جابجایی های به وجود آمده ناشی از حفاری تونل ها با استفاده از تحلیل سپرهای تحت فشار جبهه کار با توجه به نتایج کنترل و مدلسازی عددی

جابجایی های به وجود آمده ناشی از حفاری تونل ها با استفاده از تحلیل سپرهای تحت فشار جبهه کار با توجه به نتایج کنترل و مدلسازی عددی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه راه – ساختمان، معماری، عمران

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

جابجایی های به وجود آمده ناشی از حفاری تونل ها با استفاده از تحلیل سپرهای تحت فشار جبهه کار با توجه به نتایج کنترل و مدلسازی عددی

 مهندسی زمین شناسی

دانشگاه ژوزف فوریل، LTHE، فرانسه

الزویر

2013

چکیده

در این مقاله نتایج کنترلی دو سطح مقطع تونل ارائه می شوند. این فرآیند در ارتباط انجام کار در یک خط زیرزمینی واقع در نواحی حومه (شهر لیون فرانسه) می باشد. از طریق مقایسه برآوردهای دیگر پروژه ها، به نظر می رسد که ناپایداری جبهه کار و شکاف توخالی حلقوی مشخص شده پس از رها شدگی سپر به عنوان منابع اصلی نشست های کوتاه مدت به شمار آمده اند.

مشاهدات جابجایی های عرضی و افقی در طی حفاری تونل به وسیله یک دستگاه حفاری تونل تحت فشار دوغاب متعاقباً با چندین رویکرد عددی مورد مقایسه قرار گرفته است. رویکردهای عددی دو بعدی از مفهوم افت حجم استفاده نموده که برای هر مرحله حفاری بکار گرفته شده است. این مورد قابلیت شبیه سازی تقریبی جابجایی های مشاهده شده را داشته اما در عین حال نیازمند کاربرد ضرایب تجربی جهت نشان دادن دو بعدی یک مسئله سه بعدی می باشد. رویکرد سه بعدی به صورت مستقیم تری فیزیک مسئله را در نظر گرفته و بنابراین اجازه به حساب آوردن موارد ذیل را خواهد داد: فشار دوغاب در جبهه تونل، مخروطی شدگی سپر، تزریق دوغاب در حفره حلقوی و تثبیت دوغاب. محاسبات عددی سه بعدی به عنوان دقیق ترین رویکرد جهت شبیه سازی کلیه فرآیندهای فیزیکی در طی تونل زنی می باشد. با این وجود، این نوع مدل در نظر می گیرد که کلیه پارامترهای حاصل آمده ناشی از حفاری که جابجایی ها را کنترل می کنند به خوبی شناخته شده هستند.البته لازم به ذکر است که  بواسطه پیچیدگی ماشین حفاری تونل، چنین موردی الزاماً صحت نخواهد داشت.

کلمات کلیدی: تونل، بررسی کنترلی، محاسبه عددی، برهمکنش خاک / ساختار

1. مقدمه

در نواحی شهری، ساخت و ساز تونل های کم عمق سبب ایجاد دفرمه شدگی و جابجایی خاک های اطراف گردیده است که خود ممکن است بر روی ساختارهای موجود تأثیرگذار بوده و بنابراین به عنوان منبعی از اختلالات غیرقابل پذیرش به شمار می آید. به علاوه، با توجه به توسعه تکنیک های حفاری تونل با استفاده از قابلیت های تحت فشار، کار تحت شرایط خاک های ضعیف و محیط های مختلف در خلال سالیان اخیر گسترش یافته است. روش های شبیه سازی عددی به نظر به عنوان ابزارهای مناسبی جهت طراحی چنین سازه هایی به شمار آمده و قابلیت پیش بینی جابجایی های بوجود آمده ناشی از حفاری تونل را خواهند داشت، اما در عین حال لازم است تا اقدام به ارزیابی آنها نماییم.

مطالعه جاری نسبت به نشان دادن این موضوع اقدام می نماید که جابجایی های ایجاد شده به وسیله فرآیند حفاری کاملاً تحت تأثیر نوع خاک و پارامترهای مختلف دیگر در ارتباط با کار با سیستم ها و دستگاه های حفار تونل (TBM) می باشد: به طور مثال در این زمینه فشار دوغاب در جبهه تونل، اضافه حفاری سپر، مخروطی شدگی سپر، پارامترهای مختلف مربوط به فرآیندها و تزریق های حفره حلقوی، نوع دوغاب (Rowe و Kack، 1983، Clough و همکاران، 1985، Pantet، 1991، Moroto و همکاران، 1995، Kastner و همکاران، 1996) و موارد متربط در نظر گرفته می شوند. روش های پیش بینی تجربی نظیر رویکردهای عددی که صرفاً قابلیت شبیه سازی فاز نهایی را دارند مکفی تلقی نمی شوند. بنابراین لازم است تا قابلیت توسعه و ارائه ابزارهای با کیفیت همراه با روش های مناسبی را حاصل آورد که به ما امکان شبیه سازی صحیح جابجایی های زمین در تعامل با پارامترهای استفاده شده و مراحل حفاری را بدهد.

2- پروژه

گسترش خط زیرزمینی D مترو شهر لیون، بین ایستگاه “Gorge du Loup” و ایستگاه “Vaise” متشکل از دو لوله 27/6 m (قطر داخلی) و 950 m از نظر طول می باشد (شکل 1). این مسیر بین ژوئن 1993 و مارس 1995 تحت شرایط ساخت و با توجه به یک اندازه ای که هیچ جا بیش از 15 m تلقی نشده است ساخته شد. این خط، که کاملاً زیر آب قرار گرفته است، در عمق اندکی در یک منطقه کاملاً متراکم و پرجمعیت و در امتداد خاک هایی بسیار نرم ساخته شده است. یک مقطع ژئوتکنیکی نوعی در شکل 2 در این زمینه نشان داده شده است. آزمایشات گسترده میدانی و تست های آزمایشگاهی انجام شده فراهم آورنده توصیفات سازندهای مختلف جغرافیایی می باشند. جدول 1 نشان دهنده داده های پروژه و ویژگی های میانگین ژئوتکنیکی لایه های مختلف است. جهت این تونل زیر سفره آب زیرزمینی و عمدتا در  امتداد رسوب های آبرفتی لایه دار قرار گرفته است.

3- ابزارنگاری سایت

شرایط پیچیده و متفاوت این مولفه سبب شد تا فرصت لازم در اختیار ما قرار گیرد تا با استفاده از آن قابلیت ارائه یک پروژه تحقیقاتی بر مبنای نظارت دقیق داخل سایت به منظور توسعه و ارزیابی یک راهکار جهت پیش بینی جابجایی های زمین ناشی از فرآیند تونل سازی را داشته باشیم. دستگاه های ابزار دقیق در دو ناحیه کنترلی نصب شدند: سایت 1 و سایت 2 (شکل 1).

4- پاسخ میدانی در طی کارهای زیرزمینی

پاسخ میدانی در مراحل مختلف کارهای مربوط به تونل را می توان از جابجایی های عمودی ضبط شده با استفاده از دستگاه کشش سنجی که در محور عمودی قرار گرفته است و همچنین با استفاده از شیب سنج های نصب شده با قابلیت مشخص سازی جابجایی های افقی مورد اندازه گیری و سنجش قرار داد.

4ـ1. تحلیل اولین مقطع

شکل 4 و 6 نشان دهنده ارزیابی برآورد شده نشست ها با استفاده از کشش سنج قرار گرفته دقیقاً بر فراز تونل در طی حفاری اولین مجرا می باشد. شکل 5 و 7 نیز معرف جابجایی های عرضی با استفاده از سیستم های شیب سنج قرار گرفته در دو طرف با توجه به پیشرفت جبهه تونل می باشد. تحلیل این داده ها سبب مشخص سازی مراحل رفتاری مرتبط با موقعیت دستگاه حفار می باشد:

4ـ2. تحلیل سایت دوم

این بخش توصیف کننده افزایش فشارهای آستانه ای که قابلیت کنترل تزریق ملات جهت پر نمودن حفره ها یا فضاهای خالی را دارند می باشد. برای فازهای 0 الی 2، نشست (شکل 6) و جابجایی عرضی (شکل 7) معرف یک رفتار مشابه با اولین بخش می باشد. از طرف دیگر، این سطوح فشار تزریق منجر به جابجا شدگی خاک های قرار گرفته در بالای تاج تونل می شود (3 میلیمتر فراتر از موقعیت اولیه در فاصله 10 متری)، و در عین حال، خاک سطحی کمتر تحت تأثیر این ویژگی قرار می گیرد. در فاز نهایی، متراکم شدگی مجدد موضعی منجر به نشست سطحی بیشتری در مقایسه با مورد اندازه گیری شده در مجاورت تونل می گردد.

در صورتی که چنین فرآیندی به ما در زمینه محدودسازی نشست ها تا حد بسیار اندکی کمک نماید، این برآوردها معرف بخشی از نشست های سطحی و ارتباط آنها با جابجایی های برگشت ناپذیر هستند که صرفاً قابلیت محدودسازی با استفاده از متراکم سازی کاملاً زیاد خاک ها در اطراف دستگاه حفار را داشته و تشریح کننده کارایی پایین تزریق های دیرهنگام انجام شده در ارتباط با بخش های روکوبی می باشند.

4ـ3. تحلیل فهرستی

جهت درک بهتر مبدأ جابجایی های زمین و بهینه سازی پارامترها برای ماشین حفاری تونل، لازم است تا قابلیت مقایسه برآوردهای انجام شده بر روی پروژه های مختلف تونل های کم عمق که دارای عمق پوشش تقریباً یکسانی می باشند را داشته باشیم.

5- پیش بینی جابجایی ها به وجود آمده به واسطه حفاری تونل

5ـ1. سابقه

روش های تجربی مختلفی جهت ارزیابی نشست های سطحی ارائه شده اند. این روش ها غالباً بر مبنای مفهوم افت حجمی هستند. بر مبنای ملاحظات میدانی، Peck (1969) فرآیند محاسبه نشست سطحی را در یک سطح مقطع با توجه به این موضوع که شکل نشست را می توان به وسیله منحنی گاوسی تقریب زد پیشنهاد نموده است. نویسندگان دیگر (Attewell ، 1977، Clough و Schmidt، 1981، O’Reilly و New، 1982، Clough و همکاران، 1985) مقادیر نیمه تجربی در این زمینه را پیشنهاد نموده و مبنای کاری خود را بر اساس تعداد زیادی از ساختارهای زیرزمینی بنیان گذاشتند. تحقیقات کمتری نیز در ارتباط با جابجایی ها یا حرکت های افقی انجام شده است. این روش های تجربی ساده شده قابلیت ارائه ارزیابی سریع نشست ها را خواهند داشت، اما محدود به شرایط هندسی ساده هستند و محدودیت آنها بر مبنای این حقیقت نیز می باشد که آنها قابلیت به حساب آوردن تأثیر فرآیند حفاری را نخواهند داشت.

5ـ2. تحلیل عددی

آزمایشات میدانی یا آزمایشگاهی انجام شده فراهم آورنده توصیفی در ارتباط با ویژگی های شکل گرفته زمین شناختی مختلف می باشد. جدول 1 نشان دهنده داده های مربوط به این پروژه است.

مطالعات عددی دو بعدی با استفاده از ضریب انتشار تنش قبلاً به وسیله Bernat (1996) در تحقیقات مشابه ارائه گردیده اند. این تحقیقات معرف آن هستند که کاربرد یک مدل پیچیده سبب ارائه پیش بینی های بهتر در خصوص نشست ها در مقایسه با مدل الاستیک پلاستیک کامل نخواهد شد. مدل Cambou–Jafari–Sidoroff (CJS) بکار گرفته شده به وسیله Bernat (1996) در ابتدا به وسیله Cambou و Jafari (1987) توسعه یافته و دارای دو مکانیسم پلاستیسیته می باشد: یک مکانیسم برای تنش های تراکمی و مورد دیگر برای تنش های انحرافی.

5ـ2ـ1. آنالیز دو بعدی

پیشرفت ماشین حفار سبب ایجاد تغییر در شرایط مرزی در ناحیه های محلی می شود بنابراین به یک رویکرد سه بعدی به منظور مدلسازی دقیق فرآیند حفاری نیاز خواهیم داشت (این روش در بخش ذیل ارائه می شود). با این وجود، یک تحلیل کرنش سطح دو بعدی به عنوان جابجایی های نهایی زمین در مسیر محور تونل انجام شده است. این ویژگی و ساده سازی نیازمند یک رویکرد خاص در ارتباط با مدل سازی تأثیرات سه بعدی فرآیند تونل سازی با توجه به پیکربندی دو بعدی آن می باشد.

5ـ2ـ2. آنالیز سه بعدی

هدف تحلیل سه بعدی پیشنهادی کاهش وزن ضرایب تجربی می باشد که برای ارائه به آنالیز دو بعدی ضروری است (Dias و همکاران، 1999). در حقیقت، این ضرایب را نمی توان از قبل مورد ارزیابی قرار داد چرا که پیچیدگی برهمکنش های سه بعدی شامل شده در فرآیند تونل زنی زیاد است.

6- محاسبه نتایج

تنها نتایج شبیه سازی بخش آزمایشی دوم در اینجا ارائه شده است. این سایت به واسطه متراکم شدگی شدید خاک در اطراف تونل در طی فاز تزریق بسیار پیچیده گردیده است.

6ـ1. محاسبات دو بعدی

برای فازهای تونل زنی متعاقب، شرایط کرانه بر مبنای مورد توصیف شده در 2ـ1 از طریق مقایسه با نشست های برآورد شده نقطه مشخص شده فوق حاصل شده اند.

6ـ2. محاسبات سه بعدی

در اولین مرحله، هدف شبیه سازی مستقیم ساختار تونل بدون تعدیل های پسینی در ارتباط با برآورد نقاط می باشد. بنابراین شبیه سازی های سه بعدی، با توجه به شرایط مرزی برای نشست نقطه ای که در موقعیت یک متری فراتر از تونل قرار گرفته است تعدیل نشده است. اولین محاسبه انجام شده در پی این رویکرد نشان دهنده تفاوت های معنی دار در مقایسه با مشاهداتی می باشد که نهایتاً منجر به تعدیل های نسبی ذیل گردیده است:

7- نتیجه گیری

کنترل های جامع انجام شده در طی فاز ساخت و ساز چندین تونل شهری سبب درک بهتر ما از برهمکنش های بین خاک و ماشین حفار در طی فرآیند تونل زنی شده است. تحلیل نتایج آزمایشی حاصل آمده بر روی خط D متروی شهر لیون در مقایسه با پروژه های قبلی و شبیه سازی های عددی سبب شده است تا قابلیت حاصل آوردن نتایج ذیل را داشته باشیم:

– در صورتی که فشار در جبهه تونل کاملاً تثبیت شده است، این جبهه به صورت پایدار در نظر گرفته شده و جبهه آن نیز پایدار بوده و دارای یک منبع نشست نخواهد بود.

– عدم وجود پرشدگی های فضای خالی به عنوان منبع اصلی نشست تلقی می شود. هرگونه تغییر تزریق می تواند سبب جابجایی های غیرقابل بازگشتی شود.

– نوسانات فشار تزریق سبب کاهش کارآمدی این فرآیند از طریق افزایش میزان نشست در طی فاز تزریق می گردد.

– نتایج شبیه سازی منجر به شناسایی و تصدیق مبدأ برخی از جابجایی های مشاهده شده گردیده است.

پیش بینی شبیه سازی های عددی جابجایی های خاک که در طی حفاری تونل به وسیله سپر تحت فشار مشخص شده است همچنان به عنوان یک مشکل باقی مانده است.

شبیه سازی های دو بعدی نیازمند کاربرد ضرایبی جهت به حساب آوردن طبیعت سه بعدی این مسئله می باشد. ارزیابی این ضرایب دو بعدی خود به عنوان یک مسئله پدیدار شده است. به علاوه، رویکرد دو بعدی به هنگامی که این فرآیند قابلیت ایجاد یکسری از توالی های چرخه های افزایش فشار و کاهش فشار را دارد، همانند مثال ارائه شده در این مبحث، کارآمد نخواهد بود. راهکارهای شبیه سازی دو بعدی پیشنهادی معرف آن هستند که رفتار زمین نرم قابلیت مدل سازی بهتری با استفاده از روش کنترل جابجایی دارد.

شبیه سازی های سه بعدی، که در عمل واقعی تر هستند خود با مشکل شبیه سازی فرآیند پیچیده پرکردن حفره ها به وسیله تزریق های تحت فشار رو به رو می باشد که به دست آوردن خواص رئولوژیکی آن خود پیچیده و مشکل است.

شبیه سازی های عددی که در این مقاله ارائه شده اند خود به عنوان ویژگی های قطعی به واسطه داده های محدود در دسترس قلمداد می شوند. پیچیدگی شرایط زمین شناسی سبب ایجاد عدم قطعیت های مربوط به پارامترها (پارامترهای زمین شناختی و ژئومکانیکی) شده است، که می بایست آنها را نیز به حساب آورد. با اضافه نمودن انواع دیگر برآوردها (سلول های فشار) به این فرآیند می توان قابلیت ارتقای محاسبات از نقطه نظر ویژگی های کیفی به سمت ویژگی های کمی را حاصل آورد.