بخشی از مقاله

پیشبینی نشست سطح زمین در اثر حفر تونل های دوقلو ( مطالعه موردی مترو اصفهان )
چکیده
حفر تونل در خاک موجب اغتشاش در میدان تنش و تغییر شکل در اطراف آن می شود که ممکن است خسارت های جبران ناپذیری به سازه ها و تاسیسات سطح زمین وارد کند. تا کنون مطالعات زیادی به منظور پیش بینی نشست در اثر حفر تونل های کم عمق انجام شده اما در زمینه حفر تونل های دوقلو تحقیقات چندانی صورت نگرفته است. در این مقاله تحقیق بر روی میزان نشست سطح زمین در اثر حفر تونل های دوقلو مترو اصفهان انجام شده است. بر اساس برنامه موجود، حفاری این تونل ها در چهار فاز مختلف صورت خواهد گرفت که دو فاز اول آن تا کنون تکمیل شده است. هدف اصلی در این تحقیقی پیشبینی میزان نشست زمین در منطقه مورد مطالعه در اثر حفر این تونلها در فازها یک سوم و چهارم است. برای این منظور بر اساس اطلاعات حاصل از رفتار سنجی سطح زمین پس از فاز دوم حفاری، یک مدل عددی ساخته می شود که با اثبات معتبر بودن نتایج آن، میتوان با اطمینان به پیش بینی نشست در اثر حفر تونل ها در فازهای بعدی پرداخت.


مقدمه
بر خلاف سنگ های مستحکم که مسائل ناپایداری و گسیختگي آنها از طریق مشخصات ساختاری کنترل مي شود، موارد بسیاری نیز وجود دارد که تونل ها و سازه های زیرزمینی در توده سنگ هایی اجراء مي شوند که به علت درزه داری بسیار شدید و یا به خاطر ضعیف بودن سنگ بکر، از مقاومت پائینی برخوردارند. هنگام حفر فضای زیرزمیني حتي اگر تنشهایی برجا در حد متوسط خود باشند، احتمال بروز گسیختگي ناشی از القاء تنش در توده سنگ هایی ضعیف دربرگیرنده وجود دارد. گسیختگی از این نوع مشکلاتی را از لحاظ طراحی به وجود مي آورند، به طوری که هم اکنون نه تنها هیچ گونه مدل دقیق ریاضی برای آن وجود ندارد، بلکه محاسبات مربوط به ضریب ایمنی که در طي آن بتوان محدوده مجاز و قابل قبول این گونه فرآیندهای گسیختگي را تعریف کند نیز در دسترس نیست. برای آن که بتوان از آسیبهای احتمالي وارده به سازه های سطحی و محیط زیست جلوگیری و محافظت کرد، باید پیشبینی دقیقی از اندازه و محدوده نشست در اختیار داشت. خوشبختانه روشی های عددی در طی چند دهه گذشته توسعه زیادی یافته اند، این روش ها قادر به حل تقریبی این گونه مسائل با شرایط پیچیده می باشند۔ از جمله این روش می توان با روش تفاضل محدود اشاره کرد در این مقاله برای تعیین میزان نشست در سطح زمین در اثر حفر تونل های دوقلو مترو اصفهان از ان بهره گرفته شده است.

روشهای پیش بینگی میزان نشست
روش های پیش بینی نشست را میتوان به طور کلی به سه گروه عمده روشهای تجربی، مدل های فیزیکی و رویشی های تحلیلی تقسیم بندگی کرد [ ۱]. در روش هایی تجربی پیش بینایی نشست، بر اساس مشاهدات و اندازه گیری هایی انجام شده در یک ناحیه مشخص، نمودارها و یا روابطی به دست میآید که با استفاده از آنها میتوان نشست در هر نقطه از ناحیه را محاسبه کرد. کاربرد این رویش ها ساده بوده ولی تنها برای همان منطقه ایی که توسعه داده شده اند معتبر هستند.
پیش بینی نشست با استفاده از مدل های فیزیکی مدلهای فیزیکی مستلزم ساخت یک مدل مقیاسی دار از طبقات درگیر در نشست کمک میکند ولی ابزار خوبی برای پیش بینی جابجایی ها نیست .

پیشش بینی نشست با استفاده از روش های تحلیلی
روشهای تئوری
این روشها عمدتاً مبتنی بر تئوری مکانیک محیطهای پیوسته بوده و سعی در تشریح مکانیزمی دارند که قادر به پیشبینی نشست سطح زمین باشد. به همین منظور رفتارهای مختلف الاستیک، پلاستیک، ویسکوالاستیک و الاستوپلاستیک باء طبقات دربرگیرندہ نسبت دادہ شدہ و باتوحاء به فرض مزبور، میزان نشست در سطح زمین به خاطر تغییر شکل طبقات فوقانی پیشبینی می شود .
روشهای عددی رویشی های عددی با لحاظ کردن خواص زمینشناسای و ژئومکانیکی مواد و قابلیت شبیه سازی هندسه های مختلف و مسائل غیرخطیب و غیرهموژن منجر به جواب های نزدیک به واقعیت خواهند شد. روش های عددی مبتنی بر تقریب های عددی معادلات حاکمه از قبیل معادلات دیفرانسیلی تعادل، روابط کرنش - جابجایی، تنش-کرنش و مقاومت- تنش هستند. به کمال این روش ها میتوان مقدار تنش ها و جابجایی های القا شده در منطقه مورد نظر را بررسی کرد. روشهایی عددی خود مشتمل بر تکنیکهای المان محدود (FEM)، المان مرزی (BEM)، المان مجزا (DEM) و تفاضل محدود (FDM) میباشند. تجربیات نشان داده که مناسبترین روشی برای مدل سازگی نشست و توزیع مجدد تنش ناشی از احداث حفریات زیرزمینی، روش تفاضل محدود است. به عبارت دیگر محاسبات لاگرانژین اجازہ میدهد تا مواد گسیخته شده و جریان یابند و شبکه تغییر شکل دهد. ضمناً ميتوان توابع جدیدی ایجاد کرده و یا مدلهای رفتاری و پارامترها را اصلاح کرد .
مشخصات منطقة مورد مطالعة محدوده مورد مطالعه در این مقاله، بخشی از خط شمالی - جنوبی قطار شعری اصفعان است که در این محدوده تونل ها به صورت دو قلو اجرا می شوند. تونل های دوقلو متروی اصفهان واقع در قطعه خط شمالی - جنوبی با طول و مقطعی معادل با ۱۲/۵ کیلومتر و ۳۴/۲۶ متر مربع، یکی از تونل های دوقلو در حال اجراء در کشور می باشد. مشخصات هندسی تونل ها یکسان بوده و در تراز ارتفاعی یکسان نسبت به هم قرار گرفته اند. با توجه به سطح مقطع تونل ها و سستي ساختگاه تونل، حفاری در چند مرحله و با کمک دستگاه رودهدر و در چهار مرحله در دستور کار قرار گرفته است. شکل ۱ مشخصات هندسی به همراه مراحل مختلف حفاری به ترتیب برای تونل ها نشان می دهد. سنگ بستر این محدوده در سازند شمش قرار گرفته است. پارامترهای ژئومکانیکی برآورد شده برای منطقه مورد مطالعه شامل سنگ بستر، خاک های دستی و رسوبات آبرفتی می باشند که در مدل ساخته شده از آنها استفاده شده و در جدول (۱) آورده شده است.

به طورکلی توده سنگ میزبان تونل ها و مسیر مترو مورد مطالعه از لایه های شیلی و ماسه سنگي تشکیل شده است که در زمین شناسایی ایران به نام سازند شمشک خوانده می شود و دارایی سن ژوراسیک است. این شیلها در اعماق مختلف خواص متفاوتی از خود نشان داده اند و توسط آبرفت های عهد حاضر پوشیده شده اند. ضخامت آبرفت در نقاط مختلف قطعه مورد بررسی متغیر میباشد به طوری که از شمال به جنوب ضخامت آن کاهش یافته و سنگ بستر شیلی به سطح زمین نزدیکتر می شود. همچنین مطالعات انجام شده نشان ملایی دهد که رسوبات ابرفتی، فاقد ناپیوستگی مشخصی است در حالی که بستر سنگی شامل سه دسته درزه می باشد. فاصله داری درزهها در شیله ها در حد خیلی پائین (کمتر از ۶ سانتی متر) و دهانه درزه ها بصورت بسته می باشد. درزه ها اغلب فاقد پرکننده، سطح آنها معمولا دارای زنگزدگی و به صورت هموار تا زبر مي باشد. همچنین نتایج حاصل از مطالعات انجام شده نشان می دهد که رسوبات آبرفتی، فاقد ناپیوستگی مشخصی است در حالی که بستر سنگی شامل سه دسته درزه می باشد. فاصله داری درزه ها در شیله ها در حد خیلی پائین (کمتر از ۶ سانتی متر) و دهانه درزه ها بصورت بسته میباشد. درزهها اغلب فاقد پرکننده، سطح آنها معمولاً دارای زنگ زدگی و به صورت هموار تا زیر می باشد. در جدول (۲)، مشخصات درزه ها یک منطقه مورد مطالعه آورده شده است. با توجه به پیشرفت پروژه تا فاز دوم حفاری و موجود بودن نتایج حاصل از ابزار نگاری و رفتار سنجی تا پایات این مرحله، پس از مدلسازی عددی با کمک روش تفاضل محدود و نرم افزار اعتبار سنجی نتایج، پیشبینی نشست برای مراحل سوم و چهارم حفاری به کمک مدل سازی عددی انجام خواهد شد.


تعیین منحنی نشست در سطح زمین توسط نرها افزار
مدلسازی با برنامه بر اساس مراحل زیر صورت گرفته است:
انتخاب محدوده مناسبی از توده سنگ اطراف تونل که ایده اولیه در این زمینه مربوط به حل دقیق ریاضی در محیطهای الاستیک میباشد و حداکثر زون یک حفره زیرزمینی تا سه برابر قطر آن برآورد شده است. بدین ترتیب در صورتی که توده سنگ به صورت الاستیک رفتار کند، در فاصله سه برابر قطر تونل، تقدش هقا به وضعیت اولیه خود میرسند [ ۱]. در صورتی که ابعاد مدل حدود ۸ تا۱۰ برابر ابعاد حفره باشد تحت شرایط مرزی متفاوت درصد خطاها به حداقل ممکن ( حدود ۰/۵ درصد ) کاهش خواهد یافت [۶]. انتخاب مدل رفتاری و تعیین پارامترهای آن؛ مدل رفتاری انتخابی در این تحقیقی، مدل پلاستیک موهر- کلمب میباشد. این

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید