بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین ضخامت بهینه شاتکریت براساس پارامترهای طراحی سیستم نگهداری موقت تونل
چکيده
امروزه صنعت تونل سازي و علم ژئوتکنيک با توجه به حساسيت طراحي و تاثيرگذاري حفاري فضاهاي زيرزميني بر سازه هاي موجود اطراف تونل در تلاش براي استفاده از علم روز دنيا است و از آنجاييکه تعيين کميت پارامترهاي زمين مانند تنش هاي اوليه ، ساختارهاي زمين شناسي، خواص ژئومکانيکي خاک و... با دقت کافي مشکل ميباشد، لذا با استفاده از ابزاربندي در تونل به روش تحليل برگشتي تک متغيره ميتوان به طور تقريبي خواص رفتاري و ژئومکانيکي خاک را پيش بيني کرد. يکي از اهداف ابزاربندي، کنترل جابه جاييها به منظور ارزيابي پايداري فضاهاي زيرزميني و همچنين کنترل فرضيات طراحي از جمله پارامترهاي مقاومتي خاک ميباشد. در اين مقاله ابتدا با استفاده از روش تحليل برگشتي تک متغيره و مدل سازي عددي با استفاده از نرم افزار D٢ FLAC، مقادير پارامترهاي ژئومکانيکي خاک محيط اطراف تونل تعيين شده است . در ادامه با استفاده از روش تحليل حساسيت بر روي پارامترهاي موثر در طراحي ضخامت شاتکريت ،به عنوان نگهداري موقت در تونل متروي کرج ، نظير ممان اينرسي ميلگرد موجود در قاب مشبک ، تارخنثي شاتکريت ، سطح مقطع شاتکريت و مدول يانگ شاتکريت ، مقادير بهينه آنها تعيين شد. سپس نتايج حاصله از اين روش با روش متداول و مرسوم طراحي سيستم نگهداري مقايسه شد که نتيجه اين مقايسه هماهنگي خوبي را با نتايج طراحي نشان ميدهد. با استفاده از اين روش ميتوان به تعيين ضخامت بهينه شاتکريت در طراحي سيستم نگهداري موقت تونل هاي متروي کرج در حين اجرا سرعت بسيار زيادي بخشيد.
کلمات کليدي
همگرايي تونل ، تحليل برگشتي، نرم افزار D٢ FLAC، رفتارنگاري، تحليل حساسيت
١- مقدمه
امروزه عليرقم آنکه روش هاي تحليل عددي متعددي همچون اجزاء محدود، اجزاء مرزي و اجزاء مجزا در فرآيند سازه هاي سنگي و خاکي همچون تونل ها، مغارها و... گسترش يافته اند اما هنوز هم پيش بيني رفتار مکانيکي چنين سازه هايي با دقت کافي بسيار مشکل است .
نکته شايان توجه آن است که درستي پيش بيني انجام شده عمدتا به دقت داده هاي ورودي مورد استفاده در تحليل بستگي دارد و اين در حالي است که ارزيابي کمي پارامترهاي زمين شامل ساختارهاي زمين شناسي، خواص ژئومکانيکي سنگ برجا، حالت اوليه تنش در زمين ، سطح ايستابي، نفوذپذيري و غيره با دقت کافي بسيار مشکل ميباشد و به همين دليل در بسياري از موارد رفتارهاي پيش بيني شده و رفتار واقعي زمين متفاوت ميباشد. يکي از روش هايي که امروزه جهت بهبود چنين مشکلي بسيار سودمند مي باشد، ابزار بندي و رفتارسنجي در حين احداث سازه ميباشد. با استفاده از رفتارسنجي ميتوان از يکسري ابزار رفتارنگاري پايداري سازه و از سوي ديگر به ارزيابي مجدد داده هاي ورودي زمين شناسي و ژئومکانيکي که در فرآيند طراحي به کار گرفته شده اند، پرداخت . اين ارزيابي به شکلي صورت ميگيرد که اختلاف بين رفتار واقعي و رفتار پيش بيني شده به حداقل برسد. استفاده از نتايج عددي به روي رفتار سازه براي محاسبه پارامترهاي اوليه طراحي " تحليل برگشتي" نام دارد. اين تکنيک ، خلا ميان پيش بيني و واقعيت را پر ميکند [١].
در اين تحقيق ، سعي شده تا به کمک مطالعات انجام شده در تونل قطار شهري شهرستان کرج ، نشان داده شود که چگونه ميتوان با افزايش مطالعات مدل سازي عددي و تحليل برگشتي، اطلاعات با ارزشي در مورد وضعيت تنش هاي برجا، پارامترهاي ژئومکانيکي خاک و عملکرد سيستم نگهداري موقت بدست آورد و بر اساس آن به بهينه سازي روش اجرا، سيستم نگهداري موقت و طراحي پوشش نهايي پرداخت و در ادامه نتايج حاصل از طراحي سيستم نگهداري با نتايج حاصل از طراحي به روش تحليل حساسيت مقايسه شد.
٢- اطلاعات عمومي
تحليل پايداري سازه هاي زيرزميني به علت تغيير در نوع سنگ و خاک، تغيير در ساختارهاي زمين شناسي، شرايط تنش منطقه ، مراحل حفاري و ايجاد فضاي زيرزميني، از محلي به محل ديگر امري مشکل و پيچيده است . لذا لازم است با استفاده از روش هاي مختلف تحليل پايداري، مقايسه بين نتايج حاصله از آنها و همچنين با قضاوت مهندسي مناسب ، وضعيت پايداري در سازه مورد نظر بررسي شود.
امروزه روش هاي مختلف عددي در زمينه تحليل پايداري سازه هاي زيرزميني وجود دارد که در اين تحقيق از روش هاي عددي به عنوان ابزاري در تحليل پايداري استفاده شده است . در هر مرحله شرايط نگهداري مناسب تونل بررسي شده است . مدلسازي عددي ابزار بسيار مفيدي جهت درک رفتار خاک، توزيع تنش و پيش بيني مقادير تغيير شکل ناشي از حفاري ميباشد. اما پيش بيني رفتار مکانيکي سازه ها به دليل نداشتن اطلاعات کافي و دقيق از خاک در برگيرنده فضا و عوارض ساختاري موجود در آن و نيز پيچيدگيهاي ژئومکانيکي و ساختارهاي زمين شناسي خاک به طور کامل ميسر نيست . اين پارامترها براي تحليل پايداري و تعيين سيستم نگهداري مناسب براي سازه بسيار ضروري هستند. اين امر لزوم ابزاربندي و رفتارسنجي فضاهاي زيرزميني را پيش از پيش نمايان ميسازد. در اين راستا که تحليل برگشتي با داده هاي حاصل از ابزاربندي و رفتارسنجي تونل ها و مغارها ( در زمان حفاري) که گوياي رفتار واقعي خاک مي باشد، مي تواند علاوه بر ارزيابي قريب به يقين پارامترهاي ژئومکانيکي خاک، وضعيت پايداري تونل را نيز مشخص نمايد [٢].
٢-١- تحليل برگشتي تک متغيره
تحليل برگشتي تک متغيره ، معمولا به عنوان تکنيکي تعريف ميشود که ميتواند پارامترهاي کنترل کننده يک سيستم را از آناليز رفتار خروجي آن سيستم تعيين کند. در مسائل آناليز معکوس مربوط به مکانيک خاک، شرايط فشارها مانند بارهاي خارجي يا فشارهاي خاک و خصوصيات مکانيکي خاکها، مثل مدول الاستيسيته ، نسبت پواسون ، چسبندگي و زاويه اصطکاک داخلي از روي جابجاييها، کرنش ها و فشارهاي اندازه گيري شده در طول اجراي پروژه و پس از آن محاسبه ميشوند. اين روند محاسبات در حقيقت ، عکس روند آناليز معمولي است زيرا در آناليز معمولي شرايط تنش و خصوصيات مکانيکي محيط جزء داده هاي ورودي براي محاسبه جابجايي و تنش به شمار ميروند، به همين دليل اين آناليز را معکوس مينامند. در تحليل برگشتي تک متغيره جابجائيها، کرنش ها و مقادير فشار ابتدا از اندازه گيري برجا بدست ميآيند و سپس يک مدل مکانيکي براي محيط فرض ميشود. ثوابت مکانيکي مدل و نيروهاي خارجي از روي مقادير قرائت هاي صحرائي و بصورت برگشتي تعيين ميشوند.
مشاهده ميشود که مقادير بدست آمده در اين روش بستگي شديدي به مدل فرض شده براي محيط دارند بطور مثال اگر يک مدل الاستيک براي رفتار محيط حفاري در نظر گرفته شود، مقادير مدول الاستيسيته و نسبت پواسون محاسبه خواهند شد. در صورتيکه اگر مدل ، الاستوپلاستيک فرض شده باشد، علاوه بر اين دو مقدار چسبندگي و زاويه اصطکاک داخلي خاک نيز محاسبه خواهد شد.
بنابراين ديده ميشود که با در نظر گرفتن مدلهاي متفاوت و به ازاء مقادير ورودي يکسان ، مقادير و نتايج مختلفي بدست خواهد آمد .[3]
اساس کار در تحليل برگشتي تک متغيره بر اين امر استوار است که داده هاي حاصل از ابزار بندي به عنوان بخشي از نتايج خروجي مدل عددي وارد شده و بر اين اساس مشخصات مدل عددي تعيين ميشود. در اين پروژه داداه هاي ابزاربندي، محدود به همگراييهاي
اندازه گيري شده در ايستگاه همگراييسنجي ميباشد که به نوعي بيانگر مقادير جابه جايي المان هاي جداره تونل ميباشد. در اين تحقيق به دليل اينکه محيط اطراف تونل خاک ميباشد از مدل سازي عددي براي محيط پيوسته استفاده شده است . در اين تحقيق از سه روش تحليل برگشتي تک متغيره به صورت مجزا که با رويکرد بهينه سازي پارامترهاي ژئومکانيکي مواد به کمک روش سعي و خطا پايه گذاري شده است ، استفاده گرديد. لازم به ذکر است که اين الگوريتم ، اختلاف ميان مقادير اندازه گيري شده برجا و داده هاي به دست آمده از تحليل تنش را کمينه ميکند. اين اختلاف معمولا بر پايه کمينه سازي تابع خطاي زير که تابع هدف ناميده ميشود، تعريف مي شود:
که در اين رابطه i تعداد نقاط اندازه گيري و به ترتيب مقادير اندازه گيريشده و محاسبه شده از طريق تحليل عددي در نقاط متناظر هستند. N نيز تعداد نقاط اندازه گيري شده است [٥].
مقادير اوليه پارامترهاي ژئومکانيکي مورد استفاده به طور خلاصه در مدل هاي عددي در جدول ١ ارائه شده است . اين مقادير بر اساس نتايج آزمون هاي آزمايشگاهي روي نمونه هاي سالم و نتايج برداشت ژئوتکنيکي در طول مسير تونل ، با استفاده از روابط موجود به دست آمده اند. در جدول ٢ خصوصيات شاتکريت بکار رفته در مدل سازي عددي براي ايستگاه مورد مطالعه و همچنين در جدول ٣ خصوصيات قاب مشبک بکار رفته در مدل سازي عددي براي همان ايستگاه همگراييسنج ارائه شده است .
همچنين مراحل مدل سازي شامل موارد زير مي باشد:
١- انتخاب شبکه يا محدوده مناسب براي مدل : ابعاد هندسي مدل براي تونل متروي کرج با قطر ٩ متر، ٤٥×٤٥ متر انتخاب شده است .
٢- انتخاب مدل رفتاري مناسب و تعيين پارامترهاي آن : مدل موهر کلمب به عنوان مدلي براي حالت پلاستيک ، مورد استفاده قرار مي گيرد. لذا به عنوان مدل رفتاري در مدل سازي تونل متروي کرج استفاده شده است .
٣- اعمال شرايط مرزي و تنش هاي اوليه : انتخاب جابه جايي ثابت و برابر صفر براي گره هاي مرزي در اين حالت .
٤- حل مدل و رسيدن به تعادل
٥- ايجاد تغيير در مدل در اثر حفاري و رسيدن به حالت تعادل
٦- اعمال ترخيص تنش : با توجه به اينکه بخشي از جابه جاييها بلافاصله پس از حفر تونل و قبل از نصب همگراييسنج ها رها شده که عملا امکان اندازه گيري آنها وجود نداشته است . با محاسبه درصد ترخيص تنش ٨٢ درصدي از روي نمودار پنت در شکل ١ و اعمال آن به مدل ، با فاصله سيستم نگهداري از سينه کار برابر ١ متر، اين جابه جاييها از محاسبات حذف شدند.
٧- حل نهايي مدل
٨- يافتن نتايج تحليل و محاسبه خطاي تابع هدف
٩- حل مجدد مدل به منظور يافتن کمترين خطاي تابع هدف
٢-٢- نتايج رفتار سنجي
با توجه به اينکه از فعاليت هاي اصلي تونل سازي، حفر زمين همراه با نگهداري جبهه کار و محيط تونل توسط وسائل نگهداري موقت ، انتقال مواد حفر شده و نصب سيستم نگهداري دائمي ميباشد، هدف از ايجاد مجموعه پوشش هاي اوليه و نهايي در تونل ، پايدار ساختن زمين اطراف آن و تحت کنترل در آوردن نيروهاي ناشي از حرکت زمين حفاري شده ميباشد. يکي از مهمترين عمليات ، تعيين دقيق پارامترهاي ژئومکانيکي براي تحليل پايداري تونل و طراحي پوشش اوليه ساختگاه تونل است . آشنايي با عوامل موثر بر تغييرات ژئومکانيکي، روش هاي تعيين آن و تاثير آن بر پوشش اوليه از جمله مسائلي است که طراحان بايد به آن توجه داشته باشند [٤].
مهمترين اهداف رفتارسنجي در تونل عبارتند از [٤]:
١- ثبت مقادير طبيعي و تغييرات پارامترهاي ژئوتکنيکي مانند چسبندگي خاک، زاويه اصطکاک داخلي
٢- تامين ايمني در طي عمليات ساخت تونل با دادن هشدار به وماورقدع بردعرنامصورردنگگهسداترريش بيش از حد حرکت زمين و تعيين بارهاي
٣- کنترل عکس العمل زمين و مقادير خواص خاک و همچنين تعيين مناسب ترين مدل هاي رفتاري خاک در طراحي تونل
٤- کنترل رفتار زمين در طي حفاري تونل به ويژه در خلال حفاري و بعد از آن و طراحي سيستم نگهداري نهايي تونل در ادامه دياگرام خروجي مدل هاي عددي ساخته شده در نرم افزار FLAC مربوط به ايستگاه مورد مطالعه براي نتايج نهايي بدست آمده در آناليز برگشتي در شکل هاي ٢ و ٣ آورده شده است .
همان طور که در شکل ديده ميشود، بيشترين جابجايي قائم در سقف تونل صورت گرفته که اين مقدار برابر ٩.١ ميليمتر در ايستگاه ١٤٠+٨ است .
شکل ٢ : جابه جايي در جهت X براي ايستگاه ١٤٠+٨
