تاثير زلزله بر معادن (قسمت دوم)
3ـ1ـ سطوح خطر زلزله:
الف) سطح خطر يك (آييننامه 2800 ) يعني زلزلهاي با خطر (يا احتمال وقوع) 10 درصد در 50 سال (دوره 475 ساله)
ب) سطح خطر 2 يعني زلزلهاي با احتمال وقوع 2 درصد در 50 سال (دوره 2500 ساله) [8]
3ـ2ـ سطوح عملكرد:
1. خدمات رساني بيوقفه (o): يعني بدون وقفه از ساختمان معدن جهت برداشت استفاده ميشود و تنها احتمال ايجاد خرابيهاي جزئي وجود دارد.
2. قابليت استفاده بيوقفه (Io): ايجاد خرابيهاي جزئي اما با قابليت حفظ بهرهبرداري.
3. ايمني جاني (LS): در اين حالت خسارات جاني وجود ندارد اما ساختمان معدن آسيب ميبيند.
4. آستانه فرو ريزش (CP): خرابي گسترده در ساختمان معدن ولي بدون فرو ريختن كلي و خسارات جاني ممكن است وجود داشته باشد[7].
3ـ3ـ قانون تكرار گوتنبرگ ـ ريشتر:
[4] گوتنبرگ و ريشتر در فاصله سالهاي بسيار زياد اطلاعاتي براي زلزلههاي جنوب كاليفرنيا جمعآوري كرده و آنها را برحسب تعداد زلزلههايي كه بزرگي آنها در خلال اين دوره از مقادير مختلفي تجاوز ميكرد تنظيم كردند.
آنها براي تعريف سرعت تجاوز ميانه سالانه (m ) زلزلهاي به بزرگي m، تعداد تجاوز از هراندازه را به طول پريود زماني تقسيم كردهاند. همچنان كه انتظار ميرود سرعت ميانه تجاوز سالانه زلزلههاي كوچك بيشتر از زلزلههاي بزرگ است.
متفاوت بودن سرعت سالانه تجاوز براي يك اندازه خاص معمولا به دوره بازگشت زلزلههاي بزرگتر از آن اندازه نسبت داده ميشود. هنگاميكه لگاريتم سرعت سالانه زلزلههاي جنوب كاليفرنيا در مقابل اندازه آنها رسم شد يك رابطه خطي مشاهده شد. قانون گوتنبرگ ـ ريشتر در نتيجه براي تكرار زلزلهها بهصورت زير بهدست ميآيد:
كه در آنجا m سرعت ميانه تجاوز سالانه از اندازه m وa ميانه تعداد سالانه زلزلههاي با اندازه بزرگتر يا مساوي صفر و b بيانكننده احتمال نسبي زلزلههاي كوچك و بزرگ است.
4. تاثير زلزله برتونلها (بهعنوان شاخصي براي معادن زيرزميني):
4ـ1ـ اثر وضعيت قرارگيري تونل:
مشخصات و ويژگيهاي تونلها و نحوه ساخت آنها در تاثيرپذيري آنها از زلزله موثراست. در اين بخش وضعيت قسمتهاي مختلف مربوط به تونلها بيان شده و اثر هركدام در تاثيرپذيري تونلها را بررسي ميكنيم:
الف ـ عمق تونل:
تونلها در مقابل زلزله، نسبت به ساير سازههاي سطحي بسيار پايدارترند چرا كه جابهجايي زمين، دامنه حركات، شتاب و سرعت ذرهاي زمين عموما با زياد شدن عمق، كاهش مييابد. مخصوصا اگر زمين نرم باشد، به طوري كه در مواردي شتاب زلزله در عمق بيش از 50 متر، حدود 40 درصد كاهش يافته است.
البته ذكر اين نكته نيز ضروري است كه اگرچه شتاب و بعضي پارامترهاي ديگر در عمق زمين كمتر از لايههاي سطحي است ولي فركانس زلزله به منبع توليد موج بستگي دارد و تابع عمق زمين نيست. البته بايد به اين نكته نيز توجه داشت كه ميزان جابهجايي ناشي از گسلش در عمق بيشتر از سطح است.
ب ـ شكل و اندازه تونل:
هرچقدر مقطع تونل بزرگتر باشد، حساسيت آن به زلزله بيشتراست. يكي از موارد، بزرگ بودن موضعي تونلها، در تقاطعها است. همچنين وجود دو يا چند تونل در كنار هم معمولا باعث تمركز تنشهاي استاتيكي در محيط بين تونلها ميشود. همين حالت در هنگام گذر موج زلزله كه نوعي تنش است، اتفاق ميافتد.
ج ـ وضعيت لايهبندي و جنس زمين:
امواج توليد شده در حين حركت، تحت تاثير خواص زمين قرار ميگيرند. امواج فشاري و برشي در سطح برخورد با لايههاي مختلف دچار انكسار و انعكاس ميشوند و اين باعث افزايش يا كاهش دامنه نوسانها ميشود. ازطرف ديگر، شرايط و وضعيت خاك تحتالارضي و حتي توپوگرافي يك ناحيه ممكن است عامل افزايش اساسي در شدت جنبشهاي سطح زمين شود. تقويت شتاب در انباشتههاي نرم بيشتر از مقدار آن در انباشتههاي سفت است.
دـ روشهاي مختلف براي ساخت تونلها:
با توجه به شرايط ساختگاهي و زمين ساختي روش مناسب انتخاب ميشود. روشهايي كه بيشتر معمول هستند روش حفاري ،آتشباري و خاكبرداري است. نحوه ساخت تونل، تاثير بسيار زيادي بر اثرپذيري از امواج زلزله دارد، چرا كه در روش حفاري، خاك اطراف كاملا دست نخورده باقي ميماند و از طرف ديگر اينگونه تونلها معمولا در جايي ساخته ميشوند كه عمق قرارگيري تونل زياد باشد، ولي در تونلهاي سطحي مانند تونلهاي مترو، اغلب از روش خاكبرداري و پوشش سيماني استفاده ميشود[3].
هـ ـ گسلش (جابهجايي و گسيختگي در گسل):
گسلش از ويژگيهاي زلزله بهشمار نميرود، در حوزه تونلسازي، به دليل ويژگي اصلي اين سازهها كه طولاني بودن آنها است، احتمال تقاطع اين سازهها با محل گسلش، بسيار زياد و تقريبا امري اجتنابناپذير است. بهدليل اهميتي كه گسلش در امر تونلسازي دارد، اين موضوع به صورت جداگانه در بخش بعدي مورد بررسي قرارگرفته است.
5ـ اهميت مطالعه گسلش در طراحي تونلها و ساختگاههاي زيرزميني:
جابهجايي برشي در يك پهنه باريك در دو طرف گسل آثار تخريبي شديدي بر روي سازههاي زيرزميني خواهد داشت. تنشهاي حاصل از گسلش در مقاطع تونل يا ساير سازههاي زيرزميني، ميتوانند به مراتب از تنشهاي حاصل از لرزش و ارتعاش بيشتر باشند. طراحي تونلها به نحوي كه بتوانند در برابر جابهجاييهاي چند سانتيمتري تا چند متري ناشي از گسلش مقاومت كنند، نيز از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نيست، بدين لحاظ، مطالعه خطرگسلش در مسير يك تونل و يا ساير سازههاي زيرزميني از اهميت خاصي برخوردار است.
در واقع بسياري از سازههاي زيرزميني و بهخصوص تونلهاي معادن كه داراي تقاطعهايي با گسلها هستند باعث آسيبپذيري آنها بر اثر حركت گسل ميشود. به همين جهت در حين بررسيهاي ساختگاه براي ساخت سازههاي زيرزميني بايد به وجود گسلها توجه خاصي شود تا بتوان با شناخت كامل آنها، پيشگيريهاي لازم را در جهت كاهش ميزان صدمات ناشي از گسلش انجام داد.
در اين راستا، نه تنها مكان گسلهاي فعال بايد دقيقا شناسايي شود، بلكه بايد نوع گسل و نحوه حركت گسل در گذشته، انتخاب مناسب براي طراحي و اهميت و يا تاثير گسلش در كاربري سازه زيرزميني نيز دقيقا بررسي شود[6]. جابهجايي گسل ميزان حركت آن را در جهات مختلف نشان ميدهد.
حركتهاي گذشته گسلها ميتوانند براي پيشبيني نوع حركت، ميزان جابهجايي و زمان احتمالي گسلش در آينده مورد استفاده قرار گيرند و انتخاب رويداد مناسب نيز ميتواند امكان طراحي بهينه و اقتصادي سازه را فراهم آورد.
تاثير گسلش بر كاربري طرح نيز بايد به دقت مشخص شود.[3] به عنوان مثال، در تونلهاي راهآهن حساسيت زيادي در برابر جابهجايي وجود دارد، زيرا، امكان قطع شدن ريلها يا مختل شدن سيستم آنها به واسطه جابهجايي حاصل از گسلش خسارات زيادي ايجاد ميكند.
در مقابل در تونلهاي انتقال آب حتي اگر جابهجايي قابلتوجهي نيز رخ دهد خطر جاني زياد نخواهد بود و سيستم انتقال آب نيز ميتواند با مقداري تفاوت در دبي به كار خود ادامه دهد.
5ـ1ـ تخمين ميزان جابهجايي گسلها:
عبوردادن تونلها و ديگر سازههاي خطي از مناطقي كه فاقد گسل هستند معمولا به سادگي امكانپذير نيست. بنابراين لازم است كه ميزان جابهجايي گسلها براي ارزيابي در طراحي از قبل محاسبه شود.
اين ارزيابي ميتواند بر روي گسل خاصي كه از محل ساخت سازه زيرسطحي ميگذرد و يا بر پايه تحليل گسيختگيهاي سطحي لرزهاي انجام شود.
مورد اول احتياج به مطالعات صحرايي بسياري دارد و در اكثر موارد امكان برآورد صحيح و مطمئن از آن وجود ندارد.
در واقع حتي در پهنههاي گسله كاملا شناخته شدهاي نظير گسل سن آندرياس و يا گسل آناتولي، تعداد گسيختگيهاي كاملا شناخته شده نسبتا كم است و پيشبيني جابهجايي بر اثر دادههاي محلي نميتواند چندان قابل اعتماد باشد.
در واقع با اين كار نميتوان مطمئن شد كه گسلشهاي آينده از مقدار برآورد شده با دادههاي محلي بيشتر باشد. بنابراين، در اكثر نواحي فعال لرزهاي بهترين تخميني كه از جابهجايي و گسلش ميتواند انجام شود براساس دادههاي جهاني است.
بر اين اساس روابط زيادي جهت تعيين رابطه بين ميزان جابهجايي گسل نسبت به مولفههاي ديگري ارائه شده است كه از آن ميان ميتوان به دو رابطه كه توسط دكتر نوروزي و همكاران در سال 1371 ارائه شده است اشاره كرد:[3] شكل(5):
(بزرگاي موج سطحي(Ms) و جابهجايي حاصل از گسلش (D برحسب متر)
رابطه و نمودار در شكل 6 نشاندهنده رابطه بين طول گسل و جابهجايي حاصل از گسلش است:
كه شامل رابطههاي زيراست:
5ـ2ـ اقدامات لازم جهت جلوگيري خسارات ناشي از گسلش:
معمولا طراحي تونلهاي معدني يا ساير سازههاي زيرزميني بهگونهاي كه بتوانند در برابر گسلش مقاومت كنند، اقتصادي نيست.
لذا سعي ميشود كه با تعيين محل دقيق گسلها با روشهاي زمينشناسي و ژئوفيزيكي از برخورد تونلها با آنها حتيالمقدور ممانعت به عمل آيد. اين عمل به خصوص در نواحي فعال زمين ساختي و در مورد سازههاي خطي نظير تونلها مشكل است.
چنانچه امكان دوري از گسل مقدور نباشد، معمولا با قبول مقداري جابهجايي در مقطع تونل سعي ميشود كه در محل برخورد تونل با گسل اتصالاتي تعبيه شود تا صدمات را به حداقل ممكن كاهش دهد و امكاناتي 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 متمركز كرد. روش ديگر كاهش صدمات ناشي از گسلش در تونلها، افزايش سطح مقطع در محل تقاطع با گسل است.
در اين مورد در محل برخورد تونل و گسل، سطح مقطع را به اندازه جابهجايي قابل انتظار بر اثر گسلش بزرگتر در نظر ميگيرند و قسمت اضافي را با سنگ ريزه پر ميكنند. چنانچه گسلش اتفاق افتد، سطح مقطع حاصله برابر با سطح مقطع مفيد مورد نياز است. اين عمل در مورد خط متروي لوس آنجلس انجام شده است.
در اين تونل زيرزميني در محل برخورد تونل با گسل هاليوود سطح مقطع به اندازه دو متركه برابر با حداكثر جابهجايي محتمل ناشي از گسلش بود بزرگتر از سطح مقطع سايرنقاط، طراحي و اجرا شد و قسمت اضافي با سنگ ريزه پرشد. شكل (7) نحوه طراحي را در محل برخورد با گسلهاليوود نشان ميدهد[ 3].
5ـ3ـ پيشنهادات ارائه شده براي محل برخورد گسلها با تونل[7]:
ـ درزههاي لرزهاي در فواصل نزديكي قرار داده شوند.
ـ مقاومت برشي كل اطراف درزهها طوري باشد كه رابطه صادق باشد. در اين رابطه R مقاومت برش درزه، q حداقل بار طراحي عرضي بر واحد طول مجرا و L فاصله بين درزهها است.
ـ اگر ناحيه گسله، فعال تشخيص داده شده است و يا مجرا بسيار حائز اهميت باشد، در انتهاي تجهيزات نگهدارنده و نواحي ضعيف مجرا بايد مقاومسازي انجام گيرد.
ـ اگر امكان تغييرمكان زيادي وجود دارد سطح مقطع بزرگتر از حد مورد نياز طراحي و ساخته شود.
ـ در نواحي گسله، تغييرات در هندسه مجرا (به جز در درزههاي لرزهاي) تغييرات ناگهاني جهت تقاطعها، نبايد انجام شود.
ـ سيستم پوشش بايد به گونهاي طراحي شود كه در اثر حركت گسل كارآيي خود را از دست ندهد. به اين منظور ميتوان پوشش را در نقاط ضعف به صورت نواري در عرض تونل و با مصالح انعطافپذير، نظير ورقههاي فولادي اجرا كرد.
ـ افزايش ضريب اطمينان در طراحي ورودي يا خروجي تونلها.
6. علت اهميت بررسي ارتعاشات زلزله در مورد گسلش:
هرچند گسيختگي زمين در اثر گسلش، روانگرايي و زمين لغزش ميتواند اثرات ويرانگري را بر سازههاي زيرزميني وارد كند، ولي صدمات ناشي از ارتعاشات زلزله به دلايل زير به مراتب مهمتر از اين صدمات هستند:
ـ صدمات ناشي از گسيختگي (نظير گسلش يا زمين لغزش) در نواحي خاصي اتفاق ميافتند كه ميتوان با مطالعه دقيق زمينشناسي مهندسي از قبيل اين نواحي را شناسايي كرده و تمهيداتي را در آنها در نظر گرفت ولي ارتعاش ميتواند در اثر جنبش هرگسلي در فواصل دور يا نزديك به فضاهاي زيرزميني ايجاد شود و شدت آن نيز ميتواند بسيار متغير باشد.
ـ ارتعاش منحصر به قسمت خاصي از تونل يا فضاي زيرزميني نميشود و خسارت حاصله در كل 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 كل سيستم آسيب نميرسانند.
ـ ارتعاشات ناشي از زلزله ميتواند به شكل امواج مختلف طولي، عرضي يا برشي فضاي زيرزميني را تحت تاثير قرار دهند و لذا تغيير شكلهاي گوناگوني در مقاطع يا سازههاي زيرزميني در اثر ارتعاش امكان وقوع دارد.
امواج اوليه يا P كه به موازات محور طولي تونل يا سازه زيرزميني انتشار مييابند، تونل را در جهت طولي دچار فشار يا كشش ميكنند كه ميتواند باعث ايجاد تركهاي كششي يا خردشدگيهاي فشاري در امتداد آن شود.
امواج برشي يا S كه بخش اصلي انرژي را انتقال ميدهند، چنانچه در جهت طولي تونل انتشار يابند باعث ارتعاش در جهت عمود برمحور تونل شده و با ايجاد جابهجاييهاي برش، آسيبهاي زيادي را به فضاي زيرزميني وارد ميكنند.
چنانچه جهات برخورد اين امواج با تونل مايل يا عمود بر محورتونل باشد، باز هم اشكال ديگري از تغيير مكان در فضاي زيرزميني ايجاد ميشود. در حاليكه گسيختگيهاي ناشي از گسلش يا زمين لغزش معمولا جهت تغيير شكل از بررسيهاي ساختگاهي قابل پيشبيني است.
7. بررسي بيشينه شتاب زمين براي سازههاي زيرزميني:
از معيارهاي مهم در طراحي و علت اصلي آسيبها، بيشينه شتاب سطح زمين در هنگام زلزله است كه براساس ضريبي از g شتاب جاذبه زمين سنجيده ميشود. اگر شتاب سطحي بيشينه تا g2/0 باشدآسيبي به تونل وارد نميشود و چنانچه اين شتاب بين g2/0 تا g5/0 باشد، صدمات خفيف را شاهد خواهيم بود و از شتاب بيشينه g5/0 به بالا، انتظار آسيبهاي شديدتري را خواهيم داشت. (شكل 8)
شكل 8 نشاندهنده اين است كه سازههاي زيرزميني در برابر زلزله نسبت به سازههاي سطحي آسيبپذيري كمتري دارند ولي سازههاي ايمن و مقاومي نيستند و لذا براي طراحي و ساخت آنها هم بايد دقت بيشتري مبذول شود.
در مورد تونلهاي معدني بايد خاطر نشان كرد كه موارد ديگري چون انفجار،كار با ماشينهاي حفرتونل تمام مقطع و يا اينكه ديگر انواع ماشينها موجب شدت يا كم شدن اثر زمين لرزهها بر روي تونلهاي معدني ميشوند. [8]
الف) سطح خطر يك (آييننامه 2800 ) يعني زلزلهاي با خطر (يا احتمال وقوع) 10 درصد در 50 سال (دوره 475 ساله)
ب) سطح خطر 2 يعني زلزلهاي با احتمال وقوع 2 درصد در 50 سال (دوره 2500 ساله) [8]
3ـ2ـ سطوح عملكرد:
1. خدمات رساني بيوقفه (o): يعني بدون وقفه از ساختمان معدن جهت برداشت استفاده ميشود و تنها احتمال ايجاد خرابيهاي جزئي وجود دارد.
2. قابليت استفاده بيوقفه (Io): ايجاد خرابيهاي جزئي اما با قابليت حفظ بهرهبرداري.
3. ايمني جاني (LS): در اين حالت خسارات جاني وجود ندارد اما ساختمان معدن آسيب ميبيند.
4. آستانه فرو ريزش (CP): خرابي گسترده در ساختمان معدن ولي بدون فرو ريختن كلي و خسارات جاني ممكن است وجود داشته باشد[7].
3ـ3ـ قانون تكرار گوتنبرگ ـ ريشتر:
[4] گوتنبرگ و ريشتر در فاصله سالهاي بسيار زياد اطلاعاتي براي زلزلههاي جنوب كاليفرنيا جمعآوري كرده و آنها را برحسب تعداد زلزلههايي كه بزرگي آنها در خلال اين دوره از مقادير مختلفي تجاوز ميكرد تنظيم كردند.
آنها براي تعريف سرعت تجاوز ميانه سالانه (m ) زلزلهاي به بزرگي m، تعداد تجاوز از هراندازه را به طول پريود زماني تقسيم كردهاند. همچنان كه انتظار ميرود سرعت ميانه تجاوز سالانه زلزلههاي كوچك بيشتر از زلزلههاي بزرگ است.
متفاوت بودن سرعت سالانه تجاوز براي يك اندازه خاص معمولا به دوره بازگشت زلزلههاي بزرگتر از آن اندازه نسبت داده ميشود. هنگاميكه لگاريتم سرعت سالانه زلزلههاي جنوب كاليفرنيا در مقابل اندازه آنها رسم شد يك رابطه خطي مشاهده شد. قانون گوتنبرگ ـ ريشتر در نتيجه براي تكرار زلزلهها بهصورت زير بهدست ميآيد:
كه در آنجا m سرعت ميانه تجاوز سالانه از اندازه m وa ميانه تعداد سالانه زلزلههاي با اندازه بزرگتر يا مساوي صفر و b بيانكننده احتمال نسبي زلزلههاي كوچك و بزرگ است.
4. تاثير زلزله برتونلها (بهعنوان شاخصي براي معادن زيرزميني):
4ـ1ـ اثر وضعيت قرارگيري تونل:
مشخصات و ويژگيهاي تونلها و نحوه ساخت آنها در تاثيرپذيري آنها از زلزله موثراست. در اين بخش وضعيت قسمتهاي مختلف مربوط به تونلها بيان شده و اثر هركدام در تاثيرپذيري تونلها را بررسي ميكنيم:
الف ـ عمق تونل:
تونلها در مقابل زلزله، نسبت به ساير سازههاي سطحي بسيار پايدارترند چرا كه جابهجايي زمين، دامنه حركات، شتاب و سرعت ذرهاي زمين عموما با زياد شدن عمق، كاهش مييابد. مخصوصا اگر زمين نرم باشد، به طوري كه در مواردي شتاب زلزله در عمق بيش از 50 متر، حدود 40 درصد كاهش يافته است.
البته ذكر اين نكته نيز ضروري است كه اگرچه شتاب و بعضي پارامترهاي ديگر در عمق زمين كمتر از لايههاي سطحي است ولي فركانس زلزله به منبع توليد موج بستگي دارد و تابع عمق زمين نيست. البته بايد به اين نكته نيز توجه داشت كه ميزان جابهجايي ناشي از گسلش در عمق بيشتر از سطح است.
ب ـ شكل و اندازه تونل:
هرچقدر مقطع تونل بزرگتر باشد، حساسيت آن به زلزله بيشتراست. يكي از موارد، بزرگ بودن موضعي تونلها، در تقاطعها است. همچنين وجود دو يا چند تونل در كنار هم معمولا باعث تمركز تنشهاي استاتيكي در محيط بين تونلها ميشود. همين حالت در هنگام گذر موج زلزله كه نوعي تنش است، اتفاق ميافتد.
ج ـ وضعيت لايهبندي و جنس زمين:
امواج توليد شده در حين حركت، تحت تاثير خواص زمين قرار ميگيرند. امواج فشاري و برشي در سطح برخورد با لايههاي مختلف دچار انكسار و انعكاس ميشوند و اين باعث افزايش يا كاهش دامنه نوسانها ميشود. ازطرف ديگر، شرايط و وضعيت خاك تحتالارضي و حتي توپوگرافي يك ناحيه ممكن است عامل افزايش اساسي در شدت جنبشهاي سطح زمين شود. تقويت شتاب در انباشتههاي نرم بيشتر از مقدار آن در انباشتههاي سفت است.
دـ روشهاي مختلف براي ساخت تونلها:
با توجه به شرايط ساختگاهي و زمين ساختي روش مناسب انتخاب ميشود. روشهايي كه بيشتر معمول هستند روش حفاري ،آتشباري و خاكبرداري است. نحوه ساخت تونل، تاثير بسيار زيادي بر اثرپذيري از امواج زلزله دارد، چرا كه در روش حفاري، خاك اطراف كاملا دست نخورده باقي ميماند و از طرف ديگر اينگونه تونلها معمولا در جايي ساخته ميشوند كه عمق قرارگيري تونل زياد باشد، ولي در تونلهاي سطحي مانند تونلهاي مترو، اغلب از روش خاكبرداري و پوشش سيماني استفاده ميشود[3].
هـ ـ گسلش (جابهجايي و گسيختگي در گسل):
گسلش از ويژگيهاي زلزله بهشمار نميرود، در حوزه تونلسازي، به دليل ويژگي اصلي اين سازهها كه طولاني بودن آنها است، احتمال تقاطع اين سازهها با محل گسلش، بسيار زياد و تقريبا امري اجتنابناپذير است. بهدليل اهميتي كه گسلش در امر تونلسازي دارد، اين موضوع به صورت جداگانه در بخش بعدي مورد بررسي قرارگرفته است.
5ـ اهميت مطالعه گسلش در طراحي تونلها و ساختگاههاي زيرزميني:
جابهجايي برشي در يك پهنه باريك در دو طرف گسل آثار تخريبي شديدي بر روي سازههاي زيرزميني خواهد داشت. تنشهاي حاصل از گسلش در مقاطع تونل يا ساير سازههاي زيرزميني، ميتوانند به مراتب از تنشهاي حاصل از لرزش و ارتعاش بيشتر باشند. طراحي تونلها به نحوي كه بتوانند در برابر جابهجاييهاي چند سانتيمتري تا چند متري ناشي از گسلش مقاومت كنند، نيز از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نيست، بدين لحاظ، مطالعه خطرگسلش در مسير يك تونل و يا ساير سازههاي زيرزميني از اهميت خاصي برخوردار است.
در واقع بسياري از سازههاي زيرزميني و بهخصوص تونلهاي معادن كه داراي تقاطعهايي با گسلها هستند باعث آسيبپذيري آنها بر اثر حركت گسل ميشود. به همين جهت در حين بررسيهاي ساختگاه براي ساخت سازههاي زيرزميني بايد به وجود گسلها توجه خاصي شود تا بتوان با شناخت كامل آنها، پيشگيريهاي لازم را در جهت كاهش ميزان صدمات ناشي از گسلش انجام داد.
در اين راستا، نه تنها مكان گسلهاي فعال بايد دقيقا شناسايي شود، بلكه بايد نوع گسل و نحوه حركت گسل در گذشته، انتخاب مناسب براي طراحي و اهميت و يا تاثير گسلش در كاربري سازه زيرزميني نيز دقيقا بررسي شود[6]. جابهجايي گسل ميزان حركت آن را در جهات مختلف نشان ميدهد.
حركتهاي گذشته گسلها ميتوانند براي پيشبيني نوع حركت، ميزان جابهجايي و زمان احتمالي گسلش در آينده مورد استفاده قرار گيرند و انتخاب رويداد مناسب نيز ميتواند امكان طراحي بهينه و اقتصادي سازه را فراهم آورد.
تاثير گسلش بر كاربري طرح نيز بايد به دقت مشخص شود.[3] به عنوان مثال، در تونلهاي راهآهن حساسيت زيادي در برابر جابهجايي وجود دارد، زيرا، امكان قطع شدن ريلها يا مختل شدن سيستم آنها به واسطه جابهجايي حاصل از گسلش خسارات زيادي ايجاد ميكند.
در مقابل در تونلهاي انتقال آب حتي اگر جابهجايي قابلتوجهي نيز رخ دهد خطر جاني زياد نخواهد بود و سيستم انتقال آب نيز ميتواند با مقداري تفاوت در دبي به كار خود ادامه دهد.
5ـ1ـ تخمين ميزان جابهجايي گسلها:
عبوردادن تونلها و ديگر سازههاي خطي از مناطقي كه فاقد گسل هستند معمولا به سادگي امكانپذير نيست. بنابراين لازم است كه ميزان جابهجايي گسلها براي ارزيابي در طراحي از قبل محاسبه شود.
اين ارزيابي ميتواند بر روي گسل خاصي كه از محل ساخت سازه زيرسطحي ميگذرد و يا بر پايه تحليل گسيختگيهاي سطحي لرزهاي انجام شود.
مورد اول احتياج به مطالعات صحرايي بسياري دارد و در اكثر موارد امكان برآورد صحيح و مطمئن از آن وجود ندارد.
در واقع حتي در پهنههاي گسله كاملا شناخته شدهاي نظير گسل سن آندرياس و يا گسل آناتولي، تعداد گسيختگيهاي كاملا شناخته شده نسبتا كم است و پيشبيني جابهجايي بر اثر دادههاي محلي نميتواند چندان قابل اعتماد باشد.
در واقع با اين كار نميتوان مطمئن شد كه گسلشهاي آينده از مقدار برآورد شده با دادههاي محلي بيشتر باشد. بنابراين، در اكثر نواحي فعال لرزهاي بهترين تخميني كه از جابهجايي و گسلش ميتواند انجام شود براساس دادههاي جهاني است.
بر اين اساس روابط زيادي جهت تعيين رابطه بين ميزان جابهجايي گسل نسبت به مولفههاي ديگري ارائه شده است كه از آن ميان ميتوان به دو رابطه كه توسط دكتر نوروزي و همكاران در سال 1371 ارائه شده است اشاره كرد:[3] شكل(5):
(بزرگاي موج سطحي(Ms) و جابهجايي حاصل از گسلش (D برحسب متر)
رابطه و نمودار در شكل 6 نشاندهنده رابطه بين طول گسل و جابهجايي حاصل از گسلش است:
كه شامل رابطههاي زيراست:
5ـ2ـ اقدامات لازم جهت جلوگيري خسارات ناشي از گسلش:
معمولا طراحي تونلهاي معدني يا ساير سازههاي زيرزميني بهگونهاي كه بتوانند در برابر گسلش مقاومت كنند، اقتصادي نيست.
لذا سعي ميشود كه با تعيين محل دقيق گسلها با روشهاي زمينشناسي و ژئوفيزيكي از برخورد تونلها با آنها حتيالمقدور ممانعت به عمل آيد. اين عمل به خصوص در نواحي فعال زمين ساختي و در مورد سازههاي خطي نظير تونلها مشكل است.
چنانچه امكان دوري از گسل مقدور نباشد، معمولا با قبول مقداري جابهجايي در مقطع تونل سعي ميشود كه در محل برخورد تونل با گسل اتصالاتي تعبيه شود تا صدمات را به حداقل ممكن كاهش دهد و امكاناتي 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 متمركز كرد. روش ديگر كاهش صدمات ناشي از گسلش در تونلها، افزايش سطح مقطع در محل تقاطع با گسل است.
در اين مورد در محل برخورد تونل و گسل، سطح مقطع را به اندازه جابهجايي قابل انتظار بر اثر گسلش بزرگتر در نظر ميگيرند و قسمت اضافي را با سنگ ريزه پر ميكنند. چنانچه گسلش اتفاق افتد، سطح مقطع حاصله برابر با سطح مقطع مفيد مورد نياز است. اين عمل در مورد خط متروي لوس آنجلس انجام شده است.
در اين تونل زيرزميني در محل برخورد تونل با گسل هاليوود سطح مقطع به اندازه دو متركه برابر با حداكثر جابهجايي محتمل ناشي از گسلش بود بزرگتر از سطح مقطع سايرنقاط، طراحي و اجرا شد و قسمت اضافي با سنگ ريزه پرشد. شكل (7) نحوه طراحي را در محل برخورد با گسلهاليوود نشان ميدهد[ 3].
5ـ3ـ پيشنهادات ارائه شده براي محل برخورد گسلها با تونل[7]:
ـ درزههاي لرزهاي در فواصل نزديكي قرار داده شوند.
ـ مقاومت برشي كل اطراف درزهها طوري باشد كه رابطه صادق باشد. در اين رابطه R مقاومت برش درزه، q حداقل بار طراحي عرضي بر واحد طول مجرا و L فاصله بين درزهها است.
ـ اگر ناحيه گسله، فعال تشخيص داده شده است و يا مجرا بسيار حائز اهميت باشد، در انتهاي تجهيزات نگهدارنده و نواحي ضعيف مجرا بايد مقاومسازي انجام گيرد.
ـ اگر امكان تغييرمكان زيادي وجود دارد سطح مقطع بزرگتر از حد مورد نياز طراحي و ساخته شود.
ـ در نواحي گسله، تغييرات در هندسه مجرا (به جز در درزههاي لرزهاي) تغييرات ناگهاني جهت تقاطعها، نبايد انجام شود.
ـ سيستم پوشش بايد به گونهاي طراحي شود كه در اثر حركت گسل كارآيي خود را از دست ندهد. به اين منظور ميتوان پوشش را در نقاط ضعف به صورت نواري در عرض تونل و با مصالح انعطافپذير، نظير ورقههاي فولادي اجرا كرد.
ـ افزايش ضريب اطمينان در طراحي ورودي يا خروجي تونلها.
6. علت اهميت بررسي ارتعاشات زلزله در مورد گسلش:
هرچند گسيختگي زمين در اثر گسلش، روانگرايي و زمين لغزش ميتواند اثرات ويرانگري را بر سازههاي زيرزميني وارد كند، ولي صدمات ناشي از ارتعاشات زلزله به دلايل زير به مراتب مهمتر از اين صدمات هستند:
ـ صدمات ناشي از گسيختگي (نظير گسلش يا زمين لغزش) در نواحي خاصي اتفاق ميافتند كه ميتوان با مطالعه دقيق زمينشناسي مهندسي از قبيل اين نواحي را شناسايي كرده و تمهيداتي را در آنها در نظر گرفت ولي ارتعاش ميتواند در اثر جنبش هرگسلي در فواصل دور يا نزديك به فضاهاي زيرزميني ايجاد شود و شدت آن نيز ميتواند بسيار متغير باشد.
ـ ارتعاش منحصر به قسمت خاصي از تونل يا فضاي زيرزميني نميشود و خسارت حاصله در كل 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 كل سيستم آسيب نميرسانند.
ـ ارتعاشات ناشي از زلزله ميتواند به شكل امواج مختلف طولي، عرضي يا برشي فضاي زيرزميني را تحت تاثير قرار دهند و لذا تغيير شكلهاي گوناگوني در مقاطع يا سازههاي زيرزميني در اثر ارتعاش امكان وقوع دارد.
امواج اوليه يا P كه به موازات محور طولي تونل يا سازه زيرزميني انتشار مييابند، تونل را در جهت طولي دچار فشار يا كشش ميكنند كه ميتواند باعث ايجاد تركهاي كششي يا خردشدگيهاي فشاري در امتداد آن شود.
امواج برشي يا S كه بخش اصلي انرژي را انتقال ميدهند، چنانچه در جهت طولي تونل انتشار يابند باعث ارتعاش در جهت عمود برمحور تونل شده و با ايجاد جابهجاييهاي برش، آسيبهاي زيادي را به فضاي زيرزميني وارد ميكنند.
چنانچه جهات برخورد اين امواج با تونل مايل يا عمود بر محورتونل باشد، باز هم اشكال ديگري از تغيير مكان در فضاي زيرزميني ايجاد ميشود. در حاليكه گسيختگيهاي ناشي از گسلش يا زمين لغزش معمولا جهت تغيير شكل از بررسيهاي ساختگاهي قابل پيشبيني است.
7. بررسي بيشينه شتاب زمين براي سازههاي زيرزميني:
از معيارهاي مهم در طراحي و علت اصلي آسيبها، بيشينه شتاب سطح زمين در هنگام زلزله است كه براساس ضريبي از g شتاب جاذبه زمين سنجيده ميشود. اگر شتاب سطحي بيشينه تا g2/0 باشدآسيبي به تونل وارد نميشود و چنانچه اين شتاب بين g2/0 تا g5/0 باشد، صدمات خفيف را شاهد خواهيم بود و از شتاب بيشينه g5/0 به بالا، انتظار آسيبهاي شديدتري را خواهيم داشت. (شكل 8)
شكل 8 نشاندهنده اين است كه سازههاي زيرزميني در برابر زلزله نسبت به سازههاي سطحي آسيبپذيري كمتري دارند ولي سازههاي ايمن و مقاومي نيستند و لذا براي طراحي و ساخت آنها هم بايد دقت بيشتري مبذول شود.
در مورد تونلهاي معدني بايد خاطر نشان كرد كه موارد ديگري چون انفجار،كار با ماشينهاي حفرتونل تمام مقطع و يا اينكه ديگر انواع ماشينها موجب شدت يا كم شدن اثر زمين لرزهها بر روي تونلهاي معدني ميشوند. [8]
منبع هفته نامه معدن و توسعه هفته آخر آذر ماه ۸۸
+ نوشته شده در چهارشنبه بیست و پنجم آذر ۱۳۸۸ ساعت 10 توسط حسین کامران حقیقی
|
وبلاگ دانشجویان مهندسی معدن دانشگاه زنجان