بخشی از مقاله
خلاصه
در روش مرسوم نگهدارنده چتری تونل که به منظور محدود کردن تغییر شکل زمین در طول فرآیند حفاری تونل بکار میرود، لولههای فولادی - فورپول - در الگویی به شکل مخروط ناقص در محیط پیرامون تونل حول جبهه نصب میگردند. با هدف اصلاح الگو و افزایش استفاده از ظرفیت لولههای فولادی روش چتری، در این مطالعه به بررسی عملکرد روشی نوین بر اساس چتر نگهدارنده که در آن فورپولها نسبت به هم به صورت متداخل قرار دارند، پرداخته شده است.
در این مقاله تحلیلهای عددی سه بعدی حفاری تونل، صرفاً با حضور چتر لولهای و بدون درنظر گرفتن اثر تزریق دوغاب و استفاده از دیگر نگهدارندههای تونل انجام گردیده است. آرایشهای گوناگونی از چتر لولههای متداخل در طول تونل در نظر گرفته شده است. نتایج بدست آمده از تحلیلها نشان میدهد که در اکثر موارد، چتر متداخل نسبت به روش چتری مرسوم، عملکرد بهتری در کاهش تغییر شکل مقاطع مختلف تونل دارد.
1. مقدمه
ساخت تونل سبب تغییرات تنش در زمین و متناسب با آن ایجاد کرنش و تغییر مکان میگردد. اگر تنش به وضعیتی برسد که از مقاومت خاک تجاوز کند، نتیجه آن تغییر شکلهای بیش از حد و در نهایت گسیختگی - تخریب یا ریزش - میباشد، طبق مطالعاتی که در گذشته انجام شده بحرانیترین موقعیت تاج تونل، بلافاصله قبل از نصب پوشش دائمی تونل میباشد
بنابراین پایداری جبهه حفاری، مهمترین مسئله است. مطالعات اتکینسون و مایر [2]، بر روی سازو کار گسیختگی تونلها نشان میدهد ، تونلهایی که در خاک دانهای از نوع زهکشی شده حفر میشوند به سختی میتوانند پایداری خود را بدون وجود نگهدارندهها حفظ نمایند. بنابراین به طور کلی تونلسازی در خاکهای دانهای تا زمان نصب سیستم نگهدارنده اولیه یا نهایی نیازمند نگهداری محیط حفاری شده میباشد. یکی از معمولترین و اقتصادیترین روشهای جلوگیری از کرنشهای اضافی خاک اطراف تونل و حفظ ظرفیت نگهدارندههای اصلی تونل، مسلحسازی جبهه حفاری بوسیله چتر لولههای مسلح کننده است.
2. ساز و کار نگهدارندههای قوس چتری -
جهت انجام روش قوس چتری - 3UAM - ، ابتدا پیش از آغاز حفاری، قوس چتری متشکل از لولههای فولادی - فورپول - و دوغاب تزریقی، پیرامون محیط تونل ایجاد میشود. سپس جبهه حفاری تا فاصله مشخصی از انتهای قوس چتری ادامه پیدا میکند. بعد از آن ساخت قوس چتری جدید با نصب لولههای فولادی و تزریق دوغاب درون لولهها انجام میشود. حفاری بلافاصله پس از نصب قوس چتری جدید و همراه با نصب نگهدارندههای تونل، از سر گرفته میشود.
شکل -1الف نمایی کلی از روش مسلح کننده قوس چتری را نشان میدهد. این روش، پایدارسازی جبهه حفاری را بوسیله ایجاد سازه چتری شکل حول آن، در هر دو جهت طولی - عمده - و عرضی - کمتر - تونل تأمین میکند. در جهت عرضی، بار زمین توسط ناحیه مسلح شده کمانی شکل تحمل میشود، از طرف دیگر بار قسمت زمین حفاری شده، توسط تیری که دو انتهای آن یکی اغلب توسط نگهدارنده تونل - قاب فولادی - و انتهای دیگر همیشه توسط زمین مقید شده، تحمل میشود.
اثر گذاری لولههای چتری از طریق باز توزیع تنشهای جبهه در جهت طولی و مشابه با عملکرد یک تیر طره با یا بدون یک تکیه گاه غلطکی در انتهای آزاد است. به این ترتیب هر لوله، بارهای ناحیه مسلح شده را به صورت طولی به نواحی با خطر کمتر یا قسمتهایی که به عنوان نگهدارنده عمل میکنند و در قسمت حفاری نشده در جلوی جبهه حفاری قراردارند، منتقل میکند
در روش مرسوم قوس چتری به دلیل سهولت در اجرا - نصب لولهها و تزریق دوغاب درون فورپول - ، لولههای فولادی تقریباً به موازات محور طولی تونل و با الگوی فضایی مخروط ناقص نصب میگردند. با توجه به مطالعات انجام شده در بسیاری از موارد، قوس مستحکم مورد نظر شامل فورپولها و مخلوط ستون دوغاب تزریق شده و خاک به طور کامل شکل نمیگیرد. بنابراین ریزش توده خاک و یا سنگ از بین فورپولها محتمل میباشد. به منظور غلبه و رفع این مشکل، در تحقیق حاضر، رفتار قوس چتری در یک تونل با مقطع دایروی، در حالتی که فورپولها نسبت به یکدیگر به صورت متداخل - شبکه غیر موازی - مطابق شکل -1ب نصب شوند، بررسی میگردد.
شکل -1 الف-طرح کلی روش طاق چتری مرسوم با چیدمان مخروط ناقص -[3]ب- طرح کلی روش طاق چتری متداخل
3. پیشینه مطالعات
مطالعات بسیاری بخصوص در اروپا به عنوان مثال در ایتالیا و فرانسه بر روی روش مسلح کننده قوس چتری انجام شده است. پیلا [4] مطالعات گستردهای را بر روی رفتار جبهه تونل مسلح شده با لولههای فولادی با استفاده از مدل اجزاء محدود سه بعدی انجام داد و ارتباط بین فشار معادل جبهه و آرایش مسلح کنندههای جبهه را اثبات کرد.
یو [5] نتایج تحلیل اجزاء محدود و شبیهسازی رفتار جبهه تونل مسلح شده با لولههای فولادی را بررسی کرده است. برای این کار یک مدل اجزاء محدود استفاده شده است تا رفتار سه بعدی جبهه تونل تحت شرایط مرزی گوناگون بدست آید. نتایج نشان میدهد که فن مسلح سازی با استفاده از لولههای فولادی میتواند بطور قابل ملاحظهای تغییر شکل جبهه حفاری را کاهش دهد و پایداری آن را بهبود بخشد.
اینمولی و همکاران [6] نیز به بررسی پایداری جبهه حفاری بوسیله لولههای فولادی مسلح کننده و دوغاب زنی چند مرحلهای زمین، پرداخته اند.
اوکاک [7] میزان نشست در مترو استانبول برای روشهای NATM و UAM را مقایسه کرد. با توجه به نتایج مطالعات وی مشخص گردید میزان تغییر شکل در خاک با استفاده از روش UAM میتواند به طرز مؤثری کنترل شود.
شین و همکاران [8] به منظور درک ساز و کار مسلح کنندههای چتری و بهبود عمل طراحی، یک مدل آزمایشگاهی بزرگ مقیاس تونل در خاک دانهای، که قسمت تاج آن بوسیله لولههای فولادی تسلیح شده را مورد بررسی قرار دادند. اثرات الگوهای مسلحکننده و طول لولههای فولادی بر رفتار زمین در طول حفاری، به خصوص در موارد تغییر مکان زمین و تغییرات تنش مورد بررسی قرار گرفته است.
یئو و همکاران [9] پیشنهاد کردند که به منظور حداقل کردن نشست سطح زمین، سیستم چتر لولهای به عنوان یک روش نگهدارنده کمکی استفاده شود و جهت تحلیل آن از نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS استفاده کردند. محققین نشان دادند که تفاوت قابل ملاحظه ای در نشست سطح در نتایج مدلسازی عددی بین مدل با و بدون بکارگیری المان تیرهای مدفون شده، وجود دارد.
از طریق تجربیات آزمایشگاهی و مشاهدات میدانی، پارک و همکارانش [10] یک روش جدید کمکی مسلح سازی تونل به نام لولههای تورمی ناشی از فشار - - 1 PIM را پیشنهاد میکنند. در روش PIM لولههایی با قابلیت تورم، بوسیله فشار به جای لولههای غیر تورمی در روش UAM، درون چالهها قرار میگیرند. مشابه با روش UAM، در روش PIM لولهها دارای یک آرایش قوس چتری در جبهه حفاری تونل هستند. سپس دوغاب به درون لولهها تزریق میشود.
شوماخر و کیم [11] اثر روش چتر لولهای در تسلیح و نگهداری تاج تونل معدن زغال سنگ Western US در شرایط زمین ماسه سنگ ضعیف را مورد بررسی قرار دادهاند. نتایج بدست آمده از تحلیل عددی تفاضل محدود، نشان میدهد که لولههای فولادی که به صورت تیرهای مدفون شبیه سازی شده اند، تحت خمش ناشی ازحفاری قرار گرفته و توزیع لنگر خمشی براساس فاصله و قطر لولهها تغییر پیدا میکند. همچنین یاسیتلی [12] بوسیله تحلیل عددی نشست سطح زمین در مناطق نزدیک به مترو استانبول که بوسیله روش NATM و مسلح سازی تاج و جبهه با UAM، حفاری شده است را مورد بررسی قرار داده است.
4. مشخصات هندسی دامنه در تحلیلهای پارامتری
به منظور تحلیل پارامتری چتر متداخل پیشنهادی، ابتدا حفاری تونلی با مقطع دایروی به قطر 6 متر با مشخصات ذکر شده در شکل 2، مدلسازی شده است. مطابق پیشنهاد کیم و همکاران [13] ، مدل زمین از مرکز تونل به اندازه 5 برابر قطر تونل به طرفین و به میزان 3 برابر قطر تونل، از کف تونل گسترش دارد. عمق روباره تاج نیز برابر 30 متر 5 - برابر قطر تونل - و میزان حفاری نهایی برابر 20 متر - بیش از سه برابر قطر تونل - میباشد. مدل زمین در پشت جبهه حفاری، در راستای طولی تونل نیز به همین میزان در نظر گرفته شده است. حفاری به روش تمام مقطع و میزان حفاری در هر مرحله برابر 1 متر میباشد. نصب اولین نگهدارنده های چتری، پیش از حفاری مرحله سوم انجام شده است به گونهای که در پایان حفاری به میزان 20 متر، اولین چتر مسلح کننده در فاصله 18 متری از جبهه حفاری قرار دارد.
5. مشخصات مصالح زمین و چترهای مسلح کننده
در این مطالعه جهت بررسی رفتار تونل در طول حفاری، زمین با خاک بسیار سست با مدول تغییر شکل 20 - MPa - ، ضریب پواسون 0/33، چگالی 2 - t/m3 - ، چسبندگی 0/03 - MPa - ، زاویه اصطکاک داخلی برابر 22 درجه و زاویه اتساع - - خاک صفر در نظر گرفته شده است.. قطر تونل، عمق - روباره - تاج تونل و پارامترهای مقاومتی خاک ثابت فرض شده است.
به منظور بررسی اثر روش نوین چتر نگهدارنده با لولههای متداخل بر پایداری تونل، لولههای فولادی - فورپولها - به طول 9 متر 1/5 - برابر قطر تونل - با قطر خارجی 76 میلی متر و ضخامت جداره 6 میلی متر استفاده گردیده است. مدل رفتاری فورپولها به صورت الاستیک با مدول الاستیسته 210 - GPa - و ضریب پواسون برابر 0/25 می باشد، دانسیسته فولاد نیز برابر 7850 - kg/m3 - در نظر گرفته شده است.
جهت بررسی اثر چتر لولهای متداخل، آرایشهای گوناگونی از فورپولها، در محدوده 180 درجه از مرکز تونل در نظر گرفته شده است - شکل . - 3 فاصله عرضی خالص بین فورپولها - b - ، در حالتهای مختلف برابر 2، 5 و 8 برابر قطر فورپولها [14] - d - و زاویه آنها نسبت به محور طولی تونل - - - شکل - 3 بین 5 الی 15 درجه [15] در نظر گرفته شده است. با توجه به عدم تقارن محوری آرایش چتر متداخل، کل مدل تونل شبیهسازی شده است. به منظور بررسی اثر همپوشانی چترهای متداخل در این مطالعه، سه حالت همپوشانی چترهای متداخل، 13 ، 1 2 و 2 3 برابر طول لوله فولادی منظور گردیده است - شکل . - 4 در جدول 2، خلاصه مشخصات آرایش چترهای متداخل ذکر شده است.
6. بررسی نتایج تحلیل عددی
1 . 6 بررسی نشست نسبی تاج در مقاطع عرضی شاهد
به منظور بررسی عملکرد چتر متداخل در کاهش نشست نسبی تاج تونل، دو مقطع شاهد به فاصله 2D و :D - 0/5D قطر تونل - از جبهه حفاری در نظر گرفته شده است. فاصله 2D به منظور بررسی نشست نسبی تاج در فاصلهای بدون تأثیر جبهه و 0/5D به عنوان فاصلهای از جبهه که معمولاً در این منطقه امکان حفاری بدون پوشش تونل وجود دارد، انتخاب شده است.
با توجه به نتایج بدست آمده از تحلیلهای عددی، در فاصله 2D از جبهه، در حالتی که فاصله عرضی بین فورپولها 2 برابر قطر فورپول - b=2d - باشد، در همپوشانیهای گوناگون چترها، استفاده از فورپولها با زاویه 10 و 15 درجه نسبت به محور طولی تونل، بهترین عملکرد را در محدود کردن و کاهش نشست تاج دارد. این عملکرد در مورد حالتی که فواصل عرضی بین فورپولهای مجاور برابر با 5 و 8 برابر قطر فورپول نیز باشد، صادق است
