بررسی امکان سنجی حفر ایستگاههای مترو در مناطق مهم شهری

Transcript

1 بررسی امکان سنجی حفر ایستگاههای مترو در مناطق مهم شهری 3 2 مرتضی عبدی چرلو مسعود چراغی سعید مهدوری - دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه صنعتی اصفهان دانشکده مهندسی معدن 2- استادیار دانشگاه صنعتی اصفهان دانشکده مهندسی معدن 3- استاد دانشگاه صنعتی اصفهان دانشکده مهندسی معدن mortezaabdi90@gmail.com خالصه در سالهای اخیر با توجه به گسترش روزافزون استفاده از فضاهای شهری حفر فضاهای زیرزمینی مورد توجه قرار گرفته است. یکی از موارد چالش بر انگیز در حفر فضاهای زیرزمینی بزرگ حفر ایستگاههای مترو در شرایط ضعیف زمین و عمق کم میباشد. در این مقاله ایستگاه میدان نقش جهان اصفهان با استفاده از روش عددی )روش تفاضل محدود( مورد مطالعه قرار گرفته است. با توجه به قرارگیری این ایستگاه در زیر بناهای مهم تاریخی جابجاییهای حاصل از حفاری ایستگاه و نشست در سطح زمین از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. نتایج بدست آمده با استفاده از روشهای عددی با مقادیر مجاز نشست ساختمانهای سطح زمین و جابجاییهای مجاز فضای حفاری شده مورد مقایسه قرار گرفته است. کلمات کلیدی: نشست زمین روش حفاری ترتیبی ایستگاه مترو روش عددی نشست مجاز.. مقدمه یکی از موارد بسیار مهم در بررسی امکان حفاری فضاهای زیرزمینی در مناطق شهری بررسی میزان نشست سطح زمین میباشد. انتخاب روش حفااری و انتخاب نوع نگهداری مناسب تأثیر زیادی در کاهش مقادیر نشست دارد. روش حفااری ترتییای یکای از روشهاای ررکااربرد در حفار فضااهای بازرگ زیرزمینی میباشد بزرگترین مشکل در این روش حفاری مربوط به نفوذ آبهای زیرزمینی به داخل فضای زیرزمینی میباشد که بارای حال ایان مشاکل میتوان از روشهایی نظیر استفاده از هوای فشرده انجماد زمین زهکشی و تزریق شیمیایی استفاده کرد. 2. روش حفاری ترتیبی در این روش با حفاری تدریجی فضای زیرزمینی به خاک یا تودهی سنگ اجازه داده میشود که قسمتی از آن تحت تأثیر حفاری قرارگیرد و رس از مقداری تغییرشکل و نصب سیستم نگهداری تعادل نسیی خود را بدست آورد. روش اجرا در این حالت تابع شرایط خاک میباشد و بر حسب جنس خاک حفاری ممکن است در کل سطح مقطع نیمی از آن و یا در مقاطع کوچکتر انجام گیرد] [. یکی از روشهایی که به رایداری فضاهای زیرزمینی کمك میکند و نشست سطح زمین را تا حد زیادی کاهش میدهد روش حفاری با استفاده از ستون میانی است که به صورت ترکییی با روش حفاری ترتییی استفاده میشود و اولین بار توسط ایرشاد و همکاران )8( برای ساخت ایستگاه فورتتاتن واقع در واشنگتن ریشنهاد شد. در این روش با استفاده از یك گالری ریشرو ستونها در مرکز فضای زیرزمینی اجرا شده و بعد از آن سایر گالریها حفر میشوند] 2 [. 3. نشست مجاز ساختمانها دانشجوی کارشناسي ارشد دانشگاه صنعتي اصفهان دانشکده مهندسي معدن mortezaabdi90@gmail.com

2 محاسیات حداکثر نشست نقش مهمی را در طراحی و اجرای شالودهها ایفا میکند. نشست زیاد اجزای شالوده ممکن است باعث ایجاد صدمه و یاا ایجااد اختالل در برنامهی بهرهبرداری سازه گردد. مطالعات محدودی در ارتیاط با تعیین مقرراتی برای نشست مجاز انواع سازهها انجام شده است. مقاادیر مجااز نشست ارائه شده توسط اسکمپتون و مكدونالد )8( و آییننامهی ساختمانی روسیه به ترتیب در جدولهای شمارهی و 2 آورده شده است] [. جدول. مقادیر مجاز قابل تحمل برای ساختمانها بر حسب سانتیمتر جدول 2. نشست مجاز بر اساس آییننامهی ساختمانی روسیه 4. پارامتراهای ژئومکانیکی و هندسهی مربوط به ایستگاه از آنجاییکه رفتار تودهی خاک یك رفتار غیر خطی است و رابطهی حاکم بر رفتار تنش و کرنش در آن از یك روند غیرخطی ریروی میکناد رابطاهی مکانیکی زمین با معیار تسلیم موهر- کلمب مدل شده است. برای استفاده از این مدل نیاز به رارامترهای ژئومکانیکی خاک منطقه مانند مدول االستیسایته ضریب رواسون )برای محاسیهی مدول بالك و مدول برشی( مقاومت چسیندگی و زاویه اصطکاک داخلی میباشد. رارامترهای ژئومکاانیکی مرباوط باه خاک منطقهی مورد مطالعه که شامل چهار الیه میباشد در جدول 3 آورده شده است. الیههای مربوط به منطقهی مورد مطالعه و ابعاد ایساتگاه در ساطح مقطع طولی مطابق شکل بوده و طول ایستگاه برابر 2 متر میباشد. KN/m 3 / 8 /3 8 8 / جدول 3. پارامترهای ژئومکانیکی الیههای خاک مربوط به میدان نقش جهان ضخامت الیه)متر( KN/m / 20 /2 E (MPa) 23 ν 0 /33 0 /3 0 /2 0 /33 C (KPa) 2 2 / ϕ ( ) نام الیه خاک باالیی )خاک دستی( رس باالیی ماسه میانی رس رایینی شکل. سطح مقطع عرضی ایستگاه به منظور حفر با استفاده از روش حفاری ترتیبی روش حفاری ترتیبی با استفاده از ستون میانی 5. مشخصات مدل ساخته شده

3 مدل ساخته شده برای هر دو روش حفاری دارای عرض متر در راستای محور x طول متر در راستای محور تونل )محور y( و ارتفاع 33 متر در راستای محور z میباشد )شکل 2(. تعداد مشها در راستای محور y برابر با و اندازهی هر مش در راستای y برابر با 0/ متر انتخاب شده است. سگمنتهای بتنی به کار رفته برای نگهداری تونلهای مترو دارای ضخامت سانتیمتر و عرض / متر در راستای محور تونل میباشند. مقدار ضریب فشار حانیی خاک برابر 0/3 بوده و عالوه بر تنشهای اولیه بار ترافیك وارد بر سطح زمین نیز برابر با 20 کیلوراسکال در مدل اعمال شده و تراز آب زیرزمینی نیز در عمق متری زمین در مدل اعمال گردیده است. شکل 2. ابعاد مدل اولیهی ساخته شده 6. حفر ایستگاه رس از به تعادل رسیدن مدل اولیه و صفر کردن جابجایی و سرعت گرهها در سه راستای مختصاتی مدلسازی مرباوط باه حفار ایساتگاه آغااز مایشاود. مراحل حفاری در این روش در شکل 3 و مراحل نصب سیستم نگهاداری موقات و دائام در شاکل نشاان داده شاده اسات ترتیاب حفار گاالریهاای مختلف براساس شمارهی آنها میباشد به طوریکه فاصلهی نشان داده شده بین گالریهای مختلف در طول ایستگاه تا رایان حفر ایستگاه حفظ مایشاود. باید توجه داشت که تونلهای دو قلوی مترو قیل از حفر ایستگاه به طور کامل با استفاده ار ماشین حفاری تمام مقطع حفار شادهاناد. همزماان باا ریشاروی گالریهای شمارهی 2 و 3 در روش حفاری ترتییی و گالریهای شمارهی 3 در روش حفاری ترتییی با استفاده از ساتون میاانی ساگمنتهاای مرباوط باه تونلهای مترو برداشته میشوند. مقدار گام ریشروی برای گالریهای 2 و 3 برابار باا طاول ساگمنت )/ متار( در راساتای محاور هار بخاش مایباشاد و همچنین به منظور حفر گالریهای شمارهی مقدار گام حفاری تا 2 متر امکانرذیر میباشد ولی با توجه به تأثیر زیاد این گاالریهاا در مقادار نشسات سطح زمین در نهایت گام حفاری برابر با متر انتخاب شده است. در روش حفااری ترتییای مقاداری از جابجااییهاا )حادود 33 درصاد( قیال از نصاب سیستم نگهداری اتفاق میافتد که این مقادیر باید در مدل اعمال شود. نگهداریهای استفاده شده در گالریهای مختلف در شکل 3 آورده شده است. شکل 3. مراحل حفر ایستگاه در سطح مقطع عرضی و طولی روش حفاری ترتیبی روش حفاری ترتیبی با استفاده از ستون میانی

4 شکل 4. مراحل حفاری و نصب سیستم نگهداری موقت ودائم روش حفاری ترتیبی روش حفاری ترتیبی با استفاده از ستون میانی شکل 5. مراحل حفاری اعمال شده در مدل روش حفاری ترتیبی روش حفاری ترتیبی با استفاده از ستون میانی شکل 6. نگهداریهای موقت ودائم نصب شده روش حفاری ترتیبی روش حفاری ترتیبی با استفاده از ستون میانی 7. اعمال فشار آب و هوای فشرده استفاده از هوای فشرده در حفر فضاهای زیرزمینی با عمق کم به منظور جلوگیری از نفوذ آب به داخل فضاای حفار شاده اساتفاده مایشاود و اماروزه باه خصوص در نواحی شهری مورد توجه قرار گرفته است زیرا که سیب جلوگیری از کاهش سطح آب زیرزمینی در محیط اطارا و همچناین ماانع نفاوذ مواد آلوده کننده موجود در طول فضای زیرزمینی میشود. از مهمترین و شایعترین بیماریهای مربوط به کار در شرایط تحت فشار هوای باال میتوان باه بیهوشی در اثر کم شدن فشار اتمسفر (DCI) اشاره کرد همچنین کار کردن در زیر هوای فشرده سیب ایجاد درد در مفاصل و اعضاای بادن کاارگران میشود] 3 3 [. فشار هوا به صورت یکنواخت بر محیط ایستگاه که مقدار آن برابر با بیشترین فشار اعمالی توسط آب )فشاار آب در کاف ایساتگاه( مای- باشد وارد میشود. مقدار فشار اعمالی بر مدل برابر تفاضل فشارهوا و فشار آب در هر نقطه مطابق با شکل 3 میباشد. الزم به ذکر است کاه مقادار فشاار اعمالی باقیمانده بر سینهکار و محیطی از ایستگاه که نگهداری موقت اجرا شده است وارد میشود] [ و رس از اجرای نگهداری دائم فشار هاوا برداشاته میشود. مقدار فشار هوای استفاده شده به منظور حفر ایستگاه در روش حفاری ترتییی برابار باا / باار و در روش حفااری ترتییای باا اساتفاده از ساتون میانی برابر با /023 بار خواهد بود که در هر دو مورد از مقدار بحرانی 2/ تا 2/3 بار که برای سالمت افزاد مضر است کمتر میباشد] [. Decompression Illness

5 شکل 7. نمایش تعادل فشارهای وارد بر محیط ایستگاه 8. انتخاب و مدلسازی سیستم نگهداری به منطور نگهداری گالریها سه نوع نگهداری مختلف به کار گرفته شده اسات کاه ترکییای از شااتکریت قااب مشایك و شایکه تاور فاوالدی هساتند. مشخصات مربوط به قابهای مشیك مطابق جدول بوده و شاتکریت استفاده شده دارای مدول االستیك گیگاراساکال و ضاریب رواساون 0/2 مای- باشد. مشخصات مربوط به سه نوع سیستم نگهداری استفاده شده به منظور نگهداری گالریها در جدول آورده شده است. یکی از موارد مهام در حفار گالریها رایداری سینه کار در هر مرحلهی حفاری میباشد که با توجه به نارایدار بودن سینهکار در گالریهای مختلف از سانتیمتر شاتکریت به عنوان نگهدارندهی سینهکار استفاده شده است. به منظور مدلسازی قاب مشیك و شاتکریت از روابط ارائه شده توسط تورس و همکاران )2008( در ارتیااط باا سطح مقطع معادل )شکل 3( استفاده شده است. در معادالت مربوط به ضخامت معادل eq( t (و مدول االستیسیتهی معادل eq( K E( ضریب انعطا رذیری و ضریب تراکم رذیری مربوط به هر واحد) i=,2 D و( n تعداد قاب مشیك استفاده شده در طول b متر از شاتکریت میباشد] 3 [. ( ) (3) (4) شکل 7. ممان خمشی نیروی محوری و نیروی برشی کلی وارد بر سطح مقطع معادل جدول 4. مشخصات و نوع قابهای مشبک W (cm 3 ) 32 J (cm 4 ) 2 A (cm 2 ) 2 /2 B (mm) H (mm) Weight (kg/m) 2 /3 S (mm) D (mm) نوع / / / /3 0

6 جدول 5. انواع سیستم نگهداری استفاده شده برای نگهداری گالریهای مختلف 3 2 نوع نگهداری شاتکریت به ضخامت 23 سانتیمتر شیکه تور فوالدی و لتیسگریدر نوع 0 شاتکریت به ضخامت سانتیمتر شیکه تور فوالدی و لتیسگریدر نوع 0 شاتکریت به ضخامت 3 سانتیمتر شیکه تور فوالدی و لتیسگریدر نوع 0 9. نتایج بدست آمده جابجاییهای قائم بدست آمده در روش حفاری ترتییای )راس از متار ریشاروی( و روش حفااری ترتییای باا اساتفاده از ساتون میاانی )راس از متار ریشروی( برای انواع مختلف سیستم نگهداری در شکل نشان داده شده است. با توجه به نتایج نامطلوب بدست آمده از روش حفااری ترتییای تنهاا باه حفر متر از طول ایستگاه در روش حفاری ترتییی اکتفا شده است و در روش حفاری ترتییی با استفاده از ستون میانی با توجه به ثابت شادن جابجاایی- ها متر از طول ایستگاه حفاری شده است. نتایج مربوط به نشست زمین در شکلهای 8 و آورده شده است. FLAC3D 3.00 Step Model Projection 5:39: Tue Sep 3 20 FLAC3D 3.00 Step Model Projection 07:2:26 Sat Aug Center: X: 0.000e+000 Y: 4.000e+00 Z: 2.494e+000 Dist: 4.824e+002 Rotation: X: Y: Z: Size: 4.025e+00 Center: X: 0.000e+000 Y: 4.000e+00 Z: 3.49e+000 Dist: 4.824e+002 Rotation: X: Y: Z: Size: 4.025e+00 Contour of Z-Displacement Magfac =.000e e-002 to e e-002 to e e-002 to e e-002 to e e-002 to e e+000 to e e-002 to e e-002 to e-002 Interval = 2.0e-002 Sketch Magfac =.000e+000 Linestyle Contour of Z-Displacement Magfac =.000e e-00 to e e-00 to e e-00 to e e-00 to e e+000 to.0000e e-00 to e e-00 to e e-00 to e-00 Interval =.0e-00 Sketch Magfac =.000e+000 Linestyle Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA شکل 8. جابجاییهای حاصل از حفر ایستگاه )نگهداری نوع 3( روش حفاری ترتیبی روش حفاری ترتیبی با استفاده از ستون میانی

7 شکل 9. نشست سطح زمین در سطح مقطع عرضی در مسافتهای مختلف از مرکز ایستگاه برای سیستمهای مختلف نگهداری روش حفاری ترتیبی روش حفاری ترتیبی با استفاده از ستون میانی شکل. نشست سطح زمین در سطح مقطع عرضی در مسافتهای مختلف از مرکز ایستگاه برای مقادیر مختلف پیشروی )نگهداری نوع 3( روش حفاری ترتیبی روش حفاری ترتیبی با استفاده از ستون میانی. طراحی سیستم نگهداری یکی از نکات مهم در حفر فضاهای زیرزمینی میزان بار ممان خمشی و نیروی محوری وارد بر سیستمهای نگهداری میباشد. در روش حفاری ترتییی باا استفاده از ستونهای میانی ستونها نقش مهمی را در تحمل بار حاصل از حفر ایستگاه ایفا میکنند. مشخصات ستونهای اساتفاده شاده در حفار ایساتگاه مطابق شکل میباشد همانطور که در شکل مشاهده میشود بیشترین مقدار تنش ایجاد شده در اثر حفر ایستگاه بر روی ستونها میباشد کاه ایان امر میزان اهمیت استفاده از ستون در این روش حفاری را نشان میدهد. از سوی دیگر مقدار بار وارد بار ساتونهاا نیایاد از مقادار مجااز آن بیشاتر باشاد. ماکزیمم تنش وارد بر ستونها برابر /8 مگاراسکال میباشد که معادل نیروی 3/28 مگانیوتن وارد بر سطح مقطع ستون مایباشاد کاه ایان مقادار باا ضریب ایمنی /33 کمتر از ماکزیمم نیروی محوری مجاز )/2 مگا نیوتن( وارد بر ستون طیق ACI میباشد mm.67% reinforcement شکل. تنشهای حاصل از حفر ایستگاه و مشخصات ستونهای استفاده شده برای نگهداری ایستگاه به منظور نگهداری دائم ایستگاه با توجه به کنترل ممانها و نیروهای وارد بر سیستم نگهداری در نهایت روشش بتنای باا ضاخامت ساانتیمتار )شکل 2( انتخاب شد میلگردهای فوالدی استفاده شده برای تسلیح روشش بتنی به صورت متقارن و در دوردیف قرار میگیرند. مطاابق باا نتاایج مادل- سازی ممان ها و نیروهای وارد بر سیستم نگهداری دائم )شکل 3( مطابق شکل با اعمال ضریب ایمنی /3 همچنان در داخل منحنی ممان خمشای- نیروی محوری قرار میگیرد.

8 00 400mm 2.8% reinforcement شکل 2. سطح مقطع سیستم نگهداری دائم ایستگاه شکل 3. ممان خمشی و نیروی محوری وارد بر سیستم نگهداری دائم نتیجه گیری شکل 4. نمودار ممان خمشی- نیروی محوری بیشترین مقدار نشست سطح زمین در روش حفاری ترتییی 23/ سانتیمتر و در روش حفاری ترتییی با استفاده از ستون میانی 3/8 سانتیمتر میباشد. با توجه به مقدار نشست مجاز ارائه شده توسط اسکمپتون و مكدونالد )3/3 سانتیمتر( و آییننامهی ساختمانی روسیه ) سانتیمتر( روش حفاری ترتییی با استفاده ار نگهداری نوع 3 میتواند به عنوان روشی کم خطر در حفر ایستگاه به کار برده شود. همانطور که نتایج حاصل از مدلسازی نشان داد بیشترین نیروی حاصل از حفر ایستگاه به ستونهای میانی اجرا شده در ایستگاه وارد میشود که اهمیت باالیی در کاهش نشست سطح زمین دارد.. 2. مراجع. Tonon, F. (20), Sequential excavation, NATM and ADECO: What they have in common and how they differ, Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 25, pp Irshad, M. and Helfin, L.H. (988), Soft-Ground NATM Tunnel Designs for the Washington, D.C. Metro," tunnelling and Underground Space Technology, vol. 3, pp Carranza-Torres, C. and Diederichs, M. (2009), Mechanical analysis of circular liners with particular reference to composite supports. For example, liners consisting of shotcrete and steel sets, Tunnelling and Underground Space Technology 24, pp Hoek, E. and Carranza-Torres, C. and Diederichs, M. and Corkum, B. (2008), Integration of geotechnical and structural design in tunneling, 56th Annual Geotechnical Engineering Conference, University of Minnesota, The 2008 Kersten Lecture 5. Kirkland, C.J. (984), Design and Construction of Urban Tunnels-Compressed Air, Advances in Tunnelling Technology and Subsurface Use, Vol. 4, Nr. 4, pp Lamont, D.R. (2000), Tunnels under Pressure _ Mitigating the Human Response, Tunneling and Underground Space Technology, Vol. 5, No 4, pp. 485_ Kindwall, E.P. (988), Medical Aspects of Compressed Air Tunnelling: Background and Present State of the Art, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 3, No. 2, pp , Murthy, V.N.S. (2002), Geotechnical Engineering, CRC Press. 9. Itasca consulting Group. Inc. (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3Dimensions), FLAC3D Version مدنی ح تونلسازی مرکز نشر دانشگاه صنعتی امیرکییر)رلیتکنیك تهران( چاپ چهارم جلد اول 3.