برآورد حداقل فشار نگهدارنده جبهه‌کار ناهمگن تونلسازی مکانیزه با استفاده از روش های تحلیلی و عددی، مطالعه موردی: مترو تهران، خط 7

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه یزد- دانشکده عمران- گروه ژئوتکنیک

2 دانشگاه یزد- دانشکده مهندسی معدن و متالورژی

3 دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی زمین شناسی دانشگاه یزد

4 عضو هیات علمی/دانشگاه یزد

چکیده

ناهمگنی یا مرزهای لایه‌ها می‌تواند تاثیر مهمی بر روی پایداری سینه‌کار تونل داشته باشد. تجربیات عملی نشان می‌دهد که پایداری جبهه‌کار در خاک ناهمگن به نسبت مشکل‌تر از خاک‌های همگن بوده و نمی‌توان به راحتی این مشکل را به طور صریح و در عین حال توسط مدل‌های ارایه شده برای خاک همگن حل نمود. محاسبه فشار مناسب در جبهه‌کار تونل هنگام پیشروی، جهت جلوگیری از ناپایداری یک اصل اساسی است. از این رو در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از روش کاهش مقاومت و مفهوم ضریب ایمنی، وضعیت پایداری جبهه‌کار در تونلسازی مکانیزه روش فشار متعادل کننده زمین (EPB) در شرایط ناهمگن به کمک مدل‌سازی عددی با استفاده از نرم افزار Plaxis 3D Tunnel و Phase2 و محاسبات تحلیلی تعادل حدی بروئر و تنش حدی کارنزا تورس بررسی و تحلیل شود و در نهایت نقش ناهمگنی و تاثیر لایه‌های با ویژگی ژئوتکنیکی ضعیف‌تر در شروع گسیختگی در جبهه‌کار تونل مشخص گردد. با مقایسه مقادیر ضریب ایمنی به دست آمده، مقدارها نشان‌دهنده محافظه کار بودن روش‌های تحلیلی است. نتایج نشان می‌دهد در زمین‌های چندلایه که مواد ضعیف در قسمت فوقانی جبهه‌کار تونل قرار دارند می‌توانند سبب افزایش قابل توجه فشار ریزش و نیز ریزش جزئی شوند. با مقایسه فشار جبهه‌کار به دست آمده به دو صورت یک لایه (فرض همگن گرفتن خاک و میانگین‌گیری از پارامترهای مقاومتی و فیزیکی خاک) و چندلایه‌ای جبهه‌کار، می‌توان دریافت که فرض گرفتن یک لایه خاک به برآورد نادرست از حداقل فشار جبهه‌کارمنجر می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Estimation of Minimum Heterogeneous Face Support Pressure in Mechanized Tunneling Using Numerical and Analytical Methods, Case Study: Tehran Metro Line 7

نویسندگان [English]

  • Kolsom Torkamanjo 1
  • Mehdi Najafi 2
  • Jalil Ghelijzadeh 3
  • Hamid Mehrnahad 4
1 Geotechnical Engineering, Yazd University
2 Department of Mining and Metallurgical Eng., Yazd University, Yazd, Iran
3 MSc Graduated Student in Geological Engineering, Yazd University, Yazd, Iran,
4 Department of Civil Eng., Yazd University, Yazd, Iran
چکیده [English]

Determination of the optimum face support pressure is one of the fundamental tasks in a excavation using tunnel boring machines (TBM). The optimum face-stabilizing pressure ensures the safety of the excavation, helps to minimize a surface settlement and ultimately prevents the collapse of the entire tunnel. Existing methods have been presented only for homogeneous soil at the tunnel face. The heterogeneity or boundaries of the face layers have a significant effect on the stability of the tunnel face. Practical experiences show that the tunnel face stability in heterogeneous soil is relatively more difficult than homogeneous soils and it cannot be easily solved by the models proposed for homogeneous soil. This study investigates the influence of heterogeneity of the soil on the tunnel face instability in EPB TBM . Therefore, the numerical softwares (Plaxis 3D Tunnel and Phase2) and analytical methods (Broere and Carranza-Torres) were used for the stability analysis of tunnel face in heterogeneous soil. The results of comparing values of safety factor showed that analytical methods are conservative. Moreover, the numerical modeling results showed that when the soils with poor material properties are located in the upper part of the face, they can significantly increase the ground pressure and partial slide. From comparing the face support pressure for one layer (assumption of homogenous soil and averaging of physical and mechanical properties of soil) with multilayers of tunnel face, it can be concluded that assuming of tunnel face as a one layer, causes incorrect estimation of tunnel face support pressure.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tunnel
  • Mechanized Excavation
  • Heterogeneous Face Support Pressure
  • Plaxis 3D Tunnel software

چاکری، ح.، حق­کیش، ح.، طالبی­نژاد، ع.، معتمدنیا، ع.، 1392. تعیین فشار سینه­کار در حفاری مکانیزه EPB تونل با استفاده از روش­های عددی و تجربی-تحلیلی (مطالعه موردی خط 2 متروی تبریز). کنفرانس بین المللی مهندسی عمران، معماری، شهرسازی، دانشگاه آزاد اسلامی تبریز.

قلیچ­زاده، ج.، برخورداری، ک.، طریق ازلی، ص.، فروغی، م.، 1391. مقایسه نتایج روش­های تحلیلی و عددی با مقادیر واقعی فشار جبهه­کار ناهمگن در حفاری با ماشین EPB TBM (مطالعه موردی: خط 7 متروی تهران، قطعه شرقی-غربی. سی و یکمین گردهمایی علوم زمین، تهران، ایران.

گوهرزادی، م.، نورزاد، ع.، 1394. مقایسه نتایج عددی و تجربی مقادیر فشار وارد بر پیشانی در تونل­های حفری مکانیزه. دهمین کنگره بین المللی مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران، تبریز.

ملایی، ر.، ملایی، م.، مردانی، ز.، ملایی، س.، 1392. تحلیل عددی تاثیر لایه­بندی خاک (افقی و شیب دار) بر روی پایداری تونل­ها. اولین کنفرانس ملی مهندسی ژئوتکنیک ایران، دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل.

مهندسین مشاور ساحل، 1388. گزارش مطالعات زمین­شناسی مهندسی مسیر تونل. تهران، ایران.

 

Augardea, CE., Lyaminb, AV., & Sloanb, SW., 2003. Stability of an undrained plane strain heading revisited. Computer and geotechnics 30, 419-430.

Broere, W.,1998. Face Stability Calculation for a Slurry Shield in Heterogeneous Soft Soils. Tunnels and Metropolises, Sao Paolo, Brazil, 215–218.

Broere, W., 2001. Tunnel Face Stability & New CPT Applications. DUP Science. Delft University Press.

Carranza-Torres, C., Reich, T., & Saftner, D., 2013. Stability of shallow circular tunnels in soils using analytical and numerical models. In Proceedings of the 61st Minnesota Annual Geotechnical Engineering Conference. University of Minnesota, St. Paul Campus.

Graziani, A., Lembo-Fazio, A., Moccichino, M., & Romualdi, P., 2012. Face sability control for EPB tunnls in a homogeneous till formation with highly permeable layers. Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground: CRC Press.

Guglielmetti, V., Grasso, P., Mahtab A., Xu, Sh., 2007. Mechanized Tunnelling in Urban Areas. Geodata S.P.A., turin,Italy.

Kirsch, A. , 2009. On the face stability of shallow tunnels in sand. Advances in Geotechnical Engineering and Tunnelling.  Logos Verlag Berlin GmbH.

Luis, E., Maynar, J.M.M., & Rodriguez, L.E.M., 2005. Discrete Numerical Model for Analysis of Earth Pressure Balance Tunnel Excavation. J. Geoeniron. Eng., 131(10), 1234-1242.

O’Carroll, J. B., 2005. A Guide to Planning, Constructing and Supervising Earth Pressure Balance TBM Tunneling. Professional Associate, Parsons Brinckerhoff.

Repetto, L., Tuninetti, A., Guglielmetti, V., & Russo, G., 2006. Shield tunnelling in sensitive areas: a new design procedure for optimisation of the construction-phase management. GEODATA SpA, Torino, Italy.

Salvador, S., & Jimenes, R., 2015. A tunnel face failure mechanism for layered ground, considering the possibility of partial collapse. Tunnelling and Underground Space Technology 47, 182-192.

Wang, C.B., Zhang, G.Z., Zhao, X., Xia, C.C., 2014. Stability Analysis by Strength Reduction Method in Shallow Buried Tunnels., Tunneling and Underground Construction,  321-331.

Zhang, Z.X., Hu, X.Y., & Kieffer, D.S., 2011. A discrete numerical approach for modeling face stability in slurry shield tunnelling in soft soils. Computers and Geotechnics 38, 94-104.