بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
اثر حفرات کارستی بر روي نیروهاي داخلی پوشش تونل حفر شده در سنگ آهک انحلالی
چکیده
شکست و ریزش حفرات کارستی در هنگام حفاري تونل تاکنون باعث ایجاد تلفات مالی و جانی بسیاري در پروژههاي مختلف شده است. در این مقاله از میان چندین تونل با شرایط تقریبا مشابه و فاصله جغرافیایی نسبتا کم در قطعه اول راه آهن شیراز- بوشهر، به طور ویژه اثرات پدیده کارست بر روي تونل شماره 4 این پروژه که در جنوب شهر شیراز و در سنگ آهک هاي کارستی سازند آسماري حفر خواهد شد، بررسی شده است. در این مطالعه، اثر وجود حفرات کارستی با اندازه و مکان هندسی متفاوت (نسبت به تونل) بر روي نیروهاي داخلی پوشش تونلی که در این محیط حفر میشود، مورد بررسی قرار گرفته است. روش مطالعه بصورت مدلسازي سه بعدي حفاري مرحلهاي تونل و تحلیل به روش عددي توسط نرم افزار المان محدود PLAXIS3D بود. مطابق نتایج بدست آمده، حفرات کارستی در تمامی موارد باعث افزایش نیروي محوري محیطی خواهند شد. افزایش یا کاهش لنگر خمشی پوشش تونل به عواملی چون اندازه حفره کارستی، فاصله حفره از تونل و محل قرار گیري حفره نسبت به تونل بستگی دارد.
کلمات کلیدي: تونل، کارست، نیروهاي داخلی، سنگ آهک، . PLAXIS3D
.1 مقدمه
پدیده کارست عمدتا در سنگهاي آهکی اتفاق می افتد. طرح احداث خط راه آهن شیراز- بوشهر- عسلویه که یکی از پروژه-
هاي بزرگ در زمینه حمل و نقل ریلی کشور ایران می باشد، از جمله طرح هایی است که در منطقه جنوب و جنوب غربی ایران و در ناحیه زاگرس چین خورده و در میان سنگ آهک هاي سازند آسماري در دست احداث می باشد. از نقطه نظر کارستی شدن، وجود سنگ آهک با میزان کربنات کلسیم بیش از 70 درصد و با برون زدگی گسترده، وجود چین خوردگی ها، درزه ها و گسله هاي متعدد و همچنین جریانات سطحی و زیرسطحی آبها، سنگ آهکهاي این منطقه را مستعد انحلال و تشکیل حفرات و سایر پدیده هاي مرتبط با کارست نموده است.
.2 معرفی تونل قطعه شماره 1- 4 راه آهن شیراز- بوشهر
تونل شماره 4 قطعه 1 راه آهن شیراز- بوشهر با طول 350 متر در جنوب شیراز و در شهرستان کوار واقع شده است (شکل.(1
ارتفاع سربار تونل در بخش اعظمی از طول آن بین 32تا 42 متر می باشد.
نتایج بدست آمده از حفاري 2 گمانه شناسایی نشان داد که این تونل بالاتر از سطح ایستابی قرار دارد. سنگ محدوده تونل شماره 4 (و دو تونل 2 و (3 مربوط به سازند آسماري با رخساره سنگ آهکی و خاصیت انحلال پذیري بالا می باشد.
اشکال کارستی در رخنمون هاي این سازند به فراوانی دیده می شود (شکل(2 با توجه به این شواهد، وجود حفرات کارستی در فضاي حفر تونل نیز قابل انتظار است.
.3 اطمینان از صحت نتایج نسخه PLAXIS3D مورد استفاده
جهت اطمینان از صحت نتایج بدست آمده توسط نسخه مورد استفاده از نرم افزار PLAXIS3D یک مدل ساده از تونلی به قطر4 متر و در عمق 10 متري از سطح زمین در مصالح الاستیک اشباع مدلسازي شده و پس از تحلیل الاستیک، نتایج بدست آمده براي نیروهاي داخلی پوشش تونل با نتایج بدست آمده از روش تحلیلی پیشنهاد شده توسط Bobet در سال 2001 براي تحلیل تونل هاي دایره اي کم عمق استفاده شد. این محقق با فرض شرایط کرنش صفحهاي و همگن، ایزوتروپیک و الاستیک بودن مصالح پیرامون تونل (خاك یا سنگ)، روابط زیر را به ترتیب براي محاسبه نیرويخمشیمحوري محیطی N و لنگر M پوشش تونل در محیط اشباع ارائه داد : [1]
در روابط فوق E مدول الاستیسیته خاك، γ وزن واحد حجم کلی خاك، h عمق از سطح زمین تا مرکز تونل،w فاصله آزاد اولیه بین پوشش تونل و مصالح پیرامون، r شعاع تونل، Ko ضریب فشار جانبی خاك در حالت سکون، υ ضریب پواسون خاك اطراف تونل و θ زاویه اي است که خلاف جهت عقربه هاي ساعت از محور افقی گذرنده از مرکز تونل اندازه گیري می ترتیب شود. C و F به نسبت تراکم پذیري و نسبت انعطاف پذیري هستند که از روابط و 4 3 بدست میآیند.
در این روابط EL مدول الاستیسیته پوشش تونل، IL ممان اینرسی پوشش تونل، υL ضریب پواسون پوشش تونل و t ضخامت پوشش تونل می باشد. مشخصات در نظر گرفته شده براي پوشش تونل و مصالح پیرامون آن، مطابق جدول 1 می باشد. با فرض شرایط کاملا زهکشی شده و حفاري یک مرحله اي تونل، مدل المان محدود تحلیل شده و نیروهاي داخلی پوشش شامل لنگر خمشی حول محور Z (موازي بعد سوم) و نیروي محوري محیطی پوشش در سه نقطه A، B و C که به ترتیب در بالا، پاتاق و کف تونل قرار دارند (مطابق شکل(3 جهت مقایسه با نتایج بدست آمده از روش تحلیلی استخراج شدند.
جدول 2 نتایج بدست آمده از دو روش تحلیلی و عددي را نشان می دهد. مطابق این جدول مقادیر بدست آمده از دو روش داراي اختلاف کمتر از 10 درصد بوده و این امر صحت نتایج مدلسازي عددي را نشان می دهد.
.4 معیار گسیختگی مورد استفاده
با توجه به مدل سازي المان محدود مسئله، از مدل رفتاري مور- کولمب جهت مدل سازي رفتار مصالح اطراف تونل بهره گرفته شده است. بدین منظور در گام اول لازم است مشخصات معادل مناسب براي توده سنگ (همراه با ناپیوستگی ها) در نظر گرفته شود. هوك و همکاران در سال 2002 روابطی را جهت برقراري ارتباط بین معیار گسیختگی هوك- براون تعمیم یافته و پارامترهاي مقاومت برشی در معیار گسیختگی مور-کولمب ارائه نمودند. این روابط بصورت زیر به ترتیب براي زاویه اصطکاك داخل ϕ ي و چسبندگی توده سنگ ، پیشنهاد شد:[2]
که در این روابط σci مقاومت فشاري تک محوره سنگ سالم، پارامترهاي به ترتیب از روابط 7 تا 10 بدست می آیند:
در روابط فوق حداکثر مقدار تنش محصور کننده است که بستگی به نوع مسئله (پایداري شیب، تونل کم عمق یا تونل عمیق) دارد. GSI شاخص مقاومت زمین شناسی سنگ (Geological Strength Index) بوده که به شرایط زمین شناسی سنگ و بویژه به شرایط درزه داري و مقاومت درزه ها بستگی دارد. mi پارامتري که به نوع سنگ بستگی دارد اثروD
دست خوردگی سنگ به علت عواملی چون حفر تونل به روش آتشباري بستگی دارد. در سال 2006 هوك و همکاران روابط مشابهی را جهت محاسبه مدول الاستیسته Erm و مقاومت کششی σt توده سنگ ارائه دادند. این محققان پس از بررسی نتایج آزمایش هاي صحرایی متعدد، رابطه زیر را جهت محاسبه پارامترهاي فوق پیشنهاد کردند :[3]
که در آن Ei مدول الاستیسیته نمونه سنگ سالم بدست آمده در آزمایشگاه می باشد.
مقادیر پارامترهاي iوσ ci E با توجه به نتایج آزمایش هاي مقاومت فشاري انجام شده بر روي نمونههاي سنگ آهک در محل تونل شماره 4 راه آهن شیراز- بوشهر به ترتیب برابر 15000 و 33 مگاپاسکال انتخاب شدهوك،مقدار پارامتر mi توسط و همکاران [2] براي سنگ آهک بین 6 تا 9 پیشنهاد شده است با توجه به این مقادیر و شرایط محلی توده هاي سنگ، این پارامتر برابر 7 در نظر گرفته شد. با توجه به مطالعات انجام شده در مورد شرایط و کیفیت درزه داري توده سنگ هاي محدوده تونل و همچین پیشنهادهاي ارائه شده توسط هوك و همکاران، شاخص مقاومت زمین شناسی GSI برابر 48 انتخاب شد. و بالاخره، ضریب دست خوردگی D که به میزان دست خوردگی سنگ اطراف تونل در اثر حفاري آتشباري بستگی دارد، با توجه به پیشنهادهاي ارائه شده توسط هوك و همکاران برابر 0/5 در نظر گرفته شد. جدول 3 مقادیر پارامترهاي در نظر گرفته شده و مقادیر پارامترهاي بدست آمده از روابط هوك و همکاران را نشان می دهد. با توجه به نتایج فوق، مقادیر پارامترهاي استفاده شده در مدل سازي با استفاده از معیار گسیختگی مور- کولمب، براي دو واحد سنگی مورد بحث،در جدول 4 شده است.
.5 مدل سازي سه بعدي
شرایط مرزي و ابعاد مدلهاي استفاده شده در تحقیق در شکلهاي 4 و 5 نشان داده شده است. مطابق این شکل ها مقطع تونل به شکل نعل اسبی بوده و حفاري تونل به صورت NATM شامل دو مرحله تاق و پاتاق می باشد. گامهاي حفاري و نصب شاتکریت برابر 1/5 متر در نظر گرفته شده است. مقدار سربار تونل در مدلسازي 37/5 متر می باشد که 16/5 متر بالایی آن حذف و فشار معادل بر روي مدل اعمال شده است. رفتار پوشش به صورت الاستیک فرض شده و مشخصات آن مطابق جدول 5 در نظر گرفته شده است.
