اطلاعات اولیه :تونلها و فضاهای زیزمینی برای مقاصد متنوعی ایجاد می‌شود که از آن میان می‌توان موارد زیر را نام برد:
تونلهای حمل و نقل و دسترسی ، تونلهای آب بر ، فضاهای زیرزمینی بزرگ (ایستگاههای مترو ، نیروگاهها ، انبارهای زیرزمینی و کارگاههای استخراج مواد معدنی).
طراحی هر یک از فضاهای فوق مستلزم دسترسی به داده‌های مناسب و به کارگیری تمهیدات ویژه است. در هر مورد طراح باید ضمن آگاهی دقیق از شرایط زمین ، ابتدا در جهت بهبود کیفیت مصالحی که قرار است تونل در آن حفر شود، اقدام نماید. در بسیاری از زمینها تونلهای حفر شده نمی‌توانند خودنگهدار باشند و برای پابرجا نگهداشتن آنها باید از حایلهایی استفاده کرد.
به نظر می‌رسد که مهمترین عامل در طراحی تونل ، یا هر فضای زیرزمینی دیگر ، تامین پایداری آن است. قرارگیری این گونه سازه‌ها در میان مصالح طبیعی ، یعنی سنگ و خاک ، باعث شده است که شرایط زمین شناسی نقش اصلی را در پایداری ایفا نمایند.
اکتشاف مسیر تونلها
از میان کلیه فعالیتهای مهندسی عمران ، حفر تونل و بطور کلی فضاهای زیرزمینی ، بیش از همه نیاز به شناسایی زمین و در نتیجه همکاری زمین شناس خبره دارد. این گونه سازه‌ها باید در زمینی مطمئن و مقاوم ایجاد شوند، ولی شرایط درون زمین بسیار متغیر است و بر خلاف سطح زمین ، امکان شناسایی و دسترسی به تمام نقاط آن نیز وجود ندارد.
زمینهای سست و ریزشی ، خرد شده و گسل خورده ، هوازده و متورم شونده و بالاخره آبدار ، بیشترین مشکلات را برای حفر تونل بوجود می‌آورند و این در حالی است که در بسیاری موارد انتخاب زمین مناسب با ما نیست. به عنوان مثال ، اغلب تونلهای راه یا راه آهن محلهای گذر اجباری‌اند و نمی‌توان مسیر آنها را برای رسیدن به زمین قابل اطمینان ، به مقدار زیاد تغییر داد.
در چنین شرایطی وظیفه کاوشگر عبارتست از : مطالعه مسیر موجود و کسب آن گونه اطلاعاتی است که با استفاده از آنها بتوان طراحی تونل را به انجام رساند، به نحوی که با بکارگیری کمترین پوشش استحکامات داخلی ، سازه زیرزمینی پایداری قابل قبولی در برابر عوامل مخرب داشته باشد.
حفاریهای اکتشافی
رکن اصلی بررسیهای مربوط به فضاهای زیرزمینی و تونلها را حفاریهای اکتشافی تشکیل می‌دهد. حفر گمانه یا تونل اکتشافی معمولا پرخرج است، ولی اطلاعات دست اولی از شرایط حکمفرما در زمین در اختیار جستجوگر قرار می‌دهد.
گمانه اکتشافی
حفر گمانه‌های اکتشافی ، مخصوصا اگر با مقره گیری همراه باشد، بیشترین اطلاعات را در مورد شرایط حکمفرما در زیرزمین بدست می‌دهد. البته چون حفاری همراه با مقره گیری عملی وقت گیر و پرهزینه است، جستجوگر باید با دقت زیاد محل حفر گمانه‌ها و عمق آنها را تعیین نماید. در طول پیشرفت حفاری نیز باید مقره‌های حفاری بطور مرتب مورد بررسی قرار گرفته و در اعماق مناسب آزمایشهای ژئوتکنیکی لازم انجام گیرد. مقره‌های حفاری به ترتیب خاص و در جعبه‌های مخصوص برای بررسیهای بیشتر در آینده یا استفاده احتمالی پیمانکار محفوظ نگهداشته می‌شود.
در زمینهای نرم و عملیات اکتشافی مسیر تونلهای زیرآبی ، گمانه‌ها را می‌توان بسته به شرایط ، به فاصله 150 تا 300 متر از یکدیگر حفر نمود. البته در جاهایی که قرار است سازه‌های زیرزمینی قرار گیرد، شبکه حفاری می‌توان متراکم‌تر باشد. کلیه حفاریها باید تا پائین‌تر از تراز کف تونل مورد نظر ادامه یابد. برای تونلی که قرار است در سنگ حفر شود ، مخصوصا اگر طویل هم باشد، امکان حفاری محدود است و تنها هرجا که لازم و امکان پذیر است، انجام می‌شود. در سنگ نیز باید ، در کلیه گمانه‌ها سطح آب زیرزمینی و وجود احتمالی هر نوع گاز سمی یا قابل انفجار یادداشت شود.
گمانه و تونل پیشاهنگ
امروزه در برخی از پروژه‌های حساس یا در جاهایی که زمین شناسی به شدت پیچیده است، از دو مدخل ، تونل موردنظر و در امتداد محور آن تونل پیشاهنگ حفر می‌شود. این تونل سطح مقطعی کوچک دارد و ممکن است تمام مسیر تونل اصلی را دربر گیرد.
نظر به اینکه حفر تونلهای پیشاهنگ بسیار وقت‌گیر و پرهزینه است، اغلب به جای آن از گمانه‌های پیشاهنگ استفاده می‌شود. البته در بسیاری موارد این نوع گمانه پس از پایان عملیات اکتشافی و طراحی تونل و در زمان عملیات اجرائی حفر می‌گردد. به این ترتیب که با حفر گمانه‌هایی در سینه کار تونل و هم محور با آن ، شرایط زمین تا چندین متر جلوتر شناسائی شده و در صورتی که مشکلی ، مانند برخورد به زمینهای سست یا خرد شده یا هجوم آب ، در پیش رو باشد، در فاصله زمانی موجود ، برای مقابله با آن اقدام می‌شود.
حفاری تونل در سنگ و خاک
برای حفاری تونلها روشهای متنوعی ابداع شده است. بطور معمول توده‌های سنگی با روشهای متداول چالزنی و انفجار و تخلیه حفاری می‌شوند، یا اینکه از ماشینهای حفار TBM استفاده می‌شود.
تونل‌زنی در سنگ
رایج‌ترین روش حفر تونل در زمینهای سنگی استفاده از انفجار مواد ناریه است. حفاری تونل در سنگ معمولا تکرار چرخه چالزنی ، انفجار ، تخلیه مواد و نصب حایلها است. طرح ، فاصله و عمق چالها ، مقدار و نحوه خرج گذاری@ و آتشکاری آنها و ساخت سنگ عواملی مهم در شکل مقطع حفاری شده‌اند. در حفاریهایی که در سنگ انجام می‌شود، هدف نهایی آن است که سطح مقطع حاصل از انفجار کاملا مشابه مقطع طراحی شده باشد.
تونل‌زنی در خاک
حفاری تونلها در خاک بطور دستی و مکانیکی یا بطور خودکار و با مدد گرفتن از ماشینهای حفار تونل انجام می‌شود. انتخاب روش تونل‌زنی در خاک و نحوه نگهداری آن با توجه به شرایط زمین ، ابعاد حفاری زیرزمینی ، مقدار پیشروی در هر مرحله و مانند آن انجام می‌شود. بطور کلی ، حفاری در خاک در عمل تکرار چرخه‌ای متشکل از حفاری ، خارج کردن مواد و قرار دادن حایلهاست.
در روش سنتی ، طول پیشروی در هر چرخه عمدتا بستگی به شرایط زمین دارد و معمولا از فاصله بین قابها یا صفحات پوششی تجاوز نمی‌کند. روش دیگر حفاری و نگهداری خاک استفاده از سپر است. سپر اغلب به صورت استوانه‌ای است که بطور افقی قرار گرفته و از یک قاعده آن حفاری انجام می‌شود و پس از آنکه مواد حفاری شده تخلیه گردید، سپر به جلو رانده می‌شود.
مباحث مرتبط با عنوان
آب زیرزمینی
آزمایشهای ژئوتکنیکی
تونل اکتشافی
تونل پیشاهنگ
سازه
گسل
گمانه پیشاهنگ
ماشینهای حفار TBM
مقره گیری
مواد ناریه
مهندسی عمران
