نگاهي اجمالي به سير تحول تونلسازي
اگر حفر قنوات بخشي از عرضه تونلسازي محسوب شود آنگاه قدمت اين فن به 2800 سال قبل از ميلاد بر مي‌گردد. زيرا باستان‌شناسان معتقدند كه حفر قنوات در مصرو ايران از آن زمانها معمول بوده است. تذكر اين نكته در اينجا در خور توجه است كه در سال 1962 طول كل قنوات در ايران را 000/160 كيلومتر تخمين زده‌اند. اگر از اين مورد كه ذكر شد صرفنظر شود اولين تونل زيرآبي در 2170 سال قبل از ميلاد در زمان بابليها در زير رودخانه فرات و بطول يك كيلومتر ساخته شد كه هر چند بصورت حفاري تونل اجرا نشده است ولي همين، كار حداقل تجربه و تبجر معماران آن عصر را نشان مي‌دهد. از اين نوع كار ديگر اجرا نشده است تا 4000 سال بعد كه در 1825 تونل تيمز زير رودخانه تيمز ندن ساخته شد. تونل‌زني درون سنگها به علت شكل حفاري و عدم امكانات و عدم نياز ـ به جز موارد بسيار محدود ـ فقط در دو قرن اخير توسعه يافته اس. هر چند اختراع باروت به قرنها قبل بر مي‌گردد و بعضي آنرا حتي به قرن دوم ميلادي نسبت مي‌دهند ولي كاربرد آن در شكستن سنگها احتمالاً در قرن 16 بوده است و اختراع ديناميت در قرن 19 موجب تحولات تدريجي ولي اساسي در سهولت ايجاد تونل در سنگها شد گرچه ايجاد تونل در سنگها به علت سختي سنگ نياز به مواد منفجره و يا وسايل بسيار سخت و برنده دارد ولي در سنگهاي خيلي نرم و در رسوبات سخت نشده، مشكل تونل‌زني به لحاظ نگهداري تونل است. بطوري كه تا قبل از اختراع شيلد توسط در سال 1812، ايجاد تونلهاي بزرگ مقطع در رسوبات سست فوق‌العاده مشكل مي‌نمود. اولين كاربرد شيلد در 1825 در حفر تونل زير رودخانه تيمز بود. هر چند حفر اين تونل 5/1 كيلومتري حدود 18 سال طول كشيد روش شيلد بعداً توسط تكميل گرديد و بعلاوه نامبرده كاربرد هواي فشرده را نيز در شيلد عملي ساخت (1886) با گسترش شهرها، اختراع ترنها، افزايش جمعيت، پيشرفت صنايع و نياز مبرم به معادن گسترش شبكه‌هاي زيرزميني، هم به منظور عبور و مرور و هم بمنظور انتقال آب و فاضلاب و نيز در پيشروي معادن و غيره ضرورت يافت و با سرعت روز افزون از اواخر قرن 19 تاكنون پيشرفتهاي چشمگيري حاصل گرديده است. بگونه‌اي كه در سالهاي اخير استفاده از ماشينهاي حفر تمام مقطع تونل رشد سريعي داشته است. ايده استفاده از اين ماشينها از زمانهاي دور است. اولين ثبت شده در امريكا توسط جان ويلسون در سال 1856 براي تونل هوساك در ماساچوست بوده است ولي تنها توانسته 3 متر از تونل 7600 متري را حفر نمايد در دهه‌هاي اخير توسعه بسيار زيادي پيدا كرده بطوري كه در بسياري از موارد بعنوان اولين گزينه براي حفر تونل مي‌باشد.
مقدمه
در جمع‌اوري و تهيه اطلاعات موردنياز براي طراحي هر نوع حفاري زيرزميني پس از انجام مطالعات اقتصادي و فني (امكان‌پذيري مقدماتي طرح) پي‌جوئيهاي لازم و مقايسه‌گرينه‌هاي مختلف و انتخاب راه‌حل مطلوب مقدماتي كه براي دسترسي به هدف موردنظر ممكن مي‌باشد، مطالعات مقدماتي و تفصيلي زمين‌شناسي و اقليم‌شناسي منطقه اجراي طرح بايستي توسط مهندسين مشاور ذيصلاح پذيرد.
اقدام به جمع‌آوري اين اطلاعات و انجام مطالعات، اولين اقدام لازم در طراحي هرگونه فضاي زيرزميني بهر نوع و بهر شكل و براي هر هدفي كه باشد خواهد بود شناخت زمين‌شناسي محل احداث سازه، زيرزميني از ديدگاه تنشهاي موجود و بارهاي وارده بر وسائل نگهداري و انتخاب روشهاي كاربردي مطلوب حائز كمال اهميت است.
اطلاعاتي كه از نقشه‌هاي زمين‌شناسي بزرگ مقياس حاصل مي‌شود عمومي و كلي بوده و تمامي نيازهاي طراحان سازه‌هاي زيرزميني را در بر نمي‌گيرد. لذا براي تعيين دقيق مشخصات زمين‌شناسي، مطالعات كلي و دقيقتر خاك و سنگ از ضروريات اوليه طراحي است.
هدفهاي اصلي اكتشافات زمين‌شناسي
1ـ تعيين شرايط اوليه تشكيل و وضعيت واقعي سنگها، شرايط فيزيكومكانيكي آنها در محدوده حفريات و فاصله بين حفريات تا سطح زمين
2ـ تعيين شرايط سطحي زمين از نقطه‌نظر آبهاي سطحي، زهكشي‌هاي طبيعي، قناتها، چشمه و رودخانه‌ها
3ـ جمع‌آوري اطلاعات مربوط به گازدهي، حرارت و آب در زيرزمين
4ـ تعيين مشخصات زمين ساختي، تنشها و اثرات آنها روي دامنه فشارها در محدوده حفريات زيرزميني
مـراحـل اكتشـافي زمين‌شناسي از ديدگاه حفر و احداث حفريات زيرزميني
اقدامات اكتشافي از ديدگاه احداث حفريات زيرزميني شامل سه مرحله زير است:
الف ـ تحقيقات و اكتشافات مربوط به مشخصات عمومي طرح قبل از شروع طراحي
1ـ الف ـ بررسي كلي منطقه از ديدگاه تاريخي و آمارهاي موجود، سنگ‌شناسي چينه‌شناسي و محيط زيست
2ـ الف ـ بررسي عكس‌هاي هوائي، وضعيت گياهان منطقه، مشخصات بارز شيميائي سنگها و كشف شرايط اوليه تشكيل آنها (آذرين يا رسوبي)، مطالعه گسل‌ها و چين‌خوردگي‌ها
3ـ الف ـ مطالعات آب‌شناسي، وضعيت رودخانه‌ها، سيل‌ها، تعيين PH آب، تعيين مشخصات حرارتي و شيميائي و املاح موجود در آبهاي سطحي براي تشخيص طبيعت سنگها و جنس زمين
4ـ الف ـ مطالعات ژئوشيمي براي تعيين مشخصات شيميائي سنگها و خاكهاي سطحي
5ـ الف ـ تعيين مشخصات ژئوفيزيكي با روشهاي مقاومت الكتريكي، لرزه‌نگاري و غيره و مقايسه آنها با نمونه‌هاي حاصل از گمانه‌هاي اكتشافي
6ـ الف ـ مطالعات دقيق درزه‌ها، گسيختگي‌ها و تهيه نقشه‌هاي مربوطه
ب ـ تحقيقات دقيق ژئوتكنيكي (زيرزميني) بموازات طراحي و قبل از شروع عمليات احداث
1ـ ب ـ جمع‌اوري اطلاعات مسلم از شرايط فيزيكي و شيميائي سنگهاي دربرگيرنده حفريات، هوازدگي، وزن مخصوص و مقاومت آنها
2ـ ب ـ جمع‌اوري اطلاعات در مورد استقرار و شيب لايه‌ها، چين‌خوردگي‌ها، گسل‌ها، سطوح لايه‌بندي و درزه‌ها
3 ـ ب ـ جمع‌اوري اطلاعات مربوط به: مقدار، كيفيت، خواص شيميائي و عمق آبهاي زيرزميني
4 ـ ب ـ جمع‌اوري اطلاعات مربوط ب: مقدار، كيفيت و خواص شيميائي گازها و افزايش درجه حرارت زمين نسبت به عمق
ج ـ تحقيقات تكميلي در زمان عمليات احداث حفريات
تحقيقات تكميلي زير نه تنها براي كنترل اطلاعات داده شده توسط طراحان كه براي اطمينان از درستي روش اجرائي انتخاب شده و در صورت لزوم اصلاح و تغيير روشها بايستي صورت گيرد.
نمونه اين تحقيقات تكميلي در زمان احداث حفريات زيرزميني عبارتند از:
1ـ ج ـ حفر پيش تونلها و نمونه‌گيري از سنگهاي جلوتر از سينه‌كار و مطالعه ساير شرايط زمين محل طرح
2 ـ ج ـ تجزيه شيميائي آبها و گازها
3ـ ج ـ اندازه‌گيري تنشها و تقارب مقاطع
نتيجه‌گيري
احداث سازه‌هاي زيرزميني، در جهت دستيابي بهر هدف و يا در مسير حل هر مشكلي كه باشد، نسبت به احداث سازه‌اي مشابه در روي زمين بسيار پيچيده‌تر و مشكل‌تر و در نهايت بسيار گرانتر و پرهزينه‌تر خواهد بود
اجراي اينگونه طرحها، حتي با بكارگيري بهترين امكانات و توجه به كليه مقررات ايمني، نسبت به سازه‌هاي روي زمين، با خطرات جاني و مالي بيشتري روبرو مي‌باشد با توجه به اين حقايق است كه تهيه طرح توسط مهندسين مشاور، كه بر پايه مطالعات مقدماتي و تفصيلي زمين‌شناسي صورت پذيرفته باشد از الزامات و ضروريات هر پروژه زيرزميني است.
بدين ترتيب مشاور انتخابي براي طراحي سازه‌هاي زيرزميني بايد داراي توانائيهاي لازم جهت انجام دقيق اكتشافات و مطالعات موردنياز بوده و قدرت تحليل و طبقه‌بندي اطلاعات و كاربرد آنها را در طراحي صحيح پروژه داشته باشد و با كليه دستورالعمل‌هاي بين‌المللي اجرائي و روشهاي مدرن حفاري آشنا باشد.
بررسي نيروهاي وارده بر فضاهاي زيرزميني
1ـ تنش در پوسته زمين
وضعيت تنش در پوسته زمين، براي زمان و مكان معين، نتيجه تأثير نيروهايي با خصوصيات و فشارهاي گوناگون مي‌باشد. معمولاً قبل از شروع هر كار مهندسي در ساختارهاي زميني سعي مي‌شود وضعيت تنش را بدست آورد. وضعيت تنش زمين در حالت بكر پس از انجام عمليات حفاري و ايجاد ساختار دچار دگرگوني شده است و توزيع جديدي از تنش در سنگها و محدوده آن به وجود مي‌آيد.
تنشهاي مؤثر بر هر نقطه از پوسته زمين را مي‌توان ناشي از فشاهاي زير دانست.
1ـ تنشهاي ثقلي: اين تنشها بر اثر وزن طبقات فوقاني ايجاد مي‌شود. به واسطه محصور بودن سنگها در دل زمين، تنشهاي جانبي نيز در اثر فشار ثقلي گسترش مي‌يابد. (اثر پواسون)
2ـ تنشهاي تكتونيكي: اين تنشها بواسطه تنشها بواسطه تأثير نيروهاي تكتونيكي و زمين ساختي نظير كوهزائي و يا گسل بوجود آيد.
3ـ تنشهاي محلي: اين تنشها بواسطه ناهمگوني در جنس طبقات يا سنگهاي همجوار بوجود مي‌آيند. نظير تمركز تنش در عدسيهاي ماسه سنگي يا اطراف كنكرسيونها.
4ـ تنشهاي باقيمانده: اين تنشها در حين تشكيل طبقات يا توده سنگها و در اثر فرآيندهايي نظير كريستاليزاسيون، دگرگوني، رسوبگذاري، تحكيم و بي‌آب شدن در سنگها بسته به مورد گسترش مي‌يابد. مثلاً تنش حاصل در مرز بين كريستالهاي يك سنگ كه داراي خواص فيزيكي متفاوت بوده و سرد شدن آنها متشابه يكديگر نيست از اين نوع مي‌باشند.
از بين انواع تنشهاي فوق تنشهاي ثقلي را مي‌توان از طريق محاسبه بدست آورد. ذيلاً به انواع تنشهاي ثقلي و نحوه برآورد آنها اشاره مي‌كنيم.