بخشی از مقاله
خلاصه :
درماشینهای حفاری تمام مقطع تونل - TBM - نگهداری و آب بندی شعاعی ، توسط سپر یا غلاف - Shield - و پوشش بتنی - Lining - انجام میگیرد . در سینه کار - Face - استفاده از این روشهای مکانیکی ، غیرعملی و غیرممکن است لذا از روشهای نگهداری غیرمستقیم استفاده میگردد. مهمترین موضوعات در فرایند حفر تونل این است که در جبهه حفاری، خاک بصورت مناسب نگهداری گردد و بدین صورت تغییر شکلها به حداقل برسد. جهت ایجاد فشار تعادلی زمین در سینه کار ، فشار باید بگونهای وارد گرددکه شرایط پایداری تامین گردد.
براساس مکانیزم خرابی روشها تجربی ، تحلیلی و عددی توسعه یافته اند . انواع روش های حفاری از نظر تئوری با ایجاد فشار وارد بر جبهه حفاری ، تعادل قشار خاک و فشار هیدروستاتیک موجود را تامین می کند و از نشست خاک جلوگیری می کند ، نکته مهم در نگهداری جبهه حفاری وارد آوردن فشار صحیح به جبهه تونل است ، در این گزارش چگونگی تعیین فشار ایمن سینه کار توسط روش تحلیلی مورد بررسی قرار می گردند، اگر فشار مزبور بیش از حد باشد سبب بالا آمدن سطح خاک یا از هم گسیختگی آن می شود یا در صورت کمبود آن نشست خاک و لغزش جبهه به وقوع می پیوندد.
.1 مقدمه
برای مشخص نمودن حداقل و حداکثر فشار نگهدارنده مجاز، روشهای گوناگونی در طول سالیان با درنظر گرفتن مکانیزم های مختلف ریزش سینه کار تونل، توسعه یافتهاند. براساس مکانیزم خرابی، این روشها به سه دسته کلی تقسیم می شوند:
-1 -1 دستهای که رفتار گروهی از ذرات یا یک ذره - دانه - را در سینه کار بررسی میکنند، محاسبات پایداری داخلی یا پایداری ذرهای نامیده میشوند.
-2-1 دستهای که پایداری قسمت بزرگی و یا کل سینه کار را بررسی میکنند، روشهای پایداری خارجی یا پایداری کلی نامیده میشوند. در روشهای پایداری کلی ، مکانیزم خرابی ممکن است به سطح زمین برسد و یا نرسد. هر دو نوع ناپایداری ذرهای و کلی می توانند بصورت پیش رونده عمل کرده و باعث ریزش جبهه حفاری گردند.
-3-1 دسته سوم روش هائی هستند که ناپایداری احتمالی در خاک اطراف TBM را بررسی نمینمایند لیکن از دست رفتن محیط نگهدارنده را بررسی میکنند که میتواند باعث کاهش فشار نگهدارنده و در نتیجه فروپاشی جبهه حفاری گردد.
.2 پایداری ذرهای
روش پایداری ذرهای " به بررسی خاکهای بدون چسبندگی یا با چسبندگی پائین در تونلهائی که سینه کار آنها توسط فشار هوا یا فشار دوغاب نگهداری میگردند، میپردازد. در چنین شرایطی دانهها ممکن است در اثر نیروی جاذبه از توده خاک جدا شده و بیافتند. با جدا شدن دانههای بعدی ، سینه کار ممکن است خورده شده و مقدمهای برای ناپایداری موضعی و یا کلی گردد. برای جلوگیری از چنین ناپایداری لازم است یک حداقل فشار تفاضلی به ذره وارد گردد که تاثیر مستقیم بر روی فشار نگهدارنده1 نداشته بلکه بر گرادیان فشار به درون خاک تاثیر دارد. این روش منجر به تعریف حداقل مقاومت برشی مورد نیاز برای دوغاب خواهد شد.
براساس روش Muller - Kirchenbauer یک المان کوچک خاک بدون چسبندگی از جبهه حفاری ، تحت اثر جاذبه، نیروی اعمال شده بوسیله مواد نگهدارنده و خاک اطراف می باشد
شکل -1 نیروهای موثر در پایداری ذرهای
گرادیان ایستائی از رابطه زیر بدست می آید :
F مقاومت تسلیم3 دوغاب بنتونیت و rp شعاع حفرهای معادل مویین خاک4میباشند. در اغلب موارد 900 میباشد. لذا حداقل مقاومت تسلیم دوغاب از رابطه زیر بدست میآید :
Kilchert برای شعاع حفرهای معادل مویین خاک از رابطه زیر استفاده کرد
n تخلخل و d10 اندازه موثر در منحنی دانهبندی خاک میباشد، لذا نتیجه میگیریم:
در خاکهای چسبنده ، پایداری ذرهای یک مسئله ثانویه از پایداری کل جبهه حفاری میباشد. مسئله ناپایداری ذرهای زمانی مطرح میشود که گرادیان فشار به طرف اتاق حفاری موجود باشد، چنین حالتی میتواند در ماشین حفار رخ دهد، زمانی که فشار نگهدارنده کمتر از فشار هیدرواستاتیک باشد. متاسفانه روش آنالیز پایداری ذرهای ارائه شده توسط Muller-Kirchenbauer را نمیتوان در مورد مصالح چسبنده - اصطکاکی بکار برد. بررسی پایداری ترانشه قائم در یک مصالح چسبنده بدون نگهداری و بدون گرادیان فشار ، حداکثر ارتفاع پایداری قبل از ریزش - hc - را از رابطه زیر بدست می دهد : بعضی مراجع از عدد 3/83 به جای عدد 4 استفاده نمودهاند .
در مواردی که تراوش به سمت محفظه حفاری وجود داشته باشد ، فشار زه معادل i w ایجاد میشود. در این حالت حداکثر ارتفاع پایداری در ترانشه قائم از رابطه زیر بدست می آید :
که در آن و i گرادیان جریان میباشد.
.3 بررسی پایداری کلی
همانطور که در فصل اول گفته شد، روش های تعیین فشار سینه کار در بررسی پایداری کلی به سه دسته تجربی، تحلیلی و عددی تقسیم میشوند:
-1-3 روشهای تجربی تعیین فشار سینه کار
در روشهای تجربی براساس مشاهدات انجام شده در حین حفاری تونل ، رابطهای تجربی بین یک یا چند پارامتر و مقدار فشار سینه کار برقرار میشود. انجمن زیرزمینی هلند - COB - 1 رابطه تجربی تحلیلی زیر را در این زمینه ارائه کرده است :
لازم به ذکر است در این رابطه ضرائب اطمینان وارد نشده است. با اعمال ضرائب اطمینان خاک و آب خواهیم داشت:
- Ka ضریب فشار جانبی خاک در حالت محرک ، فشار قائم موثر زمین - - KPa و p فشار آب ضریب اطمینان ترم خاک و ضریب اطمینان فشار آب میباشد.
نکته حائز اهمیت در مورد فشار قائم موثر زمین ، بحث قوس زدگی - Arching - می باشد که در این رابطه در قسمت 5 توضیحات لازم و روش محاسبه ارائه خواهد شد.
- 1995 - Kanayasu لیستی از فشارهای نگهدارنده استفاده شده در پروژه های حفاری مکانیزه در ژاپن را ارائه نمود براساس مشاهدات فشار نگهدارنده در پروژه های تونل سازی مکانیزه در حین حفاریهای مکانیزه عادی نوساناتی در حد 20KPa در فشار نگهدارنده ایجاد می شد.
.4 روشهای تحلیلی
روشهای تحلیلی معمولا" به دو دسته کلی تقسیم میشوند. دسته اول روش های مرز بالا و پائین آنالیز حدی هستند. از جمله این روشها روش Leca and Dormieux - 1990 - میباشد. این روش برای خاک همگن ارائه شده است و اثر فشار آب در آن دیده نشده است.
دسته دوم روش های تعادل حدی هستند. Horn - 1961 - با ارائه یک روش گوه و سیلو به محاسبه فشار نگهدارنده سینه کار پرداخت[9]در این حالت تعادل نیروها برای گوه تحتانی و سیلوی فوقانی نوشته شده و فشار مورد نیاز جهت جلوگیری از ورود گوه به درون تونل تعیین میشود. روش Horn بعدها توسط Jancsecz & Steiner - 1994 - مورد بازبینی قرار گرفت.
