بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي ايمني تونل ها در مواجهه با زمين هاي نرم
چکيده
تونل هاي متعددي در سرتاسر جهان در زمي هاي نرم اجرا شده يا در حال اجرا است ؛ اين در حالي است که نمونه هاي نه چندان کمي از آنها مورد خسارات ناشي از عدم بررسي هاي همه جانبه ايمني تونل قرار م گيرد. اين گونه خرابي ها شامل خرابي جبهه حفاري، خرابي قسمت هاي لاينينگ نشده يا حتي مح هاي لاينينگ شده را نيز شامل ميشود. در زمينه پايداري يا ايمني سازه تونل و خاک اطراف آن کار چنداني انجام نشده است . اين در حالي است که در صورت آگاهي از ميزان ايمني سازه تونل در مراحل مختلف حفاري و بعد از حفر آن مي توان به هر چه اقتصاد تر نمودن اين طراحي و اجراي تونل در اين گونه زمين ها پرداخت . در اين مقاله به ارزيابي ايمني تونل ها در کوتاه مدت پرداخته مي شود. نتايج نشان داده است که اين پارامتر نقش اساسي در طراحي المان هاي نگهبان موقت و دائمي تونل دارد.
واژه هاي کليدي: تونل سطحي، تونل عميق ، زمين نرم ، ايمني، FLAC.
١- مقدمه :
تونل سازي در مناطق شهري بخصوص جهت استفاده در حمل و نقل عمومي بطور قابل توجهي در سالهاي اخير افزايش يافته است . همزمان با حفاري بناهاي زيرزميني از جمله تونل به علت تغييرات به وجود آمده در خاک، تعادل اوليه محيط اطراف تونل به هم مي خورد که اين امر مي تواند منجر به ايجاد نشستهاي سطحي و زير سطحي و جابجايي هاي افقي در محيط اطراف تونل گردد (موسيوند و بيات ، ١٩٣١). جابجايي هاي قائم به وقوع پيوسته در اثر حفاري تونل ، خصوصاً زماني که تونلها در خاک هاي نرم و فشرده شونده قرار دارند، مي تواند قابل توجه باشد. بررسي بسياري از محققان نشان داده است که اجراي سازه هاي زير سطحي مي تواند به عنوان مهمترين چالش مهندسي عمران به شمار آيد ( ,Bernat and Cambou ١٩٩٩ ,Chiles and Delfiner ;١٩٨٢ ,Attewell and Christian ;٢٠٠٨ ,.Liu et al ;١٩٩٨). ساخت تونلها بايد بدون خرابي سازه هاي قرار گرفته روي محل حفاري و يا سازه هاي زير سطحي به انجام برسد. خلاصه اي از مرورهاي به عمل آمده توسط محققان روي جابجايي هاي قائم سطح زمين به واسطه حفر تونل توسط , ,(١٩٩٩) ,Phoon and Kulhawy (٢٠٠٦) ,.and Baker et al (٢٠٠٣) Baecher and Christian به انجام رسيده است . اين در حالي است که روشهاي صورت گرفته جهت کنترل ايمني تونلها غالباً در سه بخش کلي زير تقسيم بندي مي شود: ١- روشهاي تجربي، ١- روشهاي مدل سازي آزمايشگاهي و ٩- روشهاي عددي (موسيوند، ١٩٣١). روش هاي تجربي عمدتاً براي رده بندي سن ها با مشخصات ژئومکانيکي مشابه ميباشند و ميتوان از اين دسته بند ها به عنوان مرجعي جهت بررسي ايمني تونل و انتخاب پوشش مناسبي براي آن با استفاده از رده سنگي آن و بار وارد شده به آن ، اقدام نمود (مدني ١٩٣١). اين روشها پاسخ مناسبي براي زمينهاي دانه اي يا زمين هاي با خاک نرم نخواهند داشت . در روش هاي مدل سازي آزمايشگاهي با استفاده از مد هاي کوچک مقياس ميتوان وضعيت پايداري تونل يا ساير حفره هاي زيرزميني را بررسي نمود. در اين روش ، با استفاده از نسبت مقاومت سنگ يا خاک به تنش موثر آن ، مي توان منحنيهاي ه تراز را رسم نمود؛ جاهايي که اين نسبت کمتر از ١ باشد خاک ناپايدار است . با استفاده از اين مدل هاي آزمايشگاهي ميتوان ايمني تونل را تحت بارگذاريهاي مختلف ، مورد بررسي قرار داد. البته در اين جا بايد مسئله اثر مقياس را نيز مدنظر قرار داد (مدني ١٩٣١، ٢٠٠٢ .Vermeer et al). مطالعات چنداني از اين روش توسط محققان صورت نپذيرفته است . بيشتر محققان از روش مدل سازي فيزيکي جهت بررسي ميزان نشستها استفاده نموده اند و به پارامتر ايمني تونل توجه خاصي ننموده اند. به دليل مشکلات و عدم قطعيت هاي موجود در موارد فوق الذکر روش عددي در تعيين ايمني تونل مورد توجه طراحان ژئوتکنيک قرار گرفت . در اين روش که با استفاده از روش هاي عددي که عمدتاً توسط برنامه هاي کامپيوتري انجام ميشود، با بررسي توزيع کرنش (تغييرمکانها) يا توزيع تنش ها را در اطراف تونل ها، ايمني تونل بدست آورده مي شود. خلاصه اي از تحقيقات انجام شده توسط محققان مختلف در اين زمينه ارائه شده است (ملکي، ١٩٣٣، ١٩٩٧ Carranza-Torres and Fairhurst):
در صورت استفاده از توزيع تنش ، پس از تعيين تنش هاي مختلف در اطراف تونل ، مي توان مشخص اي موسوم به نسبت مقاومت بر تنش را در نقاط مختلف محاسبه کرد که اين نسبت به سادگي از تقسيم مقاومت در هر نقطه بر تنش موثر هم نام آن بدست ميآيد (مثلاً نسبت مقاومت فشاري به تنش فشاري). براي کرنش (يا نرخ کرنش ) نيز مسئله به همين صورت است .
البته بعضي از محققين براي بررسي عددي پايداري با استفاده از مدل هاي عددي از جمله مور-کولمب از رابطه استفاده نموده اند. مدل مور-کولمب ، مدل ارتجاعي-کاملاً خميري ميباشد؛ در اين مدل تا زماني که تنش برشي موجود در رابطه صدق کند، ماده به حالت ارتجاعي خواهد بود، ولي در صورتي که مقدار تنش برشي موجود بيشتر از رابطه ذکر شده باشد، خرابي در مصالح صورت م گيرد. با در نظر گرفتن ضريب اطمينان ، مي توان مقدار تنش مجاز را نيز بدست آورد در جهت تدقيق در روايط ايمني تونل بايد از مدلهاي دقيق تري جهت تحليل استفاده شود. در اين تحقيق با استفاده از يک مدل الاستوپلاستيک با سخت شوندگي همسان به مطالعه ايمني تونل پرداخته مي شود (موسيوند، ١٩٣١). مدل مورد نظر قادر به شبيه سازي مسيرهاي تنش پيچيده موجود در پديده تونل سازي مي باشد. جهت تحليل تونل و همچنين تعيين ايمني تونل با استفاده از دو مدل مور کولمب و همچنين مدل cjs پرداخته خواهد شد و مقايسه اي بين نتايج آن خواهد شد.
٣- مدل رفتاري و پارامترهاي مدل
در مدل ¬سازي انتخاب مدل رفتاري نقش ب يار مهمي دارد، چرا که ميدان تنش –کرنش حاصل از تحليل وابستگيزيادي به مدل رفتاري دارد. در دو دهه اخير محققان مختلفي تلاش در جهت مدل سازي تونل با استفاده از روشهاي اجزاي محدود و تقاضل محدود انجام دادند که از آن ميان مي توان به ;٢٠٠٠ ,Dias and Kastner ;١٩٩٤ ,Shahrour and Ghorbanbeigi
٢٠٠٦ ,Meguid and Rowe ;٢٠٠٣ ,Mroueh and Shahrour اشاره نمود. با توجه به توصيه ¬هاي راهنماي FLAC براي حفاري تونل ¬ها و مطالعات پيشين انجام شده توسط نويسنده تحقيق مدل رفتاري CJS انتخاب گرديد.
در مدل رفتاري به کار رفته در تحقيق حاضر بر خلاف مدل هاي الاستيک –پلاستيک کامل ، مدل به صورت الاستوپلاستيک در نظر گرفته شده است . چنين ملاحظه اي اين امکان را فراهم مي سازد که از قابلي هاي يک مدل الاستوپلاستيک به خصوص جهت بيان خرابي، ارتباط غيرخطي و الاستو-پلاستيک تنش -کرنش و بيان رفتار اتساع -انقباض استفاده شود. اين مدل ساده الاستوپلاستيک از زير مدل هاي مدل CJS ميباشد(١٩٩٨ Maleki ;٢٠٠٠ .Maleki et al). اين مدل داراي دو مکانيزم خميري است . اولين مکانيزم براي بارگذاري هاي انحرافي فعال شده ، داراي يک قانون جريان غير متحد و تحول سطح تسليم آن توسط يک سخت شوندگي همسان صورت ميگيرد. دومين مکانيزم مربوط به بارگذاري همسان است .
سطح تسليم آن يک صفحه عمود بر محور هيدروستاتيک است و جزء کرنش با استفاده از قانون جريان متحد حاصل ميشود. کليه پارامترهاي مدل داراي معني فيزيکي مشخص بوده که به سادگي از نتايج آزمايش هاي معمول آزمايشگاهي قابل تعيين هستند (ملکي ١٩٣٣).
سطح خرابي در اين مدل به صورت زير است :
که در آن نامتغير دوم تانسور انحرافي نامتغير اول تانسور تنش باشد.
تابعي است که تغييرات شعاع سطح خرابي را در پلان انحرافي بر حسب زاويه لود، ، مطابق رابطه زير بيان ميکند.
در اين تحقيق با توجه به آن که هدف مدل کردن رفتار تابع زمان خاک هاست و با توجه به آنکه اثر زمان در خاکهاي رسي بيشتر ظاهر ميگردد لذا اثر چسبندگي را به صورت زير در معادله سطح خرابي وارد شده است (ملکي ١٩٣٣).
Ic١ پارامتري است که بر حسب چسبندگي خاک به دست ميآيد و در شکل زير سطح خرابي در پلان انحرافي و پلان تنش انحرافي بر حسب تنش داده شده است .
شکل ١:نمايش سطوح مختلف مک نيزم انحرافي مدل در پلان انحرافي و در پلان تنش انحرافي بر حسب تنش همسان
(ملکي ١٣٠٩)
٤- معرفي تونل وِزليون (مقطع ٢)
تونل مورد بررسي در ناحيه مرکزي شهر ليون ، با استفاده از ماشين هاي حفار مکانيزه مورد حفاري قرار گرفته است ( استفاده از روش هاي حفاري کلاسيک باعث بروز تخريب و آسيب به سازه هاي موجود در اين ناحيه ميگرديد ) ( Amet et
١٩٩٦ ,.al). تونل فوق با قطر داخلي ١ متر و قطر خارجي ١.٩١ متر و طول ٣٥١ متر در طي سال هاي ١٣٣٩ الي ١٣٣٥ در اين ناحيه حفر گرديده اند. تونل ها در لايه هاي رسوبي سيلتي که داراي خصوصيات مکانيکي نسبتاً ضعيفي هستند حفر مي شوند. ضخامت لايه سربار تونل در طول مسير متغير بوده و حداکثر مقدار آن برابر ١٥ است . (١٩٩٩ ,.Bernat et al). در اين تحقيق به دليل تقارن موجود در مقطع تونل از تحليل نصف تونل استفاده شده است (شکل ١). با توجه به نداشتن پارمترهاي مدل رفتاري CJS، با استفاده از تحليل هاي بازگشتي پارامترهاي مصالح به صورت زير انجام گرفته است (امين پور،
٥- تحليل و ارزيابي نتايج
