نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

تحلیل عددی رفتار تغییرشکلی تونل و نشست سطحی در خاک‌های رسی لایه‌ای با تمرکز بر نسبت روباره به قطر تونل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
شرکت مهندسین مشاور رهسازطرح
چکیده
در این پژوهش، تأثیر نسبت روباره به قطر تونل (H/D) بر رفتار تغییرشکلی زمین و پاسخ پوشش اولیه در خاک‌های رسی لایه‌ای با استفاده از مدل‌سازی عددی بررسی شد. قطر تونل ثابت در نظر گرفته شد و نسبت H/D در بازه 0.5 تا 3.5 انتخاب گردید تا شرایط تونل‌های کم‌عمق تا عمیق شبیه‌سازی شود. تحلیل‌ها با روش اجزای محدود و با به‌کارگیری مدل رفتاری Hardening Soil انجام شد و فرآیند حفاری و اجرای پوشش اولیه شاتکریتی به‌صورت مرحله‌ای مدل‌سازی گردید تا توالی اجرایی به‌طور واقع‌بینانه لحاظ شود. برای ارزیابی پاسخ سیستم، شاخص‌هایی شامل بیشینه نشست سطح زمین، پهنای حوضه نشست، همگرایی قائم و افقی مقطع، بیضوی‌شدن تونل و اتلاف حجم دوبعدی محاسبه شد و منحنی‌های نشست با تابع گاوسی پک برازش داده شدند. نتایج نشان داد رفتار نشست به‌شدت تحت تأثیر لایه‌بندی و سختی خاک است. با افزایش H/D در لایه‌های سطحی سخت‌تر، پهنای حوضه نشست حدود 30٪ کاهش یافت، در حالی‌که با ورود تونل به لایه نرم‌تر میانی این مقدار حدود 30٪ افزایش یافت که نشان‌دهنده گسترش جانبی تغییرشکل‌ها در خاک نرم‌تر است. در مقابل، نشست بیشینه سطح زمین حدود 30٪ افزایش نشان داد و اتلاف حجم دوبعدی بیش از 100٪ رشد داشت که بیانگر توسعه ناحیه پلاستیک در روباره‌های بیشتر است. همچنین بیضوی‌شدن مقطع تونل حدود 75٪ و همگرایی قائم حدود 85٪ افزایش یافت، در حالی‌که همگرایی افقی ناچیز باقی ماند. تغییرمکان شعاعی تاج و کف تونل نیز به‌ترتیب حدود 71٪ و 275٪ افزایش نشان داد که بیانگر تشدید تغییرشکل‌ها با افزایش روباره است. به‌طور کلی، نتایج نشان می‌دهد افزایش نسبت H/D موجب تشدید تغییرشکل‌های تونل و زمین می‌شود و حضور لایه‌های نرم‌تر می‌تواند الگوی حوضه نشست را از حالت متمرکز به گسترده‌تر تغییر دهد. این موضوع اهمیت در نظر گرفتن لایه‌بندی زمین و تحلیل عددی مرحله‌ای را در طراحی مبتنی بر کنترل تغییرشکل تونل‌های شهری برجسته می‌کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] X. Wu, M. Broere, and E. Bus, “Surface settlement caused by shallow tunnelling in clay: Centrifuge tests and FE analysis,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 49, pp. 9–22, 2015.
[2] X. Wu, “Ground response of shallow tunnels in soft soil,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 60, pp. 135–146, 2016.
[3] M. N. Vu, Geotechnical Aspects of Urban Tunnelling in Soft Ground, Ph.D. dissertation, Delft Univ. of Technology, Delft, Netherlands, 2016.
[4] S. Islam, A. Bhowmik, and M. I. Hossain, “Numerical investigation of tunnelling effects on ground deformation for different tunnel cover-to-diameter ratios,” Applied Sciences, vol. 12, no. 5802, pp. 1–19, 2022.
[5] Z. Ma, X. Xie, H. Jia, J. Zhao, S. He, and X. Wang, “Prediction and application of surface settlement of shallow buried tunnels taking into account strata slip cracks,” Processes, vol. 11, p. 1575, 2023.
[6] J. Shi, Z. Ma, X. Xie, and H. Jia, “Analysis of slip surfaces and settlement trough characteristics for shallow-buried tunnels in clay,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 126, p. 104611, 2023.
[7] Y. Yang, Z. Liu, and H. Wang, “A random medium model for predicting ground settlement induced by shallow tunnelling,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 19, no. 5, pp. 437–448, 2004.
[8] Z. Xiao and A. Sems, “Correlation between volume loss and surface settlement in soft clay using FLAC,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 83, pp. 145–152, 2019.
[9] A. Franza and A. Mair, “Centrifuge modelling of ground movements induced by shallow tunnels in sand,” Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 86, pp. 112–127, 2019.
[10] Peck, R. B. (1969). “Deep excavations and tunnelling in soft ground.” Proc. 7th Int. Conf. Soil Mech. and Found. Engrg., Mexico City, Vol. 2, pp. 225–290.
[11] M.P. O’reilly, B.M. New, settlements above tunnels in the united kingdom - their magnitude and prediction, in: Tunnelling 82. Papers presented at the third International Symposium, organized by the Institution of Mining and Metallurgy., 1982, pp. 173-181.
[12] Mair, R. J., Taylor, R. N., and Burland, J. B. (1993). Subsurface settlement profiles above tunnels in clays. Géotechnique, 43(2), 315–320.
[13] Mair, R. J. (1996). Prediction of ground movements and assessment of risk of building damage due to bored tunneling. In Proceedings of the Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground. Rotterdam: Balkema Press, pp. 713–718.