بخشی از مقاله
چکیده
گسترش حمل و نقل در شهرهای بزرگ این امر را ضروری کرده تا در جاهای کم عمق تونلهای حفاری شود. حفاری تونلها باعث ایجاد نشست در ساختمانها و تأسیسات قرار گرفته در بالای تونل میباشد. به همین منظور بایستی تحلیلها عددی با استفاده از نرم افزارهای موجود صورت گیرد. در این مقاله ابتدا مقدمهای درباره نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS و مروری بر نحوه مدلسازی اشاره خواهد شد. در مدلسازی از تحلیل غیرخطی و مصالح غیرخطی استفاده شده و در نهایت مدل ساخته با یک مدل آزمایشگاهی به وسیله نرم افزار مدلسازی و اعتبار سنجیشده و نتایج آن ارائه میشود. مدل آزمایشگاهی استفاده شده نتایج تست میدانی بدست آمده از تونل متروی در کره جنوبی از شهر سئول میباشد که توسط آقای چانسایک یو در سال 2009 میلادی انجام شده است.
مقدمه
در واکنش به رشد سریع توسعه شهری یک نیاز مبرم برای ساخت تونلهای جدید برای سیستمهای حمل و نقل و کاربردهای زیرزمینی وجود دارد. در سالهای اخیر تونلهای زیادی در محیط شهری ساخته شدهاند, که اغلب ساخت تونلهای دوقلوی در نزدیکی هم را در برمیگیرد. به علاوه در بسیاری از موارد, تونل جدید در مجاورت یک تونل موجود حفاری میشود. بنابراین, پیش بینی ساخت تونل جدید در کنار یک تونل حفاری شده نقش کلیدی را در ساخت و طراحی یک تونل موازی نزدیک یک تونل موجود بازی میکند زیرا نباید در حال حفاری و بعد از تاسیس تونل جدید آسیبی به تونل موجود برسد. اندرکنشی ناشی از حفاری تونلهای دوقلو به وجود میاید موجب ایجاد نشستهایی در سطح زمین می شود.
بنابراین محیطهای ساختمانی برای موقعیتهای تونل زنی شهری به طور فزاینده ای نامساعد میشوند و کنترل نشستهای در سطح زمین و دیگر تاثیرات محیطی معمولا یک مساله کلیدی در برنامه ریزی و طراحی پروژههای حفاری تونلهای دوقلو میباشد. طراحی تونل نیازمند برآورد مناسبی از تغییر شکلهای زمین است. بسته به روش حفاری و نگهداری، تونلسازی میتواند باعث نشستهایی با مقادیر مختلف شود2]،.[1کاراکوس و فاول [3] 2003 تاثیرات روشهای مختلف حفر تونل بروی میزان نشستهای تونل با استفاده از روش مدلسازی المان محدود ساده را مورد بررسی قرار دادند. تحقیقات آنها بیشتر متمرکز بر مدلسازی سه بعدی و مقایسه آن با تاثیر حفر تونل یک مدل دو بعدی بوداست.
فاریاس و همکاران [4] 2004 تاثیر توالی حفاری را بروی نشستهای زمین با استفاده از یک تونل ایده آل فرضی بر اساس نتایج مجموعه ای از تحلیلهای المان محدود سه بعدی مورد بررسی قرار دادند. آنها الگو های متفاوتی از توالیهای حفاری و الگوهای پشتیبانی را در نظر گرفتند و عوامل تاثیر گذار بر نشست زمین را شناسایی کردند.سوانساوات و انیستین [5] 2007 نتایج جالبی از جابجاییهای ناشی از تونلهای دوقلوی حفاری شده در بانکوک منتشر کردند. آنها نشان دادند که پارامتر های فعال مانند: فشار سطح,میزان نفوذ و فشار دوغاب تاثیرات مهمی روی افزایش نشستها ومقدار فرورفتگی نشست دارند. همچنین نشان دادند بیشترین نشست در تونل های دوقلو معمولا در وسط بین دوتونل نیست و فرورفتگی نشست متقارن نیست.چانسایک یو در سال [6] 2009 در مطالعاتی عددی به بررسی عملکرد تونل زنی چند سطحی در زمین نرم را پرداخت. نتایج حاصل از این تحقیق عددی سه بعدی دربارهی عملکرد تونل زنی چند سطحی در زمین نرم را نشان میدهد.
کلیه تحلیلها المان محدود سه بعدی بوده و در مورد تونلزنی با توالیهای پیشروی چند سطحی مختلف از جمله روشهای برش حلقوی و انحراف مسیر جانبی انجام شدهاند. پارامترهای مورد نظر در این تحلیلها شامل طول نشست، حجم هسته و فاصلهی تاخیر حفرتونل بوده است. نتایج حاصل از این تحلیلها نشان میدهند که روش حفاری انحراف مسیر جانبی- موثرترین روش محدود کردن استقرار های سطح زمین و نیز تغییر شکلهای تونل است.نتایج تحقبقات گذشته نشان میدهد که تحقیقات کمی به مدلسازی و تحلیل غیر خطی عددی حفاری تونل در حالت سه بعدی پرداختهاند، به همین منظور در پژوهش حاضر مجموعهای از تحلیلهای المان محدود سه بعدی به منظور مدلسازی و شبیه سازی تونل در حین حفاری با توالیهای پیشرفت سطحی مختلف به روش حفاری NATM صورت گرفته است.
مدلسازی المان محدود
روش اجزاء محدود یک روش عددی است که میتوان آنرا برای حل مسائل متعدد و متنوع مهندسی در حالات مختلف پایدار، گذرا، خطی یا غیرخطی مانند تحلیل تنش، انتقال حرارت و جریان سیال بکار گرفت. این روش که ریشه های آن به سالهای اولیه 1900 میلادی بر میگردد. عملا در دهه 60 میلادی به صورت کلاسیک مدون و داخل مباحث مهندسی به خصوص مهندسی مکانیک و عمران شد و در دهه پایانی هزاره دوم بطور شگفت آوری در مراکز علمی و صنعتی جهان رسوخ نمود. در این میان آباکوس یک مجموعه از برنامه های مدل سازی بسیار توانمند می باشد که مبتنی بر روش اجزاء محدود، قابلیت حل مسایل از یک تحلیل خطی ساده تا پیچیده ترین مدل سازی غیر خطی را دارا می باشد.
این نرم افزار دارای مجموعه المان های بسیار گستردهای می باشد که هر نوع هندسهای را میتوان به صورت مجازی توسط این المانها مدل کرد. همچنین دارای مدلهای مواد مهندسی بسیار زیادی است که در مدل سازی انواع مواد با خواص و رفتار گوناگون نظیر فلزات، لاستیک ها، پلیمرها، کامپوزیت ها، بتن تقویت شده، فوم های فنری و نیز شکننده و همچنین مواد موجود در زمین نظیر خاک و سنگ، قابلیت بالایی را ممکن می سازد.[7]روشهای بکار رفته در آنالیز سازهها ممکن است در دو دسته بندی ضمنی و صریح قرار گیرند. بسته به نوع مسئله و برخی ملاحظات آنالیزی و اقتصادی و با توجه به معایب و مزایای این روش ها، پروسه آنالیز برای یک مسئله دلخواه انتخاب میشود.
درروش صریح مقادیر پاسخ محاسبه شده در هر مرحله فقط به مقادیری که در هر مرحله بدست می آیند بستگی دارد، بطوریکه آنالیز مستقیما از هر مرحله ای به مرحله بعدی پیش می رود. در روش ضمنی مقادیر جدید برای یک مرحله مفروض شامل یک یا چندین مقدار مرتبط با همان مرحله می باشد. بدین صورت که باید مقادیر آزمایشی برای کمیتهای لازم فرض شود و سپس آنها به وسیله عملیات تکراری متوالی اصلاح شوند. بجز در حالتی که محاسبات در هر مرحله بسیار ساده میباشد، هزینه عملیات تکراری در هر مرحله یک مانع برای استفاده از این روش می باشد. در این مواقع بهتر است که بوسیله یک پروسه روش ضمنی به یک روش صریح تبدیل شود. در این پروژه از روش اجزای محدود به وسیلهی نرم افزار آباکوس در حالت ضمنی برای تحلیل استفاده شده است.
خصوصیات مصالح
خصوصیات رفتاری بتن
بتن یک مادهی ناهمگن می باشد که از سنگدانه ها و ملات سیمان تشکیل شده است که در کشش بسیار ضعیف عمل میکند. مقاومت کششی بتن تقریبا 8 تا 15 درصد مقاومت فشاری آن است. در این پژوهش از رفتار کششی بتن صرفه نظر شده است و همچنین وابستگی زمانی مقاومت فشاری بتن بعد از استقرار در این تحلیل مدلسازی نشد و خصوصیات مصالح بتن به صورت رفتار ارتجاعی در مدلسازی در نظر گرفته شده است. مقدار متوسطی برای مدول یانگ 10 گیگا پاسکال با شرایط بتن پاشی سخت در نظرگرفته شد است.
خصوصیات ژئوتکنیکی توده خاک و محیط اطراف تونل
در این تحقیق برای مدلسازی و اعتبارسنجی نمونه بخشهای طراحی انجام شده از سازه فاز 2 مترو سئول برای تحلیل انتخاب شدند تا موارد حفاری تونل واقعی بر حسب هندسهی تونل و شرایط زمین لحاظ شود. هندسه تونل انتخاب شده از سازه زیرزمینی فاز 2 مترو سئول به صورت شکل 1 می باشد، که ترتیب حداکثر ارتفاع 8/4 متر و پهنای 11/7 متر دارد و منطقهی حفاری خالص تقریبا 78 متر مربع میباشد. نسبت عمق پوششی تونل - - c به قطر تونل - 1/5 - d فرض شد که یک تونل کم عمق را در یک محیط شهری نشان میدهد. در مدلسازی شرایط ژئوتکنیکی شهر سئول در این مطالعه در نظر گرفته شد. زمین و محیط اطراف تونل مورد نظر شامل مواد گوناگون با ضخامت 5 متر از جمله ماسه - سنگریزه و خاک رس سیلیتی میباشد.
در زیر این لایهی یک لایهی آبرفت با ضخامت 25 متر قرار گرفته است که زیر آبگذر تونل امتداد داده شده است. این لایه آبرفت با یک لایه ی سنگ گرانیت توپر درجه 2 دنبال شده است مطابق با طبقه بندی مهندسی سنگ که دارای مقادیر RMR متغییر از 40 تا 60 است. سطح آب زیر زمینی در -5 متر از سطح زمین فرض شده شده است. در مدلسازی لایههای خاک و سنگ از خصوصیات مصالحی که از آزمایشهای ژئوتکنیکی به دست آمده استفاده شده و مدل رفتاری الاستو-پلاستیک - موهر -کولمب - برای توده خاک فرض شده است - جدول . - 1
