بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل عددی عملیات لوله رانی به روش میکرو تونلیگ در خاک های ناهمگن
چکيده
در سالهاي اخير روش ميکروتونلينگ رشد سريعي نسبت به روشهاي حفاري روباز داشته است .ميکروتونلينگ روشي است براي نصب خطوط لوله ، کانال ها و آبروها که درآن از جک هاي هيدروليکي بسيار قوي براي راندن لوله هايي با طراحي مخصوص استفاده مي شود.
لوله ها در پشت سپر قرار گرفته و همزمان با حفر زمين ، توسط سپر به درون زمين رانده مي شوند. حاصل اين روش احداث يک خط لوله انعطاف پذير، ناتروا و به لحاظ سازه اي مقاوم است . روش ميکروتونلينگ به شدت حمل مصالح از محل فعاليت هاي اجرايي را کاهش مي دهد و باعث مي شود تعداد دفعات تردد ماشين آلات و تجهيزات به طور قابل ملاحظه اي کم شود ودر نتيجه حوادث مرتبط با آن ها نيز کاهش يابد. با توجه به اين که در اين روش تقريبا تمام فعاليت ها در زيرزمين انجام مي شوند، مداخله ناچيزي با محيط زيست اطراف دارد، در نتيجه ميزان تخريب محيط بسيار ناچيز است . در برخي از موارد درحين اجراي عمليات تأثير منفي لرزش هاي حاصل از لوله راني افزايش يافته و باعث بروز مشکلاتي مانند نشست ويا برآمدگي سطح زمين مي شوند. پارامترهايي مانند سطح آب زيرزميني ، جنس خاک، ميزان نفوذپذيري خاک، نيروي اصطکاکي ايجاد شده توسط ماشين حفاري ، سربار وارده به محل و... در ميزان تغييرشکل خاک اطراف لوله نقش دارند.در اين مطالعه بااستفاده از مطالعات صحرايي و آزمايشهاي آزمايشگاهي خاک محل واقع در همدان ، بکمک تحليل عددي تغييرشکلهاي بوجودآمده در خاک در حين لوله راني محاسبه مي شود و با مقادير واقعي حاصل از رفتارسنجي خاک مقايسه مي گردد.
کلمات کليدي
کل ميکروتونلينگ ، لوله راني ، تغييرشکل خاک، تحليل عددي .
١- مقدمه
باتوجه به پيچيدگي مسائل ژئوتکنييک براي آناليز و طراحي صحيح و بهينه اين بناها، استفاده از نرم افزارهاي عددي توصيه مي شود. نرم - افزار FLAC3D نرم افزاري قدرتمند براي مدلسازي محيط هاي خاک، سنگ و المان هاي سازه اي در زمينه ژئوتکنيک ، ژئومکانيک ، مهندسي عمران و معدن ميباشد. در اين نرم افزار از سطح گسيختگي موهر-کلمب و هوک- براون که براي مواد ژئوتکنيکي مناسبند، استفاده ميشود. همچنين مي توان گسيختگيهاي زمين ناشي از حفاري را شبيه سازي نموده و براي کارگذاري سيستم هاي نگه دارنده در سنگ يا خاک از المان هاي سازه اي بهره جست . دريک مدلسازي داشتن يک تصوير ذهني از شرايط واقعي از مسأله براي فراهم آوردن يک تخمين اوليه از رفتار موردنظر تحت شرايط پيشنهادي ضروري
است . اين تصوير ذهني شرايط خاصي در مدل عددي از قبيل : طراحي هندسه مدل ، انواع مدل هاي رفتاري مصالح تشکيل دهنده ، شرايط مرزي و حالت تعادل اوليه براي آناليز را براي ما مشخص مي - کند. بسته به نوع شرايط بايد مدل بصورت دوبعدي يا سه بعدي تحليل شود.
تغييرشکل هاي زمين در سه دسته تقسيم بندي يم شوند: تغييرشکل هاي بزرگ ، تغييرشکل هاي سيستماتيک و برآمدگيها.
نشستهاي بزرگ بيشترين نگراني را در پروژه هاي ميکروتونلينگ ايجاد مي کنند و تاکنون هيچ روشي جهت تخمين شدت و اندازه واقعي اين تغييرشکل ها بدست نيامده است . يک راهکار مناسب براي جلوگيري از بروز نشستهاي بزرگ ، کشف علت بوجودآمدن آنها و سپس دنبال کردن روشي جهت اجتناب از رخ دادن اين گونه نشستها مي باشد. در اين صورت احتمال بروز نشستهاي بزرگ بشدت کاهش مي يابد. تغييرشکل هاي سيستماتيک بکمک توزيع احتمالي منحني ها که توسط پيک [١] ارائه شده است ، قابل تخمين است .
جهت تخمين نشستهاي سيستماتيک آناليز حساسيت براي سنجش نسبت اهميت پارامترهاي مستقل در ميزان نشست هاي سيستماتيک روش مناسبي است . نشستهاي اندازه گيري شده در محل در صورتي که کمتر از ١.٢ يا ١.٣ مقادير محاسبه شده باشند فرض بر اين است که تغييرات حجم خاک ناچيز و قابل چشم پوشي است . نشستهاي بيشتر از اين مقدار و براي حالتي که نسبت عمق حفاري به قطر تونل بيشتر از ٣ است ، قابل قبول نمي باشد. برآمدگيها ممکن است ناشي از فشار بيش از حد سيال بکاربرده در حفاري، ضخامت لايه خاکي ناکافي نسبت به قطر حفاري و يا بدليل خاصيت تورم پذيري خاکهاي رسي با پلاستيسيته بالا باشد. در عمليات ميکروتونلينگ معمولا ميزان بزرگي اين برآمدگيها و ناحيه اي که تحت تاثير قرار ميگيرد بحدي است که نيازي به نگراني جهت وارد آمدن خسارت به سازه - هاي مجاور نميباشد.
٢- تغييرشکل و جابجايي زمين
بخشي از جابجايي زمين حين عمليات ميکروتونلينگ نتيجه رويدادهاي غيرقابل انتظار و نشستهاي بزرگ و بخشي بصورت نشستهاي سيستماتيک و قابل پيش بيين است . با پيشرفت تکنولوژي در زمينه کنترل فشار دستگاه جهت ايجاد تعادل ميان فشار ناشي از سطح آب زيرزميني و فشار خاکاين مشکل بشدت کاهش يافته است . همچنين ضروري است باتوجه به نيازهاي پروژه محدوديتهاي لازم جهت اجراي صحيح در نظر گرفته شود.
نشست هاي سيستم تيک يا نرمال به تغييرشـکلهاي بوجـود آمـده در فضــاي حلقــوي حفــاري يــا بــالاي لولــه وابســته انــد. نشســتهاي سيستماتيک کوچک ممکن است در نتيجـه تغييرشـکلهاي ناشـي از پيشاني حفاري باشند، اين نوع نشستها در گروه تغييرشکلهاي بـزرگ قرار نمي گيرند. ارتباط بين فضاي حلقوي ، ضخامت خاک بالاي لوله ، قطر و نشست سيستم تيک توسط محققان براي تغييرشکلهاي حاصل از حفاري تونل هاي با سپرمحافظ با قطرهاي بـزرگ در خاکهـاي نـرم مورد بررسي قرار گرفته است .برخي از محققان در مطالعـات خـود در رابطه با حفاري هاي عميق تونلينـگ روشـهايي را بـراي پـيش بينـي نشست اطراف تونل در خاکهاي رسي نرم ارائه داده اند[١]و[٢]. در اين مطالعات در شرايطي که نسبت پايداري در رابطه (١) کمتر از عـدد ٤ باشد، مي توان از مقدار نشست سيستم تيک خاک صرفه نظر نمود.
در این خاک ها نشست اندازه گیری شده با نسبت ( نسبت ارتفاع خاک روی تاج لوله به قطر ) و Su رابطه عکس دارد و تقریبا با قطر لوله تناسب دارد .
براي مصالح دانه اي غير چسبنده ، اگر در حين حفاري از رانش زمين جلوگيري شود و آب زيرزميني با تزريق دوغاب سيمان و يا خشک کردن محل مهار شود، نشستها به کمتر از ٢% از حجم تونل محدود ميگردد. اين مقدار نشست نشانه اي از حسن انجام عمليات است .
بررسي چينه شناسي وروش خشک کردن در صورت مواجهه با نشستهاي بزرگتر از مقدار توصيه شده ، بايد لايه بندي خاک و روش مورد استفاده در خشک کردن خاک محل را مورد کنترل قرار داد[٣].
نتايج بررسي هاي نشست روي خاکهاي مختلف نشان داده است خاکهاي رسي نرم تا کمي سخت بيشترين نشست را نسبت به خاکهاي ديگر دارند. در خاکهاي رسي نشستهاي تحکيمي ثانويه اهميت زيادي دارند. باتوجه به نتايج بدست آمده از مطالعات
SchmidL [٢] بر روي هفت پروژه در خاکهاي رسي نرم تا سخت ، بيشترين ميزان نشست براي خاکهاي رسي نرم حدود ٩.١٤ ميليمتردر حفاري تونل مترو در تورنتو به قطر ٥٣٣ سانتيمتر و نشستي حدود ٧٣١.٥٢ ميليمتر در حفاري تونل راه آهن در نروژ به قطر ٧٩٢ سانتيمتر در خاک رسي با حساسيت بالا و لايه هاي سيلت اندازه گيري شده است (لازم به ذکر است در اين دو مورد حفاري بوسله سپر محافظ صورت گرفته است ). بطور معمول بجز مورد بدست آمده از تونل راه آهن نروژ نشستها براي خاکهاي رسي کمتر از ١٢١.٩٢ ميليمتر گزارش شده است . نتايج بدست آمده از اين تحقيقات را مي توان براي تخمين نشست ناشي از تونل زني با مته حفاري محافظ بکار برد[٤]و[٥]. Cording وHansmire[6] مطالعاتي بر روي تونلهاي مترو در واشنگتن انجام دادند و علت تغييرشکلهاي زمين را شناسايي و آنها را دسته بندي نمودند. در اين بررسي اينگونه بيان نمودند که تاثير شرايط زمين ، روش ساخت و کيفيت کار اهميت زيادي در اندازه و توزيع تغييرشکل زمين دارند. همچنين مطالعاتي براي تخمين نشست تونل با استفاده از منحني هاي توزيع پک انجام دادند. اين مطالعات روي ١٨ تونل در شرايط زمين متفاوت صورت گرفت : ٥ تونل در رس سخت ترکخورده ، ٦ تونل در رسهاي نرم سيلتي، ٢ تونل در خاکهاي سست دانه اي، ٣ تونل در سنگ و ٢ تونل در زمينهاي سست . با توجه به برخي از نتايج بدست آمده از اين بررسي مي توان اظهار نمودکه رابطه مشخصي بين سستي زمين و نسبت پايداري وجود ندارد. منظور از نسبت پايداري، نسبت تفاضل تنش عمودي و فشار هوا به مقاومت برشي زهکشي نشده است .
همچنين بين سستي زمين و عامل بارگذاري نيز نميتوان رابطه مشخصي برقرار نمود. SchmidL[٢] با ارائه مقاله اي مربوط به تغييرشکل زمين در عمليات ميکروتونلينگ اينگونه بيان کرد: روشي که براي تخمين نشست در تونلهاي بزرگ بکار ميرود قابل استفاده در پروژه هاي ميکروتونلينگ ميباشد. زيرا ميکروتونل ها وتونل هاي بزرگ از نظر روند ساخت بسيار به هم شباهت دارند.
٣- معرفي روش ميکروتونلينگ (Microtunneling)
در اين روش از جک هاي هيدروليکي بسيار قوي براي راندن لوله هايي با طراحي مخصوص در اعماق مختلف خاک استفاده مي شود. لوله ها در پشت جک قرار گرفته و همزمان با حفر زمين اين لوله ها توسط جک هيدروليکي به درون زمين رانده مي شوند. حاصل اين روش احداث يک خط لوله انعطاف پذير، ناتروا و به لحاظ سازه اي مقاوم است .
گر چه ممکن است ملاحظات مهندسي و اقتصادي محدوديت هايي را ايجاد کنند، ولي به لحاظ نظري هيچ گونه محدوديتي در مورد طول رانش وجود ندارد. رانش هايي به طول چند صد متر، چه در يک خط مستقيم ، چه در شعاع هاي مختلف ، قابل اجرا هستند و لوله هايي با اقطار ١٥٠ تا ٣٠٠٠ ميليمتر و حتي بيشتر را مي توان با استفاده از سيستم مناسب نصب کرد.
تعريفي از ميکروتونلينگ (MT) که در کشورهاي اروپايي متداول است عبارت است از عمليات جک زني براي مسيرهايي با قطر کمتر يا مساوي ٣٦ اينچ که نيازي به کارگر در داخل مجرا را ندارد. در حالي که در آمريکاي شمالي روش ميکروتونلينگ حتي براي قطرهاي بزرگتر و آدم روها نيز مورد استفاده قرار مي گيرد. دستگاههاي ميکروتونلينگ جديد که مجهز به ليزر و کنترل از راه دور هستند، قادرند خط لوله را هدايت کرده و با دقت کار گذاري کنند. در روش ميکروتونلينگ حداکثر انحراف مجاز از مسير لوله راني در امتداد افقي و قايم ١ اينچ ميباشد[٧]. شکل (١) نحوه جک زني لوله توسط دستگاه ميکروتونلينگ را نشان مي دهد.
کاربردهاي اصلي ميکروتو لينگ شامل احداث سازه هاي زهکشي و دفع فاضلاب ، جايگزين کردن وتامين پوشش خطوط موجود فاضلاب ، خطوط اصلي گاز و آب ، خطوط نفت ، گاز، برق ، مخابرات و غيره مي - شود. از اين تکنيک همچنين مي توان جهت عبور از موانعي مانند بزرگراهها، خطوط قطار، رودخانه ها، کانال ها، ساختمان ها و فرودگاهها که در مسير خط لوله قرار دارند با هدف به حداقل رساندن اختلال در عبور و مرور و ساير فعاليت هايي که در سطح زمين انجام مي شود، استفاده کرد. ميکروتونلينگ بطور معمول به عنوان جايگزين براي روش هاي ترانشه باز و ساير روش هاي حفاري تونل استفاده مي شود.
با اين روش مي توان خطوط بسيار طولاني با قطرهاي بالا اجرا کرد.
مهمترين مزيت هاي فني روش ميکروتو لينگ از قرار زير است :
• استحکام ذاتي
• جداره داخلي يکدست و صاف و سيالي مناسب
• عدم نياز به اجراي پوشش ثانوي
• اتصالات بسيار کمتر در مقايسه با تونل هاي سگمنتي
• جلوگيري از نفوذ آب هاي زيرزميني از طريق استفاده از لوله هايي با اتصالاتي نا تروا و آب بند
• خطر نشست بسيار کمتر از روش هاي سنتي
• ايجاد حداقل اختلال در سطح زمين
• به حداقل رساندن عمليات ترميمي (برگردان به حالت اول )
• کاهش جابجايي و تغيير مسير تاسيسات زيرزميني در مناطق شهري[٨].
از معايب روش ميکروتونلينگ ميتوان بـه هزينـه بـالا جهـت تـامين تجهيزات ميکروتونلينگ اشاره نمـود. ايـن دسـتگاه در خاکهـايي کـه داراي قلوه سنگ با قطر بزرگتر از ٢٠% يا٣٠% قطـر ماشين هسـتند، مشکل دارد و همچنين در مواجه با موانعي ماننـد سـازه هـاي پـيش ساخته شده در مسير دچار مشکل مـي شـود. يکـي از محـدوديتهاي بزرگ روش عدم بکارگيري لوله هاي انعطاف پذير و يا با مقاومت کـم مانند لوله هاي PVC, PE است .
٤- معرفي مسئله مورد تحليل
جهت برآورد نشست سطح زمين قسمتي از خط لوله پروژه شهر همدان مورد بررسي قرار گرفته و در نرم افزار FLAC3D مدلسازي شده است . با استفاده از نتايج مربوط به رفتارسنجي خاک در مسير انتخابي مقادير تغييرشکلهاي بوجودآمده حين لوله راني ثبت شده - است . بدليل طولاني بودن مسير و همچنين با توجه به نمودارهاي حاصل از رفتارسنجي خاک در زمانهاي مختلف قسمتي از مسير که بيشترين نشست در آن اتفاق افتاده است ، مورد تحليل قرار گرفته است . به کمک نرم افزار حدود ٢٠ متر از مسير لوله راني به روش ميکروتونلينگ مورد تحليل قرار گرفته است و نتايج حاصل از آن با مقادير واقعي مقايسه ميشود.
٥- مشخصات مدل
پارامترهايي مانند سطح آب زيرزميني، جنس خاک، ميزان نفوذپذيري خاک، نيروي اصطکاکي ايجاد شده توسط ماشين حفاري،
سربار وارده به محل و... در ميزان تغييرشکل خاک اطراف لوله نقش دارند و باعث بروز مشکلاتي مانند نشست ويا برآمدگي سطح زمين مي شوند. بااستفاده از مطالعات صحرايي و آزمايشهاي آزمايشگاهي، مشخصات خاک محل و سطح آب زيرزميني شناسايي شده است و بکمک نرم افزار تغييرشکلهاي بوجودآمده در خاک در حين لوله راني محاسبه و بامقادير واقعي حاصل از رفتارسنجي خاک مقايسه گرديده است . از رايج ترين آزمايشات درجا جهت تعيين خصوصيات فيزيکي و مکانيکي لايه هاي زمين ، آزمايش نفوذ استاندارد(SPT) است . براساس تقسيم بندي ترزاقي، تراکم لايه هاي موجود متوسط تا متراکم است . براساس عددSPT يعني N ميتوان با استفاده از روابط تجربي، برخي از پارامترهاي مقاومت برشي و تغيير شکل خاک را بدست آورد. در جدول (١) و جدول (٢) بترتيب مشخصات خاک و لوله را آورده شده است .لازم بذکر است که پارامترهاي بدست آمده از نتايج آزمايشات صحرايي وکتب مرجع با نتايج حاصل از آزمايشهاي آزمايشگاهي تطبيق داده شده است . شکل (٢) شرايط هندسه مدل را نشان مي دهد.
٦- نحوه مدلسازي عمليات حفاري و عمليات لوله راني با استفاده از نرم افزار
براي ايجاد يک مدل و اجراي شبيه سازي آن ، بايد اجزاي اساسي براي مسأله تعريف شوند که عبارتند از:
