تحلیل زیست محیطی و عددی اثرات تغییرات تراز آب زیرزمینی بر پایداری جبهه حفاری در تونل‌سازی با روشTBM-EPB : تأثیرات قطر تونل و فشار وارد بر ماشین حفاری
محورهای موضوعی : منابع طبیعی و مخاطرات محیطی
محمد حسین احمدی
1
,
امیر وکیلی
2
*
,
روزبه آقامجیدی
3
1 - گروه بهداشت موادغذایی، واحدآیت الله آملی ، دانشگاه آزاداسلامی ، آمل ، ایران
2 - گروه عمران دانشگاه آزاد بیضا
3 - هیئت علمی
کلید واژه: تغییرات تراز آب زیرزمینی, فشار جبهه حفاری, تغییر قطر حفاری, نرم‌افزار آباکوس, بررسی زیست‌محیطی,
چکیده مقاله :
مقدمه: امروزه روش‌های مختلفی جهت حفر تونل در محیط‌های شهری وجود دارد. عواملی چون سطح مقطع تونل، میزان پیشروی، میزان سرمایه مورد نیاز، مدت انجام پروژه و مهم‌تر از همه نوع خاک و سنگ و وضعیت آب زیرزمینی، نقش اساسی در انتخاب روش حفاری در محیط‌های شهری را دارند. بر این اساس، هدف از پژوهش حاضر بررسی عددی میزان تأثیر تغییرات تراز سطح آب زیرزمینی بر فشار وارد بر جبهه حفاری با تغییر قطر حفاری تونل‌ها می‌باشد.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه سه حالت کلی مورد بررسی قرار گرفته است در حالت اول فقط یک تونل اجرا گردیده و تونل¬ها در نزدیکی پاشنه شمع اجرا گردیده است. در حالت دوم دو تونل اجرا گردیده و موقعیت تونل¬ها در نزدیکی پاشنه شمع می¬باشد و در نهایت در حالت سوم هر دو تونل در نزدیکی وسط شمع اجرا گردیده است. به همین منظور در این مطالعه میزان تغییرات نشست در خاک ناشی از اجرای تونل¬های دوقلو در سه حالت ذکر شده مورد بررسی قرار گرفته است.
نتایج و بحث: نتایج تحقیق نشان داد که شدت افزایش بیشینه نشست به میزان قابل توجهی به قطر حفاری وابسته است. به گونه‌ای که در حفاری با قطر ۵ متر، بیشینه نشست حدود ۱۱ میلی‌متر است و این مقدار با افزایش ۹ درصدی به ۱۲ میلی‌متر در قطر حفاری ۷ متر می‌رسد. اگر تونل با قطر ۱۲ متر حفاری شود، بیشینه نشست نسبت به حالت حفاری با قطر ۵ متر، حدود ۴۴ درصد افزایش یافته و به ۱۶ میلی‌متر می‌رسد.
نتیجه‌گیری: در تمامی حالت‌های مدل‌سازی، با نزدیک شدن تراز آب زیرزمینی به سطح زمین، بیشینه نشست کاهش می‌یابد. در صورتی که تراز آب زیرزمینی در کف مدل باشد، افزایش قطر حفاری باعث تغییر محل بیشینه نشست در راستای عمق نخواهد شد و این نشست در تاج تونل باقی خواهد ماند. در نهایت، با افزایش قطر حفاری، نیاز به فشار بیشتر برای پایداری جبهه حفاری تونل نیز افزایش می‌یابد. نکته مهمی که در این پژوهش قابل مشاهده است، این است که نشست طولی در فاصله‌ای برابر با مجموع سربار و قطر تونل، از جبهه حفاری به کمتر از یک میلی‌متر می‌رسد و می‌توان نتیجه گرفت که طول ناحیه تحت تأثیر حفاری تونل به سطح تراز آب زیرزمینی و قطر حفاری وابسته نیست.
Introduction: Nowadays, there are various methods for digging tunnels in urban environments. Factors such as the cross-section of the tunnel, the amount of progress, the amount of capital required, the duration of the project, and most importantly the type of soil and rock and the condition of the underground water, play a fundamental role in choosing the drilling method in urban environments. Based on this, the aim of this research is to numerically investigate the effect of changes in the underground water level on the pressure on the excavation front by changing the diameter of the tunnels.
Materials and Methods: In this study, three general cases have been examined. In the first case, only one tunnel was executed and the tunnels were executed near the heel of the pile. In the second case, two tunnels were executed and the position of the tunnels is near the heel of the pile, and finally, in the third case, both tunnels were executed near the middle of the pile. For this purpose, in this study, the changes in soil settlement due to the implementation of twin tunnels in the three mentioned cases has been investigated.
Results and Discussion: The results of the research showed that the intensity of the maximum settlement increase is significantly dependent on the drilling diameter; In a drilling with a diameter of 5 meters, the maximum settlement is about 11 mm, and this value reaches 12 mm with an increase of 9% in a drilling diameter of 7 meters. If the tunnel is dug with a diameter of 12 meters, the maximum settlement increases by 44% and reaches 16 mm compared to the case of digging with a diameter of 5 meters.
Conclusion: In all modeling modes, as the groundwater level approaches the ground surface, the maximum settlement decreases. If the underground water level is at the bottom of the model, increasing the drilling diameter will not change the location of the maximum settlement along the depth, and this settlement will remain at the crown of the tunnel. Finally, with the increase of the drilling diameter, the need for more pressure for the stability of the tunnel excavation front also increases. An important point that can be seen in this research is that the longitudinal settlement at a distance equal to the sum of the overhead and the diameter of the tunnel reaches less than one millimeter from the excavation front, and it can be concluded that the length of the area affected by the tunnel excavation reaches the level of the underground water level. And the drilling diameter is not dependent.
1. Abo-Alanwar, M.M., & Elbatal, S.A. (2021). Influence of Alignment and Spacing of Constructing a New Circular Tunnel on an Existing One. International Journal of Engineering Trends and Technology, 42.
2. Bayoumi, A., Abdallah, M., & Hage Chehade, F. (2021). Non-Linear Numerical Modeling of the Interaction of Twin Tunnels-Structure. World Academy of Science.
3. Channabasavaraj, W., & Visvanath, B. (2013). Influence of Relative Position of the Tunnels: A Numerical Study on Twin Tunnels. International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering.
4. Hage Chehade, F., & Shahrour, I. (2008). Numerical Analysis of the Interaction Between Twin Tunnels: Influence of the Relative Position and Construction Procedure. Tunnelling and Underground Space Technology, 23, 210-214.
5. Hosseini, S., Shahryar K., & Monjazi, M. (2019). Prediction of Ground Displacements Around Tunnels Due to EPB Machine Excavation (Case Study: Line 3 of Tehran Metro). Engineering Geology Journal, 5(2), 1250-1235.
6. Negro, A., & Queiroz, B.I.P. (2013). Prediction and Performance of Soft Ground Tunnels. In Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground (pp. 409–418). Balkema, Tokyo, Japan.
7. Pang, C.H., Yong, K.Y., & Dasari, G.R. (2005). Some Considerations in Finite Element Analysis of Tunneling. In Proceedings of Underground Space Use: Analysis of the Past and Lessons for the Future (Erdem & Solak, eds.), Taylor & Francis Group, London, 1149-1154.
8. Qian, F., Tai, Q., Zhang, D., & Wong, L.N.Y. (2016). Ground Surface Settlements Due to Construction of Closely-Spaced Twin Tunnels with Different Geometric Arrangements. Tunneling and Underground Space Technology, 51, 144-151.
9. Rezai, N., & Nourzadeh, A. (2014). Calculation of Minimum Pressure in Tunnel Excavation Using EPB and TBM Methods (Case Study: Dez Water Transfer Tunnel to Qomrud). Proceedings of the Third Congress and Exhibition of Dams and Tunnels in Iran, Tehran.
10. Shalabi, F.I. (2017). Interaction of Twin Circular Shallow Tunnels in Soils, Parametric Study. Open Journal of Civil Engineering, 7, 100-115.
11. Sun, Z., Zhang, D., Li, A., Lu, S., Tai, Q., & Chu, Z. (2022). Model Test and Numerical Analysis for the Face Failure Mechanism of Large Cross-Section Tunnels Under Different Ground Conditions. Tunnelling and Underground Space Technology, 130, 104735.
12. Zhu, S., Que, X., Zhu, Z., & Han, B. (2023). Improved Polygonal Constitutive Model for Columnar Jointed Basalt and Its Application in Tunnel Stability Analysis. Tunnelling and Underground Space Technology, 142, 105449.