مطالعه پارامتریک حفر تونلهای جدید بر تنشهای القایی پوشش نگهداری تونلهای قدیمی مجاور

[XMEHRDADX 7,514]

چكيده

افزايش احداث تونل‌هاي زيرزميني در شهرهاي در حال توسعه، نياز به طراحي منطقي و استفاده مناسب از فضاهاي زيرزميني را مطرح مي‌كند. بنابراين، در اكثر موارد، در نواحي توسعه يافته، تونل‌هاي جديد بايد در مجاورت تونل‌هاي قديمي احداث شوند. از اين رو پيش‌بيني تنش‌هاي القايي بر تونل‌هاي قديمي بسيار مهم است. در مقاله حاضر، نتايج مطالعه عددي كه به‌منظور بررسي اثرات حفر تونل‌هاي جديد بر تنش‌هاي القايي پوشش نگهداري تونل‌هاي قديمي مجاور، توسط نرم‌افزار plaxis2d انجام شده است، بيان و اثرات وضعيت نسبي، نزديكي، ميزان كاهش حجم (vl)، عمق حفاري و ضخامت پوشش نگهداري تونل‌ها به‌طور دقيق مطالعه مي‌شود. نتايج نشان مي‌دهند كه چنانچه تونل جديد در بالاي تاج تونل قديمي حفر شود، گشتاور خمشي پوشش تونل قديمي كاهش مي‌يابد در حالي‌كه اگر تونل جديد مجاور آن احداث شود، گشتاور خمشي پوشش افزايش خواهد يافت. ميزان كاهش حجم، عمق خاكبرداري و خصوصيات پوشش تونل نيز از ديگر پارامترهاي موثر بر تغيير گشتاور خمشي پوشش تونل قديمي بعد از اندركنش با تونل جديد هستند. بنابراين دستيابي به ايمني و طراحي مناسب تونل مي‌توانند تحت تاثير اين پارامترها نيز قرار گيرند. كلمات كليدي: اندركنش، وضعيت نسبي تونل‌ها، نزديكي، ميزان كاهش حجم، عمق حفاري، ضخامت پوشش نگهداري، plaxis2d

 

1. مقدمه

توسعه شهرنشيني به‌طور غيرمستقيم برروي افزايش احداث تونل‌هاي زيرزميني تاثيرگذار است؛ به اين ترتيب ممكن است مجبور به احداث تونل‌هاي جديد در مجاورت تونل‌هاي قديمي از قبيل تونل‌هاي سيستم حمل و نقل، شبكه‌هاي مخابراتي و يا حتي شبكه‌هاي انتقال آب و فاضلاب شويم. در اين شرايط براي اطمينان از اينكه تنش‌هاي القايي در پوشش تونل‌هاي قديمي اثرات مخرب ايجاد نمي‌كنند، بايد اندركنش بين تونل‌هاي جديد و قديمي به‌دقت ارزيابي شود. در سال 1969، پك، نظريه تجربي ساده‌اي براي پيش‌بيني نشست سطح زمين در اثر اندركنش تونل‌هاي مجاور ارائه داد. همچنين در سال 1998، آزمايش‌هايي توسط كيم و همكارانش بر روي مدل‌هاي فيزيكي كوچك مقياس از تونل‌هاي مجاور در زمين‌هاي رسي انجام گرفته است. اين مطالعات نشان دادند كه معمولا اندركنش‌هاي قابل‌توجهي بين تونل‌هايي كه در مجاورت يكديگر احداث مي‌شوند، رخ مي‌دهد[1و2و3]. هدف اصلي اين مقاله مطالعه اثر پارامترهاي مختلف ناشي از احداث تونل‌هاي جديد بر تغييرات ممان خمشي و نيروهاي محوري تونل‌هاي قديمي است. همچنين وضعيت قرارگيري دو تونل نسبت به يكديگر، فاصله بين آنها، ميزان كاهش حجم، عمق خاكبرداري و ضخامت پوشش تونل به‌طور عمده بررسي مي‌گردد.

2. مطالعه مدل شبيه‌سازي شده

براي مطالعه عددي مدل، روش اجزاي محدود دو بعدي در محيط نرم‌افزار plaxis، روش خاكبرداري تمام مقطع براي هر دو تونل و نصب پوشش نگهداري بلافاصله بعد از خاكبرداري در نظر گرفته شده است، در اين آناليز از پارامترها و اطلاعات مربوط به تونل‌هاي mrt سنگاپور، استفاده شده[4و5]، پوشش نگهداري تونل‌ها الاستيك فرض شده و مشخصات آن در جدول يك آورده شده است. آناليز اصلي بر روي تونل‌هايي با قطر6 متر (d) و با نسبت روباره به قطر برابر 5/3 به‌عنوان تونل‌هاي قديمي، صورت گرفته است. شرايط زمين الاستيك بوده و پارامترهاي آن براساس پيشنهاد اوريهارا و همكارانش براي لايه‌هاي رسي در يكي از ايستگاه‌هاي مسير، در جدول 2 آورده شده است.

3. تاثير وضعيت نسبي قرارگيري تونل‌ها

وضعيت نسبي با اندازه‌گيري زاويه "" بين خط واصل مراكز دو تونل و خط عبوري از مركز و تاج تونل، مطابق شكل يك، تعيين مي‌شود. به‌طوري‌كه چنانچه اين زاويه صفر درجه باشد، تونل جديد درست در بالاي تاج تونل قديمي قرار دارد در حالي‌كه زاويه 90 درجه بيانگر قرار گرفتن تونل جديد در مجاورت تونل قديمي و در عمق يكسان است. در اين مطالعه، فاصله بين تونل‌ها ثابت و 3 برابر شعاع تونل (مركز به مركز) در نظر گرفته شده است و خصوصيات خاك و پوشش نگهداري در مدت انجام تحليل عددي ثابت است. بررسي نتايج مربوط به دو ميزان كاهش حجم (صفر درصد و 2 درصد) بيانگر اين امر است كه نتايج به‌شدت به اين پارامتر وابسته هستند. وضعيت مربوط به كاهش حجم صفر درصد نشان‌دهنده خاكبرداري كاملا ايده‌آل است در حالي‌كه كاهش حجم 2 درصد مقدار خاكبرداري را به بيشتر از 93 درصد افزايش مي‌دهد(شيرلاو،2001) [5]. شكل‌هاي 2 و 3 به ترتيب ماكزيمم نيروي محوري و ماكزيمم ممان خمشي ايجاد شده در تونل قديمي، قبل و بعد از اندركنش با تونل جديد، براي وضعيت نسبي قرارگيري از صفر تا 180 درجه را تحت دو وضعيت كاهش حجم صفر درصد و 2 درصد نشان مي‌دهند[7].

1ـ3. حالت1: بدون كاهش حجم (0%=vl)

شكل 2 نشان مي‌دهد وقتي ‌كه تونل جديد بالاي تونل قديمي احداث شود، ماكزيمم نيروي محوري در تونل قديمي كاهش مي‌يابد. مي‌توان اين شرايط را به كاهش فشار عمودي وارد بر تونل قديمي در اثر باربرداري ناشي از برداشتن توده‌اي از خاك واقع در بالاي تونل نسبت داد. همچنين از اين شكل مي‌توان مشاهده كرد كه احداث تونل جديد در مجاورت يا پايين تونل قديمي بر ماكزيمم نيروي محوري ايجاد شده در پوشش نگهداري اثر جزئي مي‌گذارد. شكل 3 نشان مي‌دهد كه اثر وضعيت نسبي قرارگيري تونل جديد بر ممان خمشي ايجاد شده در تونل قديمي در مقايسه با نيروي محوري شديدتر است. براي حالت بدون كاهش حجم، ممان خمشي در پوشش نگهداري تونل قديمي بعد از اندركنش با تونل جديدي كه در بالاي تونل قديمي و با وضعيت نسبي صفر تا حدود 45 درجه احداث مي‌شود، كاهش مي‌يابد كه مي‌توان اين شرايط را به كاهش فشار عمودي وارد بر تونل قديمي بعد از احداث تونل جديد نسبت داد. هنگامي‌كه تونل جديد پايين تونل قديمي احداث شود، ممان خمشي پوشش نگهداري تونل قديمي شديدا افزايش مي‌يابد؛ اين وضعيت را مي‌توان اين‌گونه تعريف كرد كه احداث تونل جديد پايين تونل قديمي، سختي زمين را در راستاي عمودي كاهش مي‌دهد و منجر به تغييرات عمودي بيشتري در نگهداري شده و بنابراين ممان خمشي افزايش مي‌يابد. در اين شرايط ماكزيمم تغييرات در ممان خمشي تونل قديمي در حدود 30 درصد ممان قبل از اندركنش با تونل جديد است.

 

2ـ3. حالت2: با كاهش حجم (2%=vl)

از شكل 3 مشاهده مي‌شود كه در حالت كاهش حجم 2 درصد، وضعيت قرارگيري تونل جديد نسبت به تونل قديمي شديدا بر ممان خمشي ماكزيمم مؤثر است. ماكزيمم ممان خمشي موجود در تونل قديمي بعد از اندركنش با تونل جديد، هنگامي‌كه تونل جديد با وضعيت نسبي حدودا 45 درجه تا 135 درجه و يا نسبتا نزديك به خطوط مرزي تونل قديمي حفاري مي‌شود، افزايش مي‌يابد. بيشترين تغيير در ممان خمشي در حدود 50 درصد مقدار آن قبل از احداث تونل جديد است كه مي‌توان اين افزايش ممان را ناشي از كاهش مقاومت افقي زمين بعد از احداث تونل جديد در نزديكي خطوط مرزي تونل قديمي دانست. كاهش مقاومت افقي زمين، افزايش تغيير شكل تونل و در نتيجه افزايش ممان خمشي را به‌دنبال دارد.

4. تاثير فاصله بين دو تونل

در مطالعه انجام شده، دو تونل در يك عمق (°90 = ) و فاصله بين دو تونل افقي و موازي، بين 5/2 تا 10 برابر شعاع تونل ®، مركز به مركز، مطابق شكل 4 در نظر گرفته شده است. خصوصيات خاك و پوشش نگهداري تونل در مدت آناليز عددي ثابت بوده و در جداول 1و2 آورده شده است. نتايج حاصل از مطالعه در دو حالت كاهش حجم صفر درصد و 2 درصد نيز در شكل 5 ارائه شده است. شكل 5 نشان مي‌دهد كه در حالت كاهش حجم 2 درصد، مجاورت تونل جديد با تونل قديمي شديدا بر ممان خمشي تونل قديمي در مقايسه با حالت كاهش حجم صفر درصد تاثير مي‌گذارد. براي حالت كاهش حجم 2 درصد، احداث تونل جديد ممكن است منجر به افزايش بسيار شديد ممان خمشي ماكزيمم در تونل قديمي شود و هنگامي‌كه فاصله بين دو تونل كاهش مي‌يابد، افزايش ماكزيمم ممان خمشي بيشتر مي‌شود. از شكل 5 همچنين مي‌توان مشاهده كرد كه فاصله بحراني بين دو تونل يعني زمانيكه ممان خمشي شديدا افزايش مي‌يابد در حدود 5 برابر شعاع تونل است و هنگامي‌كه تونل جديد در فاصله 3 برابر شعاع تونل احداث مي‌شود، افزايش ممان خمشي 30 درصد خواهد بود. همچنين بايد توجه كرد كه در حالت كاهش حجم صفر درصد، هيچ افزايش ممان خمشي در پوشش نگهداري تونل نخواهيم داشت[7].

ادامه دارد ...

[XMEHRDADX 7,514]

 

5. تاثير كاهش حجم

 

در اين مرحله از مطالعه دو تونل مجاور هم، در عمق يكسان و به فاصله 3 برابر شعاع تونل در نظر گرفته شده‌اند و كاهش حجم صفر تا 8 درصد در هر دو تونل مورد بررسي قرار گرفته است. در شكل6 خلاصه‌اي از ماكزيمم ممان خمشي ايجاد شده در تونل قديمي بعد از اندركنش ارائه شده است.

 

در شكل مي‌توان مشاهده كرد كه كاهش حجم، اثر شديدي بر ممان خمشي ايجاد شده در تونل قديمي دارد. در حالتي كه كاهش حجم در حدود 5/0 درصد است، تغييري در ميزان ماكزيمم ممان خمشي نخواهيم داشت. بعد از اندركنش، در حالاتي كه كاهش حجم كمتر از 5/0 درصد باشد، كاهش جزيي و در حالاتي كه كاهش حجم بيشتر از 5/0 درصد باشد، براي مقادير بالاتر ممان خمشي‌هاي بزرگتري را مشاهده خواهيم كرد. در شرايطي كه كاهش حجم 2 درصد باشد، افزايش ممان خمشي در تونل قديمي بعد از اندركنش در حدود 30 درصد است. اين نتايج اهميت كنترل كاهش حجم در احداث تونل جديد را بيان مي‌كنند[7].

 

 

 

6. تاثير عمق خاكبرداري

 

در اين تحقيق هر دو تونل به‌طور موازي و افقي و به فاصله 3 برابر شعاع تونل از يكديگر در نظر گرفته شده‌اند. نسبت روباره به قطر (H/D) براي هر دو بين 75/0 تا 6 متغير بوده و كاهش حجم 2 درصد براي هر دو در نظر گرفته شده است. در شكل 7 تغييرات ضريب مومنتوم با عمق بدون بعد خاكبرداري نشان داده شده است. رابطه شكل 6 نيز اين ارتباط را بيان مي‌كند كه در آن، M ماكزيمم ممان خمشي ايجاد شده در پوشش نگهداري است[7].

 

همان‌طور كه از شكل 7 مي‌توان ديد، بعد از اندركنش تونل قديمي با تونل جديد و در شرايط كاهش حجم 2 درصد، ضريب مومنتوم براي تونل قديمي قابل توجه بوده و با كاهش H/D افزايش مي‌يابد. در شرايطي كه روباره بسيار كم است (75/0=H/D)، بعد از اندركنش، اين ضريب در حدود دو برابر مقدار اوليه خود بزرگتر مي‌شود.

 

 

 

7. تاثير ضخامت پوشش نگهداري

 

سه مقدار براي ضخامت پوشش نگهداري در تونل قديمي در نظر گرفته شده است كه عبارتند از 50 ميليمتر براي نگهداري انعطاف‌پذير، 275 ميليمتر براي نگهداري نسبتا صلب و 800 ميليمتر براي نگهداري بسيار صلب.

براي هر كدام از اين مقادير، ضخامت پوشش نگهداري در تونل جديد بين 50 تا 800 ميليمتر متغير در نظر گرفته شده و اثر آن بر ممان خمشي ايجاد شده در تونل قديمي بررسي شده است. شكل 8 نشان مي‌دهد كه ضريب مومنتوم تابعي از نرخ انعطاف‌پذيري است. اين مقدار بدون بعد همان‌طور كه در شكل 7 آمده تعريف مي‌شود كه در آن Il ممان اينرسي پوشش نگهداري در واحد طول است[7].

 

شكل 8 بيانگر اين مطلب است كه براي يك تونل قديمي با نگهداري انعطاف‌پذير، اندركنش بين تونل قديمي و تونل جديد داراي اثرات جزيي بر ممان خمشي ايجاد شده در تونل قديمي است. در شرايط نگهداري صلب، ضريب مومنتوم با افزايش نرخ انعطاف‌پذيري كاهش مي‌يابد. تغييرات در ضريب مومنتوم زماني‌كه نرخ انعطاف‌پذيري بزرگتر از 10 باشد، چندان قابل توجه نيست. اين امر بدين معني است كه پوشش نگهداري با نرخ انعطاف‌پذيري بيشتر از 10، رفتاري مشابه با پوشش نگهداري از نوع انعطاف‌پذير دارد.

 

 

 

8. نتيجه‌گيري

 

در اين مقاله براي ارزيابي اثرات ناشي از حفر تونل‌هاي جديد بر ممان خمشي و نيروهاي محوري ايجاد شده در پوشش نگهداري تونل‌هاي قديمي مجاور، مطالعه‌اي عددي با استفاده از روش المان محدود و نرم‌افزار PLAXIS انجام شد. تاثيرات مربوط به وضعيت نسبي قرارگيري تونل‌ها، فاصله بين آنها، كاهش حجم، عمق خاكبرداري و ضخامت پوشش نگهداري مورد بررسي قرار گرفت و نهايتا نتايج زير حاصل شد:

 

1. موقعيت تونل جديد نسبت به تونل قديمي، فاصله بين آنها، كاهش حجم، عمق خاكبرداري و ضخامت پوشش نگهداري تاثيرات قابل‌توجهي بر ممان خمشي ايجاد شده در تونل قديمي بعد از اندركنش با تونل جديد دارند.

 

2. هنگاميكه تونل جديد در بالاي تونل قديمي احداث شود، ماكزيمم ممان خمشي ايجاد شده در نگهداري تونل قديمي كاهش مي‌يابد.

 

3. در شرايط كاهش حجم كم (كمتر از 5/0 درصد)، احداث تونل جديد در پايين تونل قديمي منجر به افزايش ممان خمشي در نگهداري تونل قديمي مي‌شود.

 

4. احداث تونل جديد در مجاورت تونل قديمي ممكن است منجر به افزايش قابل‌توجهي در ممان خمشي پوشش نگهداري تونل قديمي شود.

 

5. كاهش فاصله بين تونل‌ها ممكن است منجر به افزايش بسيار زياد ممان خمشي ايجاد شده در تونل قديمي شود. فاصله بحراني بين دو تونل جايي است كه ممان خمشي به ميزان زيادي افزايش مي‌يابد. اين فاصله در حدود 5 برابر شعاع تونل است (مركز به مركز). افزايش ممان خمشي در تونل قديمي بعد از اندركنش با تونل جديد در فاصله بسيار كم (5/2 برابر شعاع) در حدود 50 درصد ميزان ممان قبل از اندركنش در حالت كاهش حجم 2 درصد است.

 

6. وقتي‌كه ميزان كاهش حجم افزايش مي‌يابد، ممان خمشي ايجاد شده در نگهداري تونل قديمي افزايش مي‌يابد.

 

7. انعطاف‌پذيري پوشش نگهداري در مورد هر دو تونل، نقش مهمي در ميزان ممان خمشي ايجاد شده بعد از اندركنش بازي مي‌كند. براي پوشش‌هاي نگهداري صلب، افزايش ماكزيمم ممان خمشي بعد از اندركنش بزرگتر است.

مهناز جهانیار مقدم،دانشجوی کارشناسی ارشد استخراج معدن،دانشگاه شهید باهنر کرمان