آسیب پذیری سازههای زیر زمینی در زلزله
امروزه با پیشرفت فنآوری، سهولت نسبی در حفاری و ساخت سازههای زیرزمینی، محدودیت‌های فضاهای سطحی برای اجرای طرح‌های عمرانی و نیز به واسطه مسائل سیاسی و امنیتی، توجه بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه به احداث سازههای زیر رمینی برای کاربری‌های عمرانی، نظامی و معدنی معطوف شده است. راه‌ها و بزرگراه‌های زیرزمینی، انواع تونل‌ها، شبکه متروی شهری، نیروگاه‌ها و سایر مغارهای زیر زمینی برای دفن زباله‌های هسته‌ای و یا به عنوان مخازن نفت، معادن، پناهگاه‌ها و انبارها، تعدادی از ساز‌ه‌هایی هستند که در کشورهای مختلف به سرعت در حال ساخت و اجرا هستند.
با توجه به توسعه روز افزون سازههای زیر زمینی و هزینه‌های فراوانی که برای ساخت هر یک از این سازهها صرف میشود و نیز اهمیت آنها در شبکه حمل و نقل بین شهری و داخل شهری و خطری که در صورت آسیب دیدگی آنها متوجه جان مردم میشود، لازم است که پایداری آنها در برابر خطرات ناشی از زلزله مورد مطالعه قرار گیرد.
ویژگی‌های فضاهای زیرزمینی و نمونه‌های بارز آنها
- تفوق محیط ساختاری به معنای وجود یک حصار و ساختار طبیعی فراگیر.
- عایق سازی با سنگ‌های فراگیر که دارای ویژگی‌های عالی عایق‌ها هستند.
- محدودیت کمتر در احداث سازههای بزرگ به دلیل نیاز کمتر به استفاده از وسایل نگهداری عمده در مقایسه با احداث همان سازه بر روی سطح زمین.
- کمتر بودن تأثیرات منفی زیست محیطی.
از دیگر مزایای تونل‌ها در راه‌های ارتباطی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- کوتاه‌تر شدن مسیرها و افزایش راند‌مان ترافیکی
- بهبود مشخصات هندسی مسیر
- جلوگیری از خطرات ریزش کوه و بهمن
- ایمنی بیشتر در برابر زلزله
مطالعه خرابی‌های گذشته
بر اساس یک پندار کهن، سازههای زیر زمینی ایمن‌ترین سازهها در برابر زلزله هستند. در تمام نقاط جهان خطوط متروی زیر زمینی به عنوان پناهگاه برای نجات واسکان در زمان وقوع زلزله مورد استفاده قرار گرفته‌اند. برای اثبات صحت و سقم این پندار، لازم است عملکرد تونل‌ها و سازههای زیر زمینی در برخی از کشورهای پیشرفته در طول قرن گذشته مورد مطالعه و بررسی قرار بگیرد. در کشور ژاپن تونل‌های بسیاری احداث شده است، از این رو از دیدگاه تونل‌سازی در زمره پیشرفته‌ترین کشورها قرار دارد. با توجه به شدت زلزله خیز بودن ژاپن و اهمیتی که پدیده زلزله در آن کشور دارد، گزارش‌های متعددی در زمینه صدمات وارده بر تونل‌ها در اثر زلزله در این کشور منتشر نمود‌ه‌اند.
تعاریف مربوط به زلزله
از نظر زلزله شناسی، زلزله دارای مفاهیم و خصوصیات متعددی از جمله کانون زلزله، شدت و بزرگی زلزله و … است که بررسی هر کدام در جای خود مهم است.اما در اینجا به مشخصات تاثیر گذار عمده و مفاهیم کلیدی مربوط به بحث اشاره میشود و تاثیر هر کدام از پارامترها در رفتار سازههای زیر زمینی مورد بررسی قرار می‌گیرد.
امواج زلزله
انرژی آزاد شده در زلزله، بصورت امواج در زمین منتقل گردده و باعث تحریک سازههای دور از کانون زلزله میشود. بررسی این امواج بصورت کلی، امری بسیار دشوار است که در عمل برای سهولت، امواج به یک‌سری امواج ساده‌تر تجزیه میشود. امواج زلزله از نوع امواج الاستیک هستند و بر حسب کرنش ایجاد کننده به دو نوع حجمی (مانند امواج فشاری و برشی) و سطحی (مانند امواج لاو و ریلی) تقسیم میشوند.
بر اساس مشاهدات، قدرت و توان هر کدام از امواج کاملاً وابسته به بزرگای زلزله، فاصله بین رو مرکز و ساختگاه و مشخصات خاک در این فاصله
است. از طرف دیگر امتدادهای مختلف برخورد موج با امتداد اصلی تونل سبب ایجاد تغییر شکل‌های مختلفی در سازه میشود.
بیشینه شتاب زمین
از معیارهای مهم در طراحی و علت اصلی آسیب‌ها، بیشینه شتاب سطح زمین در هنگام زلزله است که بر اساس ضریبی از g شتاب جاذبه زمین سنجیده میشود. علاوه بر این، معیارهای دیگری از جمله بیشینه سرعت ذر‌ه‌ای در سطح زمین نیز در تعیین میزان خرابی‌ها تعریف شده‌اند. بطور کلی بررسی‌ها نشان می‌دهند که اگر شتاب سطحی بیشینه تا ۰/۲g باشد، آسیبی به تونل وارد نمی‌شود و چنانچه این شتاب بین ۰/۲g تا ۰/۵g باشد، صدمات خفیف و قابل تعمیر را شاهد خواهیم بود و از شتاب ۰/۵g به بالا انتظار آسیب‌های شدیدتری خواهد بود.
فرکانس و طول موج زلزله
نزدیک بودن فرکانس ارتعاش سازه به فرکانس مولد ارتعاش، سببپدیده تشدید میشود. تحقیقات نشان می‌دهند که امواج زلزله دارای فرکانس
کم و طول موج زیاد هستند. هر چه اندازه طول موج برخوردی به تونل نزدیک به قطر تونل باشد (حداکثر تا ۴ برابر قطر تونل)، امکان تقویت نوسان وجود دارد، بطوری که طول موج تا دو برابر قطر تونل میتواند موجب آسیب‌هایی به تونل شود. اگر تونلی به قطر ۱۰ متر و در محیط ماسه سنگی که سرعت موج در آن ۱/۸ کیلومتر بر ثانیه است، در نظر گرفته شود، با فرض برخود موجی که دو برابر قطر تونل، طول موجش است، مقدار فرکانس لازم برای تحریک سقف به ریزش برابر با ۹۰ هرتز است. که تولید این فرکانس برای زلزله‌های متداول ممکن نیست. مگر اینکه تونل به کانون زلزله و محل وقوع گسیختگی گسل بسیار نزدیک باشد و شاید فقط در انفجارهای عظیم امکانپذیر باشد.
فاصله از مرکز زلزله
بدیهی است که هر چقدر تونل از مرکز زلزله فاصله می‌گیرد، امکان آسیب کمتر میشود. توجه به این نکته لازم است که در فرکانس‌های پایین، میرایی دامنه نوسان‌ها شدیدتر است بطوری که افت انرژی در امواج حجمی متناسب با عکس مجذور فاصله و در امواج سطحی متناسب با عکس فاصله است.
دوام نوسان‌ها
عموماً پدیدۀ زلزله دارای فرکانس‌های کم و تعداد سیکل‌های تنش زیاد است. تعداد دفعات نوسان سازه به خصوص آن تعدادی که سازه را وارد محدودۀ غیرخطی میکند، عامل بسیار مهمی در بالا رفتن میزان آسیب‌های وارده به تونل است. دوام و تعداد زیاد نوسان‌ها باعث پدیده خستگی (Fatigue) میشود و این پدیده موجب تغییر شکل‌های بزرگ در اطراف تونل میشود.
گسلش
گسلش از ویژگی‌های زلزله به شمار نمی‌رود، و در واقع عامل ایجاد کننده زلزله است. در حوزه‌های مختلف مهندسی عمران و ساخت و ساز و در مطالعات آسیب پذیری شهری، بدلیل محدود بودن ابعاد سازهها و احتمال بسیار کم تقاطع این سازهها با خط گسلش، این قسمت از اهمیت زیادی برخوردار نیست. ولی در حوزه تونل سازی، بدلیل ویژگی اصلی این سازهها که طولانی بودن آنها است، احتمال تقاطع این سازهها با محل گسلش، بسیار زیاد و تقریباً امری اجتناب ناپذیر است. بدلیل اهمیتی که گسلش در امر تونل سازی دارد، این موضوع بصورت جداگانه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
تاثیر گسلش بر تونل‌ها
گسلش یکی از عواملی است که میتواند در هنگام وقوع زلزله خسارات زیادی را به سازههای زیر زمینی و بخصوص سازههای خطی زیر زمینی وارد نماید.
اهمیت مطالعه گسلش در طراحی سازههای زیر زمینی
جابجائی برشی در یک پهنه باریک در دو طرف گسل آثار تخریبی شدیدی بر روی سازههای زیر زمینی خواهد داشت. تنش‌های حاصل از گسلش در مقاطع تونل یا سایر سازههای زیر زمینی میتواند به مراتب از تنش‌های حاصل از لرزش و لغزش بیشتر باشند. طراحی تونل‌ها به نحوی که بتواند در برابر جابجایی‌های چند سانتیمتری تا چند متری ناشی از گسلش مقاومت کنند، نیز از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. بدین لحاظ مطالعه خطر گسلش در مسیر یک تونل و سایر سازههای زیر زمینی از اهمیت خاصی برخوردار است.
در واقع بسیاری از سازههای زیر زمینی و بخصوص تونل‌ها دارای تقاطع‌هایی با گسل‌ها هستند که این امر باعث آسیب پذیری آنها بر اثر حرکت گسل
میشود. به همین جهت در حین بررسی‌های ساختگاه برای ساخت سازههای زیرزمینی باید به وجود گسل‌ها توجه خاصی مبذول شود تا بتوان با شناخت کامل آنها، پیش گیری‌های لازم را در جهت کاهش میزان صدمات ناشی از گسلش انجام داد. در این راستا، نه تنها مکان گسل‌های فعال باید دقیقاً شناسایی شوند، بلکه باید نوع گسل و نحوه حرکت آن، نحوه حرکت گسل در گذشته، نحوه انتخاب رویداد مناسب برای طراحی و اهمیت و یا تاثیر گسلش در کاربری سازه زیر زمینی نیز دقیقاً بررسی شود. بررسی نوع گسل نحوه حرکت آن را در جهات افقی یا قائم و یا هر دو، مشخص میکند. جابجائی گسل میزان حرکت آن را در جهات مختلف نشان می‌دهد. رویدادهای تاریحی می‌توانند برای پیش‌بینی نوع حرکت، میزان جابجائی و زمان احتمالی گسلش در آینده مورد استفاده قرار گیرند و انتخاب رویداد مناسب نیز میتواند امکان طراحی بهینه و اقتصادی سازه را فراهم آورد.
همچنین تاثیر گسلش بر کاربری طرح باید به دقت مشخص شود. به عنوان مثال، در تونل‌های راه آهن حساسیت زیادی در برابر جابجائی وجود دارد. زیرا، امکان قطع شدن ریل‌ها یا مختل شدن سیستم آنها به واسطه جابجائی حاصل از گسلش وجود دارد و این امر میتواند حوادث ناگواری را بوجود آورد. در مقابل در تونل‌های انتقال آب حتی اگر جابجائی قابل توجهی نیز رخ دهد، خطر جانبی به همراه نخواهد داشت و سیستم انتقال آب نیز میتواند با مقداری تفاوت دبی به کار خود ادامه دهد.
انواع جابجایی‌های گسلی
معمولاً جابجایی گسل‌ها به سه شکل نرمال، معکوس و امتداد لغز انجام میشود. در نوع امتداد لغز، جابجائی افقی و در دو نوع دیگر جابجایی قائم است. البته معمولاً در طبیعت، حالات ترکیبی از این حرکات مشاهده میشود و به ندرت می‌توان گسلی را یافت که صرفاً در جهت افقی یا قائم حرکت کند.
روش‌های کاهش صدمات ناشی ار گسلش روی تونل‌ها و سازههای زیر زمینی
معمولاً طراحی تونل‌ها یا سایر سازههای زیر زمینی به گونه‌ای که بتوانند در برابر گسلش مقاومت نمایند، اقتصادی نیست. لذا سعی میشود که با تعیین محل دقیق گسل‌ها با روش‌های زمین شناسی و ژئوفیزیکی از برخورد تونل‌ها با آنها ممانعت به عمل آید. این عمل بخصوص در نواحی فعال زمین ساختی در مورد سازههای خطی نظیر تونل‌ها که حداقل صدها متر طول دارند، مشکل است.
چنانچه امکان دوری از گسل مقدور نباشد، معمولاً با قبول مقداری جابجایی در مقطع تونل سعی میشود که در محل برخورد تونل با گسل، اتصالاتی تعبیه شود تا صدمات را به حداقل ممکن کاهش دهد و امکاناتی نیز برای بازسازی سریع در نظر گرفته شود.
بدین منظور می‌توان با استفاده از نقاط ضعف عمدی در تونل (نظیر درزه‌های ساختمانی و … ) صدمات را در قسمت‌های خاصی متمرکز نمود. روش دیگر
کاهش صدمات ناشی از گسلش در تونل‌ها، افزایش سطح مقطع در محل تقاطع با گسل است. در این مورد در محل برخورد تونل و گسل سطح مقطع را با اندازه جابجائی قابل انتظار بر اثر گسلش بزرگتر در نظر می‌گیرند و قسمت اضافی را با سنگ ریزه پر می‌کنند. چنانچه گسلش اتفاق افتد سطح مقطع حاصله برابر با سطح مقطع مفید مورد نظر است.
تاثیر ارتعاشات زلزله بر تونل‌ها
آسیب پذیری سازههای زیر زمینی در برابر زلزله هم میتواند به واسطه گسیختگی زمین در هنگام وقوع زلزله و هم به دلیل ارتعاشات ناشی از زلزله روی دهد. گسیختگی زمین در هنگام وقوع زلزله عمدتاً شامل گسلش، زمین لغزش و روانگرایی است. بجز گسلش، زمین لغزش و روانگرایی نیز از پدیده‌های طبیعی ناشی از زلزله است. زمین لغزش‌ها که معمولاً توسط زلزله تحریک میشوند، بخصوص در ورودی – خروجی تونل‌ها می‌توانند صدمات زیادی را به فضاهای زیر زمینی وارد نمایند. بسیاری از گزارشات مربوط به آسیب فضاهای زیر زمینی در اثر زلزله، به واسطه ایجاد لغزش در مدخل‌های تونل‌ها بوده‌اند. روانگرایی نیز بخصوص چنانچه فضای زیر زمینی در رسوبات سست دارای درصد بالای ماسه و سیلت احداث شده باشد، میتواند صدمات زیادی را به فضای زیر زمینی وارد نماید. این آسیب‌ها بیشتر در رابطه با تونل‌های مترو در نواحی شهری که از رسوبات منفصل عبور می‌کنند دیده شده است.
اهمیت مطالعه ارتعاشات زلزله
هر چند که گسیختگی زمین در اثر گسلش، روانگرایی و زمین لغزش میتواند اثرات ویرانگری را بر سازههای زیر زمینی وارد نماید، ولی صدمات ناشی از
ارتعاشات زلزله به دلایل زیر به مراتب مهمتر از این صدمات هستند.
- صدمات ناشی از گسیختگی (نظیر گسلش یا زمین لغزش) در نواحی خاصی اتفاق می‌افتند که می‌توان با مطالعات دقیق زمین شناسی مهندسی از قبل این نواحی را شناسایی نموده و تمهیداتی را در آنها در نظر گرفت. ولی ارتعاش میتواند در اثر جنبش هر گسلی در فواصل دور یا نزدیک به فضای زیر زمینی ایجاد شود و شدت آن نیز میتواند بسیار متغیر باشد.
- ارتعاش منحصر به قسمت خاصی از تونل یا فضای زیر زمینی نمی‌شود و خسارات حاصله در کل مسیر تونل یا فضا میتواند ایجاد شود ولی گسلش یا زمین لغزش (و تا حدودی روانگرایی) در قسمت‌های محدودی از مسیر اثر می‌گذارند و به کل سیستم آسیب نمی‌رسانند.
- ارتعاشات ناشی از زلزله میتواند به شکل امواج مختلف طولی، عرضی یا برشی فضای زیر زمینی را تحت تاثیر قرار دهند و لذا تغییر شکل‌های گوناگونی در مقاطع یا سازههای زیر زمینی در اثر ارتعاش امکان وقوع دارد. امواج اولیه یا p که به موازات محور طولی تونل یا سازه زیر زمینی انتشار می‌یابند، تونل را در جهت طولی دچار فشار یا کشش می‌کنند که میتواند باعث ایجاد ترک‌های کششی یا خرد شدگی‌های فشاری در امتداد آن شود.
- امواج برشی یا s که بخش اصلی انرژی را انتقال می‌دهند، چنانچه در جهت طولی تونل انتشار یابند باعث ارتعاش در جهت عمود بر محور تونل شده و یا ایجاد جابجایی‌های برشی، آسیب‌های زیادی را به فضای زیر زمینی وارد می‌کنند. چنانچه جهات برخورد این امواج با تونل مایل یا عمود بر محور تونل باشد، باز هم اشکال دیگری از تغییر مکان در فضای زیر زمینی ایجاد میشود. در حالی که گسیختگی‌های ناشی از گسلش یا زمین لغزش معمولاً جهت تغییر شکل از بررسی‌های ساختگاهی قابل پیش‌بینی است.
بررسی تغییر شکل‌های ایجاد شده در تونل
تغییر شکل محوری با کرنش‌های فشاری و کششی همراه است و همراه با عبور موج در طول محور تونل یا فضای زیر زمینی جابجایی انجام می‌گیرد. تغییر شکل‌های انحنایی باحث ایجاد انحناهای مثبت و منفی در امتداد تونل میشوند.در انحنای مثبت جدار فضای زیر زمینی در قسمت فوقانی دچار فشردگی و در قسمت تحتانی دچار کشیدگی میشود. تغییر شکل‌های حلقه‌ای نیز در اثر برخورد امواج به صورت عمودی یا تقریباً عمودی نسبت به محور تونل یا فضای زیرزمینی ایجاد میشود. این حالت تنها زمانی که طول موج لرزهای کمتر از شعاع فضای زیر زمینی باشد، ایجاد میشود.
تغییر شکل‌های محوری و انحنایی
تنش‌های دینامیکی حاصل از امواج لرزهای به تنش‌های استاتیکی موجود در جدار تونل یا فضای زیر زمینی و سنگ‌های مجاور آن افزوده میشوند. در
اثر افزایش تنش‌های فشاری حاصل از بارگذاری دینامیکی امکان ایجاد خرد شدگی و حالت پوسته شدن (Buckling) در محیط فضای زیر زمینی وجود دارد. تنش‌های لرزهای کششی باعث کاهش تنش‌های استاتیکی فشاری موجود در محل شده و این خود ایجاد تنش‌های کششی می‌نماید که نتیجه آن باز شدن درز‌ه‌ها و در نتیجه کاهش مقاومت برشی، سست شدن پیچ سنگ‌ها (Rock bolts) و نهایتاً ریزش سنگ از سقف یا جدار‌ه‌های تونل است.
برای تعیین تغییر شکل‌های محوری و انحنایی می‌توان از مدل‌های یک بعدی استفاده نمود. شاید ساده‌ترین راه بدین منظور در نظر گرفتن تونل به عنوان یک تیر سازه‌ای و انجام تحلیل‌های مربوطه روی آن باشد. اما برای مغاره‌ها یا تونل‌های بزرگتر لازم است از مدل‌های سه بعدی جهت برآورد این تغییر
شکل‌ها استفاده نمود. روابط زیر می‌توانند جهت تخمین تنش‌های میدان آزاد بکار روند.
بررسی رفتار لرزهای سازههای مدفون در رسوبات منفصل
مهمترین فرضی که برای تحلیل رفتار سازههای مدفون در رسوبات منفصل انجام میشود این است که خاک در مقایسه با سازه زیر زمینی صلب است و لذا تغییر شکل حاصل از زلزله در خاک به فضای زیر زمینی منتقل میشود و سازه هماهنگ با زمین اطرافش حرکت میکند. با توجه به اینکه معمولاً در اثر زلزله تغییر شکل‌های مختلفی در جهات مختلف بصورت تصادفی ایجاد میشود لذا امکان مقاوم‌سازی سیستم جهت مقابله با این تغییر شکل‌ها بسیار دشوار بوده و در بسیاری موارد امکان پذیر نیست. از طرفی صلبیت بیش از حد سازه زیر زمینی تنها آسیب پذیری آن را در برابر زلزله افزایش می‌دهد و لذا معمولاً در طراحی سازههای زیر زمینی لازم است که سیستم به صورت انعطاف پذیر و دارای قطعات شکل پذیر طراحی شود به شرطی که پایداری استاتیکی آن به مخاطره نیفتد.
همچنین لازم است به مسایلی نظیر امکان تشدید و اثر اندر کنش سازه با محیط اطراف نیز توجه نمود. این عوامل می‌توانند باعث افزایش جنبش‌های لرزهای شوند. اندر کنش خاک – سازه در سازههای زیر زمینی اثرات مهمی دارد، اما اگر سازه طوری طراحی شود که سیستم از جنبش زمین تبعیت کند، آنگاه اثر اندر کنش به حداقل کاهش می‌یابد. در بسیاری از معیارهای طراحی فضاهای زیر زمینی در رسوبات منفصل سعی میشود اثر اندر کنش با طراحی سیستم به نحوی که سیستم از جنبش‌های زمین تبعیت کند، خنثی شود اما اگر فضای زیر زمینی در خاک خیلی سست احداث شده باشد، اثر اندرکنش نسبتاً زیاد است و باید مورد توجه قرار گیرد.
عامل دیگری که در رفتار فضاهای زیر زمینی در برابر ارتعاش حاصل از زمین لرزه حائز اهمیت است زاویه برخورد امواج با جدار تونل است. امواج لرزهای به سازههای خطی نظیر تونل‌ها می‌توانند با زوایای مختلفی برخورد کنند و هر چه (به واسطه کاهش زاویه برخورد موج با تونل) طول تحت تاثیر قرار گرفته تونل بیشتر باشد، دامنه تغییر مکان زمین کاهش می‌یابد.
زاویه برخورد موج با تونل اثر قابل توجهی در مقادیر انحنا و خمیدگی تونل و در نتیجه در تغییر شکل تونل هنگام وقوع زلزله دارد.
انواع تغییر شکل‌های لرزهای خاک
دو نوع تغییر شکل عمده حاصل از زلزله میتواند روی سیستم‌های حمل و نقل زیر زمینی تاثیر نماید که عبارتند از تغییر شکل‌های انحنایی و تغییر شکل‌های برشی. تغییر شکل‌های انحنایی در اثر قرارگیری مستقیم محل انحنای خاک (حاصل از زلزله) روی سازه زیر زمینی بوجود می‌آید. سازه زیر زمینی باید ظرفیت جذب کرنش‌های حاصله را داشته باشد. تغییر شکل برشی نیز نشان‌دهنده تاخیر زمانی در پاسخ به یک شتاب پایه وارده به آن از سنگ بستر است. این حالت را می‌توان به حرکت یک کاسه ژله در پاسخ به تکان ظرف آن تشبیه نمود. اثر این حرکت تغییر شکل مقطع مستطیلی فضا به شکل لوزی است.
باید توجه داشت که هرچند دامنه جابجائی زلزله میتواند زیاد باشد ولی در سازههای زیر زمینی خطی نظیر تونل‌های مترو، این جابجایی در طول نسبتاً زیادی انجام میشود و لذا نرخ بهم ریختگی حاصل از زلزله معمولاً کم و در حد تغییرشکل‌های الاستیک قرار می‌گیرد.
