بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ﺑﺮرﺳﻲ ﻧﺸﺴﺖ ﺳﻄﺢ زﻣﻴﻦ در اﺛﺮ ﺣﻔﺮ ﺗﻮﻧﻞ ﻣﺘﺮو در ﺗﻬﺮان
چکیده
در مقاله حاضر نشست سطح زمین در اثر حفر تونل در بخشی از مسیر خط 2 متروي تهران و تاثیر احتمـالی آن بـر سـازههـاي مجـاور مـورد بررسی قرار گرفته است. نشست سطحی یکی از مهمترین پدیدههاي ناشی از حفاري مترو می باشد کهتقریباً در تمامی پروژههـاي مـشابه دنیـا مورد توجه کارشناسان قرار گرفته و توصیه هاي علمی جهت کنترل و محدود نمودن آن با توجه به روشهـاي اجرایـی مختلـف ارائـه گردیـده است.
در این مقاله ضمن بیان بخشی از تئوري هاي رایج در این مورد نتایج تجربی مربوط به تحقیقات مشابه انجام شده در پروژه هاي متـروي چنـد شهر بزرگ دنیا ارائه شده است. سپس نحوه اندازه گیري نشست زمین در اثر حفر تونل در بخشی از خط شماره (2) متروي تهران و نتایج بـه دست آمده از این بررسی ها بیان شده است. نتایج بدست آمده نشان میدهد که حداکثر نشست ناشی از حفر تونل مترو در منطقـه برداشـت 4
میلیمتر بوده که این مقدار کمتر از نشست مجاز می باشد.
کلید واژه ها: نشست سطحی، گودي نشست، ترازیابی، روش اتریشی اصلاح شده
.1 مقدمه
از اوایل قرن نوزدهم با توجه به سیر صعودي افزایش جمعیـت کـره زمـین و تـراکم جمعیـت در شـهرها از یکـسو و پیـشرفت تکنولوژي در تمامی زمینههاي علمی و بالا رفتن سطح استاندارد زندگی از سوي دیگر، لزوم تحول و گـسترش امکانـات جهـت تأمین نیازهاي عمومی مورد توجه بیشتري قرار گرفت.
در این زمینه تأمین و توزیع آب قابل شرب از طریق احداث سدها و انتقال آب به وسیله تونلهاي آبرسانی، جمع آوري فاضلاب ساختمانها، احداث متروهاي زیر زمینی به منظور رفت و آمد سریع شهري و حفر تونل ها براي توسـعه راههـاي بـین شـهري جهت تسریع در توزیع و حمل کالا از مراکز تولید به مصرف از اولویت خاصی برخوردار گردید.
اهمیت اجراي پروژههایی از این قبیل باعث شد که در اکثر قریب به اتفاق کشورها فن تونل سازي مورد توجـه روز افـزون قـرار گیرد. در این مورد استفاده از تونل و سازههاي زیر زمینی به عنوان پناهگاه، احداث انبارهاي زیر زمین مواد سوختی، نیرو گـاه زیر زمینی، ساخت تأسیسات زیر زمینی از جمله استخر شنا، مجموع ورزشی، گالریهاي هنري و نیـز اجـراي شـبکه تونـلهـاي مترو را میتوان به عنوان نمونههایی براي کاربرد فضاهاي زیر زمینی نام برد.
.2 نشست سطحی در اثر حفر تونل
بطور کلی حفر تونل و دیگر سازه هاي زیر زمینی منجر به حذف توده اي از خاك و سنگ محل و بروز تغییرات قابـل توجـه در وضعیت تنش اطراف آنها می گردد. از جمله پدیدة مهم ناشی از این دست خوردگی وقوع نشست هـاي در سـطح زمـین مـی باشد که این امر بویژه در مورد تونل هاي کم عمق حفر شده در مناطق شهري و بخصوص بهنگام عبور از زیر مناطق مـسکونی بافت قدیم شهرها از اهمیت زیادي برخوردار است.
حرکات سطحی بر اثر حفر تونل هاي کم عمق و به خصوص در مناطق شهري و مسکونی تفاوت زیادي با بـروز ایـن پدیـده در زمیتونل ها و سازههاي زیر نی عمیق از قبیل معادن دارد. این تفاوت نه تنها به خاطر اختلافـات در عمـق و وجـود لایـههـاي مختلف زمین شناسی، بلکه به خاطر حساسیت نسبت به میزان نشست و اثرات احتمالی بر سازههاي دیگر قابل توجه و بررسـی است.
با توجه به آخرین بررسیهاي به عمل آمده عوامل موثر بر نشست زمین در بالاي یک تونل حفر شده در خاك را به شـرح زیـر میتوان ذکر کرد:
الف) نشست طبیعی رسوبات جوان ب) شکل گیري و آرایش مجدد رس در اثر حفر تونل که باعث بروز سیکل جدید تحکیم در رس میگردد.
ج) پایین بردن سطح آب زیر زمینی از طریق حفر شبکه چاههاي زهکش د) شکل گیري و آرایش مجدد دانههاي خاك در اثر بالا آمدن دوباره آب زیر زمینی ه) عمل کرد تونل به صورت زهکش آب هاي موجود در زمین و) حرکت زمین به سمت جبهه کار و دیوارههاي حفاري شده تونل
ز) سست شدن توده خاك و تزریق ناقص در حین عملیات ساختمانی ح) تغییر شکل و انحناي قطعات بتن پوشش تونل براي بسیج مقاومت غیر فعال خاك از جمله روشهاي کنترل نشست را میتوان به شرح زیر عنوان کرد:
الف) جلوگیري از نفوذ آب و سست شدن توده خاك ب) به حداقل رساندن تركها و حفرههاي موجود در اطراف تونل و ناحیه حفاري شده ج) تزریق کافی و حتی المقدور سریع در خاك
د) انجام مهاربندي محکم، کافی و یکپارچه سینه کار و دیوارههاي تونل ه) افزایش سرعت احداث تونل
.1-2 مبانی تئوري
با توجه به تغییرات و تنوع زیادي که در عوامل موثر بر نشست سطحی از قبیل نوع لایـه بنـدي خـاك، عمـق و ابعـاد تونـل، و روشهاي حفر تونل وجود دارد، روابط متعددي توسط محققین در این زمینه ارائه شده که کاربرد هـر یـک همـواره بـستگی بـه میزان دقت در پارامترهاي مؤثر در آنها دارد. بعنوان مثال می توان روابط ارائه شده براي محاسبه نشستهاي سطحی ناشی از حفر تونلها با سپر محافظ (Shield-driven) توسط Limanov مربوط به تغییر شکلها در فضاي نیمه نامحدود الاسـتیک در لایههاي رس کامبرین بر اساس مطالعات انجام شده و ثبت مقادیر نشست - زمان در زمان ساخت متروي زیر زمینی لنینگـراد، و روش تقریبی پیشنهادي (Szechy (1973 براي خاکهاي غیر چسبنده را نام برد.
همه تئوریهاي مربوط به محاسبه نشست هاي سطحی، بیانگر ارتباطی بین حجم خاکی که در اثر حفر تونل سست شده و حفر را پر میکند و حجم توده نشست یافته سطحی میباشد. با توجه به سست شدگی توده بالاي تونل حتی اگر خلـل و فـرج بـین ذراتکاملاً پر شوند تغییر شکلهاي بعدي و نشست سطحی اجتناب ناپذیر خواهد بود. این سست شدگی و تغییر ایجـاد شـده در خاك همزمان با ادامه حفاري همچنان ادامه خواهد داشت و حتی با اقدامات بعدي از داخل تونل هم از بین نخواهـد رفـت، زیرا حذف این شرایط تنها هنگامی امکان پذیر است که بتوان تراکم خاك را به تراکم اولیه در حالت دست نخورده رسانید و نیز توده نشست یافته را به سطح اولیه بازگرداند.
.2-2 روشهاي پیش بینی نشستهاي زمین بر اثر حفر تونل
حفر تونل در خاك موجب تحول میدان تنش و تغییر شکل در اطراف آن میگـردد. تغییـر شـکلهاي زمـین نزدیـک بـه تونـل به طرف سطح زمین گسترش یافته و به صورت فرو رفتگی در سطح اصطلاحاًبا »گودي نشست« ظاهر میشود.
با توجه به مسائل مربوطه پیش بینی حرکات زمین در خاكهاي غیر چسبنده (دانهاي) مشکلتر از خاكهاي چسبنده است.
عموماً در طراحی تونلها در مناطق شهري سه مسأله عمده مورد توجه میباشد:
Ü برآورد بارهاي وارد بر پوشش موقت و دائم
Ü تحلیل پایداري زمین اطراف و جلوي تونل
Ü برآورد نشستها و تغییر مکانهاي زمین و اثر آن بر ساختمان ها و تأسیسات مجاور
آزمایشهاي بسیاري روي نمونه هاي دست نخورده خاك نشان داده است که رفتـار خـاك در هـر دو حالـت زهکـشی شـده و زهکشی نشده رفتاري غیر خطی و وابسته به تنش است. بنا بر این فرض رفتار الاستیک خطی حتی در تغییر شکلهاي نـسبی بسیار کوچک نیز صادق نیست و بررسی توزیع واقعی تنشها در خاك مستلزم در نظر گرفتن رفتـار واقعـی آن اسـت. در بـین مدلهاي رفتار غیر خطی و وابسته به تنش خاك، مـدل ارائـه شـده توسـط) , Change & Duncan) 1970 کـه بـه مـدل هیپوربولیک (هذلولی) معروف است به خاطر سادگی و امکان استخراج پارامترهاي آن از آزمایشات رایج سه محوري و همچنین کاربرد موفق آن در تحلیل رفتار خاك در نقاط مختلف دنیا از مقبولیت خاصی برخوردار میباشد.
. 3-2 روشهاي تجربی براي پیش بینی نشست بالاي تونل
طی سی سال اخیر توصیههاي (Peck (1969 در گزارش وي به کنفرانس مکانیک خاك و پیسازي در مکزیکوسیتی، اساس زمینمحاسبات تونلها در هاي نرم بوده است. نتایج پک مبتنی بر تجزیه و تحلیل مشاهدات عملی بر تونلهـاي سـاخته شـده بوده است. با این وجود در این مدت توصیههاي وي با مشاهدات رفتار تونلهاي متعدد اجرا شده تصحیح و تکمیل گشتهاند.
علاوه بر آن مدلهاي آزمایشگاهی و عددي بسیاري در زمینه بررسی حرکات زمین اطراف تونلها توسعه و گـسترش یافتـهانـد که بر دانش مهندسی درباره مسائل مطروحه افزوده است. در روشهاي تجربیمعمـولاً حرکـات زمـین در پیرامـون تونـل را بـا نشستهاي سطحی ارتباط میدهند و منابع نشست را جداگانه بررسی نموده و سپس اثرات آنها را با یکدیگر جمـع مـیکننـد.
توزیع عرضی نشست سطحی بنابر تجربیات بسیار روي تونلهاي ساخته شدهتقریباً شبیه بـه منحنـی چگـالی احتمـال نرمـال میباشد. مقدار نشست عرضی در فواصل مختلف از محور تونل را از رابطه زیر میتوان به دست آورد:
که در این رابطه((i ، نقطه عطف منحنی نشست عرضی می باشد که در آن مقدار نشستتقریباً برابر با Smax61/0 مـی باشـد.
در شکل (1) توزیع عرضی نشست نسبت به محور تونل مشاهده می شود.
حرکات کوتاه مدت زمین در اثر حفر تونل میتواند به علل زیر اتفاق بیفتد: الف) ریزش (Collapse) زمین جلوي جبهه حفاري
ب) هجوم (Extrusion) خاك در جبهه تونل
ج) تغییر شکلهاي زمین حفاري شده قبل از نصب جدار از مشاهدات و بررسیهاي عملی، روابطی تجربی براي تأثیر هر یک از عوامل فوق به دست آمده اسـت. کـه در بخـشی از آنهـا
رابطه پارامتر پهناي گودي نشست (i) را می توان بر اساس عمق محور تونل (z) از سطح زمین و شعاع تونل (a) به شـرح زیـر بدست آورد ) : .Attewell et.al) 1986
که در آن پارامترهاي n و α به رفتار تنش- کرنش خاك و روش ساخت تونل بـستگی دارد. لازم بـه ذکـر اسـت کـه مقـادیر مختلفی براي پارامترهاي فوق توسط محققین ارائه گردیده که از جمله می توان مقادیر زیر را براي خاکهاي رسی نام برد:
در همین زمینه (Leach(1985 ضمن بررسی اطلاعات مربوط به 23 تونل با روشهاي مختلف اجرا، رابطه زیر را ارائه نمود: i=0.57+0.45Z1.01 m
و در جایی که نشست تحکیمی مطرح باشد: i =0.64+0.48Z.91 m
از مجموعه مطالعات استنباط میشود پهناي گودي نشست در خاكهاي دانهاي کمتر از خاكهاي چـسبنده بـوده و در نتیجـه احتمال جریان مصالح و ریزشهاي سقف تونل در خاکهاي دانه اي بیشتر می باشد.
.4-2 روشهاي تحلیلی و عددي براي پیش بینی نشست بالاي تونل
در سال 1986 روشی تحلیلی براي آنالیز تغییر مکان هاي خاك اطراف یک حفره در یک نـیم فـضا توسـط Sagaseta ارائـه شده است. در این روش ضمن در نظر گرفتن معادلات کرنش، از معادلات تنشها صرف نظر گردیده اسـت. ایـن تحلیـل شـامل درنظر گرفتن افت حجمی در محل تونل و توزیع آن در توده خاك در حالت مصالح تراکم ناپـذیر (تغییـر حجـم نـسبی صـفر)
میباشد. در این روش فرض میشود که افت حجم زمین (در سطح حفاري تونل) معین بوده و یا میتوان ازروي نتایج ثبت شده آن را به دست آورد. اگر افت حجم زمین مشخص بوده و تنها تغییر مکانهاي خاك مجهول باشند، مسأله با کرنش کنترل شـده خواهد بود.
همچنین (Sagaseta & Oteo(1982 بر مبناي تجارب به دست آمده در ساخت متروي مادرید و کاراکاس مدلهایی بـروش اجزاء محدود در پیش بینی نشستهاي زمین روي تونل ارائه نمودند که در پروژه هاي مشابه در اسپانیا با موفقیـت بکـار گرفتـه شده اند. در این مدلها که با فرض کرنش مسطح و رفتار ارتجاعی- خطی خاك تنظیم شده اند، تونل بدون جدار معرفی شده و اثر جدار و روش اجرا بصورت ضریبی در کل میدان تغییر مکان معرفی می شود.
. 5-2 مطالعات تجربی نشست زمین در پروژه هاي اجرایی
به هنگام اجراي تونل هاي مترو در مکزیکو سیتی (1979) مطالعات جامعی بمنظور بررسی نشست هاي سطحی صورت گرفت.
از آنجا که حفر این تونلها با استفاده از ماشین حفاري انجام گرفته است، در بخـشی از مـسیر بـراي حفاظـت جـداره تونـل از سیستم هواي فشرده استفاده شده است.
براي اندازهگیري و ثبت رفتار خاك و بررسی نشستهاي احتمالی در اثر حفر تونل شبکه نقاط ترازیابی و نقاط مبنا در سـطح و ودر عمق 18 متر در نظر گرفته شده است. همچنین براي ثبت حرکات افقی زمین از یک شیب سنج استفاده شده است. نقـاط مبنا در منطقه اي در طول 2 کیلومتر و به فواصل 300-250 متر و تا محدودة 120 متر از طرفین تونل انتخاب شـده انـد. بـر اساس اندازه گیري هاي به عمل آمده مقادیر نشست سطحی در حدود 4/6-12/2 و در عمق در حدود 4/3-13 سانتی متر بوده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که عرض گودي نشست در مناطقی که عدسیهاي ماسه اي در توده رس وجود داشته اند افزایش یافته است. در این مطالعاتقبل اندازه گیريهاي نشست و بعد از عبور سینه کار انجام گرفته و در نتیجه مـشاهده شد که مقادیر نشست قبل از رسیدن سینه کار %5-8 کل نشست در روي محور تونل میباشد.
همچنین اندازه گیري هاي بعمل آمده در هنگام اجراي تونل متروي شهر بوداپست، حدود 10 سانتیمتر نشـست را روي نقطـه اي به ارتفاع 25 متر از تونل نشان می دهد. در همین حال در بخشهایی که تونل از توده هـاي مـارنی عبـور مـیکنـد نشـست ناچیزي حدود 3-6 میلی متر اندازه گیري شده است. اصلاح روش تزریق یکی از عوامل درکاهش مقادیر نشست بوده است. از سوي دیگر در برخی نقاط برآمدگی و تورم سطح زمین تا حدود 15 میلیمتر مشاهده شده کـهعمـدتاً ناشـی از افـزایش فـشار تزریق در تونل بوده است.
بررسی نشست سطحی در متروي برلین در طول 307 متر از مسیر تونل به قطر 6/75 متر کـه در خـاك ماسـه اي حفـر شـده است انجام گرفت. با توجه به ضخامت کم خاك روي تونل (درحدود 10-12 متر)، و نیز با در نظر گرفتن سطح آب زیر زمینـی در حدود یک متر بالاي تونل، کاربرد فشار هوا براي خروج آب از سطح حفاري به علت احتمال خطر غلیان در خاك، مورد نظـر قرار نگرفت. در نتیجه سطح آب زیر زمینی با حفر تعدادي چاه از سطح زمین و پمپاژ آب پایین آورده شد.
اعمال این شیوه باعث سست شدگی توده ماسه و لایه هاي قابل تـراکم در خـاك گردیـد. بـراي جلـوگیري از افـزایش حرکـت (raveling) ماسه هاي خشک، 5 سکوي افقی متکی به دیوارهاي مهار کننده اطراف بر روي سینه کار قرار داده شد. به همین علت در جلوي مسیر پیشروي تونل تراکم خاك و در پشت آن سست شدگی خاك مشاهده میشـود (شـکل .(2 مقـدار تـورم مشاهده شده میتواند مربوط به عمقنسبتاً کم و اثرات ناشی از فشار سپر محافظ باشد.
نتایج به دست آمده نشان میدهد ابتدا مقدار نشست 9-8 سانتی متر بوده است که در ادامه کار با استفاده از تزریـق و کـاهش میزان حفره ها و منافذ این مقدار به پنجاه درصد رسیده است. با توجه به نتایج بدست آمده بیشترین نشست در فاصله 12-15
