بررسی اثرات پارامترهای مختلف در تعیین میزان بهینه فشار جبهه کار تونل‌های مکانیزه در خاک‌های رسی- سیلتی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان

2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز

چکیده

برآورد فشار لازم برای نگهداری جبهه کار تونل، یکی از مهم­ترین عوامل حفاری ایمن و بهینه با استفاده از ماشین­های حفار مکانیزه در نواحی شهری است. چرا که اعمال فشار کمتر و یا بیشتر از حد تعادلی به جبهه کار به ترتیب باعث فرونشست و بالازدگی در جبهه کار و سطح زمین می­شود. در مقاله حاضر، با استفاده از نرم­افزار المان محدودABAQUS  به بررسی تأثیر پارامترهای مدول الاستیسیته، مشخصات مهندسی خاک با تأکید بر چسبندگی و همچنین شرایط آب زیرزمینی بر روی میزان بهینه فشار جبهه کار در خاک­های چسبنده پرداخته شده است. بیش از 130 مدل سه­بعدی تحلیل و با اندازه­گیری مقادیر جابجایی­های جبهه کار تونل به ازای مقادیر متفاوت فشار جبهه کار و پارامترهای مختلف مورد بررسی، مقدار بهینه فشار جبهه کار تعیین شده است. بر اساس نتایج حاصل مدول الاستیسیته خاک و تراز آب زیرزمینی تأثیر قابل توجهی در مقدار فشار بهینه جبهه کار دارد. همچنین، زاویه اصطکاک داخلی دارای تأثیر بیشتری نسبت به چسبندگی در مقدار فشار بهینه جبهه کار می­باشد. با توجه به تعداد بسیار زیاد پارامترهای دخیل در حفاری مکانیزه مشخصات هندسی تونل، پارامترهای مختلف ماشین حفار و مشخصات ژئوتکنیکی مسیر، از مشخصات پروژه خط 2 قطار شهری تبریز انتخاب شده است تا پارامترهای استفاده شده در تحلیل­های عددی منطبق بر واقعیت باشد. همچنین، صحت­سنجی نتایج مدل عددی با استفاده از نتایج نشست سطحی حاصل از ابزاربندی پروژه انجام یافته است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The Soil Parameters Effects on the Optimum Face Pressure of Mechanized Tunnels in Cohesive Soils

نویسندگان [English]

  • Amir Hassan Rezaei 1
  • Saeed Babaei 2
1 Faculty of Engineering, University of Azarbaijan Shahid Madani
2 Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz
چکیده [English]

     Estimating the pressure required to support the tunnel face is one of the most important factors regarding safe and optimal excavation using mechanized tunnel boring machines in urban areas. Applying a pressure more or less than the balance to the face would cause collapse and blow out in the tunnel face respectively. This pressure depends on several factors such as soil type and its engineering specifications, TBM type, underground water conditions, excavation method, amount of surcharge and tunnel section area. In this paper, the influence of soil elasticity modulus, cohesion and friction angle on the optimum amount of face pressure in cohesive soil were studied in different underground water conditions. For this purpose, a 3D finite element model was used employing the ABAQUS software (Ver. 6.14). The main construction aspects and all main elements of mechanised excavation were modelled: TBM shield, concrete tunnel lining, over-excavation, tail gap grouting and progressive hardening of the cement based grout. More than 130 3D models were analyzed and optimum pressure in the tunnel face was determined through measurement the amount of induced average displacement in the tunnel face. In the other word, for various elasticity modulus, cohesion, and internal friction angle different values of face pressure were applied in tunnel face and corresponding tunnel face average displacement were measured for each state.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mechanized tunneling
  • face pressure
  • elasticity modulus
  • cohesive soils
  • ABAQUS

مراجع

 
Ahmed M, Iskander M, “Evaluation of tunnel face stability by transparent soil models”, Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 27 (1), 101-10.
Anagnostou G, “The contribution of horizontal arching to tunnel face stability”, geotechnik, 2012, 35 (1), 34-44.
Anagnostou G, Kovari K, “Face stability conditions with earth-pressure-balanced shields”, Tunnelling and Underground Space Technology, 1996, 11 (2), 165-73.
Atkinson J, Potts D, “Stability of a shallow circular tunnel in cohesionless soil”, Geotechnique, 1977, 27 (2), 203-15.
Broere W, “Tunnel Face Stability & New CPT Applications”, PhD Thesis, Delft University of Technology, Netherlands, 2001.
Chambon P, Corte JF, “Shallow tunnels in cohesionless soil: stability of tunnel face”, Journal of Geotechnical Engineering, 1994, 120 (7), 1148-1165.
Chen R, Tang L, Ling D, Chen Y, “Face stability analysis of shallow shield tunnels in dry sandy ground using the discrete element method”, Computers and Geotechnics, 2011, 38 (2), 187-95.
Do NA, Dias D, Oreste P, Djeran-Maigre I, “Three-dimensional numerical simulation for mechanized tunnelling in soft ground: the influence of the joint pattern”, Acta Geotechnica, 2014, 9 (4), 673-94.
Greenwood JD, “Three-dimensional analysis of surface settlement in soft ground tunneling”, Master of engineering Thesis, Massachusetts Institute of Technology, US, 2003.
Guglielmetti V, Grasso P, Mahtab A, Xu S, “Mechanized tunnelling in urban areas: design methodology and construction control”, CRC Press, 2008.
Ibrahim E, Soubra A-H, Mollon G, Raphael W, Dias D, Reda A, “Three-dimensional face stability analysis of pressurized tunnels driven in a multilayered purely frictional medium”, Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 49, 18-34.
Jancsecz S, Steiner W, “Face support for a large mix-shield in heterogeneous ground conditions”, Tunnelling 94, Springer, 1994, 531-550.
Karakus M, “Appraising the methods accounting for 3D tunnelling effects in 2D plane strain FE analysis”, Tunnelling and Underground Space Technology; 2007, 22 (1), 47-56.
Kasper T, Meschke G, “On the influence of face pressure, grouting pressure and TBM design in soft ground tunnelling”, Tunnelling and Underground Space Technology; 2006, 21 (2), 160-71.
Kasper T, Meschke G, “A 3D finite element simulation model for TBM tunnelling in soft ground”, International journal for numerical and analytical methods in geomechanics, 2004, 28 (14), 1441-60.
Katebi H, Rezaei AH, Hajialilue-Bonab M, “ The influence of surface building and ground staficitaion on lining loads applying the finite element method”, Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 18, 1845-1861.
Katebi H, Rezaei AH, Hajialilue-Bonab M, Tarifard A, “Assessment the influence of ground stratification, tunnel and surface buildings specifications on shield tunnel lining loads (by FEM)”, Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 49, 67-78.
Kim SH, Tonon F, “Face stability and required support pressure for TBM driven tunnels with ideal face membrane-Drained case”, Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25 (5), 526-42.
Lambrughi A, Rodríguez LM, Castellanza R, “Development and validation of a 3D numerical model for TBM-EPB mechanised excavations”, Computers and Geotechnics, 2012, 40, 97-113.
Mair R, Taylor R, “editors. Theme lecture: Bored tunneling in the urban environment”, Proceedings of the Fourteenth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering ,Hamburg, 1997, 4, 2353-2385.
Möller SC, “Tunnel induced settlements and structural forces in linings”, Master of engineering Thesis, Univ. Stuttgart, Germany, 2006.
Zhang Z, Hu X, Scott KD, “A discrete numerical approach for modeling face stability in slurry shield tunnelling in soft soils”, Computers and Geotechnics, 2011, 38 (1), 94-104.

بخشنده ح، زمزم م ص، موسوی ا، "برآورد کمینه فشار جبهه‌ کار تونل‌های درون‌شهری با ماشین EPB به روش تحلیلی و عددی مطالعه‌ موردی: تونل خط ۷ متروی تهران (قطعه‌ شرقی- غربی)"، مجله علمی پژوهشی شریف، 1394، 31 (3)،137-145.

حیدری ر، زارع ش، نصیرآباد ح، فروغی م، "بررسی تأثیر فشار جبهه‌ کار بر نشست سطح زمین در تونل­سازی مکانیزه در زمین نرم- مطالعه‌ موردی: تونل قطعه شرقی- غربی خط 7 متروی تهران"، مجله علمی پژوهشی مهندسی تونل و فضاهای زیرزمینی، 1391، 1 (1)، 57-67.

خیراندیش ا، فاروق حسینی م، طالبی­نژاد ع، "تأثیر فشار نگهداری جبهه کار در حفر تونل به روش EPB بر تغییر شکل­های سطحی و جبهه کار"، مجله علمی پژوهشی مهندسی معدن، 1392، 8 (20)، 37-48.

کاتبی ه، رضایی ا م، حاجی­علیلوی­بناب م، تاری­فر ا، "امکان‏ سنجی استفاده از سربار مصنوعی برای کاهش عمق شفت ورودی ماشین حفار مکانیزه (مطالعه موردی شفت غربی خط 2 قطار شهری تبریز)"، مجله علمی- پژوهشی مهندسی تونل و فضاهای زیرزمینی، 1393، 3 (2)، 161-172.

کاتبی ه، رضایی ا م، حاجی­علیلوی­بناب م، "بررسی تأثیر مشخصات سازه‌های سطحی و لایه‌بندی زمین در بارهای وارد بر پوشش تونل با استفاده از روش المان محدود"، مجله علمی- پژوهشی شریف، 1394، 31 (4)، 3 -14.

 
 
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز
دوره 47.3، شماره 88 - شماره پیاپی 88
پاییز 1396
آذر 1396
صفحه 33-45

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار