روشی جدید برای انتخاب بهینه روش حفاری و سیستم نگهداری تونلها در شرایط تنش بالا توسط محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیرارائه شد.

مسعود قربانی دانش آموخته دکتری مکانیک سنگ دانشگاه صنعتی امیرکبیر در رساله دکتری خود متدولوژی جدیدی را برای انتخاب روش حفاری و سیستم نگهداری اوليه تونل‌های سنگی بر اساس مکانیسم ناپایداری تونل ارائه نمود.

قربانی گفت: درک درست نوع رفتار زمین، به ویژه در شرایط سخت و پیچیده، جزو الزامات اساسی تحلیل پایداری و طراحی حفریات زیرزمینی عمرانی و معدنی  به شمار می رود. تحت شرایط تنش بالا، حفریات زیرزمینی واقع در سنگ‌های سخت و شکننده، مستعد انفجارسنگ و در سنگ‌های نرم و ضعیف، مستعد مچاله‌شوندگی هستند.

وی افزود: با توجه به تعدد عوامل تأثیرگذار در مد ناپایداری حفریات زیرزمینی در شرایط تنش بالا از جمله پارامترهای توده‌سنگ؛ شرایط تنش (تنش‌های برجا، فشار آب زیرزمینی، تنش‌های القایی و رخدادهای لرزه‌ای)؛ نوع و عملکرد سیستم نگهداری؛ امتداد نسبی ساختارهای زمین‌شناسی و ناپیوستگی‌های توده‌سنگ نسبت به حفریه زیرزمینی؛ ابعاد، شکل و موقعیت حفریه؛ روش حفاری تونل و سکانس‌بندی حفاری و شرایط آب زیرزمینی؛ انتخاب روش حفاری و سیستم نگهداری مناسب برای حفریات زیرزمینی واقع در این شرایط جزو چالش‌های اصلی طراحان و مهندسان کنترل زمین محسوب می شود.

وی تاکید کرد: پیش‌بینی وقوع شرایط انفجارسنگ و مچاله‌شوندگی بسیار سخت بوده و تمهیدات طراحی و ساخت و الزامات نگهداری ویژه‌ای برای کنترل این شرایط پیچیده می‌بایستی اتخاذ شود.

وی با بیان اینکه در این پروژه رویکردهای عملی برای انتخاب روش حفاری و سیستم نگهداری مناسب و کارآمد در شرایط تنش بالا به طور مجزا برای حفریات زیرزمینی معدنی و عمرانی تهیه و ارائه شده است، گفت: شناسایی و پیش‌بینی زون‌های مستعد انفجارسنگ و مچاله‌شوندگی، تمهیدات پیشگیرانه (اصلاح طرح حفریات زیرزمینی و همچنین بهینه‌سازی ابعاد، شکل و روش حفاری و سکانس‌بندی حفاری؛ جابجایی و تغییر امتداد حفریه زیرزمینی نسبت به ساختارهای زمین‌شناسی؛ پیش تحکیم حفریه زیرزمینی مانند فورپولینگ و تزریق سینه‌کار تونل و همچنین بهبود شرایط زمین  از جمله انفجار تنش‌زدا، شکست هیدرولیکی و اجرای تونل پایلوت) و تمهیدات کنترلی شامل نصب سیستم‌های نگهداری کارآمد و تسلیم‌پذیر از جمله مواردی بودند که در این پروژه مورد بررسی قرار گرفت.

وی گفت: در این پروژه، بانک داده نسبتاً جامعی در خصوص ظرفیت بار، طرفیت تغییرشکل و ظرفیت جذب انرژی انواع المان‌های نگهداری سطحی و تحکیمی (به صورت منفرد و ترکیبی) از جمله بولت‌های جاذب انرژی، بولت‌های اصطکاکی، بولت‌های کابلی، انواع مش‌ها، تسمه‌ها، خرپاها، شاتکریت غیر مسلح و شاتکریت مسلح با الیاف بر اساس نتایج تست‌های آزمایشگاهی و برجای مراکز تحقیقاتی معتبر دنیا از جمله مرکز ژئومکانیک استرالیا، مرکز تحقیقات ژئومکانیک دانشگاه لائورنس کانادا، تأسیسات تست بار آفریقای جنوبی و مطالعات معادن عمیق تحت تنش بالای استرالیا و کانادا در زمینه تست المان‌های نگهداری جمع‌آوری شده است.

وی افزود: متدولوژی برای انتخاب سیستم نگهداری بهینه در شرایط انفجارسنگ بر اساس بانک داده جمع‌آوری شده و بر مبنای روش انرژی کایزر توسعه داده شده است که می‌تواند در طراحی حفریات زیرزمینی معدنی در زمین‌های مستعد انفجارسنگ مورد استفاده قرار گیرد.
این محقق اضافه کرد: همچنین با تحلیل داده‌های آزمایشگاهی و برجای جمع‌آوری شده، اطلاعات بسیار ارزشمندی در خصوص عملکرد انواع المان‌های نگهداری سطحی و تحکیمی به ویژه تحت شرایط دینامیک حاصل شده است.

قربانی افزود: نتیجه این تحقیق در محدوده وسیعی از حفریات زیرزمینی از جمله تونل‌های راه و راه‌آهن، حفریات زیرزمینی معدنی، مغار‌های نیروگاه‌های برق آبی، مغارهای ذخیره‌سازی نفت و گاز، مغار‌های دفن زباله‌های هسته‌ای و ... و برای انتخاب روش حفاری و سیستم نگهداری مناسب حفریات زیرزمینی تحت شرایط تنش بالا در مرحله مطالعات مقدماتی کاربرد دارد.

وی گفت: در ادامه تلاش داریم تا بر اساس بانک داده المان‌ها و سیستم‌های نگهداری و 52 مطالعه موردی از تونل‌های عمرانی و معدنی در نقاط مختلف دنیا، یک گسترده برگ اکسل (Excel spreadsheet) برای انتخاب روش حفاری و سیستم‌های نگهداری مناسب تحت شرایط تنش بالا در مرحله طراحی مقدماتی حفریات زیرزمینی توسعه دهیم.

قربانی خاطر نشان کرد: از مهمترین ویژگی‌های این تحقیق می‌توان به جامع بودن بانک داده جمع‌آوری شده و تحت پوشش قرار دادن محدوده وسیعی از المان‌های نگهداری سطحی و تحکیمی قابل کاربرد در حفریات زیرزمینی اشاره کرد، به نحوی که متدولوژی توسعه داده شده برای انتخاب سیستم نگهداری بهینه در شرایط انفجارسنگ می‌تواند در کشورهای مختلف با استراتژی‌های متفاوت در سیستم نگهداری کاربرد داشته باشد.
وی افزود: همچنین در این تحقیق، بر اساس تحلیل‌های پارامتریک متعدد، طبقه‌بندی برای کلاس مچاله‌شوندگی بر اساس نسبت شعاع زون پلاستیک به شعاع حفریه زیرزمینی ارائه شده است که می‌تواند به عنوان مبنایی آسان برای ارزیابی سریع رفتار زمین و انتخاب سیستم نگهداری مناسب در مراحل طراحی مقدماتی حفریات زیرزمینی عمرانی واقع در زمین‌های با تغییرشکل بالا مورد استفاده قرار گیرد.

این محقق ادامه داد: یک رویکرد گام به گام جهت مدلسازی تحلیلی المان‌های تسلیم‌پذیر در داخل پوسته شاتکریتی جهت کاربرد در تونل‌های عمرانی واقع در زمین‌های مچاله‌شونده در این پروژه ارائه شده است.

گفتنی است اساتید راهنمای این رساله دکتری؛ دکتر کورش شهریار،عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و دکتر مصطفی شریف‌زاده، عضو هیأت علمی دانشگاه کرتین استرالیا بوده‌اند.