل شد. پهنای زون شکستگی در این مورد از چند ده سانتی متر تا بیش از 15 متر متغیر بود و ترکهای زیادی نیز در دو طرف گسل اصلی تا شعاع چند ده متری ایجاد شد. مقدار جابجائی افقی با آنچه که توسط جابجائی حصارها و یا راهها قابل اندازه‌گیری بود از 5/2 متر تا 5/4 متر متغیر بوده است که در بعضی نقاط به 5/6 متر هم میرسیده است.
§ زلزله سان فرناندو (1971): نوع گسل در این زلزله شیب لغز معکوس بوده است. گسلش در ناحیه‌ای به وسعت 15 کیلومتر ایجاد شد و با حرکات لغزشی معکوس و امتداد لغز چپ گرد همراه بوده است. در ناحیه سان فرناندو حداکثر جابجائی بصورت چپ گرد 9/1 متر و بصورت شیب لغز 5/1 متر بوده است. اختلاف سطح عمودی حاصله برابر با 39/1 متر بوده و کوتاه شدگی در جهت قائم بر روند زون 55/0 متر بوده است.
§ در زلزله کوبه ژاپن (1995) با بزرگای 2/7 گسل نوجیما در جهت قائم 3/1 متر و در جهت افقی 8/1 متر جابجا شده است.
§ در زلزله های ایران نیز جابجائی های قابل توجهی در گسلها در برخی از زلزله‌های بزرگ دیده شده است که خلاصه‌ای از آن در جدول (5-1) آورده شده است.
تاریخ نام رویداد بزرگا طول گسل
Km جابجائی افقی به چپ
(m) جابجائی افقی به راست
(m) جابجائی قائم (m)
23/1/1909 سیلاخور 4/7 45 5/2
18/4/1911 راور 2/6 15 5/0
1/5/1929 کپه داغ 3/7 70 1/2
6/5/1930 سلماس 2/7 30 0/4 0/6
16/2/1941 محمد آباد 1/6 10 5/0
23/9/1947 دوست آباد 8/6 20 1 8/0
1/9/1947 بوئین زهرا 2/7 80 6/0 4/1
31/8/1968 دشت بیاض 4/7 80 5/4 1/2
16/9/1978 طبس 7/7 75 7/0
14/11/1979 کریزان – خواف 6/6 17 6/0
27/11/1979 کولی - بیناباد 1/7 65 25/2 9/0 8/3
جدول (5-1) برخی از زلزله‌های مهم ایران در سالهای 1900 تا 1980 که همراه با گسلش قابل توجه بوده‌اند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 43 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله اثر زلزله بر سازه های زیر زمینی و تونل مترو
