تاثیر سازه های سطحی لایه بندی زمین و مشخصات هندسی تونل بر بارهای وارد بر پوشش تونلهای کم عمق
چکیده
در روش تونلسازی مکانیزه بعنوان مهمترین روش تونلسازی دهههای اخیر در مناطق شهری، برای پوشش تونل از قطعات بتنی پیش ساخته (سگمنت) استفاده می‌شود که این سگمنتها بخش قابل توجهی از هزینه دوره ساخت تونلهای مکانیزه را شامل میشوند و در صورت طراحی بهینه می‌توان هزینههای ساخت تونلهای مکانیزه را کاهش داد. این امر بویژه در تونلهای بزرگ مقطع و تونلهای با طول زیاد قابل توجه میباشد. اندازه گیریهای انجام یافته در پروژههای اجرا شده مقادیر بارهای وارد بر پوشش تونل را متفاوت از مقادیر بدست آمده از روشهای مرسوم ارزیابی میزان بارها نشان میدهد. بنابراین لزوم مطالعه بیشتر برای ارزیابی دقیقتر بارهای وارد بر پوشش تونلها در جهت منافع کشور وجود دارد بویژه اینکه در روابط پایهای تاثیر سازه‌های سطحی و ناهمگنی زمین در نظر گرفته نشده است. در تحقیق حاضر سعی شده است با مدلسازی عددی در کنار ساخت مدل فیزیکی کوچک مقیاس به مطالعه بیشتر موضوع پرداخته و تاثیر لایه‌بندی زمین، وجود سازه‌های سطحی و همچنین مشخصات هندسی مقطع از قبیل نسبت سربار به قطر تونل بر بارهای وارد بر پوشش تونل با دقت بیشتری مورد مطالعه قرار گیرد. برای انجام تحقیق مدلهای عددی دو و سه بعدی با استفاده از نرم افزار المان محدود آباکوس تهیه گردیده و موضوع اندرکنش تونل و ساختمان با تاکید بر میزان بارهای وارد بر پوشش تونل بصورت مطالعات پارامتریک بررسی شده است. مهمترین پارامترهای موثر در موضوع اندرکنش عبارتند از عمق تونل، لایه‌بندی زمین، ابعاد هندسی، وزن سازه‌های سطحی و سختی خمشی آنها، موقعیت قرارگیری در سطح و فاصله مابین سازه‌های واقع در طرفین تونل. در این پژوهش به دلیل پارامترهای بسیار زیاد موثر در حفاری مکانیزه و بارهای وارد بر پوشش تونل، مشخصات هندسی تونل (از قبیل قطر، ابعاد و مشخصات پوشش تونل)، پارامترهای مختلف ماشین حفار، مشخصات دوغاب پشت سگمنت و مشخصات ژئوتکنیکی خاک مسیر و شرایط آب زیرزمینی از مشخصات پروژه خط 2 قطار شهری تبریز انتخاب شده است تا پارامترهای استفاده شده در تحلیلهای عددی منطبق بر واقعیت باشد. برای مدلسازی دو بعدی تونل از روش کنترل افت حجم و معادلسازی ساختمان با تیر سطحی الاستیک استفاده شده است (روش سختی نسبی). از میان تعداد بسیار زیاد ترکیبات ممکن برای پارامترهای فرض شده در آنالیز پارامتریک،320 مدل کرنش مسطح انتخاب شده و تحلیل گردیدهاند و نتایج حاصل از آنالیز آنها برای ارزیابی میزان اثرگذاری هر پارامتر استفاده شده است. در مدلسازی سه بعدی، عملیات اجرایی تونل بصورت کامل و گام به گام مدل شده و ساختمان نیز بصورت واقعی و متشکل از اسکلت بتنی در نظر گرفته شده و بدین ترتیب مدلی واقعی از رفتار مجموعه تهیه و بررسی گردیده است. حدود 70 مدل سه بعدی با در نظر گرفتن تقریبا تمامی پارامترهای موثر در عملیات اجرایی تونل نظیر فشار سینه کار و تزریق دوغاب پشت سگمنت آنالیز شده است. به منظور امکان مقایسه نتایج تحلیلهای دو بعدی و سه بعدی این حالات متناظر حالتهایی بودند که در مدلسازی دوبعدی نیز مطالعه شدهاند. با کاربرد مدلهای سه بعدی علاوه بر شناسایی اثر پارامترهای مورد مطالعه در مدلسازی دو بعدی، تأثیر پارامترهایی نظیر طول ساختمان در جهت طول حفاری تونل و همچنین نحوه مدلسازی ساختمانهای سطحی مطالعه شده است. به منظور اطمینان از صحت عملکرد مدلهای عددی، نتایج حاصل از این مدلها با اطلاعات در دسترس پروژههای مشابه واقعی اجرا شده به همراه مقادیر قرائت شده از ابزاربندی مدل فیزیکی ساخته شده تطبیق داده شده و صحت مدلهای عددی اعتبار سنجی گردیده است. نتایج حاصل از این پژوهش نشان میدهد که در نظرگرفتن اثرات اندرکنشی تونل و ساختمانها سبب تغییرات قابل ملاحظه ای در میزان نیروهای داخلی پوشش در مقایسه با حالتیکه وجود ساختمان در نظر گرفته نمیشود، خواهد شد. بر اساس مشخصههای ناحیه مورد مطالعه کریدور خط 2، سازه‌های با 5 طبقه و بیشتر دارای تاثیر قابل ملاحظه روی بارهای پوشش تونل میباشد. برای تونلهای کم عمق این تاثیرات بیشتر بوده و با افزایش عمق تونل و فاصله مرکز سازه از محور تونل تاثیرات سازهها کاهش مییابد. بعنوان یک الگوی کلی وجود سازه‌های سطحی متناسب با بار سازه سبب افزایش نیروهای پوشش تونل نسبت به حالت زمین آزاد میگردد. با این وجود، مقدار این تاثیر وابسته به ترکیب پارامترهای هندسی و مکانیکی تونل، سازه‌های سطحی و خاک پیرامون میباشد. برای تونلهای کم عمق این تاثیرات بیشتر بوده و با افزایش عمق میزان تاثیر کاهش مییابد. همچنین وزن ساختمان در مطالعات دو بعدی اثر قابل توجهی در افزایش میزان نیروهای پوشش تونل داشته و اثر وزن در مطالعات دو بعدی بسیار بیشتر از تحلیلهای سه بعدی است. بر اساس نتایج حاصل، وجود لایه سیلتی بر روی خاک ماسهای تاثیر قابل ملاحظهای نداشته اما زمانی که تونل درون خاک سیلتی حفاری میگردد نیروهای داخلی ایجاد شده در پوشش تونلهای مکانیزه نسبت به تونلهای حفاری شده درون خاک ماسهای به دلیل کاهش زاویه اصطکاک داخلی خاک پیرامون تونل و کاهش اثر پدیده قوس خوردگی خاک، افزایش قابل ملاحظهای مییابد. بر اساس نتایج حاصل از این تحقیق می‌توان بیان نمود که نیروهای داخلی، و بویژه لنگر خمشی، پوشش تونل حاصل از مطالعات دو بعدی دارای مقادیر بیشتر در مقایسه با نتایج حاصل از مطالعات سه بعدی بوده و نتایج مدلهای دو بعدی محافظه کارانه و به نفع اطمینان میباشد. با کاهش بار و افزایش طول سازه سطحی میزان اختلاف نتایج حاصل کاهش مییابد. افزایش طول ساختمان در جهت بعد سوم، به علت آنکه سبب افزایش وزن ساختمان می‌شود، باعث افزایش میزان نیروهای داخلی پوشش تونل میگردد. هرچه عرض ساختمان بیشتر باشد این اثر افزایشی بیشتر میگردد. همچنین پارامتر عرض ساختمان موثرترین پارامتر در مسئله اندرکنش ساختمان و تونل بوده و با افزایش عرض ساختمان اثرگذاری سایر پارامترها نیز افزایش مییابد. مقایسه نتایج مدلسازی ها با مقادیر اندازه گیری شده در پروژه های واقعی بیانگر آنست که پیش بینی مدلهای سه بعدی قابل اطمینان تر و به واقعیت نزدیکتر است.