در سال های اخیر در شهر های بزرگ جهان، برای رهایی از حجم سنگین سفر های شهری، راه اندازی سیستم های حمل و نقل زیرزمینی نظیر مترو و قطار های درون شهری بسیار ضروری به نظر می رسد. مشکلات فراوانی در برابر این طرح ها قرار دارد که از جمله این موانع می توان به نشست زمین اشاره کرد. چنانچه میزان جابجایی زمین از حدی تجاوز کند، باعث بروز ناپایداری در ساختمان های سطحی شده و تخریب آن ها را به دنبال خواهد داشت. بررسی رفتار خاک (زمین های غیر سنگی) در برابر احداث تونل یکی از مباحث مورد مطالعه در حوزه ئ ژئوتکنیک است که درسال های اخیر مقالات و مطالعات زیادی را به خود اختصاص داده است. از این رو در این مطالعه به محاسبه و بررسی میزان نشست سطحی زمین و تاثیر آن بر روی سازه های سطحی در یک مطالعه موردی (خط 2 متروی کرج) پرداخته شده است. در ابتدا به بررسی پارامتر های فیزیکی و مکانیکی خاک مسیر مورد مطالعه پرداخته شده است. سپس توسط نرم افزار عددی (flac 3d) میزان تغییر شکل ها و جابجایی ها در سطح زمین حاصل از حفر تونل بدست آمده است. سپس میزان حداکثر نشست سطحی در طول مسیر مورد مطالعه محاسبه شد. در برخی از مقاطع مدل شده میزان نشست سطحی بیش از حد مجاز بدست آمد. برای اطمینان از صحت مقدار نشست های بدست آمده توسط نرم افزار این نتایج با نتایج حاصل از ابزار دقیق (نشست سنج) مقایسه شد، که در نهایت مطابقت خوبی بین این نتایج وجود داشت. در ادامه برای جلوگیری و کاهش نشست زمین به بررسی روش هایی از جمله میخ کوبی، تزریق بتن در سقف تونل و فورپولینگ پرداخته شد. بررسی نتایج مدل سازی این روش ها در نرم افزار عددی نشان داد که روش کنترل جبهه حفاری و در واقع پیش نگهداری بهترین روش برای کاهش نشست سطحی زمین می باشد.

در حال حاضر به طور وسیع از روش های عددی برای طراحی سازه های زیرزمینی نظیر تونل، مغار، فونداسیون سدها و ... استفاده می شود. ولی اعتبار این طراحی به دقت اطلاعات ورودی و این که تا چه حد بیانگر رفتار واقعی توده دربرگیرنده باشد، بستگی دارد. در این پایان نامه ابتدا به بررسی روش های آنالیز برگشتی و انجام آنالیز برگشتی 4 مقطع تونل مترو کرج پرداخته ایم. در ادامه طرح تونل متروی شهری کرج و بررسی ابزار دقیق آن، عملیات رفتارنگاری سازه های زیرزمینی، چگونگی نصب و بهینه سازی عملیات نصب ابزار دقیق، شرایط و جنس زمین پیرامون تونل توضیح داده شده است. با ابزار بندی سازه و تحلیل برگشتی می توان اطلاعات ژئوتکنیک و پارامترهای ژئومکانیکی ورودی را مورد ارزیابی مجدد قرار داد و اختلاف بین رفتار واقعی و پیش بینی شده سازه مورد نظر را به حداقل رساند. همچنین جهت تعیین نقاط خطر آفرین و طراحی فضاهای زیرزمینی و سازه نگهدارنده، از روش های عددی استفاده می شود که کارایی و نتایج آن وابستگی بالایی به پارامترهای ورودی ژئومکانیکی مصالح زمین دارد. یک روش کارا و دقیق برای تعیین این پارامترها استفاده از روش آنالیز برگشتی است که در آن با بهره گیری از نتایج حاصل از رفتارنگاری و ثبت عکس العمل های برجای زمین شامل تنش ها و کرنش ها پس از حفاری تونل، می توان پارامترهای واقعی توده دربرگیرنده را تعیین نمود و از آن برای تصحیح طراحی فضای زیرزمینی و سازه نگهدارنده در فازهای آتی و پروژه های مشابه سود جست. با استفاده از مدل سازی توسط نرم افزار flac 2dدر ابتدا با استفاده از آنالیز حساسیت، پارامترهای نسبت تنش های جانبی محیطی و مدول ارتجاعی مصالح پیرامونی تونل، به عنوان پارامترهای تاثیر گذار شناخته شدند و بنابراین آنالیز برگشتی برای تعیین دقیق این دو پارامتر انجام شد. با توجه به طی مراحل جستجوی نقطه بهینه، مدول الاستیسیته (e) مقطع1، 310 مگاپاسکال، مقطع 2، 360 مگاپاسکال، مقطع 3،310 مگاپاسکال و مقطع 4، 315 مگاپاسکال و نسبت تنش افقی به قائم (k0) مقطع 1، 1.58، مقطع 2، 1.56، مقطع 3، 1.27 و مقطع 4، 1.33 به دست آمد. مطابق با نتایج بدست آمده برای هر دوی این پارامترها به مقادیری بیش از مقادیر مورد استفاده در طراحی تونل شهری کرج رسیدیم. این اختلاف را می توان به 3 عامل فرضیات در نظرگرفته شده، ابزار دقیق و از همه مهمتر خطای اندازه گیری پارامترهای ژئوتکنیکی که موضوع مورد بحث این تحقیق است، نسبت داد.

به دلیل ابعاد نسبتاً بزرگ ایستگاه های مترو و نرم بودن زمین، تأمین پایداری آن ها در حین اجرا اهمیت به سزایی دارد. در روشی نسبتاً جدید جهت پایدارسازی این نوع فضاها، ابتدا یک بخش در مقطع فوقانی حفاری و یک سیستم به نام ریب و شمع قبل از حفر مقطع اصلی ایستگاه در ابعادی بزرگ تر از مقطع نهایی نصب و سپس مقطع کامل ایستگاه در داخل آن حفاری می شود. بدین ترتیب، قبل از حفاری مقطع کامل، زمین اطراف مسلح شده و پایداری تونل راحت تر تأمین می گردد. قابلیت این سیستم جهت تأمین پایداری، کاهش مقادیر تغییر شکل های جداره تونل و مقدار نشست های سطح زمین و همچنین نیروهای ایجاد شده در اعضای سیستم ریب و شمع می باشد. به دلیل نبود تئوری های طراحی و تجربیات کافی در این زمینه، نیاز به تحلیل اندرکنش بین عوامل مختلف تأثیرگذار در پایداری این سیستم می باشد. در این پایان نامه یکی از ایستگاه های خط دو متروی کرج (ایستگاه e) که به روش ریب و شمع نگهداری می شود تحلیل می گردد. برای این کار با استفاده از نرم افزار اجزای محدود abaqus به صورت سه بعدی روند کامل حفاری و نگهداری ایستگاه مدل سازی شده و با روش های رایج (حفاری به صورت مرحله ای) مورد مقایسه قرار می گیرد. به منظور بررسی تأثیر استفاده از سیستم پیش-نگهداری ریب و شمع، با استفاده از نرم افزار فوق الذکر دو مدل مجهز به سیستم پیش نگهداری و فاقد آن، شبیه سازی شده و مورد مقایسه قرار می گیرد. نتایج حاصل نشان دهنده آن است که استفاده از این سیستم به طور متوسط در طول فرآیند ساخت ایستگاه مترو میزان نشست سطحی را به میزان 85 درصد و نشست تاج ایستگاه را نیز 89 درصد کاهش می دهد. از طرف دیگر استفاده از این سیستم موجب کاهش تغییر شکل (همگرایی و واگرایی) مقاطع مختلف حفاری ایستگاه می-گردد.