مقاله تحلیل عددی عملیات لوله رانی به روش میکرو تونلیگ در خاک های ناهمگن

word قابل ویرایش
17 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
8700 تومان

*** 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
چکیده
در سالهای اخیر روش میکروتونلینگ رشد سریعی نسبت به روشهای حفاری روباز داشته است .میکروتونلینگ روشی است برای نصب خطوط لوله ، کانال ها و آبروها که درآن از جک های هیدرولیکی بسیار قوی برای راندن لوله هایی با طراحی مخصوص استفاده می شود.
لوله ها در پشت سپر قرار گرفته و همزمان با حفر زمین ، توسط سپر به درون زمین رانده می شوند. حاصل این روش احداث یک خط لوله انعطاف پذیر، ناتروا و به لحاظ سازه ای مقاوم است . روش میکروتونلینگ به شدت حمل مصالح از محل فعالیت های اجرایی را کاهش می دهد و باعث می شود تعداد دفعات تردد ماشین آلات و تجهیزات به طور قابل ملاحظه ای کم شود ودر نتیجه حوادث مرتبط با آن ها نیز کاهش یابد. با توجه به این که در این روش تقریبا تمام فعالیت ها در زیرزمین انجام می شوند، مداخله ناچیزی با محیط زیست اطراف دارد، در نتیجه میزان تخریب محیط بسیار ناچیز است . در برخی از موارد درحین اجرای عملیات تأثیر منفی لرزش های حاصل از لوله رانی افزایش یافته و باعث بروز مشکلاتی مانند نشست ویا برآمدگی سطح زمین می شوند. پارامترهایی مانند سطح آب زیرزمینی ، جنس خاک، میزان نفوذپذیری خاک، نیروی اصطکاکی ایجاد شده توسط ماشین حفاری ، سربار وارده به محل و… در میزان تغییرشکل خاک اطراف لوله نقش دارند.در این مطالعه بااستفاده از مطالعات صحرایی و آزمایشهای آزمایشگاهی خاک محل واقع در همدان ، بکمک تحلیل عددی تغییرشکلهای بوجودآمده در خاک در حین لوله رانی محاسبه می شود و با مقادیر واقعی حاصل از رفتارسنجی خاک مقایسه می گردد.
کلمات کلیدی
کل میکروتونلینگ ، لوله رانی ، تغییرشکل خاک، تحلیل عددی .

١- مقدمه
باتوجه به پیچیدگی مسائل ژئوتکنییک برای آنالیز و طراحی صحیح و بهینه این بناها، استفاده از نرم افزارهای عددی توصیه می شود. نرم – افزار FLAC3D نرم افزاری قدرتمند برای مدلسازی محیط های خاک، سنگ و المان های سازه ای در زمینه ژئوتکنیک ، ژئومکانیک ، مهندسی عمران و معدن میباشد. در این نرم افزار از سطح گسیختگی موهر-کلمب و هوک- براون که برای مواد ژئوتکنیکی مناسبند، استفاده میشود. همچنین می توان گسیختگیهای زمین ناشی از حفاری را شبیه سازی نموده و برای کارگذاری سیستم های نگه دارنده در سنگ یا خاک از المان های سازه ای بهره جست . دریک مدلسازی داشتن یک تصویر ذهنی از شرایط واقعی از مسأله برای فراهم آوردن یک تخمین اولیه از رفتار موردنظر تحت شرایط پیشنهادی ضروری
است . این تصویر ذهنی شرایط خاصی در مدل عددی از قبیل : طراحی هندسه مدل ، انواع مدل های رفتاری مصالح تشکیل دهنده ، شرایط مرزی و حالت تعادل اولیه برای آنالیز را برای ما مشخص می – کند. بسته به نوع شرایط باید مدل بصورت دوبعدی یا سه بعدی تحلیل شود.
تغییرشکل های زمین در سه دسته تقسیم بندی یم شوند: تغییرشکل های بزرگ ، تغییرشکل های سیستماتیک و برآمدگیها.
نشستهای بزرگ بیشترین نگرانی را در پروژه های میکروتونلینگ ایجاد می کنند و تاکنون هیچ روشی جهت تخمین شدت و اندازه واقعی این تغییرشکل ها بدست نیامده است . یک راهکار مناسب برای جلوگیری از بروز نشستهای بزرگ ، کشف علت بوجودآمدن آنها و سپس دنبال کردن روشی جهت اجتناب از رخ دادن این گونه نشستها می باشد. در این صورت احتمال بروز نشستهای بزرگ بشدت کاهش می یابد. تغییرشکل های سیستماتیک بکمک توزیع احتمالی منحنی ها که توسط پیک [١] ارائه شده است ، قابل تخمین است .
جهت تخمین نشستهای سیستماتیک آنالیز حساسیت برای سنجش نسبت اهمیت پارامترهای مستقل در میزان نشست های سیستماتیک روش مناسبی است . نشستهای اندازه گیری شده در محل در صورتی که کمتر از ١.٢ یا ١.٣ مقادیر محاسبه شده باشند فرض بر این است که تغییرات حجم خاک ناچیز و قابل چشم پوشی است . نشستهای بیشتر از این مقدار و برای حالتی که نسبت عمق حفاری به قطر تونل بیشتر از ٣ است ، قابل قبول نمی باشد. برآمدگیها ممکن است ناشی از فشار بیش از حد سیال بکاربرده در حفاری، ضخامت لایه خاکی ناکافی نسبت به قطر حفاری و یا بدلیل خاصیت تورم پذیری خاکهای رسی با پلاستیسیته بالا باشد. در عملیات میکروتونلینگ معمولا میزان بزرگی این برآمدگیها و ناحیه ای که تحت تاثیر قرار میگیرد بحدی است که نیازی به نگرانی جهت وارد آمدن خسارت به سازه – های مجاور نمیباشد.
٢- تغییرشکل و جابجایی زمین
بخشی از جابجایی زمین حین عملیات میکروتونلینگ نتیجه رویدادهای غیرقابل انتظار و نشستهای بزرگ و بخشی بصورت نشستهای سیستماتیک و قابل پیش بیین است . با پیشرفت تکنولوژی در زمینه کنترل فشار دستگاه جهت ایجاد تعادل میان فشار ناشی از سطح آب زیرزمینی و فشار خاکاین مشکل بشدت کاهش یافته است . همچنین ضروری است باتوجه به نیازهای پروژه محدودیتهای لازم جهت اجرای صحیح در نظر گرفته شود.
نشست های سیستم تیک یا نرمال به تغییرشـکلهای بوجـود آمـده در فضــای حلقــوی حفــاری یــا بــالای لولــه وابســته انــد. نشســتهای سیستماتیک کوچک ممکن است در نتیجـه تغییرشـکلهای ناشـی از پیشانی حفاری باشند، این نوع نشستها در گروه تغییرشکلهای بـزرگ قرار نمی گیرند. ارتباط بین فضای حلقوی ، ضخامت خاک بالای لوله ، قطر و نشست سیستم تیک توسط محققان برای تغییرشکلهای حاصل از حفاری تونل های با سپرمحافظ با قطرهای بـزرگ در خاکهـای نـرم مورد بررسی قرار گرفته است .برخی از محققان در مطالعـات خـود در رابطه با حفاری های عمیق تونلینـگ روشـهایی را بـرای پـیش بینـی نشست اطراف تونل در خاکهای رسی نرم ارائه داده اند[١]و[٢]. در این مطالعات در شرایطی که نسبت پایداری در رابطه (١) کمتر از عـدد ۴ باشد، می توان از مقدار نشست سیستم تیک 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 .
برای مصالح دانه ای غیر چسبنده ، اگر در حین حفاری از رانش زمین جلوگیری شود و آب زیرزمینی با تزریق دوغاب سیمان و یا خشک کردن محل مهار شود، نشستها به کمتر از ٢% از حجم تونل محدود میگردد. این مقدار نشست نشانه ای از حسن انجام عملیات است .
بررسی چینه شناسی وروش خشک کردن در صورت مواجهه با نشستهای بزرگتر از مقدار توصیه شده ، باید لایه بندی خاک و روش مورد استفاده در خشک کردن خاک محل را مورد کنترل قرار داد[٣].
نتایج بررسی های نشست روی خاکهای مختلف نشان داده است خاکهای رسی نرم تا کمی سخت بیشترین نشست را نسبت به خاکهای دیگر دارند. در خاکهای رسی نشستهای تحکیمی ثانویه اهمیت زیادی دارند. باتوجه به نتایج بدست آمده از مطالعات
SchmidL [٢] بر روی هفت پروژه در خاکهای رسی نرم تا سخت ، بیشترین میزان نشست برای خاکهای رسی نرم حدود ٩.١۴ میلیمتردر حفاری تونل مترو در تورنتو به قطر ۵٣٣ سانتیمتر و نشستی حدود ٧٣١.۵٢ میلیمتر در حفاری تونل راه آهن در نروژ به قطر ٧٩٢ سانتیمتر در خاک رسی با حساسیت بالا و لایه های سیلت اندازه گیری شده است (لازم به ذکر است در این دو مورد حفاری بوسله سپر محافظ صورت گرفته است ). بطور معمول بجز مورد بدست آمده از تونل راه آهن نروژ نشستها برای خاکهای رسی کمتر از ١٢١.٩٢ میلیمتر گزارش شده است . نتایج بدست آمده از این تحقیقات را می توان برای تخمین نشست ناشی از تونل زنی با مته حفاری محافظ بکار برد[۴]و[۵]. Cording وHansmire[6] مطالعاتی بر روی تونلهای مترو در واشنگتن انجام دادند و علت تغییرشکلهای زمین را شناسایی و آنها را دسته بندی نمودند. در این بررسی اینگونه بیان نمودند که تاثیر شرایط زمین ، روش ساخت و کیفیت کار اهمیت زیادی در اندازه و توزیع تغییرشکل زمین دارند. همچنین مطالعاتی برای تخمین نشست تونل با استفاده از منحنی های توزیع پک انجام دادند. این مطالعات روی ١٨ تونل در شرایط زمین متفاوت صورت گرفت : ۵ تونل در رس سخت ترکخورده ، ۶ تونل در رسهای نرم سیلتی، ٢ تونل در خاکهای سست دانه ای، ٣ تونل در سنگ و ٢ تونل در زمینهای سست . با توجه به برخی از نتایج بدست آمده از این بررسی می توان اظهار نمودکه رابطه مشخصی بین سستی زمین و نسبت پایداری وجود ندارد. منظور از نسبت پایداری، نسبت تفاضل تنش عمودی و فشار هوا به مقاومت برشی زهکشی نشده است .
همچنین بین سستی زمین و عامل بارگذاری نیز نمیتوان رابطه مشخصی برقرار نمود. SchmidL[٢] با ارائه مقاله ای مربوط به تغییرشکل زمین در عملیات میکروتونلینگ اینگونه بیان کرد: روشی که برای تخمین نشست در تونلهای بزرگ بکار میرود قابل استفاده در پروژه های میکروتونلینگ میباشد. زیرا میکروتونل ها وتونل های بزرگ از نظر روند ساخت بسیار به هم شباهت دارند.
٣- معرفی روش میکروتونلینگ (Microtunneling)
در این روش از جک های هیدرولیکی بسیار قوی برای راندن لوله هایی با طراحی مخصوص در اعماق مختلف خاک استفاده می شود. لوله ها در پشت جک قرار گرفته و همزمان با حفر زمین این لوله ها توسط جک هیدرولیکی به درون زمین رانده می شوند. حاصل این روش احداث یک خط لوله انعطاف پذیر، ناتروا و به لحاظ سازه ای مقاوم است .
گر چه ممکن است ملاحظات مهندسی و اقتصادی محدودیت هایی را ایجاد کنند، ولی به لحاظ نظری هیچ گونه محدودیتی در مورد طول رانش وجود ندارد. رانش هایی به طول چند صد متر، چه در یک خط مستقیم ، چه در شعاع های مختلف ، قابل اجرا هستند و لوله هایی با اقطار ١۵٠ تا ٣٠٠٠ میلیمتر و حتی بیشتر را می توان با استفاده از سیستم مناسب نصب کرد.
تعریفی از میکروتونلینگ (MT) که در کشورهای اروپایی متداول است عبارت است از عملیات جک زنی برای مسیرهایی با قطر کمتر یا مساوی ٣۶ اینچ که نیازی به کارگر در داخل مجرا را ندارد. در حالی که در آمریکای شمالی روش میکروتونلینگ حتی برای قطرهای بزرگتر و آدم روها نیز مورد استفاده قرار می گیرد. دستگاههای میکروتونلینگ جدید که مجهز به لیزر و کنترل از راه دور هستند، قادرند خط لوله را هدایت کرده و با دقت کار گذاری کنند. در روش میکروتونلینگ حداکثر انحراف مجاز از مسیر لوله رانی در امتداد افقی و قایم ١ اینچ میباشد[٧]. شکل (١) نحوه جک زنی لوله توسط دستگاه میکروتونلینگ را نشان می دهد.

کاربردهای اصلی میکروتو لینگ شامل احداث سازه های زهکشی و دفع فاضلاب ، جایگزین کردن وتامین پوشش خطوط موجود فاضلاب ، خطوط اصلی گاز و آب ، خطوط نفت ، گاز، برق ، مخابرات و غیره می – شود. از این تکنیک همچنین می توان جهت عبور از موانعی مانند بزرگراهها، خطوط قطار، رودخانه ها، کانال ها، ساختمان ها و فرودگاهها که در مسیر خط لوله قرار دارند با هدف به حداقل رساندن اختلال در عبور و مرور و سایر فعالیت هایی که در سطح زمین انجام می شود، استفاده کرد. میکروتونلینگ بطور معمول به عنوان جایگزین برای روش های ترانشه باز و سایر روش های حفاری تونل استفاده می شود.
با این روش می توان خطوط بسیار طولانی با قطرهای بالا اجرا کرد.
مهمترین مزیت های فنی روش میکروتو لینگ از قرار زیر است :
• استحکام ذاتی
• جداره داخلی یکدست و صاف و سیالی مناسب
• عدم نیاز به اجرای پوشش ثانوی
• اتصالات بسیار کمتر در مقایسه با تونل های سگمنتی
• جلوگیری از نفوذ آب های زیرزمینی از طریق استفاده از لوله هایی با اتصالاتی نا تروا و آب بند
• خطر نشست بسیار کمتر از روش های سنتی
• ایجاد حداقل اختلال در سطح زمین
• به حداقل رساندن عملیات ترمیمی (برگردان به حالت اول )
• کاهش جابجایی و تغییر مسیر تاسیسات زیرزمینی در مناطق شهری[٨].
از معایب روش میکروتونلینگ میتوان بـه هزینـه بـالا جهـت تـامین تجهیزات میکروتونلینگ اشاره نمـود. ایـن دسـتگاه در خاکهـایی کـه دارای قلوه سنگ با قطر بزرگتر از ٢٠% یا٣٠% قطـر ماشین هسـتند، مشکل دارد و همچنین در مواجه با موانعی ماننـد سـازه هـای پـیش ساخته شده در مسیر دچار مشکل مـی شـود. یکـی از محـدودیتهای بزرگ روش عدم بکارگیری لوله های انعطاف پذیر و یا با مقاومت کـم مانند لوله های PVC, PE است .
۴- معرفی مسئله مورد تحلیل
جهت برآورد نشست سطح زمین قسمتی از خط لوله پروژه شهر همدان مورد بررسی قرار گرفته و در نرم افزار FLAC3D مدلسازی شده است . با استفاده از نتایج مربوط به رفتارسنجی خاک در مسیر انتخابی مقادیر تغییرشکلهای بوجودآمده حین لوله رانی ثبت شده – است . بدلیل طولانی بودن مسیر و همچنین با توجه به نمودارهای حاصل از رفتارسنجی خاک در زمانهای مختلف قسمتی از مسیر که بیشترین نشست در آن اتفاق افتاده است ، مورد تحلیل قرار گرفته است . به کمک نرم افزار حدود ٢٠ متر از مسیر لوله رانی به روش میکروتونلینگ مورد تحلیل قرار گرفته است و نتایج حاصل از آن با مقادیر واقعی مقایسه میشود.
۵- مشخصات مدل
پارامترهایی مانند سطح آب زیرزمینی، جنس خاک، میزان نفوذپذیری خاک، نیروی اصطکاکی ایجاد شده توسط ماشین حفاری،
سربار وارده به محل و… در میزان تغییرشکل خاک اطراف لوله نقش دارند و باعث بروز مشکلاتی مانند نشست ویا برآمدگی سطح زمین می شوند. بااستفاده از مطالعات صحرایی و آزمایشهای آزمایشگاهی، مشخصات خاک محل و سطح آب زیرزمینی شناسایی شده است و بکمک نرم افزار تغییرشکلهای بوجودآمده در خاک در حین لوله رانی محاسبه و بامقادیر واقعی حاصل از رفتارسنجی خاک مقایسه گردیده است . از رایج ترین آزمایشات درجا جهت تعیین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی لایه های زمین ، آزمایش نفوذ استاندارد(SPT) است . براساس تقسیم بندی ترزاقی، تراکم لایه های موجود متوسط تا متراکم است . براساس عددSPT یعنی N میتوان با استفاده از روابط تجربی، برخی از پارامترهای مقاومت برشی و تغییر شکل خاک را بدست آورد. در جدول (١) و جدول (٢) بترتیب مشخصات خاک و لوله را آورده شده است .لازم بذکر است که پارامترهای بدست آمده از نتایج آزمایشات صحرایی وکتب مرجع با نتایج حاصل از آزمایشهای آزمایشگاهی تطبیق داده شده است . شکل (٢) شرایط هندسه مدل را نشان می دهد.

۶- نحوه مدلسازی عملیات حفاری و عملیات لوله رانی با استفاده از نرم افزار
برای ایجاد یک مدل و اجرای شبیه سازی آن ، باید اجزای اساسی برای مسأله تعریف شوند که عبارتند از:

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 17 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد