بررسی ویژگیهای ساختاری و پارامترهای مقاومتی توده های سنگی , در امتداد مسیر تونل کلات

دسته زمین شناسی مهندسی
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری هشتمین همایش سالانه انجمن زمین شناسی ایران
نویسنده غفوری, محمد ـ لشکری پور, غلامرضا ـ طریق ازلی, صادق
تاريخ برگزاری ۰۹ مهر ۱۳۸۴

متن اصلی:
     زمین شناسی مسیر تونل
منطقه کلات از نظر زمین شناسی در حوضه رسوبی کپه داغ قرار گرفته است. تونل کلات در زیر یال ناودیس کلات و از میان سازندهای نیزار و کلات که مربوط به زمان کرتاسه بالایی می باشند حفری شده است]2[. سازند نیزار شامل سه واحد می باشد. واحد پایینی که ضخامت زیادی دارد و از ماسه سنگهای خاکستری متمایل به سبز همراه با میان لایه های نازک مارنی و شیلی تشکیل شده و از متراژ 000+0 تا 095+0 قابل مشاهده است. واحد میانی از ماسه سنگهایی با ضخامت کمتر تشکیل شده و از متراژ 095+0 تا 197+0 قابل مشاهده است. واحد بالایی از آهکهای سفید رنگ به همراه میان لایه های مارنی تشکیل شده و در متراژ 197+0 تا 477+0 قابل مشاهده می باشد. سازند کلات از متراژ 477+0 تا725+0 در مسیر تونل قابل مشاهده است و از آهکهایی با لایه بندی نامنظم به همراه واحدهای مارنی تشکیل شده است.


شکل 1-مقطع زمین شناسی تونل کلات


ویژگیهای ساختاری توده سنگ در برگیرنده تونل
ناپیوستگی های توده سنگ در برگیرنده تونل شامل لایه بندی, درزه ها و گسلها می باشند. لایه بندی و درزه ها, ناپیوستگی اصلی را در مسیر تونل بوجو می آورند:
1- لایه بندی
بطور کلی جهت شیب لایه بندی به سمت شمال شرقی می باشد و مقدار شیب از 30 تا 45 درجه متغیر است. بجز 100 متر نخست در بقیه قسمتهای تونل, امتداد لایه بندی بر امتداد تونل تقریباً عمود می باشد.
2- گسلها
در طول مسیر تونل جابجایی های بین لایه ای قابل مشاهده می باشد. ولی در دو محل (متراژهای380+0 و 580+0) توده سنگی تحت تاثیر گسلهایی با شیب بیش از 60 درجه قرار گرفته اند. شایان ذکر است در طی حفاریهای اولیه , در محل گسلها ریزشهایی بوقوع پیوسته است.
3- درزه ها
بررسی ناپیوستگی ها در مسیر تونل کلات جهت تعیین ویژگیهای مهندسی توده سنگی انجام شد. این بررسیها, بر اساس استاندارد ISRM (1981) و شامل شیب و جهت شیب, فاصله داری , بازشدگی, پرشدگی , زبری, گستردگی و شرایط آب زیرزمینی می باشند. با توجه به شرایط ذکر شده بطور کلی 266 درزه در طول مسیر تونل برداشت گردید. تجزیه و تحلیل آماری این اطلاعات به کمک برنامه کامپیوتری DIPS3 انجام گرفته است.
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است, سه دسته درزه غالب در طول مسیر تونل تشخیص داده شد (JI:83/297 ; H2:45/202 ; J3:60/002 ). این سه دسته درزه کم و بیش در سراسر مسیر تونل, با تغییر جزئی در راستا و شیب وجود دارند. تنها اختلاف موجود ,مربوط به فاصله بین درزه ها می باشد. با توجه به اینکه تونل مورد نظر در توده سنگهای درزه دار و در عمق کم قرار دارد, لذا متداولترین نوع گسیختگی , سقوط گوه ها از سقف و یا لغزش بلوکهای منفرد از دیواره ها می باشد. این گوه ها در جاهایی که ناپیوستگی ها یکدیگر را قطع می کنند, تشکیل می شوند. با توجه به اینکه تونل مورد نظر در توده سنگهای درزه دار و در عمق کم قرار دارد,لذا متداولترین نوع گسیختگی , سقوط گوه ها از سقف و یا لغزشهای بلوکهای منفرد از دیوارهها میباشد. این گوه ها در جاهایی که ناپیوستگی ها یکدیگر را قطع می کنند , تشکیل می شوند.
بنابراین یکی از مشکلات پایداری در زمان تعریض تونل , وجود لغزش یا ریزش گوه ها می باشد. لذا در این مقاله جهت بررسی هندسی سه بعدی گوه های محتمل از برنامه کامپیوتری UNWEDGE 2.21 استفاده شد, جهت ناپیوستگیهای غالب مهمترین داده ورودی در این برنامه میباشد. بر اساس نتایج بدست آمده از برنامه UNWEDGE , پنج گوه, در زمان تعریض , پتانسیل


شکل 2-تصویر استریو گرافی صور ساختاری در مسیر تونل کلات



 


شکل3-تشکیل گوه های محتمل در توده سنگهای در بر گیرنده تونل کلات


تشکیل در توده سنگهای در برگیرنده تونل را دارند, که از میان آنها , همانطور که در شکل3 نشان داده شده است, دو گوه در دیواره های و دو گوه در سقف تونلپتانسیل لغزش را دارا هستند. ویژگیهای تشکیل این گوه ها (مانند: موقعیت, فاکتور ایمنی, مکانیسم گسیختگی و وضعیت پایدار) در جدول1 ارائه شده است.
شایان ذکر است, شاخصی که بیش از همه در جدول 1 با اهمیت است,ضریب اطمینان (S.F.) است که آن را می توان نسبت تمام نیروهایی که در برابر لغزش مقاومت می کنند به مجموع نیروهایی که باعث لغزش می شوند, دانست. تجربه نشان داده است که جهت پایداری گوه ها , ضریب اطمینان در تونل حداقل باید برابر 5/1 باشد. بنابراین با توجه به جدول1 به جز گوه شماره 3 که در کف تونل تشکیل می شود, بقیه گوه ها (2, 1, 4 و5) ضریب اطمینانی پایینتر از 1 دارند و ناپایدار می باشند.


جدول 4-بر آورد پارامتر های مقاومتی توده سنگ با استفاده از روابط مختلف


طبقه بندی مهندسی توده های سنگی در مسیر تونل کلات
متداولترین سیستم های طبقه بندی توده سنگ , سیستم RMR (که توسط بیناوسکی در سالهای 1989 ,1976 , 1974 , 1973 ارائه شده است) و شاخص کیفی تونل بری Q (که توسط بارتون و همکاران در سال 1974 ارائه شد) می باشند.در این مقاله , جهت طبقه بندی توده سنگ در امتداد مسیر تونل , هر دو سیستم ذکر شده مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین در این مطالعات , علاوه بر سیستم های Qو RMR, از سیستم GSI نیز برای طبقه بندی توده های سنگی مسیر تونل استفاده شده است.
1- طبقه بندی ژئومکانیکی توده سنگ (RMR)
برای تعیین RMR توده سنگهای مسیر تونل , شش پارامتر: مقاومت فشاری توده های سنگی , RQD , فاصله ناپیوستگی ها, شرایط ناپیوستگی ها , جهت یابی ناپیوستگی ها و شرایط آب زیر زمینی , مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این مقاله , برای تعیین RMR, کل مسیر تونل از نظر لیتولوژی و ویژگیهای ساختاری به هفده قسمت تقسیم شده اند و مقدار RMR برای هر قسمت تعیین شده است (جدول2) مقدار RMR بدست آمده در این مطالعه از 30 (poor rock) تا 60 (fair rock) تغییر می کند ولی بیشتر مسیر تونل در رده سنگهای نسبتاً مناسب (41 تا 60) قرار می گیرد.
2- شاخص کیفی تونل بری (Q)
در این مطالعه مقدار Q در امتداد مسیر تونل (در هفده قسمت تعیین شده) مورد ارزیابی قرار گرفت که نتایج بدست آمده در جدول 2 به طور خلاصه ارائه شده است. همانطور که در جدول 2 مشاهده می شود, مقدار Q در کل مسیر تونل از 27/0 (very poor rock) تا 10(fair rock) تغییر می کند. مقاطع A12 , A5 , A3 , A2 , A1 در رده سنگهای نسبتاً مناسب (fair rock) و مقاطع دیگر در رده سنگهای ضعیف تا خیلی ضعیف قرار می گیرند. شایان ذکر(1)
است که در این مطالعه علاوه بر مقدار اصلی Q, شاخص QN نیز مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته اند. Goel و همکارانش در سال1995 شاخصی به نام QN را ارائه نمودندکه می توانان را Q بدون SRFتعریف نمود. این شاخص (QN)رابطه 3 تعریف می شود. لازم به ذکراست که مقادیر QN برای قسمتهای مختلف تونل مورد ارزیابی قرار گرفته است که در جدول 2 بطور خلاصه ارائه شده است.
3- اندیس مقاومت زمین شناسی (GSI)
در این مقاله , خصوصیات توده های سنگی در مسیر تونل کلات بر اساس سیستم GSI نیز طبقه بندی شدند. این سیستم توسط هوک و همکاران (1995 و 1998) ارائه شده است. سیستم GSI شامل گروههایی است که در شکل 4 نشان داده شده است. بر اساس بررسیهای بعمل آمده , توده های سنگی مسیر تونل بر اساس سیستم GSI در رده سنگهای Blocky تا very Blocky قرار می گیرند و مقادیر GSI بدست آمده برای مقاطع مختلف تونل در شکل4 ارائه شده است.
برآورد پارامترهای مقاومتی توده سنگ
پارامترهای مقاومتی توده سنگ از قبیل ,ثابتهای هوک ـ بران , مدول الاستیسیته و مقاومت فشاری تک محوره توده سنگ , مهمترین داده های ورودی برای تحلیل پایداری تونلها می باشند.به این علت , تعیین و برآورد پارامترهای مقاومتی توده سنگ در طی دهه های گذشته افزایش یافته تا آنجا که مطالعات بیشماری بر روی این موضوع انجام شده است. در این مطالعه جهت تعیین پارامترهای مقاومتی توده سنگ از چندین رابطه تجربی که توسط محققین مختلف پیشنهاد شده , استفاده شده است. لذا جهت تخمین پارامترهای مقاومتی از UCS ,مدول الاستیسیته سنگ بکر,دانسیته ,بعنوان داده های ورودی استفاده شده است,که مقادیر آنها برای لیتولوژیهای مختلف در جدول 2 ارائه شده است.


شکل 4-طبقه بندی توده سنگی در مسیر تونل کلات بر اساس سیستم GSI



 


شکل 1-مقطع زمین شناسی تونل کلات


1- مدول تغییر شکل توده سنگ (Em)
جهت تعیین مدول تغییر شکل توده سنگ(Em) روابط تجربی زیادی توسط محققین مختلف در طی سالیان گذشته پیشنهاد شده است, که از میان آنها , روابطی که ارتباط بیشتری به شرایط تونل مورد نظر داشته برای این مطالعه شدند.
سرافیم و پریرا (Serafim and Pereira, 1983) رابطه ای بین مدول تغییر شکل و سیستم طبقه بندی RMR پیشنهاد کردند این رابطه برای سنگهای ضعیف تصحیح شد و بعد از جایگزینی RMR با GIS بصورت زیر ارائه شد:

ورمن (Verman, 1993) با مطالعه داده های بدست آمده از 60 تونل, رابطه زیر را بدست آورد:

که در معادله فوق, H, ارتفاع روباره (H>50) و برای سنگهای سخت و برای سنگهای ضعیف می باشد.
2- تخمین ثابتهای هوک ـ بران (Hoek - Brown)
در طی سالیان اخیر چندین محقق برای برآورد ثابتهای هوک ـ بران (mm -sm) روابطی را پیشنهاد کردند . در همین راستا هوک و همکاران(1995) روابط زیر را بین mm, sm و GSIپیشنهاد کرده اند:
سینگ و همکارانش (Singh et al., 1997)روابط بالا را برای سنگهای به هم نریخته بر اساس
QN اصلاح نمودند:
3- تخمین مقاومت فشاری تک محوره توده سنگ) ( از ترکیب مقاومت فشاری تک محوره سنگ بکر و سیستم طبقه بندی توده سنگ, تعیین می شود.
سینگ و همکاران (Singh et al., 1997) رابطه ای بین مقوامت فشاری تک محوره توده سنگ و Q برای سنگهای ضعیف (>2Mpa &Q<10 بصورت RMR پیشنهاد کردند:
شایان ذکر است که سینگ و همکارانش (Singh et al., 1997) برای برآورد مقاومت فشاری تک محوره توده سنگ , رابطه زیر را نیز ارائه نمودند:
رامامورتی (Ramamurthy, 1985) در سال 1985 رابطه تقریبی زیر را بدون در نظر گرفتن سیستم طبقه بندی توده سنگ ارائه نمود:
گرد آوری و پردازش پارامترهای مقاومتی توده سنگ
تمام پارامترهای مقاومتی توده سنگ با استفاده از معادلات معرفی شده در بخشهای 5-1, 5-2 و 5-3 محاسبه شدند و مقادیرشان درجدول 4 آمده است, مقدار متوسط این پارامترها نیز محاسبه شد,که در جدول 4 ارائه شده است. بر اساس نتایج بدست آمده مقدار متوسط mm (ثابت هوک ـ بران) در قسمتهای مختلف تونل , از 6و5 (مقطع A1) تا 0.8(مقطع A17 ) و مقدار sm از 0.09 (مقطع A1)تا صفر (مقطع A17 ) تغییر می کنند. با توجه به جدول4 مقدار مدول تغییر شکل توده سنگ نیز در قسمتهای مختلف تونل متغیر است, که حداکثر مقدار آن 11.3 (Gpa) و در مقطع A2 می باشد, و حداقل مقدار آن 105(Gpa) و در مقطع A17 بر آورد شده است. شایان ذکر است که , در زمان ساخت تونل ریزشهایی در مقاطع A11, A6 و A17 بوقوع پیوسته است. ولی نکته جالب توجه درپایین بودن مقدار متوسط مدول تغیر شکل توده سنگ در این مقاطع می باشد. همچنین مقدار متوسط مقاومت فشاری توده سنگ در مقاطع ابتدایی و انتهایی به ترتیب دارای بیشترین (32.9Mpa) و کمترین مقدار 12.2Mpa) هستند.
شایان ذکر است که اتفاقاً در زمان ساخت تونل ریزشهایی نیز در مقطع انتهایی گزارش شده است.


جدول 4-بر آورد پارامتر های مقاومتی توده سنگ با استفاده از روابط مختلف

کلید واژه ها: خراسان رضوى