مطالعه عددی پارامتریک تأثیر وجود سازه سطحی بر نشست‏های ناشی از حفاری تونل

کاتبی, هوشنگ; رضایی فرعی, امیر حسن; شیرزه حق, مجتبی

doi:10.22075/jtie.2019.16077.1343

مطالعه عددی پارامتریک تأثیر وجود سازه سطحی بر نشست‏های ناشی از حفاری تونل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز.

² استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهیدمدنی آذربایجان، تبریز

³ دانشجوی دکتری ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.

10.22075/jtie.2019.16077.1343

چکیده

استفاده از سیستم حمل و نقل زیرزمینی مترو یکی از ضروریات توسعه شهری است. حفاری تونل مترو در محیطهای شهری معمولاً با استفاده از دستگاه TBM-EPB صورت میگیرد و نشست‏های سطحی ناشی از آن میتواند برای سازههای سطحی و زیرساختهای شهری خطرناک باشد. در این مطالعه، تأثیر وجود سازه سطحی بر نشست‏های سطحی ناشی از حفاری تونل مترو بررسی شده است. این بررسی شامل مقاطعی از متروی مادرید و سه مقطع فرضی یک لایه بوده و سه پارامتر جنس خاک، تعداد طبقات سازه سطحی و نسبت روباره به قطر تونل ( ) به عنوان متغیر فرض گردیده است. بدین منظور، سه نوع خاک (ماسه آهکی، رس قهوهای و رس پلاستیک آبی)، تعداد طبقات برای سازه سطحی (۳، ۵ و ۱۰) و سه نسبت (1، 5/1 و 2) انتخاب شده است. در مدل‏سازیهای دوبعدی حفاری تونل از روش کنترل افت حجم و مدل رفتاری موهر-کولمب برای خاک استفاده گردیده است. بر اساس نتایج حاصل، وجود سازه سطحی و تأثیر سختی ناشی از آن، همواره نشست‏های ناشی از حفاری تونل را کاهش داده است. البته میزان کاهش نشست‏ها بسته به نوع خاک، تعداد طبقات سازه سطحی و نسبت تونل متفاوت بوده و با تعویض جنس خاک، میزان تأثیرگذاری دو پارامتر دیگر تغییرات محسوسی داشته است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

A Numerical Parametric Study on the Effects of Surface Structure on Tunneling-Induced Settlements

نویسندگان [English]

Hooshang Katebi ¹
Amirhasan Rezaei farei ²
Mojtaba Shirzehhagh ³

¹ Associate Professor, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz.

² civil engineering department, faculty of engineering, Azarbaijan Shahid Madani university

³ Faculty of Civil Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran

چکیده [English]

The need for development of an urban underground transport network is increasing in modern cities. Nowadays, to excavate metro tunnels in urban areas, earth pressure balanced-tunnel boring machine (TBM-EPB) is widely employed. Nevertheless, inevitable ground movements in the surroundings of the tunnel could still be dangerous for surface structures and urban infrastructures. In this study, the effect of surface structure on tunneling-induced surface settlements was investigated. This study consisted of some sections of Madrid metro project and three hypothetical monolayer sections, and the three assumed variables were soil type, number of surface structure stories, and surface loading to tunnel diameter ratio (C/D). Three types of soil (calcareous sand, brown clay and blue plastic clay), three number of stories for surface structure (3, 5 and 10) and three C/D ratios (1, 1.5 and 2) were chosen for the parametric study. The volume loss control method and Mohr-Columb model for soil were used in the two-dimensional modeling of TBM tunneling. Results indicated that the existence of surface structures and their stiffness effect have always decreased tunneling-induced settlements. However, the intensity of this settlement reduction varied with soil type, number of surface structure stories and C/D ratio, and by changing the soil type, the effectiveness of the other two parameters varied sensibly.

کلیدواژه‌ها [English]

Mechanized tunneling
Settlement
Surface structure
Numerical modeling
Abaqus

مراجع

اکبری، ص.، زارع، ش. و میرزایی، ح. 1394. "ارزیابی تأثیر عمق بر اندرکنش تونل‏های تکی و دوقلو در محیطهای شهری با استفاده از مدل‏سازی عددی سه بعدی". مهندسی زیرساختهای حمل و نقل، 1(۴): 59-78.

پنجی، م.، انصاری، ب. و عسگری مارنانی، ج. 1395. "تحلیل تنشی تونل‏های سطحی در خاک‏های لایه‌ای با استفاده از روش اجزای مرزی نیم‌صفحه". مهندسی زیرساختهای حمل و نقل، 2(1): 17-32.

حیدری، ر. و فهیمیفر، ا. 1397. "تأثیر وزن ناحیه شکسته بر توزیع تنش و جابجایی محیط اطراف تونل". مهندسی زیرساختهای حمل و نقل، 4(۱): 17-26.

رضایی فرعی، ا. ح. 1393. "تأثیر سازههای سطحی، لایهبندی زمین و مشخصات هندسی تونل بر بارهای وارد بر پوشش تونل‏های کم عمق". رساله دکتری، دانشگاه تبریز.

Franzius, J. N., Potts, D. M. and Burland, J. B. 2006. “The response of surface structures to tunnel construction”. Proc. Inst. Civ. Eng.-Geotech. Eng., 159: 3-17.

Giardina, G., DeJong, M. J. and Mair, R. J. 2015. “Interaction between surface structures and tunnelling in sand: Centrifuge and computational modeling”. Tunn. Undergr. Sp. Tech., 50: 465-478.

Guglielmetti, V., Grasso, P., Mahtab, A. and Xu, S. 2008. “Mechanized Tunnelling in Urban Areas: Design Methodology and Construction Control”. Taylor & Francis Group, London, UK.

Jenck, O., Dias, D. 2004. “3D-finite difference analysis of the interaction between concrete building and shallow tunnelling”. Geotechnique, 54 (8): 519–528.

Karakus, M. 2007. “Appraising the methods accounting for 3D tunnelling effects in 2D plane strain FE analysis”. Tunn. Undergr. Sp. Tech., 22: 47-56.

Kastner, R., Standing, J. and Kjekstad, O. 2003. “Avoiding Damage Caused by Soil-structure Interaction: Lessons Learnt from Case Histories”. Thomas Telford.

Katebi, H., Rezaei, A. H., Hajialilue-Bonab, M. and Tarifard, A. 2015. “Assessment the influence of ground stratification, tunnel and surface buildings specifications on shield tunnel lining loads (by FEM)”. Tunn. Undergr. Sp. Tech., 49: 67-78.

Koungelis, D. K. and Augarde, C. E. 2008 “Comparative study of software tools on the effect of surface loads on tunnels: Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground”. Taylor & Francis Group, London, UK.

Lambrughi, A., Medina Rodriguez, L. and Castellanza, R. 2012. “Development and validation of a 3D numerical model for TBM-EPB mechanized excavation”. Comp. Geotech., 40: 97-113.

Mroueh, H., and Shahrour, I. 2002. “Three‐dimensional finite element analysis of the interaction between tunneling and pile foundations”. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 26(3): 217-230.

Mroueh, H., and Shahrour, I. 2003. “A full 3-D finite element analysis of tunneling–adjacent structures interaction”. Comp. Geotech., 30(3): 245-253.

Mirhabibi, A. and Soroush, A. 2013 “Effects of building three-dimensional modeling type on twin tunneling-induced ground settlement”. Tunn. Undergr. Sp. Tech., 38: 224-234.

Panji, M. and Ansari, B. 2017. “Modeling pressure pipe embedded in two-layer soil by a half-plane BEM”. Comp. Geotech., 81: 360-367.

Panji, M. and Ansari, B. 2017. “Transient SH-wave scattering by the lined tunnels embedded in an elastic half-plane. Eng. Anal. Bound. Elem., 84: 220-230.

Potts, D. M. and Zdravković, L. 1999. “Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering: Theory”. Vol. 1, Thomas Telford.

Rebello, N., Sastry, V. R. and Shivashankar, R. 2014. “Study of surface displacements on tunnelling under buildings using 3DEC numerical modeling”. Int. Scholar. Res. Notices, 2014: ID 828792, 13 p.