بخشی از مقاله
خلاصه
پس از حفر تونل به روش سنتی، نیاز به سیستم نگهداری به دو شکل موقت و دائم ضروری است. روشهای متعددی برای سیستم نگهداری موقت تونلها وجود دارد. یکی از این روشها در زمینهای سست، استفاده از قاب فلزی به همراه شاتکریت میباشد.در این تحقیق با توجه به اطلاعات آماری موجود از متغیرهای تصادفی ضخامت شاتکریت و فواصل پروفیلهای فولادی از یکدیگر در پروژههای واقعی، نسبت به تعیین توابع توزیع مناسب برای این متغیرها اقدام گردید. این کار با استفاده از سه روش متداول آزمونهای نیکویی برازش، انجام شدو تابع توزیع مناسب برای این متغیرهای تصادفی، تعیین گردید.
بر اساس پارامترهای توابع توزیع به دست آمده، نسبت به شبیهسازی و تولید نمونههای متعدد از این متغیرهای تصادفی اقدام شد که این مقادیر برای سه حالت سازه اجرا شده، روش طراحی تجربی و روش طراحی مقطع معادل به دست آمد و بر اساس آنالیز مونت کارلو، تحلیل قابلیت اعتماد چنین سازهای انجام گردید. نتایج به دست آمده بیانگر این موضوع است که بایستی اثر خطای ساخت در ضریب اطمینان لحاظ شود. در ضمن مشخص گردید که برای مقاطع نعل اسبی بهتر است از دو ضریب اطمینان متفاوت برای طراحی ضخامت شاتکریت در دیواره و سقف تونل استفاده شود. بر این اساس، این کار برای روش مقطع معادل انجام پذیرفت و نشان دادهشد که در این روش طراحی، برای رسیدن به احتمال معینی از خرابی، از چه ضریب اطمینانی باید استفاده گردد.
1. مقدمه
یکی از مهمترین مسائل در اجرای حفاری سنتی تونلها و فضاهای زیرزمینی، ارائه روشی جهت نگهداری موقت تونل در حین اجرا بوده تا بتواند حاشیه اطمینان مناسبی را برای ادامهی پیشروی در حفاری تضمین نماید.[1-2] در کلیه این روشها عامل تأثیرگذار در سرعت حفاری، استفاده از یک روش مناسب و اقتصادی و سریع برای اجرای نگهداری اولیه - موقت - تونل میباشد. از عوامل تأثیرگذار بر زمان اجرای نگهداری، خصوصیات ژئومکانیکی، شرایط آبهای زیرزمینی، وضعیت درزه و شکاف و ... میباشد که بسته به موارد ذکر شده، نوع سیستم نگهداری و زمان نصب تعیین میگردد. از اجزای سیستمهای نگهداری موقت برای زمینهای سست، میتوان به قاب فلزی به همراه شاتکریت اشاره نمود.[3-5] قابهای متداول در نگهداری موقت تونلها، عمدتاً از پروفیلهای IPE یا ناودانی و ... انتخاب میگردد که بسته به شرایط باربری سیستم انتخاب خواهندشد. روش دیگر متداول در نگهداری موقت، استفاده از تیر خرپایی به همراه شاتکریت می باشد
موضوع مطرح در این تحقیق، تحلیل قابلیت اعتماد نگهداری موقت تونل در حالت استفاده از قاب فلزی به همراه شاتکریت میباشد و بدین دلیل دارای اهمیت است که طراحی نگهداری موقت تونلها، عمدتاً برای یک ضخامت مشخص شاتکریت و فواصل مشخص برای قابهای فلزی انجام گرفته و طرح پیشنهادی ارائه میگردد. در حالی که در عمل به هیچ وجه این مقادیر به دلایل نوع حفاری و خطاهای انسانی قابل اجرا نیست. لذا لازم است با توجه به این موضوع، برای پروژه های واقعی، برداشت واقعی از اجرای این مقادیر تهیه شود و سپس با استفاده از روشهای تحلیل قابلیت اعتماد، نسبت به قابل اعتماد بودن طراحی چنین سازههایی اقدام شود.
برای رسیدن به این هدف، یکی از پروژه های احداث شده در کشورمان انتخاب شد و ابتدا با برداشتهای دقیق نقشه برداری، نسبت به میزان اجرای ضخامت شاتکریت در نقاط مختلف یک مقطع در طول مسیر مبادرت شد و سپس از فواصل پروفیلهای فولادی اجرا شده در طول مسیر تونل نیز اندازهگیریها انجام شد و با استفاده از آزمونهای نیکویی برازش نسبت به تخمین توابع توزیع احتمال این مقادیر اقدام گردید. مقطع مورد مطالعه در این تحقیق در شکل 1 آورده شده است.
شکل-1 نقاط مختلف انتخابی بر روی تونل با ابعاد 8*8 متری برای مشخصکردن ضخامت شاتکریت
با داشتن توابع توزیع این متغیرهای تصادفی میتوان مبادرت به تولید مقادیر شبیه سازی برای ضخامت شاتکریت و فواصل پروفیلهای فولادی نمود که اینکار برای این دو متغیر انجام شده و با استفاده از روشهای تحلیل قابلیت اعتماد، و آنالیز مونت کارلو در ادامه ابتدا تحلیل قابلیت اعتماد این سازه در سه حالت سازه اجرا شده، سازه طرح شده بر اساس روش تجربی و سازه طرح شده بر اساس روش مقطع معادل انجام شده و در نهایت احتمال خرابی و همچنین ضرایب اطمینان مناسب طرح با توجه به احتمال خرابی بهدست آمده است.
2. روشهای طراحی نگهداری موقت تونل
روشهای متعددی برای طراحی نگهداری موقت پیشنهاد شده است که از متداولترین این روشها میتوان به روش تجربی و روش مقطع معادل اشاره کرد. روش مقطع معادل در مرجع[5] بهطور مفصل توضیح داده شده است.
در روش تجربی با توجه به طبقهبندیهای مهندسی سنگ، تودهسنگ براساس شاخصهای مدنظر هر روش طبقهبندی شده و علاوه بر تعیین پارامترهای ژئومکانیکی، پیشنهاداتی برای سیستم نگهداری و همچنین بارسنگ وارد بر سیستم نگهداری ارائهشده است. در این پروژه بنا بر اهمیت و نقش گستردهای که طبقهبندیهای تودهسنگ در طراحی نگهداری تونلها داشتهاند از روشهای RMR، Q، RQD و RSR استفاده شدهاست. برای رعایت اختصار از بررسی جزئیات 4 روش ذکر شده در بالا صرفنظر شده و خواننده میتواند به مرجع [6] مراجعه نماید. با توجه به شرایط مشاهده شده از وضعیت تودهسنگ، و با تلفیق نتایج روشهای مختلف تجربی و قضاوت مهندسی، سیستم نگهداری پیشنهادی این تونل، شاتکریت به ضخامت 20 سانتیمتر بههمراه قابهای فولادی IPE200 با فواصل 0/8 و 1 متر بهدست آمده است.
در روش مقطع معادل که روش جدیدتری در زمینه طراحی نگهداری موقت تونل میباشد، مبانی طراحی به صورت زیر میباشد:
رفتار لایه نگهداری موقت تونل که مقطع متشکل از دو ماده مختلف است - به عنوان مثال شاتکریت و مجموعه پروفیلهای فولادی - بر اساس تئوری ارتجاعی پوستهها و رفتار تیرهای منحنی به شکل زیر خواهد بود - برای اثبات این عبارات به ضمیمه A مرجع [5] مراجعه شود -
شکل 1-3 نشان دهنده ترکیب دو مادهی مختلف برای استفاده از این روش میباشد. این مقطع نشان دهندهی لایه نگهدارنده به عرض b، شامل n واحد از ماده '1' - به عنوان مثال مجموعه پروفیلهای فولادی - و n واحد از ماده '2' - به عنوان مثال شاتکریت - میباشد. توجه داشته باشید که n واحد از هر یک از مواد در امتداد عرض b وجود دارد. این بیان هم ارز این است که هر یک از واحدها با فاصله s=b/n از یکدیگر قرار گرفته اند. هر یک از
واحدهای '1' و '2' با تعاریفی برای ضرایب فشار1 به ترتیب D1 و D2 و ضرایب انعطاف پذیری2 به ترتیب K1 و K2 نشان داده شدهاند. در بهدست آوردن این روابط از فرض تقارن نسبت به محور افقی مشترک - محور خنثی مقطع - استفاده گردیده است.
شکل - a - -2 نمایش شماتیک یک مقطع از لایه نگهدارنده شامل مواد مختلف 1و 2، - b - مقطع معادل برای لایه مرکب - کامپوزیتی -
پارامترهای ضرایب فشار D و انعطاف پذیری K و همچنین سایر پارامترهای مقطع معادل در مراجع 5]و[6 به طور مفصل آوردهشده است که به دلیل کمبود جا از ذکر آنها پرهیز شده و خواننده میتواند به این مراجع مراجعه نماید. در نتیجه طراحی از این روش برای فواصل پروفیلهای فولادی 80 سانتیمتر از یکدیگر، ضخامت شاتکریت 23/45 سانتیمتر بهدست آمدهاست که این ضخامت حداقل ضخامت برای جوابگویی مسأله میباشد.
. 3 تخمین توابع توزیع متغیرهای تصادفی نگهداری موقت تونل
بر اساس روش اجرا شده پروژه که مربوط به طراحی بر اساس روش تجربی بود، مبادرت به تخمین تابع توزیع متغیرهای تصادفی نگهداری موقت تونلها شد. تاکنون تحقیقات اندکی بر روی برخی از توابع توزیع انتخاب شده با واقعیتهای موجود، صورت پذیرفتهاست. از جمله این موارد میتوان به تخمین توابع توزیع مناسب برای ضخامت پوشش شاتکریت و همچنین فواصل پروفیلهای فولادی در نگهداری موقت تونلها اشاره کرد
