نشریه مهندسی تونل و فضاهای زیرزمینی
سال دهم شماره 4 (زمستان 1400)

در کاربردهای مهندسی، به منظور مدل سازی سازه بازشو در تونل های سگمنتی (قطعات پیش ساخته بتنی پوشش تونل)، اندرکنش سگمنت ها درنظر گرفته نشده و سازه تونل معمولا به صورت یکپارچه مدل سازی می شود. امکان لغزش قطعات سگمنت در محدوده بازشوها ممکن است توزیع تنش در سازه را متاثر نماید. اما میزان این تاثیر نامشخص بوده و اطلاعات جامعی از آن در دسترس نیست. در تحقیق حاضر با هدف مدل سازی اندرکنش قطعات پیش ساخته در محل بازشو در تونل های سگمنتال، از ابزار مدل سازی سه بعدی غیرخطی استفاده شده است. با توجه به اینکه در واقعیت، بازشو به صورت مرحله ای اجرا می شود در روش مدل سازی پیشنهاد شده، اثرات مدل سازی مرحله ای نیز مدنظر قرارگرفته است. نتایج مدل سازی با رفتار یکپارچه در مقایسه با مدسازی رفتار اندرکنشی در سه بخش رفتار سگمنت، رفتار سازه نگهبان موقت و رفتار سازه نگهبان دایم مورد بررسی انتقادی قرار گرفته است. نتایج تحقیق نشان می دهد روند فعلی در مدل سازی مهندسی بازشو در تونل سگمنتی، منجر به نتایج در خلاف جهت اطمینان در طراحی برشی خواهد شد. همچنین مدل سازی صلب درزه های سگمنتی منجر به مشاهده نواحی تمرکز تنش کاذب در سگمنت ها می شود که این امر ممکن است منتهی به طرح های تقویتی در نواحی غیرلازم شود.

تونل ها بخش مهمی از سازه های زیرساخت را در مهندسی عمران تشکیل داده و به عنوان تسهیلات عمومی حمل ونقل، آب رسانی و... استفاده می شوند. جلوگیری از صدمات و خرابی تونل ها به عنوان شرایان های حیاتی ناشی از اتفاقات لرزه ای دارای اهمیت بالایی می باشد. در این پژوهش اثرات عمق تونل و تراکم خاک در رفتار لرزه ای یک مقطع تونل دوخطه مورد ارزیابی قرارگرفت. بدین منظور یک مقطع 5/2 خطه ترافیکی نعل اسبی انتخاب گردید. روش عددی اامان محدود و مدل رفتاری سخت شونده کرنش کوچک با قابلیت شبیه سازی میرایی هیسترزیس مصالح مورد استفاده قرارگرفتند و مراحل ساخت روش جدید اتربشی قبل از اعمال شتاب نگاشت درنظر گرفته شد. نتایج ابزارنگاری پروژه زیرگذر آرش-اسفندیار-نیایش با مقطع تونل مشابه به منظور صحت سنجی استفاده گردید. یک سری تحلیل های تاریخچه زمانی با اعمال شتاب نگاشت های واقعی با ضرایب مقیاس مختلف انجام گرفت و نمودارهای حداکثر و میانگین پاسخ دریفت بر حسب شتاب بیشینه حاصل از مدل های مختلف در معرض پنج شتاب نگاشت با ضرایب مقیاس شتاب ترسیم و برای ارزیابی نتایج استفاده شدند. نتایج نشان دادند که تراکم و ارتفاع سربار تاثیر قابل توجهی بر میزان پاسخ دریفت تونل درخاک ماسه ای خواهند داشت و اثرات مربوطه در در شتاب های مختلف متفاوت می باشد. علت این تغییر روند ناشی از اثرات رفتار غیرخطی توده خاک، جابجایی شبه استاتیک، و نیروهای اینرسی می باشد.

در تونل های شهری که بیش تر در عمق کم و در بستر خاکی حفر می شوند، فشار جبهه کار می تواند یکی از عوامل پیشگیری کننده ی نشست سطح زمین باشد. از بین روش های مختلف تعیین فشار جبهه کار، روش عددی بهترین روش می باشد. انتخاب مدل رفتاری مناسب یکی از اساسی ترین مراحل در تحلیل عددی است. در اکثر مدلسازی های عددی حفر تونل از مدل رفتاری موهر کولمب استفاده میشود این مدل رفتاری غالبا منجر به پیش بینی نشست کمتر سطح زمین نسبت به نتایج ابزاربندی می شود. در این تحقیق تاثیر شش حالت فشار جبهه کار در مدل های رفتاری الاستوپلاستیک شامل مدل رفتاری موهر کولمب، مدل رفتاری سخت شونده و مدل رفتاری دراگر پراگر بررسی شد. در راستای این تحقیق، مترو خط A قم به کمک روش تفاضل محدود مدل سازی شد. درنهایت، نتایج حاصل از تحلیل عددی با استفاده از نتایج رفتار سنجی و مقایسه با مقادیر اندازه گیری شده نشست سطح زمین اعتبار سنجی شد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که در مدل رفتاری موهر کولمب و دارگر پراگر با افزایش فشار جبهه کار مقدار نشست سطح زمین کاهش پیدا کرد. در مدل رفتاری سخت شونده، نتایج اندکی پیچیده تر بود و با افزایش فشار جبهه کار تا 2 برابر مقدار فشار اولیه میزان نشست سطح زمین کاهش و با افزایش بیشتر فشار جبهه کار این مقدار نشست افزایش یافت. نتایج مدل سازی با مقادیر ابزاربندی مقایسه و نشان از اختلاف کمتر مدل رفتاری سخت شونده با نتایج ابزاربندی نسبت به دو مدل رفتاری موهر کولمب و دراگر پراگر داشت.

مهم ترین عامل در طراحی تونل تامین پایداری آن است. در بسیاری از زمین ها تونل های حفر شده نمی توانند خودنگهدار باشند و برای پابرجا نگه داشتن آن ها باید از حایل هایی استفاده کرد. همچنین، قرارگیری تونل در میان مصالح طبیعی باعث شده است که شرایط زمین شناسی نقش اصلی را در پایداری ایفا نماید. بنابراین برای تامین پایداری تونل باید به بررسی وضعیت تنش های اطراف تونل پرداخت. در این پژوهش با استفاده از توابع پتانسیل مختلط و نگاشت همدیس، معادله دیفرانسیل حاکم بر رفتار توده سنگ در تونل نیم دایره ای تحت تنش ها محاسبه شده است. تنش های مماسی، شعاعی و برشی در مرز تونل در حالت های مختلف از جمله تنش برجای تک محوره افقی، قایم و تنش هیدرواستاتیک با استفاده از نگاشت سه، چهار و پنج جمله ای محاسبه شده اند. در نهایت معادلات مورد استفاده با مدل سازی عددی مقایسه شده است. براساس مقایسه های انجام گرفته، هر دو روش تحلیلی و عددی نتایج مشابهی را ارایه می کنند و به صورت موضعی در اطراف تونل در مقادیر تنش حاصل شده اختلافاتی وجود دارد. می توان گفت که مقادیر تنش حاصل شده براساس مبانی موجود در هر دو روش صحیح است و در طراحی تونل، مقادیر هر دو روش با در نظر گرفتن ضرایب اطمینان مناسب و تجربه مهندس قابل استفاده است.

در این تحقیق به منظور مقایسه الگوهای چالزنی و آتشکاری در تونل از دو پارامتر خرج ویژه و حفاری ویژه استفاده شده است. برای خرجگذاری چال های جانمایی شده بر روی سطح مقطع تونل ها از دو ماده منفجره آنفو و امولایت به منظور پیشروی 3 متری استفاده شد. در مجموع تعداد 88 طرح بدون استفاده از نرم افزارهای طراحی برای سه نوع سنگ آهک، ماسه سنگ و مارن آماده شد. در حالت کلی از جنبه مقایسه مقادیر مشخصه ها، نتایج نشان داده است که مقدار تغییرات حفاری ویژه (m/m^3) و خرج ویژه (Kg/m^3) با توجه به مساحت سطح مقطع های انتخاب شده (19-150 مترمربع) برای روش انتقال انرژی در بازه تغییرات عددی 5/0 تا 5/2 قرار می گیرد. همچنین برای این روش تعداد چال های جانمایی شده نیز از 40 تا 130 عدد بوده است. مقدار تغییرات حفاری ویژه برای روش نروژی از 1تا 5/2 متر بر مترمکعب و مقدار خرج ویژه از 2/1 تا 5/2 کیلوگرم بر مترمکعب بوده است. همچنین در روش سویدی بازه تغییرات حفاری ویژه از 7/0 تا 2 متر بر مترمکعب و برای خرج ویژه تغییرات از 75/0 تا 5/1 کیلوگرم بر مترمکعب بوده است. تغییرات تعداد چال برای دو روش نروژی و سویدی نزدیک به هم از 30 تا 170عدد بدست آمده است. علاوه بر مطالب بیان شده، مقدار گلگذاری چال ها در بخش های مختلف سینه کار تونل برای روش سویدی کمتر از روش نروژی و روش انتقال انرژی است.

شناخت رفتار خاک ها تحت اثر بارهای دینامیکی به منظور توانایی در پیش بینی پاسخ خاک و اندرکنش بین سازه و خاک اطراف آن بسیار حایز اهمیت است. از سوی دیگر شناخت میزان توان انواع خاک در مستهلک کردن انرژی حاصل از بار دینامیکی بسیار مهم است. در این بین مدول برشی یکی از مهم ترین پارامترهای خاک در بحث میرایی است. در این مقاله به بررسی تاثیر بهسازی لایه های خاک به روش تزریق بر مقدار جابجایی ها و خسارات وارده بر سازه مدفون تحت تاثیر انتشار امواج حاصل از انفجار به صورت موردی در پروژه تونل مترو اصفهان در مسیر صفه- آزادی پرداخته شده است. مدل سازی و تحلیل این موضوع به وسیله نرم افزار المان محدود FLAC انجام گرفته شده است. در این پژوهش بحرانی-ترین حالت ممکن با توجه به فاصله ماده منفجره از پوشش تونل و مقدار بار انفجاری TNT مورد بررسی قرار گرفته است. در این پژوهش سعی شده با استفاده از تزریق مقادیر مختلف دوغاب سیمان به هر یک از لایه های خاک و تقویت ساختار خاک و تغییر مدول برشی، ایمن ترین حالت ممکن برای تونل های مدفون ارایه شود. از تزریق دوغاب سیمان به لایه های خاک و افزایش مدول الاستیسیته و مدول برشی خاک این نتیجه دریافت شد که با افزایش مدول برشی جابجایی ها روند کاهشی پیدا کرد. نتایج حاکی از آن است که تقویت لایه ی ماسه سنگ جابجایی ها در پوشش بتنی تاج تونل مدفون را 74% کاهش می دهد، این مقدار در صورت تقویت لایه ی آبرفتی حداکثر 40% است. در واقع تقویت لایه آبرفتی در بهترین حالت، سازه مدفون را تنها در برابر انفجار 120 کیلوگرم TNT ایمن نگه می دارد ولی لایه ماسه سنگ تقویت شده سازه مدفون را تحت بار 502 کیلوگرم TNT هم محفوظ نگه می دارد.