תכנון וביצוע מנהרות בדחיקה בחתך ארגזי
1. הקדמה 
מובילים תת קרקעיים מחומרים שונים ובגדלים שונים שמשו את התרבות האנושית במשך כל תקופות ההסטוריה. ממצאים ארכיאולוגיים של מובילים תת קרקעיים מראים על ידע בהנדסה כבר בתקופות קדומות ביותר.
כיום משמשים מובילים תת קרקעיים את האנושות כמובילי ביוב, ניקוז, כבלי תקשורת, מערכות תחבורה מהירה - רכבת תחתית, מעברים תת קרקעיים להולכי רגל, ניקבות לאחסנת גזים ודלק ועוד.
למרות השימוש הרב במשך הדורות במנהרות, רק בעשרות השנים האחרונות אומצו שיטות חישוב הנדסיות הנותנות בטוי לעקרונות התכנונים של המנהרות כפי שנלמדו ממחקרים וניסויים בפרוייקטים שונים.
עקרונות התכנון והגישה ההנדסית למנהרות דומים לזו שבה אנו מטפלים בכל מבנה הנדסי אחר, כלומר, מגדירים את הכוחות החיצוניים הפועלים על המובילים כגון עומס הקרקע, עומס התנועה שמעל למוביל, השפעות של כוחות צידיים על המנהרות, כוחות רעידת אדמה או כל כוחות אופקיים העלולים להתפתח בסביבה בה עובר המוביל.
במובילים המיועדים להעברת נוזלים או גזים בלחץ, יש להתחשב גם בכוחות הלחץ הפנימיים הנוצרים בזמן הובלת הנוזלים.
הגורם השני בתכנון ההנדסי הוא לקבוע את כושר הנשיאה של המבנה המתוכנן לקבלת כל הכוחות החיצוניים שהוזכרו לעיל.
כושר הנשיאה או התמיכה של המבנה המתוכנן מבוסס בעיקר על שלושה גורמים:
- חוזק המבנה עצמו.
- חלוקת העומס האנכי מלמעלה והריאקציה מלמטה.
- גודל וחלוקת כוחות הלחץ האופקיים הפועלים על דפנות המבנה.
- שני הגורמים האחרונים תלויים במידה רבה בסוג הקרקע בו עובר המוביל או המהנהרה.
קיימים סוגים שונים של מובילים; הם יכולים להיות יצוקים באתר בחפירה פתוחה בחתכים שונים מרובעים, עגולים, קשתיים ועוד, או חפורים בשיטות מנהור שונות ובנויים תוך כדי חפירה מטבעות בטון פלדה או יצוקים באתר באמצעים שונים.
2. מינהור בשיטת הדחיקה
2.1 כללי
ידועות שיטות רבות לחפירת/חציבת מנהרות. אופי העבודה תלוי בגודל המנהרה ובסוג הקרקע בו היא מבוצעת. מנהרות בחתכים גדולים המיועדות לתנועה תת-קרקעית, כגון רכבת תחתית או תנועת כלי רכב, ייחפרו בשיטה שונה מזו המיועדת לביוב, קוי תקשורת ומעברים תת קרקעיים להולכי רגל.
אנו נדון במאמר זה במנהרות בעלות חתך ריבועי של 4.0x4.0 מ' ובשיטה הידועה כשיטת הדחיקה (Pipe jacking). להלן תאור קצר של הנקודות המאפיינות את שיטת הביצוע.
באופן עקרוני המנהרה מבוצעת ע"י דחיפת צינורות בטון טרומיים בחתכים אחידים וקבועים מראש מנקודה התחלתית לנקודה אחרת הנמצאת במרחק מסויים עד 200 מ' בערך ממנה. המרחק לדחיקה נקבע ע"י גודל המנהרה וסוג הקרקע בו היא חפורה. ככל שגודל המנהרה קטן יותר ואופי הקרקע יציב יותר, ניתן לדחוק למרחקים גדולים יותר.
ביצוע מנהרה בשיטה זו הינו אידיאל לאזורים עירוניים בהם יש ריכוז גבוה של צנרת תת-קרקעית הממוקמת במפלס רדוד יחסית בעומק 1-2 מ' מתחת לפני הכביש או המדרכה.
המנהרות המיועדות לביצוע בשיטה זו הינן בעיקר למערכות תקשורת תת-קרקעית, כגון טלפונים, חשמל ועוד, או ביוב, ניקוז וכד'. כמו-כן מועדף ביצוע מנהרות בשיטה זו גם למעברי הולכי רגל תת-קרקעיים מתחת לדרכים ראשיות כשעיקרון הביצוע הוא למנוע הפרעה לתנועה הרצופה בכביש הראשי.
2.2 תאור השיטה
לאחר בחירת תוואי המנהרה ועומקה בהתאם לטופוגרפיה, לסוג הקרקע ולשירותים התת-קרקעיים הקיימים, המתכנן קובע את מיקום נקודות הדחיקה - פירים ורטיקאליים - שהם למעשה נקודות התחלה וסוף המנהרה.
עומק המנהרה האידיאלי נע בדרך כלל בין 8-12 מ' מתחת לפני הקרקע וזאת על מנת להגיע לשכבות יציבות של הקרקע ובעלות אופי אחיד וכן על מנת להיות מספיק עמוק מתחת לכל המכשולים העלולים להיות קיימים בתוך סביבה עירונית כגון ביוב, חשמל, מים, ניקוז, יסודות ישנים, עוגני קרקע וכד'.
בפרוייקט המתואר כאן עומק המנהרה נקבע מאילוצי הכניסה לתחנה התת-קרקעית והיציאות המוכתבות ע"י הטופוגרפיה ופיתוח השטח.
דחיקת הצינורות נעשית בעזרת מערכת של ג'קים המפעילים כוחות גדולים על גבי אלמנטי הבטון ודוחפים אותם אל תוך הקרקע. האדמה החפורה המצטברת תוך כדי פעולת הדחיקה מורחקת מתוך המנהרה כלפי חוץ בעזרת קרוניות מיוחדות המורמות כלפי מעלה, בעזרת מנופים מיוחדים או מערכת סילוק קרקע - מסוע (קונבייר) אופקי ואנכי.
הפירים הורטיקליים החפורים הינם בחתך מלבי ובהתאם לגודל אלמנטי הדחיקה מידה המאפשרת עבודה שוטפת וחפשית. הפירים מדופנים בעזרת כלונסאות בטון יצוקים אחד כנגד השני או בעזרת פחי פלדה מסוג אגן או תוצרת אחרת (Aramco) ונקראים בשם Linear Plates. פחי הפלדה עשויים מסגמנטים מעגליים ומתחברים אחד לשני בברגים ויוצרים מעגל התומך את האדמה שמאחוריו.
כל קטע מנהרה מתחיל בפיר דחיקה ונגמר בפיר הוצאת הציוד כפי שהוסבר. אורך הקטעים תלוי בסוג הקרקע, בכל מקרה לא פחות מ- 70-80 מ' ויכול להגיע ל- 200 מ' ויותר. בנוסף לנ"ל, בכל מקרה בו המנהרה משנה את כיוונה האופקי או האנכי, יש צורך לבצע פיר ורטיקלי. שינויים קלים בכיוון ורדיוסים ניתנים לכיוון תוך כדי דחיקה וכפי שיפורט להלן.
דחיקת המנהרה מבוצעת בשלבים, כשהג'קים דוחפים את קופסאות הבטון כ- 30 ב"מ פנימה אל תוך תוואי המנהרה. קופסאות הבטון שאוכם 4.0 מ' מחוברים האחד לשני באמצעות מסגרת פחי פלדה מותאמים וטבעת ניאופרן ביניהן.
כשמקטע אחד הוחדר כמעט כולו אל תוך הקרקע, מורד מקטע נוסף ומתחבר אליו כמו קרון נוסף אל הרכבת הארוכה של הקרונות (צינורות), עד שמתקבלת מנהרה נמשכת המורכבת ממספר צינורות רב עד לסגירת המרחק בין שני הפירים הורטיקליים (נקודת ההתחלה וסוף המנהרה).
כוחות הדחיקה המופעים על ידי מערכת הג'קים מוגבלת ל- 2400 טון, כאשר מקטעי הבטון מתוכננים לקבלת כוחות אופקיים עד 1200 טון. כאשר כוחות הדחיקה עולים לערכים גבוהים המתקרבים ל- 800 טון והמנהרה עדיין לא בוצעה לכל אורכה, יש צורך להכניס תחנת ביניים (S.J.I) שהיא תחנת ג'קים נוספת, כעין קטר נוסף לאורך הרכבת הארוכה.
תחנת ביניים זו המורכבת מ- 12 ג'קים קטנים, מסוגלת לפתח כוחות דחיקה השווים בגודל, לכוחות הדחיקה של מערכת הג'קים הראשית הנמצאת בתחילת המנהרה.
לאחר שכוחות החיכוך גברו ועדין לא הושלמה המנהרה, ניתן להוסיף תחנת ביניים שניה, שלישית וכן הלאה, עד שמתקבלת מנהרה שלמה.
במנהרות בחול שפיך המרחק בין תחנות הביניים הוא 20-15 מ', בהתאם לאופי הקרקע.
הוצאת הקרקע החפורה נעשית באמצעות קרוניות מיוחדות המיועדות לכך ובעזרת מנוף המוציא אותן דרך הפיר ומרוקנן אל משאיות מחכות, או ערימת חול. ניתן להוציא את המחפורת גם בעזרת קונבייר.
איור מס' 1
איור מס' 2
2.3 בחירת התוואי
בבחירת התוואי חייב המתכנן להביא בחשבון מספר שיקולים על מנת לאפשר עבודה רצופה וללא עיכובים.
- שירותים תת קרקעיים קיימים.
- אופי שכבות הקרקע והשתנותן בעומק.
- עומק מי תהום.
- סמיכות למבנים קיימים.
- אלמנטים קונסטרוקטיביים תת קרקעיים כגון עוגני קרקע.
- אופציות תכנוניות בעתיד כגון רכבת תחתית.
- מיקום ארובות איוורור ויציאות חירום.
בפרוייקט המוצג כאן, מנהרות הולכי רגל תת-קרקעיות משמשות לכניסה וליציאה מתחנת האוניברסיטה של רכבת הפרברים הממוקמת בתוואי מסילות ת"א חיפה מצפון לגשרי איילון ירקון ושד' רוקח ומול הכניסה למרכז הירידים ומול הכביש העולה מנתיבי איילון דרום לכיוון אוניברסיטת ת"א.
התחנה התת-קרקעית ממוקמת בין המסילות הנוסעות צפון דרום ומתפצלות לרכבת הפרברים לכיוון כפר-סבא, רעננה.
בפרוייקט המתואר כאן אין צורך במבנים מקשרים היות והמעברים התת-קרקעיים עוברים מנקודה אחת חיצונית אל תוך תחנת הרכבת הממוקמת במרכז.
במקרים בהם יש התפצלות של כניסות ויציאות לכיוונים שונים יש צורך לבנות מבנה מקשר שהוא למעשה משמש גם כפיר דחיקה ל- 2 או 3 כיוונים בו זמנית. המבנה המקשר יכול להיות מבנה עם יציאה החוצה במידה והוא ממוקדם ומתוכנן כך או שהוא מבנה זמני בלבד המשמש לדחיקה ולאחר מכן נסגר בתקרה ורצפה ומהווה חלק ממערכת המעברים התת-קרקעיים.
2.4 מערכת הג'קים הראשיים (M.J.S)
כפי שתואר בתחילת המאמר, "הכח המניע" את ביצוע המנהרה הוא מערכת ג'קים הראשיים הממוקמים בתחתית פיר הדחיקה והם המאפשרים את פתוח כוח הדחיקה הדרוש לביצוע המנהרה.
המערכת מורכבת מ- 4-6 ג'קים המפתחים כוח עד 2400 טון, המופעל בשלבים ע"ג מערכת העברת כוחות לצינורות הבטון. הג'קים מופעלים ע"י משאבת לחץ הידראולית הנמצאת בקרבת שוחת הדחיקה וכוח הדחיקה נמדד באופן רצוף ע"י שעון מד לחץ.
חשוב לציין כי גודל הג'קים ומיקומם יהיה כזה שיאפשר התארכות מכסימלית כאורך צינורות הבטון וכן יאפשר הוצאת חומר הכרייה מתוך המנהרה בעזרת קרוניות מתאימות המיועדות לכך.
2.5 תחנות ביניים (S.J.I)
מערכת הג'קים המשניים ממוקמת בתחנות ביניים לאורך המנהרה ובאה לתגבר את אפשרות פיתוח כוח הדחיקה עבור המנהרה.
מערכת זו מורכבת מ- 12 ג'קים קטנים יחסית בעלי כושר התארכות עד 30 ס"מ ומסודרים בהיקף מקטעי הבטון בתוך מסגרת פלדה המיועדת לכך. מעטפת פלדה זו מהווה קטע מן המנהרה. צורתה וגודלה מאפשרים השארתה בתוך האדמה לאחר תום הביצוע (ראה איור מס' 1,2)
תחנות ביניים נדרשות כאשר כוח הדחיקה ממערכת הג'קים הראשית אינו מסוגל להעביר את כל כוח הדחיקה לאורך המנהרה וכשכוחות החיכוך עולים במידה כזו שלא ניתן יותר לדחוק את המנהרה ולהזיזה - אזי מערכת נוספת זו מאפשרת פיתוח כוח דחיקה כדוגמת תחנת הג'קים הראשית ולמעשה מחלקת את המנהרה לאורכה למקטעים שניתן לדחוק אותם קדימה.
המרחק בין תחנות הביניים נקבע ע"י התפתחות כוחות החיכוך והגדלת כוחות הדחיקה עד לגבול שנקבע מראש. המרחק בקטע המנהרה שמופיע בדוגמא היה 20-15 מ'.
למעשה אין כל הגבלה במספר תחנות הביניים לאורך המנהרה. כמובן שיש להשתדל לצמצם את מספר תחנות הביניים בגלל העלות הנוספת לכל הפרוייקט.
2.6 שימון הצנורות (Pipe Lubrication)
על מנת להקטין את החיכוך שבין קופסאות הבטון והחול ולאפשר דחיקה קלה בכוח קטן יחסית, ניתן ל"שמן" את המערכת על ידי הזרקת תמיסת בנטוניט בין צינורות הבטון לבין החול. ריכוז התמיסה נקבע לפי סוג הקרקע.
הזרקת הבנטוניט תעשה בו זמנית דרך חורים הקיימים בדפנות ב- 16 נקודות בכל צד של הקופסאות ובמרחק 2 מ' ביניהם. הזרקת הבנטוניט נעשית באמצעות מערכת צינורות גמישים ומשאבה מיוחדת המיועדת לכך, כשמיכל התערובת נמצא על פני הקרקע והלחץ מועבר אל תוך המנהרה.
בדרך כלל רצוי שהמרחק בין נקודות ההזרקה יהיה כ- 6 מ' כשניתן להגביר את ההזרקות במקרה הצורך גם למרחקים יותר קטנים.
הקבלן צריך להקפיד על ההזרקה באופן שתמיד תמצא המנהרה במצב חיכוך מינימלי בכל היקפה יש לסגור את כל החורים והחריצים העודפים כך שהתמיסה לא "תברח" מתוך המנהרה.
בנוסף להקטנת החיכוך שבין הצינורות לחול - הזרקות הבנטוניט גורמות גם לייצוב הקרקע החולית בעיקר בקרבת המנהרה ומונעת מפולות קטנות תוך כדי עבודה.
נקודות הזרקת הבנטוניט משמשות בתוך עבודת הדחיקה גם כנקודות הזרקת דייס צמנטי לסגירת חללים אפשריים שנוצרו בסביבה החיצונית בזמן הדחיקה.
2.7 המגן הקדמי (Shield)
המגן הקדמי הינו החלק המוביל את המנהרה ונותן לה את הכיוון ואת החיתוך אל תוך הקרקע. המגן הקדמי עשוי מפלדה מתואר להלן או לחילופין יכול להיות מבטון מזוין ומהווה חלק בלתי נפרד מהאלמנט הראשון של המנהרה.
המגן הקדמי הינו שרוול פלדה המורכז משני חלקים:
- המגן עצמו שהינו טבעת פלדה עם קצה חותך בחזיתה המאפשר חדירה אל תוך החול. אורך המגן משתנה מ- 30 ס"מ בחלק התחתון ל- 1.50 מ' בעליון.
- החלק האחורי (Can) שהינו שרוול פלדה ארוך יחסית, כ- 2.50 מ' ומהווה את משטח העבודה בחזית המנהרה.
בחיבור בין החלק הקדמי לחלק האחורי ממוקמים ג'קים לכוון הדחיקה (Steering jacks). בעזרת ג'קים אל הניתן לתקן סטיות בכיוון הדחיקה הנובעת מחפירת יתר או מהתקלות בשכבות קרקע שונות.
כריית החול מתוך המנהרות תיעשה באמצעים מכניים בעזרת מחפרון וסרט נע הממוקמים בחלק האחורי של המגן הקדמי. בקטע המנהרה המוצג כאן, הקטע הראשון של המנהרה כולל את המגן הקדמי נוצק בתוך בור הדחיקה ובכיוון הדחיקה וכולל את כל אביזרי החיתוך ומדף הייצוב בזמן היציקה.
2.8 אמצעי מדידה
עבודות מינהור ועבודות תת קרקעיות מכל הסוגים דורשות מערכת מדידה מתוחכמת, על מנת לוודא ולאפשר מעקב צמוד בכל שלבי העבודה.
אופי העבודה בחללים סגורים ואטומים כלפי חוץ אינו מאפשר התמצאות בשטח ובדיקות כוון פשוטות לצורך מעקב שוטף.
מומלצת מערכת ושיטת מדידה בעזרת קרני לייזר, כשהקרניים מבוייתות לנקודה מחוץ למנהרה ומושלכות כלפי פנים המנהרה, מאפשרות סימון ההיקף החיצוני של המנהרה ונותנות התראה מתאימה בכל מקרה של סטייה בחפירה מכוון התוואי הרצוי.
היות ומדובר במנהרות בדחיקה, קשה גם לתקן כל סטייה. אמנם במערכת המגן הקדמי קיימים ג'קים מכוונים לתיקוני סטיות מסוג זה, אך כל תיקון במערכת הג'קים "לוקח זמן" עד שהוא מופעל ומתבטא בפועל בדחיקת המנהרה. כל תיקון בסטייה גורם לקו שבר בתוואי וכל שנוי כיוון יוצר מכשול נוסף הגורם להגברת כוחות החיכוך לאורך המנהרה, וכתוצאה להגברת כוח הדחיקה. יש להימנע משינויי כיוון תכופים ודבר זה יכול להתבצע בעזרת מדידה שוטפת תוך כדי עבודה, המונעת את הצורך בתיקוני תוואי.
2.9 ייצוב הכביש
אחת הבעיות העיקריות בדחיקת מנהרות ומעברים תת-קרקעיים מתחת לכבישים פעילים היא עומק המנהרה, כלומר, מה עומק תקרת המנהרה מתחת לכבישים.
מעצם הגדרת הפרוייקט - מעבר תת-קרקעי - אנו למדים כי עומק המנהרה צריך להיות מינימלי על מנת לא להוריד את הקהל לעומק גדול ולאחר מכן להרים אותו לפני הקרקע.
בפרוייקט המתואר להלן עומק תקרת המנהרה מתחת לנתיבי איילון הוא כ- 2.0 מ' עד 2.5 מ', שהוא נמוך מאוד בהשוואה לגודל המנהרה 4.0x4.0 מ'.
הפתרון המתבקש הוא ייצוב שכבת תשתית הקרקע הנמצאת מעל למנהרה לרמה כזאת שלא תהיה כל שקיעה בזמן הדחיקה ולאחריה ולמעשה לא תורגש ולא ייגרם כל עיכוב בתנועה על נתיבי איילון בזמן העבודה, למעט פעולות מסוימות שניתן יהיה לבצעם במשולב עם הסדרי תנועה.
העבודה המתוארת להלן ניתנת לביצוע במספר שיטות שאחת מהן היא המיושמת בפרוייקט המתואר:
א. ייצוב עליון אנכי ואופקי (ראה איור מס' 3)
ייצוב שכבת המצע העליונה שמתחת לנתיבי הנסיעה בעזרת הזרקות דייס צמנטי בלחץ בינוני 10-15 באר.
ההזרקות יבוצעו באמצעות אינג'קטורים אנכיים מוחדרים 50-60 ס"מ לתוך הקרקע ובמרחקים של כ- 75 ס"מ ברשת, ושכבת ייצוב אופקית הממוקמת כ- 50 ס"מ מעל לתקרת המנהרה העתידית ובמרחקים של 40 ס"מ בין אחד לשני. ההזרקות נעשות דרך צינורות בקוטר "4 וחומר ההזרקה הוא מיקרוצמנט מסוג ספינול או מיקרודור. לחץ ההזרקה והרכב התמיסה נקבע לפי ניסויים בסוג הקרקע הנמצא באתר המנהרה.
לאחר גמר ההזרקות נוצרת שכבת קרקע מיוצבת המונעת התמוטטות של חול אל תוך המנהרה וכתוצאה גם נמנעת שקיעה אפשרית של הכביש מעל.
ב. ייצוב אופקי ופלטות גישור
בפתרון זה מוחלף ייצוב הכביש בהזרקות אנכיות בפלטות גישור אופקיות עשויות אלמנטים טרומיים מבטון מזוין המחוברים ביניהם לקבל המשכיות אופקית.
הנחת הפלטות מבוצעות במבצעים ליליים כאשר נחפרת השכבה העליונה של תשתית הכביש ומוחזרת לפעילות שוטפת למחרת בבוקר.
ההזרקות האופקיות הם כמו במתואר לעיל.
ג. ייצוב אופקי בלבד (ראה איור 4)
בפתרון מוצע זה ההזרקות האופקיות מבוצעות באמצעות צינורות פלדה בקוטר יותר גדול "5-6 הממוקמים בגובה כ- 50 ס"מ מעל לתקרת המנהרה. הצינורות מוחדרים בקידוח אופקי מכוון (Directional Drilling) מרותכים ביניהם וממולאים בדייס צמנטי מסוג ספינול או מיקרודור ומוזרקים בלחץ בינוני 10-30 באר.
התפשטות והרכב החומר נקבע ע"י ניסוי מקומי 1:1 שנערך באתר בהחדרת צינורות לאורך כ- 30 מ' ובשיטה המקבילה לעבודה בשטח.
בשיטת עבודה זו ניתן לקבל ייצוב הכביש בשכבה התחתונה של השתית ומעל לתקרת המנהרה באופן כזה שניתן למעשה לוותר על שכבת ייצוב נוספת עליונה. (תיאור שיטות ההחדרה של הצנרת יתוארו להלן בתמונות של הציוד לביצוע העבודה).
ד. גישור המסילות
בפרוייקט המתואר המנהרה בדחיקה עוברת גם מתחת ל- 2 מסילות רכבת פעילות. העברת העומסים מהמסילות הפעילות נעשתה ע"י הנחת פלטות גישור הנשענות על 4 כלונסאות שנקדחו בעוד מועד משני עברי המנהרה העתידית. פלטות הגישור הונחו במבצעי לילה וסוף שבוע והמסילה הוחזרה לתנועה שוטפת של הרכבת.
פעולת הגישור של הרכבת היתה הכרחית במקרה זה גם לבנית התחנה עצמה היות וחפירת קירות הסלרי בוצעו בקרבה מסוכנת למסילות פעילות.
איור מס' 3
איור מס' 4
3. אלמנטי המנהרה
3.1 קופסאות הבטון (ראה איור מס' 5)
המנהרה מורכבת משורה של קופסאות בטון בחתך ארגזי במידות חוץ 4.0x4.0 מ' ועובי דופן 30 ס"מ. אורך אלמנט טיפוסי הוא 4.0 מ' ונקבע בשל אילוצי ביצוע והובלה לשטח.
אלמנט מיוחד ראשון באורך 6.76 מ' כולל את המגן הקדמי והוא מיוצר בשיפוע קדמי וחיזוק הדפנות עם אלמנטי פלדה לחיתוך הקרקע בזמן הדחיקה.
סוג הבטון ב50-, אטום בפני חדירת מים.
האלמנטים יצוקים בתוך תבניות פלדה מיוחדות שיוצרו לצורך הענין. הצינורות יצוקים בעמידה אל תוך טבעת פלדה המשמשת לחיבור בין אלמנט אחד לשני.
למערכת התבניות מחוברים מרטטים המאפשרים יציקה רצופה ופירוק מוקדם עם קבלת איכות מקסימלית לטיב הבטון. יש לוודא את יישורות וחלקות התבניות והאלמנטים על מנת להקטין את העיוותים והחיכוך בתוך הקרקע.
בקופסאות ימוקמו חורים מיוחדים להזרקת דייס צמנט. הזרקת דייס צמנט זה מבוצעת בגמר המנהרה והיא חשובה למילוי החללים העלולים להיווצר תוך כדי חפירה ודחיקת המנהרה. מילוי חללים אלה מונע התמוטטות מקומית של הקרקע בסביבות הדופן החיצונית של המנהרה. החורים בדפנות הצינורות משמשים גם להזרקות הבנטוניט בזמן הדחיקה.
3.2 עומסים על מובילים תת קרקעיים
במשך תקופה ארוכה היה מקובל לחשוב שהעומס הפועל על מנהרות הוא משקל עמוד האדמה שנמצא בחתך שמעל למנהרה, בתוספת עומסים ניידים או קבועים כלשהם, הנמצאים מעל לאזור המנהרה.
כתוצאה ממחקר של שנים רבות הוברר שגודל העומס הפועל על המנהרה הוא לא רק פונקציה של משקל עמוד הקרקע שנמצא מעל למנהרה, אלא גם תוספת של כוחות גזירה הנוצרים בקרקע שמעל למנהרה.
כוחות אלה פועלים במישור שבין קצה המנהרה לבין הקרקע הבלתי מופר הקיים בסביבה ונגרמים כתוצאה מהשינויים הדיפרנציאליים שבין שתי שכבות הקרקע השכנות.
בנוסף התברר כי כוחות גזירה אלה פועלים בשני הכיוונים, לעתים הכיוון כלפי מטה ולעתים בכיוון כלפי מעלה, תלוי בכיוון התזוזה שבין שתי שכבות הקרקע.
השפעת כוחות התזוזה היחסית תלויה גם ביחס בין העומסים המופעלים על גבי פריסמת הקרקע שמעל למנהרה, לבין המשקל העצמי של פריסמת הקרקע.
מובן מאליו שיש השפעה מכרעת לעומק המנהרה ולסוג הקרקע בו היא נמצאת: ככל שהמנהרה עמוקה יותר והקרקע קשה ויציבה יותר - כן העומסים הפועלים עליה והשפעת פריסמת הסביבה קטנה.
קיימות מספר תיאוריות המתארות את המרחש בתוך הקרקע כתוצאה מהנחת מוביל תת-קרקעי. אנחנו נראה את סוג הפתרון לגבי 2 מהן:
פתרון לפי מרטסון (Martson), כאשר המוביל התת קרקעי מחושב כאילו היה מונח בתוך תעלה חפורה וממולאת במילוי חוזר מהודק. כוח זה הינו גדול יותר מהכוח האמיתי שיתפתח מעל למנהרה ולכן החישוב הוא על צד הביטחון.
(1) משוואת שווי משקל לגוף חפשי של רצועת הקרקע בכל חתך לגובה המילוי:
(2) זוהי משוואה דיפרנציאלית ליניארית שפתרונה מתבטא בנוסחה:
(3) הלחץ בפני המנהרה העליונים כש- h=H, מתקבלת הנוסחה את הצורה הבאה:
כאשר:
(4) כשמדובר במנהרה כמו במקרה שלנו - מנהרה בדחיקה - צריך להביא בחשבון את הקוהסיה של הקרקע הבלתי מופרית שמעל למנהרה ואז נוסחה (2) מקבלת את הצורה הבאה:
כאשר:
- Wt = עומס על המנהרה (ק"ג/מ"א).
- W = יחידת משקל של קרקע המנהרה (ק"ג/מ"ק).
- Bt = רוחב המנהרה.
- C = מקדם הקוהסיה של הקרקע (ק"ג/מ"ר).
- Ct = מקדם בעל אותם הערכים של מקדמי Cd בנסוחה (3) לעיל.
להלן ערכים מומלצים ל- C - מקדם הקוהסיה עבור סוגי קרקע שונים:
- חרסית רכה - 200 ק"ג/מ"ר.
- חרסית בינונית - 1250.
- חרסית קשה - 5000.
- חול שפיך יבש - 0.
- חול חרסיתי - 500.
- חול קשה (כורכר) - 1500.
נוסחה (4) נכונה לגבי מנהרות החפורות/חצובות בקרקעות בעלות תכונות אחידות פחות או יותר ואשר אינן חשופות לכוחות ולחצים פנימיים.
כאשר המנהרות חצובות בתוך קרקע הניתן לשינוי נפח כגון סוגים מסויימים של חרסיתות או סלעים בלתי יציבים, הכוחות הורטיקאליים אינם מתבטאים רק בנוסחה (4) המצויינת לעיל, אלא בתוספת גורמים נוספים המוזכרים בספרות.
3.3 השפעת עומסים חיצוניים
בנוסף לעומסים הקבועים הנובעים מעומסי הקרקע, מושפעות המנהרות מעומסים ניידים הנובעים מתנועות כלי רכב על פני הקרקע מעל למנהרה ובסביבתה. כוחות חיצוניים אלה מועברים אל המנהרה באמצעות הקרקע שמעל למנהרה.
למותר לציין שככל שהמנהרה יותר רדודה, השפעת כוחות החיצוניים אלה גדולה יותר על קירות המנהרה ועל השקיעה האפשרית. ניסיונות הראו שעומס מרוכז מעל למנהרה מתחלק בהתאם לנוסחת בוסינסק למאמצים בקרקע אלסטי חצי אין סופי.
(5) ניסיונות אלה הוכיחו שעוצמת הנגיפות של רכב נוסע מעל לאזור המנהרה יכול להתבטא בצורת נוסחה:
כאשר:
- Wt = העומס הממוצע על גבי המנהרה כתוצאה מעומס נייד (ק"ג/מ"ר).
- A = האורך האפקטיבי של קטע המנהרה (מ').
- Ic = מקדם הנגיפות.
- Ct = מקדם העומס.
- P = העומס השימושי הנייד על פני הקרקע.
A - האורך האפקטיבי של המנהרה הוא קטע המנהרה עבורו העומס הממוצע גורם לדפורמציה ו/או שקיעה שווה לזו שהיתה מתקבלת אילו ההעמסה היתה אמיתית ולא ממוצעת.
Ic- מקדם הנגיפות תלוי בהרבה גורמים, בין השאר במהירות תנועת הרכב, חספוס פני הקרקע, השפעת ויברציה של הרכב הנייד ועומק המנהרה. ערכים מומלצים עבור תנועת כלי רכב כבד על גבי כבישי אספלט סטנדרטיים הם 1.5-2.0.
Ct- מתאר את החלק היחסי של העומס P המועבר למנהרה. המקדם הנ"ל תלוי בעומק המנהרה, במידותיה ותנאי פני הקרקע ומבוסס על נוסחת הפילוג של בוסינסק.
3.4 מעברים מתחת לכביש קיים
נבחין בעוד 2 מקרים של עומסים נוספים, כאשר המנהרה מהווה מעבר תת קרקעי למים, ניקוז או הולכי רגל מתחת לכביש קיים. קיימת נטיה של הכביש לשקוע במשך הזמן.
(6) נוסחת העומסים כתוצאה משקיעה:
4. חישובים סטטיים
4.1 חתך המנהרה:
חתך המנהרה - חתך ארגזי קיבועי אשר עליו מופעלים הכוחות הבאים:
- כוחות חיכוך הקרקע עם דפנות המנהרה (בזמן הדחיקה בלבד) הפועלים במקביל לדפנות המנהרה ומתנגדים להתקדמותה.
- כוחות התנגדות הקרקע לחתך אלמנט המנהרה הראשון ובניצב לשטח החתך שלו - בזמן הדחיקה בלבד.
- כוחות ניצבים לדפנות המנהרה הנובעים מן העומס על פני הכביש ופירושו כלפי מטה, עובי שכבת הקרקע מעל המנהרה (בתלות בסוג הקרקע ותכונותיה). הכוחות פועלים אנכית ע"ג תקרת האלמנט ורצפתו וככוחות אופקיים על הדפנות הניצבים של האלמנט. כוחות אלו פועלים הן בזמן הדחיקה והן במצב הסופי.
4.2 השכבה המיוצבת
- בשל היות כביש נתיבי איילון ציר מרכזי הפעיל כ- 24 שעות ביממה ובכלל זאת בזמן דחיקת המנהרה ובסיומה נבחר העומס המופעל על פני הכביש, מעל פני המנהרה כעומס HC (טורבינת חברת חשמל). עומס זה הינו כ- 100 טון ע"ג סרן אחורי כפול. העומס הופעל בשתי חלופות קיצוניות (אשר עלו מבדיקה מקדימה). האחת במרכז חתך המנהרה (כיוון תנועה בניצב לציר המנהרה) והשניה בקצה שכבת ייצוב הקרקע.
- השכבה המיוצבת אשר בין פני הכביש לפני תקרת המנהרה חולקה למספר רבדים בעלי תכונות שונות:
- שכבה עליונה בעובי של כ- 60 ס"מ בערך הנמדדים מפני הכביש בה מבוצעות הזרקות מיקרוצמנט אנכיות היוצרות רציפות בשכבה ובחוזק השווה בין ב-15 ל- ב-20. רוחב השכבה כ- 7.0 מ' בניצב לציר המנהרה.
- שכבה מרכזית בלתי מיוצבת בעובי של כ- 80 ס"מ לערך (משתנה עפ"י עובי השכבה המיוצבת) בעלת מקדם קפיץ [C=8,000 [ton/m3 .
- שכבה תחתונה מיוצבת ע"י צינורות אופקיים והזרקות מיקרוצמנט בעלת חוזק השווה ל- ב-15 עד ב-20 ברציפות וברוחב של כ- 7-10 מ'.
- נלקחה בחשבון שכבת קרקע של כ- 20 ס"מ לערך בין שכבת הייצוב התחתונה לבין פני הבטון של תקרת המנהרה אשר בה תיווצר הפרה בזמן הדחיקה ובעלת מקדם קפיץ של כ- [C=500-2000 [ton/m3.
4.3 קיר הריאקציה
בסיכום כלל הכוחות הפועלים על חתך אלמנט המנהרה בזמן הדחיקה והיוצרים התנגדות לפעולת הדחיקה עצמה כפונקציה של תכונות הקרקע, שטח פני האלמנט, שטח החתך, מקדמי החיכוך, אורך המנהרה הסופי, התקבל כי כח הדחיקה הדרוש הינו כ- 2400-2000 טון.
כוח זה חולק בין שלוש עד ארבע תחנות ביניים (במרחקים שווים ביניהן) כך שהכוח הסופי הפועל על קיר הריאקציה בסופו של דבר הינו כ- 800-600 טון.
בהתחשב בכוח זה ובסידור וחלוקת העומס ע"ג הקיר, ע"י הבוכנות, התקבלו מימדיו של קיר הריאקציה הנחוץ (והזיון בו), הנתמך ע"י שכבות קרקע טבעית ומילוי מהודק בשכבות לכל גובהו.
קיר הריאקציה המקרה הנדון ובכוחות הנתונים חושב כקיר סלארי (דיאפרגמה) בעובי של כ- 80 ס"מ באורך כולל של 7 מ' ובגובה כולל של 14.50 מ'.
גם כאן נלקחו בחשבון תכונות הקרקע הנתונים ובכלל זאת התנגדות פאסיבית ואקטיבית בזמן הדחיקה, לפניה ואחריה.
- חתך הקרקע - חול כורכרי.
- משקל מרחבי של הקרקע Gama = 1.9 ton/m3.
- זוית החיכוך הפנימית Phi = 35 degrees.
- מקדם התנגדות אקטיבי Ka = 0.3-0.5
- מקדם התנגדות פאסיבי Kp = 3.5
איור מס' 5
5. עלויות
חלוקת העלות לפי העבודות:
- ייצוב הכביש, חפירה ודחיקה: 84%
- יציקות בטון באתר: 4%
- ייצוב קופסאות בטון טרום: 12%
למידע נוסף אודות חברת ירון-שמעוני-שחם: לחצו כאן
לראיון עם מהנדס דני שחם: על עולם התכנון בישראל - ראיון עם מהנדס דני שחם
