یکی از پدیده های مهمی که ممکن است باعث بروز مشکلات در عملیات تونلسازی، نگهداری و بهره برداری از تونل به خصوص در سنگ های ضعیف شود، مچاله شوندگی سنگ های مسیر آن است. مچاله شوندگی به همگرایی وابسته به زمان تونل ها در خلال حفاری گفته می شود. این پدیده هنگامی روی می دهد که تنش های القائی بوجود آمده در اثر حفاری زیرزمینی بیشتر از مقاومت برشی توده سنگ های دربرگیرنده حفره باشد. پدیده مچاله شوندگی ماهیتی وابسته به زمان دارد و شامل دو مرحله می باشد بطوریکه پس از پیشروی جبهه کار تونل، چنانچه تنش پیرامون دهانه از مقاومت توده سنگ تجاوز کند، توده سنگ بلافاصله شروع به مچاله شوندگی می نماید و به این پدیده مچاله شوندگی آنی گفته می شود. چنانچه تنش انباشته شده از مقاومت توده سنگ تجاوز نکند ولی برای ایجاد خزش کافی باشد، آن گاه موجب همگرایی به سمت داخل تونل می شود و به آن مچاله شوندگی ثانویه (خزشی) گفته می شود. این تغییرشکل ها ممکن است در خلال احداث تونل خاتمه یافته و یا برای مدت زمان طولانی ادامه یابد. مقدار همگرائی تونل، سرعت تغییرشکل و گسترش ناحیه تسلیم شده در اطراف تونل بستگی به عوامل متفاوتی دارد که هر یک به تنهایی تاثیرات بسیار زیادی بر روی نتایج می گذارد. تونل انتقال آب دشت ذهاب با طولی بالغ بر 25684 متر و قطر 6.73 متر در غرب ایران و در استان کرمانشاه واقع است. بخش اعظمی از مسیر این تونل از سنگ های آهکی به همراه شیل و مارن تشکیل شده و در آن چندین زون گسله همراه با ساختارهای تاقدیسی و ناودیسی به چشم می خورد و روباره در مسیر تونل به 998 متر می رسد. این موضوع شرایط را برای وقوع پدیده مچاله شوندگی در قسمت هایی از مسیر تونل مهیا نموده است. به همین منظور به ارزیابی و مدلسازی و تحلیل این پدیده در این تونل پرداخته شد. در این پروژه به ارزیابی پدیده مچاله شوندگی توسط روش های تجربی، نیمه تجربی، تحلیلی – تئوریک پرداخته شد و توده سنگ های واقع در سازند های 94 و 95 در مقطع های 23080 و 23340 دارای بیشترین پتانسیل وقوع پدیده مچاله شوندگی شناخته شد. سپس توسط نرم افزار های عددی تفاضل محدود پیوسته flac2d5.00 و flac3d3.00 به مدلسازی این پدیده با مدل برگر خزشی (cvisc) برای مدت یک ماه پرداخته شد. با توجه به تحلیل های انجام شده، مقطع 23080 به علت کیفیت پایین توده سنگ بحرانی تشخیص داده شد و نیازمند تجدید نظر در طراحی سیستم نگهداری برای جلوگیری از پدیده مچاله شوندگی می باشد ولی تاثیر این پدیده در مقطع 23340 مشکلی ایجاد نخواهد کرد.

استفاده از روش های آنالیز برگشتی امروزه کار را برای تحلیل بر روی ساختارهای زیرزمینی آسان کرده است. مهندسین از روش های مختلف آنالیز برگشتی در طراحی پارامترهای سیستم نگهداری ساختارهای زیرزمینی استفاده می کنند. روش های آنالیز برگشتی به طور کلی روش هایی هستند که با استفاده از جابجایی های اندازه گیری شده در تونل، پارامترهای سیستم کنترلی به دست می آید. استفاده از جابجایی ها در آنالیز برگشتی به این دلیل است که اندازه گیری جابجایی ها در فیلد کار بسیار آسان و ساده می باشد لذا این پارامتر می تواند در آنالیز برگشتی به طور گسترده های استفاده گردد. روش های آنالیز برگشتی در نهایت منجر به یک تابع خطا یا تابع ارزش می شود که می تواند با استفاده از ابزارهای بهینه سازی، بهینه گردند. در این پایان نامه از روش آنالیز برگشتی مستقیم جابجایی های اندازه گیری شده در تونل استفاده شده است و روش بهینه سازی تک متغیره متناوب از روش های بهینه سازی دقیق مورد استفاده قرار گرفته است. روش تک متغیره متناوب به این صورت انجام می شود که n پارامتر مجهول به طور همزمان بر طبق یک مسیر جستجو تغییر می کنند تا سرانجام تابع خطا کمینه گردد. مورد مطالعاتی این پایان نامه تونل انتقال آب دشت دهاب در استان کرمانشاه می باشد. آنالیز برگشتی در این تونل بر روی دو مقطع 3000 و 4800 متری انجام گرفته است. پارامترهای مجهول در آنالیز برگشتی برای مقطع 3000 متر، مدول الاستیسیته، زاویه اصطکاک داخلی، چسبندگی و حد کشش توده سنگ می باشد و در مقطع 4800 متر به دلیل وجود رفتار خزشی در توده سنگ علاوه بر 4 پارامتر مجهول ذکر شده در بالا، مدول برشی کلوین، ویسکوزیته ماکسول و ویسکوزیته کلوین می باشد. مقادیر پارامترهای بهینه به دست آمده از آنالیز برگشتی برای مقطع 3000 برای مدول الاستیسیته، زاویه اصطکاک داخلی، چسبندگی و حد کشش به ترتیب معادل 1.25 گیگاپاسکال، 15.5 درجه، 28 کیلوپاسکال و 11 کیلوپاسکال می باشد. نتایج این پارامترها برای مقطع 4800 حاصل از آنالیز برگشتی به ترتیب معادل 16.5 گیگاپاسکال، 47.2 درجه، 4.5 و 1.05 مگاپاسکال به دست آمده است مقادیر بهینه این 4 پارامتر برای مقطع 3000 متر در آنالیز برگشتی سه بعدی به ترتیب معادل 1.12 گیگاپاسکال، 14.8 درجه، 30 و 11 کیلوپاسکال حاصل شده است. مقادیر 3 پارامتر مجهول موجود در مدل خزشی برگر برای مدول برشی کلوین، ویسکوزیته کلوین و ویسکوزیته ماکسول به ترتیب معادل 21 گیگاپاسکال، 86.5 گیگاپاسکال ساعت و 9200 گیگاپاسکال ساعت به دست آمده است. اختلافات به دست آمده برای پارامترهای مجهول در دو آنالیز برگشتی دو سه بعدی در حدود 10.4، 4.5، 6.7 و 15.4 درصد به ترتیب ذکر شده در بالا می باشد.

تونل های آبی از اهمیت بالایی برای بقا حیات شهری برخورددار هستند. بررسی پایداری سیستم های نگهداری این تونل ها با توجه به زمان استفاده این تونل ها که از اکثرا مادام العمرمی باشند، از اهمیت بالایی برخوردار است. پروژه انتقال آب نوسود کرمانشاه که با هدف انتقال آب از منطقه کرمانشاه به خوزستان احداث شده است در طول 50 کیلومتر بعلت عبور از مناطق کوهستانی از گزینه تونل استفاده می شود.سیستم حفاری این تونل سیستم حفاری مکانیزه ی دو سپره و نگهداری آن استفاده از قطعات لاینیگ می باشد. بررسی پایداری سسیتم های قطعات بتنی پیش ساخته اغلب بدون در نظر گرفتن درزه های موجود ما بین رینگ های بتنی صورت می پذیرد. که این امر سبب می شود تا شکست های بوجود آمده در رینگ بتنی ناشی از اعمال نیروی فشاری بالاتر از مقاومت فشاری بتن ایجاد شود. در حالیکه با توجه به مشاهدات صورت گرفته در محیط های اجرایی شکست در این رینگ های بتنی در فشاری کمتر از مقاومت های بتنی و در محل تماس درزه ها مشاهده می شود. در این پایان نامهدر بررسی سیستم های نگهداری به ساختار هندسی و جزییات طراحی آن ها توجه شدو سیستم نگهداری توسط نرم افزار تفاضل محدود 3بعدی flac3d شبیه سازی شد و نتایج حاصل با نتایج حاصل از بررسی رینگ بتنی همراه با درزه های موجود در آن با نتایج حاصل از شبیه سازی سیستم نگهداری بصورت یک پوسته ی استوانه ای مقایسه و ارزیابی شد ماکزیمم جابجایی از بررسی رینگ ها همراه با در نظر گرفتن درزه ها 8 میلی متر بدست آمد که با نتایج حاصل از اندازه گیری های برجا هماهنگی بیشتری داشت .

توسعه روزافزون کشور در بخش های مختلف اعم از حمل و نقل عمومی شهری، ترابری بین شهری و شبکه های جمع آوری و انتقال آب و فاضلاب، نیاز به احداث تونل های جدید را در کشور ضروری می سازد. طی سال های اخیر، حفاری مکانیزه تونل ها با دستگاه tbm با توجه به بالا بودن سرعت اجرا و کیفیت مطلوب آن به عنوان یک گزینه برای حفر تونل تلقی می شود. از مهم ترین مزایای حفاری مکانیزه اجرای نگهداری دائم با استفاده از قطعات پیش ساخته بتن آرمه بنام سگمنت می باشد. این قطعات هم زمان با عملیات حفاری در پشت سپر انتهایی نصب شده و با ادامه عملیات حفاری و پیشروی دستگاه به منظور توزیع یکنواخت بار وارده از سازند روی پوشش بتنی، فاصله خالی بین این قطعات و توده سنگ دربرگیرنده با تزریق شن نخودی (pea gravel) و دوغاب از طریق حفره های تعبیه شده پر می شود. تجارب اجرایی به خصوص در پروژه حفاری مکانیزه نشان دهنده این موضوع بوده است که پر شدن کامل پشت پوشش بتنی از شن نخودی، امکان پذیر نیست. ریزش های موضعی اتفاق افتاده در دیواره و سقف تونل، صعوبت تزریق شن نخودی در سگمنت سقف، نشست و متراکم شدن آن در اثر لرزش های ناشی از عبور قطار حمل مصالح و همچنین نشت دوغاب سیمان و غیره را می توان بعضی از دلایل عدم پر شدگی کامل دانست. پر نشدن فضای خالی پشت سگمنت (تزریق تماسی نامناسب) ممکن است منجر به تمرکز تنش در پوشش بتنی شده و ناپایداری سازه را در پی داشته باشد. در این مطالعه تأثیر میزان و نوع پرشدگی بر بار وارد بر پوشش بتنی بررسی شد. برای بررسی تأثیر میزان پرشدگی بر بار وارد بر پوشش بتنی 6 وضعیت پرشدگی مختلف در نظر گرفته شده است که عبارتند از: وضعیت های پرشدگی 0%، 50%، 70%، 90%، سقف خالی و پرشدگی کامل. نتایج به دو صورت کیفی و کمی بررسی شد. بررسی کیفی نتایج نشان داد که تغییر درجه پرشدگی باعث تغییر در الگوی جابجایی های توده سنگ و پوشش بتنی، تغییر الگوی تغییرشکل پوشش بتنی، تغییر ابعاد ناحیه پلاستیک اطراف تونل و همچنین باعث تغییر مکان حداکثر نیروی محوری و حداکثر ممان خمشی در پوشش بتنی می شود. ارزیابی کمی نتایج نیز نشان داد که کاهش درجه پرشدگی باعث افزایش تنش طراحی در پوشش بتنی می شود به طوری که تنش طراحی برای مقطع 3000 تونل انتقال آب نوسود در وضعیت پرشدگی 0% از نوع کششی و برابر با 7/12 مگاپاسکال و در وضعیت پرشدگی کامل از نوع فشاری و برابر 6/8 مگاپاسکال می باشد. همچنین در این پایان نامه تأثیر خواص مکانیکی مدول الاستیسیته، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی مخلوط شن نخودی و دوغاب تزریق شده بر نیروهای محوری و ممان های خمشی ایجاد شده در پوشش بتنی تونل نوسود مورد بررسی قرار گرفت.

کنترل آبهای زیرزمینی همواره یک مساله ی مهم در احداث بیشتر سازه های زیرزمینی در توده سنگ می باشد. عدم کنترل این عامل می تواند بیش از هر عامل دیگری دلیل اصلی هزینه ی اضافی و تاخیر در برنامه ی ساخت سازه گردد. از این رو تخمین مناسب نرخ نفوذ آب می تواند در تعیین راستای بهینه ی حفر تونل، نیاز احتمالی نگهداری زمین، به دست آوردن یک برنامه ی دقیق و تخمین هزینه بسیار مهم باشد. در این پایان نامه سعی شده است روشی به کار گرفته شود که امکان تعیین دبی نفوذی به تونل با در نظر گرفتن دقیق سیستم درزه ی موجود در منطقه در آن وجود داشته باشد. بدین منظور اقدام به توسعه ی کدی مکمل گردید که در آن به عنوان پایه از ترکیب کدهای fraciut3d و fluiut3d استفاده شده است که به ترتیب به منظور تولید شبکه ی درزه و حل جریان در سیستم درزه طراحی شده اند. این کدها قابلیت مدل کردن درزه ها را به صورت دیسکی و سه بعدی داشته و برای حل جریان از روش شبکه ی جریان لوله ای استفاده می کنند. در کد توسعه داده شده، تونل به صورت استوانه در نظر گرفته شده است که در مقابل تونل های خطی که در روش شبکه ی جریان لوله ای استفاده می شوند یک روش جدید محسوب می شود. به عنوان مطالعه ی موردی ، تونل بلند زاگرس انتخاب شد که از داده های زمین شناسی آن برای ساخت مدل استفاده شده است. چگالی سه بعدی، که یکی از پارامترهای ورودی به مدل به شمار می رود، با استفاده از یک تحلیل برگشتی ساده و با دانستن تعداد برخورد درزه با پنجره ی برداشت محاسبه شده است. با استفاده از ساخت شبکه ی شکستگی های مختلف ابتدا مدل مورد نظر از لحاظ هندسی به وسیله ی آزمون واتسون- ویلیامز با منطقه ی مورد مطالعه مطابقت داده شد. به منظور واسنجی هیدرولیکی مدل، از داده های آزمایش های لوژان انجام شده در منطقه استفاده شده است. از آنجاکه این کد قابلیت انجام چنین آزمایشی را در خود نداشت، کد مکمل دیگری توسعه داده شد و سپس این آزمایش ها در آن صورت گرفت. بازشدگی درزه به دست آمده از این مرحله برای ادامه ی مدلسازی ها مورد استفاده قرار گرفت. با استفاده از نتایج به دست آمده، تنسور نفوذپذیری موجود در منطقه، به منظور بررسی امکان جهت یافتگی جریان، محاسبه و از آن برای بررسی عدم قطعیت نتایج به دست آمده در مرحله ی قبل استفاده گردید و پس از اطمینان از صحت مدلسازی به تعیین میزان دبی نفوذی به درون تونل پرداخته شد. بررسی تنسور نفوذپذیری منطقه نشان داد که سیستم درزه ی موجود در محیط مورد مطالعه، باعث هدایت جریان به جهت خاصی نمی گردد، بنابراین در تعیین راستای بهینه ی حفر تونل عامل ناهمسانگردی در نفوذپذیری تاثیرگذار نیست. مقایسه ی مقدار نفوذپذیری به دست آمده با اعداد لوژان مورد استفاده در مدل نشان داد که نفوذپذیری حاصل از مدل مطابقت بیشتری با روابط تجربی دارد. میزان دبی به دست آمده از مدل نیز از مقدار بیشتری نسبت به مقادیر پیش بینی شده توسط روابط تحلیلی برخوردار بود.

چندین نمونه از این سازندها از داخل تونل آبرسانی برداشت شده و تحت آنالیز راک- اول قرار گرفته اند. میانگین محتوای toc نمونه های سازندهای گرو و گورپی به ترتیب 8% و 89% می باشد. نتایج حاصل از آنالیز راک- اول نشان داد که بر اساس محتوای toc کروژن غالب ابن سازندها از نوع کروژن تیپ iii بوده، سازند گرو در منطقه مورد مطالعه با داشتن 3/1 ro> به بلوغ حرارتی کافی رسیده در صورتی که سازند گورپی با داشتن 5/0 ro< به بلوغ حرارتی کافی نرسیده است. بر پایه مقادیر tmax حاصل از آنالیز راک- اول سازند گرو یک سنگ منشا بالغ بوده و به پنجره نفتی رسیده است در صورتی که سازند گورپی هنوز به مرحله کاتاژنز نرسیده است. از میان شکستگی های سازند گرو حجم بالایی از گاز h2s به داخل تونل نشت می کند، به گونه ای که غلظت این گازها به بیش از 400ppm نیز می رسد. اسیدسولفوریک (h2so4) حاصل از ترکیب این گاز با آب سبب انحلال سنگ های دیواره تونل شده به گونه ای که لایه ای از ژیپس که حاصل این واکنش ها می باشد بر روی دیواره و کف تونل رسوب کرده است. بدین ترتیب احتمال داده می شود که گازهای وارد شده به تونل در حین حفاری از سازند گرو منشأ گرفته باشند.

پیش بینی دقیق نرخ نفوذماشین حفاردر پروژه های حفاری در سنگ سخت تأثیر زیادی در تخمین میزان هزینه و مدت زمان اجرای پروژه دارد. تا کنون مدل های بسیاری برای پیش بینی نرخ نفوذماشین حفار ارائه شده است؛ کههر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود بوده اند. طی بررسی های انجام شده بهترین مدل به منظور پیش بینی نرخ نفوذ،مدل های امتیازدهی می باشند. در تجربیات گذشته نشان داده شده است که اصلاح شاخص های رده بندی توده سنگ به تنهایی نمی تواند شاخص خوبی به منظور پیش بینی نرخ نفوذ باشد. در نتیجه نیاز به معرفی یک شاخص جدید که دربرگیرنده پارامتر های ماشین حفار به همراه شرایط زمین باشند احساس می شد. در این تحقیق با استفاده از ابزار تطبیقی جعبه ابزار شبکه عصبی نرم افزارmatlab سعی شد پارامترهای موثر بر نرخ نفوذ ماشین حفار تونلبا کمترین همپوشانی و بیش ترین تأثیر انتخاب شوند؛ اینپارامترهاعبارت اند از سرعت چرخش سر حفار، نیروی پیشران به ازای هر کاتر، امتیازرده بندی توده سنگ اصلاح شده، مقاومت کششی؛همچنین برای وزن دهی به پارامترها با استفاده از نظر متخصصان و به وسیله تحلیل سلسله مراتبی فازی دلفی وزن هر یک از پارامترها به دست آمد تا مدل جدید از وابستگی کمتری به داده ها وجامعیت بیشتری برخوردار باشد. با توجه به اهمیت نسبی پارامترهای مورد استفاده مجموع امتیازات،100 در نظر گرفته شده است. همچنین در طبقه بندی جدید هر چهار پارامتر به تنهایی طبقه بندی و مورد امتیازدهی به صورت غیرخطی قرار گرفتند، در مرحله بعد برای اعتبارسنجی سیستم،امتیازدهی جدید برای برداشت های به دست آمده از 18 قطعه با خصوصیات ژئومکانیکی مختلف در پروژه تونل انتقال آب زاگرساعمال شد.سپس به کمک تحلیل رگرسیونی رابطه ریاضی y = 0.0621x - 0.8098بین امتیاز به دست آمده از مدل جدید با مقادیر واقعی نرخ نفوذ با ضریب تعیین r² = 0.9191به دست آمد.در ادامه مقادیر پیش بینی شده به وسیله مدل جدید با مقادیر پیش بینی شده به وسیله مدل های دیگر و مقادیر واقعی نرخ نفوذ مقایسه و مورد تحلیل قرار گرفتند. مقادیر پیش بینی شده به وسیله مدل جدید،بیش ترین نزدیکی را با مقادیر واقعی نرخ نفوذ نسبت به مدل-های دیگر بررسی شده از خود نشان داد.

پروژه¬های زیرزمینی و زیرساختی عموماً پروژه¬های پیچیده با متغیرهای زیادی از جمله شرایط متغیر و نامطمئن زمین و آب¬های زیرزمینی هستند و اطلاعات حاصله اکثراً به صورت غیرمستقیم به¬دست می آیند. این شرایط ریسک¬های قابل توجهی را بر تمام اجزای پروژه حتی قسمت¬هایی که به صورت غیرمستقیم با پروژه در ارتباط¬ می¬باشند، وارد آورده و منجر به صرف هزینه¬های زیاد و تأخیرات زمانی در انجام پروژه می-گردد. مدیریت درست و به موقع این ریسک¬ها موجب حداقل کردن احتمال وقوع یا اثر پیامدهای منفی بر اهداف پروژه می¬شود. رتبه¬بندی با فراهم آوردن امکان پاسخ¬دهی به موقع به همه¬ی ریسک¬ها، کمک شایانی به انجام هرچه موفق¬تر فرآیند مدیریت ریسک می¬نماید. در این تحقیق به اولویت¬بندی ریسک¬ زمین¬شناسی در تونل¬سازی مکانیزه با استفاده از روش¬های شباهت به گزینه ایده¬آل فازی و تحلیل سلسله مراتبی دلفی فازی در تونل انتقال آب نوسود پرداخته شده و به منظور دست یافتن به نظری واحد از استراتژی اولویت¬بندی استفاده شده است. به منظور این اولویت¬بندی ابتدا ریسک¬های زمین¬شناسی شناسایی و عوامل مؤثر بر آن تعیین شده است. این محاسبات در 19 پهنه به صورت مجزا انجام و در نهایت 3 ریسک به عنوان ریسک بالا (اصلی) در هر پهنه مشخص شده است. نتایج تحلیل¬ها طبق روش شباهت به گزینه¬ی ایده¬آل فازی در پهنه¬های مختلف نشان می¬دهد که نشت گازهای سمی موجود در سنگ¬ها و نشت و هجوم آب به داخل تونل به ترتیب مهمترین مخاطره موجود در تونل بلند زاگرس می باشند و ریزش و سقوط بلوک¬های سنگی به همراه پدیده¬ی لهیدگی با شاخصی برابر در رده¬ی بعدی اهمیت قرار می¬گیرند. لازم به ذکر است نتایج تحلیل¬ها طبق روش تحلیل سلسله مراتبی دلفی فازی نزدیک به روش شباهت به گزینه¬ی ایده¬آل فازی می¬باشد با این تفاوت که پدیده¬ی لهیدگی جای خود را به برخورد با پهنه¬¬های خرد شده و گسله خواهد داد. تکنیک ادغام نیز نشت گازهای سمی موجود در سنگ¬ها، نشت و هجوم آب به داخل تونل و برخورد با پهنه¬های خرد شده و گسله را در پهنه¬های مختلف به عنوان مهمترین مخاطرات موجود در این تحقیق معرفی می¬نماید که این تحلیل مشابه نتایج روش تحلیل سلسله مراتبی دلفی فازی می¬باشد. نتایج حاصل از اعتبارسنجی بر صحت و نزدیکی محاسبات با واقعیت تاکید دارد.