بهینه سازی روش های اجرایی سنتی ایستگاه­های زیرزمینی مترو در ایران

صنعت حمل و نقل آنلاین: خطوط مترو معمولاً از مناطق شهری با بافت مسکونی و تجاری متراکم عبور می‏کنند؛ از این رو ساخت تونل‏ها و ایستگاه‏های مترو باید به گونه‏ای باشد که علاوه بر تامین پایداری فضای زیرزمینی، حداقل تاثیر را بر ساختمان‏های مجاور (Adjacent Structure) و نیز تاسیسات مهم شهری که در عمق کمی قرار گرفته‏اند، داشته باشند. عموماً عمق تراز ریل تا حد ممکن پایین برده می‏شود تا علاوه بر محدود کردن نشست‏های سطح زمین به ویژه حین ساخت، بتوان ایستگاه‏ها را با روش زیرزمینی و حداقل بر هم زدن فضای سطح شهر اجرا کرد. انتخاب روش اجرا در ساخت ایستگاه‏های زیرزمینی با توجه به ابعاد و هندسه‏ی بزرگ این فضاها در مقایسه با تونل‏های حمل و نقل شهری دارای اهمیت زیادی است چرا که روش اجرا علاوه بر تاثیر اقتصادی، زیست محیطی و زمانی، تاثیر مستقیمی در میزان تغییرشکل‏ها و نشست‏های سطح زمین دارد. نشست‏های سطحی برای ساختمان‏های مجاور محدوده ساخت ایستگاه بسیار تاثیرگذار بوده و می‏تواند باعث آسیب جدی به این سازه‏ها شود. برای حفاری تونل‏ها و فضاهای زیرزمینی در سنگ‏ و خاک‏ با هدف کاهش تغییرشکل‏های زمین و کنترل زون اغتشاش در اطراف این حفره‏ها می‏توان دو نوع سیستم حفاری را در نظر گرفت؛ یکی سیستم همزمان حفاری و تحکیم و دیگری پیش‏تثبیت. در مورد اول، ابتدا حفاری زمین صورت می‏گیرد و سپس عملیات تحکیم انجام می‏شود اما در مورد سیستم دوم، قبل از حفاری اصلی حفاری، به منظور کاهش تغییرشکل‏های زمین خصوصاً در زمین‏های نرم و سست و همچنین کاهش ریسک در  زمان حفاری، با انجام اقدامات ویژه و ساخت المان‏های سازه‏ای باربر سعی در مقابله با فشارهای زمین و جمع شدگی حفره را دارد. در خط 7 متروی تهران بخشی از تونل که بصورت دستی انجام شده است با روش حفاری مرحله ایی (Sequential Excavation Method) و ایستگاه­های زیرزمینی کلاً بصورت پیش تثبیت اجرا شده اند. از زمان احداث اولین خط راه‏آهن زیرزمینی در سال 1863 در لندن تا به امروز روش‏های متنوعی برای ساخت ایستگاه‏های مترو پیشنهاد شده است؛ که می‏توان به اجرا به روش کندوپوش، روش تونل‏های دوقلو و چندقلو در کنار یکدیگر، روش ستون‏های میانی و روش اجرای قوس­های مکرر اشاره کرد. علاوه بر این روش‏ها، سیستم‏های پیش‏تثبیتی نظیر لوله‏های چتری، پیش‏ برش خاک، تزریق و انجماد نیز در حین حفاری استفاده می‏شود.

به دلیل کمبود فضا در سطح زمین در محیط های شهری با بافت متراکم، ایستگاه­های مترو در دو طبقه یا بیشتر ساخته می شوند تا بتوان از فضای زیرزمین حداکثر استفاده را برد. طبقه اول ایستگاه به سکوی مسافر و محل عبور قطار اختصاص داشته و طبقه دوم سالن فروش بلیط و فضاهای تجهیزاتی ایستگاه می باشد. سایر طبقات در صورت وجود کاربردهای شهری مانند پارکینگ و فروشگاه کاربرد دارند. در خط 7 متروی تهران به دلیل یکپارچگی طراحی و اجرا، مطالعات و بررسی جامعی در روشهای اجرایی خطوط قبلی مترو در ایران و جهان انجام شد و بازنگری اساسی در این حوزه علاوه بر افزایش راندمان، بهینه سازی طرح ها و کاهش هزینه تمام شده تا 30 درصد را به دنبال داشته است. مسیر خط 7 بصورت L شکل بوده که درمسیر شرقی-غربی آن از شهرک امیرالمومنین در جنوب شرقی تهران آغاز و با عبور از بزرگراه شهید محلاتی، خیابان قیام و مولوی در تقاطع خیابان هلال احمر و بزرگراه شهید نواب صفوی به سمت شمال تغییر مسیر می دهد و با عبور از بزرگراه نواب، در مجاورت تونل توحید به سمت شمال ادامه یافته و با گذر از میدان صنعت تا میدان کتابی در سعادت آباد ادامه می یابد (شکل 1). این خط که عمیق­ترین خط متروی تهران بوده دارای 22 ایستگاه (بدون ایستگاه های تقاطعی) است که 17 ایستگاه آن بصورت زیرزمینی و با روش پیش تثبیت از نوع ریب و شمع اجرا شده­اند. روش ریب و شمع یکی از روشهای مرسوم و بومی در کشور است که در آن از المانهای بتنی قوسی در سقف و شمهای بتنی در طرفین محدوده ایستگاه با فواصل معین اجرا می شود. این روش برای ساخت ایستگاه های مترو در ایران به دلایل ذیل بسیار مورد استفاده قرار می گیرد:

• عدم نیاز به ماشین آلات خاص و حفاری توسط نیروی انسانی و دستی
• امکان حفاری در احجام بالا در زمینه های سست
• امکان اجرای سیستم سازه موقت (Temporary Support) در چند جبهه بصورت همزمان
• امکان اجرای ایستگاه در اعماق کم بصورت زیرزمینی (نسبت به روش­­های NATM نشست کمتری دارد)

شکل (1)- پلان کلی مسیر خط 7 متروی تهران

در ساخت خطوط متروی شهری، اجرای تونل نسبت به ساخت ایستگاه ارجح است تا بتوانند علاوه بر ایجاد دسترسی بیشتر به جبهات کاری کل پروژه، بلافاصله پس از اتمام ساخت تونل عملیات ریل گذاری انجام شود. 90 درصد تونل خط هفت مترو با روش مکانیزه با دستگاه TBM-EPB اجرا شده است و بدلیل اینکه اجرای تونل زودتر از ایستگاه ها آغاز شده لذا در محدوده اکثر ایستگاه ها، تونل ساخته شده است. از اینرو حتی اگر شرایط ژئوتکنیکی و روباره مناسب هم در محل ایستگاه ها وجود داشته باشد، با توجه به اینکه بخش بزرگی از خاک محدوده ایستگاه قبلا توسط تونل حفاری و لاینینگ شده است، استفاده از روش های مرحله ایی (Sequential Excavation Method) در ساخت این ایستگاه ها امکان­پذیر نیست. بنابراین کلیه ایستگاه های با عمق متوسط و زیاد با روش ریب و شمع ساخته شده اند. با توجه به احداث سازه موقت از نوع قاب بتنی در این روش در محیط بیرونی فضای ایستگاه و پایداری سازی زمین میزبان، تخریب تونل احداث شده در محدوده ایستگاه برای ساخت سکوی مسافر با سهولت انجام می شود (شکل 2).

شکل (2)- نمای سه بعدی و شماتیک از ایستگاههای دوطبقه زیرزمینی خط 7 متروی تهران و موقعیت تونل اجرا شده (ساخت تونل قبل از ساخت ایستگاه انجام شده است)

در روش ریب و شمع ابتدا از سطح زمین یک گالری یا شفت دسترسی به تراز طبقه دوم ایستگاه احداث می شود. پس از آن یک گالری پاترول رو به موازات محور طولی ایستگاه در این تراز با ابعادی به عرض 3 تا 4 متر و ارتفاع 5/4 تا 6 متر اجرا می شود. از این گالری دستک های عرضی (Adit) تا محل شمع های طرفین احداث می شود تا بتوان شمعها را اجرا نمود. شمع ها به صورت یک در میان اجرا می شوند و قطر آن ها معمولاً بین 80 تا 120 سانتی متر است. سپس حفاری، تسلیح و سپس بتن ریزی قوس بتنی انجام می شود (Concrete Arc). قوس های بتنی دارای مقطع نیم بیضی با عرضی حدود 80 تا 120 سانتیمیتر و ارتفاعی حدود 130 تا 170 سانتی متر دارند. قوس های بتنی بصورت حداقل سه در میان اجرا می شوند تا از پایداری خاک حین حفاری اطمینان حاصل شود. تسلیح ریب و شمع با آرماتور یا پروفیل فلزی انجام می شود. این سیستم سازه ای به عنوان سازه موقت (Temporary Support) بوده و پس از حفاری فضای حفره ایستگاه، لاینینگ بتنی (Concrete Permanent Support) اجرا می شود. با اجرای کامل یک ریب و دو شمع در طرفین، در واقع یک قاب بتنی بوجود می آید که مقاومت کافی در برابر فشار خاک و جمع شدگی حفره را دارد و از سختی بسیار بالایی برخوردار است. حداقل و حداکثر فاصله مرکز به مرکز شمع ها به ترتیب 2D و 4D و فاصله بهینه آنها 2.5D تا 3.5D می باشد. از این رو فواصل شمع‌ها عموماً حدود 2 تا 3 متر می باشد. برای تشریح بهتر روش مذکور، مراحل اجرایی عمومی سیستم ریب و شمع در ایستگاه یک طبقه در شکل 3 ارائه شده است.

شکل (3)- مراحل عمومي اجراي زيرزميني ايستگاه مترو به روش ریب و شمع، ایستگاه یک طبقه

با توجه به توالی اجرای المانهای سازه ایی شامل ریب و شمع و به دنبال آن مراحل خاکبرداری و تعریض ایستگاه، سناریوهای مختلفی برای اجرای ایستگاه های خط 7 مدون شده است که با اعمال تغییرات در توالی خاکبرداری ایستگاه، ایجاد جبهه­کارهای مختلف و اجرای اجزای مختلف سازه‏ی ایستگاه، می‏توان مقدار نشست سطحی، آسیب وارد بر سازه‏های سطحی و دست خوردگی در زمین را کنترل نمود. در ادامه انواع این روش ها تشریح شده است.

1. روش اول

این روش ریب و شمع با استرات در 12 مرحله اجرا می­شود که عبارتند از:

• حفاری گالری پاترول رو و گالری راس به منظور بتن­ریزی ریب
• اجرای دستک های عرضی و حفاری گالری سر شمع
• حفاری شمع
• تسلیح و بتن­ریزی شمع
• حفاری ریب
• تسلیح و بتن­ریزی ریب
• حفاری سـالن فروش بلیت و قسمـتی از سکو به همـراه نصب وایرمش، شاتکریت و استرات برای کنترل لنگر وارده به شمع از طرف خاک و تغییرشکل جانبی
• حفاری کامل سکو و تخریب سگمنت­های تونل
• نصب پوشش آب­بندی و اجرای فونداسیون و دیوارهای سکو و حذف استرات در فواصل مشخص
• اجرای دال کف سالن فروش بلیت و دیواره­ی آن
• اجرای سقف سالن فروش

در شکل 4 توالی مراحل اجرا با روش اول نمایش داده شده است. در هیچ یک از ایستگاه های خط 7 متروی تهران از این روش استفاده نشده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (4)- مراحل عمومي اجراي زيرزميني ايستگاه مترو به روش ریب و شمع، روش اول

2. روش دوم

این روش با شمع مرحله دوم در 12 مرحله اجرا می­شود که عبارتند از:

• حفاری گالری پاترول رو و گالری راس
• اجرای دستک ها و حفاری گالری سر شمع
• حفاری شـمع کوتاه (مرحله اول)، تسلیح و بتن­ریزی آن
• حفاری ریب، تسلیح و بتن­ریزی آن
• حفاری قسمتی از سالن فروش بلیت
• حفاری شمع بلند (مرحله دوم)، تسلیح و بتن­ریزی آن
• حفاری کامل سالن فروش بلیت و نصب مش و شاتکریت
• اجرای دال تیکت هال برروی خاک
• نصب پوشش آب­بندی و اجرای لاینینگ کامل سالن فروش بلیت
• حفاری کامل سکو و تخریب سگمنت­های تونل
• اجرای لاینینگ سکو

در شکل 5 توالی مراحل اجرا با روش دوم نمایش داده شده است. این روش در ایستگاه های G7، O7، P7، Q7، T7، S7 اجرا شده است.

 

 

 

 

 

 

 

شکل (5)- مراحل عمومي اجراي زيرزميني ايستگاه مترو به روش ریب و شمع، روش دوم

3. روش سوم

این روش با استفاده از توده خاک در 11 مرحله اجرا می­شود که که تا مرحله‏ی 7 مشابه روش اول است و سایر مراحل عبارتند از:

• حفاری سـالـن فروش بلیت و نصب مش و شاترکیت
• نصب پوشش آب­بندی و اجرای لاینینگ سالن فروش بلیت
• حفاری سکو به صورت مرحله ایی
• اجرای لاینینگ سکو به صورت مرحله ایی

در شکل 6 توالی مراحل اجرا با روش سوم نمایش داده شده است. این روش در ایستگاه های E7، H7، I7، J7، L7، M7، X7  و Y7 اجرا شده است.

شکل (6)- مراحل عمومي اجراي زيرزميني ايستگاه مترو به روش ریب و شمع، روش سوم

4. روش چهارم

روش چهارم با ریب نعل اسبی، در 11 مرحله اجرا می­شود که عبارتند از:

• حفاری گالری پاترول رو و گالری راس
• اجرای دستک های عرضی و حفاری گالری سر شمع
• حفاری ریب
• تسلیح و بتن­ریزی ریب
• حفاری طرفین سـالن فروش بلـیت و نــصب مش و شاتـکریت
• حـفاری شمع
• تسلیح، بتن­ریزی شمع، تعریض کامل و اجرای دال تیکت هال
• حفاری سکو
• نصب پوشش آب­بندی و اجرای لاینینگ سکو
• نصب پوشش آب­بندی و اجرای لاینینگ سالن فروش بلیت

در شکل 7 توالی مراحل اجرا با روش زین اسبی نمایش داده شده است. این روش در ایستگاه­های D7، R7 و U7 اجرا شده است.

 

 

 

 

 

 

 

شکل (7)- مراحل عمومي اجراي زيرزميني ايستگاه مترو به روش ریب و شمع، روش زین اسبی

در روش اول نقش استراتها کنترل تغییر شکل افقی شمع ها و به دنبال آن پایداری کل قاب بتنی می باشد. در این روش فضای حفاری به حدود 300 مترمربع در هر متر طول است که با توجه به شرایط ژئوتکنیکی زمین میزبان در مسیر خط 7 و نیز وجود حفرات زیرزمینی و بافت فرسوده متراکم به خصوص در امتداد شرقی-غربی روشی با ریسک بالا و غیر اصولی به نظر میرسد. همچنین اجرای استرات بدلیل زمان بر بودن پروسه نصب و برچیدن آن، باعث افزایش هزینه تمام شده و زمان اجرا خواهد شد. بنابراین در خط 7 با توجه به مطالب بالا از این روش استفاده نشده است. روش دوم و سوم تقریباً مشابه هستند با این تفاوت که در روش دوم برای کنترل تغییر شکل جانبی خاک در تراز سکو و نیز تحمل وزن لاینینگ طبقه فوقانی، از شمعهای بلند استفاده می­شود ولی در روش سوم شمع­های اولیه که تا تراز زیر فتداسیون ادامه داده شده اند نقش باربری جانبی داشته و برای تحمل وزن لاینینگ طبقه بالا از ظرفیت باربری سازه تونل حفر شده و خاک بستر آن استفاده شده است. در شرایطی که همزمان با اعملیات اجرایی ایستگاه، تونل نیز در حال اجرا باشد (مانند ایستگاه های O7 و P7)، استفاده از روش دوم توصیه می­شود تا بتوان به صورت همزمان با ساخت تونل عملیات سازه نگهبان ایستگاه، تعریض و لاینینگ طبقه سالن بلیط انجام شود و پس از ساخت تونل با تعریض تراز سکو و تخریب تونل مکانیزه، سکو را در طول های تا 50 درصد کل طول ایستگاه (بسته به شرایط خاک میزبان و تراز آبهای سطحی) اجرا نمود. از معایب اساسی روش دوم می توان به صعوبت در حصول کیفیت در نحوه آب بندی ایستگاه در محل اتصال دال سالن بلیط و شمع­های بلند اشاره کرد که این موضوع استفاده از روش سوم را برای اطمینان از آب بندی ایستگاه مطلوب تر می­کند. روش دوم و سوم نسبت به روش اول (ریب و شمع و استرات) دارای محاسن دیگری نیز هست که از آن جمله می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• عدم اجرا و برچیدن استرات
• کاهش آرماتور شمع و ریب
• اجرای بتن دال کف تیکت هال روی خاک و عدم نیاز به قالب بندی و اجرای پایه های قالب
• اجرای همزمان عملیات نازک کاری و تاسیساتی بخش سالن فروش بلیط به موازات اجرای سازه بخش سکو
• افزایش ضریب اطمینان پایداری سازه زیرزمینی حین ساخت به دلیل کاهش ابعاد ناحیه حفاری شده (حدود 150 متر مربع در هر متر طول)

روش چهارم در موارد خاص که زمان بندی عملیات اجرای کوتاه باشد و از طرفی جنس زمین مناسب بوده و تراز آب پایین باشد قابل اجرا خواهد بود. در این روش به دلیل اینکه ابتدا ریب ها اجرا می­شوند و پس از تعریض طبقه فوقانی می­توان در فضای بزرگتری شمع ها را بصورت یکپارچه حفاری نمود و سپس دال را روی خاک و بصورت درجا اجرا کرد، دارای سرعت اجرایی بسیار بالای خواهد بود. لاینینگ را نیز می توان از بالا به پایین (ابتدا تراز سالن بلیط و سپس تراز سکو) و یا از پایین به بالا اجرا نمود که این نکته با توجه به اهمیت هر جبهه کاری دارای اولویت، می تواند بسیار کاربردی و راهگشا در بهره­برداری زود هنگام از ایستگاه باشد.

شکل (2)- روش اجرای نوع “3”، مراحل 8 و 9، اجرای لاینینگ کف و دیواره	شکل (2)- روش اجرای نوع “2”، مرحله 8، آماده سازی طبقه فوقانی جهت اجرا لاینینگ
شکل (2)- روش اجرای نوع “2، 3 و 4″، تعریض سکو و آماده سازی جهت اجرای لاینینگ	شکل (2)- تخریب سازه تونل جهت تعریض تراز سکو، روش اجرای نوع “2”، “3” و “4”
شکل (2)- روش اجرای نوع “2 و 4″، اجرای شمع­های بلند از تراز سالن بلیط
شکل (2)- روش اجرای نوع ” 2، 3 و 4″، تعریض تراز سکو در طول های محدود و مجزا جهت حفظ پایداری	شکل (2)- روش اجرای نوع ” 4″ (زین اسبی)، اجرای لاینینگ طبقه فوقانی و تعریض تراز سکو
شکل (2)- روش اجرای نوع ” 2، 3 و 4″، تعریض تراز سکو و آماده سازی جهت لاینینگ