تاثیر سازه های سطحی لایه بندی زمین و مشخصات هندسی تونل بر بارهای وارد بر پوشش تونلهای کم عمق

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.