بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه سازه های زیر زمینی نقش مهمی در توسعه حمل و نقل شهری ایفا می کنند. احداث تونل های سطحی، در نواحی متراکم و پر ازدحام شهری با موانع و مشکلاتی رو به رو می شود که یکی از آن ها مسئله نشست است. در تحقیق حاضر، تونل با روش NATM و با استفاده از TBM حفاری می شود که تحلیل پایداری و نشست سطحی و همچنین میزان همگرایی تونل مترو در دیواره ها با کمک نرم افزار عددی FLAC3D و روابط تجربی انجام و با مقدار واقعی مقایسه و میزان نشست حداکثر و فشار سینه کار بهینه به ازای نشست مجاز حداکثر محاسبه و سگمنت نیز از لحاظ ممان گشتاوری و نیروی محوری بررسی میگردد. ارائه مدلی کارآمد که به درستی تأثیر ویژگی های زمین شناسی و ژئومکانیکی را در حفاری دخالت دهد؛ در طراحی مناسب تونل و ماشین های حفاری مکانیزه قبل از اجرا می تواند مفید واقع شود.
1. مقدمه
بهطور کلی محیط زمین در ابتدا تحت فشار ناشی از تنش های طبیعی بوده و هر گونه دست خوردگی همانند حفر تونل این وضعیت تنش را بر هم زده و سبب پدید آمدن تغییر مکان هایی در محیط اطراف می شود که اگر این جا به جایی در محدوده استاندارد نباشند و مقدار نشست از حد مجاز بیشتر باشد، موجب بروز مشکلاتی در ساختارهای سطحی و زیر سطحی می شوند که گاهی خسارات زیادی را به دنبال دارند.
تونل های مترو اغلب در عمق کمتر از 20 متر و در محیط های آبرفتی حفر می شوند که وجود سازندهای فوقانی، حفر و نگهداری و پیش بینی رفتار زمین را دشوار می کند. نشست ناشی از تونل ها در مناطق شهری با تراکم جمعیتی زیاد بر ساختمانها، معابر و تاسیسات شهری تاثیرگذار بوده که به این دلیل تخمین میزان نشست ناشی از حفر تونل ضروری میباشد. عوامل مختلفی از قبیل؛ عمق تونل، فشار سینه کار، تزریق پشت سگمنت، نوع سگمنت و... بر میزان نشست تاثیر گذارند.
نشست های ناشی از تونل سازی شهری به چند دسته تقسیم می شوند؛ -1 نشست های آنی یا کوتاه مدت-2 نشست های ناشی از تغییر شکل لاینینگ تونل و -3 نشست های طولانی مدت ناشی از تحکیم اولیه و تحکیم ثانویه
در این مقاله به بررسی نشست های آنی پرداخته می شود که در حین حفر تونل ایجاد می شوند. نشست های آنی در عرض چند روز - حداکثر چند هفته - بعد از حفاری رخ می دهند، به طوری که در این زمان آب زیرمینی موجود در خاک هنوز از دست نرفته و تغییرات چندانی در فشار آب حفره ای ایجاد نشده است.[2] نشست های زمین از یک نظر دیگر به انواع سطحی و زیرسطحی تقسیم می شوند؛ با توجه به اهمیت بسیار بالای نشست سطحی، در این مقاله به بررسی نشست سطحی پرداخته شده است.
در این پروژه میزان نشست حداکثر و فشار سینه کار از طریق روابط تجربی بهدست میآید و سپس با استفاده از نرمافزار تفاضل محدود FLAC 3D ، فشار سینه کار بهینه به ازای نشست مجاز حداکثر محاسبه میشود و در نهایت سگمنت مورد استفاده در سیستم نگهداری تونل نیز از لحاظ ممان گشتاوری و نیروی محوری بررسی میگردد.
2. معرفی خط 1 مترو تبریز، محیط مطالعه و زمین شناسی منطقه
شهر تبریز یکی از شهرهای بزرگ ایران به شمار می آید. با توجه به جمعیت زیاد این شهر و وضعیت ترافیکی و حمل و نقل شهری، احداث قطار شهری در این شهر امری ضروری به شمار می آید. در این راستا طرح قطار شهری تبریز، با چهار خط اصلی و یک خط فرعی به طول 17.2 کیلومتر در سه فاز طراحی شده و شامل 18 ایستگاه که از میدان ائل گلی آغاز و به کوی لاله ختم میشود. هر یک از فازهای سهگانه خط اول قطار شهری تبریز، در قالب ایستگاه مطالعه و اجرا شده و فاصله ایستگاه ها از یکدیگر طبق استاندارهای جهانی، 900 متر است. حدود 8 کیلومتر از مسیر به صورت تونل عمیق طراحی شده و با دو دستگاه حفاری تونل در عمق حدود 16 تا 25 متری در حال حفاری میباشد.
مسیر خط 1 مترو تبریز از نظر زمین شناسی، شامل رسوبات آبرفتی ریزدانه رسی و سیلتی می شود. در میان این لایه های آبرفتی ریزدانه، میان لایه هایی از رسوبات ماسه ای هم وجود دارد، ولی مسیر تونلعمدتاً از درون رسوبات آبرفتی ریزدانه عبور می کند، شکل.1 عمق سطح آب زیرزمینی در 12.6 متری و "عمق روباره تونل 20 متر" و عمق ازسطح زمین تا مرکز تونل 24.745 متر میباشد.
شکل - 1 وضعیت زمین شناسی مسیر خط 1 متروی تونل تبریز
در مدلسازی، محیط اشباع بوده و گام حفاری 1.5 متر و قطر حفاری 9.49 متر در نظر گرفته شده است. ضخامت سگمنت های طراحی 30 سانتی متر و تزریق پشت سگمنت 15 سانتی متر میباشد. وزن سگمنتها در هر گام حفاری 8.9 تن و وزن شیلد حفاری 23 تن میباشد. مشخصات لایه بندی زمین و سگمنت های به کار برده شده طی جدول 1، ارائه شده است
جدول -1 مشخصات لایه بندی زمین و سگمنت های به کار برده شده
3. تحلیل پایداری و نشست سطحی بر اساس مدل های تجربی
با توجه به اهمیت نشست سطحی و تاثیر زیاد آن بر سازه های شهری مانند ساختمان ها، پل ها و سایر سازه های عمرانی؛ محققان زیادی در تلاش برای یافتن رابطه ای برای تخمین میزان این نشست بوده اند. در این مقاله از روش چاکری و همکاران استفاده شده است.
اخیرا چاکری و همکاران با استفاده از مطالعه موردی سه تونل مترو مشهد ، تهران و استانبول، با استفاده از داده های اندازه گیری شده و مدل سازی عددی رابطه - - 1 را برای تخمین نشست ماکزیمم در تونل سازی مکانیزه ارائه دادند.
که ، ضریب پواسون زاویه اصطکاک داخلی می باشد. خصوصیات ژئومکانیکی مقطع بررسی شده در جدول 2 ارائه شده است.
جدول -2 متوسط پارامترهای ژئومکانیکی مورد نیاز
با توجه به پارامترهای ژئومکانیکی منطقه؛ مقدار فشار سینه کار تحلیلی 141.2 کیلوپاسکال محاسبه و با جاگذاری در رابطه - - 1 مقدار نشست حداکثر برابر با 18.5 میلی متر - - Smax = 18 .5 mm و نقطه عطف نمودار نشست سطح زمین، 15.5 متر - - iave = 15.5 به دست آمد.
4. توصیف مدل عددی
از انواع رو ش های عددی موجود می توان به روش اجزا محدود، روش تفاضل محدود، روش اجزا مجزا و روش هیبریدی اشاره کرد. روش های عددی به طور بسیار گسترده ای در طراحی فضاهای زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرد.
در این مقاله برای مدل سازی عددی از نرم افزار FLAC 3D استفاده شده که بر اساس روش تفاضل محدود بنا شده است. این نرم افزار پاسخ های مناسبی را در محیط های پیوسته ارائه می دهد و با توجه به تحقیقاتی که در این زمینه انجام شده است قابل اعتماد بودن آن به اثبات رسیده است. مدل سازی عددی مهم ترین وسیله برای تعیین دقیق نشست زمین در تونل سازی می باشد. زیرا مدل سازی عددی می تواند دقیقا زمین موجود را با کلیه عوارض و ویژگی ها مدل نماید.
هر یک از روابط تجربی ارائه شده از یک سری مطالعات موردی به دست آمده اند لذا در زمین هایی مشابه با آن ها جواب مناسب را خواهند داد. در نتیجه این روابط دارای محدودیت های کاربردی هستند ولی مدل سازی عددی را می تواند با اعتماد استفاده کرد.
در نرم افزار FLAC ابتدا مش بندی انجام گرفته که شامل داخل تونل، سگمنت، فضای تزریق دوغاب و محیط اطراف تونل میباشد. بعد از ایجاد مدل، زمین به حالت تعادل رسانده و با توجه به گام حفاری 1.5 متر، حفاری مرحله به مرحله تا قسمت میانی مدل انجام و میزان نشست با پیشروی تونل در سطح زمین اندازه گیری می گردد، شکل 2و.3 در شکل 4 و 5، به ترتیب مراحل حفاری و مدل پس از 30 متر حفاری نشان داده شده است.
با پیشروی تونل، نشست در سطح زمین در نقطه معینی مثل نقطه ای در سطح زمین در بالای مرکز تونل ثبت می شود تا جایی که دیگر پیشروی تونل اثری روی نشست ندارد. این روند در مدل ایجاد شده در 16 متر از سینه کار اتفاق می افتد.
