بررسی مخاطرات ژئوتکنیکی موجود در پروژه

تراوش آب به درون تونل در قسمتهایی از مسیر تونل که زیر سطح آب باشد و خاک نفوذپذیری بالا داشته باشد محتمل است. برای این منظور قسمتی از طول تونل که حاوی خاک درشت دانه و زیر سطح آب باشد جزو خاک هایی با خطر تراوش آب به درون تونل محسوب می شوند. خاک ها این مناطق در مسیر تونل با هاشور در نقشه "برش ژئوتکنیکی مسیر تونل" نشان داده شده اند. این مناطق در نقشه از حوالی میدان شوش تا میدان ابن سینا را شامل می شوند.

ناپایداری جبهه کار در حین حفاری می تواند مشکلاتی را برای ماشین حفاری بوجود آورد. این مشکل بیشتردر خاکهای غیر چسبنده و دانه ای بوجود می آید. به همین دلیل خاکهای سیلتی و ماسه ای با اعداد نفوذ استاندارد پایین برای این نوع مخاطره در طول مسیر تونل مشخص شدند. قسمتهایی از مسیرهای بین بزرگراه بعثت تا چهار راه سرچشمه مستعد این نوع ناپایداری هستند.

ماسه سست اشباع شده در مواقع زلزله می تواند مشکل ساز شود. همچنین این نوع خاک در حین حفاری از ناپایداری زیادی برخوردار است.  بنابراین در طول مسیر تونل قطعاتی که دارای ماسه با پارامترهای مقاومتی پایین یا عدد نفوذ استاندارد پایین بود، مشخص شد. این مشکل در مناطق بین میدان شوش تا چهارراه سرچشمه دیده شد.

بیشتر رسهای پلاستیک در هنگام جذب آب متورم و پس از ازدست دادن آب جمع می شوند. تورم خاک با جذب آب میتواند مشکل ساز باشد. مقدار این تورم تابع نوع کانی های رسی و پیوندهای مولکولی بین ذرات است. مثلاً رسهای پلاستیک که دارای مونت موریلونیت هستند دارای این خاصیت هستند. بنابراین در طول مسیر برای یافتن پتانسیل تورمی خاکها از کمیت A استفاده شد. این کمیت جهت ارزیابی پتانسیل تورم و انقباض خاکها بکار میرود و با نشانه خمیری PI  و درصد وزنی ذرات رس ارتباط دارد. با توجه به این کمیت در طول مسیر تونل خاک متورم شونده دیده نشد.

جمع شدگی جدار تونل به دلایل متعددی از قبیل فشار سربار زیاد و یا نوع نوع خاک می تواند بروز کند. برای محاسبه این پارامتر، میزان جابجایی های شعاعی جدار تونل با فرض محیط الاستیک در طول مسیر تونل بدست آمد. اگر تغییر مکان جدار تونل نسبت به قطر آن از مقداری فراتر رود، پدیده جمع شدگی مسئله دار شده و باید به طور دقیق تر مورد بررسی قرار گیرد. برای این کار، در طول مسیر این مناطق با میزان جمع شدگی کم، متوسط، و زیاد نشان داده شدند. در خاک درشت دانه شمال مسیر ( میدان ابن سینا تا میدان سپاه) این پدیده وجود ندارد، اما در خاک ریز دانه جنوب مسیر (بزرگراه آزادگان به سمت چهاراه سرچشمه) جمع شدگی کم تا متوسطی پیش بینی می شود.

مناطقی از مسیر تونل که جبهه حفاری با چند نوع خاک متفاوت دارند، با توجه به فشار های مختلف خاکهای گوناگون وارده به تیغه ماشین حفاری، می تواند برای ماشین حفاری مشکل ساز باشد. در طول مسیر تونل صیاد مواردی چند با این وضعیت وجود دارد که بیشتر در حد فاصل بزرگراه بعثت تا چهارراه سرچشمه متمرکز هستند.

افزایش بی رویه فشار آب منفذی تا حد تنش کل در شرایط خاص بارگذاری وکاهش شدید تنش موثر منجر به از بین رفتن مقاومت برشی خاک، روان شدن، فوران و جوشش آب وماسه در سطح زمین می شود که به این پدیده روانگرایی گفته می شود. ماسه و شن اشباع و یکنواخت با تراکم کم و عدم امکان زهکشی و تخلیه آب و هم چنین خاک های لای دار با چسبندگی و تراکم اندک جزو این دسته خاکها هستند. از آنجا که در طول مسیر تونل اکثر خاکهای ماسه ای دارای تراکم بالا می باشند و همچنین خاکهای سیلتی در طول این مسیر چسبنده نیز هستند، در طول مسیر تونل پیش بینی وقوع این نوع خطر بسیار کم است.

فروچاله (sinkhole) انواع گوناگوني دارد و به دلايل مختلفي به وجود مي‌آيد. آب‌شستگي زيرسطحي و انحلال از شايع‌ترين دلايل ايجاد فروچاله در جهان است. حفره‌هاي كوچك موجود در زير سطح زمین به تدريج در اثر آب‌شستگي و ريزش بزرگ شده و اغلب به صورت ناگهاني سقوط مي‌كنند. عوامل ایجاد فروچاله بخصوص در تهران عبارتند از:

شسته شدن ذرات ريزدانه خاك در تهران علت اصلي ايجاد فروچاله است. در ضمن انحلال‌پذيري سيمان بين ذرات خاك، شسته شدن آن را تسهيل مي‌كند. خاك‌هاي سست و خاك‌هاي دستي نيز به راحتي در اثر جريان آب شسته مي‌شوند.

جريان زيرسطحي آب به دلايلي مثل نفوذ آب‌هاي سطحي، حركت آب‌هاي زيرزميني، نشت چاه‌ها و لوله‌هاي فاضلاب و به خصوص لوله‌هاي تركيده آب به وجود مي‌آيد و موجب آب‌شستگي تدريجي مي‌شود.

تونل و حفرات زيرزميني محل فرار آب‌هاي زيرسطحي و حركت ذرات ريزدانه هستند. هرگونه آبي كه از ديواره‌ها وارد تونل‌ها در زمان اجرا يا بهره‌برداري مي‌شود، در حال شستن و فرسايش زمين اطراف تونل است ولي اين فرسايش با توجه به جنس زمين و مقدار و سرعت آب ورودي مي‌تواند سريع يا بسيار كند و درازمدت باشد.

قنات‌هاي موجود در زيرسطح شهر تهران نيز موجب فرونشست زمين مي‌شوند زيرا اولا قنات‌ها مسيري براي عبور آب زيرزميني و شسته شدن ذرات خاك هستند و ثانيا قنات‌ها در اثر افزايش ابعاد ناشي از آب‌شستگي دچار گسيختگي مي‌شوند.

همانطور که در بالا عنوان شد وجود سه عامل خاک ریزدانه سست قابل شستشو، آب زیر سطحی و حفرات زیر زمینی برای ایجاد فروچاله لازم به نظر می رسند. همچنین ممکن است در مسیر تونل تعدادی فروچاله از قبل وجود داشته باشند که باید شناسایی شوند. در مسیر تونل صیاد به خصوص در محدوده چهار راه سرچشمه تا بهارستان در صورت اجرای نامناسب تونل، احتمال ایجاد فروچاله وجود دارد.

شناسايي حفرات زيرزميني با استفاده از روش‌هاي ژئوفيزيكي و ژئوتكنيكي و همچنين بررسي سازه‌هاي اطراف قبل از وقوع فروچاله ممكن است. در ادامه نكاتي در مورد هر يك از روش‌هاي مذكور ارائه مي‌گردد:

الف- روش‌هاي ژئوفيزيكي شناسايي حفرات

روش‌هاي الكتريكي مثل اندازه‌گيري مقاومت الكتريكي (electrical resistivity) و توموگرافي ژئوالكتريك (geoelectric tomograohy) روش‌هاي خوبي براي شناسايي حفرات هستند. اين روش‌ها به نوع خاصي از خاك‌ها محدود نمي‌شوند که توضیح روش توموگرافي ژئوالكتريك در گزارش مدرک      1046-EN-GE-ORD-0082-BO  آمده است.

ژئورادار (GPR) براي شناسايي حفرات زيرسطحي در خاك‌هاي خشك ماسه‌اي مناسب است (شکل 5). وجود لايه‌هاي رسي يك محدوديت براي GPR است. این روش در ایران برای شناسایی حفره ها استفاده شده است. توضیح این روش در گزارش مدرک       1046-EN-GE-ORD-0082-BO  آمده است.

    روش‌هاي ژئوفيزيكي مثل ميكروگراويتي، مغناطيس‌سنجي (فلزياب) و امواج سطحي (SASW) در پروژه‌هاي شناسايي حفرات مورد استفاده قرار گرفته‌اند که توضیح این روش ها در گزارش مدرک 1046-EN-GE-ORD-0082-BO آمده است.

ب-  روش‌هاي ژئوتكنيكي شناسايي حفرات

شناسايي‌هاي ژئوتكنيكي در پروژه‌هاي عمراني به منظور شناخت خواص زمين انجام مي‌شود. اين شناسايي‌ها با حفر گمانه و چاهك، انجام آزمايش‌هاي محلي وهمچنين آزمايش‌هاي آزمايشگاهي انجام مي‌شود. با روش‌هاي ژئوتكنيكي مي‌توان حفره‌ها را شناسايي كرد.

گمانه‌زني با ماشين يا حفر چاهك‌هاي دستي روشي مستقيم براي شناسايي حفرات است. اين عمليات وقت‌گير است و در محل‌هايي به كار مي‌رود كه مظنون به وجود حفره هستند.

استفاده از آزمايش‌هاي برجا مثل كاوشگر ديناميكي (DP) يا نفوذ مخروط (CPT) در خاك‌هاي ضعيف براي يافتن حفرات زيرزميني سابقه دارد. اين آزمايش‌ها در خاك‌هاي ضعيف نياز به حفر گمانه ندارند.

آزمايش‌هاي آزمايشگاهي از جمله آزمايش دانه‌بندي و آزمايش‌هاي شيميايي براي تشخيص پتانسيل آب‌شستگي خاك مفيد هستند.

ج-  روش بررسي سازه‌هاي اطراف

قبل از ايجاد فروچاله ممكن است نشست‌هاي سطحي بروز كند. در اين صورت مي‌توان با بررسي سازه‌هاي اطراف به وجود حفره‌هاي زيرزميني مظنون شد.

برداشت دقيق كف سازه‌هاي موجود و همچنين سطح زمين يكي از روش‌هايي است كه براي يافتن نقاط مظنون به وجود حفره زيرزميني به كار مي‌رود. حداقل دقت 3 ميلي‌متر براي اين برداشت‌ها لازم است.

رفتارسنجي سازه‌هاي مهم به خصوص نشست و تغيير مكان‌هاي افقي و قائم آن‌ها در مجاور نقاطي كه سازه‌هاي زيرزميني وجود دارد.           

فروچاله ممكن است بدون علامت‌هاي هشداردهنده قبلي ايجاد شود. ولي بسياري از فروچاله‌هاي بزرگ اتفاق افتاده در تهران با نشست‌هاي جزئي در سطح زمين و ساختمان‌هاي اطراف قبل از وقوع همراه بوده‌اند.

هنگام اجراي تونل و سازه‌هاي زيرزميني به خصوص در صورت آب‌كشي و پايين آوردن سطح آب لازم است بازرسي چشمي ساختمان‌هاي اطراف و سطح زمين در دستور كار روزانه تيم اجرايي قرار گيرد. هرگونه نشست و ترك‌خوردگي بايد جدي گرفته شده و اقدامات تكميلي درخصوص شناسايي علت نشست و ترك‌خوردگي را به همراه داشته باشد.

بازرسي سازه‌هاي اطراف تونل‌ها و ساير ابنيه زيرزميني در حال بهره‌برداري بايد در دستور كار سازمان بهره‌بردار باشد.

با توجه به اینکه مسیر تونل  از لحاظ زمین­شناسی به سه بخش شمالي، بخش مياني و بخش جنوبي تقسیم شده است، بررسی مخاطرات نیز در این سه بخش ارائه می گردد که در ادامه هر یک از آنها بطور خلاصه توضیح داده شده است. خطر ایجاد فروچاله در این سه بخش زمین شناسی بر اساس وجود عوامل سه گانه مذکور در بالا بررسی شده است.

مخاطرات ژئوتکنیکی بخش جنوبي (حد فاصل بزرگراه آزادگان تا میدان شوش)

مخاطرات ژئوتکنیکی در این بخش  شامل موارد ذیل می باشد:

ناپایداری جبهه کار (Face Instability)        در نواحی شمالی این بخش

جمع شدگی جدار تونل (Convergence)       در تمام این بخش با پتانسیل متوسط

جبهه کار مختلط (Mixed face)                  در بسیاری از طول مسیراین بخش

خطر وجود فروچاله                                           در این بخش تعداد کمی کانال زیر سطحی و قنات وجود

                                                                              دارد. البته لازم به ذکر است که خاک این بخش غالبا 

                                                                                 ریزدانه است و سطح آب هم در حدود 20 متری

                                                                               است. لذا این بخش دارای خطر متوسط ایجاد فروچاله

                                                                               است.

مخاطرات ژئوتکنیکی بخش مياني (حد فاصل میدان شوش تا چهارراه سرچشمه)

مخاطرات ژئوتکنیکی در این بخش  شامل موارد ذیل می باشد:

تراوش آب به تونل (Water Flow Potential)          در تمام طول مسیراین بخش

ناپایداری جبهه کار (Face Instability)                    در تمام طول مسیراین بخش

ماسه سست اشباع (Loose Saturated Sand)           در تمام طول مسیراین بخش

جمع شدگی جدار تونل (Convergence)       در تمام طول مسیراین بخش با پتانسیل کم

جبهه کار مختلط (Mixed face)                    در تمام طول مسیراین بخش

خطر وجود تخته سنگ (Boulder)                در قسمتی ار طول مسیر در این بخش

خطر وجود فروچاله                                             در این بخش بیشترین تعداد کانال زیر سطحی و قنات

                                                                                 (سه رشته قنات و چهار رشته کانال) وجود دارد. همچنین سطح آب زیر زمینی تقریبا بالاست و بافت این بخش هم حاوی خاک ریزدانه می باشد. لذا این بخش دارای بیشترین خطرایجاد فروچاله است.                                                                                                                                     

مخاطرات ژئوتکنیکی بخش شمالی (حدفاصل چهار راه سرچشمه تا جنوب پل شیخ صفی)

مخاطرات ژئوتکنیکی در این بخش  شامل موارد ذیل می باشد:

تراوش آب به تونل (Water Flow Potential)          در تمام طول مسیراین بخش

ناپایداری جبهه کار (Face Instability)                    در نواحی جنوبی این بخش

ماسه سست اشباع (Loose Saturated Sand)           در نواحی جنوبی این بخش

جمع شدگی جدار تونل (Convergence)                   در نواحی جنوبی این بخش با پتانسیل کم

جبهه کار مختلط (Mixed face)                              در نواحی جنوبی این بخش

خطر وجود تخته سنگ (Boulder)              در تمام طول مسیر در این بخش

خطر وجود فروچاله                                                       در این بخش شش رشته قنات و دو رشته کانال وجود دارد.

                                                                              ولی بدلیل آنکه خاک این منطقه اغلب ریزدانه

                                                                              و سطح آب زیر زمینی هم پایین است، این بخش دارای

                                                                             خطر کم ایجاد فروچاله می باشد.

همانطور که قبلا هم عنوان شد علاوه بر فروچاله های ایجاد شده در مسیر، احتمالا فروچاله هایی هم از قبل در اطراف مسیر تونل وجود دارند که همه آن ها (فروچاله های موجود و ایجاد شده) باید شناسایی شوند.