در نوشته حاضر که توسط مهندس رامین اسماعیلی تهیه و تنظیم گردیده است مراحل کامل تونل سازی سپری (TBM) از مطالعات اولیه و ژئوتکنیکی گرفته تا حفر کامل و نگهداری دائمی آن در غالب توالی ساخت و تدارکات مورد نیاز همراه با تصاویر هر مرحله تشریح گردیده است. در زیر فهرست مطالب آورده شده در این مقاله 76 صفحه ای عنوان گردیده است. برای مشاهده متن کامل و دانلود این مقاله به ادامه مطلب بروید.

1-جمع آوری اطلاعات.. 5

1-1-اطلاعات اولیه. 5

1-2-اکتشاف مسیر تونل‌ها 5

1-3-گمانه و تونل پیشاهنگ... 7

2-طراحی هندسی تونل.. 10

3-تامین تجهیزات خارجی.. 11

3-1-تجهیزات حفاری.. 11

3-1-1-طراحی و انتخاب ماشین حفاری مکانیزه (TBM) 11

3-1-2-حمل دستگاه حفاری.. 13

3-1-3-مونتاژ دستگاه. 13

3-1-3-1-مونتاژ. 13

3-1-3-2-نصب مکانیکال. 19

3-1-3-2-SHIELDS-1. 19

3-1-3-2-MAIN DRIVE-2. 23

3-1-3-2-TAIL SKIN-3. 25

3-1-3-2-CUTTER HEAD-4. 27

3-1-3-2-GANTRY-5. 30

3-1-3-2-PUSH FRAME-6. 32

3-1-3-3-نصب هیدرولیک... 34

3-1-3-4-نصب الکتریکال. 34

3-1-3-4-1-نصب برق. 34

3-1-3-4-2-کابل کشی.. 35

3-1-3-4-3-راه اندازی فشار قوی.. 35

3-1-3-4-4-راه اندازی PLC  و  اطاق کنترل. 36

3-1-3-4-5-نصب سیستم تلفن اضطراری و سیستم اطفاء حریق.. 36

3-1-3-4-6-نصب تجهیزات برقی تسمه نقاله. 36

3-1-4-پیش راه اندازی دستگاه. 37

3-2-تجهیزات حمل و نقل.. 39

3-2-1- سیستم حمل سگمنت و فوم و گروت و ...(MSV) 39

3-2-2- تسمه نقاله. 40

3-3-تجهزات ساخت سگمنت.. 42

4-تامین تجهزیات داخلی.. 43

4-1-تامین نیروگاه برق. 43

4-1-1-نیروگاه تامین برق. 43

4-1-2-ژنراتور. 44

4-1-3-ترانسفورماتور. 45

4-1-4-تابلو برق. 45

4-1-5-باتری شارژی.. 46

4-1-6-مقاومت زمین NGR. 46

4-1-7-کابل کشی.. 46

4-2-سایر تجهزیات.. 47

4-2-1-سیستم پمپاژ. 47

4-2-2-جرثقیل سقفی.. 47

4-2-3-جرثقیل دروازه ای.. 48

4-2-4-تاسیسات مرکزی بتن و سیلو. 49

4-2-5-سیستم تهویه هوای تونل.. 50

5-اجرا 50

5-1-نحوه اجرای تونل.. 50

5-2-تجهیزات اولیه کارگاه. 52

5-2-1-ساختمانی.. 52

5-2-1-1-تجهیز کارگاه. 52

5-2-1-2-آزمایشگاه. 53

5-2-1-3-ساختمان های پشتیبانی.. 54

5-2-1-4-محوطه سازی.. 55

5-2-1-5-سالن تولید سگمنت.. 56

5-2-1-6-سالن سبد بافی.. 57

5-2-1-7-انبار دپوی سگمنت.. 58

5-2-2-شفت.. 59

5-2-3-تولید بتن.. 61

5-3-سگمنت.. 62

5-3-1-طراحی.. 62

5-3-2-تولید. 62

5-3-2-1-سبد بافی.. 62

5-3-2-1-بتن ریزی.. 63

5-3-2-1-برداشت.. 65

5-3-3-حمل.. 66

5-3-3-1-تا محل دپو. 66

5-3-3-2-به داخل تونل.. 67

5-4-روشهای پایدار سازی سینه کار. 68

5-5-گير كردن و توقف دستگاه(TBM) 69

5-6- نحوه نصب سیستم نگهداری.. 70

فهرست مطالب

1-جمع آوری اطلاعات.. 5

1-1-اطلاعات اولیه. 5

1-2-اکتشاف مسیر تونل‌ها 5

1-3-گمانه و تونل پیشاهنگ... 7

2-طراحی هندسی تونل.. 10

3-تامین تجهیزات خارجی.. 11

3-1-تجهیزات حفاری.. 11

3-1-1-طراحی و انتخاب ماشین حفاری مکانیزه (TBM) 11

3-1-2-حمل دستگاه حفاری.. 13

3-1-3-مونتاژ دستگاه. 13

3-1-3-1-مونتاژ. 13

3-1-3-2-نصب مکانیکال. 19

3-1-3-2-SHIELDS-1. 19

3-1-3-2-MAIN DRIVE-2. 23

3-1-3-2-TAIL SKIN-3. 25

3-1-3-2-CUTTER HEAD-4. 27

3-1-3-2-GANTRY-5. 30

3-1-3-2-PUSH FRAME-6. 32

3-1-3-3-نصب هیدرولیک... 34

3-1-3-4-نصب الکتریکال. 34

3-1-3-4-1-نصب برق. 34

3-1-3-4-2-کابل کشی.. 35

3-1-3-4-3-راه اندازی فشار قوی.. 35

3-1-3-4-4-راه اندازی PLC  و  اطاق کنترل. 36

3-1-3-4-5-نصب سیستم تلفن اضطراری و سیستم اطفاء حریق.. 36

3-1-3-4-6-نصب تجهیزات برقی تسمه نقاله. 36

3-1-4-پیش راه اندازی دستگاه. 37

3-2-تجهیزات حمل و نقل.. 39

3-2-1- سیستم حمل سگمنت و فوم و گروت و ...(MSV) 39

3-2-2- تسمه نقاله. 40

3-3-تجهزات ساخت سگمنت.. 42

4-تامین تجهزیات داخلی.. 43

4-1-تامین نیروگاه برق. 43

4-1-1-نیروگاه تامین برق. 43

4-1-2-ژنراتور. 44

4-1-3-ترانسفورماتور. 45

4-1-4-تابلو برق. 45

4-1-5-باتری شارژی.. 46

4-1-6-مقاومت زمین NGR. 46

4-1-7-کابل کشی.. 46

4-2-سایر تجهزیات.. 47

4-2-1-سیستم پمپاژ. 47

4-2-2-جرثقیل سقفی.. 47

4-2-3-جرثقیل دروازه ای.. 48

4-2-4-تاسیسات مرکزی بتن و سیلو. 49

4-2-5-سیستم تهویه هوای تونل.. 50

5-اجرا 50

5-1-نحوه اجرای تونل.. 50

5-2-تجهیزات اولیه کارگاه. 52

5-2-1-ساختمانی.. 52

5-2-1-1-تجهیز کارگاه. 52

5-2-1-2-آزمایشگاه. 53

5-2-1-3-ساختمان های پشتیبانی.. 54

5-2-1-4-محوطه سازی.. 55

5-2-1-5-سالن تولید سگمنت.. 56

5-2-1-6-سالن سبد بافی.. 57

5-2-1-7-انبار دپوی سگمنت.. 58

5-2-2-شفت.. 59

5-2-3-تولید بتن.. 61

5-3-سگمنت.. 62

5-3-1-طراحی.. 62

5-3-2-تولید. 62

5-3-2-1-سبد بافی.. 62

5-3-2-1-بتن ریزی.. 63

5-3-2-1-برداشت.. 65

5-3-3-حمل.. 66

5-3-3-1-تا محل دپو. 66

5-3-3-2-به داخل تونل.. 67

5-4-روشهای پایدار سازی سینه کار. 68

5-5-گير كردن و توقف دستگاه(TBM) 69

5-6- نحوه نصب سیستم نگهداری.. 70

مراحل ساخت تونل

1-جمع آوری اطلاعات

1-1-اطلاعات اولیه

تونلها و فضاهای زیزمینی برای مقاصد گوناگونی ساخته می‌شوند. از جمله: تونلهای حمل و نقل و دسترسی، تونلهای آب بر، مغارها، فضاهای زری زمینی (ایستگاه‌های مترو، نیروگاه‌ها، انبارهای زیرزمینی و کارگاه‌های استخراج مواد معدنی).

طراحی هر یک از فضاهای فوق مستلزم دسترسی به داده‌های مناسب و به کارگیری تمهیدات ویژه‌است. در هر مورد طراح باید ضمن آگاهی دقیق از شرایط زمین، ابتدا در جهت بهبود کیفیت مصالحی که قرار است تونل در آن حفر شود، اقدام نماید. در بسیاری از زمینها تونل‌های حفر شده نمی‌توانند خودنگهدار باشند و برای پابرجا نگهداشتن آنها باید از حایلهایی استفاده کرد.

به نظر می‌رسد که مهمترین عامل در طراحی تونل، یا هر فضای زیرزمینی دیگر، تامین پایداری آن است. قرارگیری این گونه سازه‌ها در میان مصالح طبیعی، یعنی سنگ و خاک، باعث شده‌است که شرایط زمین‌شناسی نقش اصلی را در پایداری ایفا نمایند.

1-2-اکتشاف مسیر تونل‌ها

از میان کلیه فعالیتهای مهندسی عمران، حفر تونل و بطور کلی فضاهای زیرزمینی، بیش از همه نیاز به شناسایی زمین و در نتیجه همکاری زمین شناس خبره دارد. این گونه سازه‌ها باید در زمینی مطمئن و مقاوم ایجاد شوند، ولی شرایط درون زمین بسیار متغیر است و بر خلاف سطح زمین، امکان شناسایی و دسترسی به تمام نقاط آن نیز وجود ندارد.

زمین‌های سست و ریزشی، خرد شده و گسل خورده، هوازده و متورم شونده و بالاخره آبدار، بیشترین مشکلات را برای حفر تونل بوجود می‌آورند و این در حالی است که در بسیاری موارد انتخاب زمین مناسب با ما نیست. به عنوان مثال، اغلب تونلهای راه یا راه آهن محلهای گذر اجباری‌اند و نمی‌توان مسیر آنها را برای رسیدن به زمین قابل اطمینان، به مقدار زیاد تغییر داد.

در چنین شرایطی وظیفه کاوشگر عبارتست از: مطالعه مسیر موجود و کسب آن گونه اطلاعاتی است که با استفاده از آنها بتوان طراحی تونل را به انجام رساند، به نحوی که با بکارگیری کمترین پوشش استحکامات داخلی، سازه زیرزمینی پایداری قابل قبولی در برابر عوامل مخرب داشته باشد.

رکن اصلی بررسی‌های مربوط به فضاهای زیرزمینی و تونل‌ها را حفاری‌های اکتشافی تشکیل می‌دهد. حفر گمانه یا تونل اکتشافی معمولاً پرخرج است، ولی اطلاعات دست اولی از شرایط حکمفرما در زمین در اختیار جستجوگر قرار می‌دهد.

حفر گمانه‌های اکتشافی، مخصوصا اگر با مغزه گیری همراه باشد، بیشترین اطلاعات را در مورد شرایط حکمفرما در زیرزمین بدست می‌دهد. البته چون حفاری همراه با مقره گیری عملی وقت گیر و پرهزینه‌است، جستجوگر باید با دقت زیاد محل حفر گمانه‌ها و عمق آنها را تعیین نماید. در طول پیشرفت حفاری نیز باید مقره‌های حفاری بطور مرتب مورد بررسی قرار گرفته و در اعماق مناسب آزمایشهای ژئوتکنیکی لازم انجام گیرد. مقره‌های حفاری به ترتیب خاص و در جعبه‌های مخصوص برای بررسیهای بیشتر در آینده یا استفاده احتمالی پیمانکار محفوظ نگهداشته می‌شود.

در زمین‌های نرم و عملیات اکتشافی مسیر تونلهای زیرآبی، گمانه‌ها را می‌توان بسته به شرایط، به فاصله ۱۵۰ تا ۳۰۰ متر از یکدیگر حفر نمود. البته در جاهایی که قرار است سازه‌های زیرزمینی قرار گیرد، شبکه حفاری می‌توان متراکم‌تر باشد. کلیه حفاریها باید تا پائین‌تر از تراز کف تونل مورد نظر ادامه یابد. برای تونلی که قرار است در سنگ حفر شود، مخصوصا اگر طویل هم باشد، امکان حفاری محدود است و تنها هرجا که لازم و امکان پذیر است، انجام می‌شود. در سنگ نیز باید، در کلیه گمانه‌ها سطح آب زیرزمینی و وجود احتمالی هر نوع گاز سمی یا قابل انفجار یادداشت شود.

1-3-گمانه و تونل پیشاهنگ

امروزه در برخی از پروژه‌های حساس یا در جاهایی که زمین‌شناسی به شدت پیچیده‌است، از دو مدخل، تونل موردنظر و در امتداد محور آن تونل پیشاهنگ حفر می‌شود. این تونل سطح مقطعی کوچک دارد و ممکن است تمام مسیر تونل اصلی را دربر گیرد.

نظر به اینکه حفر تونلهای پیشاهنگ بسیار وقت‌گیر و پرهزینه ‌است، اغلب به جای آن از گمانه‌های پیشاهنگ استفاده می‌شود. البته در بسیاری موارد این نوع گمانه پس از پایان عملیات اکتشافی و طراحی تونل و در زمان عملیات اجرائی حفر می‌گردد. به این ترتیب که با حفر گمانه‌هایی در سینه کار تونل و هم محور با آن، شرایط زمین تا چندین متر جلوتر شناسائی شده و در صورتی که مشکلی، مانند برخورد به زمین‌های سست یا خرد شده یا هجوم آب، در پیش رو باشد، در فاصله زمانی موجود، برای مقابله با آن اقدام می‌شود.

در نهایت بطور خلاصه مطالعه ساختگاه تونل را می توان به مراحل زیر تقسیم بندی کرد:

1- جمع آوري اطلاعات:

كه با مراجعه به سازمان ها و مؤسساتي كه احتمال دارد در منطقه كار كرده باشند مي توان اطلاعات احتمالي را به دست آورد.

2- بررسي نقشه هاي توپوگرافي و عكسهاي هوايي منطقه:

براي آگاهي از وضعيت توپوگرافي منطقه بايد بزرگ مقياس ترين نقشه موجود را مطالعه كرد. مطالعه عكسهاي هوايي منطقه در بسياري موارد اطلاعات با ارزشي دست مي دهد مانند چين خوردگي ها، درزه ها، گسل ها و ...

3- مطالعات زمين شناسي سطحي:

آگاهي از وضعيت زمين شناسي منطقه از جمله ضروري ترين اطلاعات مورد نياز طراحي تونل ها است.

4- مطالعات ژئوفيزيكي:

مهمترين كاربرد روشهاي ژئوفيزيكي در اكتشاف ساختگاه تونل ها، تعيين موقعيت هاي غيرعادي است كه بايد به وسيله روشهاي مستقيم و دقيق تر، بررسي شود.

5- حفر گمانه هاي اكتشافي:

هدف از حفر گمانه هاي اكتشافي شناسايي وضعيت، ضخامت، جنس و مشخصات فيزيكي و مكانيكي سنگ هايي است كه تونل از آنها عبور مي كند.

6- مطالعات آب شناسي:

از آنجا كه وضعيت آبهاي زيرزميني منطقه و نفوذپذيري سنگها چه از نقطه نظر حفر تونل و چه از نظر طراحي سيستم نگهداري آن اهميت زيادي دارد. لذا بعضي مطالعات آب شناسي نيز انجام مي گيرد.

7- آزمايش هاي برجا:

روشهاي تعيين مشخصات ژئوتكنيكي زمين به حالت برجا از جمله مهمترين مطالعاتي است كه قبل از احداث تونل انجام مي گيرد.

8- پيش بيني نشست زمين:

با توجه به اهميت پديده نشست زمين بايد روشهايي را براي حفر و نگهداري تونل ها برگزيد كه نشست به حداقل ممكن برسد.

قبل از اینکه وارد بخش های دیگر شویم لازم است کلیتی در مورد تونل زنی در سنگ و خاک مورد بحث قرار گیرد:

حفاری تونل در سنگ و خاک

 برای حفاری تونلها روشهای متنوعی ابداع شده‌است. بطور معمول توده‌های سنگی با روشهای متداول چالزنی و انفجار و تخلیه حفاری می‌شوند، یا اینکه از ماشینهای حفار TBM استفاده می‌شود.

تونل‌زنی در سنگ

رایج‌ترین روش حفر تونل در زمینهای سنگی استفاده از انفجار مواد آتشزا است. حفاری تونل در سنگ معمولاً تکرار چرخه چالزنی، انفجار، تخلیه مواد و نصب حایلها است. طرح، فاصله و عمق چالها، مقدار و نحوه خرج‌گذاری و آتشکاری آنها و ساخت سنگ عواملی مهم در شکل مقطع حفاری شده‌اند. در حفاریهایی که در سنگ انجام می‌شود، هدف نهایی آن است که سطح مقطع حاصل از انفجار کاملاً مشابه مقطع طراحی شده باشد.

در روش سنتی در هر بار عملیات انفجاری در حدود یک متر و نیم تونل حفر می‌شود که با برداشتن سنگ‌های باطله این میزان پیشروی می‌کنند. حفر تونل با کار گذاشتن مواد انفجاری در محوطه مورد نظر که با فرمولی خاص انجام می‌شود، صورت می‌گیرد.

سنگ‌های باطله‌ای که در اثر انفجار به وجود می‌آید توسط یک ماشین سنگ‌خردکن آنها به داخل واگن حمل سنگ که در پشت این ماشین قرار گرفته‌است رسانده شده و به سمت آسانسور برای انتقال به بیرون هدایت می‌شود. حمل واگن‌ها تا آسانسور توسط کارگران صورت می‌گیرد. یکی از مهمترین مراحل کار محکم‌سازی دیواره‌ها و سقف تونل پس از حفر است. این کار به چند روش از جمله مش‌گذاری بر روی سقف و دیواره‌ها و نصب میله‌های منحنی شکل (قاب) با فاصله‌هایی نزدیک به یکدیگر انجام می‌شود. در هر دو روش فوق دیواره و سقف با بتن در برابر ریزش‌های احتمالی مقاوم سازی می‌شود.

تونل‌زنی در خاک

حفاری تونلها در خاک بطور دستی و مکانیکی یا بطور خودکار و با مدد گرفتن از ماشینهای حفار تونل انجام می‌شود. انتخاب روش تونل‌زنی در خاک و نحوه نگهداری آن با توجه به شرایط زمین، ابعاد حفاری زیرزمینی، مقدار پیشروی در هر مرحله و مانند آن انجام می‌شود. بطور کلی، حفاری در خاک در عمل تکرار چرخه‌ای متشکل از حفاری، خارج کردن مواد و قرار دادن حایلهاست.

در روش سنتی، طول پیشروی در هر چرخه عمدتاً بستگی به شرایط زمین دارد و معمولاً از فاصله بین قاب‌ها یا صفحات پوششی تجاوز نمی‌کند. روش دیگر حفاری و نگهداری خاک استفاده از سپر است. سپر اغلب به صورت استوانه‌ای است که بطور افقی قرار گرفته و از یک قاعده آن حفاری انجام می‌شود و پس از آنکه مواد حفاری شده تخلیه گردید، سپر به جلو رانده می‌شود.

حفاری تونل مترو

حفاری تونل‌های مترو به سه روش انجام می‌شود: ترانشه باز، اتریشی و ماشین حفار.

    روش ترانشه باز: در این روش ساخت، ابتدا بررسی و آزمایش‌های ژئوتکنیکی برای تشخیص لایه‌های زمین و مقاومت خاک در مسیر حفر تونل صورت گرفته و پس از خاکبرداری و گود کردن تونل، کف منطقه گودبرداری شده تسطیح، آرماتوربندی و سپس بتن ریزی می‌شود.

    روش اتریشی: در این روش، مانند همان روشی که در حفر قنوات استفاده می‌شود، با یک شفت یا رمپ به عمق مورد نظر رسیده، سپس اقدام به حفر تونل می‌نمایند. تونل خاک برداری شده در مقاطع فوقانی و تحتانی، ابتدا حفاظت موقت شده و در نهایت؛ قالب بندی، آرماتور بندی و بتن ریزی می‌شود.

    روش ماشین حفار: ساخت تونل با ماشین حفار در خیابان‌های پرترافیک و در مناطقی که سطح سفره آب‌های زیرزمینی بالا است، کاربرد دارد. در این روش، یک رمپ برای ورود ماشین حفار به عمق زمین ایجاد شده و پس از آن ماشین حفار کار حفاری و ساخت تونل در زیر زمین را آغاز می‌کند. ماشین حفار به دستگاه خاک‌برداری دوار با مقاومت زیاد و تعدادی چک‌های هیدرولیکی که به طور افقی حرکت می‌کنند، مجهز است. با پیشروی در دل خاک، تونل حفاری شده و خاک ناشی از حفاری، توسط تسمه نقاله به قطارهای حمل خاک که در پشت ماشین قرار دارند، به سمت عقب هدایت می‌شود. پس از آن، قطعات پیش‌ساخته بتنی توسط ماشین نصب می‌گردد.

2-طراحی هندسی تونل

طرح هندسي تونل عبارت است از: شكل و مشخصات مقطع در زمان اجرا و بهره برداري. با عنايت به مطالعات انجام گرفته در مرحله مقدماتي و نيز فرض حفار تونل با استفاده از دستگاه هاي حفر تمام مقطع تونل (TBM)، شكل مقطع دايره اي مي باشد.

ابعاد بهينه مورد نياز و قطر مفيد تونل نخست بستگي به گاباري ناوگان دارد.  عرض واگن ها،  فاصله بين محور خطوط داخلي تونل، شبكه برق و سيستم روسازي تونل را نیز باید در نظر گرفت.

با مشخص بودن قطر مفيد تونل مي توان با توجه به ضخامت سگمنت و نيز فضاي مورد نياز پشت آن، قطر حفاري تونل را مشخص نمود.

طراحي شكل و ابعاد مقطع تونل بسته به نوع كاربري آن و شرايط زمين شناختي منطقه فرق مي كند. به عنوان مثال تونل هاي معادن داراي سطح مقطع ذوزنقه اي شكل، تونل هاي راه به شكل هلالي، تونل هاي راه آهن به شكل دايره و چهارگوش، و تونل هاي آبرساني نيز با توجه به حداكثر توان پيش بيني شده نيروگاه فرق مي كند.

نقش شرايط زمين شناختي در طراحي تونل:

1- چين خوردگي: وجود چين خوردگي در سنگ سبب كاهش مقاومت آن مي شود و در اثر احداث تونل ممكن است درز و شكافهاي بيشتري را در سنگ سبب شود.

2- گسل: وجود گسل سبب ايجاد صفحات شكستگي در سنگ مي شود كه پس از حفر تونل احتمال لغزش قطعات سنگ را به دنبال دارد.

3- آب زيرزميني: وجود آب زيرزميني از جمله مسائلي است كه علاوه بر آنكه عمليات تونل سازي را با مشكل مواجه مي سازد خطراتي را نيز در پي دارد.

مواردي كه در بالا اشاره شد از جمله مهمترين مسائلي بود كه در طراحي تونل نقش دارند ولي مواردي مانند زمين هاي آماس پذير، درزه ها، گازهاي موجود در سنگ ها، دماي سنگها، زمين هاي رانشي و ... نيز در طراحي تونل ها نقش دارند كه از اهميت كمتري برخوردارند.

3-تامین تجهیزات خارجی

این تجهیزات شامل تجهیزات حفاری، تجهیزات حمل و نقل و تجهیزات ساخت سگمنت است که در ادامه به تفصیل در مورد هر کدام بحث خواهیم کرد.

3-1-تجهیزات حفاری

در این بخش مواردی از قبیل طراحی و انتخاب، ساخت، حمل، مونتاژ و پیش راه اندازی دستگاه حفاری را بایستی در نظر گرفت.

3-1-1-طراحی و انتخاب ماشین حفاری مکانیزه (TBM)

با توجه به مطالعات اولیه پروفیل و پلان مسیر و عمق و ارتفاع کف خط ریلی مترو واقع در آن سطح زمین، لحاظ نمودن سرعت در اجرا، هزینه، ایمنی و ...همچنين با در نظر گرفتن بالا بودن سطح آبهای زیرزمینی منطقه روش ايمن و قابل اعتماد براي حفاري تونل انتخاب خواهد شد.

روش حفاری با دستگاه های TBM امکان ایجاد فضاهای زیرزمینی با پوشش کم در زمین های ناپایدار و شرایط آبهای زیرزمینی بدون ایجاد نشست قابل ملاحظه و اغتشاش در سطح فراهم می گردد.

امروزه تونل سازی با دستگاه های TBM در زمین های نامناسب، دارای ترافیک عبوری زیاد، یک روش مناسب و اقتصادی و با نرخ پیشروی مناسب می باشد. از عمده مزایای حفاری با TBM می توان موارد زیر را نام برد:

1- تاثیرگذاری کمتر عملیات حفاری بر ترافیک محدوده اجرای پروژه نسبت به سایر روش ها

2- نرخ پیشروی بالاتر

3- ایمنی بالا با توجه به نصب سریع پوشش

4- کنترل نشست زمین با توجه به وجود ساختمان ها و محدوده مسکونی- اداری در طول مسیر

5- عمر طولانی و کیفیت مطلوب تونل های ساخته شده با TBM

6- سازگاری با محیط زیست و آلودگی کمتر صوتی

7- زیبایی و یکنواختی بدنه تونل (با توجه به یکسان بودن قالب بندی سگمنت های آن)

8- وابستگی کمتر به نیروی انسانی تونل سازي با استفاده از TBM به منظور كاهش هر چه بيشتر ريزش خاك ،كنترل و محدود كردن نشست هاي سطحي زمين توسعه يافته است.

همراه با كنترل حجم خاك حفاري شده، مديريت فشار مورد نياز براي نگهداري جبهه تونل از مهمترين عوامل تضمين كننده بهره برداري و عملكرد موفقيت آميز دستگاه TBM است. تغيير شكل هاي زمين كه احتمالاً تأثيرات نامطلوبي بر سازه هاي بالاي تونل دارد با استفاده از سيستم پوشش نهايي اجرا شده در تونل سازي مكانيزه در شرايط كاملاً آب بندي شده به حداقل مي رسد.

بدين صورت كه سگمنت هاي (قطعات) بتني آماده شده در كارخانه سگمنت سازي توسط راه هاي دسترسي با شيب 5 درصد وارد شفت شده و در محل مخصوص خود داخل دستگاه TBM قرار مي گيرند. دستگاه توسط بازوهاي خود بلافاصله پس از حفر تونل، سگمنتهاي بتني را جايگذاري مي كند و گروت آماده شده را به محل درزهاي سگمنت ها تزريق كرده تا بدنه تونل به صورت يك قطعه يكپارچه درآيد. لازم به ذكر است گروت در تانك هاي مخصوص از محل ساخت گروت توسط دستگاه MSV وارد شفت و سپس وارد محل مخصوص خود در داخل دستگاه TBM مي شود. روند كار حفاري در ماشین EPB TBM بدين صورت است كه نيروي فشاري ايجاد شده توسط ماشين حفاري از طريق جك هاي فشاري كه در پشت ديواره جداكننده قرار دارند، به خاك محصور شده در محفظه پشت سر حفار منتقل مي شود. يك نقاله مارپيچ، خاك حفاري شده داخل محفظه را خارج مي كند.

3-1-2-حمل دستگاه حفاری

با توجه به اینکه دستگاه حفاری مکانیزه توسط شرکت های خارجی ساخته می شود لذا حمل TBM به ايران معمولا توسط كشتي و از آنجا با  تريلي كمرشكن و بوژي تا محل كارگاه، انجام می گیرد. 

3-1-3-مونتاژ دستگاه

3-1-3-1-مونتاژ

3-1-3-2-نصب مکانیکال

3-1-3-2-SHIELDS-1

3-1-3-2-MAIN DRIVE-2

3-1-3-2-TAIL SKIN-3

3-1-3-2-CUTTER HEAD-4

3-1-3-2-GANTRY-5

3-1-3-2-PUSH FRAME-6

3-1-3-3-نصب هیدرولیک

پس از نصب قطعات اصلي (نصب مكانيكال) TBM نصب هيدروليك انجام مي گيرد كه شامل اتصال مدارهاي هيدروليكي گنتري ها و شيلد به يكديگر و چك كردن آن با نقشه ها، نصب پمپ هاي هيدروليك و شارژ تانك هيدروليك و ... مي باشد.

3-1-3-4-نصب الکتریکال

3-1-3-4-1-نصب برق

3-1-3-4-2-کابل کشی

3-1-3-4-3-راه اندازی فشار قوی

پس از آماده شدن نيروگاه و تست كابل هاي 20 كيلو ولت برق فشار قوي به TBM متصل مي گردد و كليه ترانس ها و تابلوهاي برق كه قبلا نصب گرديده برق دار مي شود. پس از آن كليه سيستم هاي هيدروليكي دستگاه TBM آماده تست و راه اندازي مي گردد.

3-1-3-4-4-راه اندازی PLC  و  اطاق کنترل

3-1-3-4-5-نصب سیستم تلفن اضطراری و سیستم اطفاء حریق

اين سيستم ها جهت اطلاع رساني و حفاظت بر روي دستگاه TBM نصب مي گردد.

3-1-3-4-6-نصب تجهیزات برقی تسمه نقاله

3-1-4-پیش راه اندازی دستگاه

3-2-تجهیزات حمل و نقل

یکی از مهم ترین فعالیت ها در اجرای تونل، سیستم حمل و نقل آن می باشد، به نحوی که بدون آن عملیات تونلساری میسر نخواهد بود. تخلیه مصالح از یکسو و رساندن وسایل، ابزارآلات، تجهیزات مصرفی به جبهه کار از سوی دیگر اهمیت این فعالیت را در روند اجرای تونل آشکار می نماید. به این مهم می بایست انتقال پرسنل و جابجایی آنها در محل کار را که در فواصل طولانی و تونل های طویل بدون استفاده از وسایل نفربر، زمانبر و غیر اقتصادی است، را اضافه نمود. ترابری یکی از اقدامات اساسی در امر تونلسازی است که مجموعه تجهیزات و ماشین آلات مربوط به آن از اقلام  اصلی و هزینه بر می باشد، که میزان این هزینه به روش اجرا و نوع ماشین آلات بکار گرفته شده بستگی دارد.

 حمل و نقل به دو دسته حمل و نقل داخل تونل و خارج از تونل تقسیم بندی می شوند. سیستم های مختلفی جهت حمل و نقل حین اجرای پروژه های تونلی مورد استفاده قرار می گیرند که بسته به شرایط، هر یک ازآنها از اولویت خاصی برخوردار می باشد.

         سیستم حمل و نقل داخل تونل:

1- سیستم حمل مصالح حفاری شده (تسمه نقاله(

2-سیستم حمل سگمنت و فوم و گروت و ...(MSV)

3-2-1- سیستم حمل سگمنت و فوم و گروت و ...(MSV)

3-2-2- تسمه نقاله

3-3-تجهزات ساخت سگمنت

4-تامین تجهزیات داخلی

4-1-تامین نیروگاه برق

4-1-1-نیروگاه تامین برق

در هنگام حفاری بیشترین مصرف برق در TBM، چهار (4) مگاوات است که برای تامین آن باید نیروگاه 5 مگاواتی با خروجی 20 کیلو ولت طراحی، خریداری و نصب شود.

جهت تامین برق TBM با مشخصات بالا نیاز به ژنراتور و مولد برق، ترانسفورماتور، خط انتقال برق و تابلو برق 20 کیلو ولت می باشد.

برای تامین 5 مگاوات برق مصرفی TBM تعداد 4 عدد ژنراتور 1/5 مگاواتی كه به صورت موازي با يكديگر كار مي كنند. اين ژنراتورها برق توليدي را پس از عبور از ترانسفورماتور به تابلو برق 20 كيلو ولت ارسال مي كنند.

برق ورودي به تابلو 20 كيلو ولت با يك خروجي و كابل 20 كيلو ولت به دستگاه TBM انتقال مي يابد.

جهت كاركرد صحيح مجموعه بالا يك دستگاه مقاومت زمين NGR و يك دستگاه باتري شارژر مورد نیاز است.

4-1-2-ژنراتور

4-1-3-ترانسفورماتور

4-1-4-تابلو برق

4-1-5-باتری شارژی

جهت تامين برق رله هاي حفاظتي تابلو برق 20 كيلو ولت نيروگاه، يك عدد باتري شارژر 50آمپر ساعتي، مورد نیاز است.

4-1-6-مقاومت زمین NGR

جهت محدود نمودن جريان اتصال فازها به زمين در تونل، يك عدد مقاومت زمين،NGR، براي نيروگاه، نصب می گردد.

4-1-7-کابل کشی

4-2-سایر تجهزیات

4-2-1-سیستم پمپاژ

4-2-2-جرثقیل سقفی

4-2-3-جرثقیل دروازه ای

4-2-4-تاسیسات مرکزی بتن و سیلو

4-2-5-سیستم تهویه هوای تونل

پس از بررسي لازم در مورد آلاينده هاي هواي داخل تونل، نوع و غلظت گازهاي زيرزميني، ميزان تردد نفرات و تجهيزات حمل و نقل و آلودگي ايجاد شده توسط دستگاه حفار، ميزان هوارساني جهت تهويه هواي تونل در زمان حفاري محاسبه و سیستم تهویه (معمولا فن) مناسب انتخاب می گردد.

5-اجرا

5-1-نحوه اجرای تونل

پوشش بتني پيش ساخته تونل بلافاصله پس از انجام هر سيكل حفاري نصب مي شود. پس از اتمام نصب پوشش بتني پيش ساخته در پشت آن عمليات تزريق گروت انجام مي شود.

- مراحل حفاري با دستگاه حفر تمام مقطع (TBM):

مراحل عمومي اجراي تونل با ماشين حفار تمام مقطع TBM به شرح زير مي باشد:

1- گودبرداري براي احداث تاسيسات لازم در شروع عمليات حفاري

2- انتقال اجزاء ماشين به داخل گود

3- مونتاژ

4- احداث اجزاي تكيه گاهي جهت شروع حركت ماشين

5- حفاري تونل

6-انتقال خاك هاي حفاري شده توسط تسمه نقاله به خارج از تونل

7- انتقال قطعات پيش ساخته بتني توسط دستگاه حمل MSV: Multi Service Vehicles

8- نصب قطعات پيش ساخته توسط ماشين

9- تزريق بتن در پشت ديواره مدور ساخته شده از المان هاي پيش ساخته و تكرار عمليات حفاري

- 10اجرای معماری مبادی (پرتال) ورودی و خروجی

11- اجرای سیستم های برقی و مکانیکی مورد نیاز (سیستم‌های کنترلی، روشنایی، تهویه، تاسیسات و ...)

12- کف سازی

13-اجرای علائم هشدار دهنده

14-محوطه سازی مورد نیاز در مبادی ورودی و خروجی

همزمان با کلیه عملیات فوق، عملیات کنترلی و تطابق عملیات اجرایی با طرح‌های مصوب، اعم از نقشه‌برداری، آزمایشات مختلف و ... انجام می‌شود.

5-2-تجهیزات اولیه کارگاه

5-2-1-ساختمانی

5-2-1-1-تجهیز کارگاه

5-2-1-2-آزمایشگاه

5-2-1-3-ساختمان های پشتیبانی

5-2-1-4-محوطه سازی

5-2-1-5-سالن تولید سگمنت

5-2-1-6-سالن سبد بافی

5-2-1-7-انبار دپوی سگمنت

5-2-2-شفت

جهت جلوگیري از ریزش دیواره هاي خاکی ایجاد شده، لازم است که خاك تحکیم گردد. این هدف با انجام nailing تامین می شود. سپس سازه هاي نگهبان بر روي آن ها اجرا می شود تا از استحکام دیوارهاي جانبی اطمینان حاصل شود.

5-2-3-تولید بتن

5-3-سگمنت

5-3-1-طراحی

طراحی سگمنت در دو بخش طرح هندسی و طرح سازه ای انجام می گیرد. پارامتر های طرح هندسی سگمنت شامل شکل, طول, تعداد قطعات, عرض و ضخامت سگمنت می باشند که تاثیر زیادی بر زمان و هزینه اجرای پروژه دارند. با استفاده از نتایج بدست آمده از طرح هندسی, سازه سگمنت تحت بارگزاری های محتمل در زمان ساخت و نصب مورد کنترل و ارزیابی قرار گرفته و طرح سازه ای آن ارائه می گردد. در نهایت پیمانکار طرح و ساخت با استفاده از طرح مصوب طراحی سگمنت اقدام به تهیه قالب سگمنت می نماید.

5-3-2-تولید

5-3-2-1-سبد بافی

5-3-2-1-بتن ریزی

بتن ساخته شده در بچینگ توسط تعدای دستگاه تراک میکسر به درون کارخانه سگمنت حمل گشته سپس قالب ها به صورت رینگ به رینگ بتن ریزی می گردند.

در حین بتن ریزی عمل ویبره زدن به وسیله تعدادی ویبره بادی بسیار قوی( با فشار 8 اتمسفر) که در کف قالب ها تعبیه شده، متراکم می گردد.

پس از آن سطح روی بتن اره کشی و ماله کشی شده و در نهایت عملیات کیورینگ بتن به کمک رادیاتورهای حرارتی و کاورکشی به مدت 10 ساعت ادامه می یابد.

5-3-2-1-برداشت

پس از آنکه عملیات کیورینگ به پایان رسید درب های قالب که در قسمت فوقانی و پیرامونی وجود دارد، باز شده و هر سگمنت بوسیله دستگاه تولید خلاء (Vacum) از درون قالب برداشته و به دستگاه برگردان سگمنت(Segment Table) تحویل می گردد.

این دستگاه سگمنت ها را به میزان 180 درجه دوران داده و آماده حمل به دپو می نماید.

با استفاده از گیره (Clamps) بتن به دپوی موقت حمل می گردد.

5-3-3-حمل

5-3-3-1-تا محل دپو

سگمنت ها به وسیله دو عدد کفی تریلر از دپوی موقت موجود در کارخانه سگمنت به دپوی اصلی حمل می گردند. بر روی هر تریلر معمولا 9 عدد سگمنت بارگیری می شود.

سگمنت ها در دپوی موقت نام گذاری و بر همین اساس در دپوی اصلی چیده می شوند.

5-3-3-2-به داخل تونل

 وظیفه حمل سگمنت ها از دپوی اصلی به داخل تونل را دستگاه MSV به عهده دارد. این خودروها به علت ارتفاع کم و نوع کابین آن امکان رفت و آمد به درون تونل و زیر دستگاه TBM را دارند.

5-4-روشهای پایدار سازی سینه کار

از جمله عوارض زمين شناسي كه تاثير بسيار زيادي بر عمليات حفاري دارد، وجود زونهاي گسلي و خرد شده درمسير تونل است كه به هنگام حفر تونل با استفاده از روشهاي مكانيزه برخورد با اين نواحي بامشكلاتي همراه بوده و بر حسب شدت مشكل مي تواند باعث توقف دستگاه نيز شود.

برای پایداری سازی جبهه کار می توان از روش های زیر استفاده نمود:

1-حفاری و تزریق سینه کار متناسب با نوع سنگ

2-اجرای پری بلت

3- انجماد سینه کار

5-5-گير كردن و توقف دستگاه(TBM)

عوامل مؤثر در گير كردن و توقف دستگاه(TBM) عبارتند از:

• سنگهاي لايه اي خردشده با پتانسيل مچاله شوندگي
• شرايط زمين شناسي نامناسب با نرخ همگرائي زياد
• سطح آب زيرزميني
• افزايش بارهاي وارده از طرف زمين بر سپر و گيركردن كله حفار در سينه كار
• وضعيت نامناسب كله حفار و دريچه هاي بارگيري
• حضور گسل هاي اصلي و فرعي، خردشدگي و وجود رگه هاي        
• تنش هاي تكتونيكي

برای جلوگیری از گیر کردن دستگاه حفار می توان اقدامات زیر را انجام داد:

• تغيير اصلاحي در صفحه حفار صورت گیرد
• كوپلينگ محركه كله حفار اصلاح شود
• تغيير در سيستم پشتيباني به منظور حفاري در حالت تك سپري انجام گیرد
• سيستم ثبت اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد
• به منظور بدست آوردن اطلاعات زمين شناسي از سينه كار تونل، گمانه زني اكتشافي صورت گرفته و لوگر اطلاعات نصب شود.
• براي بهبود در پيشروي دستگاه  TBMكلاچ دستگاه بدرستي تنظيم شود.
• براي بالا بردن راندمان عملياتي، اپراتورهاي TBM براي مقابله با شرايط متغير زمين شناسي آموزش ببیند.

در صورت گیر کردن دستگاه حفار می توان اقدام زیر را جهت آزاد سازی آن انجام داد:

ایجاد برش در دو نقطه اطراف سپر و خرد و خالی کردن این فاصله به ضخامت یک متر از اطراف سپر که این کار را می توان توسط حفر کننده های دستی انجام داد و خرده های حفاری را با خروج از سپر به خارج منتقل کرد.

5-6- نحوه نصب سیستم نگهداری

قبل از انتقال بتن های پیش ساخته به داخل تونل آنها را با نوار پلاستیکی آبند،آبندی می کنند تا از نفوذ آب در کف به داخل تونل و بعلکس جلوگیری شود.سپس قطعات به ترتیب نصب روی دیواره تونل روی واگن های مخصوص چیده می شوند.

قطعات پس از تحویل به سامانه پشتیبانی توسط جرثقیل حمل سگمنت و سگمنت موور (Mover) تا نزدیکی جبهه کار تونل برده می شوند و توسط جرثقیل مخصوص نصب که به الکتور (الکتور) معروف است در دیواره تونل نصب می شود.

این جرثقیل قابلیت حرکت طولی و چرخش تا 270 درجه در هر دو جهت را داراست و با بهره گیری از حسگرهای مخصوصی امکان انجام حرکات ظریف و نصب بسیار دقیق سگمنت ها را فراهم می نماید.

گروهی از کارگران همگام با حفاری و بلافاصله  پس از نصب هر حلقه بتنی به پایدار سازی دیوارها می پردازند.آنها ابتدا فضای خالی پشت سگمنتها را با شن و از طریق سوراخ های موجود روی قطعات پر میکنند.

در مرحله بعد فضای خالی بین سگمنتها با ملات مخصوص بند کشی می شود.

در نهایت فضای خالی بین شن ها با تزریق دوغاب سیمانی پر میشود.