طرح های طبقه بندی مهندسی سنگ در حدود صد سال اخیر توسعه پیدا کرده است.در این طبقه بندی ها سعی بر آن بوده که برای طراحی تونل ها و سازه های زیرزمینی و به خصوص نگهدارنده های مورد نیاز این سازه ها یک راه عملی و فرمول شده ارائه شود.در حقیقت ماهیت غیر ایزوتروپ بودن سنگ است که مشکلاتی را در تحلیل مکانیکی سنگ ایجاد می نماید،بر خلاف فولاد و بتن که ساختار همگنی داشته و می توان رفتار مکانیکی آنها را پیشبینی کرد.در این بحث خلاصه ای از سه طبقه بندی مهندسی توده سنگ به صورت تئوری ارائه می شود.در پایان بحث نیز منابعی پیشنهادی عنوان گردیده تا علاقه مندان بحث را به طور کاملتر دنبال نمایند چرا که طبقه بندی مهندسی سنگها به این سه طبقه بندی محدود نمی شود.
(۱) طبقه بندی توده سنگ ترزاقی
اولین مرجع در خصوص استفاده از طبقه بندی توده سنگ برای طراحی نگهداری تونل در مقاله ای توسط ترزاقی در سال ۱۹۴۶ ارائه شد.در این مقاله بارهای اعمال شده توسط توده سنگ توسط قابهای فولادی که بر پایه ی طبقه بندی توصیفی تخمین زده شده اند نگهداری میشود.با وجود اینکه در طراحی نگهداری معادن زیرزمینی در سنگهای سخت ذکر تمام موارد مربوط به طبقه بندی ترزاقی فایده زیادی ندارد،اما به دلیل اینکه ترزاقی به نکات مهمی در مورد رفتار توده سنگ(به خصوص در شرایطی که جاذبه،نیروی اصلی هدایت کننده را تشکیل می دهد)توجه داشته است،بد نیست توصیفاتی که او در مقاله اش در مورد سنگ آورده در اینجا نیز ذکر گردد.
توصیفات ترزاقی که مستقیماً برگرفته از مقاله ی او می باشد:
سنگ بکر(Intact rock):سنگی که در آن درزه و ترک مویی وجود ندارد.ریزش ورقه ای از سقف تونل طی چندین ساعت یا چندین روز پس از آتشکاری امری معمولی است.این حالت به عنوان شرایط خردشدگی سنگ شناخته می شود.سنگ بکر ممکن است با وضعیت ترکیدگی نیز مواجه شود که در چنین حالتی قطعات سنگ خودبه خود و با حالت تند و خشن از دیواره ها و سقف تونل جدا می شوند.
سنگ لایه ای(Stratified rock):سنگی است که از لایه های منفرد و متوالی تشکیل شده است.در امتداد مرز لایه ها مقاومت زیادی وجود ندارد.این لایه ها ممکن است با حضور درزه های متقاطع ضعیف بشوند.در چنین سنگی شرایط ریزش ورقه ای کاملاً معمول است.
سنگ نسبتاً درزه دار(Moderately jointed rock):سنگی است شامل درزه ها و ترک های مویی،به همین علت بلوکهای بین درزه ها به صورت موضعی در یکدیگر رشد کرده و یا به حدی با یکدیگر قفل و بست شده اند که دیواره های قائم تونل نیاز به حائل جانبی ندارد.در سنگهای از این نوع هر دو شرایط ریزش ورقه ای و ترکیدن سنگ ممکن است پیش آید.
سنگ بلوکی شده و رگه دار(Blocky and seamy rock):سنگی است که از قطعات و خرده های سنگ بکر یا تقریباً بکر شیمیایی تشکیل شده که به طور کامل از یکدیگر جدا شده و به صورت ناقص با هم قفل و بست شده اند.در چنین سنگی ممکن است دیواره های قائم تونل به حائل جانبی نیاز داشته باشند.
سنگ خرد شده(Crushed rock):از نظر شیمیایی بکر است.سنگی است که خصوصیات سنگ خرد شده در سنگ شکن را دارد.اگر بیشتر یا تمام قطعات خرد شده به کوچکی دانه های ماسه ی ریزدانه بوده و سیمانه شدن مجدد اتفاق نیفتاده باشد،سنگ خرد شده در زیر سطح آب خواص یک ماسه ی اشباع را از خود نشان می دهد.
سنگ لهیده(Squeezing rock):سنگی است که به طور آهسته به داخل تونل پیشروی می کند،بدون اینکه افزایش حجم محسوسی داشته باشد.شرط لازم برای لهیدگی وجود درصد بالایی از کانیهای میکایی میکروسکوپی و کانیهای رسی با ظرفیت تورمی کم است.
سنگ تورمی(Swelling rock):سنگی است که عمدتاً به علت انبساط و متورم شدن به داخل تونل پیشروی می کند.به نظر می رسد که ظرفیت تورمی محدود به سنگهایی باشد که دارای کانیهای رسی از قبیل مونت موری لونیت با ظرفیت تورمی بالا هستند.
(۲)طبقه بندی با توجه به زمان خودپایداری(Stand up time)
لوفر(Lauffer)در سال ۱۹۵۸ پیشنهاد کرد که زمان خودپایداری یک دهانه نگهداری نشده به کیفیت توده ی سنگی که دهانه در آن حفاری شده بستگی دارد.در یک تونل،دهانه نگهداری نشده به دهانه تونل یا فاصله بین جبهه کار و نزدیکترین و سیله نگهدارنده ای که بیشتر از دهانه تونل باشد،گفته می شود.طبقه بندی لوفر بعدها توسط محققین زیادی اصلاح شد که بخشی از روش تونلسازی موسوم به روش جدید تونلسازی اطریشی(NATM)را تشکیل می دهد.
اهمیت مفهوم “زمان خودپایداری” این است که با افزایش دهانه ی تونل،زمان موجود برای نصب وسائل نگهدارنده به شدت کاهش پیدا میکند.برای مثال یک تونل کوچک می تواند با موفقیت با وسائل نگهداری کم حفر شود در صورتی که یک تونل با دهانه بزرگتر در همان توده سنگ بدون نصب سریع نگهدارنده های قوی نمی تواند پایدار بماند.
روش جدید تونلسازی اطریشی شامل تعدادی از فنون تونلسازی ایمن در شرایطی می باشد که در آن شرایط زمان خودپایداری برقرار است.این روش ها شامل استفاده از طرح های تونلسازی مرحله ای در تاج و سپس کف کنی و یا استفاده از چندین گالری در اطراف تونل اصلی و تسلیح پروفیل تونل اصلی از طریق این گالری ها و سپس حفاری کامل تونل می باشد.
اگر در ساختار توده سنگ یک گوه در سقف تونل ظاهر شود به محض برداشته شدن سنگ حائل آن،خواهد افتاد.افتادن سنگ ممکن است در زمان انفجار یا در طول عملیات لق گیری اتفاق بیافتد.اگر لازم باشد چنین گوه ای در محل باقی بماند یا اینکه حدود ایمنی بالا رود،لازم است که نگهدارنده ها هرچه زود تر و ترجیحاً قبل از اینکه حائل گوه برداشته شود،نصب گردند.از طرفی،در سنگهایی که شدیداً تحت تأثیر تنش هستند،شکست و خرابی معمولاً با تغییر در میدان تنش اطراف سازه زیرزمینی ایجاد خواهد شد.شکست میتواند به طور تدریجی به صورت ریزش ورقه ای و پوسته پوسته شدن و یا به طور ناگهانی به صورت ترکیدن سنگها اتفاق بیافتد لذا در طراحی نگهداری هر کدام از این موارد باید تغییرات میدان تنش را به جای زمان خودپایداری حفریات در نظر گرفت.
(۱) طبقه بندی توده سنگ ترزاقی
اولین مرجع در خصوص استفاده از طبقه بندی توده سنگ برای طراحی نگهداری تونل در مقاله ای توسط ترزاقی در سال ۱۹۴۶ ارائه شد.در این مقاله بارهای اعمال شده توسط توده سنگ توسط قابهای فولادی که بر پایه ی طبقه بندی توصیفی تخمین زده شده اند نگهداری میشود.با وجود اینکه در طراحی نگهداری معادن زیرزمینی در سنگهای سخت ذکر تمام موارد مربوط به طبقه بندی ترزاقی فایده زیادی ندارد،اما به دلیل اینکه ترزاقی به نکات مهمی در مورد رفتار توده سنگ(به خصوص در شرایطی که جاذبه،نیروی اصلی هدایت کننده را تشکیل می دهد)توجه داشته است،بد نیست توصیفاتی که او در مقاله اش در مورد سنگ آورده در اینجا نیز ذکر گردد.
توصیفات ترزاقی که مستقیماً برگرفته از مقاله ی او می باشد:
سنگ بکر(Intact rock):سنگی که در آن درزه و ترک مویی وجود ندارد.ریزش ورقه ای از سقف تونل طی چندین ساعت یا چندین روز پس از آتشکاری امری معمولی است.این حالت به عنوان شرایط خردشدگی سنگ شناخته می شود.سنگ بکر ممکن است با وضعیت ترکیدگی نیز مواجه شود که در چنین حالتی قطعات سنگ خودبه خود و با حالت تند و خشن از دیواره ها و سقف تونل جدا می شوند.
سنگ لایه ای(Stratified rock):سنگی است که از لایه های منفرد و متوالی تشکیل شده است.در امتداد مرز لایه ها مقاومت زیادی وجود ندارد.این لایه ها ممکن است با حضور درزه های متقاطع ضعیف بشوند.در چنین سنگی شرایط ریزش ورقه ای کاملاً معمول است.
سنگ نسبتاً درزه دار(Moderately jointed rock):سنگی است شامل درزه ها و ترک های مویی،به همین علت بلوکهای بین درزه ها به صورت موضعی در یکدیگر رشد کرده و یا به حدی با یکدیگر قفل و بست شده اند که دیواره های قائم تونل نیاز به حائل جانبی ندارد.در سنگهای از این نوع هر دو شرایط ریزش ورقه ای و ترکیدن سنگ ممکن است پیش آید.
سنگ بلوکی شده و رگه دار(Blocky and seamy rock):سنگی است که از قطعات و خرده های سنگ بکر یا تقریباً بکر شیمیایی تشکیل شده که به طور کامل از یکدیگر جدا شده و به صورت ناقص با هم قفل و بست شده اند.در چنین سنگی ممکن است دیواره های قائم تونل به حائل جانبی نیاز داشته باشند.
سنگ خرد شده(Crushed rock):از نظر شیمیایی بکر است.سنگی است که خصوصیات سنگ خرد شده در سنگ شکن را دارد.اگر بیشتر یا تمام قطعات خرد شده به کوچکی دانه های ماسه ی ریزدانه بوده و سیمانه شدن مجدد اتفاق نیفتاده باشد،سنگ خرد شده در زیر سطح آب خواص یک ماسه ی اشباع را از خود نشان می دهد.
سنگ لهیده(Squeezing rock):سنگی است که به طور آهسته به داخل تونل پیشروی می کند،بدون اینکه افزایش حجم محسوسی داشته باشد.شرط لازم برای لهیدگی وجود درصد بالایی از کانیهای میکایی میکروسکوپی و کانیهای رسی با ظرفیت تورمی کم است.
سنگ تورمی(Swelling rock):سنگی است که عمدتاً به علت انبساط و متورم شدن به داخل تونل پیشروی می کند.به نظر می رسد که ظرفیت تورمی محدود به سنگهایی باشد که دارای کانیهای رسی از قبیل مونت موری لونیت با ظرفیت تورمی بالا هستند.
(۲)طبقه بندی با توجه به زمان خودپایداری(Stand up time)
لوفر(Lauffer)در سال ۱۹۵۸ پیشنهاد کرد که زمان خودپایداری یک دهانه نگهداری نشده به کیفیت توده ی سنگی که دهانه در آن حفاری شده بستگی دارد.در یک تونل،دهانه نگهداری نشده به دهانه تونل یا فاصله بین جبهه کار و نزدیکترین و سیله نگهدارنده ای که بیشتر از دهانه تونل باشد،گفته می شود.طبقه بندی لوفر بعدها توسط محققین زیادی اصلاح شد که بخشی از روش تونلسازی موسوم به روش جدید تونلسازی اطریشی(NATM)را تشکیل می دهد.
اهمیت مفهوم “زمان خودپایداری” این است که با افزایش دهانه ی تونل،زمان موجود برای نصب وسائل نگهدارنده به شدت کاهش پیدا میکند.برای مثال یک تونل کوچک می تواند با موفقیت با وسائل نگهداری کم حفر شود در صورتی که یک تونل با دهانه بزرگتر در همان توده سنگ بدون نصب سریع نگهدارنده های قوی نمی تواند پایدار بماند.
روش جدید تونلسازی اطریشی شامل تعدادی از فنون تونلسازی ایمن در شرایطی می باشد که در آن شرایط زمان خودپایداری برقرار است.این روش ها شامل استفاده از طرح های تونلسازی مرحله ای در تاج و سپس کف کنی و یا استفاده از چندین گالری در اطراف تونل اصلی و تسلیح پروفیل تونل اصلی از طریق این گالری ها و سپس حفاری کامل تونل می باشد.
اگر در ساختار توده سنگ یک گوه در سقف تونل ظاهر شود به محض برداشته شدن سنگ حائل آن،خواهد افتاد.افتادن سنگ ممکن است در زمان انفجار یا در طول عملیات لق گیری اتفاق بیافتد.اگر لازم باشد چنین گوه ای در محل باقی بماند یا اینکه حدود ایمنی بالا رود،لازم است که نگهدارنده ها هرچه زود تر و ترجیحاً قبل از اینکه حائل گوه برداشته شود،نصب گردند.از طرفی،در سنگهایی که شدیداً تحت تأثیر تنش هستند،شکست و خرابی معمولاً با تغییر در میدان تنش اطراف سازه زیرزمینی ایجاد خواهد شد.شکست میتواند به طور تدریجی به صورت ریزش ورقه ای و پوسته پوسته شدن و یا به طور ناگهانی به صورت ترکیدن سنگها اتفاق بیافتد لذا در طراحی نگهداری هر کدام از این موارد باید تغییرات میدان تنش را به جای زمان خودپایداری حفریات در نظر گرفت.
