فصل 6 فرم معماري و طراحی سازه تونل‌های مشترك تأسیسات شهري

6-1 فرم معماري و مقطع تونل

عوامل مؤثر در فرم معماري و مقطع تونل شامل نيازهاي تأسیساتی، نيازها و مزیت‌های سـازهاي، مـصالح مـصرفي، صرفه اقتصادی و همچنين سهولت اجرا هستند.

6-1-1 عوامل مؤثر در شكل مقطع از نظر تأسیسات و سازه الف- مقطع تونل:

با توجه به تأکید اين ضوابط بر استفاده از مصالح بتوني، مقطع پيشنهادي مستطيل می‌باشد كه داراي مزاياي زير است:

1- بيشترين سطح اتكا با زمين

2- كمترين فضاي بدون استفاده (استفاده بهينه از فضاي داخلي)

3- سهولت قالب‌بندی و اجراي سطوح صاف و عمود بر هم

4- افزايش مقاومت برشي و خمشي مقطع باوجود ماهيچه داخلي

5- جلوگيري از تمركز تنش و لب‌پریدگی با اجراي پخ در محل رئوس بيروني مقاطع

تذكر: با توجه به تجربيات به دست آمده و نمونه‌های مشابه ساخته شده در داخل و خارج كشور به نظر می‌رسد مقطع بتنـي یکپارچه دارای ظرفيت ايمني و صرفه اقتصادي بيشتري نسبت به مقاطع ديگر از جمله مقاطعU شكل با درپوش مجـزاي بتنـي و يـا تیرچه‌بلوک و يا مقاطع يا مصالح بناي مسلح دارا می‌باشد ليكن مشاور با توجه به شرايط اقليمـي و فراوانـي مـصالح مـصرفي و بـر اساس مطالعات اوليه، می‌تواند شكل و فرم و مصالح مصرفي تونل انرژي را انتخاب نمايد.

ب- طول تونل:

ب-1-تونل‌های بتني درجا:

در اين تونل‌ها ضروري است در هر 30 تا 45 متر، يك درز انبساط در نظر گرفته شود.

ب-2-تونل‌های بتني پیش‌ساخته:

در اين حالت طول قطعات به‌وسیله روش اجرا و تجهيزات نصب محدود می‌شود. ضروري است مشاور با انجام مطالعـات فنـي و اجرايي و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادي طول قطعات را به سازنده اعلام نمايد.

نكته: هر چند با افزايش طول قطعات پیش‌ساخته، سرعت پيشرفت كار در نصب آن‌ها بيشتر و با كاهش تعداد درزها در طـول، يكپارچگي سازه بيشتر و هزينه ايزولاسيون درزها كاهش می‌یابد، ليكن با افزايش طول و پيرو آن سنگین‌تر شدن قطعات مشکلات حمل افزايش يافته و تجهيزات نصب قوی‌تری مورد نياز است. اين ضوابط، با توجه به توان ساخت و نصب داخلـي، طـول قطعـات پیش‌ساخته را برابر 1 متر خالص (بدون لحاظ كردن كام و زبانه) در نظر گرفته است.

ج-شكل درزهاي قطعات پیش‌ساخته:

استفاده از كام و زبانه در درزهاي قطعات پیش‌ساخته با توجه به مزاياي زير توصيه می‌شود:

1- فراهم کردن شرايط بهتر جهت آب‌بندی تونل

2- جلوگيري از لغزش‌های جانبي

شكل و ابعاد كام زبانه پيشنهادي پيوست می‌باشد.

6-1-2 نتیجه‌گیری و ابعاد پيشنهادي:

هرچند در صورت انجام مطالعات لازم، ابعاد گوناگوني را بر حسب نياز می‌توان براي مقطع اين تونل‌ها در نظر گرفـت،

ليكن ابعاد جدول زير به‌عنوان ابعاد پايه استاندارد معرفي می‌شوند. (لازم به ذكر است كه محاسبات سازهاي بـراي ايـن مقـاطع انجام‌شده و ارائه می‌شود)

دهانه داخلي (cm) W ارتفاع داخلي (cm) B

 210 200

 250 250

 300 300

 360 360

 250 210

 300 250

 360 300

 400 360

 ابعاد فيزيكي دو نمونه از تونل‌هاي پيشنهادي در شكل شماره (6-1) نشان داده شده است.

 6-2 مصالح ساختماني و روش اجرا

در اين ضوابط، بر استفاده از بتن مسلح به‌عنوان مصالح اصلي و دو روش اجراي درجا و پیش‌ساخته تأکید می‌گردد. مصالح و مشخصات مورد نظر بايد بر اساس ضوابط و استانداردهاي معتبر باشد. [15]، [16]، [17] ضمناً استفاده از مصالح ديگر، طبق استانداردهاي معتبر، در صورت تائيد مشاور، مجاز است.

نكته: در انتخاب مصالح ديگر ضروري است موارد زير مدنظر قرار گيرد:

1- مطالعات اوليه براي بررسي صرفه اقتصادي مابين هزينه ساخت و هزینه‌ترمیم و نگهداري، از اهميت اساسي برخوردار است.

2- انتخاب نوع مصالح مصرفي بايد با توجه به سهولت دسترسي به بخش‌هایی از اين گونه تونل‌ها در دوره بهره‌برداری صورت گیرد.

3- با توجه به دفن سازه در زمين، اثرات محيطي هر منطقه بر مصالح انتخابي، در دوام و پايايي سازه مؤثر است.

4- انتخاب مصالح بايد با توجه به ظرفیت‌های فني و همچنين محدودیت‌های اجرايي صورت گيرد.

6-3 روش محاسبات سازهاي

6- 3-1 كليات، مباني و نحوه محاسبات

محاسبات سازه‌ای مقاطع جعبه تونل را می‌توان بر اساس نرم افزارهاي كامپيوتري انجام داد [18]. لازم به ذكـر اسـت كـه بنـابرعرف رايج در ايران جهت استفاده از استانداردهاي مشابه، پيشنهاد می‌شود در صورت نياز به اعمال بار ترافيكي، بارگذاری‌های بار کامیون صورت گيرد. [18]، [19]، [15]

ارتعاش حاصل از انتشار امواج زلزله باعث بوجودآمدن تغيير شکل‌هایی در زمين می‌شود به علت مقاومت مقطع تونـل در برابـر این تغییر شکل‌ها بين تونل و خاك مجاور آن، نيرو و يا واكنش نيرو به وجود می‌آید كه اصطلاحاً به آن اندركنش خـاك و تونـل گفتـه می‌شود. براي سازه‌های كوتاه مدفون در خاك بر اساس آیین نامه‌های معتبر بین‌المللی نياز به در نظر گرفتن اثرات زلزله نمی‌باشد اما چنانچه سازه طويل باشد وقتي موج از منبع انتشار (كانون زلزله) آزاد می‌شود، پس از عبور از لایه‌های مختلف و طي مـسافتي نسبتاً زیاد به خط تونل می‌رسد نحوه عملكرد تونل در برابر اين موج علاوه بر خصوصياتي مثل ابعاد و ضخامت و عمق پوشـش خـاك بـه ویژگی‌های موج وارد شده نيز وابسته است. ويژگي موج منتشر شده به خصوصيات منبع انتشار و محیط‌هایی كـه مـوج از آن عبـور می‌کند بستگي دارد. بنابراين چنانچه دو نقطه مثلA و B كه به فاصله‌ای معين از تونل قرار دارند انتخاب شوند موج منتشر شـده از یک منبع كه به دو نقطه A و B می‌رسد به دو دليل زير باهم متفاوت خواهند بود.

1- به علت تغيير خصوصيات خاك مسير طی شده موج زلزله در دو نقطه شكل موج متفاوت خواهد بود.

2- به علت اختلاف فاصله دو نقطه از منبع انتشار زلزله بنابراين امواج رسيده به تونل‌ها باهم اختلاف فاز خواهند داشت.

فصل ششم: فرم معماري و طراحی سازه تونل‌هاي مشترك تأسیسات شهري 41

 بنابراين در سازه‌های متعارف روي زمين مثل ساختمان‌ها، مخازن يا پل‌ها به علت ابعاد كم و محدودشان فرض می‌کنند كـه تمامی نقاط آن تحت اثر ارتعاش يكساني از يك زلزله واقع می‌شوند و لذا با انتخاب يك منحني طيف زمان شتاب يـا طيـف طراحـي رفتار ساختمان را در كل ابعاد ارزيابي می‌کنند در واقع روش فوق در مورد سازه‌هایی كه ابعاد آن‌ها در مقايسه با طول موج زلزله در حد پايين قرار دارد فرض معقولي است ولي در مورد تونل‌های طويل و خطوط لوله به دليل طول زياد اين فرض نادرست خواهد بود.

بنابراين با فرض کوتاه بودن طول تونل بارگذاري خاص زلزله بر روي مقطع درنظرگرفته نشده اسـت در صورتی که بـراي تونل‌های طویل با توجه به اينكه از لایه‌های مختلف خاك و شرايط متفاوت عبور می‌کنند می‌بایست رفتار تونل در برابر ارتعاش‌های ناشـي از انتشار امواج زلزله، همچنين روانگرايي بست ر تونل‌های مدفون و اثر حركت گسل بر تونل‌های مدفون توسط مشاور درنظرگرفته شود.

در ادامه نتيجه محاسبات براي مقاطع معرفی‌شده در بخش 6-1 آمده است. در ضمن نقشه‌های پارامتريـك ايـن محاسـبات در انتهای اين بند از ضوابط ارائه گرديده شده است.

6- 3-2- مباني بارگذاري و مدل تحليلي مقاطع نمونه تونل

به توجه به كاربري مقاطع تونل و الزام اجراي آن در زير سطح زمين و خاكريزي حداقل 70 سـانتي متـر بـر روي آن، ملاحظـه می‌شود كه طبق ضوابط استانداردAASHTO نيازي به در نظر گرفتن ضوابط خاص طراحي براي بارگذاري كاميون نمی‌باشد. لذا در شرايط عملي اجراي مقطع تونل با توجه به شرايط و مشخصات مكانيكي خاك و با در نظر گرفتن وضعيت گودبرداري و عمق استقرار تونل و با توجه به ضوابط و مقررات بارگذاري سربار كاميون و ضرايب افزايش بار خاك بر روي تونل، می‌توان سـربار مؤثر بدون ضریب وارد بر روي مقطع تونل را محاسبه نمود.

6-3-3 ملاحظات طراحي مقاطع نمونه تونل

استفاده از جداول ميلگردهاي ارائه شده براي مقاطع نمونه بايد با توجه به موارد زير صورت گيرد:

1) بارهاي جانبي نامتعادل در طراحي مقطع بتني تونل در نظر گرفته نشده‌اند.

2) مقاومت مجاز خاك 5/1 كيلوگرم بر سانتيمترمربع فرض شده است.

3) در اين محاسبات فرض شده كه سطح آب‌های زيرزميني پائین تر از دال كف مقطع بوده و هیچ‌گونه فشار جـانبي ناشـي از آن در محاسبات لحاظ نشده است.

4) در طراحي اين مقاطع با توجه به مدفون بودن آن‌ها در عمقي بيش از 7/0 متر، اثرات بارگذاري كاميون در نظر گرفتـه نشده است. [34]

5) شرايط بارگذاري خاك طبق مقررات استاندارد ASCE 26-97 در حالـت خـاكريزي (Embankment) همـراه بـا متراکم کردن خاك در کناره‌های مقطع تونل و ضريب اندركنش 10/1 = Ks در نظر گرفته شود. (Fe = 1.15)

6) با توجه به مدفون بودن سـازه در خـاك، آیین‌نامه مرجـع بـراي تحليـل و طراحـي مقـاطع، اسـتانداردAASHTO و علی‌الخصوص استاندارد ASCE 26-97 خواهد بود.

7) در خصوص پر کردن اطراف تونل و خاكريزي روي آن، بايد مشخصات لازم مورد توجه قرار گيرد. [18]، [17]

8) در طراحي، بتن مصرفي از نوعC20 با حداقل مقاومت فشاري بتن برابر 200 كيلوگرم بر سانتيمترمربع بر مبناي مقاومت استوانه‌ای استاندارد و مقدار سيمان مصرفي 300 كيلوگرم بر مترمکعب فرض شده است.

9) ميلگرد مصرفي آجدار و از نوع A-III با حداقل مقاومت جاري 4000 كيلوگرم برسانتيمترمربع است.

10) با فرض کوتاه بودن طول تونل بارگذاري خاص زلزله بر روي مقطع در نظر گرفته نشده است در صورتی که براي تونل‌های طويل با توجه به اينكه از لایه‌های مختلف خاك و شرايط متفاوت عبور می‌کنند می‌بایست رفتار تونل در برابر ارتعاش‌های ناشي از انتشار امواج زلزله، همچنين روانگرايي بست ر تونل‌های مدفون و اثر حركت گسل بر تونل‌های مدفون توسط مشاور در نظر گرفته شود.

11) با توجه به مدفون بودن تونل در خاك و خاكريزي با ارتفاع بيشتر از 70 سانتيمتر بـراي آن در طراحـي مقطـع بارگذاری جانبی زلزله براي آن ديده نشده است.

12) براي تعيين مقدار سربار مؤثر بدون ضريب بر روي مقطع تونل می‌بایست سربار خاك مربوطـه بـا در نظر گـرفتن ضریب افزاش حالت خاكريزي و يا گودبرداري (Fe) همراه با سربار زنده و گسترده كاميون با اعمال ضريب 1.7 (7.1= ) محاسبه شود.

13) كليه محاسبات انجام شده با فرض حداقل خاكريزي 70cm بر روي مقاطع تونل می‌باشد چنانچه مقطع تونل هم‌تراز با سطح سواره رو در نظر گرفته شود می‌بایست ضوابط طراحي خاص مربوطه ديده شود.