Installation-Delay Effects on Passive-Bolt Anchorage in Squeezing Railway Tunnels: An Analytical Framework for Support Transition and Cost Optimization

पृथ्वी के नीचे, जहाँ चट्टानों के समूह खंडित हैं और अत्यधिक दबाव में हैं, वहाँ सुरंग बनाना मानव इंजीनियरिंग और भूगर्भीय बल के बीच एक नाजुक समझौता है। जब इंजीनियर ऐसी "सिकुड़ने वाली" (squeezing) जमीन के माध्यम से खुदाई करते हैं, तो चट्टान केवल स्थिर नहीं रहती; यह धीरे-धीरे अंदर की ओर विकृत होती है, और खुदाई से बने स्थान को बंद करने का प्रयास करती है। सुरंग को खुला रखने के लिए, निर्माता तत्काल सहायता प्रणाली पर निर्भर करते हैं, जिसमें आमतौर पर स्प्रे किए गए कंक्रीट की परतें और चट्टान को थामे रखने के लिए उसमें ड्रिल किए गए स्टील बोल्ट शामिल होते हैं। इस कार्य में एक मौलिक चुनौती समय का प्रबंधन है। जिस क्षण सुरंग का मुख (face) उजागर होता है, चट्टान शिथिल होने लगती है और हिलने लगती है। यदि सहायता प्रणाली तुरंत स्थापित नहीं की जाती है, तो बोल्ट और कंक्रीट के काम शुरू करने से पहले ही चट्टान और अधिक खिसक जाती है। यह देरी सहायता प्रणाली के व्यवहार को बदल देती है, अक्सर उन तरीकों से जो मानक गणनाओं में अनुमानित नहीं होते हैं। इंजीनियरों को यह जानने की आवश्यकता होती है कि छोटे बोल्ट और कंक्रीट की एक सरल प्रणाली कब विफल हो जाएगी और उन्हें कब ढहने से रोकने के लिए एक अधिक मजबूत, गहरे एंकरिंग सिस्टम पर स्विच करना चाहिए, और यह सब परियोजना को आर्थिक रूप से व्यवहार्य रखते हुए करना होता है।

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इन प्रश्नों का उत्तर देने के लिए उच्च गति वाली रेलवे सुरंगों के लिए एक व्यावहारिक ढांचा विकसित किया है, विशेष रूप से यह देखते हुए कि स्थापना में देरी निष्क्रिय रॉक बोल्ट (passive rock bolts) के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करती है। टीम ने जमीनी हलचल की भविष्यवाणी करने के लिए एक प्रसिद्ध विश्लेषणात्मक पद्धति को एक विस्तृत आर्थिक मॉडल के साथ जोड़ा, ताकि यह सिम्युलेट किया जा सके कि सहायता तुरंत लागू न होने पर क्या होता है। उन्होंने एक ऐसी स्थिति पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ चट्टान की गुणवत्ता खराब है और सुरंग गहरी है, ऐसी स्थितियाँ जो वियतनाम के विवर्तनिक रूप से सक्रिय क्षेत्रों में आम हैं, जहाँ एक नई उत्तर-दक्षिण हाई-स्पीड रेल लाइन की योजना बनाई जा रही है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या मानक दृष्टिकोण—छोटे बोल्ट और शॉट्रीट की एक परत का उपयोग—निर्माण में देरी के कारण होने वाली अतिरिक्त हलचल को झेल पाएगा, या क्या चट्टान इतनी अधिक हिल जाएगी कि बोल्ट उनके काम करने से पहले ही जमीन से बाहर निकल जाएंगे।

अध्ययन से पता चलता है कि निर्माण का समय सामग्रियों की मजबूती जितना ही महत्वपूर्ण है। अपने सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि जैसे-जैसे चट्टान की गुणवत्ता बिगड़ती है, सुरंग के चारों ओर टूटी हुई, अस्थिर चट्टान का क्षेत्र तेजी से फैलता है। उनके बेसलाइन मॉडल में उपयोग किए गए 3.95 मीटर के मानक बोल्ट के लिए, एक विशिष्ट टिपिंग पॉइंट (tipping point) है। जब चट्टान की गुणवत्ता एक निश्चित रेटिंग से नीचे गिरती है, तो टूटी हुई ज़ोन इतना बड़ा हो जाता है कि वह पूरे बोल्ट की लंबाई को निगल लेता है जिसे ठोस चट्टान में एंकर किया जाना था। एक बार जब ऐसा होता है, तो बोल्ट अपनी पकड़ खो देता है और सुरंग को थामने में सक्षम नहीं रहता, चाहे कंक्रीट की परत कितनी भी मजबूत क्यों न हो। शोधकर्ताओं ने इस खतरनाक संक्रमण क्षेत्र (transition zone) की पहचान तब की जब रॉक मास रेटिंग 48.2 और 50.1 के बीच थी। इस संकीर्ण बैंड में, सहायता स्थापित करने में देरी के कारण चट्टान इतनी हिल जाती है कि मानक छोटे बोल्ट बेकार हो जाते हैं, जिससे एक अलग रणनीति अपनाने की आवश्यकता पड़ती है।

इस यांत्रिक विफलता के वित्तीय प्रभाव को समझने के लिए, टीम ने एक सामान्यीकृत लागत मॉडल बनाया जो मुद्रा के उतार-चढ़ाव और मुद्रास्फीति को हटाकर विभिन्न सहायता रणनीतियों की वास्तविक संसाधन लागत की तुलना करता है। उन्होंने एक गंभीर परिदृश्य का परीक्षण किया जहाँ चट्टान की गुणवत्ता बहुत खराब थी, जिसकी रेटिंग 35 थी। इस स्थिति में, मानक छोटे बोल्ट पूरी तरह से विफल हो गए क्योंकि टूटी हुई चट्टान का क्षेत्र बहुत गहरा था। केवल अधिक छोटे बोल्ट जोड़ने या कंक्रीट को मोटा करने से समस्या हल नहीं हुई, क्योंकि ये उपाय सुरक्षित एंकर प्रदान करने के लिए ठोस चट्टान में पर्याप्त गहराई तक नहीं पहुँच पाए। सिमुलेशन में एकमात्र समाधान गहरे, प्रीस्ट्रेस्ड केबल एंकरों (prestressed cable anchors) पर स्विच करना था। इस गहरे एंकरिंग के लिए गणितीय अनुकूलतम (mathematical optimum) लंबाई 9.61 मीटर थी। हालाँकि, क्योंकि निर्माण के लिए व्यावहारिक, पूर्ण संख्याओं की आवश्यकता होती है और सामग्री की बर्बादी का भी ध्यान रखा जाता है, शोधकर्ताओं ने गणना की कि एक मानक 10-मीटर केबल टेंडन (cable tendon) ही फील्ड-रेडी समाधान होगा। इस समायोजन ने अनुमानित लागत को 3,105.4 लागत इकाइयाँ प्रति मीटर सुरंग तक पहुँचा दिया, जो इन कठिन परिस्थितियों में अप्रभावी उपायों पर अधिक खर्च किए बिना सुरंग को सुरक्षित करने का सबसे कुशल तरीका है।

शोधकर्ताओं ने अपने परिणामों को ग्रीस की ड्रिस्कोस ट्विन टनल (Driskos Twin Tunnel) के वास्तविक डेटा से तुलना करके अपने दृष्टिकोण को मान्य किया, जो गंभीर रूप से सिकुड़ने वाली जमीन और खराब चट्टान की गुणवत्ता के लिए जानी जाती है। उस सुरंग में, इंजीनियरों को लंबे, तनावित केबलों को स्थापित करना पड़ा क्योंकि प्रारंभिक छोटे बोल्ट और कंक्रीट विरूपण (deformation) को रोकने के लिए अपर्याप्त थे। नया मॉडल ग्रीस में देखी गई जमीनी हलचल के समग्र रुझान को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है, जो वहां दर्ज वास्तविक मापों के भीतर 8.2 प्रतिशत के भीतर अंतिम टनल विरूपण की भविष्यवाणी करता है। यह करीबी मिलान बताता है कि यह ढांचा यह भविष्यवाणी करने के लिए विश्वसनीय है कि स्थापना में देरी के कारण सहायता प्रणाली कब विफल होगी। अध्ययन पुष्टि करता है कि खराब जमीन में, सहायता स्थापित करने में थोड़ा भी इंतजार करने से चट्टान उस बिंदु तक पहुँच सकती है जहाँ छोटे बोल्ट काम नहीं कर पाते, जिससे गहरे एंकरिंग सिस्टम की ओर एक महंगे लेकिन आवश्यक बदलाव की आवश्यकता होती है।

अंततः, यह कार्य इंजीनियरों को बड़े टनल के शुरुआती डिजाइन चरण के दौरान बेहतर निर्णय लेने के लिए एक उपकरण प्रदान करता है। यह इस धारणा से आगे बढ़ता है कि सहायता प्रणाली के सभी भाग उनके स्थापित होने के क्षण से ही पूरी तरह से एक साथ काम करते हैं। इसके बजाय, यह स्वीकार करता है कि वास्तविक दुनिया में, देरी होती है, और वे देरी समस्या के भौतिक विज्ञान को पूरी तरह से बदल सकती है। उन विशिष्ट चट्टान गुणवत्ता थ्रेशोल्ड (thresholds) की पहचान करके जहाँ छोटे बोल्ट विफल हो जाते हैं, यह अध्ययन इंजीनियरों को निर्माण शुरू होने से पहले सही प्रकार की सहायता की योजना बनाने में मदद करता है। यह एक ऐसी प्रणाली के साथ सुरंग बनाने की महंगी गलती को रोकता है जो कागज पर तो पर्याप्त दिखती है लेकिन व्यवहार में विफल हो जाती है क्योंकि बोल्ट के काम करने से पहले ही चट्टान बहुत अधिक हिल गई थी। निष्कर्ष बताते हैं कि सिकुड़ने वाली जमीन वाले टनल के लिए, सुरक्षा और लागत-दक्षता की कुंजी यह पहचानना है कि चट्टान कब साधारण समाधानों के लिए बहुत अधिक टूट चुकी है और गहरे, अधिक सक्रिय एंकरिंग सिस्टम का उपयोग करने के लिए दूरदर्शिता रखना है।