تونل‌ها به عنوان یکی از انواع گذرگاه‌های زیرزمینی در زیر سطح زمین یا آب شناخته می‌شوند که استفاده‌های متعددی دارند. این گذرگاه‌ها می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند و با روش‌ها و متدهای متعددی تولید می‌شوند. در حقیقت تونل‌ها از زمان شروع تمدن بشریت توسط انسان برای اهداف مختلف استفاده شده و امروزه نیز در بسیاری از صنایع از جمله صنعت حفاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. از رایج‌ترین تونل‌ها می‌توان به تونل‌های معدنی، تونل‌های پیشاهنگ، تونل‌های حمل‌ونقل، تونل تاسیساتی، تونل مترو و … اشاره کرد. در ادامه مطلب به بررسی روش‌های حفاری تونل پرداخته می‌شود.
تونل و روش‌های حفاری آن
تونل (Tunnel) در حقیقت یک سازه مهندسی است که در دل کوه، زیرزمین، زیر آب و حتی سطح زمین ساخته می‌شود. این سازه ها برای اهدافی همچون هدایت آب، انتقال خطوط خدمات شهری و روستایی، حمل‌ونقل و … به کار گرفته خواهند شد. سابقه استفاده از تونل توسط انسان به چندین هزار سال قبل برمی‌گردد و با پیشرفت علوم و تکنولوژی‌های متعدد، توسعه پیدا کرده است. تونل‌های پیشرفته و مدرن اولین بار توسط مصریان باستان، رومیان و یونانیان استفاده شدند. تونل پاسیلیپو (Pausilippo Tunnel) از قدیمی ترین تونل هایی است که با بیش از 2000 سال قدمت از دوران باستان به جا مانده است. با پیشرفت علوم و تکنولوژی و استفاده از تجهیزات مدرن در صنعت تونل سازی، امروزه تونل‌ها به روش‌های مختلفی حفاری می‌شوند که رایج‌ترین آن‌ها به شرح زیر هستند:
حفر تونل به روش سنتی یا آتش‌کاری (BLASTING)
در روش سنتی و برای افزایش راندمان در قسمت‌‌های میانی جبهه کار، تعدادی چال نزدیک به هم با زوایای مخصوص حفر می‌شود و نقشه انفجار به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که ابتدا این چال‌ها منفجر شده و یک جبهه آزاد برای سایر چال‌های برش فراهم می‌شود. روش سنتی حفاری تونل خود می‌تواند به دو شیوه مختلف موازی و غیر موازی انجام شود.
در روش موازی حف تونل بیشتر برای تونل‌های کوچک کاربرد دارد. در این روش یک یا چند چال خالی به صورت افقی و با قطر زیاد به شکل موازی و عمود بر سینه کار حفر شده و در اطراف آن‌ها نیز چال‌هایی با قطر کم و با خرج گذاری مناسب ایجاد می‌شوند. برش‌های موازی با توجه به نوع آرایش و ابعاد چال‌ها انواع مختلفی دارند و هر کدام می‌توانند ویژگی‌ها و قابلیت‌های متعددی داشته باشند.
در روش غیر موازی یا زاویه‌ای، حفره‌ای در ابتدای انفجار و مرکز تونل ایجاد می‌شود که به شکل مخروطی بوده و در امتداد تونل نخواهد بود و بر سینه کار تونل نیز عمود نیست. این روش برای مکان‌هایی که سطح مقطع تونل زیاد است گزینه مناسبی است و در اجرای آن از انواع مختلفی از برش‌ها مانند برش گوه‌ای، برش بادبزنی و برش هرمی استفاده می‌شود.
حفر تونل به کمک ماشین‌های تمام مقطع (TBM)
استفاده از ماشین‌های تمام مقطع از رایج‌ترین و کاربردی‌ترین روش‌های حفاری تونل است که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. گاهی شرایط زمین‌شناسی و منطقه‌ای و همچنین ترکیبات خاک و سنگ موجود در مسیر تونل اجازه استفاده از روش‌های سنتی را نمی‌دهد و باید از روش‌های حفاری دیگر و ماشین‌آلات مختلفی استفاده کرد. ماشین‌های حفاری تونل به صورت کلی شامل سه دسته دستگاه‌های حفر تمام مقطع باز، دستگاه‌های حفر تمام مقطع تک سپری و دستگاه‌های حفر تمام مقطع سپر تلسکوپی هستند و هر کدام می‌توانند کاربردهای متعددی داشته باشند.
دستگاه‌های حفر تمام مقطع باز (Open TBM) که به صورت کفشکه و تک کفشکه هستند در مواردی که توده سنگ درون‌گیر تونل مقاومت کافی برای تحمل ریزش نداشته باشد گزینه مناسبی است.
دستگاه‌های حفر تمام مقطع تک سپری (Single Shield TBM) در شرایطی کاربرد دارند که توده سنگ درون‌گیر تونل سست بوده و امکان استفاده از کفشک برای تأمین نیروی پیشروی وجود نداشته باشد. این تجهیزات به صورت استوانه دارای پوشش بوده که در قسمت جلوی آن کله حفاری و در قسمت عقب دستگاه نصب سگمنت و جکهای پیشران قرار گرفته‌اند.
دستگاه‌های حفر تمام مقطع سپر تلسکوپی (Double Shield TBM) که اولین بار برای کار در زمینهای با شرایط مناسب به عرصه مهندسی تونل معرفی شدند، علاوه دو سر جلو و عقب مجهز به جکهای پیشران همانند ماشین تک سپری و کفشک هستند و می‌توانند در انواع زمین‌ها استفاده شوند.
حفر تونل به کمک ماشین‌های بازویی (ROAD HEADER)
ماشین‌های بازویی هم از جمله تجهیزات مدرن و کاربردی صنعت تونل سازی هستند که امروزه مورد توجه قرار گرفته و کاربردهای متعددی دارند. در این ماشین‌ها یک یا چند بازوی حفاری وجود دارند و سطح مقطع آن‌ها خیلی کمتر از سطح مقطع تونل است و می‌توان با جابجا کردن آن‌ها در نقاط مختلف مقطع تونل را حفاری نمود. حفر سنگ و تونل توسط ماشین‌های بازویی با استفاده از مکانیسم‌های پودر کردن و تراشه کردن انجام می‌شود که هر کدام می‌توانند شرایط ویژه‌ای داشته باشند. استفاده از ماشین‌های بازویی می‌تواند مزیت‌هایی همچون صرفه اقتصادی، سرعت پیشروی بالا، عدم نیاز به پرسنل زیاد، دقت و صحت زیاد و … داشته باشد. این تجهیزات معایبی همچون نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بالا، تولید گرد و غبار زیاد و … نیز خواهند داشت. در مقاله دیگری از سایت قیر غرب نیکان تحت عنوان دریل واگن چیست به بررسی و معرفی کامل دریل واگن، کاربردها و ویژگی‌های آن پرداخته شده و می‌تواند اطلاعات مفیدی در اختیار خواننده قرار بدهد.
حفر تونل به کمک سپر (SHIELD TUNNELING)
از دیگر روش‌های حفاری تونل استفاده از سپرهای فولادی است که در تونل‌های زیرزمینی سست و ریزشی به کار می‌روند. سپرها معمولاً دارای سطح مقطعی دایره‌ای هستند. از آنجایی که فضای داخل تونل‌ها تحت تاثیر هوای فشرده می‌باشند، وجود سپر فولادی امکان حفاری در شرایط ایمن را فراهم می‌کند و سیستم نگهداری اولیه را آماده کرده و نشست زمین را کنترل می‌کند. استفاده از سپرهای فولادی شرایط ویژه‌ای دارد که مهم‌ترین آن‌ها شامل خاک‌های ضعیف و غیر چسبیده، خاک‌های ضعیف و خمیری، خاک‌های تحت فشار آب و … هستند. سپرهایی که در حفاری تونل استفاده می‌شوند و می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند.
سپر باز که از سه قسمت بدنه، دنباله و لبه ساخته شده و در زمینهای سفت و محکم به کار می‌رود.
سپر بسته که در زمینهای سست مانند خاک رس، سلیت، ماسه و … استفاده می‌شود.
نیم سپر که برای زمینهای خشک یا آبکشی شده استفاده می‌شود.
حفر تونل به کمک کند و پوش (CUT and COVER)
استفاده از روش کند و پوش در حفاری تونل زمانی رواج دارد که سازه‌های سطحی در محل مورد نظر وجود نداشته باشند و یا امکان تخریب سازه‌های سطحی وجود داشته باشد. حفر تونل به روش کمک کند و پوش می‌تواند کاربردهای متعددی داشته باشد که مهم‌ترین آن‌ها شامل استفاده در تونل‌های زیر سطح ایستابی به منظور احداث ناحیه حد واسط بین ترانشه اولیه و تونل اصلی، دهانه تونل‌های احداث شده در نواحی کوهستانی و همچنین مناطق شهری هستند. حفاری تونل با کمک کند و پوش همانند سایر روش‌های حفاری تونل می‌تواند به متدهای مختلفی همچون روش گودبرداری، روش میخ کوبی دیواره، روش نگهداری دیواره با سپر فولادی، روش استفاده از پایه‌های فولادی، روش دیوار سازی بتنی، روش استفاده از دیوارهای پیش ساخته و … انجام شود که هر کدام می‌توانند مزیت‌های خاص خود را داشته باشند.
هزینه حفاری تونل
همان‌طور که گفته شد امروزه تونل‌ها می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند و هر کدام از آن‌ها کاربردهای متفاوتی دارند. برای حفاری تونل روش‌ها و متدهای متعددی وجود دارد و هزینه آن نیز می‌تواند متفاوت باشد. به صورت کلی مهم‌ترین فاکتورهای مؤثر در برآورد هزینه حفاری تونل می‌توان به روش و متد حفاری، تجهیزات و ماشین‌آلات مورد استفاده، ابعاد و اندازه‌های تونل، جنس خاک تونل و میزان سختی آن، شرایط حفاری، دستمزد نیروها، شرایط آب و هوایی و … اشاره کرد. در مقاله دیگری از سایت قیر غرب نیکان به بررسی قیمت گیلسونایت و عوامل مؤثر در آن پرداخته شده که مطالعه آن خالی از لطف نخواهد بود.
جمع‌بندی نهایی
تونل‌ها از جمله کاربردی‌ترین سازه‌های مهندسی هستند که در دل کوه، زیرزمین، زیر آب و … ساخته شده و کاربردهای متعددی دارند. انواع روش‌های حفاری تونل که امروزه رواج زیادی دارند شامل حفر تونل به روش سنتی یا آتش‌کاری (BLASTING)، حفر تونل به کمک ماشین‌های تمام مقطع (TBM)، حفر تونل به کمک ماشین‌های بازویی (ROAD HEADER)، حفر تونل به کمک سپر (SHIELD TUNNELING) و حفر تونل به کمک کند و پوش (CUT and COVER) هستند که هر کدام با استفاده از تجهیزات خاص و در شرایط ویژه‌ای استفاده می‌شوند.