بخشی از مقاله
خلاصه
تونل سازی در مناطق آبرفتی مشکلات و پیچیدگی های خاص خود را دارد. در این گونه از زمینها به دلیل عمق کم روباره، زمین اغلب نرم و غیر سیمانی است. لذا ایمنی و حساسیت نشست زمین، نصب بلافاصله سیستم نگهداری را بعد از حفاری تونل بیش از پیش اهمیت می دهد. در عملیات حفاری تونلهای آبرفتی، بدلیل مواجه با شرایط بد زمین شناسی و ریزشهای متوالی، کنترل و نگهداری سینه کار و ادامه پیشروی نیاز به تمهیدات و شرایط خاصی برای به حداقل رساندن خسارات و آسیبهای ناشی از آن دارد.
یکی از اشکالاتی که به هنگام حفر تونل در این زمین ها وجود دارد رها شدن یا تنش زدایی زمینهای بالای بخش حفاری شده است که ممکن است ریزش کرده و محل حفاری را پر کند. در صنعت تونلسازی این واقعه را افت فشار مینامند. امکان وقوع این پدیده در صورت وجود آب زیر زمینی بیشتر میشود و اگر به صورت مناسب کنترل نشود، خطرات زیادی را در بر دارد و ممکن است منجر به ریزشهای متوالی یا حتی خرابی شود. لازم به ذکر است تونل مذکور با روش NATM حفاری گردیده است.
در این تحقیق از طریق مدلسازی سهبعدی در نرم افزار FLAC3D، تحلیل پایداری و تعیین فاصله داری سینهکار در تونل دسترسی تونل انتقال آب سد کانی سیب مورد ارزیابی قرار گرفته است.
1. مقدمه
تونل انتقال آب مازاد رودخانه گلاس به حوضه آبریز دریاچه ارومیه و دشت نقده با هدف تامین آب دریاچه ارومیه طراحی شده است که به موجب آن انتقال بخشی از آب رودخانه لاوین که سرچشمه اصلی رودخانه زاب است به حوضه آبریز دریاچه ارومیه و دشت نقده، امکان پذیر میشود. این تونل حدود 623 میلیون مترمکعب آب در سال منتقل خواهد نمود. که براساس کلیات روش اجرای پروژه، یک تونل دسترسی در محدوده کیلومتراژ 15+400 تونل اصلی حفر گردیده است.
با توجه به شرایط زمین شناسی منطقه و پروفیل مسیر حدود 133 متر ابتدایی این تونل درآبرفت واقع شده است. حفاری تونل انتقال آب گلاس با استفاده از دو دستگاه ماشین حفاری مکانیزه - TBM - انجام میگردد. به این منظور تونل انتقال آب گلاس به دو قطعه تقسیم شده است. قطعه اول تونل تا کیلومتر 15 قطعه دوم تونل از کیلومتر 15 تا 35/7 را شامل میشود. تونل دسترسی بین این دو قطعه حفاری گردیده است. در این تحقیق مدلسازی سه بعدی مسیر تونل دسترسی که به روش NATM حفاری گردیده است با استفاده از نرم افزار FLAC3D انجام شده است.
2. حفاری تونل به روش ناتم - NATM -
روش اتریشی ناتم روشی است که با حفاری تدریجی تونل، به خاک یا توده سنگ اجازه داده میشود که قسمتی از آن تحت تاثیر حفاری قرار گرفته وپس از مقداری تغییر شکل و نصب سیستم نگهداری، تعادل نسبی خود را بدست آورد. روش اجرا در این حالت تابع شرایط خاک می باشد و بر حسب جنس خاک، حفاری ممکن است در کل سطح مقطع، نیمی از آن و یا در مقاطع کوچکتر انجام گیرد ولی بطور کلی مراحل اجرا تابع شرایط زمینشناسی، وضعیت آب زیرزمینی، وضعیت روباره و یا روش اجرا است.
از مزایای کاربرد روش ناتم، امکان اجرای مقطع دلخواه تونل،امکان تقسیمبندی عملیات اجرای تونل و افزایش تعداد جبههکار برای بالا بردن سرعت اجرای تونل و قدرت مانور بیشتر و از معایب روش مذکور سرعت پیشروی کم، امکان اجرای تونل در طولهای محدود، عدم کنترل ریزش سینهکار و ورود آبهای نفوذی از سینهکار و دیواره های حفاری شده تونل است.
3. مدلسازی حفاری تونل
برای شبیه سازی سه بعدی حفر و نگهداری تونل از روش مرحله به مرحله - step by step - استفاده شده است. فرآیند حفاری از حالت تعادل استاتیکی اولیه آغاز می شود، که به صورت شماتیک در شکل زیر نشان شده است. در مرحله اول فاصله سیستم نگهدارنده تا سینه کارd است، پس از حفر گام پیشرویp و برقراری تعادل ثانویه سپس به اندازه گام حفر شده، سیستم نگهدارنده نصب میشود، به همین ترتیب تا انتهای تونل مراحل حفر و نگهداری انجام میشود. سیستم نگهدارنده برای قسمت قبلی نصب میشود، حال باید به تعادل برسند. برای مراحل بعدی نیز همین مرحله تکرار میشود. دراینجا فاصله از سینه کار 0/5 متر بوده است.
شکل -1 مراحل مختلف شبیه سازی حفر و نصب نگهدارنده بترتیب در3 مرحله
حفاری به صورت چند مرحلهای میباشد به صورتی که ابتدا قسمت فوقانی تونل حفر و نگهداری میشود و سپس قسمت تحتانی در دو بخش حفر و نگهداری میشود. برای مثال در شکل زیر توزیع تنشهای عمودی پس از حفاری و نگهداری قسمت فوقانی تونل نشان داده شده است.
شکل-2 منحنی همتراز توزیع تنش عمودی اطراف تونل پس از حفر قسمت فوقانی - برحسب - N/m2
4. مدلسازی سیستمهای نگهداری تونل
برای مدلسازی سیستم نگهدارنده تونل از المانهای ساختاری موجود در نرم افزار استفاده شده است. سیستم نگهدارنده پیشنهادی برای تونل بدین صورت است که برای مدلسازی قاب فلزی، المان ساختاری تیر و برای مدلسازی شاتکریت از المان ساختاری پوسته استفاده می شود. خصوصیات و انواع المان های ساختاری مورد استفاده برای مدلسازی در جدول و شکل زیر نشان داده شده اند.
شکل-3 نحوه مدلسازی و معرفی المان ها ی ساختاری. الف- شبکه بندی تونل و زمین اطراف ب- المان ساختاری تیر جهت معرفی قاب فلزی ج- المان ساختاری پوسته جهت معرفی شاتکریت
جدول-1 پارامترهای سیستم نگهدارنده مورد استفاده در مدلسازی
5. مدلسازی رفتار شاتکریت
رفتار شاتکریت در هنگام استفاده به عنوان نگهدارنده، به شرایط زمین بستگی دارد. در جایی که امکان در نظر گرفتن زمین به عنوان یک محیط پیوسته وجود دارد، عملکرد شاتکریت مانند اعمال فشار محدود کننده در سراسر سطح داخلی تونل میباشد ولی در محیط ناپیوسته، مثل محیط سنگی سخت، عمل شاتکریت فقط روی بلوک های سنگی میباشد. شاتکریت عامل اصلی حفاظت از جدایش بلوکها از سطح تونل میباشد.
در این مورد، رفتار خمشی شاتکریت و میزان چسبندگی آن به سنگ، دو مشخصه اصلی برای بررسی تاثیر آن میباشد. در طول روزهای نخست شاتکریت رفتار شکل پذیر دارد، که با مقاومت باقی مانده و بسته به آن با کرنش های بزرگ همراه میباشد. تغییرشکل پذیری بالای شاتکریت تازه، مشخصه مهمی برای پایداری حفریات میباشد، زیرا این خصوصیت اجازه گسترش تغییرشکل کنترل شده را به زمین میدهد و در نتیجه بار وارد شده به پوشش تونل افزایش نمییابد. در سنین بالاتر، شاتکریت شکننده و سخت میشوند و مقاومت آن نیز افزایش مییابد.حالت تنش در داخل پوشش شاتکریتی به طور محسوسی با افزایش تدریجی سختی بتن تازه تحت تاثیر قرار میگیرد که این همزمان با افزایش بارهای وارد به شاتکریت در اثر پیشروی سینه کار تونل میباشد.
در مدلسازی ابتدا میزان تاثیر در نظر گرفتن مقاومت وابسته به زمان شاتکریت مورد ارزیابی قرار گرفته است به طوری که در دو حالت، مدلسازی شاتکریت در نرم افزار انجام گرفته و با هم مقایسه شده اند.
