سازه‌های پایدار زیرزمینی

جالب است بدانید در بیشتر سازه‌های زیرزمینی مانند تونل، معدن و سد که سازه باید به مدت طولانی پایدار بماند، خزش توده سنگ اطراف سازه، نقش مهمی در پایداری آن دارد. به بیان دیگر، امروزه با پیشرفتی که در ساخت سازه‌های زیرزمینی صورت گرفته، نگهداری این سازه‌ها برای طولانی مدت یکی از مباحث مهم تلقی می‌شود.

بر همین اساس، محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق شده‌اند دستگاه 3 محوری خزش سنگ را به منظور ارزیابی رفتار سنگ در سازه‌های زیرزمینی بسازند.

دستگاه به وسیله دکتر کورش شهریار ، دکتر مصطفی شریف‌زاده، دکتر پرویز معارف‌وند و مهندس سیاوش ندیمی ساخته شده و اکنون در مرحله آزمایشگاهی است.

این دستگاه برای اندازه‌گیری مقدار جابه‌جایی خزشی سنگ به‌کار می‌رود و در صنعت مکانیک سنگ، ‌طرح‌‌های عمرانی و معادن کاربرد فراوانی دارد؛ به علاوه در نمایشگاه دستاوردهای پژوهشی و فناوری نیر به نمایش درآمده است.

مهندس ندیمی در این ارتباط توضیحات بیشتری ارائه می‌‌کند.

بد نیست ابتدا از نقطه نظر عمرانی، سازه‌های زیرزمینی را معرفی کنید؟

از نظر مهندسی ژئوتکنیک، پر معنی‌ترین طبقه‌بندی برای فضاهای زیرزمینی، طبقه‌بندی است که با درجه پایداری یا ایمنی مرتبط باشد. این موضوع (یعنی درجه ایمنی و پایداری) بستگی دارد به استفاده‌ای که از فضای زیرزمینی مورد نظر می‌شود. شناخته‌شده‌ترین طبقه‌بندی‌ها به تونل موقت معدنی، شفت‌های قائم، تونل‌های معدنی دائمی، تونل‌های آب رسانی به نیروگاه‌های برق آبی (به استثنای تونل‌های تحت فشار)، تونل‌های راهنما، حفره‌ها و تونل‌های پیشروی برای حفاری فضاهای بزرگ، فضاهای انباری، تصفیه خانه‌های زیرزمینی، تونل راه و راه‌آهن فرعی، اتاقک‌ها و تونل‌های دسترسی در نیروگاه‌های برق آبی و راه‌آهن اصلی، مغارهای مربوط به نیروگاه‌های زیرزمینی، تونل‌های مربوط به راه‌های اصلی و راه‌آهن اصلی، فضاهای زیرزمینی دفاعی شهری، ورودی تونل‌ها و تقاطع چند تونل و نیروگاه‌های هسته‌ای، ایستگاه‌های راه‌آهن، مراکز ورزشی و عمومی، کارخانجات زیرزمینی تقسیم می‌شوند.

پیشرفت‌های تکنولوژیکی سال‌های اخیر ساخت این سازه‌ها را دارای چه مزیت‌هایی کرده است؟

سیستم شفت‌های اصلی با مسیرهای دسترسی و حمل و نقل اطراف آنها، مسیر‌های عبور مواد و کانی‌ها، اتاقک‌های ایجاد شده برای پمپ‌ها و فضاهای زیرزمینی حفرشده برای استقرار سنگ‌شکن‌ها، باید برای ده‌ها سال به صورت فعال و قابل استفاده باقی بمانند و این قبیل فضاها طبعا از نقطه نظر معدن‌کاران، فضاها و حفاری‌های دائمی هستند. علاوه بر بزرگ شدن این فضاها نسبت به گذشته، بعضی از اینها باید در خود، وسایل و تجهیزات گرانی را جای دهند که امکان تعمیر و تجهیز آنها به صورت منظم فراهم باشد، در نتیجه چنین فضاهایی باید در مقابل سقوط سنگ‌ها و دیگر ناپایداری‌ها ایمن باشند. با توجه به چنین مواردی، سیستم نگهداری و حفاری چنین سازه‌هایی پیشرفته شده است.

منظور از بررسی رفتار سنگ در سازه‌های زیرزمینی چیست؟ این ارزیابی از چه جهاتی اهمیت دارد؟

منظور از رفتار سنگ یا مکانیک سنگ، تغییرات یا تغییر شکلی است که سنگ در برابر عوامل بیرونی و درونی از خود نشان می‌دهد. رفتار توده سنگ اطراف سازه‌های زیرزمینی با توجه به تنش اطراف سازه، ابعاد سازه، خواص ذاتی خود سنگ و تاثیر نیروهای حاصل از عوامل گوناگون (عوامل آب، مکانیکی و...) تغییر می‌کند.

چرا مقوله نگهداری سازه‌های زیرزمینی از بحث‌های مهم در این نوع سازه‌ها تلقی می‌شود؟

لازم است در بیشتر طرح‌های عمرانی و معدنی برای نگهداری سازه‌های زیرزمینی به مدت طولانی و جلوگیری از تخریب آنها، سیستم نگهداری مناسب طراحی و نصب شده تا از وارد شدن آسیب‌های جانی و مالی جلو گیری شود.

بررسی خزش سنگ اطراف سازه‌های زیرزمینی چه تاثیراتی در پایداری آنها دارد؟

در بعضی سازه‌های زیرزمینی که سنگ دارای رفتار وابسته به زمان یا خزشی است، یعنی با گذشت زمان تحت تنش ثابت، جابه‌جایی از خود نشان می‌دهد، بررسی رفتار خزشی توده سنگ اطراف سازه بسیار مهم است بخصوص وقتی پایداری سازه در طولانی‌مدت مهم باشد. پس لازم است رفتار خزشی یا وابسته به زمان سنگ اطراف سازه زیرزمینی با استفاده از آزمایش‌های خزش تعیین شود و با استفاده از این آزمایش‌ها مقدار تنش وارده بر سیستم نگهداری و جابه‌جایی در طولانی مدت ارزیابی و با توجه به آن سیستم نگهداری مناسب طراحی شود.

دستگاه سه‌محوری خزش سنگ که به وسیله محققان دانشگاه امیرکبیر ساخته شده است چه نقشی در بررسی خزش سنگ توده اطراف سازه‌ها دارد؟سیستم عملکرد این دستگاه چگونه است؟

با استفاده از این دستگاه می‌توان نمونه‌های تهیه شده از سنگ اطراف سازه‌های زیرزمینی را تحت آزمایش خزش قرار داد و رفتار وابسته به زمان سنگ را به دست آورد. این دستگاه قابلیت وارد کردن بار محوری و جانبی را برای مدت طولانی روی نمونه‌های سنگی به قطر 54 و 50 و به طول 120 100 میلی‌متر دارد. دستگاه از قسمت‌هایی چون سلول و غشا لاستیکی، سیستم اپراتوری و کنترل فشار، موتورهای تامین‌کننده بارگذاری، سیستم قرائت و برداشت داده‌ها تشکیل شده است.

گفتنی است برای وارد کردن فشار جانبی محوری بر نمونه‌های سنگی، سلولی طراحی شده است که قابلیت تحمل فشار تا 100 مگاپاسکال را دارد. به‌علاوه برای اندازه‌گیری مقدار جابه‌جایی از یک میکرومتر با دقت 001/0 میلی‌متر و دقت 2 درصد استفاده شده است. همچنین موتورهای تامین‌کننده بارگذاری باید بتوانند ظرف20 ثانیه بار مورد نیاز آزمون را به نمونه وارد کنند و آن را با دقت 2 درصد در طول آزمایش ثابت نگه دارند. در سیستم اپراتوری و کنترل فشار از 2 دستگاه شیر فشارشکن برای فشار بارگذاری و همچنین به منظور ثابت نگه داشتن و تنظیم فشار محوری و جانبی که مجموعا سیستم هدایت و کنترل دستگاه را تشکیل می‌دهند، استفاده شده است.

این دستگاه در چه زمینه‌های عمرانی کاربرد دارد؟

این دستگاه در تمام آزمایشگاه‌های مکانیک سنگ و مکانیک خاک برای بررسی رفتار وابسته به زمان سنگ تونل‌های معدنی و عمرانی، شیروانی‌ها و سازه‌های زیرزمینی قابل استفاده است.

مزیت آن نسبت به سیستم‌های مشابه قبلی‌اش چیست؟

با توجه به سیستم بارگذاری و عایق‌بندی هیچ‌گونه نشت روغن و افت فشار ندارد و فشار ثابت در طولانی‌مدت بر نمونه سنگی وارد می‌کند.

با توجه به این‌که دستگاه هم اکنون در مرحله آزمایشگاهی است چشم‌انداز تولید صنعتی آن را چگونه می‌بینید؟

با توجه به افزایش ساخت و حفاری سازه‌های زیرزمینی با عمر زیاد، کاربرد این دستگاه در آزمایشگاه‌های ژئوتکنیک سازمان‌ها و طرح‌های اجرایی مختلف لازم به نظر می‌رسد و استفاده از آن افزایش خواهد یافت.

پونه شیرازی