بخشی از مقاله
چکیده
یکی از راه های گسترش حمل و نقل جهت کاهش ترافیک در کلانشهرها، توسعه سیستم حمل و نقل زیرزمینی از طریق احداث تونل های کم عمق در زمین های خاکی نرم می باشد. حال از مهمترین مسائل در احداث تونل در اعماق کم زمین های خاکی، مسأله نشست سطح زمین و تأثیر آن بر سازه های نزدیک به آن - ساختمان ها، تأسیسات شهری، بناهای تاریخی و ... - می باشد. از طرفی، شرایط زیرزمینی و ژئوتکنیکی در برخی از نقاط، احداث تونل های دوقلو یا احداث تونل های جدید نزدیک به تونل های موجود را ایجاب می کند. در حفاری تونل های دوقلو یکی از پارامترهای تأثیرگذار و مهم بر میزان حداکثر نشست سطح زمین، روند احداث - حفاری همزمان یا با تأخیر نسبت به هم - می باشد . از اینرو در مطالعه حاضر به بررسی تأثیر روند حفاری تونل های دوقلو روی نشست های سطحی زمین نرم در تونلسازی سپری EPB TBM در فواصل نسبی مختلف با استفاده از نرم افزار PLAXIS 3D TUNNEL پرداخته شده است. نتایج حاکی از آن بوده که با افزایش فاصله طولی بین جبهه کار تونل های دوقلو، به جهت کاهش تأثیر مضاعف جبهه های کار بر هم، از خطر جابه جایی ها و نهایتا نشست های سطحی بزرگ و ناهمگون زمین های خاکی کاسته می شود. همچنین کاهش فاصله طولی بین جبهه کار تونل های دوقلو، منجر به افزایش میزان حداکثر نشست های سطحی زمین نرم شده که این افزایش با کمتر شدن فاصله نسبی تونل ها، چشمگیرتر هم می باشد.
واژگان کلیدی : تونلسازی سپری، سپر فشار تعادلی زمین، تونل های دوقلو، نشست های سطحی، روش اجزای محدود
مقدمه
ی کی از معضلات اساسی حفاری تونل در محیط های شهری نشست سطح زمین است که همواره این پروژه ها را تحت تاثیر خود قرار می دهد و موجب مشکلات حقوقی و و مالی می شود. علاوه بر این باعث توقف و یا کندی کار می گردد. نمونه بارز این مسائل در حفاری های مربوط به مترو و تونل های شهری دیگر مثل تهران خود را نشان داده است. روش حفاری مکانیزه - TBM - که امروزه یکی از پراستفاده ترین روش ها در مهندسی تونل است می تواند در کاهش و کنترل این نشستها موثر باشد. بعلاوه این روش در مقایسه با روش حفاری سنتی از مزایایی از جمله سرعت بالا و کاهش زمان ساخت، عدم نیاز به تحکیم اولیه، بهبود شرایط ایمنی کار و کاهش هزینه ها برای تونل های طویل برخوردار است. عوامل موثر در نشست سطح زمین در روش حفاری مکانیزه را میتوان عمدتا به سه دسته عوامل هندسی، عوامل ژئومکانیکی و نیز پارامترهای کاری ماشین حفاری تقسیم بندی کرد. عوامل هندسی شامل قطر تونل، موقعیت تونل - فاصله محور تا محور تونل ها، عمق و ... - می باشند. پارامترهای کاری ماشین شامل فشار وارد بر جبهه حفاری و نیز فشار تزریق در پشت سگمنت ها می باشد و پارامتر های ژئومکانیکی شامل مشخصات مکانیکی لایه های خاک مابین تونل تا سطح زمین می باشد. نتایج نشان می دهد که به ازای قطر ثابت با افزایش فاصله محور تا محور تونل ها، میزان نشست ها کاهش می یابد و نیز به ازای فاصله محور تا محور ثابت با افزایش قطر تونل میزان نشست سطحی حداکثر، افزایش می یابد. همچنین نتایج نشان می دهد که اثر قطر تونل بر نشست ها بصورت خطی نمی باشد . در این پژوهش سعی شده است تا با استفاده از نسخه PLAXIS 3D TUNNEL، به مدلسازی و تحلیل سه بعدی منطقه مورد مطالعه و محاسبه ی حداکثر نشست سطحی زمینی نرم در تونلسازی به روش سپری TBM EPB در فواصل محور تا محور مختلف پرداخته و از مدل رفتاری موهرکولمب جهت تعیین میزان نشست سطحی زمین و ضریب اطمینان پایداری تونل استفاده شده است. با مدنظر قراردادن بررسی موضوع در حوزه الاستیک و همچنین توجه به اینکه پارامترها و کمیت های مختلفی بر مقادیر نشست در سطح زمین و تاج تونل تأثیرگذار است.
پیشینه پژوهش
حیدری و همکارانش در سال 1382، با مطالعات پارامتریک به کمک روش عددی اجزای محدود با فرض مدل هندسی دو بعدی کرنش مسطح و با درنظر گرفتن توده خاک با مدل رفتاری الاستیک، به بررسی نشست های سطح زمین در اثر احداث تونل بدون پوشش داخلی، با توجه به تأثیر شیب سطح زمین، بار خارجی سطحی و شکل مقطع تونل روی این نشست ها پرداختند. همچنین، در این مطالعات، تأثیر پارامترهای مکانیکی زمین از قبیل مدول الاستیسیته، وزن مخصوص و نسبت پواسون و همچنین پارامترهای هندسی تونل از قبیل عمق تونل، قطر تونل در حالت مبنا - یعنی تونل دایره ای در زمینی با سطح افقی و بدون حضور بار خارجی - نیز روی نشست سطح زمین، مورد بررسی قرار گرفت. از این مطالعات دیده شد که در حالت مبنا، افزایش مدول الاستیسیته، عمق تونل و نیز کاهش وزن مخصوص و قطر تونل، باعث کاهش نشست سطح زمین می شود. همچنین، دیده شد که اگر فاصله افقی تونل از بار خارجی سطحی در حدود عمق تونل باشد، اثر بار خارجی روی نشست سطح زمین، ناچیز بوده و نیز با تغییر شکل مقطع تونل از دایره ای به مربعی و از مربعی به مستطیلی با همان سطح مقطع، نشست سطح زمین تا 30 درصد یا حتی بیشتر، افزایش می یابد. همچنین، سطح شیب دار نسبت به سطح افقی، تأثیر قابل توجهی بر حداکثر نشست سطحی نداشته، ولی وضعیت تقارن منحنی نشست سطح زمین را تغییر می دهد. [1] پاکباز و حیدری زاده با انجام مطالعات پارامتریک به کمک روش عددی اجزای محدود با فرض مدل هندسی دو بعدی کرنش مسطح و توسط نرم افزار Plaxis 2D روی متروی اهواز و با در نظرگرفتن توده خاک چند لایه با مدل رفتاری الاستوپلاستیک کامل با معیار گسیختگی موهر- کولمب، به بررسی تأثیر فاصله نسبی تونل ها روی نشست های سطح زمین در اثر احداث تونل های دوقلوی افقی با سپر پرداختند. از این مطالعات دیده شد که با افزایش فاصله نسبی تونل ها، نشست سطح زمین، کاهش می یابد.[2] کاتبی و سعدین با انجام مطالعات پارامتریک به کمک روش عددی اجزای محدود با فرض مدل هندسی دو بعدی کرنش مسطح و توسط نرم افزار Plaxis 2D روی خط 2 متروی تبریز، به بررسی نشست های سطح زمین در اثر احداث تونل با سپر، با توجه به تغییر عرض مدل سازی و پارامتر انقباض تونل پرداختند. از این مطالعات دیده شد که با افزایش پارامتر انقباض تونل، نشست سطح زمین خصوصا ماکزیمم نشست سطح زمین، افزایش یافته، که این افزایش با بیشتر شدن عرض مدل سازی، کمتر می شود.[3] افشار و همکارانش در سال 1389، با مطالعات پارامتریک به کمک روش عددی اجزای محدود با فرض مدل هندسی دو بعدی کرنش مسطح و توسط نرم افزار Plaxis 2D روی خط 2 متروی مشهد، در 5 پروفیل عرضی از مسیر، به بررسی نشست های سطح زمین در اثر احداث تونل با سپر، با توجه به تغییرعمق تونل پرداختند. از این مطالعات دیده شد که نشست سطحی با افزایش عمق تونل تا رسیدن به یک عمق بهینه، کاهش و از این عمق به بعد، افزایش می یابد. حال، این عمق در پروفیل های عرضی مختلف از مسیر، فرق می کند و از لایه خاک با خواص ژئوتکنیکی مناسب تر، عبور می کند.[4] نژاد و همکارانش با شبیه سازی عددی سه بعدی توسط نرم افزار اجزای محدود Plaxis 3D Tunnel، تأثیر پیشروی تونل های دوقلو با سپر فشار تعادلی زمین را روی پایه های سی و سه پل اصفهان، مورد بررسی قرار دادند. همچنین، برای کالیبراسیون پارامترهای محاسباتی از قبیل درصد انقباض تونل و فشار پایداری جبهه تونل و ...، با آنالیزهای برگشتی مقادیر نشست ها را با داده های اندازه گیری شده در محل - ایستگاه اندازه گیری واقع در بخشی از خط شمالی-جنوبی متروی اصفهان - ، تطابق دادند. در مطالعات صورت گرفته، فونداسیون سی و سه پل در دو مدل صلب - با عمق 7 متر - و سطحی - با عمق 2 متر - ، شبیه سازی شد. از این مطالعات پارامتریک دیده شد که با قرارگیری محور تونل نزدیک به فونداسیون در فواصل بیشتر از 22/5 و 27/5 متر به ترتیب از فونداسیون صلب و سطحی، نشست های فونداسیون در طی پیشروی تونل ها، ناچیز می باشد. همچنین، از این تحقیق برای اعتبار سنجی روش مدل سازی و تحلیل - روش عددی اجزای محدود - و نرم افزار مورد استفاده جهت این امر - نرم افزار - Plaxis 3D Tunnel و نیز نحوه شبیه سازی عددی تحقیق نیز استفاده می شود.[5] چاهید و شهرور با مطالعات پارامتریک به کمک روش عددی اجزای محدود با فرض مدل هندسی دو بعدی کرنش مسطح - توسط نرم افزار - Plaxis 2D و با درنظر گرفتن توده خاک با مدل رفتاری الاستوپلاستیک کامل با معیار گسیختگی موهر-کولمب، به بررسی نشست های سطح زمین در اثر احداث تونل های دوقلو در سه موقعیت نسبی افقی، عمودی و مایل پرداختند. همچنین، به تأثیر نوبت احداث تونل ها روی این نشست ها نیز اشاره کردند. از این مطالعات دیده شد که در اثر احداث تونل ها افقی، با افزایش فاصله نسبی تونل ها برحسب قطر تونل، نشست سطح زمین، خصوصا در بالای مرکز فاصله نسبی تونل ها، کاهش می یابد. همچنین دیده شد که نشست سطح زمین در اثر احداث تونل های عمودی و مایل، بیشتر از این نشست ها در اثر احداث تونل های افقی است. همچنین، از این مطالعات مشاهده شد که در احداث تونل های عمودی، احداث تونل بالاتر در اول - حالت مبنا - نسبت به احداث تونل پایین تر در اول - حالت معکوس - ، منجر به نشست سطحی بیشتر زمین می شود . [6] حقی و طاهری ابتدا فشار پایداری جبهه تونل را بر طبق روش محکم برای خط متروی اصفهان، به دست آوردند. سپس، با شبیه سازی عددی سه بعدی توسط نرم افزار اجزای محدود Plaxis 3D Tunnel و اعمال این فشار بر تاج تونل، نشست های ناشی از پیشروی تونل با سپر فشار تعادلی زمین را مورد بررسی قرار دادند. سرانجام، مقادیر این نشست ها را با داده های اندازه گیری شده در محل - ایستگاه اندازه گیری واقع در بخشی از خط شمالی- جنوبی متروی اصفهان - ، تطابق دادند. از تطابق نسبتا خوب نتایج به دست آمده با داده های اندازه گیری شده در محل دیده شد که روش محکم روشی مطمئن برای محاسبه فشار پایداری جبهه تونل - فشار طراحی - می باشد. همچنین، دیده
