اسفند 15 بازنگری: 1394 اسفند 19 پذیرش: 1395

Transcript

1 امیرکبیر عمران مهندسی نشریه 160 تا 149 صفحات 1397 سال 1 شماره 50 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه DOI: /ceej تحلیل مقایسه مرحلهای حفاری بر تاکید با پوشش نصب و تونل حفر بعدی سه کامل مدلسازی دوبعدی با بعدی سه جلفائی سمیه * روحانی لکی علی ایران زنجان زنجان دانشگاه فنی دانشکده عمران گروه پرداخته گام به گام صورت به پوشش نصب و حفاری نظرگرفتن در با تونل کامل و سهبعدی مدلسازی به مقاله این در چکیده: عرضی و طولی رفتار دهنده نشان مطلوبی بسیار حد تا میتواند محدود اجزا روش با تونل سهبعدی کامل مدلسازی میشود. تجربی روابط با عددی تحلیل از آمده بدست طولی نشست مقایسه با باشد. پوشش نصب و حفر مراحل پیشرفت مقابل در زمین دارد وجود تونل قطر برابر 5 تا مدل ابتدای مرزی شرط اثر که شد دیده همچنین شد. مشاهده نتایج بین خوبی تطابق شده ارائه سینه از قبل در زمین سطحی نشست تونل عمق افزایش با میرسد. خود بیشینه و پایدار حالت به نشست بعد به طول این از و عمقهای از حاصل نشست طولی پروفیلهای آمده بدست نتایج دیگر با مطابق میگردد. بیشتر کار سینه از بعد و کمتر کار عمق با تونلهای برای کار سینه محل در زمین سطحی نشست یعنی میکنند قطع را یکدیگر کار سینه محل در تونل مختلف تحلیل از متناظرش پروفیل با دوبعدی تحلیل از آمده بدست عرضی پروفیل مقاله این دیگر بخش در میشود. یکسان مختلف زا یکی که تنش سازی آزاد درصد پارامتر به میتوان پروفیل دو این نمودار زیر سطح تطابق با میگردد مقایسه سهبعدی رسید. است دوبعدی تحلیلهای در کلیدی پارامترهای داوری: تاریخچه 1394 آذر 17 دریافت: 1394 اسفند 15 بازنگری: 1394 اسفند 19 پذیرش: 1395 مرداد 24 آنالین: ارائه کليدي: کلمات تونل بعدی سه تحلیل نشست طولی پروفیل تنش آزادسازی درصد دوبعدی مدل ای مرحله حفاری 1-1 مقدمه موثر مختلفی عوامل تونل حفر اثر بر زمین سطحی نشست ارزیابی در روش 2- تونل. ساخت و حفر بعدی سه اثر گرفتن نظر در 1- مثل: هستند برجا تنشهای اولیه وضعیت 4- تونل. قطر و عمق 3- آن. جزئیات و حفاری محاسبه برای ]4-1[ تونل پیرامون خاک تنش-کرنش رفتار 5- و زمین در تجربی روشهای است: شده ارائه روش دسته سه زمین سطحی نشست عددی. روشهای و ]23-13[ تحلیلی روشهای ]12-5[ طور به عمل در و دارند سادهای محاسباتی روند تجربی روشهای پارامترهای و باشد مشخص تونلزنی شرایط اگر و میشوند استفاده گستردهای میآید. بدست آنها از قبولی قابل نتایج باشند شده کالیبره خوبی به طراحی یا االستیک رفتار فرض با اغلب بسته شکل به حلهایی تحلیلی روشهای به محدود روشها این از استفاده اما میدهند ارائه کامل االستوپالستیک روشهای در همچنین ]16[. است دایروی تونلهای و دوبعدی تحلیلهای زمین و تونل اندرکنش اثرات و است همگن زمین که میشود فرض تحلیلی اثرات گرفتن نظر در به قادر عددی روشهای اما نمیشوند. گرفته نظر در نیز اندرکنش مساله پیچیده هندسه خاک خطی غیر رفتار زمین همگنی غیر Rou001@znu.ac.ir مکاتبات: عهدهدار نویسنده * هستند. حفاری روشهای و سازه و خاک نقطه که میشود انجام دوبعدی تحلیلهای توسط تونل حفر روند معموال حفر است. مرحلهای حفاری و حفاری پروسه نگرفتن نظر در آنها اصلی ضعف حفاری مراحل مدلسازی به نیاز اگر و است سهبعدی ماهیت دارای تونل گام به گام شیوه به حفاری کرد. استفاده بعدی سه تحلیلهای از باید باشد دهانه تونل مدلسازی برای Emery و Hanafy توسط 1980 سال در 1 از صرفنظر بهگام گام روش در است. شده معرفی دائمی( پوشش )بدون باز گیرد انجام تونل حفر ماشین با یا سنتی صورت به تواند می که حفاری نوع کار دنبال به گیرد. می صورت حفاری از تاخیر گام یک با پوشش نصب گام به گام روش با سنتی صورت به حفاری برای Emery و Hanafy ]25[. است گرفته صورت نیز دیگری تحقیقات روش به که زمین سطحی حفاریهای برای بعدی سه تحلیلهای مقاله این در دارد. کاربرد میشود انجام TBM یا و NATM زنی تونل روش از استفاده با و سهبعدی صورت به تونل حفر کامل تحلیل و مدلسازی مرحلهای حفر تاثیر بررسی مقاله این از هدف میشود. انجام محدود اجزا گام طول بر تاکید با نشست طولی پروفیلهای روی بر پوشش نصب و تونل موقعیتی فاصله شدهاست. پرداخته آن به کمتر تاکنون که میباشد حفاری 1 Step-by-step 149

2 )1( که پروفیلهای طولی به حالت پایدار Steady State میرسند اثر عمق قراگیری تونل و همچنین سختی زمین بر روی پروفیلهای طولی نشست موارد دیگری است که در این مقاله بدان پرداخته شده است. بدین منظور و در ابتدا مقدمهای از روابط تجربی ارائه شده برای پروفیلهای عرضی و طولی آورده میشوند. سپس مدلسازی کامل سهبعدی و تحلیل آن انجام شده و نتایج بدست آمده برای پروفیلهای طولی نشست سطحی زمین مورد بحث و بررسی قرار میگیرند. مقایسه پروفیل عرضی برای یک مقطع از پروفیل طولی با پروفیل عرضی بدست آمده از تحلیل دوبعدی و روش تجربی نیز در پایان ارائه میشود. الزم به ذکر است صحت سنجی کاملی با مدل تحلیلی و عددی برای مدلهای دوبعدی انجام شده که در متن اصلی مقاله نیست و در قسمت ضمیمه مقاله آورده شده است. 2-2 روشهای تجربی محاسبه پروفیل نشست سطحی زمین پروفیل عرضی روش تجربی )1969( Peck ایشان با توجه به داده های میدانی رابطه زیر را برای نشست قائم ارائه کردند: شکل 1: پروفیل نشست قائم و تغییر مکان افقی سطح زمین بر اثر حفاری تونل در خاک نرم )2008 )Moller, Fig. 1. Vertical settlement and horizontal displacement trough induced by tunneling in soft soil (Moller, 2008) در این رابطه )x) S نشست طولی زمین در راستای محور حفاری x V Sبیشینه v max نشست طولی زمین که در حالت نشست پایدار 1 می باشد و (x که در آن R شعاع تونل است. پروفیل نشست سطحی زمین بر * x x = ( ) R اثر حفاری در شکل 2 نشان داده شده است. y 2 V 2i 2 S s v ( y) =. e 2 π. i که در آن y فاصله افقی از خط مرکزی تونل میباشد و i نقطه عطف 0.8 پروفیل نشست است که به کمک رابطه (D ( /i (R = ( z / محاسبه میشود. z و) R 2=(D به ترتیب عمق و قطر تونل میباشند. بنابراین میتوان پارامتر افت حجم را با انتگرالگیری از رابطه 1 محاسبه کرد: Vs = Sv( y). dx = 2 π.. i S vmax ( y) )2( S V max که در موقعیت 0=y و در باالی تاج تونل رخ بیشینه جابجایی می دهد از طریق تحلیل عددی تخمین زده میشود پروفیل طولی روش تجربی )1982( Panet - Guento براساس تحقیقات Panet و Guentoدر سال 1982 رابطه زیر برای محاسبه تغییرشکل طولی ارائه شده است: شکل 2: پروفیل نشست زمین بر اثر حفاری تونل) al.1986 )Attewell et Fig. 2. Ground settlement trough by tunneling (Attewell et al. 1986) 1 Steady State 0.84 S 2 v ( x ) = S vmax ( x) ( ) x * )3( 150

3 160 تا 149 صفحه 1397 سال 1 شماره 50 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه )2003( Unlu - Gercek تجربی روش تعیین برای پیوستهای تابع 2003 سال در Gercek و Unlu پروفیل کردند. ارائه کار سینه پشت و جلو در طولی تغییرمکان پروفیل صورت به االستیک حالت برای کار سینه از فاصله با مرتبط طولی تغییرشکل منفی مقادیر و کار سینه موقعیت در x( * )0= آن در که شود می بینی پیش زیر است: شده گرفته نظر در کار سینه پشت و جلو برای ترتیب به x مثبت و for ( x 0), Sv( x) = Svmax ( x) ( B x ) (0.22 υ ) + A (1 e a a ) for ( x 0), Sv( x) = Svmax ( x) B (0.22υ ) + A (1 ( b b )) 2 ( A b + x ) υ )4( )5( دو در دیگر ثابت پارامترهای و خاک پواسون ضریب روابط این در میشوند: تعریف زیر رابطه در شده استفاده تونل هندسی و زمین مکانیکی مشخصات 1: جدول سازیها مدل Table 1. Mechanical property of soil and geometry of tunnel, used in modelling مقدار واحد نشان پارامتر 0/35 - k جانبی فشار ضریب ρ ϕ 2000 kg/m 3 حجمی جرم 30 Degree داخلی اصطکاک زاویه 0/1 MPa c چسبندگی مقاومت 200 MPa E االستیسیته مدول 0/3 - پواسون ضریب 0 Degree ψ اتساع زاویه 3 m R تونل حفر شعاع 15 m z تونل حفر عمق 2 m d حفاری گام ν A A a b = 0.22υ , B a = 0.73υ )6( = 0.22υ , B = 0.39υ )7( b مرحلهای صورت به پوشش نصب و حفاری سازی 3-3 مدل ABAQUS نرمافزار و محدود اجزا روش از استفاده با عددی سازی مدل گام صورت به حفاری و بعدی سه صورت به سازی مدل است. شده انجام 1 جدول با مطابق محیطی مصالح مکانیکی خصوصیات میباشد. گام به به متر 140 و متر 50 متر 80 عددی مدل در محیط ابعاد است. شده انتخاب هندسه ساخت از بعد 3(. )شکل باشد می عمق و عرض طول برای ترتیب زمین مدل شبکهبندی برای میشود. انجام تحلیل سپس و شبکهبندی مدل S4R ای گره 4 المان از پوشش برای و C3D8I وجهی 6 و گرهی 8 المان از با المان از مدل همه برای و مجموع در است. شده استفاده آن شبکهبندی و مدل هندسه از نمونهای 3 شکل در است. شده استفاده گره است. شده داده نمایش متر 80 و بوده متر 2 معادل حفاری گام تحلیلها در است ذکر به الزم هر در اینکه یعنی است شده حفاری گام به گام صورت به تونل طول از نصب بتنی پوشش تاخیر گام یک با و شده حفاری تونل طول از متر 2 مرحله ادامه برسد متر 80 به شده حفاری قسمت طول زمانیکه تا روند این میگردد. تونل از نیمی فقط مساله در طولی تقارن دلیل به همچنین داشت. خواهد است. شده مدلسازی عددی مدل شبکهبندی 3: شکل Fig. 3. Meshing of numerical model نتایج 4-4 تحلیل روابط با مقایسه و مرحلهای حفاری در نشست طولی پروفیلهای تجربی برای نشست طولی پروفیلهای 1 جدول در شده ارائه مشخصات برای در کار( )سینه حفاری جبهه مختلف موقعیتهای برای و مرحلهای حفاری زمانیکه را نشست طولی پروفیل 5 شکل همچنین شدهاند ترسیم 4 شکل حفاری میدهد. نشان را باشد داشته قرار متری 80 موقعیت در حفاری جبهه هر روی پیکان عالمت و داشته ادامه مدل طول از متری 80 تا مرحلهای مشاهده که همانطور میباشد. کار سینه موقعیت کننده مشخص نمودار تونل حفر پیشروی با زمین سطح روی مشخص نقطه یک برای میشود 4(. )شکل برسد بیشینه مقدار یک به تا میگردد بیشتر نشست 151

4 160 تا 149 صفحه 1397 سال 1 شماره 50 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه متر 15 عمق با تونل برای نشست طولی پروفیلهای 4: شکل متری 30 طول تا تقریبا مدل چپ سمت مرزی شرایط اثرات همچنین به نشست بعد به طول این از و میگردد مشاهده تونل قطر برابر 5 یعنی جبهه به شدن نزدیک با زمین سطح در میرسد. خود بیشینه و پایدار حالت با نشست مقطع این از عبور از پس و شده کم نشست کار( )سینه حفاری 5. شکل شود همگرا صفر به تا شده کمتر بیشتری نرخ تجربی روابط با نشست طولی پروفیل مقایسه 6: شکل Fig. 6. Comparison of longitudinal settlement trough with empirical relations Fig. 4. Longitudinal settlement trough for depth of tunnel 15 (m) طول در زمین سطحی نشست پروفیل بیانگر جابجایی کانتورهای 7: شکل است مشخص شکل این در پایدار نشست حالت عرض و Fig. 7. Vertical displacement, ground surface settlement trough in longitudinal and transverse axes, steady-state condition for settlement is known متری 80 در کار سینه زمانیکه زمین سطح نشست طولی پروفیل 5: شکل باشد گرفته قرار تونل ابتدای از عددی روش از آمده بدست طولی پروفیل بین ای مقایسه 6 شکل در کار سینه از قبل یعنی تونل شده حفاری قسمتهای برای تجربی روش با هستند. مناسبی انطباق دارای میشود مشاهده که همانطور است شده آورده است. شده داده نشان زمین جابجایی کانتورهای از نمونهای 7 شکل در است. نمایان کامال شکل این در پایدار نشست به رسیدن حالت طولی پروفیلهای و زمین سطحی نشست در حفاری عمق اثر نشست با مدل سه نشست طولی پروفیل روی بر تونل عمق اثر بررسی برای و 9 8 شکلهای در شد. تحلیل و ساخته متری 30 و تونل عمق مرحلهای حفاری برای و عمق سه این برای طولی نشست پروفیلهای 10 آن در که است طولی پروفیل تعدادی شامل گراف هر است. شده آورده مقایسه 11 شکل است. شده مشخص کار( )سینه حفاری جبهه موقعیت نشان را باشد شده واقع متری 80 در کار سینه زمانیکه را عمق سه این از قبل در زمین سطحی نشست عمق افزایش با اینکه اول نتیجه میدهد. اینکه دیگر مهم نتیجه میگردد. بیشتر کار سینه از بعد و کمتر کار سینه اگرچه میگردد کمتر حفاری عمق کاهش با مدل ابتدای مرزی شرایط اثر زا حاصل نشست پروفیلهای همچنین میشود. بیشتر بیشینه نشست مقدار یعنی میکنند قطع را یکدیگر کار سینه محل در تونل مختلف عمقهای تونلهای برای متری( 80 اینجا )در کار سینه محل در زمین سطحی نشست میشود. یکسان مختلف عمق با Fig. 5. Longitudinal settlement trough for 80 (m) distance tunnel face from initial excavation 152

5 160 تا 149 صفحه 1397 سال 1 شماره 50 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه متر 10 عمق با تونل برای نشست طولی پروفیلهای 8: شکل پروفیلهای و زمین سطحی نشست در خاک ارتجاعی مدول اثر نشست طولی و بیشینه نشست مقدار روی بر زمین ارتجاعی مدول اثر بررسی برای 200 ارتجاعی مدولهای با مدل سه نشست طولی پروفیلهای همچنین کم نسبتا تراکم تا متراکم خاک رفتار بیان برای مگاپاسکال 60 و 100 نشست پروفیلهای 14 تا 12 شکلهای در میشوند. تحلیل سپس و ساخته است شده داده نشان حالتها از یک هر مرحلهای حفاری برای زمین طولی با میرود نیز آن انتظار که همانطور میشود. دیده آنها مقایسه 15 شکل در و میگردد. کمتر زمین سطحی نشست تراکم و خاک ارتجاعی مدول افزایش به حفاری ابتدای از 5D فاصله در نشست حالت سه هر برای همچنین رسد. می ثابت مقداری و پایدار حالت Fig. 8. Longitudinal settlement trough for depth of tunnel 10 (m) متر 15 عمق با تونل برای نشست طولی پروفیلهای 9: شکل Fig. 9. Longitudinal settlement trough for depth of tunnel 15 (m) 60 ارتجاعی مدول با زمین برای نشست طولی پروفیلهای 12: شکل مگاپاسکال Fig. 12. Longitudinal settlement trough for elasticity modulus of ground 60 (MPa) Longitudinal settlement trough for elasticity modulus of ground 60 (MPa) متر 30 عمق با تونل برای نشست طولی پروفیلهای 10: شکل Fig. 10. Longitudinal settlement trough for depth of tunnel 30 (m) مختلف عمقهای با تونل برای نشست طولی پروفیل مقایسه 11: شکل 100 ارتجاعی مدول با زمین برای نشست طولی پروفیلهای 13: شکل مگاپاسکال Fig. 13. Longitudinal settlement trough for elasticity )modulus of ground 100 (MPa Fig. 11. Comparison of longitudinal settlement trough for different tunnel depth 153

6 است. در این قسمت برای بررسی اثر گام حفاری بر روی پروفیلهای طولی نشست مدلهایی با سه گام 2 1/6 و 3/2 متر ساخته و تحلیل شدند. در شکلهای 16 تا 18 پروفیلها ترسیم شده و در شکل 19 مقایسه بین آنها انجام شده است. آنطور که انتظار میرود با افزایش گام حفاری مقدار نشست سطحی بیشتر میگردد اما مقدار تاثیر بر روی نشست قبل از سینه کار است و پروفیلهای نشست بعد از سینه کار بر روی یکدیگر منطبق میشوند. شکل 14: پروفیلهای طولی نشست برای زمین با مدول ارتجاعی 200 مگاپاسکال Fig. 14. Longitudinal settlement trough for elasticity modulus of ground 200 (MPa شکل 17: پروفیل طولی نشست برای گام حفاری 2 متر Fig. 17. Longitudinal settlement trough for length of excavation 2 (m) شکل 15: مقایسه پروفیل طولی نشست برای مقادیر مختلف مدول ارتجاعی Fig. 15. Comparison of longitudinal settlement trough for different elasticity modulus of ground شکل 18: پروفیل طولی نشست برای گام حفاری 3/2 متر Fig. 18. Longitudinal settlement trough for length of excavation 3.2 (m) شکل 16: پروفیل طولی نشست برای گام حفاری 1/6 متر Fig. 16. Longitudinal settlement trough for length of excavation 1.6 (m) تاثیر گام حفاری در پروفیل طولی نشست در عمل گام حفاری معموال بین 1/5 تا 2/5 متر انتخاب میشود )2005 )Franzius, که مسلما بر روی مقدار نشست سطحی زمین موثر شکل 19: مقایسه پروفیل طولی نشست برای مقادیر مختلف گام حفاری Fig. 19. Comparison of longitudinal settlement trough for different length of excavation 154

7 اثر هم زمان بودن حفاری و نصب پوشش در گام اول بر پروفیل طولی نشست اگر در همان گام اول حفاری بالفاصله پس از حفاری پوشش نصب شود تاثیر قابل مالحظهای بر روی کاهش نشست بر روی ابتدای پروفیل طولی خواهد داشت. در شکل 20 میتوان این اثر را دید. حالت a مربوط به حالتی است که از همان ابتدا پوشش نصب شده است و مالحظه میگردد که در فاصله حدود 2D از ابتدای حفاری نشست نسبت به حالت b کمتر شده است. حالت b همان حالت طبیعی است که پوشش در آن با یک گام تاخیر نصب شده است. شکل 20: مقایسه پروفیل طولی نشست برای تاثیر هم زمان بودن حفاری و نصب پوشش نشست برای حالت سه بعدی برای همین فاصله ترسیم شده است. مدل دوبعدی به طول 80 و عرض 50 متر با تونلی به قطر 6 و عمق 15 متر با خصوصیات رفتاری مطابق جدول 1 ساخته و تحلیل میشود. با فرض گام حفاری 2 متر در مدل دوبعدی پوشش بتنی مستطیلی شکل با طول 2 متر و ضخامت 0/35 متر با رفتار االستیک خطی برای بتن و با مشخصات نصب میگردد شکل 21 برای 3 ρ = 2500 kg / m و E = 15GPa υ = 0.15 مقایسه مدل دوبعدی با سهبعدی ابتدا الزم است پروفیلهای عرضی نشست بدست آمده از مدل دوبعدی و برای مقادیر مختلف درصد آزاد سازی تنش )فاکتور باربرداری( و برای گام حفاری 2 متر رسم شوند شکل 22 سپس سطح زیر هر نمودار که بیانگر حجم نشست انجام شده میباشد محاسبه و با سطح زیر نمودار بدست آمده از تحلیل سهبعدی است مقایسه گردد. این مقایسه در شکل 23 انجام شده است و همانطور که در این شکل مشاهده میشود برای درصد آزادسازی تنش معادل %35 انطباق بین این دو سطح نشست مشاهده میگردد. همچنین در شکل 24 پروفیل عرضی بدست آمده از تحلیل دوبعدی با β معادل %35 با پروفیل عرضی بدست آمده از تحلیل سهبعدی در حالت نشست پایدار مقایسه شدهاند که تطابق بسیار خوبی مشاهده میگردد. بنابراین میتوان نتیجه گرفت برای این مشخصات فرض شده برای هندسه و عمق تونل و همچنین مشخصات مکانیکی خاک باید برای مدل دوبعدی متناظر با مدل سهبعدی β را معادل %35 انتخاب کرد. قاعدتا میتوان به همین روش برای مشخصات هندسی و مکانیکی مختلف گرافها یا جداول β متناظر مدل دوبعدی با مدل سهبعدی را بدست آورد که نیاز به صرف تحلیلهای بسیار دارد. اما مسلما یکی از روشهای نسبتا دقیق و مطمئن برای بدست آوردن درصد آزاد سازی تنش در مدلهای دوبعدی همین روش مقایسه پروفیلهای نشست عرضی بدست آمده از مدل دوبعدی با مدل سهبعدی است. Fig. 20. Comparison of longitudinal settlement trough for effect of excavation coincide with lining مقایسه تحلیل سهبعدی با دوبعدی معموال بدلیل صرفهجویی در هزینه و زمان محاسبات تحلیل تونل به صورت دوبعدی انجام میگیرد. اما برای انجام تحلیل دوبعدی نیاز به تخمین پارامتر β یا درصد آزاد سازی تنش میباشد. در اصل با تخمین صحیح این پارامتر میتوان ادعا کرد که یک مدل کرنش مسطح از تونل میتواند تا حدودی اثر بعد سوم را نیز لحاظ کرده باشد. در آثار منتشر شده تاکنون اشارهای به چگونگی تخمین صحیح این پارامتر نشده است.یکی از روشهای تخمین پارامتر β مقایسه پروفیلهای عرضی نشست سطحی زمین برای یک مقطع خاص از تونل با مقادیر نشست واقعی بدست آمده از ابزارگذاری در سایت است. اما روش دیگر تخمین β مقایسه پروفیل نشست عرضی زمین بدست آمده از تحلیل دوبعدی با سهبعدی است. برای مقایسه یک مدل دوبعدی با سهبعدی تونلی با مشخصات جدول 1 در نظر گرفته شد. همانطور که قبال مشاهده شد نشست در فاصله 5D از ابتدای مدل به حالت پایدار میرسد به همین دلیل مقطع عرضی پروفیل شکل 21: هندسه و شبکه بندی مدل دو بعدی Fig. 21. Geometry of 2D-mesh model 155

8 160 تا 149 صفحه 1397 سال 1 شماره 50 دوره امیرکبیر عمران مهندسی نشریه حالت با بعدی سه حالت در نشست منحنی زیر مساحت مقایسه 23: شکل β مختلف مقادیر برای بعدی دو Fig. 23. Comparison of area of settlement curve in 3D دو و سهبعدی مدل از آمده بدست نشست عرضی پروفیل مقایسه 24: شکل شده( )نرمال β 0/35= برای بعدی اغلب بود موجود کامپیوتری سختافزارهای و نرمافزار در این بر سابق که مدلهای با یا و تجربی صورت به یا زمین سطحی نشست و تونل تحلیل نرمافزارهای وجود با حاضر درحال اما میشد انجام دوبعدی ساده و عددی تحلیلهای در سرعت و سختافزاری پیشرفت همچنین و تخصصی و قوی فده داد. انجام سهبعدی صورت به را مدلسازی و تحلیل میتوان سهبعدی اثرات و تونل سوم بعد گرفتن نظر در با و تحلیلی چنین ارائه مقاله این از نرمافزار از منظور بدین است. بوده تونل گذاری پوشش و مرحلهای حفر تونل حفاری و شد استفاده مدلها ساخت برای ABAQUS محدود اجزا اتفاق عمل در آنچه با مطابق یعنی گردید. مدلسازی مرحلهای صورت به شد. قرارداده فاصله مرحله یک پوشش نصب و حفاری گام بین میافتد آمده: بدست نتایج با مطابق تجربی روابط با عددی-سهبعدی تحلیل نتایج بین خوبی 1 تطابق 1. شد. مشاهده طولی نشست پروفیل برای تونل قطر برابر 5 یعنی 5D حدود تا مدل ابتدای مرزی شرط 2 اثر 2. و پایدار حالت به نشست بعد به طول این از و میگردد مشاهده میرسد. خود بیشینه کار سینه از قبل در زمین سطحی نشست تونل عمق افزایش با 3 3. مرزی شرایط اثر همچنین میگردد. بیشتر کار سینه از بعد و کمتر نشست حالت و میگردد کمتر حفاری عمق کاهش با مدل ابتدای نشست پروفیلهای میافتد. اتفاق مدل از کمتری فاصله در پایدار را یکدیگر کار سینه محل در تونل مختلف عمقهای از حاصل برای کار سینه محل در زمین سطحی نشست یعنی میکنند قطع میشود. یکسان مختلف عمق با تونلهای اما میگردد بیشتر سطحی نشست مقدار حفاری گام افزایش 4 با 4. پروفیلهای و است کار سینه از قبل نشست روی بر تاثیر مقدار همچنین میگردند. منطبق یکدیگر روی بر کار سینه از بعد نشست سطحی نشست زمین تراکم و خاک ارتجاعی مدول افزایش با میگردد. کمتر زمین درصد آوردن بدست برای مطمئن و دقیق نسبتا روشهای از 5 یکی 5. نشست پروفیلهای مقایسه دوبعدی مدلهای در تنش سازی آزاد در است سهبعدی مدل با دوبعدی مدل از آمده بدست عرضی مشخصات و تونل برای خاص هندسی مشخصات برای مقاله این سه و دوبعدی پروفیلهای مقایسه با زمین برای معلوم مکانیکی بدست %35 معادل تنش سازی آزاد درصد فاکتور β مقدار بعدی آمد. تنش مختلف سازیهای آزاد درصد در نشست عرضی پروفیل 22: شکل متر 2 حفاری گام برای Fig. 22. Transverse settlement trough for different relaxation stress percent, for length of excavation 2 (m) state with 2D state for different relaxation stress percent Fig. 24. Comparison of transverse settlement trough from 3D model and 2D model for β =0/35 (Normalize) مراجع [1] P. Guedes, C. Santos Pereira, The role of the soil K0 value in numerical analysis of shallow tunnels, in: of: Proc. of the International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, 2000, pp. گیری نتیجه و تکمیلی 5-5 بحث آن در که است سهبعدی عملیات یک تونلزنی یا تونل حفر مراحل دارای است نشده نصب پوشش آن برای هنوز که قسمتی طول و تونل طول محدودیتهایی دلیل به است. موثر زمین سطحی نشست در و بوده اهمیت 156

9 settlement in shield tunneling, in: Proceedings of the Tenth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm., [15] C. Sagaseta, Analysis of undrained soil deformation due to ground loss, Geotechnique, 38(4) (1988). [16] A. Verruijt, J. Booker, Surface settlements due to deformation of a tunnel in an elastic half plane, Geotechnique, 48(5) (1998) [17] N. Loganathan, H. Poulos, Analytical prediction for tunneling-induced ground movements in clays, Journal of Geotechnical and geoenvironmental engineering, 124(9) (1998) [18] A. Bobet, Analytical solutions for shallow tunnels in saturated ground, Journal of Engineering Mechanics, 127(12) (2001) [19] C. Gonzalez, C. Sagaseta, Patterns of soil deformations around tunnels. Application to the extension of Madrid Metro, Computers and Geotechnics, 28(6-7) (2001) [20] M. Melis, L. Medina, J.M. Rodríguez, Prediction and analysis of subsidence induced by shield tunnelling in the Madrid Metro extension, Canadian Geotechnical Journal, 39(6) (2002) [21] K.-H. Park, Analytical solution for tunnelling-induced ground movement in clays, Tunnelling and underground space technology, 20(3) (2005) [22] A. Osman, M. Bolton, R. Mair, Predicting 2D ground movements around tunnels in undrained clay, Géotechnique., 56(9) (2006) [23] F. Pinto, A.J. Whittle, Ground movements due to shallow tunnels in soft ground. I: Analytical solutions, Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 140(4) (2013) [24] E. Hanafy, J. Emery, Advancing face simulation of tunnel excavation and lining. Placement, in: Underground Rock Engineering, 13th Canadian Rock Mechanics Symposium, 1980, pp [25] S.C. Möller, Tunnel induced settlements and structural forces in linings, Univ. Stuttgart, Inst. f. Geotechnik Stuttgart, Germany, [26] H.-M. Mödlhammer, Numerical methods for tunneling using ABAQUS and investigations of long-time-effects of the shotcrete shell and its impact on the combined support system, na, [27] J. Franzius, D. Potts, J. Burland, The influence of soil anisotropy and K0 on ground surface movements resulting from tunnel excavation, Géotechnique, 55(3) (2005) [28] E. Hoek, Support for very weak rock associated with [2] R.J. Jardine, D. Potts, A. Fourie, J. Burland, Studies of the influence of non-linear stress strain characteristics in soil structure interaction, Geotechnique, 36(3) (1986) [3] G. Lee, C. Ng, Three-dimensional analysis of ground settlements due to tunnelling: Role of K0 and stiffness anisotropy, in: of: Proc. of the International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, 2002, pp [4] P. Vermeer, P. Bonnier, S. Möller, On a smart use of 3D-FEM in tunnelling, in: Proceeding of eighth international symposium on numerical models in geomechanics, 2002, pp [5] R.B. Peck, Deep excavations and tunneling in soft ground, Proc. 7th Int. Con. SMFE, State of the Art, (1969) [6] B. Schmidt, Prediction of settlements due to tunneling in soil: three case histories, in: Rapid Excavation and Tunneling Conf, 2nd Proc, [7] P. Attewell, Predicting the dynamics of ground settlement and its derivatives caused by tunnelling in soil, Ground engineering, 15 (1982) 36. [8] M. Panet, A. Guenot, Analysis of convergence behind the face of a tunnel: Tunnelling 82, proceedings of the 3rd international symposium, Brighton, 7 11 June 1982, P Publ London: IMM, 1982, in: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Pergamon, 1983, pp. A16. [9] M. Panet, Le calcul des tunnels par la méthode convergence-confinement, Presses ENPC, [10] F. Corbetta, D. Bernaud, D.N. Minh, Contribution à la méthode convergence-confinement par le principe de la similitude, Revue Française de Géotechnique, (54) (1991) [11] C. Carranza-Torres, C. Fairhurst, Application of the convergence-confinement method of tunnel design to rock masses that satisfy the Hoek-Brown failure criterion, Tunnelling and Underground Space Technology, 15(2) (2000) [12] T. Unlu, H. Gercek, Effect of Poisson's ratio on the normalized radial displacements occurring around the face of a circular tunnel, Tunnelling and Underground Space Technology, 18(5) (2003) [13] C. Oteo, J. Moya, Estimation of the soil parameters of Madrid in relation to the tunnel construction, in: Proc 7th Euro conf. on soil mechanics and foundation engineering, 1979, pp [14] M. Romo, M. Diaz, Face stability and ground 157

10 faults and shear zones, Rock support and reinforcement practice in mining, (1999) [29] S. Maraš-Dragojević, Analysis of ground settlement caused by tunnel construction, Građevinar, 64(07.) (2012) ضمیمه )صحت سنجی( 1 1. صحت سنجی اول: مقایسه منحنی پاسخ زمین ( GRC ) 1 بدست آمده از روش تحلیلی با روش عددی منحنی پاسخ زمین یکی از اجزای روش همگرایی همجواری در تحلیل اندرکنش حائل سنگ است که برای تعیین جابجایی ها در پیرامون تونل حفر شده به روش جدید اتریشی به کار میرود. حل تحلیلی منحنی پاسخ زمین براساس فرض میدان تنش برجا ایزوتروپ میباشد و قابل کاربرد برای تونلهای عمیق است. اما امروزه تونلهای شهری در سطح و اغلب تحت نسبت تنشهای برجا غیرایزوتروپ حفر میشوند. هدف رسم تغییرات جابجایی در تاج )crown( دیواره )wall( و کف P 0 به تنش وارده از طرف )floor( تونل بر اساس تغییرات تنش اولیه زمین P i می باشد )شکل 1(. دیواره تونل که در آن چسبندگی c و ϕ زاویه اصطکاک داخلی سنگ میباشد و: 1+ sinϕ k = 1 sinϕ )2( P 0 r 0 و تحت فشار هیدرواستاتیک اگر یک تونل دایروی به شعاع P i از طرف پوشش به دیواره داخلی تونل وارد شود باشد و فشار یکنواخت P cr بیشتر باشد رفتار توده اطراف تونل در حالتی که فشار داخلی پوشش از االستیک است و جابجایی شعاعی االستیک دیواره تونل برابر است با رابطه.5 P cr 2P0 σ = 1+ k cm r (1 +υ) = ( ) )4( E 0 uie P0 Pi υ )3( در این روابط ضریب پواسون و E مدول ارتجاعی مصالح میباشد. در P cr کمتر باشد گسیختگی در توده سنگ حالتی که فشار داخلی پوشش از r p برابر است با: اطراف تونل رخ میدهد و شعاع پالستیک r p 2( P0 ( k 1) + σ cm ) ( 1+ k) (( k+ 1) Pi + σ cm ) = r0 1 k 1 )5( و جابجایی شعاعی پالستیک دیواره تونل برابر است با: 2 r ( 1 2υ )( P0 Pi ) ( 1 υ ) 21 ( υ )( P P ) p r0 + 0 cr ip = r0 u E )6( شکل 1: نمایش ناحیه پالستیک اطراف تونل و پارامترهای الزم برای محاسبه آن )1999 )Hoek, رابطه گسیختگی توده سنگ بر اساس معیار موهر کولمب به صورت زیر میباشد: برای صحت سنجی حل عددی با تحلیل مدلی به ابعاد 4*4 m 2 که در آن حفره ای به قطر 0/5 متر در عمق 2 متری قرار دارد در نظر گرفته میشود. ضریب پواسون محیط معادل 0/286 و 2/6MPa =E با وزن مخصوص. γ = KN m 3 در جدول 1 نتایج حل تحلیلی و عددی برای جابجایی آورده شده است که نشاندهنده تطابق خوب نتایج است. همچنین شکل 2 انطباق منحنی پاسخ زمین بدست آمده از حل تحلیلی را با حل عددی نشان میدهد. Fig. 1. Plastic zone surrounding of circular tunnel and σ necessary parameters in calculations (Hoek, 1999) cm 2c cosϕ = ( 1 sinϕ ) )1( 1 Ground Reaction Curve 158

11 جدول 1: مقایسه جابجاییهای بدست آمده برای تاج, دیواره و کف تونل توسط مدل عددی و روابط تحلیلی Table 1. Comparison of displacement for crown, wall and floor obtained by numerical analysis and analytical solution P i /P 0 Analytical u ie Crown )m( Numerical Wall )m( Floor )m( 1 0/00 0/00 0/00 0/00 0/9 0/25 0/25 0/24 0/23 0/8 0/50 0/49 0/48 0/48 0/7 0/75 0/73 0/72 0/71 0/6 1/00 0/97 0/96 0/95 0/5 1/25 1/21 1/20 1/19 0/4 1/50 1/45 1/44 1/42 0/3 1/75 1/69 1/69 1/66 0/2 2/00 1/93 1/93 1/90 0/1 2/25 2/16 2/17 2/14 0 2/50 2/40 2/41 2/38 شکل 2: منحنیهای پاسخ زمین بدست آمده از حل عددی و حل تحلیلی 2. صحت سنجی دوم: مقایسه پروفیل نشست سطحی زمین بدست آمده از روش عددی با مقاله Dragojevic به منظور اعتبار سنجی نتایج بدست آمده از مدل سازی عددی با نرم افزار ABAQUS مدلی برای تونل حفر شده در زمین رسی آهکی مطابق شکل 3 ساخته شد. Dragojevic در سال 2012 با درنظر گرفتن مشخصات زمین الیه ای مطابق شکل 3 و خصوصیات مکانیکی زمین مشابه جدول 2 در حالت سهبعدی به روش گامبهگام و همچنین در حالت دوبعدی با کمک تحلیل المان محدود برنامه DIANA به مدلسازی تونل پرداخت. ایشان با مقایسه پروفیلهای نشست بدست آمده از روش دوبعدی با درصد آزادسازی تنش مختلف با پروفیل نشست حاصل از مدلسازی سهبعدی به این نتیجه رسید که برای تونلی با مشخصات ذکر شده درصد آزادسازی تنش 63 درصد (0.63 = β ( برای مدلسازی دوبعدی مناسب میباشد. بنابراین تونل سطحی با عمق 15 متر و شعاع دهانه 3 متر در زمین رسی آهکی با فرض محیط ناهمگن و غیرایزوتزوپ ساخته شد. در تحلیل انجام شده رفتار مصالح االستو پالستیک با معیار خرابی موهر-کولمب در نظر گرفته شده است و نیز از اثر آب زیرزمینی صرفنظر شده است. پوشش بتنی به ضخامت 0/35 m با فرض رفتار االستیک خطی برای بتن و مشخصات = β نصب گردیده است. ρ = 2.5 g / cm و E = 15GPa υ = 0.15 مطابق با شکل 5 انطباق خوبی برای نشست بین مدلسازی عددی در این مقاله و مقاله اصلی مشاهده میشود. الزم بذکر است در هر دو نمودار درصد آزادسازی تنش = 0.63 β اختیار شده است. Fig. 2. Ground Reaction Curves obtained by numerical model and analytical solution 159

12 جدول 2: خصوصیات مصالح مدل موهر-کولمب ]29[ Table 2. Material property Mohr-Coulomb model [29] ρ υ φ E c k 0 kg/m 3 Pa Pa )0 ( 0/ e6 0/4 18e3 23 0/ e6 0/3 20e3 20 0/ e6 0/3 60e3 25 الیه ها الیه اول الیه دوم الیه سوم شکل 4: هندسه و شبکه بندی مدل ساخته شده برای صحت سنجی Fig. 4. Geometry of numerical model in verification analyze شکل 3: الیهبندی زمین برای تونل حفر شده در زمین رسی آهکی شکل 5: مقایسه پروفیل نشست زمین بدست آمده از مدل سازی 2D در این مقاله با مقاله )2012) Dragojevic Fig. 3. Layered ground for tunneling in marly clay soil Fig. 5. Comparison of ground settlement trough from this article with Dragojevic (2012) براى ارجاع به این مقاله از عبارت زیر استفاده کنید: Please cite this article using: A. Lakirouhani, S. Jolfaei, Full 3D Modeling of Tunnel Excavation and Lining with Emphasis on Sequence Excavation,Comparison of 3D and 2D Analysis, Amirkabir J. Civil Eng., 50(1) (2018) DOI: /ceej