منجمد نمودن مصنوعی زمین برای حفر تونل در خاک ماسه ای. اندازه گیری و تحلیل برگشتی

منجمد نمودن مصنوعی زمین برای حفر تونل در خاک ماسه ای. اندازه گیری و تحلیل برگشتی – 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.

منجمد نمودن مصنوعی زمین برای حفر تونل در خاک ماسه ای. اندازه گیری و تحلیل برگشتی

مجله فن آوری تونل سازی و فضاهای زیرزمینی

الزویر

2015

چکیده

این مقاله به سوایق مرتبط با تونل خدماتی با 13 متر عرض و 17 متر ارتفاع و 40 متر طول در ایستگاه «تولیدو» اختصاص دارد که قبلا در یک چاه عمیق روباز، ساخته شده و متعلق به خط 1 شبکه زیرزمینی شهر ناپل می باشد. خط 1 موجود اخیرا گسترش یافته و شامل پنج ایستگاه جدید می باشد که با تونل های ریلی دو قلو به طول 5 کیلومتر به هم متصل شده اند. چاه اصلی ایستگاه تولیدو در کنار خط واقع شده و با تونل های خدماتی بزرگی که ذکر شد، به سکوهای عابرپیاده متصل می گردد. ایستگاه در مرکز تاریخی شهر ناپل، در عمق، در زیر یک منطقه شهری واقع شده است. در شکل 1 مقطع طولی از چاه اصلی ایستگاه و تونل خدماتی اصلی همراه با ساختمان های بالایی و اطراف، ترسیم شده است. تمرکز این مقاله بر نشست ناشی از حفاری تونل و بکارگیری فن آوری انجماد مصنوعی زمین (AGF)[1] می باشد که امکان حفاری های ایمن را برای تاج های بزرگ تونل های خدماتی ارائه نموده در حالی که نصف آنها در لایه ماسه لای دار قرارگرفته و نصف دیگر در سنگ توف زردرنگ، در زیر سفره های آب زیرزمینی قرار گرفته است.

کلمات کلیدی: [2]NATM، تونل، انجماد مصنوعی زمین، تحلیل عددی، مدل سه بعدی

• پروژه

  • مقدمه

این مقاله به سابقه تونل خدماتی با 13 متر عرض و 17 متر ارتفاع و 40 متر طول در ایستگاه تولیدو اختصاص دارد که در یک چاه عمیق روباز، ساخته شده و متعلق به خط 1 شبکه زیرزمینی ناپل می باشد. خط 1 موجود اخیرا گسترش یافته و پنج ایستگاه جدید را شامل شده است که با تونل های ریلی دو قلو به طول 5 کیلومتر به هم متصل شده اند. چاه اصلی ایستگاه تولیدو در کنار خط واقع شده و با تونل های خدماتی بزرگی که ذکر شد، به سکوهای عابرپیاده متصل می گردد. ایستگاه در مرکز تاریخی شهر ناپل، در عمق زیر یک منطقه شهری واقع شده است. در شکل 1 یک مقطع طولی از چاه اصلی ایستگاه و تونل خدماتی اصلی همراه با ساختمان های بالایی و اطراف، ترسیم شده است.

[1] – Artificial Ground Freezing

[2]  – روش جدید تونلسازی اتریشی (New Austrian Tunneling Method)

تمرکز این مقاله بر نشست ناشی از حفاری تونل و بکارگیری فن آوری انجماد مصنوعی زمین(AGF)[1] می باشد که امکان حفاری های ایمن را برای تاج های بزرگ تونل های خدماتی بوجود آورد است، در حای که نصف آنها در لایه ماسه لای دار قرارگرفته و نصف دیگر در سنگ توف زردرنگ، در زیر سفره های آب زیرزمینی قرار گرفته است.

• تونل خدماتی

به گزارش اسناد طراحی، تونل به اصطلاح خدماتی، یک کارکرد موقت داشته و به عنوان نقطه ای برای شروع بزرگ شدگی مقاطع تونل های دوقلوی در حال اجرا بوده به منظور آنکه سکوهای عابر پیاده را شامل شوند. همچنین تونل خدماتی به جهت اتصال دائمی دو طرف سکوها طراحی شده که  تونل های در حال اجرا را از طریق راهرو عابر پیاده از روگذر می کند. در آخر، این تونل همچنین به عنوان نقطه شروعی برای ساخت یک تونل ارتباطی عابر پیاده طولانی بوده که برای عابران امکان خروج اضطراری از خروجی دوم واقع در حدود 150 متری پس از چاه اصلی ایستگاه را فراهم می کند. پس از پایان یافتن چاه اصلی، کار حفاری تونل خدماتی بزرگ، ابتدا با ساخت یک تونل کوچکتر که مسیر آن از بالای تونل خدماتی عبور می کند، آغاز می شود. این تونل آخر، در همان خاک ماسه لای دار آتشفشانی حفر شده اما مستقیما در بالای سفره آب زیرزمینی قرار دارد و به این دلیل، بسیار نزدیک به فونداسیون ساختمان ها می باشد. بسیاری از مقاطع تونل خدماتی بزرگ ، در سنگ نرم حفر شده در حالیکه فقط یک بخش کوچک از سقف باید در لایه ماسه ای حفر شود. در شکل 2 یک مقطع طولی با جزئیات بیشتر در طول تونل خدماتی و مسیر بالای آن(تونل کوچک) ترسیم شده است.

خاک زیرین در محل قرارگیری تونل از دو ترکیب اصلی تشکیل شده است: ماسه آذرآواری با تراکم شل به متوسط(به محلی به آن پوزولانا گفته می شود) به عمق 37 – 40 متر از سطح زمین، قرار گرفته بر رویه یک لایه سنگ بستر متشکل از سنگ های آتشفشانی نرم (سنگ زرد توف ناپلی) می باشد. سفره آب زیرزمینی به صورت تقریبا افقی در تمام سطح و محل قرارگیری آن در حدود 27 متری بالای کف تونل خدماتی می باشد. با توجه به اسناد طراحی، مسیر کوچک ابتدا برای تزریق شیمیایی سیمان در دو طرف، و در کف تونل خدماتی(در لایه توف ) و برای حفر یک مجرای انتهایی با تزریق جت(در لایه ماسه ای) استفاده شده است. سپس همان مسیر برای نصب سیستم لوله زیر عمودی مورد نیاز برای انجماد مصنوعی زمین، مورد استفاده قرار گرفته است.

[1] – Artificial Ground Freezing

• مطالعات ژئوتکنیکی

  • آزمون های محلی و آزمایشگاهی

در مرحله طراحی، تحقیقات ژئوتكنيكی برای چاه ایستگاه و تونل خدماتی بزرگ، انجام شده است. این تحقیقات به طور معمول شامل هر دو نوع آزمایش های انجام شده در محل و در آزمایشگاه می باشد. برای طراحی تونل خدماتی، تعداد 4 گمانه در محدوده عمق های بین 39 و 41 متر از سطح زمین حفر شده است. در شکل 5 یک نمای پلان و یک مقطع طولی به همراه موقعیت گمانه ها ترسیم شده اند. همانطور که درشکل های قبلی نشان داده شد، خاك زیرین را می توان به دو لایه اصلی تقسیم نمود؛ ماسه لای دار سست در بالا، به طور متناوب همراه با توده از پومیس و خاکستر آتشفشانی، که به عمق متوسط حدود 40 متر گسترش یافته و در بالای سنگ زرد توف نرم که گاهی شکسته می باشد، قرار دارد. در مرحله اجرا، کندن مسیر کوچک و حفاری گمانه ها برای نصب نیزه های انجماد، اطلاعات کلی(Pellegrino ،1976 ؛ Pellegrino و Croce، 1967) از شرایط ژئوتکنیکی در محل  را به میزان قابل توجهی افزایش داده است. آزمایش های SPT[1] متعدد در گمانه های S1 – S4  صورت گرفته است و در پایان عملیات حفاری، تعدادی پیزومتر استوانه ای و جام های کازاگرانده نصب شده اند. همانطور که در مقطع شکل 5 ترسیم شده است، نمونه ها در اعماق مختلفی گرفته شده اند. نمونه گیری  پیستون آستربرگ برای خاک ماسه ای شل استفاده شده: نمونه ها از بالای جدول آب زیرزمینی برداشته شده اند، لذا رطوبت آنها به صورت نیمه اشباع شده، می باشد. اتخاذ قطر 86 میلی متری نمونه گیری همراه با مکش موجود در نمونه های خاک، در به حداقل رساندن اختلال ناشی از فرآیند نمونه برداری، کمک نموده است. در بستر سنگی دو لوله با هسته تیوبی برای گرفتن نمونه هاي دست نخورد، زیر سفره آب زیرزمینی استفاده شده است، که بنابراین، این نمونه ها به طور کامل اشباع شده می باشند. در شکل 6، در سمت چپ، تعداد SPT ها در مقابل عمق آنها، برای خاک شنی نسبتا سست، ترسیم شده است. آنها به طور معمول، برخی از پراکندگی ها را نشان می دهند اما همچنین روند افزایش آنها با عمق، با مقادیری در محدوده ای از 15 در 6 متر عمق تا 45-50 در عمق 30 متر،  به وضوح قابل مشاهده است. بر اساس روابط پیشنهاد شده توسط Kulhawy و Mayne (1990) چگالی نسبی خاک برای بالاترین لایه زمین ساخت، در حدود 0.45 و  برای ماسه لاي دار موجود در عمیق پایینتر، 0.65تخمین زده می شود. این مقادیر متناظر با زاویه اصطکاک ՜φ حدود ˚32 برای لایه بالایی و ˚36 – ˚37 برای لایه پایینی می باشند که هردو با استفاده از رابطه همبستگی API(1987) تخمین زده شده اند. در همان شکل، وزن مخصوص خاک با آب طبیعی محتوای آن و توزیع اندازه دانه بندی برای نمونه های بازگیری شده، بدست آمده و برحسب عمق ترسیم شده است.

[1]  – آزماش نفوذ استاندارد ((Standard Penetration Test

• خواص نمونه های خاك یخ زده و یخ گشایی شده

به منظور بررسی خواص خاک بهسازی شده، پیشتر، تست های آزمایشگاهی بر روی نمونه های یخ زده و پس از آن ذوب شده، انجام گرفته است تا خواص مکانیکی که در مرحله طراحی به خاک اختصاص داده می شود،  به دست آید. دستور کار آزمایش با استفاده از نوعي سلول سه محوری مخصوص، سازگار با کارکردن تحت شرایط کنترل شده درجه حرارت و همچنین کنترل نرخ جابه جایی و فشار محدود، انجام شده است. در این دستگاه مخصوص ساخته شده برای کار در شرایط برودتی، مایع سلولی اتیلن گلیکول بوده و همچنین ماده سرماساز در گردش در استوانه درونی شامل همان مایع می باشد. برای ایزوله کردن نمونه خاک، در سیلندر بزرگتر و خارجی، خلاء تولید می شود. اسلاید های ذخیره سازی بارگذاری به صورت عمودی در غلاف های آببند، زمانی که به سنسور هایLVDT[1]  متصل گردند، جابجایی ها را ضبط می کنند. در همان حال، سلول بارگذاری ثابت شده در زیر نوار متقاطع قاب بارگذاری، امکان اندازه گیری بار محوری اعمال شده را فراهم می کند. فشار سلول و فشار آب حفره ای از طریق سه خط مرزی مستقل کنترل می شوند در حالی که یک مبدل انرژی نزدیک به نمونه که قبلا حرارت آن ضبط شده است، قرار می گیرد(Cantone و همکاران ، 2006).

[1] – ترانسفورمرهای تفاضلی متغییر خطی که نوعی سنسور می باشند و می توانند جابجایی های بسیار کوچک را اندازه گیری کنند.

(Linear Variable Differential Transformer)

• ساخت تونل

  • تکنولوژی و مراحل ساخت

مرحله اول احداث تونل خدماتی، حفاری مسیر کوچک بالای تاج آن می باشد(شکل 3 و 4را ببینید). این مسیر در خاک ماسه ای لایدار با تراکم سست تا متوسط، دقیقا بالای سفره آب زیرزمینی در ارتفاع  متر بالاتر از تراز آب دریا و فقط 8 متر پایینتر از فونداسیون ساختمان های موجود، حفر می شود. حفاری از طریق روش تونلسازی اتریشی جدید(NATM)[1] تحت حفاظت میخ کوبی تزریقی در تاج و در طول کناره های عمودی، انجام می شود، میخ کوبی فایبرگلاس برای تثبیت صفحه روبه رویی با گام های پیشرویی کوتاه 1 متری بلافاصله پس از نصب و راه اندازی موقت پشتبند های فولادی و شاتکريت دیواره ها، استفاده می شود.

تزریق هر دو مواد شیمیایی و سیمانی از طریق مسیر کوچک در قسمت ها پایینی اطراف تونل خدماتی انجام می شود. همچنین یک مجرای انتهایی ضد آب در ستون های تزریق جت سیمانی شده، با شروع از مسیر کوچک محقق می شود. در نهایت، حفاری افقی جهت دار از چاه اصلی ایستگاه و حفاری زیر عمودی از مسیر کوچک برای نصب نیزه های انجماد، انجام می گیرد. روش AGF برای ایجاد قوس انجماد در سقف تونل بزرگ که عمدتا باید در خاک ماسه ای لایدار و قسمت بالای بستر سنگی با سنگ توف حفر شود، استفاده شده است که به همراه لوله های انجماد داخل شده به آن، به طول تقریبا 4 متر می باشد. قوس انجماد با استفاده از نيتروژن خالص به عنوان مایع در گردش، بسیار سریع گسترش یافته است. درجه حرارت به سرعت تا محدوده  کاهش می یابد و درعرض چند هفته، قوس با ضخامت تقریبا 1.4 متر کامل می گردد. دما برای مدت 6 ماه، بین   و  پایدار مانده، با استفاده از آب نمک ارزان به عنوان مایع در گردش، ثابت نگه داشته می شود. قوس انجماد در خاک ماسه ای لایدار و توف زرد، با تزریق هر دو ماده میکرو سیمان ها و سیلیکات ها، با همدیگر از مجرای انتهایی در جت تزریق، یک لایه قوی و ضد آب مقاوم در اطراف تونل بزرگ خدماتی که باید حفر گردد، تشکیل می دهد.

[1] – New Austrian Tunneling Method

• نظارت و کنترل

برنامه نظارتی که آماده شده و در طول مدت احداث تونل خدماتی فعال بوده و براساس برداشت ارتفاعی [نقشه برداری] ساختمان های اطراف که مجهز به بنچ مارک ثابت شده هستند و پیزومتر های نصب شده در عمق های مختلف اطراف چاه اصلی ایستگاه و تونل خدماتی می باشد. شکل 10، یک تصویر پلان را از ساختمان های موجود با قرارگرفته بر روی مسیر زیرزمینی نشان می دهد. در همان شکل همچنین محل قرارگیری بنچ مارک ها و پیزومتر ها ترسیم شده است. در شکل 11،  نشست اندازه گیری شده توسط برداشت ارتفاعی از بنچ مارک ها، متناظر با مقطع BB՜ (شکل 10 را ببینید) پس از تکمیل شدن مسیر کوچک و پس از تکمیل شدن تونل خدماتی و پس از ذوب شدن یخ خاک، برحسب فاصله از خط مرکزی طولی تونل، ترسیم شده است. بیشترین نشست در بنچ مارک شماره 146 اتفاق افتاده که در سطح زمین و در فاصله 20 متری از محل بازشدگی تونل در چاه دسترسی قرار گرفته است. در طی احداث مسیر کوچک، بیشینه نشست به مقدار 12 میلی متر می رسد. نشست در طی فرآیند تزریق و نصب سیستم انجماد، ثابت باقی می ماند. احداث تونل خدماتی تحت حفاظت قوس انجماد(AGF) موجب می شود که نشست تا مقدار 20 میلی متر افزایش یابد، بزرگترین مقدار افزایش همراه با حفاری اولیه تاج اتفاق می افتد. فرایند ذوب شدن یخ خاک، بیشینه نشست را با افزایش نسبتا قابل توجهی که به نحوی بزرگتر از مقدار قابل انتظار می باشد، تا مقدار 32 میلی متر بالا می برد. به گفته Shuster (2000)، به عنوان مثال، نشست ذوب شدگی فقط درحدود 20% بزرگتر از جابجایی رو به بالا(بالاآمدگی) بوجود آمده در مراحل اولیه انجماد می باشد که در اینجا، تقریبا ناچیز بوده است. یک نشست نسبتا کم عرض در اطراف تونل از اندازه گیری های تغییرمکان های کوچک رو به بالا در فواصل بزرگ، مشخص شده است. این مسئله می تواند با افزایش حجم بوجود آمده در طی عملیات انجماد(شکل 13 را ببینید) یا با خطای کم دقتی ناشی از عملیات برداشت نقشه برداری، یا هر دو، توجیه گردد.

• تفسیر تجربی نشست های مشاهده شده

نشست های ناشی از ساخت تونل عمدتا در نتیجه دو دلیل می باشد: تغییرات تنش در اطراف حفره به علت برداشتن و استخراج خاک، و مقدار حجم کم خاک استخراج شده برای ایجاد فضای کافی جهت پوشش های بتنی موقت و ماندگار در داخل تونل حفاری شده. این تغییرمکان ها معمولا خلاصه شده و به پارامتر حجم از دست داده شده  (که به طور معمول به عنوان درصدی از حجم مقطع مدور کامل با قطر D بیان می شود) مربوط می گردند:

• مدل Dfm[1] برای تحلیل برگشتی رفتار مشاهده شده

  • مدل و مراحل محاسبه

در سال های اخیر مطالعات متعددی برای تفسیر و تحلیل برگشتی پدیده های فیزیکی در ارتباط با انجماد و ذوب، منتشر شده است. Viggiani و DeSanctis (2009) فرآیند هایی را تحلیل نمودند که بر روی تعادل گذرای یک حجم خاک انجام شده بود، که با استفاده از کدهای المان محدود نرم افزار Abaqus ، انتشار گذرای گرما را بررسی کردند. Colombo (2010) مسئله انتشار گرما را با مقایسه روش های حل تحلیلی و روش های تحلیل عددی به دست آمده از طریق روش المان محدود (FEM)[2]، مطالعه نمود. Papakonstantinou و همکاران  (2012) با همبندسازی حرارتی – هیدرولیکی، بحث درجه حرارت های مشاهده شده زمین در طی فرآیند انجماد را به صورت عددی بررسی نمودند. اندکنش حرارتی-هیدرو-مکانیکی ناشی از انجماد مصنوعی زمین توسط Casini و همکاران(2013) با استفاده از مدل مشخصه که رفتار انجماد و عدم انجماد را دربر می گرفت، مطالعه شد. در این مقاله، شرایط گذرا درنظر گرفته نشده است. فقط تلاش شده تا اثرات ناخالص مشاهده شده در فرایند های انجماد و ذوب را در نظرگرفته و افزایش اندازه گیری شده نشست در انتهای فرآیند ذوب، مقدار مورد نظر هدف باشد.

[1]  – مدل با ابعاد واقعی (Dimensional Fact Model)

[2] – Finite Element Method

• نتایج تحلیل برگشتی عددی

 در شکل 18 مقایسه بین نشست مشاهده شده در بنچ مارک شماره 146(که در بالای خط مرکزی طولی تونل قرار گرفته) و مقادیر محاسبه شده، بیان شده است. در همان شکل، همچنین رخدادهای مهم فرآیند ساخت به صورت مختصر شرح داده شده است. می توان مشاهده نمود که به رغم ساده سازی های زیادی که در مرحله مدلسازی انجام گرفت و در بخش های قبلی بحث شد، یک مطابقت خوب در هر دو مقدار های بیشینه و راستاها نشست وجود دارد.

به عنوان مثال، تغییر مکان های کوچک به سمت بالا(3-4 mm) که بوسیله فرآیند انجماد بوجود آمده اند، مسلما در محاسبات انجام گرفته پیش بینی نشده اند، منجمد شدن خاک فقط با افزایش ناگهانی در مقدار ثابت مقاومت و سختی مصالح یخ زده، شبیه سازی شده است.

• نتیجه گیری

یک بررسی موردی نسبتا پیچیده از احداث یک تونل خدماتی بزرگ در ایستگاه تولیدو در شهر ناپل به صورت مختصر ارائه شد. چند نوع روش بهسازی خاک استفاده شد، روش انجماد مصنوعی خاک یکی از این روش ها بود. قوس انجماد هر دو لایه ماسه لایدار و چند متر بالایی پوسته سطحی خاک توف زرد در زیر سفره آب زیرزمینی را دربر می گیرد. تمام مراحل ساخت با یک برنامه اختصاصی کنترل و طراحی برای اندازه گیری و کنترل تاثیرات حفاري تونل، همراهی شده است، لذا یک فرصت منحصر بفرد را برای جمع آوری داده های میدانی از عملکرد روش انجماد مصنوعی زمین(AGF)، فراهم نموده است. اندازه گیری های میدانی جمع آوری شده در طی روند کامل احداث، در واقع امکان بررسی نشست خاک را با توجه به فرآیند انجماد-ذوب شدن و ملایم ساختن تنش ها و تغییردادن خصوصیات خاک درگیر در حفاری فراهم می سازد، که اطلاعات مفیدی را برای اجرای پروژه های مشابه آتی، بدست می دهد.

مهمترین اثرات(نشست) در ساختمان های بالای تونل، در طی مرحله ذوب شدن، ثبت شده اند. نشست مربوط به ذوب شدن، در واقع تقریبا سه برابر بزرگتر از نشست بیشینه ثبت شده در طی مرحله انجماد می باشد. پس از چندین سعی، در روش کلاسیک آزمون و خطا، مشخص گردید که تفسیر ممکن برای این رویداد، بر اساس افت پیوند خاک توف زرد می باشد که با کاهش چسپندگی در مدل موور-کلومب ناشی از چرخه های انجماد و ذوب، نتیجه می شود. تحلیل برگشتی در روش آزمون و خطا، با استفاده از مدل سه بُعدی کامل در بسته نرم افزاری مدلسازی با ابعاد واقعی(DFM) Flac3D انجام گرفته است. همخوانی کلی بین اندازه گیری ها و محاسبات نسبتا رضایت بخش بوده و همچنین باید خاطر نشان کرد تحلیل برگشتی بر اساس مدل کامل سه بُعدی بوده است و همخوانی مقادیر، بدون هیچگونه پیش فرض دلخواه بمانند پیش فرض های دلخواه مربوط به انتخاب ضریب کاهش تنش λ (Panet و Guenot ، 1982) در روش های تحلیل دو بعدی، بدست آمده است.