اثر زلزله بر سازه هاي زير زميني و تونل مترو

 

چکيده:

امروزه با پيشرفت فن آوري، سهولت نسبي در حفاري و ساخت سازه‌هاي زيرزميني، محدوديتهاي فضاهاي سطحي براي اجراي طرحهاي عمراني و نيز به واسطه مسائل سياسي و امنيتي، توجه بسياري از کشورهاي توسعه يافته و در حال توسعه به احداث سازه‌هاي زير رميني براي کاربريهاي عمراني، نظامي و معدني معطوف شده است. راهها و بزرگراههاي زيرزميني، انواع تونلها، شبکه متروي شهري، نيروگاهها و ساير مغارهاي زير زميني براي دفن زباله‌هاي هسته‌اي و يا به عنوان مخازن نفت، معادن، پناهگاهها و انبارها، تعدادي از سازه‌هايي هستند که در کشورهاي مختلف به سرعت در حال ساخت و اجرا مي‌باشند.

با توجه به توسعه روز افزون سازه‌هاي زير زميني و هزينه‌هاي فراواني که براي ساخت هر يک از اين سازه‌ها صرف مي‌گردد و نيز اهميت آنها در شبکه حمل و نقل بين شهري و داخل شهري و خطري که در صورت آسيب ديدگي آنها متوجه جان مردم ميشود، لازم است که پايداري آنها در برابر خطرات ناشي از زلزله مورد مطالعه قرار گيرد.

در اين گزارش پس از نگرشي اجمالي به تاريخ صنعت سازه‌هاي زير زميني و آسيبهاي گذشته اين سازه‌ها در زلزله، به بررسي  تعاريف مربوط به تونلها و نيز مشخصات کلي امواج زلزله  و نحوه تاثير آنها بر تونلها مي‌پردازيم و برآورد خطر پذيري اين گونه سازه‌ها را بيان مي‌نماييم.

بخش دوم اين گزارش، به تونلها و ايستگاههاي زير زميني مترو اختصاص دارد که پس از بيان تفاوت عملکردي اينگونه تونلها نسبت به ساير تونلها، به مطالعه موردي تونل متروي دايکايي که در زلزله کوبه دچار آسيب شده بود و نيز بررسي خطرپذيري تونل متروي شهر قاهره خواهيم پرداخت. سپس معيارهاي طراحي لرزه‌اي تونلها بيان ميگردد.

 

تاريخچه تونل سازي و سازه‌هاي زير زميني

احتمالا اولين تونل‌ها در عصر حجر براي توسعه خانه‌ها با انجام حفريات توسط ساکنان شروع شد . اين امرنشانگر اين است که آنها در تلاشهايشان جهت ايجاد حفريات به دنبال راهي براي بهبود شرايط زندگي خود بوده اند. پيش ازتمدن روم باستان ، در مصر ، يونان ، هند و خاور دور و ايتالياي شمالي ، تماما تکنيکهاي تونلسازي دستي مورد استفاده قرار مي‌گرفت که در اغلب آنها نيز از فرايندهاي مرتبط با آتش براي حفر تونل هاي نظامي ، انتقال آب و مقبره‌ها کمک گرفته شده است. در ايران نيز از چند هزار سال پيش، به منظور استفاده از آبهاي زير زميني تونل هايي موسوم به قنات حفر شده است که طول بعضي از آنها به 70 کيلومتر و يا بيشتر نيز مي‌رسد. تعداد قنات هاي ايران بالغ بر50000 رشته برآورده شده است. جالب توجه است که اين قنات هاي متعدد، طويل و عميق با وسايل بسيار ابتدايي حفر شده اند.

رومي ها نيز در ساخت قنات‌ها و همچنين در حفاري تونل هاي راه پرکار بودند. آنها در ضمن اولين دوربينهاي مهندسي اوليه را در جهت کنترل تراز وحفاري تونل ها به کار بردند.

اهميت احداث تونل ها دردوران هاي قديم ، تا بدين جاست که کارشناسان کارهاي احداث تونل درآن تمدن‌ها را نشانگر رشد فرهنگ و به ويژه رشد تکنيکي و توان اقتصادي آن جامعه دانسته‌اند. تمدنهاي اوليه به سرعت ، به اهميت تونل‌ها ، به عنوان راه‌هاي دسترسي به کاني ها و مواد طبيعي نظير سنگ چخماق به واسطه اهميتش براي زندگي، پي‌بردند. همچنين کاربرد آنها دامنه گسترده‌اي از طاق زدن بر روي قبرها تا انتقال آب و يا گذرگاههايي جهت رفت و آمد را شامل مي شد. کاربردهاي نظامي تونل‌ها ، به ويژه از جهت بالابردن توان گريز يا راههايي جهت يورش به قرارگاهها و قلعه هاي دشمن ، ازديگر جنبه هاي مهم کاربرد تونلها در تمدن هاي اوليه بود.

تونل سازي همزمان با انقلاب صنعتي، به ويژه به منظور حمل و نقل ، تحرک قابل ملاحظه اي يافت. تونلسازي به گسترش و پيشرفت کانال سازي کمک کرد و اين امر در توسعه صنعت به ويژه در قرون 18 و 19 ميلادي در انگلستان سهم بسزايي داشت. کانال‌ها يکي از پايه هاي انقلاب صنعتي بودند وتوانستند در مقياس بسيار بزرگ هزينه‌هاي حمل و نقل را کاهش دهند. تونل مال پاس با طول 157 متر برروي کانال دوميدي در جنوب فرانسه اولين تونلي بود که در دوره‌هاي مدرن در سال 1681 ساخته شد. همچنين اولين تونل ساخته شده با کاربرد حفاري و انفجار باروت بود. در انگلستان، قرن 18 نيز جيمز بريندلي از خانواده اي مزرعه دار با نظارت بر طراحي و ساخت بيش از 580 کيلومتر کانال و تعدادي تونل به عنوان پدر کانال و تونل هاي کانالي ملقب شد. وي در سال 1759 با ساخت يک کانال به طول 16 کيلومتر مجموعه معدن زغال دوک بريدجواتر را به شهر منچستر متصل نمود. اثر اقتصادي تکميل اين کانال نصف شدن قيمت زغال در شهر و ايجاد يک انحصار واقعي براي معدن مذکور بود.

در اوايل قرن نوزدهم به منظور عبور از قسمتهاي پايين دست رودخانه تايمز هيچ سازه اي موجود نبود و 3700 عابر مجبور بودند با طي يک راه انحرافي 3 کيلو متري با قايق مسير روترهايت به ويپنيگ را طي کنند. اقدام به ساخت يک تونل نيز به دليل ريزشي بودن ومناسب نبودن رسوبات کف رودخانه متوقف شد. تا اينکه در حدود سال 1820 فردي بنام مارک ايرامبارد برونل از فرانسه ايده استفاده از سپر را مطرح نمود و در سال 1825 کار احداث تونل بين روترهايت و ويپنيگ را آغاز و علي رغم جاري شدن چند نوبت سيل در سال 1843 آن را باز گشايي نمود. اين تونل تامس نام گرفته و اولين تونل زير آبي بود که بدون هر گونه رودخانه انحرافي حفر شد.

در ديگر موارد تونلهاي زهکشي بزرگ ، نظير تونلي با طول 7 کيلو متر در هيل کارن انگلستان ، اهميت زيادي در توسعه صنعت معدنکاري داشته‌اند. البته بررسي تاريخچه پيشرفت در روش ها و تکنيک ها و به عبارتي در هنر تونل سازي نشانگر اين مطلب است که مانند بسياري ديگر از علوم و فنون بيشتر رشد اين هنردر قرن گذشته صورت گرفته و تا حال نيز ادامه دارد.

 

ويژگي هاي فضاهاي زيرزميني و نمونه هاي بارز آنها

هم اکنون در زمينه هاي مختلف کاربرد تونل‌ها ، مزاياي متفاوت و گوناگوني را بر مي شمرند. از آن جمله ويلت، استفاده فزاينده فعلي از فضاهاي زير زميني را به دلايل زير رو به افزايش دانسته است.

1- تفوق محيط ساختاري به معناي وجود يک حصار وساختار طبيعي فراگير.

2-عايق سازي با سنگهاي فراگير که داراي ويژگيهاي عالي عايق‌ها مي باشند.

3- محدوديت کمتر دراحداث سازه هاي بزرگ به دليل نياز کمتر به استفاده از وسايل نگهداري عمده در مقايسه با احداث همان سازه بر روي سطح زمين.

4- کمتر بودن تأثيرات منفي زيست محيطي.

 

از ديگر مزاياي تونل ها در راههاي ارتباطي مي توان به :

1- کوتاهتر شدن مسيرها و افزايش راند مان ترافيکي

2-بهبود مشخصات هندسي مسير

3-جلوگيري از خطرات ريزش کوه وبهمن

4-ايمني بيشتر در برابر زلزله،

اشاره کرد .

 

مثال هاي متعددي مي توان از نقش وتأثير عمده تونلسازي و پروژه هاي بزرگ اين صنعت از گذشته تا حال ذکر کرد . تونل مشهور مونت بلان دو کشور فرانسه و ايتاليا را به هم متصل مي سازد. عمليات ساختماني آن در سال 1959 آغاز گرديد و حفر اين تونل فاصله بين ميلان و پاريس را به طول 304 کيلو متر کوتاهتر نموده است. از ديگر نمونه ها کشور فنلاند است که سازه هاي زير زميني را به صورت غارهاي عظيم بدون پوشش بتني ، به منظور انبار مواد نفتي مورد استفاده قرار داده و در حال حاضر بيش از 75 انبار نفتي در سراسر کشور فنلاند با گنجا يشي بيش از 10 ميليون متر مکعب ساخته شده.

تعاريف مربوط به تونلها و ساختگاه

مشخصات و ويژگيهاي تونلها و نحوه ساخت آنها در تاثير پذيري آنها از زلزله موثر است. در اين قسمت تعاريف مربوط به تونلها بيان شده و اثر هرکدام در تاثير پذيري تونلها بررسي مي‌شود.

 

4-1-     عمق تونل :

بطور کلي تونلها در مقابل زلزله، نسبت به ساير سازه‌هاي سطحي بسيار پايدارترند. چرا که جابجائي زمين، دامنه حرکات، شتاب و سرعت ذره‌اي زمين عموما با زياد شدن عمق، کاهش مي‌يابد (مخصوصا اگر زمين نرم باشد)؛ بطوري که در مواردي شتاب زلزله در عمق بيش از 50 متر، حدود 40 درصد کاهش بافته است. البته ذکر اين نکته نيز ضروري است که اگر چه شتاب و بعضي پارامترهاي ديگر در عمق کمتر از لايه سطحي است، اما مشخصاتي مثل فرکانس زلزله به منبع توليد موج بستگي دارد و تابع عمق زمين نميباشد.  البته بايد به اين نکته نيز توجه داشت که ميزان جابجائي ناشي از گسلش در عمق بيشتر از سطح است که اين موضوع در بخش جداگانه‌اي مورد بحث قرار خواهد گرفت.

 

4-2-     شکل و اندازه تونل :

همانطور که در بخش قبل اشاره شد، هر چه مقطع تونل بزرگتر باشد، حساسيت آن به زلزله بيشتر است. يکي از موارد بزرگ بودن موضعي تونلها، در تقاطعها و ايستگاههاي مترو مي‌باشد. همچنين وجود دو يا چند تونل در کنار هم معمولا باعث تمرکز تنشهاي استاتيکي در محيط بين تونلها مي‌گردد. همين حالت در هنگام گذر موج زلزله که نوعي تنش است، اتفاق مي‌افتد.

 

4-3-     وضعيت لايه بندي و جنس زمين:

امواج توليد شده در حين حرکت، تحت تاثير خواص زمين قرار مي‌گيرند. امواج فشاري و برشي در سطح برخورد با لايه‌هاي مختلف دچار انکسار و انعکاس مي‌شوند و اين باعث افزايش يا کاهش دامنه نوسانها مي‌گردد. از طرف ديگر، شرايط و وضعيت خاک تحت الارضي و حتي توپوگرافي يک ناحيه ممکن است عامل افزايش اساسي در شدت جنبشهاي سطح زمين گردد. تقويت شتاب در انباشته‌اي نرم بزرگتر از مقدار آن در انباشته‌هاي سفت مي‌باشد.

 

4-4-     نحوه ساخت تونل

روشهاي مختلفي براي ساخت تونل (کندن تونلها) وجود دارد که بستگي به شرايط ساختگاهي و زمين ساختي روش مناسب انتخاب مي‌شود. روشهايي که بيشتر معمول هستند روش حفاري شده و خاکبرداري شده است. در مورد تاثير نحوه ساخت بر رفتار تونلها جدول زير در HAZUS99که توسط NIBSآمريکا ارائه شده است (جدول 4-1). نحوه ساخت تاثير بسيار زيادي بر اثر پذيري از امواج زلزله دارد، چرا که در روش حفاري، خاک اطراف کاملا دست نخورده باقي مي‌ماند و از طرف ديگر اين گونه تونلها معمولا در جائي ساخته مي‌شوند که عمق قرار گيري تونل زياد باشد. ولي در تونلهاي سطحي مانند تونلهاي مترو، اغلب از روش خاکبرداري و پوشش استفاده مي‌شود.

 

4-5-     پوشش داخلي تونل (Lining)

پس از حفاري تونل در صورت نياز از پوشش داخلي براي محافظت در مقابل ريزش استفاده مي‌شود. البته مواردي نيز وجود دارد که در صورت استحکام کافي سنگها، از پوشش استفاده نميشود، ولي در غير اين صورت امکان استفاده از شاتکريت، بتن درجا، و يا اجزاي پيش ساخته وجود دارد.

 تاثير گسلش بر تونلها:

گسلش يکي از عواملي است که ميتواند در هنگام وقوع زلزله خسارات زيادي را به سازه‌هاي زير زميني و بخصوص سازه‌هاي خطي زير زميني وارد نمايد.

5-1-     اهميت مطالعه گسلش در طراحي سازه‌هاي زير زميني

جابجائي برشي در يک پهنه باريک در دو طرف گسل آثار تخريبي شديدي بر روي سازه‌هاي زير زميني خواهد داشت. تنشهاي حاصل از گسلش در مقاطع تونل يا ساير سازه‌هاي زير زميني مي‌تواند به مراتب از تنشهاي حاصل از لرزش و لغزش بيشتر باشند. طراحي تونلها به نحوي که بتواند در برابر جابجايي‌هاي چند سانتيمتري تا چند متري ناشي از گسلش مقاومت کنند، نيز از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نيست؛ بدين لحاظ مطالعه خطر گسلش در مسير يک تونل و يا ساير سازه‌هاي زير زميني از اهميت خاصي برخوردار است.

در واقع بسياري از سازه‌هاي زير زميني و بخصوص تونلها داراي تقاطع‌هايي با گسلها مي‌باشند که اين امر باعث آسيب پذيري آنها بر اثر حرکت گسل مي‌گردد. به همين جهت در حين بررسيهاي ساختگاه براي ساخت سازه‌هاي زيرزميني بايد به وجود گسلها توجه خاصي مبذول شود تا بتوان با شناخت کامل آنها، پيش گيريهاي لازم را در جهت کاهش ميزان صدمات ناشي از گسلش انجام داد. در اين راستا، نه تنها مکان گسلهاي فعال بايد دقيقا شناسايي گردند، بلکه بايد نوع گسل و نحوه حرکت آن، نحوه حرکت گسل در گذشته، نحوه انتخاب رويداد مناسب براي طراحي و اهميت و يا تاثير گسلش در کاربري سازه زير زميني نيز دقيقا بررسي گردد. بررسي نوع گسل نحوه حرکت آن را در جهات افقي يا قائم و يا هر دو، مشخص مي‌کند. جابجائي گسل ميزان حرکت آن را در جهات مختلف نشان مي‌دهد. رويدادهاي تاريحي ميتوانند براي  پيش بيني نوع حرکت، ميزان جابجائي و زمان احتمالي گسلش در اينده مورد استفاده قرار گيرند و انتخاب رويداد مناسب نيز مي‌تواند امکان طراحي بهينه و اقتصادي سازه‌ را فراهم آورد. همچنين تاثير گسلش بر کاربري طرح بايد به دقت مشخص گردد. به عنوان مثال، در تونلهاي راه آهن حساسيت زيادي در برابر جابجائي وجود دارد؛ زيرا، امکان قطع شدن ريلها يا مختل شدن سيستم آنها به واسطه جابجائي حاصل از گسلش وجود دارد و اين امر مي‌تواند حوادث ناگواري را بوجود آورد. در مقابل در تونلهاي انتقال آب حتي اگر جابجائي قابل توجهي نيز رخ دهد خطر جانبي به همراه نخواهد داشت و سيستم انتقال آب نيز مي‌تواند با مقداري نفاوت دبي به کار خود ادامه دهد.

5-2-     انواع جابجايي هاي گسلي

معمولا جابجايي گسلها به سه شکل نرمال، معکوس و امتداد لغز انجام مي شود که در نوع امتداد لغز جابجائي افقي و در دو نوع ديگر جابجايي قائم مي‌باشد. البته معمولا در طبيعت حالات ترکيبي از اين حرکات مشاهده مي‌شود و به ندرت مي‌توان گسلي را يافت که صرفا در جهت افقي يا قائم حرکت کند. قسمتهاي مختلف يک گسل و انواع حرکات گسل در شکل 5-1 نشان داده شده است.

 

 

5-3-     جابجائي گسل در چند رويداد مهم لرزه‌اي:

هر چند در اکثر واقع در هنگام زلزله جابجائي گسها در حد چند ده سانتي متر ميباشد ولي در رويدادهاي بزرگ لرزه‌اي اين جابجائي مي‌تواند به چند متر نيز برسد. در اين قسمت مثالهايي از برخي زلزله هاي مهم جهاني و داخلي جهت روشن شدن اهميت گسلش ارائه مي‌گردد:

§        زلزله سان فرانسيسکو (1906): در اين زلزله حرکت گسل سان آنرياس موجب تخريب و برهم خوردگي وضعيت بسياري از راهها، حصارها، خطوط لوله، پل و تونلها در امتداد گسل شد. پهناي زون شکستگي در اين مورد از چند ده سانتي متر تا بيش از 15 متر متغير بود و ترکهاي زيادي نيز در دو طرف گسل اصلي تا شعاع چند ده متري ايجاد شد. مقدار جابجائي افقي با آنچه که توسط جابجائي حصارها و يا راهها قابل اندازه‌گيري بود از 5/2 متر تا 5/4 متر متغير بوده است که در بعضي نقاط به 5/6 متر هم ميرسيده است.

§        زلزله سان فرناندو (1971): نوع گسل در اين زلزله شيب لغز معکوس بوده است. گسلش در ناحيه‌اي به وسعت 15 کيلومتر ايجاد شد و با حرکات لغزشي معکوس و امتداد لغز چپ گرد همراه بوده است. در ناحيه سان فرناندو  حداکثر جابجائي بصورت چپ گرد 9/1 متر و بصورت شيب لغز 5/1 متر بوده است. اختلاف سطح عمودي حاصله برابر با 39/1 متر بوده و کوتاه شدگي در جهت قائم بر روند زون 55/0 متر بوده است.

§        در زلزله کوبه ژاپن (1995) با بزرگاي 2/7 گسل نوجيما در جهت قائم 3/1 متر و در جهت افقي 8/1 متر جابجا شده است.

§        در زلزله هاي ايران نيز جابجائي هاي قابل توجهي در گسلها در برخي از زلزله‌هاي بزرگ ديده شده است

 

 

 

5-4-     جابجائي در سطح و جابجائي در عمق :

نکته‌اي که بايد به آن توجه داشت اين است که در اکثر موارد ميزان جابجائي در عمق با ميزان آن در سطح فرق مي‌کند. به عنوان مثال، ميزان جابجائي حاصل از گسلش در زلزله 1952 کاليفرنيا در سطح زمين حدود يک متر و در عمق 160 متري اين مقدار 5/2 متر بوده ‌است.در زلزله 1978 ژاپن نيز ميزان جابجايي در عمق حدود 5/0 متر و در سطح زمين تنها برابر 19/0 متر بود. در تمام موارد اندازه‌گيري شده، ميزان جابجائي در عمق بيش از سطح زمين بوده است؛ ولي در حال حاضر با توجه به کمبود اطلاعات از ميزان جابجائي‌ در عمق نميتوان رابطه‌اي را بين عمق و جاجائي حاصل از گسلش تعيين کرد. لذا، معمولا از همان مقادير سطحي با ضرايبي که به اهميت طرح بستگي دارند براي عمق استفاده مي‌گردد. به عنوان مثال، در يک مطالعه کاربردي در رابطه با متروي لوس آنجلس که با گسل هاليوود و چين خوردگي کويوت (Coyote) برخورد دارد از حداکثر جابجايي سطحي براي طراحي تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است. در اين مورد حداکثر جابجايي سطحي براي طراحي تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است. در اين مورد حداکثر جابجايي سطحي ثبت شده در مورد گسل هاليوود برابر دو متر و براي چين خوردگي کويوت برابر 5/0 متر بوده است. بايد توجه داشت که تونل در عمق 50 متري با اين ساختارهاي زمين شناسي برخورد مي‌کند.

لازم به توضيح است که بررسي خصوصيات جابجائي و گسيختگي در طول يک گسل نشان مي‌دهد که ميزان جابجايي در نقاط مختلف در طول گسل يکسان نيست. باتوجه به متغير بودن مقدار جابجائي در نقاط مختلف يک گسل، لازم است جهت تحليل ميزان جابجايي از روشهاي آماري استفاده شود. تا کنون کليه روابطي که براي برآورد جابجايي با استفاده از بزرگا ارائه شده‌اند بر اساس تحليلهاي انجام شده بر روي حداکثر مقادير جابجائي بوده‌اند. مقادير جابجائي که با اين روابط بدست مي‌ايد درواقع مطابق با وضعيتي مي‌باشد که سازه در محلي ساخته شده است که حداکثر جابجائي در آن محل وجود دارد؛ ولي محاسبات نشان مي‌دهند که  اين مقدار جابجائي حداکثر تنها در قسمت کوچکي از کل طول گسيختگي و در حدود 3 تا 5 درصد آن ايجاد مي‌شود. لذا احتمال برخورد حداکثر جابجائي با ساختگاه طرح کم است و طراحي بر اين اساس مقرون به صرفه نيست. امروزه روشهاي آماري مختلفي در طراحي سازه‌ها و فضاهاي رو و زير سطحي روي گسلها ارائه شده‌اندکه مي‌توان از آنها استفاده نمود.

 

5-5-     روشهاي کاهش صدمات ناشي ار گسلش روي تونلها و سازه‌هاي زير زميني

معمولا طراحي تونلها يا ساير سازه‌هاي زير زميني به گونه‌اي که بتوانند در برابر گسلش مقاومت نمايند، اقتصادي نيست؛ لذا سعي مي‌شود که با تعيين محل دقيق گسلها با روشهاي زمين شناسي و ژئوفيزيکي از برخورد تونلها با آنها ممانعت بعمل ايد. اين عمل بخصوص در نواحي فعال زمين ساختي در مورد سازه‌هاي خطي نظير تونلها که حداقل صدها متر طول دارند مشکل است. چنانچه امکان دوري از گسل مقدور نباشد معمولا با قبول مقداري جابجايي در مقطع تونل سعي مي‌شود که در محل برخورد تونل با گسل اتصالاتي تعبيه گردد تا صدمات را به حداقل ممکن کاهش دهد و امکاناتي نيز براي بازسازي سريع در نظر گرفته شود.

 بدين منظور مي‌توان با استفاده از نقاط ضعف عمدي در تونل (نظير درزه‌هاي ساختماني و ... ) صدمات را در قسمتهاي خاصي متمرکز نمود. روش ديگر کاهش صدمات ناشي از گسلش در تونلها، افزايش سطح مقطع در محل تقاطع با گسل مي‌باشد. در اين مورد در محل برخورد تونل و گسل سطح مقطع را با اندازه جابجائي قابل انتظار بر اثر گسلش بزرگتر در نظر مي‌گيرند و قسمت اضافي را با سنگ ريزه پر مي‌کنند. چنانچه گسلش اتفاق افتد سطح مقطع حاصله برابر با سطح مقطع مفيد مورد نظر است. اين عمل در مورد خط متروي لوس آنجلس انجام شده است. در اين تونل زير زميني در محل برخورد تونل با گسل هاليوود، سطح مقطع به اندازه دو متر که برابر با حداکثر جابجايي محتمل ناشي از گسلش بود بزرگتر از سطح مقطع ساير نقاط، طراحي و اجرا شد و قسمت اضافي با سنگ ريزه پر شد.  شکل 5-2 نحوه انجام اين کار را روي مقطع تونل نشان مي‌دهد.

تاثير ارتعاشات زلزله بر تونلها

آسيب پذيري سازه‌هاي زير زميني در برابر زلزله هم مي‌تواند به واسطه گسيختگي زمين در هنگام وقوع زلزله و هم به دليل ارتعاشات ناشي از زلزله روي دهد. گسيختگي زمين در هنگام وقوع زلزله عمدتا شامل گسلش، زمين لغزش و روانگرايي مي‌باشد.

بحث مربوط به گسلش در فصل قبل بصورت جداگانه مورد بررسي قرارگرفت، ولي بجز گسلش، زمين لغزش و روانگرايي نيز از پديده‌هاي طبيعي ناشي از زلزله مي‌باشد. زمين لغزش ‌ها که معمولا توسط زلزله تحريک مي‌گردند، بخصوص در ورودي-خروجي تونلها مي‌توانند صدمات زيادي را به فضاهاي زير زميني وارد نمايند. بسياري از گزارشات مربوط به آسيب فضاهاي زير زميني در اثر زلزله، به واسطه ايجاد لغزش در مدخلهاي تونلها بوده‌اند. روانگرايي نيز بخصوص چنانچه فضاي زير زميني در رسوبات سست داراي درصد بالاي ماسه و سيلت احداث شده باشد، مي‌تواند صدمات زيادي را به فضاي زير زميني وارد نمايد. اين آسيبها بيشتر در رابطه با تونلهاي مترو در نواحي شهري که از رسوبات منفصل عبور ميکنند ديده شده است.

3-1-     اهميت مطالعه ارتعاشات زلزله

 هر چند که گسيختگي زمين در اثر گسلش، روانگرايي و زمين لغزش مي‌تواند اثرات ويرانگري را بر سازه‌هاي زير زميني وارد نمايد، ولي صدمات ناشي از ارتعاشات زلزله به دلايل زير به مراتب مهمتر از اين صدمات هستند:

§        صدمات ناشي از گسيختگي (نظير گسلش يا زمين لغزش) در نواحي خاصي اتفاق مي‌افتند که مي‌توان با مطالعات دقيق زمين شناسي مهندسي از قبل اين نواحي را شناسايي نموده و تمهيداتي را در آنها در نظر گرفت ولي ارتعاش مي‌تواند در اثر جنبش هر گسلي در فواصل دور يا نزديک به فضاي زير زميني ايجاد گردد و شدت آن نيز مي‌تواند بسيار متغير باشد.

§        ارتعاش منحصر به قسمت خاصي از تونل يا فضاي زير زميني نمي‌شود و خسارات حاصله در کل مسير تونل يا فضا مي‌تواند ايجاد شود ولي گسلش يا زمين لغزش (و تا حدودي روانگرايي) در قسمتهاي محدودي از مسير اثر مي‌گذارند و به کل سيستم آسيب نمي‌رسانند.

§       ارتعاشات ناشي از زلزله مي‌تواند به شکل امواج مختلف طولي، عرضي يا برشي فضاي زير زميني را تحت تاثير قرار دهند و لذا تغيير شکلهاي گوناگوني در مقاطع يا سازه‌هاي زير زميني در اثر ارتعاش امکان وقوع دارد. امواج اوليه يا Pکه به موزات محور طولي تونل يا سازه زير زميني انتشار مي‌يابند، تونل را در جهت طولي دچار فشار يا کشش مي‌کنند که مي‌تواند باعث ايجاد ترکهاي کششي يا خرد شدگي‌هاي فشاري در امتداد آن گردد. امواج برشي يا  Sکه بخش اصلي انرژي را انتقال مي‌دهند، چنانچه در جهت طولي تونل انتشار يابند باعث ارتعاش در جهت عمود بر محور تونل شده و يا ايجاد جابجايي‌هاي برشي، آسيب هاي زيادي را به فضاي زير زميني وارد مي‌کنند. چنانچه جهات برخورد اين امواج با تونل مايل يا عمود بر محور تونل باشد، باز هم اشکال ديگري از تغيير مکان در فضاي زير زميني ايجاد مي‌گردد. در حاليکه گسيختگي‌هاي ناشي از گسلش يا زمين لغزش معمولا جهت تغيير شکل از بررسي‌هاي ساختگاهي قابل پيشبيني است.

 

6-2-اثر امواج مختلف بر سازه زير زميني

با توجه به بررسي امواج زلزله در فصل چهارم، امواج زلزله داراي انواع مختلفي است که هر کدام از اين امواج تاثير خاص خود را بر سازه زير زميني اعمال مي‌کند. با توجه به اين موضوع، هر کدام از امواج بصورت جداگانه مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

 

6-2-1.امواج فشاري:

امواج فشاري PW، معمولا همراه با امواج برشي افقي HSWمي‌باشند.HSWمولفه قائم و PWمولفه محوري امواج فشاري مي‌باشد.PWبر روي سازه‌هاي زير زميني فشار و کشش طولي ايجاد مي‌کند در حالي که HSWسازه خاکي را به جنبش جانبي وادار ميکند.HSWاثر جدي بر روي سازه‌هاي بلند دارد ولي تاثير چنداني بر روي سازه هاي زير زميني ندارد. تونلها و سازه‌هاي زيرزميني طولي انعطاف پذير، بر اساس انعطافپذيري اتصال حلقوي بر اثرات امواج HSWفائق مي‌ايند.PWسريعترين موج انتشار يافته از زلزله است. بنابراين اولين موجي است که ساختگاه سازه خاکي را تحت تاثير قرار مي‌دهد. در شکل (6-1-a) اثر اين گونه امواج بر تونل و تغيير شکلهاي حاصله نشان داده شده است.

 

6-2-2.امواج برشي قائم:

امواج برشي قائم اصليترين نوع امواج هستند که حدودا شامل دوسوم (2/3) انرژي آزاد شده هستند.VSWباعث جابجائي قائم سيستم سازه‌اي مي‌شود که براي سازه‌هاي بزرگ بسيار خطرناک است ولي تاثير زيادي بر روي تونلها و سازه‌هاي زير زميني ندارد را که اثر آن را بر بوسيله اتصالات انعطاف پذير جذب ميکند.VSWنسبت به HSWکندتر حرکت مي‌کند، لذا فاصله زماني بين VSWو HSWکاملا وابسته به فاصله ساختگاه تا رومرکز است. به شکل (6-1-b) مراجعه نماييد.

 

6-2-3.امواج رايلي RW:

در امواجرايلي، جهت چرخش ذرات در بالاترين قسمت آنها، در خلاف جهت حرکت موج مي‌باشد و حرکات ذرات در سطح مسير به صورت بيضي است که قطر بزرگ آن عمود بر انتشار موج است. امواج رايلي همانند امواج برشي قائم براي سازه‌هاي بزرگ عمل مي‌کنند. سيستمهاي زير زميني متحمل تغيير مکانهاي قائم بر اساس ارتفاعشان مي‌شوند.

 

 

6-2-4.امواج لاو LW:

اين امواج شکل ويژه‌اي از امواج HSWهستند، که جابجائي‌هاي جانبي با عمق خاک کاهش مي‌يابد.  بطور کلي امواج تنها عامل تهديد کننده سازه‌هاي زير زميني هستند. سازه تحت اثر اين امواج متحمل تغييرات ديناميکي جانبي مي‌شود. مقدار جابجائي جانبي بين بالا و پايين سازه متفاوت است. اگر اضافه تنش ايجاد شده توسط امواج لاو، از مرز ايمني فزوني يابد، سختي جانبي سازه زير زميني بايد براي متناسب شدن با شرايط بارگذاري افزايش يابد.

 

6-3-     بررسي تغيير شکلهاي ايجاد شده در تونل

همانطور که بيان شد، پاسخ فضاهاي زير زميني در برابر ارتعاشات ناشي از زلزله مي‌تواند به سه شکل تغيير شکلهاي محوري، انحنايي و حلقه‌اي (Hoop)باشد.

 

تغيير شکل محوري با کرنشهاي فشاري و کششي همراه مي‌باشد و همراه با عبور موج در طول محور تونل يا فضاي زير زميني جابجايي انجام مي‌گيرد. تغيير شکلهاي انحنايي باحث ايجاد انحناهاي مثبت و منفي در امتداد تونل مي‌گردند. در انحناي مثبت جدار فضاي زير زميني در قسمت فوقاني دچار فشردگي و در قسمت تحتاني دچار کشيدگي مي‌شود. تغيير شکلهاي حلقه‌اي نيز در اثر رخورد امواج به صورت عمودي يا تقريبا عمودي نسبت به محور تونل يا فضاي زير زميني ايجاد مي‌گردد. اين حالت تنها زماني که طول موج لرزه‌اي کمتر از شعاع فضاي زير زميني باشد ايجاد مي‌شود.

 

6-3-1-  تغيير شکلهاي محوري و انحنايي

تنشهاي ديناميکي حاصل از امواج لرزه‌اي به تنشهاي استاتيکي موجود در جدار تونل يا فضاي زير زميني و سنگهاي مجاور آن افزوده مي‌گردند. در اثر افزايش تنشهاي فشاري حاصل از بارگذاري ديناميکي امکان ايجاد خرد شدگي و حالت پوسته شدن (Buckling)در محيط فضاي زير زميني وجود دارد. تنشهاي لرزه‌اي کششي باعث کاهش تنشهاي استاتيکي فشاري موجود در محل شده و اين خود ايجاد تنشهاي کششي مي‌نمايد که نتيجه آن باز شدن درزه‌ها و در نتيجه کاهش مقاومت برشي، سست شدن پيچ سنگها (Rock bolts)و نهايتا ريزش سنگ از سقف يا جداره‌هاي تونل مي‌باشد. براي تعيين تغيير شکلهاي محوري و انحنايي مي‌توان از مدلهاي يک بععدي استفاده نمود. شايد ساده‌ترين راه بدين منظور در نظر گرفتن تونل بعنوان ين تير سازه‌اي و انجام تحليل هاي مربوطه روي آن باشد. اما براي مغاره‌ها يا تونلهاي بزرگتر لازم است از مدلهاي سه بعدي جهت برآورد اين تغيير شکلها استفاده نمود.

 

6-4-  بررسي رفتار لرزه‌اي سازه‌هاي مدفون در رسوبات منفصل

مهمترين فرضي که براي تحليل رفتار سازه‌هاي مدفون در رسوبات منفصل انجام مي‌شود اين است که خاک در مقايسه با سازه زير زميني صلب است و لذا تغيير شکل حاصل از زلزله در خاک به فضاي زير زميني منتقل مي‌شود و سازه‌ هماهنگ با زمين اطرافش حرکت مي‌کند. با توجه به اينکه معمولا در اثر زلزله تغيير شکلهاي مختلفي در جهات مختلف بصورت تصادفي ايجاد مي‌شود لذا امکان مقاوم سازي سيستم جهت مقابله با اين تغيير شکلها بسيار دشوار بوده و در بسياري موارد امکان پذير نيست. از طرفي صلبيت بيش از حد سازه زير زميني تنها آسيب پذيري آن را در برابر زلزله افزايش مي‌دهد و لذا معمولا در طراحي سازه‌هاي زير زميني لازم است که سيستم به صورت انعطاف پذير و داراي قطعات شکل پذير طراحي شود به شرطي که پايداري استاتيکي آن به مخاطره نيفتد.

همچنين لازم است به مسايلي نظير امکان تشديد و اثر اندر کنش سازه با محيط اطراف نيز توجه نمود. اين عوامل مي‌توانند باعث افزايش جنبشهاي لرزه‌اي گردند. اندر کنش خاک – سازه در سازه‌هاي زير زميني اثرات مهمي دارد، اما اگر سازه طوري طراحي گردد که سيستم از جنبش زمين تبعيت کند، آنگاه اثر اندر کنش به حداقل کاهش مي‌يابد. در بسياري از معيارهاي طراحي فضاهاي زير زميني در رسوبات منفصل سعي مي‌شود اثر اندر کنش با طراحي سيستم به نحوي که سيستم از جنبشهاي زمين تبعيت کند، خنثي شود اما اگر فضاي زير زميني در خاک خيلي سست احداث شده باشد، اثر اندرکنش نسبتا زياد مي‌باشد و بايد مورد توجه قرار گيرد.

عامل ديگري که در رفتار فضاهاي زير زميني در برابر ارتعاش حاصل از زمين لرزه حائز اهميت است زاويه برخورد امواج با جدار تونل مي‌باشد. امواج لرزه‌اي به سازه‌هاي خطي نظير تونلها مي‌توانند با زواياي مختلفي برخورد کنند و هر چه (به واسطه کاهش زاويه برخورد موج با تونل) طول تحت تاثير قرار گرفته تونل بيشتر باشد، دامنه تغيير مکان زمين کاهش مي‌يابد. اين اثر در شکل (7-4) نشان داده شده است.

 

زاويه برخورد موج با تونل اثر قابل توجهي در مقادير انحنا و خميدگي تونل و در نتيجه در تغيير شکل تونل هنگام وقوع زلزله دارد.  

 

 

 

6-4-1- نواع تغيير شکلهاي لرزه‌اي خاک

دو نوع تغيير شکل عمده حاصل از زلزله مي‌تواند روي سيستم هاي حمل و نقل زير زميني تاثير نمايد که عبارتند از تغيير شکلهاي انحنايي و تغيير شکلهاي برشي. تغيير شکلهاي انحنايي در اثر قرارگيري مستقيم محل انحناي خاک (حاصل از زلزله) روي سازه زير زميني بوجود مي‌ايد. سازه زير زميني بايد ظرفيت جذب کرنشهاي حاصله را داشته باشد. تغيير شکل برشي نيز نشان دهنده تاخير زماني در پاسخ به يک شتاب پايه وارده به آن از سنگ بستر مي‌باشد. اين حالت را مي‌توان به حرکت يک کاسه ژله در پاسخ به تکان ظرف آن تشبيه نمود. اثر اين حرکت تغيير شکل مقطع مستطيلي فضا به شکل لوزي مي‌باشد. 

بايد توجه داشت که هرچند دامنه جابجائي زلزله مي‌تواند زياد باشد ولي در سازه‌هاي زير زميني خطي نظير تونلهاي مترو، اين جابجايي در طول نسبتا زيادي انجام مي‌شود و لذا نرخ بهم ريختگي حاصل از زلزله معمولا کم و در حد تغيير شکلهاي الاستيک قرار مي‌گيرد.

مقادير حداکثر اين تغيير مکانها (انحنايي و برشي) و روش طراحي اين گونه سازه ها در برابر اين بارهاي وارده، در فصل طراحي لرزه‌اي تونلها بصورت کامل بيان مي‌گردد.

برآورد خطر پذيري تونلها

7-1-   برآورد خطر بر اساس HAZUS99:

در مجموعه HAZUS99که توسط NIBSآمريکا تهيه گرديده، بصورت کامل آسيب پذيري سازه‌هاي مختلف در برابر زلزله مورد بررسي قرار گرفته است، اين مجموعه بر اساس داده‌هاي آمريکا تهيه شده و بصورت مجموعه‌اي در 30 سي دي منتشر گرديده است.HAZUS99داراي راهنماي کاملي است که فصل هفتم آن به شريانهاي حياتي اختصاص دارد. در بررسي آسيب پذيري شريانهاي حياتي، آنها را به هفت زير مجموعه تقسيم مي‌نمايد که عبارتند از:

·        بزرگراه

·        راه آهن

·        قطار برقي

·        حمل و نقل اتوبوسي

·        بندر

·        حمل و نقل آبي

·        فرودگاهها

در تقسيم بندي فوق، هرکدام از سيستم هاي حمل و نقل داراي اجزائي مي‌باشند که تونل جزو اجزاي بزرگراهها و سيستم راه آهن ميباشد. لذا ما نيز بصورت جداگانه نقش تونل را در هر کدام از تقسيم بندي‌هاي شريانهاي حياتي مورد بررسي قرار مي‌دهيم.

 

تونل در سيستم بزرگراهي :

تونل يکي از اجزاي سيستم بزرگراهي مي‌باشد که به همراه سيستم راه و پلهاي بزرگراهي، مجموعه بزرگراهها را تشکيل مي‌دهد. از ميان اجزاي مختلف سيستم بزرگراهي ما فقط به بررسي آسيب پذيري تونلها مي‌پردازيم.

 

1-   داده هاي ورودي مورد نياز

·        مکان ژئوفيزيکي تونلها (طول و عرض)

·        حداکثر شتاب زمين و حداکثر جابجائي زمين (PGD , PGA)در محل تونل.

·        کلاس بندي تونل

2-   تونلها در بحث آسيب پذيري بر اساس نحوه ساخت کلاس بندي مي‌شوند:

·        تونل حفاري شده (سوراخ شده)

·        تونل خاکبرداري شده

3-   تعاريف مربوط به سطح آسيب به تونلها

·        Ds1: بدون آسيب

·        Ds2: آسيب جزئي

آسيب جزئي به تونلها شامل ترکهاي جزئي در پوشش تونل ( خرابي فقط نياز به يک تعمير سطحي داشته باشد) و افتادن چند سنگ  و يا نشست جزئي در زمين در ورودي تونل

·        Ds3: خرابي متوسط

بصورت ترکهاي متوسط در پوشش و فروريزش سنگ تعريف مي‌شود.

·        Ds4: خرابي گسترده

بصورت نشستهاي جدي در يک ورودي تونل و ترکهاي گسترده در پوشش تونل

·        Ds5: خرابي کلي

ترکهاي جدي در پوشش تونل که ممکن است شامل ريزش احتمالي باشد.

           

4-   منحني هاي تعميرات اجزا

بر اساس تعداد روزهاي مورد نياز براي تعمير خرابي هاي حاصل از زلزله پارامترهايي تعريف گرديده که براي تونل بصورت جداول و شکل زير ميباشد.

 

 

5-   توابع خرابي تونلها

خرابي تونلها بر اساس خرابي زير اجزاي آن مي‌باشد که عبارتست از پوشش و ورودي تونل (G&E 1994).يافته هاي  شرکت G&Eبر اساس داده‌هاي زلزله گزارش شده توسط دودينگ و همکارانش مي‌باشد در سال 1978 و اون در سال 1981 مي‌باشد. خرابي اين زير سازه‌ها در جداول زير ارائه شده است.

کلا 10 تابع خرابي براي تونلها بدست آمده است که چهار تابع براي PGAو شش تابع براي PGDمي‌باشد. ( توجه شود که هر کلاس تونل بصورت جداگانه مورد بحث قرار گرفته است). مقادير متوسط و انحراف معيار اين توابع در جدول ديگري ارائه شده است.

 

تونل در سيستم راه آهن :

در مورد تونل در HAZUS99تاکيد زيادي نشده است و فقط عنوان شده که تونلهاي راه‌آهن معمولا مانند پلها، باعث بند آمدن ترافيک و ... نمي‌شوند مگر اينکه کاملا عملکرد خود را از دست داده باشند.

بسياري از تعاريف در تونلهاي راه‌آهن دقيقا همان تعاريف تونلهاي بزرگراهي مي‌باشد، بايد توجه نمود که ايستگاههاي راه آهن شهري جزو اجزاي اين سيستم حمل و نقل مي‌باشد قسمتهاي مورد نياز در اينجا بيان مي‌شود.

در راه‌آهن نيز تونلها به دو نوع حفاري شده و خاکبرداري شده تقسيم مي‌شوند. در مورد ايستگاههاي شهري در اين ايين نامه گفته شده است که ايستگاههاي مترو در حکم اتصالات حياتي سيستم هستند و از نظر عملکرد سيستم بسيار مهم مي‌باشند. در آمريکاي غربي، اين تسهيلات معمولا به صورت ديوارهاي برشي بتني مسلح و يا قابهاي خمشي ساخته مي‌شوند در حالي که در آمريکاي شرقي ايستگاههاي کوچک اغلب چوبي هستند و ايستگاههاي بزرگتر معمولا با مصالح بنايي و يا قاب فلزي مهاربندي شده هستند.

 

1-   داده هاي ورودي مورد نياز

·        براي تونلهاي راه آهن :

o       همانند تونلهاي بزرگراهي

·        براي ايستگاههاي شهري :

o       مکان جغرافيايي تسهيلات

o       PGAو PGDدر محل تسهيلات

o       کلاس بندي تسهيلات

 

2-   شکل توابع خرابي

توابع خرابي و يا منحني هاي خرابي براي تمام اجزاي راه آهن  که در زير توضيح داده شده است، بصورت تابع لوگ نرمال تعريف شده اند که احتمال رسيدن و يا گذشتن از سطوح خرابي مختلف براي يک سطح مشخص شده حرکت زمين مي‌باشد. هر منحني خرابي با يک مقدار ميانگين از سطح حرکت زمين و مقدار انحراف معيار مشخص مي‌شود. حرکت زمين با پارامتر بيشينه شتاب زمين (PGA) و خرابي زمين با پارامتر جابجائي ماندگار زمين (PGD)تعيين ميشود.

·        براي تونلها، منحني هاي خرابي بر اساس PGAو PGDتعيين مي‌شود.

·        براي تسهيلات راه‌آهن مانند ايستگاههاي شهري نيز PGAو PGDمشخص کننده هستند.

 

3-   تعاريف مربوط به سطح آسيب

سطوح آسيب تونلها همانند تعاريف مربوط به تونلهاي بزرگراهي         مي‌باشد. و در مورد ايستگاهها :

·        Ds1: بدون آسيب

·        Ds2: آسيب جزئي به سازه

·        Ds3: خرابي متوسط سازه

·        Ds4: خرابي گسترده

·        Ds5: آسيب کلي و خرابي گسترده

4-   منحني هاي تعميرات اجزا

منحني هاي بازسازي بصورت زير مي‌باشد.