Mechanical Response Analysis of a Tunnel-First Subway Station Constructed with Circumferential Pipe Curtain Pre-Support

कल्पना कीजिए कि आप एक व्यस्त शहर के बीचों-बीच एक विशाल भूमिगत ट्रेन स्टेशन बना रहे हैं। आमतौर पर, आपको ऊपर से नीचे की ओर एक बड़ा गड्ढा खोदना होगा, जिससे यातायात बाधित होगा, पड़ोसियों को परेशानी होगी और इमारतों को तोड़ना पड़ेगा। लेकिन क्या होगा अगर आप स्टेशन उसी सुरंग के अंदर बना सकें जिसका उपयोग ट्रेनें पहले से ही कर रही हैं?

यही वह चुनौती थी जिसका सामना इंजीनियरों ने चीन के सूज़ौ में बाइदांग साउथ स्टेशन (Baidang South Station) के निर्माण के दौरान किया। वे एक मौजूदा शील्ड टनल (shield tunnel) को एक पूर्ण स्टेशन में विस्तारित करना चाहते थे, बिना ऊपर की जमीन को धंसने या ढहने दिए।

यहाँ उनके समाधान, उनके द्वारा हल की गई समस्याओं और उन्होंने इसे कैसे किया, इसका एक सरल विवरण दिया गया है, जो शोध पत्र पर आधारित है।

समस्या: "खाली कमरे" की दुविधा

मौजूदा सबवे टनल को जमीन के नीचे दबी हुई एक लंबी, खोखली नली के रूप में सोचें। इस नली को स्टेशन में बदलने के लिए, इंजीनियरों को इसे चौड़ा करने की आवश्यकता होती है।

• पुराना तरीका: यदि आप केवल ट्यूब के किनारों को खोदना शुरू करते हैं, तो उसके ऊपर की जमीन अपना सहारा खो देती है और धंसने लगती है। यह एक भारी मेज के नीचे से कालीन खींचने जैसा है; मेज डगमगाती है और नीचे गिर जाती है।
• जोखिम: यदि जमीन बहुत अधिक धंस जाती है, तो यह ऊपर की सड़क में दरार पैदा कर सकती है, पास की इमारतों को नुकसान पहुँचा सकती है, या टनल को ही ध्वस्त कर सकती है।

समाधान: "पाइप कर्टन" छाता

शोधकर्ताओं ने एक नया तरीका प्रस्तावित किया जिसे सर्कमफेरेंशियल पाइप कर्टन (Circumferential Pipe Curtain - CPC) विधि कहा जाता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक लंबी, संकरी सुरंग के अंदर हैं। केवल चौड़ा खोदने के बजाय, आप पहले उस क्षेत्र के चारों ओर एक सुरक्षात्मक कवच (protective shell) बनाते हैं जिसे आप विस्तारित करना चाहते हैं।

1. पाइप: उन्होंने एक विशाल, घुमावदार "छाता" या "कवच" बनाने के लिए बड़े स्टील पाइपों (कंक्रीट से भरे हुए) का उपयोग किया।
2. लॉन्च: उन्होंने सतह से खुदाई नहीं की। इसके बजाय, उन्होंने इन पाइपों को मौजूदा टनल के अंदर से बाहर की ओर धकेला, उन्हें एक बंद लूप (पाइपों से बने डोनट के आकार की तरह) बनाने के लिए ऊपर और नीचे घुमाया, इससे पहले कि वे स्टेशन की खुदाई शुरू करते।
3. परिणाम: इसने एक पूर्व-निर्मित, कठोर पिंजरा (rigid cage) तैयार किया। जब उन्होंने अंततः स्टेशन बनाने के लिए मिट्टी निकाली, तो उस "पिंजरे" ने जमीन को अपनी जगह पर बनाए रखा, जिससे वह धंस नहीं सकी।

निर्माण प्रक्रिया: एक तीन-अंकों वाला नाटक

शोध पत्र इस सुरक्षित निर्माण के लिए एक विशिष्ट "तीन-चरण, आठ-कदम" वाले नृत्य का वर्णन करता है:

• अंक 1: सेटअप (शील्ड और शेल)

  • पहले, शील्ड टनल बोरिंग मशीन मुख्य टनल को पूरा करती है।
  • फिर, भविष्य के स्टेशन के आसपास की जमीन में मौजूदा टनल के खाली स्थान का उपयोग करके, इंजीनियर "पाइप कर्टन" पाइपों को धकेलते हैं।
  • काम के दौरान टनल को दबने से बचाने के लिए वे टनल के अंदर अस्थायी सहारे (supports) लगाते हैं।

• अंक 2: विस्तार (बड़ी खुदाई)

  • अब, वे स्टेशन के लिए जगह बनाने हेतु मूल टनल की दीवारों (सेगमेंट) के कुछ हिस्सों को हटाना शुरू करते हैं।
  • वे बड़े स्टेशन रूम को बनाने के लिए मिट्टी निकालते हैं, लेकिन "पाइप कर्टन" शेल ऊपर की जमीन को थामे रखता है ताकि वह गिरे नहीं।
  • वे इस नए स्थान के भीतर स्थायी कॉलम और बीम का निर्माण करते हैं।

• अंक 3: समापन (स्थायी छत)

  • एक बार जब स्टेशन की संरचना मजबूत हो जाती है, तो वे अस्थायी समर्थनों को हटा देते हैं।
  • वे पूरी संरचना के ऊपर एक स्थायी कंक्रीट की "दूसरी परत" (secondary lining) डालते हैं, जिससे अस्थायी शेल और मूल टनल एक ठोस, स्थायी स्टेशन में बदल जाते हैं।

कंप्यूटर सिमुलेशन क्या दिखाते हैं

शोधकर्ताओं ने निर्माण से पहले इस पूरी प्रक्रिया को सिम्युलेट करने के लिए एक शक्तिशाली कंप्यूटर प्रोग्राम (FLAC3D) का उपयोग किया। यहाँ उनके निष्कर्ष दिए गए हैं:

1. जमीन बहुत अधिक नहीं धंसी

• परिणाम: स्टेशन के ऊपर की जमीन केवल लगभग 6 मिलीमीटर (लगभग एक पेंसिल इरेज़र की मोटाई) ही धंसी। यह बहुत सुरक्षित है और शहर के सख्त नियमों को पूरा करता है।
• आश्चर्य: अधिकांश धंसाव केवल दो क्षणों में हुआ: जब उन्होंने बड़ा स्टेशन रूम खोदा और जब उन्होंने मूल टनल की दीवार के अंतिम हिस्सों को हटाया। इन दो चरणों के कारण कुल हलचल का लगभग 70% हुआ।

2. "पाइप कर्टन" पर कठिन समय रहा

• तनाव (Stress): स्टील पाइपों को शुरुआत में बहुत सारा भार उठाना पड़ा। जब उन्होंने खुदाई शुरू की और टनल की पुरानी दीवारें हटाईं, तो पाइपों पर तनाव बढ़ गया।
• कमजोर बिंदु: जहाँ पाइप पुराने टनल की दीवारों से जुड़े थे, वे सबसे अधिक तनाव वाले क्षेत्र थे। यह जींस के जोड़ों (joints) की तरह है; यदि सावधानी न बरती जाए तो वे सबसे पहले घिस जाते हैं।
• रिकवरी: एक बार जब स्थायी कंक्रीट स्टेशन संरचना बनकर तैयार हो गई, तो पाइपों का तनाव कम हो गया। स्थायी स्टेशन ने भारी काम संभाल लिया, और पाइप केवल एक सहायक के रूप में वापस आ गए।

3. पुरानी टनल की दीवार में दरार आई (लगभग)

• खतरा: जब उन्होंने जगह बनाने के लिए पुरानी टनल की दीवारों को हटाया, तो बची हुई टनल की दीवारों पर बहुत दबाव आया। एक स्थान पर, तनाव इतना अधिक था कि कंक्रीट में दरार आ सकती थी।
• समाधान: शोध पत्र सुझाव देता है कि ऐसा होने से रोकने के लिए अतिरिक्त स्टील बार जोड़ें और कनेक्शन बिंदुओं पर विशेष रबर पैड का उपयोग करें।

4. फर्श बनाम छत

• मोड़: शुरुआत में, टनल की छत थोड़ी धंसी। लेकिन जैसे-जैसे उन्होंने मिट्टी निकाली, टनल का फर्श वास्तव में ऊपर की ओर उठने (heave) लगा क्योंकि मिट्टी का वजन हट गया था। अंत तक, फर्श की ऊपर की गति छत के नीचे की गति से अधिक थी।

सुरक्षा नियम जो उन्होंने प्रस्तावित किए

इन निष्कर्षों के आधार पर, लेखक निर्माण को सुरक्षित रखने के लिए विशिष्ट नियम सुझाते हैं:

• जोड़ों को कठोरता से न भरें: जहाँ पाइप टनल से मिलते हैं, वहाँ उन्हें केवल सख्त कंक्रीट से न भरें। लचीले रबर गैस्केट और विशेष स्टील रिब्स का उपयोग करें ताकि वे टूटने के बजाय थोड़ा हिल सकें।
• सहारों को धीरे-धीरे हटाएं: आप सभी अस्थायी समर्थनों को एक साथ नहीं हटा सकते। आपको उन्हें एक-एक करके, बारी-बारी से दोनों तरफ से हटाना होगा, और यह प्रतीक्षा करनी होगी कि नया कंक्रीट मजबूत हो जाए।
• फर्श पर नज़र रखें: यदि दोनों टनल दीवारों के बीच का अंतर बहुत अधिक हो जाता है, तो उन्हें तुरंत रिक्त स्थान भरने के लिए ग्राउट (एक गाढ़ा पेस्ट) इंजेक्ट करना होगा।

मुख्य निष्कर्ष

यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि आप "पाइप कर्टन" शील्ड का उपयोग करके मौजूदा टनल के भीतर सबवे स्टेशन बना सकते हैं। यह एक टेंट के अंदर घर बनाने जैसा है, लेकिन टेंट स्टील पाइपों से बना है जो घर बनाने के दौरान जमीन को थामे रखता है।

कंप्यूटर मॉडल ने दिखाया कि हालांकि यह प्रक्रिया जटिल है और अस्थायी संरचनाओं पर बहुत दबाव डालती है, लेकिन यह सफल है। जमीन स्थिर रहती है, स्टेशन सुरक्षित है, और यह तरीका सड़क स्तर से एक विशाल गड्ढा खोदने की अराजकता से बचाता है। मुख्य बात कमजोर स्थानों (जोड़ों) को सुदृढ़ करना और अस्थायी समर्थनों को हटाते समय बहुत सावधान रहना है।