اثر زلزله بر سازه های زیر زمینی و تونل مترو

تاثیر گسلش بر تونلها

5- 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.

5-1-     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 یا سایر سازه‌های زیر زمینی از اهمیت خاصی برخوردار است.

در واقع بسیاری از سازه‌های زیر زمینی و بخصوص تونلها دارای تقاطع‌هایی با گسلها می‌باشند که این امر باعث آسیب پذیری آنها بر اثر حرکت گسل می‌گردد. 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 دقیقا شناسایی گردند، 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 دقیقا بررسی گردد. 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  پیش بینی نوع حرکت، میزان جابجائی و زمان احتمالی گسلش در اینده 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 گردد. 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 نفاوت دبی به کار خود ادامه دهد.

5-2-     انواع جابجایی های گسلی

معمولا جابجایی گسلها به سه شکل نرمال، معکوس و امتداد لغز انجام می شود که در نوع امتداد لغز جابجائی افقی و در دو نوع دیگر جابجایی قائم می‌باشد. البته معمولا در طبیعت حالات ترکیبی از این حرکات مشاهده می‌شود و به ندرت می‌توان گسلی را یافت که صرفا در جهت افقی یا قائم حرکت کند. قسمتهای مختلف یک گسل و انواع حرکات گسل در شکل 5-1 نشان داده شده است.

شکل 5-1 قسمتهای مختلف یک گسل و انواع جابجائی آن

5-3-     جابجائی گسل در چند رویداد مهم لرزه‌ای:

هر چند در اکثر واقع در هنگام زلزله جابجائی گسها در حد چند ده سانتی متر میباشد ولی در رویدادهای بزرگ لرزه‌ای این جابجائی می‌تواند به چند متر نیز برسد. در این قسمت مثالهایی از برخی زلزله های مهم جهانی و داخلی جهت روشن شدن اهمیت گسلش ارائه می‌گردد:

§        زلزله سان فرانسیسکو (1906): در این زلزله حرکت گسل سان آنریاس موجب تخریب و برهم خوردگی وضعیت بسیاری از راهها، حصارها، خطوط لوله، پل و تونلها در امتداد گسل شد. پهنای زون شکستگی در این مورد از چند ده سانتی متر تا بیش از 15 متر متغیر بود و ترکهای زیادی نیز در دو طرف گسل اصلی تا شعاع چند ده متری ایجاد شد. مقدار جابجائی افقی با آنچه که توسط جابجائی حصارها و یا راهها قابل اندازه‌گیری بود از 5/2 متر تا 5/4 متر متغیر بوده است که در بعضی نقاط به 5/6 متر هم میرسیده است.

§        زلزله سان فرناندو (1971): نوع گسل در این زلزله شیب لغز معکوس بوده است. گسلش در ناحیه‌ای به وسعت 15 کیلومتر ایجاد شد و با حرکات لغزشی معکوس و امتداد لغز چپ گرد همراه بوده است. در ناحیه سان فرناندو  حداکثر جابجائی بصورت چپ گرد 9/1 متر و بصورت شیب لغز 5/1 متر بوده است. اختلاف سطح عمودی حاصله برابر با 39/1 متر بوده و کوتاه شدگی در جهت قائم بر روند زون 55/0 متر بوده است.

§        در زلزله کوبه ژاپن (1995) با بزرگای 2/7 گسل نوجیما در جهت قائم 3/1 متر و در جهت افقی 8/1 متر جابجا شده است.

§        در زلزله های ایران نیز جابجائی های قابل توجهی در گسلها در برخی از زلزله‌های بزرگ دیده شده است که خلاصه‌ای از آن در جدول (5-1) آورده شده است.

جدول (5-1) برخی از زلزله‌های مهم ایران در سالهای 1900 تا 1980 که همراه با گسلش قابل توجه بوده‌اند.

5-4-     جابجائی در سطح و جابجائی در عمق :

نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که در اکثر موارد میزان جابجائی در عمق با میزان آن در سطح فرق می‌کند. به عنوان مثال، میزان جابجائی حاصل از گسلش در زلزله 1952 کالیفرنیا در سطح زمین حدود یک متر و در عمق 160 متری این مقدار 5/2 متر بوده ‌است.در زلزله 1978 ژاپن نیز میزان جابجایی در عمق حدود 5/0 متر و در سطح زمین تنها برابر 19/0 متر بود. در تمام موارد اندازه‌گیری شده، میزان جابجائی در عمق بیش از سطح زمین بوده است؛ ولی در حال حاضر با توجه به کمبود اطلاعات از میزان جابجائی‌ در عمق نمیتوان رابطه‌ای را بین عمق و جاجائی حاصل از گسلش تعیین کرد. لذا، معمولا از همان مقادیر سطحی با ضرایبی که به اهمیت طرح بستگی دارند برای عمق استفاده می‌گردد. به عنوان مثال، در یک مطالعه کاربردی در رابطه با متروی لوس آنجلس که با گسل هالیوود و چین خوردگی کویوت (Coyote) برخورد دارد از حداکثر جابجایی سطحی برای طراحی تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است. در این مورد حداکثر جابجایی سطحی برای طراحی تونل در محل برخورد با گسل استفاده شده است. در این مورد حداکثر جابجایی سطحی ثبت شده در مورد گسل هالیوود برابر دو متر و برای چین خوردگی کویوت برابر 5/0 متر بوده است. باید توجه داشت که تونل در عمق 50 متری با این ساختارهای زمین شناسی برخورد می‌کند.

لازم به توضیح است که بررسی خصوصیات جابجائی و گسیختگی در طول یک گسل نشان می‌دهد که میزان جابجایی در نقاط مختلف در طول گسل یکسان نیست. باتوجه به متغیر بودن مقدار جابجائی در نقاط مختلف یک گسل، لازم است جهت تحلیل میزان جابجایی از روشهای آماری استفاده شود. تا کنون کلیه روابطی که برای برآورد جابجایی با استفاده از بزرگا ارائه شده‌اند بر اساس تحلیلهای انجام شده بر روی حداکثر مقادیر جابجائی بوده‌اند. مقادیر جابجائی که با این روابط بدست می‌اید درواقع مطابق با وضعیتی می‌باشد که سازه در محلی ساخته شده است که حداکثر جابجائی در آن محل وجود دارد؛ ولی محاسبات نشان می‌دهند که  این مقدار جابجائی حداکثر تنها در قسمت کوچکی از کل طول گسیختگی و در حدود 3 تا 5 درصد آن ایجاد می‌شود. لذا احتمال برخورد حداکثر جابجائی با ساختگاه طرح کم است و طراحی بر این اساس مقرون به صرفه نیست. امروزه روشهای آماری مختلفی در طراحی سازه‌ها و فضاهای رو و زیر سطحی روی گسلها ارائه شده‌اندکه می‌توان از آنها استفاده نمود.

5-5-     روشهای کاهش صدمات ناشی ار گسلش روی تونلها و سازه‌های زیر زمینی

معمولا 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 بعمل اید. 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 معمولا با قبول مقداری جابجایی در مقطع تونل سعی می‌شود که در محل برخورد تونل با گسل اتصالاتی تعبیه گردد 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 می‌باشد. 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. این عمل در مورد خط متروی لوس آنجلس انجام شده است. در این تونل زیر زمینی در محل برخورد تونل با گسل هالیوود، سطح مقطع به اندازه دو متر که برابر با حداکثر جابجایی محتمل ناشی از گسلش بود بزرگتر از سطح مقطع سایر نقاط، طراحی و اجرا شد و قسمت اضافی با سنگ ریزه پر شد.  شکل 5-2 نحوه انجام این کار را روی مقطع تونل نشان می‌دهد.

 شکل (5-2) طراحی تونل متروی لوس آنجلس در محل برخورد با گسل هالیوود

در محل برخورد با گسلها پیشنهادهایی توسط هرادیلک ارائه شده است:

§        درزه‌های لرزه‌ای در فواصل نزدیکی فرار داده شوند.

§        مقاومت برشی کل اطراف درزه‌ها طوری باشد که رابطه 2R<ql صادق باشد. در این رابطه R مقاومت برشی درزه، q حداقل بار طراحی عرضی بر واحد طول مجرا و L فاصله بین درزه‌ها می‌باشد.

§        اگر ناحیه گسله، فعال تشخیص داده شده است و یا مجرا بسیار حائز اهمیت باشد، در انتهای قطعات و نواحی ضعیف مجرا باید مقاوم سازی انجام گیرد.

§        اگر امکان تغییر مکان زیادی وجود دارد، سطح مقطع بزرگتر از حد مورد نیاز طراحی و ساخته شود.

§        در نواحی گسله تغییرات در هندسه یا خواص مجرا (بجز در درزه‌های لرزه‌ای) تغییرات ناگهانی جهت، تقاطع ها و ... نباید انجام شود.

§        درزه‌های دارای زهکشهای جانبی باید کمی حرکت را تحمل کنند. بدین منظور می‌توان از اتصالات یقه‌ای نئوپرن (Neoprene) یا مصالح مشابه استفاده کرد.