مقاله بررسی منحنی پاسخ زمین در تونل های مجاور کم عمق

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی منحنی پاسخ زمین در تونل های مجاور کم عمق

خلاصه
به طور کلی محیط زمین در ابتدا تحت فشار ناشی از تنش های طبیعی بوده و هرگونه دست خوردگی مانند حفر تونل، این وضعیت تنش را مختل کرده و موجب همگرایی دهانه تونل و پدید آمدن تغییر مکان هایی در نیمرخ زمین می شود . در این تحقیق به دلیل اهمیت موضوع جابجایی های اطراف تونل، رفتار محیط خاک در اثر حفر تونل ها مورد بررسی قرار گرفته است.در این خصوص منحنی پاسخ زمین به عنوان جزیی از روش همگرایی -همجواری مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به کاربرد این روش در محیط سنگی عمیق، سعی شده استفاده از آن به محیط خاکی کم عمق نیز تعمیم داده شود. با به کارگیری نرم افزار المان محدود phase2 مدلسازی تونل ها به صورت منفرد، دوقلو در حالت حفر همزمان و دوقلو در حالت حفر غیر همزمان صورت گرفته است. مدلسازی مسئله در نرم افزار phase2 با مدلسازی در نرم افزار Flac3D مقایسه شده و همخوانی نتایج این دو با یکدیگر نشان داده شده است. در ادامه فاصله بهینه تأخیر حفاری بین جبهه کار دو تونل بررسی و فاصله بهینه تعیین گردیده است. در انتها به مقایسه میزان تطابق همگرایی تونل تعریف شده در این تحقیق با روابط موجود پرداخته شده است.

کلمات کلیدی: منحنی پاسخ زمین،همگرایی،تونلهای مجاور،نرم افزار .Phase2

1. مقدمه

در اثر حفاری تونل ها و فضاهای زیرزمینی در داخل خاک، چه به صورت سنتی و چه به صورت مکانیزه و با استفاده از ماشین های حفاری پیشرفته، شرایط تنش در زمین تغییر می کند والزاما تغییر شکلهایی را به همراه خواهد داشت. به این ترتیب که تاج تونل بر اثر حفاری نشست کرده که ممکن است نهایتا به نشست سطح زمین منجر شود و یا در تونل و سینه کار آن ریزش هایی صورت گیرد که این نشست ها بعضا برای ساختمان های سطح زمین و همچنین تأسیسات مدفون خطر ساز می باشد. لذا چندین راهکار در زمینه ارزیابی و پیش بینی تغییر شکل های زمین در ارتباط با حفر تونل، مورد استفاده واقع می شوند که می بایست مهندسان مسئول در طراحی و اجرای تونل ها به منظور تخمین جابجایی های زمین به تعدادی از این روش ها مجهز باشند تا بتوانند مناطق بحرانی را شناسایی و از بروز مشکلات جلوگیری کنند. یکی از روش های مورد استفاده در زمینه تحلیل تغییر شکل و فشار در اطراف فضای حفاری، روش همگرایی- همجواری می باشد. با نگاهی اجمالی به تحقیقات پیشین دریافت می شود که موضوع منحنی پاسخ زمین به عنوان جزئی از روش همگرایی-همجواری در مورد تونل ها در سنگ مطرح گردیده و این مفهوم در زمین های خاکی مورد مطالعه قرار نگرفته است. در این تحقیق کاربرد منحنی پاسخ زمین در تونل های کم عمق مجاور یکدیگر، بررسی شده است.

1

.2 روش همگرایی- همجواری:

بر اساس این روش، تنش شعاعی  r در محیط پیرامون تونل از رابطه زیر بدست می آید:

که در آن فاصله از جبهه کار، مدول الاستیسیته، ضریب پواسون، r شعاع تونل،  فاکتور کاهش دهنده تنش اولیه   میباشد که بین صفر تا یک تغییر می کند.

این حالت در شکل((1 نشان داده شده است که یک تنش شعاعی  r بر محیط تونل اعمال میشود و از مقدار تنش اولیه   تا صفر برای حالتی که سیستم نگهداری وجود ندارد، تغییر میکند. ur (x) مقدار جابجایی شعاعی در فاصله x و ur مقدار جابجایی شعاعی در فاصله بی نهایت در پشت جبههکار را نشان میدهد. با قرار دادن مقدار  در برابر نسبت فاصله از جبهه کار تونل به قطر تونل، مقدار فاکتور کاهش دهنده برای تنش اولیه را در جبههکار میتوان محاسبه نمود. استفاده از این فاکتور در آنالیز کرنش صفحهای منجر به محاسبه تغییرشکل میشود.[1] سه جزء اصلی روش همگرایی – همجواری عبارتند از:

(1) نیمرخ تغییر شکلی طولی (LDP)، (2) منحنی عکس العمل زمین (GRC)؛ (3) منحنی مشخصه سیستم نگهداری .(SCC) پروفیل تغییر شکل طولی (LDP) نموداری است که جابجایی شعاعی مقاطع تونل را، در پشت و جلوی سینه کار، در طول محور تونل نشان می دهد. منحنی پاسخ زمین

(GRC) نموداری است که بیانگر تغییرات در جابجایی شعاعی زمین به عنوان تابعی از کاهش در فشار زمین می باشد. این نمودار وابسته به خصوصیات سنگ بوده و می تواند از حل های الاستو-پلاستیک فضای دایره ای تحت تاثیر تنش های یکنواخت به دست آید.[2]

در شکل (2)، سه جزء اصلی روش همگرایی – همجواری به صورت شماتیک نشان داده شده اند.[3]

شکل(-(1 روند شماتیک روش همگرایی-همجواری شکل(-(2سه جزء اصلی روش همگرایی-همجواری

.3 پیش بینی منحنی پاسخ زمین((GRC

شرایط تنش صفحه ای برای تخمین رهاشدگی تونل مدل فرض گردید. در یک فضای حفر شده دایروی در شرایط تنش Ph و Pr و فشار داخلی

یکنواخت Pih و Piv در جهات افقی و قائم، تنش های محیطی در دیوار (θ=0°) و سقف (θ=90°) به صورت زیر است:[4]

که در آن σθw تنش محیطی در دیوار و σθr تنش محیطی در سقف می باشد.

جابجایی شعاعی تونل به صورت زیر قابل محاسبه است:[4]

همچنین تغییر شکل های شعاعی توسط بری(1987)1 به صورت زیر بیان گردید:[4]

در شرایط تنش برجای هیدرواستاتیک تاریخچه جابجایی یک نقطه بر روی محیط تونل دایرهای شکل اطلاعات زیادی در مورد تغییر شکلهای محیط میدهد. جابجایی یک نقطه در جلوی جبههی کار در حالتی که فاصله آن با جبههی کار حدود چهار برابر شعاع تونل است،آغاز میشود به عبارت دیگر هنگامی که جبههی کار به یک مقطع برسد، این نقطه به مقدار ) ) جابجایی اولیه داشته است. در پشت جبههی کارجابجایی شعاعی افزایش یافته تا به مقدار نهایی ) ) در شرایط کرنش صفحهای برسد.فاصلهی نهایی مقطعی که به جابجایی شعاعی نهایی میرسد تا جبههی کار حدود 2 تا 4 برابر قطر در حالت توده سنگ با رفتار الاستیک خطی بوده در حالیکه برای مواد الاستوپلاستیک این فاصله میتواند تغییر نماید.بر اساس تحلیل المان محدود پانت و جنتو(1989)2 وپانت (1993) رابطهی زیر را برای ناحیهی پشت جبههی کار بیان کردند:

که در آن 0 x فاصلهی مقطع مورد نظرتا جبههی کار می باشد. به طور مشابه بر اساس تحلیلهای تنش الاستیک، کربتل(1991)3 و همکاران ،یک معادلهی تجربی دیگر با فرم متفاوت برای ناحیهی مشابه همانند شکل (21-2) پیشنهاد دادند :
(10) فیرهارست و کارنزا-تورس(2000)4 یک معادلهی تجربی پیشنهادی توسط هوک برای تخمین LDP نرمالیزه در نواحی پشت ) (x و جلوی جبههی کار ) (x پیشنهاد کردند.

3

قابل ذکر است که معادلات (10) و (11) برای رفتار الاستیک معتبر هستند. X فاصله از جبهه کار، R شعاع تونل، جایجایی شعاعی و جابجایی شعاعی نهایی است.

.4 تطابق نتایج حاصل از نرم افزار های Phase2 و Flac3D
در این قسمت به بررسی و مقایسه نتایج حاصل از نرم افزار دو بعدی Phase2 با نرم افزار سه بعدی Flac3D پرداخته شده است. این مقایسه در مورد همگرایی تونل به عنوان یکی از مولفه های منحنی پاسخ زمین در برابر فاصله از جبهه کار صورت گرفته است. با توجه به اینکه نرم افزار مورد استفاده در این تحقیق Phase2 می باشد، لذا نتیجه حاصل از این نرم افزار با نتایج به دست آمده از نرم افزار Flac3D مقایسه شده است. علت این مقایسه، بررسی صحت و اعتبار نتایج مورد بررسی در تحقیق می باشد. با توجه به اینکه ماهیت مسئله حفر تونل، سه بعدی بوده و لازم است تغییرات فشار و جابجایی در دیواره تونل با پیشروی جبهه کار منظور گردد، در این قسمت تونل منفرد در خاکی با مشخصات درج شده در جدول((1 در نرم افزار Flac3D مدلسازی شده است. مدل مورد بررسی شامل دو تونل دو قلو دایره ای و موازی با قطر مشخص 6 متر و روباره معلوم 17 متر می باشد. فاصله مرکز تا مرکز تونل ها 12 متر، 15 متر و 18 متر است. نسبت H)H/D فاصله مرکز تونل تا سطح زمین و D قطر تونل است)در این تونل ها برابر 3/33 می باشد که نشان دهنده یک تونل سطحی است. فاصله تاج تونل ها تا سطح زمین 17 متر و فاصله مرکز تونل ها تا سطح زمین 20 متر می باشد.

جدول(-(1مشخصات خاک مربوط به مدل

شعاع تونل 3 متر در نظر گرفته شده و طول مدل 45 متر است که جبهه کار در فاصله 35 متر از ابتدای مدل قرار دارد. به عبارت دیگر فاصله 35 متر پشت جبهه کار در ناحیه حفاری شده و 10 متر جلوی آن در ناحیه حفاری نشده مورد بررسی قرار گرفته است. در این مدل، تونل بدون پوشش در نظر گرفته شده است. میزان همگرایی تاج تونل در نمودار شکل (3) قابل مشاهده است. در این نمودار مقادیر مثبت فاصله از جبهه کار مربوط به ناحیه حفر شده و مقادیر منفی مربوط به ناحیه حفر نشده می باشد. با بررسی نتایج حاصل از نرم افزار Flac3D مشاهده می شود جابجایی تاج تونل از 6 متر قبل از جبهه کار شروع شده و تا حدود 14 متر پشت آن ادامه داشته و در نهایت ثابت می گردد.

شکل(-(3تطابق جابجایی تاج تونل منفرد در نرم افزارهای Flac3D و Phase2

در این شکل نتایج به دست آمده از نرم افزار Phase2 نیز دیده می شود. بر این اساس محدوده تأثیر جبهه کار دو برابر شعاع در جلو و چهار برابر شعاع در پشت جبهه کار در نظر گرفته شده است. باید توجه داشت که بین فاصله 12 متر (چهار برابر شعاع) و 14 متر پشت جبهه کار تغییرات جابجایی بسیار