تونلسازی دارای سابقه بسیار طولانی است. سابقه ای که از ساخت غارها توسط انسانهای نخستین برای محافظت در برابر عوامل محیطی (سرما و گرما و…) شروع و در چند دهه اخیر همراه با توسعه صنعتی جوامع، رشد روز افزونی به خود گرفته است. در این بین لزوم بهینه سازی پوشش تونلها که ناشی از افزایش دانش مربوط به علوم زمین و اطلاعات آزمایشگاهی است بر هیچ کس پوشیده نیست. این موضوع از نقد پوشش تونلهای ساخته شده که عموماً عملکرد رضایت بخشی داشتند ولی طراحی جدار آنها کم و بیش محافظه کارانه بوده توسط پک و همکارانش (۱۹۶۹) و با توجه به نتایج اندازه گیریهای انجام شده شروع شد و امروزه با پیشرفت تکنولوژی ادامه دارد.[۱]

از آنجا که اکثر تونلهای شهری در زمینهای نرم حفاری می‌شوند، سه نیاز اصلی طراحی و اجرای موفق یک تونل در خاک نرم را می توان به صورت زیر بیان نمود :
۲-۱-۱ پایداری
اولین مسئله پیش از حفر تونل، بررسی پایداری آن می باشد. بررسی پایداری از این جهت که بتوان پیش بینی کرد قسمت های مختلف تونل از نظر پایداری در کدام یک از رده های زیر قرار می گیرد(۲):
الف ـ برای همیشه پایدار است.
ب ـ تا مرحله نصب سیستم نگهداری دائم پایدار است.
ج ـ اصولاً پایدار نیست.
در صورتی که تمام یا قسمت هایی از تونل نیاز به سیستم نگهداری داشته باشد، باید این سیستم را تحلیل، طراحی و اجرا کرد.
در برخی از روش های تحلیل مانند روش های کرش و کرش اصلاح شده، فقط توده زمین به صورت یک محیط پیوسته در نظر گرفته می شود و میزان تغییر شکل ها و تنها در اطراف حفره مورد بررسی قرار می گیرد. به این گونه روشها، روش های مبتنی بر بارگذاری خارجی گفته می شود. در نوع دیگر روش های مبتنی بر بارگذاری خارجی، پوشش تونل به عنوان سازه ای که توسط فنرهای شعاعی و مماسی در اندرکنش با توده زمین هستند، در نظر گرفته می شوند. روش های Metrogiprotrans و تیر بر بستر الاستیک از این نوعند.
در مقابل روش های مبتنی بر بارگذاری خارجی، روشهایی وجود دارند که بر اساس تغییر شکلها و تنشهای ایجاد شده در اثر حفاری به وجود آمده اند. از جمله این روشها، روش همگرائی محصور شدگی می باشد که در آن بر خلاف روش های گذشته به جای بارگذاری، تغییر شکلهای به وجود آمده در نتیجه باربرداری مورد بررسی قرار می گیرند(۸).
با پیشرفت روش های عددی و استفاده از کامپیوتر های با سرعت و قابلیت ذخیره سازی اطلاعات با حجم زیاد، تحلیل عددی تونلها با در نظر گرفتن مسئله سه بعدی حفاری، نحوه اجرای پوشش و با در نظر گرفتن مدلهای رفتاری مختلف توده زمین امکان­ پذیر شد، که البته جوابهای بدست آمده تفاوتهایی نیز با نتایج رفتار واقعی تونلها دارند. علت این امر تقریبهای اجتناب ناپذیر در پارامتر های مکانیکی توده زمین، نحوه تعامل توده زمین و پوشش از لحاظ میزان لغزش در مدلسازی تا واقعیت و… می باشند. بنابر این تنها اطلاعاتی که می تواند در این زمینه به ما کمک کنند. نتایج اندازه گیری هایی هستند که از رفتار واقعی تونل بدست می آیند.
۲-۱-۲ جا به جایی های زمین و اثرات آن
احداث تونل در مناطق شهری نباید آسیبهای زیاد و غیر قابل قبولی به سازه های اطراف و بالای تونل برساند. قبل از ساخت، این جابه‌جایی‌ها باید تخمین زده شود و اثرات آنها بر روی سازه ها ارزیابی شود(۱۵ و ۱۶).
۲-۱-۳ کارائی سیستم نگهدارنده و پوشش دائمی
پوشش تونل چه اولیه و چه نهایی، باید قابلیت تحمل نیروهای وارد بر آن را در طول عمر خود داشته باشد. بدین منظور می بایستی بارهای وارد بر پوشش تخمین زده شود.
حفاری در توده زمین باعث تغییرات تنش و ایجاد تغییر شکلها در محیط اطراف تونل می شود که رفتار تونل را تحت تأثیر قرار می دهد. با گذشت زمان روش های زیادی برای تخمین تاثیز تونلسازی در خاک های نرم به وجود آمده است که می توان آنها را به روش های تحلیلی، فرمولهای تجربی و مدلهای عددی پرداخته و محدودیت روشها معرفی شده اند.
۲-۲ روش های تحلیل پوشش
وقتی یک مهندس محاسب با مسئله تحلیل و طراحی جدار تونل مواجه می شود، ابتدا مقدار بارهای وارد بر تونل را جستجو می کند بارهای وارد بر پوشش تونل به دو دسته تقسیم می شوند.
یک قسمت بارهایی هستند که همواره می بایستی در نظر گرفته شوند و قسمت دیگر که به شرایط تونل و محیطی که در آن قرار گرفته است بستگی دارند.
۲-۲-۱ بارهای وارد بر پوشش تونل
بارهای زیر را باید در طراحی پوشش تونل در نظر بگیریم.
الف ـ این بارها همواره باید در نظر گرفته شود:
۱- فشار زمین
۲- فشار آب
۳- بار مرده
۴- سربار
۵- واکنش بستر
۶- اثر زلزله
ب ـ اگر لازم است، بارهای زیر را نیز باید در نظر گرفت:
۱- بارهای داخلی
۲- بارهای در مرحله ساخت
۳- بارهای ویژه
۴- اثر تونل های مجاور
۵- اثرات نشست
۶- دیگر بارها
۲-۲-۱-۱ فشار زمین
شکل ۲-۱ مقطعی از یک تونل و زمین اطراف آن را نشان می دهد. فشار زمین باید مطابق با تحلیل مناسب تخمین زده شود. این تحلیل مناسب از نظر صاحب نظران مختلف، متفاوت است و دیدگاه های مختلفی ارائه شده که به روش های تحلیلی مختلف انجامیده است. برای مثال، فشار زمین باید به صورت شعاعی بر روی پوشش عمل کند و یا به فشارهای عمودی و افقی تقسیم شود. اگر تونل طراحی شده کم عمق باشد، فشار عمودی بر روی تاج تونل باید به صورت بار یکنواخت باشد و می تواند معادل فشار سربار باشد. اگر تونل عمیق باشد، فشار کاهش یافته، می تواند با فرمول ترزاقی بدست آید(۳).
فشار افقی زمین نیز باید به صورت متغیر یکنواخت وارد بر مرکز پوشش از تاج تا کف باشد. مقدار آن نیز از ضرب فشار عمودی در ضریب فشار جانبی خاک بدست می آید. (شکل ۲-۲ (الف)). همچنین آن را می توان از فرمول پنتاگون نیز بدست آورد. (شکل ۲-۲ (ب)). مقدار ضریب فشار جانبی خاک مورد استفاده در طراحی باید بین فشار جانبی خاک در حالت سکون و فشار اکتیو خاک باشد. طراح باید بر اساس شرایط ساخت درباره مقدار آن تصمیم بگیرد.
شکل ۲-۱) مقطعی از یک تونل و زمین اطراف آن [۳]
شکل ۲-۲ عملکرد فشار زمین بر روی پوشش ( ضریب فشار جانبی زمین، t و ضخامت و شعاع خارجی پوشش ) (۳)
(۲-۱)
اگر تونل بالای سطح آب قرار داشته باشد:
(۲-۲)
(۲-۳)
و در صورتیکه سطح آب بالای تونل قرار داشته باشد:
(۲-۴)
(۲-۵)
۲-۲-۱-۲ فشار آب
به عنوان یک قانون، فشار آب وارد بر پوشش باید به صورت فشار هیدرواستاتیک باشد (شکل ۲-۳). نتیجه فشار آب وارد بر پوشش نیروی شناوری است. اگر برآیند فشار عمودی خاک در تاج و بار مرده بزرگتر از نیروی شناوری باشد. تفاوت بین آنها به صورت فشار قائم در کف عمل می کند (واکنش بستر) و اگر نیروی شناوری بزرگتر از برآیند بار مرده و فشار قائم باشد، تونل شناور خواهد شد.
شکل ۲-۳) فشار هیدرواستاتیک(Pw1فشار آب در تاج تونل و Re شعاع تا مرکز پوشش)(۳)