نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

مدل‌سازی عددی جابه‌جایی خاک و نشست سطح زمین حین پیشروی گام‌های حفاری در روش جدید تونل‌سازی اتریشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران.
چکیده
امروزه با گسترش محدوده کلان‌شهرها و افزایش جمعیت، حجم ترافیک درون شهری نیز رو به افزایش است. توسعه شبکه‌های ارتباطی زیرزمینی مانند تونل‌های زیرگذر و مترو به علت عدم تداخل با رفت‌وآمد شهروندان مناسب‌ترین گزینه برای حل معضلات ترافیکی در کلان‌شهرها است. در این خصوص روش جدید تونل‌سازی اتریشی (ناتم) بهترین گزینه برای حفاری تونل در مناطق کم‌عمق شهری و در مسافت‌های کوتاه است. برای اجرای موفق روش حفاری ناتم در محیط‌های کم‌عمق شهری، برآورد و کنترل جابه‌جایی‌های سقف، کف و پیرامون تونل و به تبع آن نشست سطح زمین در هر مرحله از حفاری بسیار حائز اهمیت است. در این تحقیق، برای تخمین نشست سطح زمین در قطعه T3 تونل زیرگذر امیرکبیر در شرق تهران، از مدل‌سازی عددی در محیط نرم‌افزار پلکسیس استفاده شده است. در مدل عددی مدل رفتاری خاک سخت‌شونده (الاستوپلاستیک کامل) برای توده خاک اطراف تونل و مدل رفتاری الاستیک برای سیستم نگهداری شاتکریت (سیستم نگهداری اولیه تونل) و دیواره ‌میانی تونل لحاظ شده است. بر اساس نتایج حاصل از این تحقیق، پس از پایان مرحله نهم حفاری حداکثر مقدار جابه‌جایی کل 54 میلی‌متر، جابه‌جایی قائم سقف 53 میلی‌متر و آماس کف تونل 42 میلی‌متر به دست آمده است. بیشترین میزان جابه‌جایی‌ها مربوط به ناپایداری سقف و بالازدگی‌ها کف تونل ناشی از افزایش تنش‌های افقی در اعماق کم می‌باشد. همچنین بیشترین میزان نشست سطح زمین در پایان نُه مرحله حفاری حدود 52 میلی‌متر برآورد شده است و گودی نشست نیز در محدوده 2 تا 5 متری از دیواره میانی تونل در سطح زمین تشکیل شده است و به تدریج با پیشروی سینه‌کار به تعادل خواهد رسید. لذا کنترل جابه‌جایی خاک روباره در سه مرحله پایانی برای حفاری گالری میانی تونل نقش اصلی را در کنترل نشست سطح زمین خواهد داشت.
کلیدواژه‌ها

[1]     H. Chakeri, Y. Ozcelik, and B. Unver, “Effects of important factors on surface settlement prediction for metro tunnel excavated by EPB,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 36, pp. 14–23, 2013.
[2] کامکار، فرزاد؛ حسینی، مهدی؛ 1397؛ «بررسی کارایی مدل‌های رفتاری متداول خاک در پیش‌بینی نشست سطح زمین ناشی از حفر تونل درخاک‌های درشت دانه به روش اجزا محدود»، نشریه مهندسی منابع معدنی، دوره سوم، شماره2، ص 35 تا 52.
[3] مهدوری، ستار؛ دلفان، سعید؛ 1399؛ «تحلیل پایداری و تخمین نشست سطح زمین در تونل خط دو متروی کرج با استفاده از روش عددی المان محدود»، سومین کنفرانس بین المللی مهندسی عمران، سازه و زلزله
[4]     P. F. M. Guedes de Melo and C. S. Pereira, “The role of the soil kg value in numerical analysis of shallow tunnels,” in Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, 2000, pp. 379–384.
[5]     P. A. Vermeer, P. G. Bonnier, and S. C. Möller, “On a smart use of 3D-FEM in tunnelling,” in Numerical Models in Geomechanics - 8th Proceedings of the International Symposium on Numerical Models in Geomechanics, NUMOG 2002, 2002, pp. 361–366.
[6]     E. B. Aygar, “Evaluation of new Austrian tunnelling method applied to Bolu tunnel’s weak rocks,” J. Rock Mech. Geotech. Eng., vol. 12, no. 3, pp. 541–556, 2020.
[7]     L. Muller, “Reasons for Unsuccessful Applications of the New Austrian Tunnelling Method.,” in Electric Power Research Institute (Report) EPRI EL, 1979, pp. 67–72.
[8]     L. Muller, “Removing misconceptions on the New Austrian Tunnelling Method,” Tunnels Tunn. Int., no. Spec Is, pp. 15–18, 1990.
[9] مهدوری، ستار؛ چهره‌پاک، محمدمهدی؛ 1399؛ « مدل‌سازی عددی و تحلیل پایداری تونل متروی کرج به روش جدید تونل‌سازی اتریشی» سومین کنفرانس بین المللی مهندسی عمران، سازه و زلزله
[10] سیدگرمرودی، میرمهدی؛ 1382؛ «تعیین نشست خاک در اثر حفاری تونل متروی اصفهان در مقاطع مربوط به خیابان چهارباغ عباسی با توجه به روش حفاری انتخابی و طراحی پوشش تونل» پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان.
[11]   L. A. Strokova, “Methods of Estimating Surface Settlement During Driving of Urban Tunnels,” Soil Mech. Found. Eng., vol. 47, no. 3, pp. 92–95, 2010.
[12] یزدپور، مجتبی؛ 1395؛ «مدل‌سازی عددی روش تونل‌سازی NATM مطالعه موردی طراحی تونل‌های بزرگراه حکیم»، پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود.
[13]   J. N. Franzius, “Behaviour of buildings due to tunnel induced subsidence,” 2003.
[14]   C. Sagaseta, “Analysis of undrained soil deformation due to ground loss,” Geotechnique, vol. 37, no. 3, pp. 301–320, 1987.
[15]   A. Verruijt and J. R. Booker, “Surface settlements due to deformation of a tunnel in an elastic half plane,” Geotechnique, vol. 46, no. 4, pp. 753–756, 1996.
[16]   N. Loganathan and H. G. Poulos, “Analytical Prediction for Tunneling-Induced Ground Movements in Clays,” J. Geotech. Geoenvironmental Eng., vol. 124, no. 9, pp. 846–856, 1998.
[17]   X. Sun et al., “Physical modeling of deformation failure mechanism of surrounding rocks for the deep-buried tunnel in soft rock strata during the excavation,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 74, pp. 247–261, 2018.
[18]   S. Q. Yang et al., “Physical experiment and numerical modelling of tunnel excavation in slanted upper-soft and lower-hard strata,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 82, pp. 248–264, 2018.
[19]   M. R. Moghaddasi and M. Noorian-Bidgoli, “ICA-ANN, ANN and multiple regression models for prediction of surface settlement caused by tunneling,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 79, pp. 197–209, 2018.
[20]   A. Mahmoodzadeh, M. Mohammadi, A. Daraei, H. Farid Hama Ali, N. Kameran Al-Salihi, and R. Mohammed Dler Omer, “Forecasting maximum surface settlement caused by urban tunneling,” Autom. Constr., vol. 120, 2020.
[21]   S. Suwansawat and H. H. Einstein, “Describing Settlement Troughs over Twin Tunnels Using a Superposition Technique,” J. Geotech. Geoenvironmental Eng., vol. 133, no. 4, pp. 445–468, 2007.
[22]   W. Li, C. Zhang, W. Zhu, and D. Zhang, “Upper-bound solutions for the face stability of a non-circular NATM tunnel in clays with a linearly increasing undrained shear strength with depth,” Comput. Geotech., vol. 114, 2019.
[23]   H. Rehman, A. M. Naji, W. Ali, M. Junaid, R. A. Abdullah, and H. kyu Yoo, “Numerical evaluation of new Austrian tunneling method excavation sequences: A case study,” Int. J. Min. Sci. Technol., vol. 30, no. 3, pp. 381–386, 2020.
[24]   E. Ağbay and T. Topal, “Evaluation of twin tunnel-induced surface ground deformation by empirical and numerical analyses (NATM part of Eurasia tunnel, Turkey),” Comput. Geotech., vol. 119, 2020.
[25] طهماسبی، محمدعلی؛ شیرین آبادی، رضا؛ رحیمی، اسماعیل؛ موسوی، احسان؛ بانگیان تبریزی، امیرحسین؛ 1400؛ تاثیر سه‌بعدی سیستم پیش‌نگهدارنده تیر پیشرو بر نشست سطح زمین در شرایط تغییرپذیری مکانی مدول یانگ در تونل‌زنی NATM (مطالعه موردی). نشریه علمی پژوهشی مکانیک سنگ، دوره پنجم، شماره چهارم، صفحه 76 تا 88
[26]   M. Neuner, M. Schreter, P. Gamnitzer, and G. Hofstetter, “On discrepancies between time-dependent nonlinear 3D and 2D finite element simulations of deep tunnel advance: A numerical study on the Brenner Base Tunnel,” Comput. Geotech., vol. 119, 2020.
[27]   B. Mohammadi-Haji and A. Ardakani, “Performance-based analysis of tunnels under seismic events with nonlinear features of soil mass and lining,” Soil Dyn. Earthq. Eng., vol. 134, 2020.
[28]   Ö. Satici and T. Topal, “Assessment of damage zone thickness and wall convergence for tunnels excavated in strain-softening rock masses,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 108, 2021.
[29] آقاجری، میثم؛ دهقان، علی‌نقی؛ لاجوردی، سیدحمید؛ 1401؛ ارزیابی نشست سطح زمین ناشی از تونلسازی به روش حفاری مرحله‌ای در زمین‌های نرم. نشریه علمی پژوهشی مکانیک سنگ، دوره ششم، شماره دوم، صفحه 52 تا 67
[30] مهندسین مشاور پژوهش عمران راهوار و D2 – گزارش مطالعات ژئوتکنیک تونل امیرکبیر تهران – شماره مدرک : AMIR-MI04-RET-GE0-002-I00-03d
[31] مهدوری، ستار؛ مهر1391؛ «پیش بینی همگرایی تونل امیرکبیر با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی در مقایسه با روش‌های عددی» چهارمین کنفرانس مهندسی معدن ایران؛ دانشگاه تهران.
[32]   S. Mahdevari, H. Shirzad Haghighat, and S. R. Torabi, “A dynamically approach based on SVM algorithm for prediction of tunnel convergence during excavation,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 38, pp. 59–68, 2013.
[33] بهپور گوهری، م: 1385؛ آموزش جامع Plaxis V8؛ انتشارات فروزش
[34]   R. F. Obrzud, “On the use of the Hardening Soil Small Strain model in geotechnical practice,” in Numerics in Geotechnics and Structures, 2010, p. 16.
[35]   by F. Rafaa Obrzud Andrzej Truty, “The hardening soil model - a practical guidebook, 1st edition, Zace Services Ltd Software engineering,” Zace Serv. Ltd, Softw. Eng., vol. 05, p. 205, 2018.