اصول روش ناتم در تونل سازی ( جدیدترن الگوی جامع تونلسازی در جهان)

روش ناتم

توضيح ضروري: همانطور که در قسمت منابع آمده است در تنظيم اين مقاله از مجله بلور که در دانشکده متالوژي و معدن دانشگاه تهران منتشر مي شود کمک ويژه گرفته شده است و نيز حاشيه هايي از دايره المعارف ويکي پديا بر آن افزوده شده است.

◄ مقدمه:
روش تونلسازي اتريشي (NATM)، در فاصله سالهاي 1957 تا 1965 در اتريش ابداع گرديد. نام اين روش در سال 1962 در سالزبورگ و جهت تميز از روش قديمي تونملسازي اتريشي اعطا گرديد. نخستين ارائه دهندگان اين روش Ladislaus von Rabcewicz, Leopold Müller و Franz Pacher بودند. ايده نخستين اين روش عبارت است از استفاده از فشارهاي زمين شناسي در برگيرنده توده سنگ جهت مقاوم سازي ونگهداري تونل.
بايد گفت که امروزه مطالعات گسترده اي از سوي متخصصين علم مكانيك سنگ در ارائه طرحي مطمئن براي نگهداري فضاهاي زيرزميني صورت مي گيرد كه بتواند سيستم نگهداري را به گونه اي طراحي كند كه علاوه بر ايمن بودن، از نظر اقتصادي نيز معقول باشد. نتايج اين مطالعات بر ضرورت بكارگيري روشهاي مشاهده اي همچون NATM در تونلسازي تاكيد دارد.

◄ ويژگي هاي اساسي ناتم:
ناتم روشي است مبتني بر تابع نگاري رفتار توده هاي سنگ تحت بار و مونيتورينگ عمليات ساختمان زيرزميني سنگ. واقعيت اينست که ناتم به عنوان يک مرحله از حفاري و نيز تکنيک هاي نگهداري مطرح نيست.

ناتم بر هفت ويژگي استوار است:

1-بسيج مقاومت توده سنگ: اين متد بر مقاومت ذاتي توده سنگ پيرامون به عنوان يک جز اصلي نگهداري شده در تونل، تکيه مي کند. تکيه گاه اوليه طوري هدايت مي شود که سنگ را قاد رسازد تا بر خودش تکيه کند.

2-حمايت شاتکريت: سست کردن و نيز تغيير شکل بي اندازه سنگ مي بايست به حداقل برسد. اين امر با مهيا کردن لايه هاي نازک شاتکريت بلافاصله پس از پيشروي جبهه کار حاصل مي ايد.

3-اندازه گيري: هرگونه تغيير شکل ناشي از حفاري بايد اندازه گرفته شود. ناتم به نصب تجهيزات اندازه گيري در سطح بالايي نياز دارد. اين در آستر، زمين و گمانه ها جاسازي مي شود.

4-تکيه گاه انعطاف پذير: آسترگيري اوليه نازک است و شرايط لايه بندي اخير را بازتاب مي دهد. اين مدل به کارگيري، نسبت به تکيه گاه مجهول سريعتر به کار مي ايد و موثر مي شود. مقاوم سازي با يک آستر بتني ضخيم به دست نمي ايد بلکه با يک ترکيب منعطف از پيچ سنگ، سيم تنيده و شيارهاي فولادي حاصل مي گردد.

5-بستن وارونگي: بستن سريع وارونگي و ايجاد حلقه حامل بار داراي اهميت است. اين امر در تونلهاي حفر شده در زمينهاي نرم بسيار وخيم است، جايي که هيچ مقطعي از تونل نبايد بطور موقت رها شود.

6-ترتيب قراردادي: دانش ناتم بر اساس اندازه گيري مونيتورينگ پايه ريزي شده است. تغيير در متد تکيه گاه و ساختمان امکان پذير است. اين تنها در شرايطي ممکن است که سيستم قراردادي فادر به تغييرات باشد.

7-اندازه گيري پشتيباني رده بندي توده سنگ: رده هاي اصلي سنگ براي تونل و پشتيباني متناظر آن موجود است. اينها براي هدايت در زمينه تقويت تونل بکار مي روند.

◄ اصول کلي ناتم:
تونلزني به روش جديد اتريشي در خاکهاي سست تا سنگ هاي سخت و مقاوم و در اعماق کم (در جهت به حداقل رساندن نشست سطح) تا اعماق زياد و بيش از 1000 متر تحت ميدانهاي تنش ناشي از عمليات معدنکاري انجام گرفته است.

بنابراين اصول زير به طور کلي قابل اعمال مي باشند. اين اصول در مقاله آقاي دکتر فکر به ترتيب زير آورده شده است:

1- عنصر اصلي باربري يک تونل، توده سنگ پيراموني آن مي باشد.

2- بنابراين يکي از اصول عبارت مي باشد از: حفظ مقاومت اوليه سنگ تا آنجايي که امکان داشته باشد.

3- اتساع يا جابجايي ها بايد به حداقل رسانده شود زيرا موجب پايين آوردن مقاومت مي گردد.

4- وضعيت تنش تک محوري يا دو محوري، شرايط نامناسب براي تونل بوده و بايد از آن اجتناب گردد.

5- دگرشکلي ها بايد به طرزي تحت کنترل درايد که توده سنگ پيرامون تشکيل يک حلقه باربر حول تونل را بدهد. به گونه اي که از دست رفتن مقاومت به وسيله اتساع در سطحي قابل قبول نگهداشته شود. با اجراي خوب اين کنترل، ايمني واقتصاد افزايش مي يابد.

6- براي رسيدن به اين منظور، تکيه گاه اوليه مي باست در زمان درست نصب گردد.

7- عامل زمان ويژه سيستم ترگيبي سنگ به اضافه تکيه گاه اوليه، بايد به صحت کافي تخمين زده شود.

8- تخمين عامل زمان بستگي دارد به الف: آزمونهاي آزمايشگاهي ب: آزمونهاي برجا ج: رده بندي توده سنگ

از اين سه نرخ دگرشکلي و زمان پابرجايي مي تواند استنتاج شده و با رفتار واقعي تونل در حين ساختمان تطبيق و کنترل گردد.

9- هرجا که دگرشکلي ها زياد بود و يا سست شدن توده سنگ انتظار مي رود، مي بايست از تماس کامل تکيه گاه اوليه با جدار تونل در محل برخورد اطمينان حاصل ايد. اين امر با بکار گرفتن شاتکريت به بهترين نحو حاصل مي گردد.

10- تکيه گاه اوليه بايد نازک و داراي صلبيت خمشي پايين باشد، از اين رو گشتاورهاي خمشي پايين آورده و وقوع شکستگي ها در اثر خمش به حداقل مي رسد.

11- افزايش نگهداري با شبکه توري اضافي، قابهاي فولادي، سيمهاي فولادي، سيم مهارها يا ميل مهارها حاصل مي ايد نه با آسترگيري ضخيمتر.

12- نوع و مقدار تکيه گاه و زمان نصب، از نتايج اندازه گيري دگرشکلي ها تعيين مي گردد.

13- از نظر استاتيکي تونل را مي توان لوله اي ضخيم (يا حلقه اي دوبعدي) که از توده، سنگ و آسترگيري تشکيل يافته در نظر گرفت.

14- از آنجا که يک لوله مساعدترين ويژگي پايداري را بدون آنکاه درز داشته باشد داراست، بستن همزمان کف تونل در هنگاميکه سنگ داراي مقاومت کافي نباشد داراي اهميت است.

15- رفتار توده سنگ با بستن به موقع کف تونل تعيين مي گردد. پيشروي هاي زياد در طاق منجر به دير بسته شدن کف و آنهم منجر به تشکيل لوله نيمه آسترگيري اوليه گرديده که نتيجه آن بروز گشتاورهاي بزرگ خمشي در جهت محور تونل مي باشد که منجر به ايجاد تمرکز تنش زياد در سنگ، در پاي ديواره هاي جانبي مي گردد.

16- حفاري پيشاني کامل، بهترين روش براي دستيابي يک توزيع يکنواخت تنش است. هر چند که در سنگهاي سست، حفاري بخش بخش، براي پايداري در حين ساختمان ممکن است لزوم پيدا کند.

17- روند حفاري و نگهداري براي پايداري مهم مي باشد. زيرا آنها عامل زمان توده سنگ را تحت تاثير قرار مي دهند.

تغيير در طول دوره حفاري، زمان بستن کف، طول پيشروي طاق، مقاومت و زمان نصب تکيه گاه تماما به طور سيستماتيک براي کنترل فرايند توزيع مجدد تنش و پايدارسازي به کار گرفته ميشوند.

19- در موارد آستربندي مضاعف، آستربندي نهايي بايد همچنان نازک باشد. تنش عمود مي بايد بر روي تمام سطح تماس بين آستربندي ها منتقل گرديده و تنش برشي در سطح برخورد مي بايد پايين باشد.

20- کل سيستم، توده سنگ به اضافه پوشش مي بايست با نگهداري اوليه پايدار گردند.

در صورت خورنده بودن آبهاي زيرزميني آستربندي نهايي مي بايست قادر به پايدار سازي توده سنگ به تنهايي باشد. سيم مهارها تنها مي توانند به عنوان يک نگهدارنده دائمي تلقي گردند، البته در صورتي که از گزند خورندگي در محيطهاي خاص در امان باشند.

21- براي کنترل ايمني سازه تونل، اندازه گيري تنش بتن و تنش برخورد در مرز بين سنگ و آستربندي ضرورت دارد. اندازه گيري دگرشکلي ها همچنان ادامه پيدا مي کند.

22- فشار ايستايي آب بر روي پوشش و فشار جريان در توده سنگ با زهکشي مناسب پايين آورده مي شود.

به طوري که از اين اصول دريافت مي شود، ناتم روند و دستور کاري نيست که با دنبال کردن آن به نتيجه مورد نظر رسيد بلکه عبارت است از مجموعه اي از ايده ها که به ويژگي هاي زمين شناسي منطقه توجه ويژه اي دارد. اين روش در نتيجه تجربيات متعدد در کار تونلزني به دست آمده است و براي به دست آوردن هر يک از اين ايده ها و نيز جمعبندي آنها به عنوان يک روش سالهاي زيادي وقت صرف شده است. نوآوري اساسي اين ايده، يک فن ساختماني يا يک روش خاص محاسباتي نمي باشد، اما براي ساختمان تونل در توده سنگ و چگونگي برخورد با آن ارائه طريق مي نمايد.

يکي از اصول موفقيت زاي اين روش گردآوري موضوعات متعدد از مهندسي عمران و مکانيک سنگ مي باشد که شامل موضوعات نظري و عملي است.

◄ روش اجراي ناتم:
با اينکه هنوز هيچ پشتوانه نظري حقيقي براي ناتم وجود ندارد اما عواملي وجود دارند که منجر به موفقيت اين روش مي گردند که عبارتند از:

1- بتن پاشي به عنوان سازنده سازه ترکيبي قوس سنگ که به حلقه حمال سنگ موسوم بوده و حفره را احاطه مي کند.

2- بتن پاشي به مراتب قديمي تر از ناتم مي باشد اما ويژگي هاي عالي آن از نظر مقاومت و لغزش، اين روش را به عنوان يکي از ابزارهاي غالب نگهداري در تونلسازي به روش ناتم گردانيده است. بيشترين اهميت آن امکان اجراي سريع براي پوشانيدن سطح تازه حفاري شده سنگ مي باشد. مزيت ديگر آن دستيابي به يک مقاومت نسبي بالادر مدت زمان کوتاه، حدود 5 نيوتن بر ميلي مترمربع (مگاپاسکال) در 6 ساعت مي باشد.

شاتکريت در تونلسازي داراي اثر مضاعف است: محافظت سنگ در اثر هوازدگي و فرسايش: با بستن ترک ها تمرکز تنش در اطراف تونل کاهش يافته، همچنين ضخامت زياد شاتکريت به عنوان يک قوس نگهدارنده عمل مي کند. در تمام موارد اتصال اتصال تنگاتنگ با سنگ مهم مي باشد. زيرا اين عمل موجب مي گردد سنگ بارها را مشترک حمل نموده و ساختاري مرکب با سنگ تشکيل دهد. شاتکريت مناسب، نياز به يک تکيه گاه نيمه صلب را برآورده مي سازد، زيرا دگرشکلي شعاعي زيادي را بدون شکستگي امکان پذير مي سازد. با دگرشکلي هاي بزرگ تونل، شاتکريت مي شکند. اما در صورت مسلح شدن به توري سيمي يا رشته هاي فولادي، قطعات برش يافته شاتکريت خطري آني براي خدمه ايجاد نخواهد کرد.

2- وسيله ديگر براي ساختن طاق بيروني، قابهاي فولادي مي باشد. اين قابها در توده هاي سنگ فشرده شده و بسيار خردشونده به کار گرفته شده و تکيه گاهي سريع و موثر براي سنگ به شمار مي ايند. در چند سال اخير کاربرد قوسهاي پروفيلي به ميزان زياد افزايش يافته است. اين قوس ها نسبت به قابهاي فولادي مزاياي بيشتري دارند و نيز به دليل سبک وزن بودن، نصب آنها آسانتر مي باشد.

3- در تونلسازي هوراه با مفاهيم ناتم، نصب ميل مهارها جايگاه ويژه اي دارد و اهميت آنها به همان اندازه اهميت شاتکريت مي باشد. اين ميل ها نيز مثل شاتکريت در صورت نصب موجب تشکيل حلقه حمال در اطراف توده سنگ مي گردند. ميل مهارها در برابر دگرشکلي شعاعي مقاومت کرده از اينرو ايجاد دگرشکلي کنترل شده مي نمايد که شکل ژئومتريک تونل را حفظ مي نمايد. همچنين ميل مهارها از آنرو که تاثير ناهمساني و ناهمگوني را کاهش مي دهند، تشکيل صفحات برشي و لغزشي را مشکل تر ساخته و سبب ايجاد مقاومت ماندگار بالا حتي در توده هاي سنگ به شدت دستخورده مي گردد که اين نيز به نوبه خود سبب بهسازي کيفيت سنگ مي گردد. تنش مماسي در حلقه سنگ حمال موجب افزايش چسبندگي مهاري ها مي گردد. طاقهاي ثانويه ايجاد شده بين تکيه گاهها، در برابر تمايل توده سنگ نسبت به جابجايي به داخل تونل مقاومت ايجاد مي نمايد که اين مقاومت به نزديکي مهاري ها بستگي دارد. در صورتيکه طاق تونل تحت تنش زياد در اثر فرايندهاي تجديد آرايش دوباره قرار گيرد، يا اگر سيستم سنگ در معرض شکستگي قرار داشته باشد، تونل نياز به بهسازي با بتن پاشي به سطح خواهد داشت.

بنابراين به طور خلاصه مواد پايدار کننده در ناتم عبارتست از: شاتکريت، ميل مهارها، قوس هاي فولادي يا پروفيلي، صفحات فولادي و....

◄ نتيجه گيري:
هدف اصلي ناتم ايجاد يک قوس نيمه صلب خارجي بلافاصله پس از حفاري با وسايل نگهداري از قبيل شاتکريت، کوه پيچ و غيره مي باشد. اين امر موجب تنظيم تنش در محدوده اطراف تونل گرديده از سست شدگي مخرب جلوگيري به عمل مي آورد و اين همان چيزي است که ناتم را از روش هاي تونلزني محافظه کارانه تميز مي دهد. زيرا اصولا در شيوه هاي سنتي تونلسازي، بار سنگ مي بايست تماما بوسيله تجهيزات نگهداري تحمل شود که اين کار نيز مستلزم صرف هزينه هاي زياد مي باشد.
روش ناتم بيشتر در نتيجه تجربه عملي بوجود آمده و مانند ديگر روشهايي که در حال تکميل و تکوين مي باشند، دستخوش تغيير و تحولات و مشکلات متعددي گرديده تا به شکل کنوني در آمده است. اين روش از انعطاف پذيري قابل توجهي در شرايط مواجهه با وضعيت هاي متفاوت توده سنگي برخوردار است.
بطور کلي ضروري مي باشد که مطالعات و بررسي دقيقي به منظور بررسي ظرايط زمين ساختاري بويژه در زميسن هاي نامناسب انجام گرفته، بين هزينه هاي مطالعات و اجراي عمليات رابطه اي منطقي ايجاد گردد.
تهيه مواد و مصالح مورد نياز ناتم و طريقه ريختن بتن در فضاها، حتي در طرح هاي کوچک تونلسازي با ناتم نياز به ساماندهي مناسب و کارآمد دارد که خود ناشي از تجربه ومهارت بالاي معدنچي ها و اجراکاران دارد. اهميت نصب شعاعي مهاريها به طور سيستماتيک در سنگ هاي سست، به منظور تامين توزيع مناسب تنش هاي بوجود آمده در قوس هاي دايره اي شکل سنگي، فوق العاده مناسب تشخيص داده شده است.
موفقيت در روش ناتم نياز به آموزش هاي تئوريک و عملي همزمان در محل عمليات دارد زيرا تنها در ارتباط بودن نزديک و دقيق مهندسان با مسائل و مشکلات در محل کار مي تواند آنها را به اعمال راهنمايي هاي خاص و دقيق قادر سازد.
يک بخش مهم و جدايي ناپذير در اين روش مشاهده رفتار تنش کرنش سنگ با فنون اندازه گيري مي باشد.

◄ منابع:
مجله بلور (دانشکده معدن و متالوژي دانشگاه تهران)
وفائيان.م. بررسي پيشرفت مباني طرح سابرت و اجراي تونل، مجموعه سخنراني هاي سومين سمينار توونلسازي. خرداد 1366
انصاري، ع. مطالب ارائه شده در جزوه درسي.
طاهري، ع. مطالب ارائه شده در جزوه درسي.
کديور، م.ح. طراحي تونل بوسيله ناتم از ديدگاه مطالعات آماري