فهرست مطالب
اثر زلزله بر سازه های زیرزمینی و تونل مترو
امروزه با پیشرفت فن آوری، سهولت نسبی در حفاری و ساخت سازههای زیرزمینی، محدودیتهای فضاهای سطحی برای اجرای طرحهای عمرانی و نیز به واسطه مسائل سیاسی و امنیتی، توجه بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه به احداث سازههای زیر زمینی برای كاربری های عمرانی، نظامی و معدنی معطوف شده است. راهها و بزرگراههای زیرزمینی، انواع تونلها، شبکه متروی شهری، نیروگاهها و سایر مغارهای زیرزمینی برای دفن زبالههای هستهای و یا به عنوان مخازن نفت، معادن، پناهگاهها و انبارها، تعدادی از سازههایی هستند که در کشورهای مختلف به سرعت در حال ساخت و اجرا میباشند.
با توجه به توسعه روز افزون سازههای زیر زمینی و هزینههای فراوانی که برای ساخت هر یک از این سازهها صرف میگردد و نیز اهمیت آنها در شبکه حمل و نقل بین شهری وداخل شهری و خطری که در صورت آسیب دیدگی آنها متوجه جان مردم می شود، لازم است که پایداری آنها در برابر خطرات ناشی از زلزله مورد مطالعه قرار گیرد.
در این گزارش پس از نگرشی اجمالی به تاریخ صنعت سازههای زیرزمینی و آسیبهای گذشته این سازهها در زلزله، به بررسی تعاریف مربوط به تونلها و نیز مشخصات کلی امواج زلزله و نحوه تاثیر آنها بر تونلها میپردازیم و برآورد خطر پذیری این گونه سازهها را بیان مینماییم.
بخش دوم این گزارش، به تونلها و ایستگاههای زیرزمینی مترو اختصاص دارد که پس از بیان تفاوت عملکردی اینگونه تونلها نسبت به سایر تونلها، به مطالعه موردی تونل متروی دایکایی که در زلزله کوبه دچار آسیب شده بود و نیز بررسی خطرپذیری تونل متروی شهر قاهره خواهیم پرداخت. سپس معیارهای طراحی لرزهای تونلها بیان میگردد.
تاریخچه تونل سازی و سازههای زیر زمینی
احتمالا اولین تونلها در عصر حجر برای توسعه خانهها با انجام حفریات توسط ساکنان شروع شد . این امر نشانگر این است که آنها در تلاش هایشان جهت ایجاد حفریات به دنبال راهی برای بهبود شرایط زندگی خود بوده اند. پیش از تمدن روم باستان ، در مصر ، یونان ، هند و خاور دور و ایتالیای شمالی ، تماما تکنیک های تونل سازی دستی مورد استفاده قرار میگرفت که در اغلب آنها نیز از فرآیندهای مرتبط با آتش برای حفر تونل های نظامی ، انتقال آب و مقبرهها کمک گرفته شده است. در ایران نیز از چند هزار سال پیش، به منظور استفاده از آبهای زیرزمینی تونل هایی موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضی از آنها به 70 کیلومتر و یا بیشتر نیز میرسد. تعداد قنات های ایران بالغ بر 50000 رشته برآورده شده است. جالب توجه است که این قنات های متعدد، طویل و عمیق با وسایل بسیار ابتدایی حفر شده اند.
رومی ها نیز در ساخت قناتها و همچنین در حفاری تونل های راه پرکار بودند. آنها در ضمن اولین دوربینهای مهندسی اولیه را در جهت کنترل تراز و حفاری تونل ها به کار بردند.
اهمیت احداث تونل ها در دوران های قدیم ، تا بدان جاست که کارشناسان کارهای احداث تونل در آن تمدنها را نشانگر رشد فرهنگ و به ویژه رشد تکنیکی و توان اقتصادی آن جامعه دانستهاند. تمدنهای اولیه به سرعت ، به اهمیت تونلها ، به عنوان راههای دسترسی به کانی ها و مواد طبیعی نظیر سنگ چخماق به واسطه اهمیتش برای زندگی، پیبردند. همچنین کاربرد آنها دامنه گستردهای از طاق زدن بر روی قبرها تا انتقال آب و یا گذرگاه هایی جهت رفت و آمد را شامل می شد. کاربردهای نظامی تونلها ، به ویژه از جهت بالا بردن توان گریز یا راههایی جهت یورش به قرارگاهها و قلعه های دشمن ، از دیگر جنبه های مهم کاربرد تونلها در تمدن های اولیه بود.
تونل سازی همزمان با انقلاب صنعتی، به ویژه به منظور حمل و نقل ، تحرک قابل ملاحظه ای یافت. تونل سازی به گسترش و پیشرفت کانال سازی کمک کرد و این امر در توسعه صنعت به ویژه در قرون 18 و 19 میلادی در انگلستان سهم بسزایی داشت. کانالها یکی از پایه های انقلاب صنعتی بودند وتوانستند در مقیاس بسیار بزرگ هزینههای حمل و نقل را کاهش دهند. تونل مالپاس با طول 157 متر بر روی کانال دومیدی در جنوب فرانسه اولین تونلی بود که در دورههای مدرن در سال 1681 ساخته شد. همچنین اولین تونل ساخته شده با کاربرد حفاری و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن 18 دنیس جیمز بریتنی از خانواده ای مزرعه دار با نظارت بر طراحی و ساخت بیش از 580 کیلومتر کانال و تعدادی تونل به عنوان پدر کانال و تونل های كانالی ملقب شد. وی در سال 1759 با ساخت یک کانال به طول 16 کیلومتر مجموعه معدن زغال دوک بریج واتر را به شهر منچستر متصل نمود. اثر اقتصادی تشکیل این کانال نصف شدن قیمت زغال در شهر و ایجاد یک انحصار واقعی برای معدن مذکور بود.
در اوایل قرن نوزدهم به منظور عبور از قسمتهای پایین دست رودخانه تایمز هیچ سازه ای موجود نبود و 3700 عابر مجبور بودند با طی یک راه انحرافی 3 کیلومتری با قایق مسیر روترها به ویپینگ را طی کنند. اقدام به ساخت یک تونل نیز به دلیل ریزش بودن و مناسب نبودن رسوبات کف رودخانه متوقف شد. تا اینکه در حدود سال 1820 فردی بنام مارک ایزامبارد برونل از فرانسه ایده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال 1825 کار احداث تونل بین روترهای و ویپینگ را آغاز و علی رغم جاری شدن چند نوبت سیل در سال 1843 آن را باز گشایی نمود. این تونل تامس نام گرفته و اولین تونل زیر آبی بود که بدون هر گونه رودخانه انحرافی حفر شد.
در دیگر موارد تونل های زهکشی بزرگ ، نظیر تونلی با طول 7 کیلومتر در هیل کارن انگلستان ، اهمیت زیادی در توسعه صنعت معدنکاری داشتهاند. البته بررسی تاریخچه پیشرفت در روش ها و تکنیک ها و به عبارتی در هنر تونل سازی نشانگر این مطلب است که مانند بسیاری دیگر از علوم و فنون بیشتر رشد این هنر در قرن گذشته صورت گرفته و تا حال نیز ادامه دارد.
ویژگی های فضاهای زیرزمینی و نمونه های بارز آنها
هم اکنون در زمینه های مختلف کاربرد تونلها ، مزایای متفاوت و گوناگونی را بر می شمارند. از آن جمله ویلت، استفاده فزاینده فعلی از فضاهای زیرزمینی را به دلایل زیر رو به افزایش دانسته است.
1- تفوق محیط ساختاری به معنای وجود یک حصار و ساختار طبیعی فراگیر.
2-عایق سازی با سنگهای فراگیر که دارای ویژگیهای عالی عایقها می باشند.
3- محدودیت کمتر در احداث سازه های بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی سطح زمین.
4- کمتر بودن تاثیرات منفی زیست محیطی.
از دیگر مزایای تونل ها در راههای ارتباطی می توان به :
1- کوتاهتر شدن مسیر ها و افزایش راندمان ترافیکی
2-بهبود مشخصات هندسی مسیر
3-جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن
4-ایمنی بیشتر در برابر زلزله،
اشاره کرد .
مثال های متعددی می توان از نقش و تأثیر عمده تونل سازی و پروژه های بزرگ این صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد . تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ایتالیا را به هم متصل می سازد. عملیات ساختمانی آن در سال 1959 آغاز گردید و حفر این تونل فاصله بین میلان و پاریس را به طول 304 کیلومتر کوتاه تر نموده است. از دیگر نمونه ها کشور فنلاند است که سازه های زیر زمینی را به صورت مارهای عظیم بدون پوشش بتنی ، به منظور انبار مواد نفتی مورد استفاده قرار داده و در حال حاضر بیش از 75 انبار نفتی در سراسر کشور فنلاند با گنجایش بیش از 10 میلیون متر مکعب ساخته شده.
تعاریف مربوط به تونلها و ساختگاه
مشخصات و ویژگیهای تونلها و نحوه ساخت آنها در تاثیر پذیری آنها از زلزله موثر است. در این قسمت تعاریف مربوط به تونلها بیان شده و اثر هر کدام در تاثیر پذیری تونلها بررسی میشود.
عمق تونل :
بطور کلی تونلها در مقابل زلزله، نسبت به سایر سازههای سطحی بسیار پایدارترند. چرا که جابجائی زمین، دامنه حرکات، شتاب و سرعت ذرهای زمین عموما با زیاد شدن عمق، کاهش مییابد (مخصوصا اگر زمین نرم باشد)؛ به طوری که در مواردی شتاب زلزله در عمق بیش از 50 متر، حدود 40 درصد کاهش یافته است. البته ذکر این نکته نیز ضروری است که اگر چه شتاب و بعضی پارامترهای دیگر در عمق کمتر از لایه سطحی است، اما مشخصاتی مثل فرکانس زلزله به منبع تولید موج بستگی دارد و تابع عمق زمین نمی باشد. البته باید به این نکته نیز توجه داشت که میزان جابجائی ناشی از گسلش در عمق بیشتر از سطح است که این موضوع در بخش جداگانهای مورد بحث قرار خواهد گرفت.
شکل و اندازه تونل :
همانطور که در بخش قبل اشاره شد، هر چه مقطع تونل بزرگتر باشد، حساسیت آن به زلزله بیشتر است. یکی از موارد بزرگ بودن موضعی تونلها، در تقاطع ها و ایستگاههای مترو میباشد. همچنین وجود دو یا چند تونل در کنار هم معمولا باعث تمرکز تنش های استاتیکی در محیط بین تونلها میگردد. همین حالت در هنگام گذر موج زلزله که نوعی تنش است، اتفاق میافتد.
وضعیت لایه بندی و جنس زمین:
امواج تولید شده در حین حرکت، تحت تاثیر خواص زمین قرار میگیرند. امواج فشاری و برشی در سطح برخورد با لایههای مختلف دچار انکسار و انعکاس میشوند و این باعث افزایش یا کاهش دامنه نوسانات میگردد. از طرف دیگر، شرایط و وضعیت خاک تحت الارضی و حتی توپوگرافی یك ناحیه ممکن است عامل افزایش اساسی در شدت جنبشهای سطح زمین گردد. تقویت شتاب در انباشتهای نرم بزرگتر از مقدار آن در انباشتههای سفت میباشد.
نحوه ساخت تونل
روشهای مختلفی برای ساخت تونل (کندن تونلها) وجود دارد که بستگی به شرایط ساختگاهی و زمین ساختی روش مناسب انتخاب میشود. روشهایی که بیشتر معمول هستند روش حفاری شده و خاکبرداری شده است. در مورد تاثیر نحوه ساخت بر رفتار تونلها جدول زیر در HAZUS99 که توسط NIBS آمریکا ارائه شده است (جدول 4-1). نحوه ساخت تاثیر بسیار زیادی بر اثر پذیری از امواج زلزله دارد، چرا که در روش حفاری، خاک اطراف کاملا دست نخورده باقی میماند و از طرف دیگر این گونه تونلها معمولا در جایی ساخته میشوند که عمق قرارگیری تونل زیاد باشد. ولی در تونلهای سطحی مانند تونلهای مترو، اغلب از روش خاکبرداری و پوشش استفاده میشود.
حداکثر شتاب زمین PGA |
|||
نوع تونل |
حالت خرابی |
میانه (g) |
β |
حفاری شده |
حداقلمتوسط |
0.60.8 |
0.60.6 |
خاکبرداری شده |
حداقلمتوسط |
0.50.7 |
0.6 |
تغییر شكل پایدار زمین PGD |
|||
نوع تونل |
حالت خرابی |
میانه (in) |
β |
همه تونلها |
حداقل و متوسط زیاد کامل |
61260 |
0.70.50.5 |
جدول (4-1) پارامترهای توابع خرابی تونل HAZUS99
پوشش داخلی تونل (Lining)
پس از حفاری تونل در صورت نیاز از پوشش داخلی برای محافظت در مقابل ریزش استفاده میشود. البته مواردی نیز وجود دارد که در صورت استحکام کافی سنگها، از پوشش استفاده نمی شود، ولی در غیر این صورت امکان استفاده از شاتکریت، بتن درجا، و یا اجزای پیش ساخته وجود دارد.
تاثیر گسلش بر تونلها:
گسلش یکی از عواملی است که میتواند در هنگام وقوع زلزله خسارات زیادی را به سازههای زیر زمینی و بخصوص سازههای خطی زیر زمینی وارد نماید.
اهمیت مطالعه گسلش در طراحی سازههای زیر زمینی
جابجائی برشی در یک پهنه باریک در دو طرف گسل آثار تخریبی شدیدی بر روی سازههای زیر زمینی خواهد داشت. تنشهای حاصل از گسلش در مقاطع تونل یا سایر سازههای زیر زمینی میتواند به مراتب از تنشهای حاصل از لرزش و لغزش بیشتر باشند. طراحی تونلها به نحوی که بتواند در برابر جابجاییهای چند سانتی متری تا چند متری ناشی از گسلش مقاومت کنند، نیز از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست؛ بدین لحاظ مطالعه خطر گسلش در مسیر یک تونل و یا سایر سازههای زیر زمینی از اهمیت خاصی برخوردار است.
در واقع بسیاری از سازههای زیر زمینی و بخصوص تونلها دارای تقاطعهایی با گسلها میباشند که این امر باعث آسیب پذیری آنها بر اثر حرکت گسل میگردد. به همین جهت در حین بررسیهای ساختگاه برای ساخت سازههای زیرزمینی باید به وجود گسلها توجه خاصی مبذول شود تا بتوان با شناخت کامل آنها، پیشگیریهای لازم را در جهت كاهش میزان صدمات ناشی از گسلش انجام داد. در این راستا، نه تنها مکان گسلهای فعال باید دقیقا شناسایی گردند، بلکه باید نوع گسل و نحوه حرکت آن، نحوه حرکت گسل در گذشته، نحوه انتخاب رویداد مناسب برای طراحی و اهمیت و یا تاثیر گسلش در کاربری سازه زیر زمینی نیز دقیقا بررسی گردد. بررسی نوع گسل نحوه حرکت آن را در جهات افقی یا قائم و یا هر دو، مشخص میکند. جابجائی گسل میزان حرکت آن را در جهات مختلف نشان میدهد. رویدادهای تاریخی می توانند برای پیش بینی نوع حرکت، میزان جابجائی و زمان احتمالی کلش در آینده مورد استفاده قرار گیرند و انتخاب رویداد مناسب نیز میتواند امكان طراحی بهینه و اقتصادی سازه را فراهم آورد. همچنین تاثیر گسلش بر کاربری طرح باید به دقت مشخص گردد. به عنوان مثال، در تونلهای راه آهن حساسیت زیادی در برابر جابجائی وجود دارد؛ زیرا، امکان قطع شدن ریلها یا مختل شدن سیستم آنها به واسطه جابجائی حاصل از گسلش وجود دارد و این امر میتواند حوادث ناگواری را بوجود آورد. در مقابل در تونلهای انتقال آب حتی اگر جابجائی قابل توجهی نیز رخ دهد خطر جانبی به همراه نخواهد داشت و سیستم انتقال آب نیز میتواند با مقداری تفاوت دبی به کار خود ادامه دهد.
انواع جابجایی های گسلی
معمولا جابجایی گسلها به سه شکل نرمال، معکوس و امتداد لغز انجام می شود که در نوع امتداد لغز جابجایی افقی و در دو نوع دیگر جابجایی قائم میباشد. البته معمولا در طبیعت حالات ترکیبی از این حرکات مشاهده میشود و به ندرت میتوان گسلی را یافت که صرفا در جهت افقی یا قائم حرکت کند. قسمتهای مختلف یک گسل و انواع حرکات گسل در شکل 5-1 نشان داده شده است.
جابجایی گسل در چند رویداد مهم لرزهای:
هر چند در اکثر مواقع در هنگام زلزله جابجائی سگها در حد چند ده سانتی متر می باشد ولی در رویدادهای بزرگ لرزهای این جابجائی میتواند به چند متر نیز برسد. در این قسمت مثالهایی از برخی زلزله های مهم جهانی و داخلی جهت روشن شدن اهمیت گسلش ارائه میگردد:
- زلزله سانفرانسیسکو (1906): در این زلزله حرکت گسل سان آندریاس موجب تخریب و برهم خوردگی وضعیت بسیاری از راهها، حصارها، خطوط لوله، پل و تونلها در امتداد گسل شد. پهنای زون شکستگی در این مورد از چند ده سانتی متر تا بیش از 15 متر متغیر بود و ترکهای زیادی نیز در دو طرف گسل اصلی تا شعاع چند ده متری ایجاد شد. مقدار جابجایی افقی با آنچه که توسط جابجائی حصارها و یا راهها قابل اندازهگیری بود از 5/2 متر تا 5/4 متر متغیر بوده است که در بعضی نقاط به 5/6 متر هم می رسیده است.
- زلزله سان فرناندو (1971): نوع گسل در این زلزله شیب لغز معکوس بوده است. گسلش در ناحیهای به وسعت 15 کیلومتر ایجاد شد و با حرکات لغزشی معکوس و امتداد لغز چپ گرد همراه بوده است. در ناحیه سان فرناندو حداکثر جابجایی بصورت چپ گرد 9/1 متر و به صورت شیب لغز 5/1 متر بوده است. اختلاف سطح عمودی حاصله برابر با 39/1 متر بوده و کوتاه شدگی در جهت قائم بر روند زون 55/0 متر بوده است.
- در زلزله کوبه ژاپن (1995) با بزرگای 2/7 گسل نوجیما در جهت قائم 3/1 متر و در جهت افقی 8/1 متر جابجا شده است.
- در زلزله های ایران نیز جابجائی های قابل توجهی در گسلها در برخی از زلزلههای بزرگ دیده شده است که خلاصهای از آن در جدول (5-1) آورده شده است.
تاریخ |
نام رویداد |
بزرگا |
طول گسل Km |
جابجایی افقی به چپ(m) |
جابجایی افقی به راست(m) |
جابجائی قائم (m) |
23/1/1909 |
سیلاخور |
4/7 |
45 |
|
|
5/2 |
18/4/1911 |
راور |
2/6 |
15 |
|
|
5/0 |
1/5/1929 |
کپه داغ |
3/7 |
70 |
|
|
1/2 |
6/5/1930 |
سلماس |
2/7 |
30 |
|
0/4 |
0/6 |
16/2/1941 |
محمد آباد |
1/6 |
10 |
|
|
5/0 |
23/9/1947 |
دوست آباد |
8/6 |
20 |
|
1 |
8/0 |
1/9/1947 |
بوئین زهرا |
2/7 |
80 |
6/0 |
|
4/1 |
31/8/1968 |
دشت بیاض |
4/7 |
80 |
5/4 |
|
1/2 |
16/9/1978 |
طبس |
7/7 |
75 |
|
|
7/0 |
14/11/1979 |
کوریزان – خواف |
6/6 |
17 |
|
|
6/0 |
27/11/1979 |
کولی – بنیاباد |
1/7 |
65 |
25/2 |
9/0 |
8/3 |
جدول (5-1) برخی از زلزلههای مهم ایران در سالهای 1900 تا 1980 که همراه با گسلش قابل توجه بودهاند.
جابجائی در سطح و جابجائی در عمق :
نکتهای که باید به آن توجه داشت این است که در اکثر موارد میزان جابجائی در عمق با میزان آن در سطح فرق میکند. به عنوان مثال، میزان جابجائی حاصل از گسلش در زلزله 1952 کالیفرنیا در سطح زمین حدود یک متر و در عمق 160 متری این مقدار 5/2 متر بوده است.در زلزله 1978 ژاپن نیز میزان جابجایی در عمق حدود 5/0 متر و در سطح زمین تنها برابر 19/0 متر بود. در تمام موارد اندازهگیری شده، میزان جابجائی در عمق بیش از سطح زمین بوده است؛ ولی در حال حاضر با توجه به کمبود اطلاعات از میزان جابجائی در عمق نمیتوان رابطهای را بین عمق و جاجائی حاصل از گسلش تعیین کرد. لذا، معمولا از همان مقادیر سطحی با ضرایبی که به اهمیت طرح بستگی دارند برای عمق استفاده میگردد. به عنوان مثال، در یک مطالعه کاربردی در رابطه با متروی لوس آنجلس که با گسل هالیوود و چین خوردگی کویت (Coyote) برخورد دارد از حداکثر جابجایی سطحی برای طراحی تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است. در این مورد حداکثر جابجایی سطحی برای طراحی تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است. در این مورد حداکثر جابجایی سطحی ثبت شده در مورد گسل هالیوود برابر دو مترو برای چین خوردگی کویت برابر 5/0 متر بوده است. باید توجه داشت که تونل در عمق 50 متری با این ساختارهای زمین شناسی برخورد میکند.
لازم به توضیح است که بررسی خصوصیات جابجائی و گسیختگی در طول یک گسل نشان میدهد که میزان جابجایی در نقاط مختلف در طول گسل یکسان نیست. با توجه به متغیر بودن مقدار جابجائی در نقاط مختلف یک گسل، لازم است جهت تحلیل میزان جابجایی از روشهای آماری استفاده شود. تاکنون کلیه روابطی که برای برآورد جابجایی با استفاده از بزرگا ارائه شدهاند بر اساس تحلیلهای انجام شده بر روی حداکثر مقدار جابجایی بودهاند. مقادیر جابجائی که با این روابط بدست میاید درواقع مطابق با وضعیتی میباشد که سازه در محلی ساخته شده است که حداکثر جابجایی در آن محل وجود دارد؛ ولی محاسبات نشان میدهند که این مقدار جابجائی حداکثر تنها در قسمت کوچکی از کل طول گسیختگی و در حدود 3 تا 5 درصد آن ایجاد میشود. لذا احتمال برخورد حداکثر جابجایی با ساختگاه طرح کم است و طراحی بر این اساس مقرون به صرفه نیست. امروزه روشهای آماری مختلفی در طراحی سازهها و فضاهای رو و زیر سطحی روی گسلها ارائه شدهاندکه میتوان از آنها استفاده نمود.
روشهای کاهش صدمات ناشی از گسلش روی تونلها و سازههای زیر زمینی
معمولا طراحی تونلها یا سایر سازههای زیر زمینی به گونهای که بتوانند در برابر گسلش مقاومت نمایند، اقتصادی نیست؛ لذا سعی میشود که با تعیین محل دقیق گسلها با روشهای زمین شناسی و ژئوفیزیکی از برخورد تونلها با آنها ممانعت بعمل اید. این عمل بخصوص در نواحی فعال زمین ساختی در مورد سازههای خطی نظیر تونلها که حداقل صدها متر طول دارند مشکل است. چنانچه امکان دوری از گسل مقدور نباشد معمولا با قبول مقداری جابجایی در مقطع تونل سعی میشود که در محل برخورد تونل با گسل اتصالاتی تعبیه گردد تا صدمات را به حداقل ممکن کاهش دهد و امکاناتی نیز برای بازسازی سریع در نظر گرفته شود.
بدین منظور میتوان با استفاده از نقاط ضعف عمدی در تونل (نظیر درزههای ساختمانی و … ) صدمات را در قسمتهای خاصی متمرکز نمود. روش دیگر کاهش صدمات ناشی از گسلش در تونلها، افزایش سطح مقطع در محل تقاطع با گسل میباشد. در این مورد در محل برخورد تونل و گسل سطح مقطع را با اندازه جابجائی قابل انتظار بر اثر گسلش بزرگتر در نظر میگیرند و قسمت اضافی را با سنگ ریزه پر میکنند. چنانچه گسلش اتفاق افتد سطح مقطع حاصله برابر با سطح مقطع مفید مورد نظر است. این عمل در مورد خط متروی لوس آنجلس انجام شده است. در این تونل زیرزمینی در محل برخورد تونل با گسل هالیوود، سطح مقطع به اندازه دو متر که برابر با حداکثر جابجایی محتمل ناشی از گسلش بود بزرگتر از سطح مقطع سایر نقاط، طراحی و اجرا شد و قسمت اضافی با سنگ ریزه پر شد. شکل 5-2 نحوه انجام این کار را روی مقطع تونل نشان میدهد.
تاثیر ارتعاشات زلزله بر تونلها
آسیب پذیری سازههای زیر زمینی در برابر زلزله هم میتواند به واسطه گسیختگی زمین در هنگام وقوع زلزله و هم به دلیل ارتعاشات ناشی از زلزله روی دهد. گسیختگی زمین در هنگام وقوع زلزله عمدتا شامل گسلش، زمین لغزش و روانگرایی میباشد.
بحث مربوط به گسلش در فصل قبل بصورت جداگانه مورد بررسی قرار گرفت، ولی بجز گسلش، زمین لغزش و روانگرایی نیز از پدیدههای طبیعی ناشی از زلزله میباشد. زمین لغزش ها که معمولا توسط زلزله تحریک میگردند، بخصوص در ورودی-خروجی تونلها میتوانند صدمات زیادی را به فضاهای زیرزمینی وارد نمایند. بسیاری از گزارشات مربوط به آسیب فضاهای زیرزمینی در اثر زلزله، به واسطه ایجاد لغزش در مدخلهای تونلها بودهاند. روانگرایی نیز بخصوص چنانچه فضای زیر زمینی در رسوبات سست دارای درصد بالای ماسه و سیلت احداث شده باشد، میتواند صدمات زیادی را به فضای زیرزمینی وارد نماید. این آسیبها بیشتر در رابطه با تونلهای مترو در نواحی شهری که از رسوبات منفصل عبور می کند دیده شده است.
اهمیت مطالعه ارتعاشات زلزله
هر چند که گسیختگی زمین در اثر گسلش، روانگرایی و زمین لغزش میتواند اثرات ویرانگری را بر سازههای زیر زمینی وارد نماید، ولی صدمات ناشی از ارتعاشات زلزله به دلایل زیر به مراتب مهمتر از این صدمات هستند:
- صدمات ناشی از گسیختگی (نظیر گسلش یا زمین لغزش) در نواحی خاصی اتفاق میافتند که میتوان با مطالعات دقیق زمین شناسی مهندسی از قبل این نواحی را شناسایی نموده و تمهیداتی را در آنها در نظر گرفت ولی ارتعاش میتواند در اثر جنبش هر گسلی در فواصل دور یا نزدیک به فضای زیرزمینی ایجاد گردد و شدت آن نیز میتواند بسیار متغیر باشد.
- ارتعاش منحصر به قسمت خاصی از تونل یا فضای زیرزمینی نمیشود و خسارات حاصله در کل مسیر تونل یا فضا میتواند ایجاد شود ولی گسلش یا زمین لغزش (و تا حدودی روانگرایی) در قسمتهای محدودی از مسیر اثر میگذارند و به کل سیستم آسیب نمیرسانند.
- ارتعاشات ناشی از زلزله میتواند به شکل امواج مختلف طولی، عرضی یا برشی فضای زیرزمینی را تحت تاثیر قرار دهند و لذا تغییر شکل های گوناگونی در مقاطع یا سازههای زیرزمینی در اثر ارتعاش امکان وقوع دارد. امواج اولیه یا P که به موازات محور طولی تونل یا سازه زیرزمینی انتشار مییابند، تونل را در جهت طولی دچار فشار یا کشش میکنند که میتواند باعث ایجاد ترک های کششی یا خرد شدگیهای فشاری در امتداد آن گردد. امواج برشی یا S که بخش اصلی انرژی را انتقال میدهند، چنانچه در جهت طولی تونل انتشار یابند باعث ارتعاش در جهت عمود بر محور تونل شده و یا ایجاد جابجاییهای برشی، آسیب های زیادی را به فضای زیرزمینی وارد میکنند. چنانچه جهات برخورد این امواج با تونل مایل یا عمود بر محور تونل باشد، باز هم اشکال دیگری از تغییر مکان در فضای زیرزمینی ایجاد میگردد. در حالیکه گسیختگیهای ناشی از گسلش یا زمین لغزش معمولا جهت تغییر شکل از بررسیهای ساختگاهی قابل پیش بینی است.
اثر امواج مختلف بر سازه زیرزمینی
با توجه به بررسی امواج زلزله در فصل چهارم، امواج زلزله دارای انواع مختلفی است که هر کدام از این امواج تاثیر خاص خود را بر سازه زیرزمینی اعمال میکند. با توجه به این موضوع، هر کدام از امواج بصورت جداگانه مورد بررسی قرار میگیرد.
امواج فشاری:
امواج فشاری PW، معمولا همراه با امواج برشی افقی HSW میباشند.HSW مولفه قائم و PW مولفه محوری امواج فشاری میباشد.PW بر روی سازههای زیر زمینی فشار و کشش طولی ایجاد میکند در حالی که HSW سازه خاکی را به جنبش جانبی وادار میکند.HSW اثر جدی بر روی سازههای بلند دارد ولی تاثیر چندانی بر روی سازه های زیر زمینی ندارد. تونلها و سازههای زیرزمینی طولی انعطاف پذیر، بر اساس انعطاف پذیری اتصال حلقوی بر اثرات امواج HSW فائق میایند.PW سریعترین موج انتشار یافته از زلزله است. بنابراین اولین موجی است که ساختگاه سازه خاکی را تحت تاثیر قرار میدهد. در شکل (6-1-a) اثر اینگونه امواج بر تونل و تغییر شکل های حاصله نشان داده شده است.
امواج برشی قائم:
امواج برشی قائم اصلیترین نوع امواج هستند که حدود شامل دو سوم (2/3) انرژی آزاد شده هستند.VSW باعث جابجائی قائم سیستم سازهای میشود که برای سازههای بزرگ بسیار خطرناک است ولی تاثیر زیادی بر روی تونلها و سازههای زیرزمینی ندارد را که اثر آن را بر بوسیله اتصالات انعطاف پذیر جذب میکند.VSW نسبت به HSW کندتر حرکت میکند، لذا فاصله زمانی بین VSW و HSW کاملا وابسته به فاصله ساختگاه تا رومرکز است. به شکل (6-1-b) مراجعه نمایید.
امواج رایلی RW :
در امواج رایلی، جهت چرخش ذرات در بالاترین قسمت آنها، در خلاف جهت حرکت موج میباشد و حرکات ذرات در سطح مسیر به صورت بیضی است که قطر بزرگ آن عمود بر انتشار موج است. امواج رایلی همانند امواج برشی قائم برای سازههای بزرگ عمل میکنند. سیستمهای زیر زمینی متحمل تغییر مکانهای قائم بر اساس ارتفاعشان میشوند.
امواج لاو LW :
این امواج شکل ویژهای از امواج HSW هستند، که جابجائیهای جانبی با عمق خاک کاهش مییابد. بطور کلی امواج تنها عامل تهدید کننده سازههای زیرزمینی هستند. سازه تحت اثر این امواج متحمل تغییرات دینامیکی جانبی میشود. مقدار جابجائی جانبی بین بالا و پایین سازه متفاوت است. اگر اضافه تنش ایجاد شده توسط امواج لاو، از مرز ایمنی فزونی یابد، سختی جانبی سازه زیرزمینی باید برای متناسب شدن با شرایط بارگذاری افزایش یابد. شکل (6-1-c) تغییر شکل نظیر این موج اعمال شده بر تونل را نشان میدهد.
بررسی تغییر شکلهای ایجاد شده در تونل
همانطور كه بیان شد، پاسخ فضاهای زیرزمینی در برابر ارتعاشات ناشی از زلزله میتواند به سه شکل تغییر شکل های محوری، انحنایی و حلقهای (Hoop) باشد.
تغییر شکل محوری با کرنش های فشاری و کششی همراه میباشد و همراه با عبور موج در طول محور تونل یا فضای زیرزمینی جابجایی انجام میگیرد. تغییر شکل های انحنایی باعث ایجاد انحنا های مثبت و منفی در امتداد تونل میگردند. در انحنای مثبت جدار فضای زیرزمینی در قسمت فوقانی دچار فشردگی و در قسمت تحتانی دچار کشیدگی میشود. تغییر شکل های حلقهای دنیز در اثر برخورد امواج به صورت عمودی یا تقریبا عمودی نسبت به محور تونل یا فضای زیرزمینی ایجاد میگردد. این حالت تنها زمانی که طول موج لرزهای کمتر از شعاع فضای زیرزمینی باشد ایجاد میشود.
تغییر شکل های محوری و انحنایی
تنش های دینامیکی حاصل از امواج لرزهای به تنش های استاتیكی موجود در جدار تونل یا فضای زیرزمینی و سنگهای مجاور آن افزوده میگردند. در اثر افزایش تنشهای فشاری حاصل از بارگذاری دینامیکی امکان ایجاد خرد شدگی و حالت پوسته شدن (Buckling) در محیط فضای زیرزمینی وجود دارد. تنشهای لرزهای کششی باعث کاهش تنش های استاتیکی فشاری موجود در محل شده و این خود ایجاد تنشهای کششی مینماید که نتیجه آن باز شدن درزهها و در نتیجه کاهش مقاومت برشی، سست شدن پیچ سنگها (Rock bolts) و نهایتا ریزش سنگ از سقف یا جدارههای تونل میباشد. برای تعیین تغییر شکل های محوری و انحنایی میتوان از مدل های یک بعدی استفاده نمود. شاید سادهترین راه بدین منظور در نظر گرفتن تونل به عنوان یك تیر سازهای و انجام تحلیل های مربوطه روی آن باشد. اما برای مغارهها یا تونلهای بزرگتر لازم است از مدلهای سه بعدی جهت برآورد این تغییر شکلها استفاده نمود. روابط زیر میتوانند جهت تخمین تنشهای میدان آزاد بکار روند :
در این روابط:
حداکثر تنش محوری
حداکثر تنش برشی
دانسیته مصالح
Vp سرعت موج P
Vs سرعت موج S
VPeak سرعت اوج ذرهای در جهت انتشار
Vn,Peak سرعت اوج ذرهای در جهت عمود بر انتشار
تغییر شکل حلقهای:
تمرکز تنش های حلقهای حاصل از تغییر شکل را میتوان با استفاده از روابط مربوط به میدان آزاد تنش به شرح زیر برآورد نمود:
روابط فوق برای برآورد تنش های دینامیکی حداکثر در اطراف فضاهای زیرزمینی استوانهای شکل بدون جدار ارائه شدهاند که البته با اندکی تغییر میتوان از آنها برای تونلهای دارای جدار نیز استفاده نمود.
بررسی رفتار لرزهای سازههای مدفون در رسوبات منفصل
مهمترین فرضیه برای تحلیل رفتار سازههای مدفون در رسوبات منفصل انجام میشود این است که خاک در مقایسه با سازه زیرزمینی صلب است و لذا تغییر شکل حاصل از زلزله در خاک به فضای زیرزمینی منتقل میشود و سازه هماهنگ با زمین اطرافش حرکت میکند. با توجه به اینکه معمولا در اثر زلزله تغییر شکل های مختلفی در جهات مختلف به صورت تصادفی ایجاد میشود لذا امکان مقاوم سازی سیستم جهت مقابله با این تغییر شکلها بسیار دشوار بوده و در بسیاری موارد امکان پذیر نیست. از طرفی صلبیت بیش از حد سازه زیرزمینی تنها آسیب پذیری آن را در برابر زلزله افزایش میدهد و لذا معمولا در طراحی سازههای زیر زمینی لازم است که سیستم به صورت انعطاف پذیر و دارای قطعات شکل پذیر طراحی شود به شرطی که پایداری استاتیکی آن به مخاطره نیفتد.
همچنین لازم است به مسائلی نظیر امكان تشدید و اثر اندرکنش سازه با محیط اطراف نیز توجه نمود. این عوامل میتوانند باعث افزایش جنبشهای لرزهای گردند. اندر کنش خاک – سازه در سازههای زیر زمینی اثرات مهمی دارد، اما اگر سازه طوری طراحی گردد که سیستم از جنبش زمین تبعیت کند، آنگاه اثر اندرکنش به حداقل کاهش مییابد. در بسیاری از معیارهای طراحی فضاهای زیرزمینی در رسوبات منفصل سعی میشود اثر اندرکنش با طراحی سیستم به نحوی که سیستم از جنبش های زمین تبعیت کند، خنثی شود اما اگر فضای زیر زمینی در خاک خیلی سست احداث شده باشد، اثر اندرکنش نسبتا زیاد میباشد و باید مورد توجه قرار گیرد.
عامل دیگری که در رفتار فضاهای زیرزمینی در برابر ارتعاش حاصل از زمین لرزه حائز اهمیت است زاویه برخورد امواج با جدار تونل میباشد. امواج لرزهای به سازههای خطی نظیر تونلها میتوانند با زوایای مختلفی برخورد کنند و هر چه (به واسطه کاهش زاویه برخورد موج با تونل) طول تحت تاثیر قرار گرفته تونل بیشتر باشد، دامنه تغییر مکان زمین کاهش مییابد. این اثر در شکل (7-4) نشان داده شده است.
زاویه برخورد موج با تونل اثر قابل توجهی در مقادیر انحنا و خمیدگی تونل و در نتیجه در تغییر شکل تونل هنگام وقوع زلزله دارد.
انواع تغییر شکلهای لرزهای خاک
دو نوع تغییر شکل عمده حاصل از زلزله میتواند روی سیستم های حمل و نقل زیرزمینی تاثیر نماید که عبارتند از تغییر شکل های انحنایی و تغییر شکلهای برشی. تغییر شکل های انحنایی در اثر قرارگیری مستقیم محل انحنای خاک (حاصل از زلزله) روی سازه زیرزمینی بوجود میاید. سازه زیرزمینی باید ظرفیت جذب کرنش های حاصله را داشته باشد. تغییر شکل برشی نیز نشان دهنده تاخیر زمانی در پاسخ به یک شتاب پایه وارده به آن از سنگ بستر میباشد. این حالت را میتوان به حرکت یک کاسه ژله در پاسخ به تکان ظرف آن تشبیه نمود. اثر این حرکت تغییر شکل مقطع مستطیلی فضا به شکل لوزی میباشد. این تغییر شکلها در شکل (6-5) نشان داده شده است.
باید توجه داشت که هر چند دامنه جابجائی زلزله میتواند زیاد باشد ولی در سازههای زیرزمینی خطی نظیر تونلهای مترو، این جابجایی در طول نسبتا زیادی انجام میشود و لذا نرخ بهم ریختگی حاصل از زلزله معمولا کم و در حد تغییر شکلهای الاستیک قرار میگیرد.
مقادیر حداکثر این تغییر مکانها (انحنایی و برشی) و روش طراحی این گونه سازه ها در برابر این بارهای وارده، در فصل طراحی لرزهای تونلها به صورت کامل بیان میگردد.
برآورد خطر پذیری تونلها
برآورد خطر بر اساس HAZUS99:
در مجموعه HAZUS99 که توسط NIBS آمريكا تهیه گردیده، بصورت کامل آسیب پذیری سازههای مختلف در برابر زلزله مورد بررسی قرار گرفته است، این مجموعه بر اساس دادههای آمریکا تهیه شده و به صورت مجموعهای در 30 سی دی منتشر گردیده است.HAZUS99 دارای راهنمای کاملی است که فصل هفتم آن به شریانهای حیاتی اختصاص دارد. در بررسی آسیب پذیری شریانهای حیاتی، آنها را به هفت زیرمجموعه تقسیم مینماید که عبارتند از:
- بزرگراه
- راه آهن
- قطار برقی
- حمل و نقل اتوبوسی
- بندر
- حمل و نقل آبی
- فرودگاهها
در تقسیم بندی فوق، هرکدام از سیستم های حمل و نقل دارای اجزای میباشند که تونل جزو اجزای بزرگراهها و سیستم راه آهن میباشد. لذا ما نیز به صورت جداگانه نقش تونل را در هر کدام از تقسیم بندیهای شریانهای حیاتی مورد بررسی قرار میدهیم.
تونل در سیستم بزرگراهی :
تونل یکی از اجزای سیستم بزرگراهی میباشد که به همراه سیستم راه و پلهای بزرگراهی، مجموعه بزرگراهها را تشکیل میدهد. از میان اجزای مختلف سیستم بزرگراهی ما فقط به بررسی آسیب پذیری تونلها میپردازیم.
1- داده های ورودی مورد نیاز
- مکان ژئوفیزیکی تونل ها (طول و عرض)
- حداکثر شتاب زمین و حداکثر جابجایی زمین (PGD , PGA) در محل تونل.
- کلاس بندی تونل
2- تونلها در بحث آسیب پذیری بر اساس نحوه ساخت کلاس بندی میشوند:
- تونل حفاری شده (سوراخ شده)
- تونل خاکبرداری شده
3- تعاریف مربوط به سطح آسیب به تونلها
- Ds1 : بدون آسیب
- Ds2 : آسیب جزئی
آسیب جزئی به تونلها شامل ترک های جزئی در پوشش تونل ( خرابی فقط نیاز به یک تعمیر سطحی داشته باشد) و افتادن چند سنگ و یا نشست جزئی در زمین در ورودی تونل
- Ds3 : خرابی متوسط
بصورت ترکهای متوسط در پوشش و فروریزش سنگ تعریف میشود.
- Ds4 : خرابی گسترده
بصورت نشستهای جدید در یک ورودی تونل و ترک های گسترده در پوشش تونل
- Ds5 : خرابی کلی
ترک های جدی در پوشش تونل که ممکن است شامل ریزش احتمالی باشد.
4- منحنی های تعمیرات اجزا
بر اساس تعداد روزهای مورد نیاز برای تعمیر خرابی های حاصل از زلزله پارامترهایی تعریف گردیده كه برای تونل به صورت جداول و شکل زیر می باشد.
5- توابع خرابی تونلها
خرابی تونلها بر اساس خرابی زیر اجزای آن میباشد که عبارتست از پوشش و ورودی تونل (G&E 1994).یافته های شرکت G&E بر اساس دادههای زلزله گزارش شده توسط دودینگ و همکارانش میباشد در سال 1978 و اون در سال 1981 میباشد. خرابی این زیر سازهها در جداول زیر ارائه شده است.
کلا 10 تابع خرابی برای تونلها بدست آمده است که چهار تابع برای PGA و شش تابع برای PGD میباشد. ( توجه شود که هر کلاس تونل بصورت جداگانه مورد بحث قرار گرفته است). مقادیر متوسط و انحراف معیار این توابع در جدول دیگری ارائه شده است.
تونل در سیستم راه آهن :
در مورد تونل در HAZUS99 تاکید زیادی شده است و فقط عنوان شده که تونلهای راهآهن معمولا مانند پلها، باعث بند آمدن ترافیک و … نمیشوند مگر اینکه کاملا عملکرد خود را از دست داده باشند.
بسیاری از تعاریف در تونلهای راهآهن دقیقا همان تعاریف تونلهای بزرگراهی میباشد، باید توجه نمود که ایستگاههای راه آهن شهری جزو اجزای این سیستم حمل و نقل میباشد قسمتهای مورد نیاز در اینجا بیان میشود.
در راهآهن نیز تونلها به دو نوع حفاری شده و خاکبرداری شده تقسیم میشوند. در مورد ایستگاههای شهری در این آیین نامه گفته شده است که ایستگاههای مترو در حکم اتصالات حیاتی سیستم هستند و از نظر عملکرد سیستم بسیار مهم میباشند. در آمریکای غربی، این تسهیلات معمولا به صورت دیوارهای برشی بتنی مسلح و یا قابهای خمشی ساخته میشوند در حالی که در آمریکای شرقی ایستگاههای کوچک اغلب چوبی هستند و ایستگاههای بزرگتر معمولا با مصالح بنایی و یا قاب فلزی مهاربندی شده هستند.
1- داده های ورودی مورد نیاز
- برای تونلهای راه آهن :
o مانند تونل های بزرگراهی
- برای ایستگاههای شهری :
o مکان جغرافیایی تسهیلات
o PGA و PGV در محل تسهیلات
o کلاس بندی تسهیلات
2- شکل تابع خرابی
توابع خرابی و یا منحنی های خرابی برای تمام اجزای راه آهن که در زیر توضیح داده شده است، به صورت تابع لوگ نرمال تعریف شده اند که احتمال رسیدن و یا گذشتن از سطوح خرابی مختلف برای یک سطح مشخص شده حرکت زمین میباشد. هر منحنی خرابی با یک مقدار میانگین از سطح حرکت زمین و مقدار انحراف معیار مشخص میشود. حرکت زمین با پارامتر بیشینه شتاب زمین (PGA) و خرابی زمین با پارامتر جابجایی ماندگار زمین (PGD) تعیین میشود.
- برای تونلها، منحنی های خرابی بر اساس PGA و PGD تعیین میشود.
- برای تسهیلات راهآهن مانند ایستگاههای شهری نیز PGA و PGD مشخص کننده هستند.
3- تعاریف مربوط به سطح آسیب سطوح آسیب تونلها مانند تعاریف مربوط به تونل های بزرگراهی میباشد. و در مورد ایستگاهها :
- Ds1 : بدون آسیب
- Ds2 : آسیب جزئی به سازه
- Ds3 : خرابی متوسط سازه
- Ds4 : خرابی گسترده
- Ds5 : آسیب کلی و خرابی گسترده
4- منحنی های تعمیرات اجزامنحنی های بازسازی بصورت زیر میباشد.