- تجربه سالیان متمادی در پروژه های ملی و بزرگ کشور
حفاری تونل؛ راهکاری زیرزمینی برای عبور از موانع و توسعه زیرساخت
حفاری تونل یکی از پیچیدهترین و در عین حال راهبردیترین عملیات مهندسی زیرساختی است؛ فرآیندی که طی آن مسیری زیرزمینی برای عبور انسانها، ماشینآلات، تأسیسات و مصالح در دل زمین، درون کوهها یا حتی زیر آب ایجاد میشود. در پروژههای بزرگ عمرانی، انتخاب و اجرای صحیح حفاری تونل بهجای روشهای خاکبرداری سطحی، در عمقهای زیاد هزینه کمتری به همراه دارد، مزاحمتی برای فعالیتهای سطح زمین ایجاد نمیکند و سرعت اجرا و مصرف انرژی بهینهتری دارد؛ به همین دلیل تونلها امروزه ستون فقرات شبکههای مترو، راهآهن، جادههای کوهستانی، انتقال آب و تأسیسات شهری هستند.
از تونلها میتوان برای جادهها، راهآهن، آبراه و شبکههای ریلی مترو استفاده کرد و در بسیاری از شهرهای بزرگ، شبکه ریلی مترو درون تونل فعالیت میکند. بر اساس کاربرد، انواع تونل شامل تونل معدنی برای جابهجایی کارکنان و مواد استخراجی، تونل حملونقل برای عبور وسایل نقلیه، تونل انتقال و انحراف آب در پروژههای سدسازی و تونل تأسیسات شهری برای انتقال برق، گاز، آب و فاضلاب است. قناتهای ایران را نیز میتوان نمونه سنتی و کهن تونل انتقال آب و تأسیسات شهری در نظر گرفت؛ میراثی که نشان میدهد مهندسی زیرزمینی در این سرزمین ریشهای دیرینه دارد.
شرکت مهندسی بهسازان فرنود حفار بهعنوان بهترین شرکت حفاری در ایران، با اتکا به دانش فنی، تجهیزات مدرن و تیم کارشناسی خود، تمامی خدمات حفاری را — از مطالعات و حفاری اکتشافی تا حفر و پایدارسازی تونل — به کارفرمایان پروژههای عمرانی، معدنی و زیرساختی ارائه میکند. در این مقاله، بهصورت فنی و منطقی به بررسی روشهای حفاری تونل، دستگاههای تخصصی مورد استفاده و نحوه انجام گامبهگام این عملیات میپردازیم تا تصویری شفاف برای تصمیمسازان پروژه فراهم شود.
مراحل انجام پروژه حفاری تونل از مطالعه تا بهرهبرداری
اجرای هر تونل، پیش از آنکه عملیاتی باشد، یک فرآیند مهندسی مرحلهبهمرحله است. تونل طی مطالعه ساختگاه، تحلیل، طراحی، تجهیز کارگاه، حفاری (سنتی یا مکانیزه)، نصب سیستم نگهداری و اجرای تأسیسات ساخته میشود و صرفنظر از هر یک از این مراحل، ریسک فنی و مالی پروژه را بهشکل چشمگیری افزایش میدهد.
مطالعات زمینشناسی و تونلسنجی
نخستین و تعیینکنندهترین مرحله، مطالعات زمینشناسی است که بهمنظور ارزیابی محلهای پیشنهادی برای اجرای پروژه انجام میگیرد. در این مرحله پارامترهای کنترلکننده رفتار توده سنگ — نظیر ابعاد بلوکهای سنگی و فاصلهداری درزهها، نواحی ضعیف، وضعیت کمر پایین و کمر بالا، نواحی برشی و هوازده، سطح و الگوی جریان آب زیرزمینی، فشار آب، دمای محیط و میزان لرزهخیزی — ارزیابی میشود. نتایج این مطالعات مستقیماً در انتخاب مسیر تونل، انتخاب روش حفاری، طراحی تونل، تخمین هزینه و تحلیل پایداری به کار میرود.
مطالعات زمینشناسی در سه فاز مقدماتی، تفصیلی و تکمیلی انجام میشود. در فاز مقدماتی، توپوگرافی منطقه، سنگشناسی، وضعیت هیدروژئولوژی و ساختمان سنگها (درز، شکست، چینخوردگی و صفحات برش) بررسی میشود. در فاز تفصیلی، نمونههای حاصل از حفر گمانه و تونلهای آزمایشی برای تعیین ترکیب کانیشناسی، مقادیر استحکام، مدول الاستیسیته و تخلخل در آزمایشگاه مورد ارزیابی قرار میگیرد و خروجی آن، تهیه پروفیل زمینشناسی تونل است؛ مهمترین و تنها گزارش کاربردی برای مهندس تونل. در فاز تکمیلی، دادههای واقعی حاصل از حفاری برای اعتبارسنجی مطالعات قبلی و پیشبینی شرایط پیشرو استفاده میشود و در صورت لزوم، برنامههای اجرایی و طراحی نگهداری اصلاح میشوند.
طراحی و ردهبندی توده سنگ
طراحی تونل بر پایه ردهبندی توده سنگ و شاخصهایی مانند ردهبندی Q، شاخص مقاومت زمینشناسی (GSI) و معیارهای شکست انجام میشود. تحلیل تنش در این مرحله مشخص میکند که توده سنگ اطراف حفره تا چه حد میتواند پایدار بماند و چه سطحی از نگهداری موقت و دائمی لازم است. در زمینهای نرم، مطالعات بهسمت ارزیابی دقیق لیتولوژی، نحوه تشکیل رسوبات و اثرات آب زیرزمینی بر محور تونل سوق پیدا میکند.
تجهیز کارگاه، حفاری و نگهداری
پس از نهایی شدن طراحی، کارگاه تجهیز میشود؛ شامل آمادهسازی پورتال، تأمین برق، آب، تهویه و انتقال ماشینآلات. سپس عملیات اصلی حفاری تونل به یکی از روشهای سنتی یا مکانیزه آغاز میشود و همزمان با پیشروی جبههکار، سیستم نگهداری نصب و در نهایت تأسیسات فنی تونل شامل تهویه، روشنایی و سیستم آبکشی و زهکشی اجرا میگردد. نگهداری در دو سطح موقت (برای ایمنی حین حفاری) و دائمی (برای عمر بهرهبرداری سازه) طراحی میشود و انتخاب آن به جنس زمین، عمق روباره و شرایط آب زیرزمینی وابسته است.
روشهای حفاری تونل؛ مقایسه راهکارهای سنتی و مکانیزه
انواع مختلفی از تکنیکهای ساخت برای حفر تونل وجود دارد که انتخاب میان آنها یکی از مهمترین تصمیمات هر پروژه محسوب میشود؛ چراکه نتایج انتخاب نادرست روش حفر ممکن است به موقعیتهای فاجعهبار و خسارتهای سنگین مالی منجر شود. از متداولترین روشهای ساخت تونل میتوان به چالزنی و انفجار، روش جدید اتریشی (NATM)، حفاری با رودهدر، حفاری با چکش مکانیکی و حفاری با ماشین تماممقطع (TBM) اشاره کرد. در کنار اینها، روشهای کمکیای مانند برش و پوشش، حفاری به روش Bored Tunnel، ضربهزنی به خاک رس، حفر شفت و روش جکزنی لوله (Pipe Jacking) نیز بسته به شرایط خاک، عمق و موقعیت شهری پروژه به کار گرفته میشوند.
مبنای انتخاب روش اجرای تونل، طول مسیر، زمانبندی پروژه، وضعیت روباره، موقعیت شهری، نوع خاک و سنگ، جنس زمین و شرایط آب زیرزمینی است. در زمینهای مستحکم و در مسیرهایی که انعطاف مقطع اهمیت دارد، روشهای سنتی اقتصادیتر عمل میکنند؛ اما در تونلهای بلند با مقطع ثابت و زمینهای ریزشی، حفاری مکانیزه با سرعت و ایمنی بالاتر برتری پیدا میکند. در ادامه، سه خانواده اصلی روشهای حفر تونل — چالزنی و انفجار، NATM و حفاری مکانیزه با TBM — به تفصیل بررسی میشوند.
روش چالزنی و انفجار؛ راهکار مقرونبهصرفه حفر تونل در سنگ
روش چالزنی و انفجار متداولترین روش حفاری در سراسر جهان است که در انواع سنگها قابل استفاده بوده و هزینه اولیه آن کمتر از روش مکانیکی مانند TBM است. در این روش، میزان پیشروی معمولاً ۳ تا ۵ متر در هر سیکل است و چون در لحظه شروع انفجار تنها یک سطح آزاد در دسترس است، طراحی الگوی چالزنی نقش کلیدی در اقتصاد و کیفیت کار دارد. الگوی چالزنی بر اساس ابعاد و هندسه تونل، شرایط زمینشناسی و مکانیکی سنگ، نوع مواد منفجره و محدودیتهای ارتعاشی طراحی میشود و امروزه برنامههای کامپیوتری پیشرفتهای برای بهینهسازی آن به کار میرود.
سیکل حفر تونل به روش انفجاری بهصورت تکرارشونده انجام میگیرد و شامل چالزنی، خرجگذاری، انفجار و تهویه، لقگیری، بارگیری و حمل مواد کندهشده است. در مرحله چالزنی، از دستگاه جامبو دریل برای سوراخکردن جبههکار استفاده میشود؛ دستگاهی که دارای دو یا سه بازوی حفاری و یک برج اپراتور است و متههای آن بهصورت پنوماتیک هم چکش میکنند و هم میچرخند، در حالی که آب پرفشار خردهسنگها را از چال خارج میکند. طول چالها معمولاً بین ۲/۴ تا ۳/۶ متر است و مجموعه چالهای مستقیم در میانه جبههکار و چالهای زاویهدار (الگوی V) سنگ را به سمت داخل تونل منفجر میکنند. در حفاری با جامبو دریل، بدنه اصلی از دو یا سه دکل حفاری و یک سقف متحرک تشکیل شده و چهار جک تعبیهشده در گوشههای دستگاه، در هنگام حفاری باعث تثبیت دستگاه و جلوگیری از تغییر زاویه و در نتیجه بالا رفتن دقت حفاری میشود.
پس از خرجگذاری و اتصال چاشنیها، سوراخها بهترتیب از مرکز به بیرون و با فواصل زمانی مشخص منفجر میشوند؛ توالیای که گاه بیش از صد انفجار پشتسرهم را در چند ثانیه به انجام میرساند. سپس با استفاده از مجاری هوا — لولههای فولادی یا پلاستیکی متصل به سقف تونل — هوای تازه به جبههکار فرستاده شده و گازها و گردوغبار حاصل از انفجار به سمت خروجی تونل رانده میشوند. قطعات سست سنگ توسط بیل مکانیکی تونلی جدا و آوارها با کامیون کمپرسی و لودر یا تسمه نقاله از تونل خارج میشود. مرحله ایمنسازی نیز شامل بتنپاشی فشاری، نصب توری سیمی، پیچ سنگ (راکبولت) با طول سوراخهای ۲/۴ تا ۶ متر و در شرایط دشوار، نصب قوسهای فولادی است. در پایان هر سیکل، زمینشناس از جبههکار نقشهبرداری میکند تا نوع و وضعیت سنگ، واکنش توده به حفاری و هرگونه نفوذ آب ثبت و مبنای انتخاب اقدامات نگهداری مناسب شود.
از منظر محیطزیست و کسبوکار، مزیت این روش آن است که اثرات صدا، گردوغبار و پسماند عمدتاً به ورودیهای تونل محدود میماند و در مقایسه با روش برش و پوشش، اختلال در ترافیک محلی و حجم نخاله ساختمانی به میزان زیادی کاهش مییابد؛ با این حال، نگهداری مواد منفجره در محل نیازمند مدیریت ایمنی سختگیرانه و اجتناب از مناطق پرجمعیت است.
روش NATM یا روش جدید اتریشی؛ تونلسازی انعطافپذیر با شاتکریت
تونلسازی به روش جدید اتریشی (NATM) رویکردی طراحیمحور برای حفر تونل است که بهویژه در زمینهای ضعیف و شرایط متغیر، انعطافپذیری بالایی ارائه میدهد. فلسفه این روش بر پایش مداوم و نگهداری مرحلهای تونل استوار است؛ به این معنا که سیستم نگهداری نه از پیش و بهصورت ثابت، بلکه بر اساس رفتار واقعی توده سنگ در حین حفاری و با تکیه بر مشاهده و اندازهگیری طراحی و اصلاح میشود.
در اجرای NATM، پس از هر مرحله پیشروی، سطح حفرشده با شاتکریت (بتنپاشی) پوشانده میشود تا لایهای محافظ مستحکم و انعطافپذیر روی دیوارهها شکل بگیرد. شاتکریت در دو نوع خشک و تر قابل اجراست؛ در نوع خشک، آب در لحظه خروج از نازل اضافه میشود و در نوع تر، مخلوط کامل بتن پیش از ورود به سیستم پاشش آماده میشود و انتخاب میان این دو به شرایط زمینشناسی، عمق تونل و رطوبت خاک بستگی دارد. ترکیب شاتکریت با پیچهای سنگی، توری فولادی و در صورت نیاز قوسهای نگهدارنده، به توده سنگ اجازه میدهد بخشی از بار را خود تنظیم کند و در عین حال ریزش مهار شود.
از دیدگاه بیزینسی، جذابیت NATM در هزینه تجهیزات اولیه پایینتر نسبت به ماشینهای تماممقطع و قابلیت اجرای مقاطع متنوع با یک مجموعه تجهیزات واحد است؛ به همین دلیل این روش در پروژههای متروی شهری و تونلهای با زمینشناسی ناهمگن، همچنان یکی از گزینههای نخست مهندسان مشاور محسوب میشود.
حفاری مکانیزه با دستگاه TBM؛ سرعت و ایمنی در تونلسازی مدرن
حفاری مکانیزه تماممقطع با دستگاه TBM (ماشین حفاری تونل) یک تکنولوژی مدرن است که در آن دستگاه بهطور خودکار کل فرآیند تونلزنی را انجام میدهد و فرآیند را سریعتر و مناسبتر برای ساخت تونل در مناطق پرتردد میکند. این ماشینها در انواع مختلف و مناسب برای شرایط مختلف زمین موجودند و میتوانند در خاکهای سست، سنگهای سخت یا ترکیبی از هر دو فعالیت کنند و مسیرهای استوانهای یا منحنی را بدون تخریب گسترده سطح زمین ایجاد نمایند.
اجزای اصلی این دستگاه شامل هد حفاری برای برش مصالح، سیستم انتقال خاک برای حمل مصالح به عقب، سپر محافظتی برای جلوگیری از ریزش، سیستم کنترل فشار و پایداری دیواره و سیستم نصب سگمنت برای ایجاد پوشش دائمی تونل است. دستگاههای امروزی مجهز به سیستمهای کنترل فشار هوشمند برای جلوگیری از نشست، هدایت لیزری برای حفاری دقیق در مسیرهای پیچیده و نظارت آنلاین بر عملکرد از طریق سامانه مرکزی هستند؛ ویژگیهایی که ریسک اجرایی را برای کارفرما بهطور محسوسی کاهش میدهد. تنها محدودیت قابل توجه، وزن سنگین دستگاه و در نتیجه حملونقل دشوار و پرهزینه آن است.
انواع دستگاه حفاری تونل (TBM)
دستگاه حفاری باز (Open TBM) بدون سپر محافظ کار میکند و برای زمینهای مستحکم و بدون ریزش مناسب است؛ سرعت حفاری در این مدل بسیار بالا اما کنترل پایداری کمتر است. دستگاه حفاری با سپر (Shielded TBM) دارای پوشش فلزی برای حفظ پایداری اطراف تونل است و برای پروژههایی با خاکهای نرم یا خطر ریزش بالا گزینه مناسبی محسوب میشود.
دستگاه EPB (تعادل فشار خاک) با استفاده از فشار خاک در ناحیه حفاری، پایداری تونل را حفظ میکند و برای زمینهای ریزدانه با رطوبت متوسط تا بالا مناسب است. در مقابل، دستگاه دوغابی (Slurry TBM) در زمینهایی با لایههای آبدار یا ناپایدار به کار میرود؛ در این مدل، پایداری جبههکار توسط دوغاب گل حفاری تأمین میشود و گل بنتونیت — نوعی رس که در مجاورت آب متورم میشود — با ایجاد فشار مایع، دیواره تونل را پایدار نگه میدارد. علاوه بر اینها، دستگاههای حفاری تونل کوچک برای پروژههای کمعمق یا با فضای محدود و دسترسی دشوار، بهصورت قابل حمل، کممصرف و مقرونبهصرفه به کار گرفته میشوند.
حفاری با رودهدر و چکش هیدرولیکی
در کنار ماشینهای تماممقطع، حفاری موضعی با دستگاه رودهدر در زمینهای ریزشی کاربرد گسترده دارد. این دستگاه دارای یک یا دو بازو است که به انتهای آنها وسیله حفاری وصل شده و حول بازو میچرخد؛ مقطع بهتدریج بزرگ میشود، مصالح روی سینی جلوی دستگاه ریخته و توسط تسمه نقاله به انتهای دستگاه منتقل و تخلیه میشود. چکش هیدرولیکی نیز برای شکستن سنگهای متوسط تا سخت در مقاطعی که استفاده از انفجار یا TBM اقتصادی نیست، بهعنوان ابزار کمکی حفر به کار میرود.
روشهای تکمیلی حفر تونل؛ از کند و پوش تا جکزنی لوله
در پروژههای کمعمق و شهری، روشهای تکمیلی جایگزین یا مکمل روشهای اصلی حفاری تونل میشوند. روش کند و پوش (Cut and Cover) عموماً برای ساخت تونلهای کمعمق استفاده میشود: در این روش حفرهای در خاک بریده و توسط تکیهگاههایی پوشانده میشود که بار روی آن را تحمل میکنند. اجرای برش به دو شکل صورت میگیرد؛ در روش از پایین به بالا، تونل زیر سطح با استفاده از تکیهگاه زمین حفر میشود و در روش از بالا به پایین، ابتدا دیوارهای تکیهگاه جانبی به روش دیوارکشی دوغابی یا شمعبندی ساخته میشوند، سپس سقف روی دیوارها قرار میگیرد، خاکبرداری انجام و در نهایت کف تونل ساخته میشود. اکثر ایستگاههای متروی زیرزمینی به همین روش اجرا میشوند.
روش Bored Tunnel تکنولوژی مدرنی است که در آن از دستگاههای حفاری تونل بهره گرفته میشود و به دلیل خودکار بودن و سرعت بالاتر، برای مناطق پرتردد مناسب است؛ ماشینهای این خانواده حتی در شرایط سخت مانند زیر سطح آب با محفظه تحت فشار ویژه قابل استفادهاند و ورود کارگران به محفظه فقط برای کارهای تعمیر مجاز است. روش Pipe Jacking یا جکزنی لوله برای کارهای کوچک مانند نصب لولههای فاضلاب و تأسیسات به کار میرود و در خاک رسی قوی نتیجه مطلوبی میدهد. همچنین روش حفر شفت برای ایجاد دسترسی عمودی به سطح تونلها — از جمله جهت تجهیز کارگاه، تهویه و خروج مواد حفاری — بخش جداییناپذیر اکثر پروژههاست. انتخاب درست میان این روشها بر اساس عمق، جنس زمین و حساسیت محیط شهری، مستقیماً بر هزینه و زمانبندی پروژه اثر میگذارد.
سیستم نگهداری و پایدارسازی تونل
حفر تونل تنها به شکستن سنگ و خاک محدود نمیشود؛ آنچه سازه را در بلندمدت پایدار نگه میدارد، سیستم نگهداری است که باید همگام با پیشروی جبههکار نصب شود. عوامل مؤثر بر انتخاب این سیستم عبارتاند از جنس محیط (سنگی یا خاکی)، وضعیت درزهداری و شرایط آب زیرزمینی. در تونلهای سنگی، نگهداری معمولاً با ترکیب شاتکریت، توری فولادی و پیچ سنگ اجرا میشود و در بدترین شرایط زمین، قوسهای فولادی در محل قرار میگیرند تا دیوارها و سقف تونل را بالا نگه دارند. در حفاری مکانیزه، پوشش دائمی با نصب حلقههای سگمنتی توسط خود دستگاه TBM اجرا میشود.
نقش شاتکریت و ملاتپاش در پایداری بلندمدت تونل پررنگ است: بلافاصله پس از خروج دستگاه حفاری از مقطع، عملیات بتنپاشی آغاز میشود و لایهای محافظ ایجاد میکند که مقاومت سازهای در برابر فشار خاک، آب و لرزش را افزایش میدهد، جلوی ریزش و نفوذ آبهای زیرزمینی را میگیرد و سطحی یکنواخت برای نصب سگمنت یا پوشش نهایی فراهم میسازد. ملاتپاش نیز برای پر کردن درزها، ترمیم سطوح شکسته، آببندی و عایقسازی — بهویژه در تونلهای عمیق و زمینهای مرطوب و ناپایدار — به کار میرود. در کنار اینها، خدمات فنی تونل شامل سیستم تهویه، سیستم روشنایی و سیستم آبکشی و زهکشی است که ایمنی بهرهبرداری و دوام سازه را تضمین میکنند.
خدمات تخصصی حفاری تونل بهسازان فرنود حفار
انتخاب روش حفاری و دستگاه مناسب، تنها با اتکا به مطالعات زمینشناسی دقیق، ردهبندی توده سنگ و تحلیل فنی-اقتصادی امکانپذیر است؛ تصمیمی که بهطور مستقیم بر هزینه تمامشده، سرعت پیشرفت و ایمنی پروژه اثر میگذارد. شرکت مهندسی بهسازان فرنود حفار با بیشینه کردن دانش فنی و تجربه اجرایی در پروژههای حفاری، تمامی خدمات حفاری — شامل حفاری اکتشافی و مغزهگیری، حفاری گردش معکوس، حفاری پودری و آتشباری، حفاری تونل با روشهای سنتی و مکانیزه، و پایدارسازی و خدمات فنی معارض — را با استانداردهای بینالمللی ارائه میکند.
تیم کارشناسی بهسازان فرنود حفار از مرحله مطالعات ساختگاهی و انتخاب روش حفاری تا تجهیز کارگاه، اجرای عملیات حفر و نصب سیستم نگهداری، کنار کارفرماست تا پروژه در کمترین زمان و کمترین ریسک به بهرهبرداری برسد. برای دریافت مشاوره تخصصی و استعلام خدمات حفاری تونل و سایر خدمات حفاری، با کارشناسان بهسازان فرنود حفار در تماس باشید.