بخشی از مقاله
خلاصه
توسعه شهرهاي بزرگ به علت افزایش ترافیک شهري، نیازمند توسعه سیستم حمل و نقل است. یکی از راههاي توسعه سیستم حمل و نقل، ایجاد سیستم حمل و نقل زیرزمینی است. حال سیستم حمل و نقل زیرزمینی اغلب نیازمند احداث تونل در اعماق کم زمینهاي خاکی است. در اثر احداث تونل، وضعیت تنش در خاك اطرافش تغییر خواهد کرد. این امر منجر به ایجاد جابه جایی هایی در خاك اطراف تونل و در طی آن گسترش این جابه جاییها تا سطح زمین میشود.
در چند دهه اخیر، استفاده از تونل سازي به روش سپري در زمین هاي خاکی و سنگی، افزایش چشمگیري داشته است. در اثر تونل سازي سپري در زمینهاي خاکی، افت حجمی ناشی از جابجاییهاي زمین در جبهه کار تونل - ناشی از ناپایداري جبهه کار تونل - ، امتداد سپر و نیز فضاي خالی دنباله سپر و در طی آن گسترش این افت حجمی تا سطح زمین از عوامل موثر در افزایش نشستهاي سطحی زمین در طی پیشروي تونل است.
در سالهاي اخیر، استفاده از سپر فشار تعادلی زمین - EPB - جهت کاهش جابجاییهاي زمین در جبهه کار تونل - پایدار سازي جبهه کار تونل - ، رشد قابل توجهی داشته است. لذا در این تحقیق با مطالعات عددي سه بعدي توسط نرم افزار اجزاي محدود Plaxis 3D Tunnelروي بخشی از خط شمالی- جنوبی متروي اصفهان به بررسی تأثیر فاصله طولی بین جبهه کار تونل هاي دوقلو روي نشستهاي سطحی زمینهاي خاکی در طی پیشروي تونلها با سپر فشار تعادلی زمین - - EPB در اعماق مختلف و با فواصل محور تا محور مختلف پرداخته شد.
.1 مقدمه
امروزه در شهرهاي بزرگ شرایط زیرزمینی و ژئوتکنیکی، احداث تونلهاي دوقلو یا احداث تونلی جدید در مجاورت تونل موجود را ایجاب میکند که در این میان تغییر پارامترهایی از قبیل تراز سطح آب و همچنین فاصله تونلها نسبت به هم، عمق قرار گیري و روند احداث تونلها - حفاري همزمان و یا با تاخیر تونلها - میتواند آثار چشمگیري روي نشستهاي سطحی زمینهاي خاکی و نیز نشستهاي سازههاي مستقر بر سطح زمینهاي خاکی در طی پیشروي تونلها داشته باشد.
از سوي دیگر در چند دهه اخیر، استفاده از تونل سازي به روش سپري در زمینهاي خاکی و سنگی، افزایش چشمگیري داشته است.در برخی از شهرها، شرایط زیرزمینی و ژئوتکنیکی، احداث تونلهاي دوقلو یا احداث تونلی جدید در مجاورت تونل موجود را ایجاب میکند که در این میان تغییر در پارامترهایی از قبیل تراز سطح آب و همچنین فاصله تونلها نسبت به هم، عمق قرارگیري و روند احداث تونلها - حفاري همزمان یا با تاخیر تونلها - میتواند آثار چشمگیري روي نشستهاي سطحی زمینهاي خاکی و نیز نشستهاي سازههاي مستقر بر سطح زمینهاي خاکی در طی پیشروي تونلها داشته باشد.
در اثر تونل سازي سپري در زمینهاي خاکی، افت حجمی ناشی از جابجاییهاي زمین در جبهه کار تونل - ناشی از ناپایداري جبهه کار تونل - ، امتداد سپر و نیز فضاي خالی دنباله سپر و در طی آن گسترش این افت حجمی تا سطح زمین از عوامل موثر در افزایش نشستهاي سطحی زمین در طی پیشروي تونل است. در سالهاي اخیر، استفاده از سپر فشار تعادلی زمین - EPB - جهت کاهش جابجاییهاي زمین در جبهه کار تونل - پایدار سازي جبهه کار تونل - ، رشد قابل توجهی داشته است.
یکی از عوامل موثر افزایش میزان ن ش ست هاي سطح زمین در اثر تونل سازي سپري، افت حجمی زمین در اثر جابه جایی هاي زمین در جبهه تونل - نا شی از ناپایداري جبهه تونل - و گسترش این افت حجمی تا سطح زمین می باشد. حال یکی از مناسب ترین روش ها جهت کاهش میزان این نشست ها، روش فشار تعادلی زمین - EPB - می باشد.
در این روش جهت پایداري جبهه تونل از فشاري ناشی از خاك حفاري شده - خاك جمع شده در اطاقک حفاري - تحت عنوان فشار پایداري جبهه تونل استفاده می شود. خاك حفاري شده با مشخصات زمین مقابل خود - جبهه تونل - تطابق نسبتا خوبی داشته و می تواند اختلاف فشار بالا و پایین جبهه تونل را تامین کند.شبیه سازي فشار پایداري جبهه تونل در نرم افزار Plaxis 3D Tunnel، با اعمال فشار اجرایی و یا طراحی پایداري جبهه تونل به تاج تونل و نیز در نظر گرفتن گرادیان این فشار - وزن مخصوص خاك حفاري شده - ، صورت می پذیرد.
لذا در تحقیق حاضر با مطالعات عددي سه بعدي توسط نرم افزار اجزاي محدود Plaxis 3D Tunnel روي محدوده اي از رودخانه زاینده رود در نزدیکی سی و سه پل - محدوده اي از خط شمالی- جنوبی متروي اصفهان - ، به عنوان محدوده مورد مطالعه، در نظر گرفته شده است. خط شمالی- جنوبی متروي اصفهان، شامل تونل هاي دوقلو با مقاطعی به نامهاي S-228 - تونل شرقی - وS-227 - تونل غربی - می باشد، که از ترمینال کاوه تا ترمینال صفا به طول 21/2 کیلومتر امتداد یافته و در بخشی از این خط - از ترمینال کاوه تا رودخانه زاینده رود - ، از تونل سازي با سپر فشار تعادلی زمین - EPB - استفاده شده است.
شکل -1 جابجاییهاي زمین در طی احداث تونل با سپر
.2 مدلسازي عددي
در این تحقیق از آن جایی که بناهاي زیرزمینی، شکل منظم و ساده اي نداشته و همچنین توده خاك همسان، همگن و الاستیک نبوده، روش هاي ریاضی براي تعیین تنش ها و جابه جایی ها با مشکل مواجه شده اند. لذا در چند دهه اخیر، روش هاي عددي براي حل این مشکل، جانشین روش هاي ریاضی شده اند، که درسال هاي اخیر، خصوصا به واسطه پیشرفت تکنولوژي و علوم وابسته از قبیل کامپیوتر، توسعه زیادي یافتهاند.روشهاي عددي به طور گستردهاي در مدل سازي هندسی و رفتاري توده خاك و بناهاي زیرزمینی به کار گرفته شده اند.
در این روش با در نظر گرفتن مدل رفتاري و شرایط پایداري براي محیط، به اعمال نیرو و تعیین جابه جایی در نقاط خاصی پرداخته می شود. سپس با استفاده از درون یابی، جابه جایی هاي سایر نقاط هم، به دست می آید. موقعیت، تعداد و ارتباط این نقاط توسط تقسیم بندي محیط به اجزاي کوچکتر، مشخص می شود. هر جزء بیانگر ناحیه اي کوچک از محیط می باشد. ارتباط اجزاء با یکدیگر توسط گرههاي آن ها صورت می گیرد. تقسیم بندي اساسی روشهاي عددي بر مبناي نوع محیط مورد کاربرد بوده، که این محیطها به محیطهاي پیوسته و ناپیوسته، معروف میباشند.
در این تحقیق از تحلیل امان محدود سه بعدي براي مدلسازي و بررسی استفاده شده است. Plaxis 3D Tunnel یک نرم افزار عددي اجزاي محدود بوده، که با مدل سازي سه بعدي و با در نظر گرفتن پارامترهاي مکانیکی و مدل هاي رفتاري مختلف براي خاك و سازه، توانایی تحلیل استاتیکی پایداري و تغییرشکل ها در پاره اي از م سائل ژئوتکنیکی خ صو صا تونل سازي در زمین هاي نرم را دارا میبا شد. دراین نرم افزار، محیط پیو سته تو سط المان هاي 15 گره اي، مش بندي میشود. همچنین دراین نرم افزار می توان توده خاك را ناهمگن و ناهمسان در نظر گرفت و نیز اندرکنش بین خاك و سازه را مدل کرد.
شکل -2 هندسه و مش المان محدود
شکل -3 مدل تونلهاي دوقلو
.3 مشخصات مصالح
در توده زمین درمحدوده موردمطالعه، از سه لایه خاك با مشخصاتی مطابق باجدول 1 و یک لایه بسیار سخت که از عمق 25 متري شروع می شود، تشکیل یافته است. همچنین سطح آب در سال هاي اخیر، تا ترازي در حدود 2 متر بالاتراز سطح زمین، متغیر بوده است.
جدول -1 مشخصات توده خاك
لازم به ذکر است که در جدول γ1، E، ν، c′ و φ′ به ترتیب وزن مخصوص، مدول یانگ، نسبت پواسون، چسبندگی موثر و زاویه اصطکاك داخلی موثر درسه لایه تشکیل دهنده توده خاك تحت عنوان خاك دستی - Fill - از عمق 0 تا 2 متري، رسوبات آبرفتی ریز دانه - Fine grained alluvium - از عمق 2 تا 6 متري و رسوبات آبرفتی درشت دانه - Coarse grained alluvium - از عمق 6 تا 25 متري می باشد.
در این محدوده از دو ماشین EPB TBM با سپر به طول و قطر خارجی به ترتیب 6/8 و 6/88 متر و مشخصاتی مطابق با جدول 2-4 جهت احداث تونل هاي دوقلو استفاده شده است. پوشش تونل ها داراي قطر خارجی 6/6 متر بوده، که از 6 قطعه بتنی پیش ساخته به ضخامت و طول به ترتیب 30 و 140 سانتی متر و مشخصاتی مطابق با جدول 3-4، تشکیل شده است. همچنین بلافاصله پس از نصب پوشش، فضاي خالی - حدود14سانتیمتر - بین سطح خارجی پوشش و سطح خاك حفاري شده، توسط تزریق پر فشار دوغاب، پر میشود. لازم به ذکر است که تاج تونل ها در عمق 8 تا 8/7 متري از سطح زمین قرار گرفته است.
جدول -2 مشخصات سپر
جدول -3 مشخصات پوشش تونل
