بررسی اثر سیستم پیش نگهداری (فورپولینگ) بر کنترل نشست سطح زمین ناشی از حفاری تونل های کم عمق شهری تحت بارگذاری ترافیک ریلی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته‌ی کارشناسی ارشد مهندسی عمران؛ گرایش ژئوتکنیک، دانشکده فنی و مهندسی، واحد الکترونیکی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 استادیار؛ گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

10.22044/tuse.2019.7345.1345

چکیده

این مطالعه بر اساس مدل‌سازی­های دوبعدی (2D) و سه‌بعدی (3D) مراحل مختلف حفاری تونل زیرگذر ضربعلی­زاده- مداح تحت بار ترافیک ریلی جهت ارزیابی تغییر شکل و نشست سطح زمین به کمک نرم‌افزار المان محدود پلکسیس (PLAXIS) انجام گرفته است. نتایج حاصل از مدل‌سازی عددی دوبعدی معرف شرایط پایدار تونل به‌واسطه ظرفیت قابل قبول سیستم­های نگهداری (اصلی و موقت) طراحی‌شده در بخش‌های مختلف تونل (دیواره­های اصلی، میانی و کف بند) در برابر بارهای ترکیبی مختلف است. همچنین بر اساس آنالیز حساسیت انجام‌شده در مدل‌سازی دوبعدی، مقاومت چسبندگی و مدول الاستیسیته از پارامترهای المان معادل سیستم فورپولینگ استفاده‌شده در اطراف تونل به‌عنوان سیستم پیش نگهداری، به ترتیب بیشترین تأثیر در کنترل نشست سطح زمین دارند. علی‌رغم وضعیت پایدار تونل، مقدار نشست سطحی به‌دست‌آمده از مدل‌سازی عددی دوبعدی (44 میلی‌متر) بزرگ‌تر از حداکثر مقدار نشست مجاز تونل (43 میلی‌متر) بوده است و نیز معرف تغییر شکل نسبتاً زیاد سطح زمین در مقایسه با داده­های ثبت‌شده توسط ابزار دقیق (30 میلی‌متر) در حین حفاری و اجرای تونل دارد. به‌منظور بررسی دقیق‌تر اثر فورپولینگ بر کنترل نشست سطحی، مدل‌سازی سه‌بعدی مراحل حفاری با لحاظ نمودن پروفیل تغییر شکل طولی (Longitudinal Deformation Profile) (LDP) سینه­کار تونل انجام گرفت. نتایج حاصل معرف مجاز بودن حداکثر مقدار نشست سطحی به‌دست‌آمده از مدل‌سازی سه‌بعدی (32 میلی‌متر) بوده و همچنین از تطابق بسیار خوبی با داده­های ابزار دقیق (30 میلی‌متر) برخوردار است. با توجه به اینکه در مدل‌سازی سه‌بعدی مقدار ترخیص یا رهاسازی تنش در مراحل مختلف حفاری بر اساس پروفیل تغییر شکل طولی سینه­کار در نظر گرفته می­شود، ازاین‌رو مقادیر ترخیص تنش لحاظ شده در مدل‌سازی سه‌بعدی نسبت به مدل‌سازی دوبعدی که بر اساس روابط تجربی لحاظ می­شوند، به شرایط واقعی زمین در زمان اجرای تونل نزدیک‌تر و دقیق‌تر می­باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Effect of Pre-Support System (Forepoling) on the Control of Ground Surface Subsidence caused by SEM/NATM in Shallow Urban Road Tunnels under Railway Traffic Loading

نویسندگان [English]

  • Mohammad Karamniayi Far 1
  • Ali Naghi Dehghan 2
1 M.Sc. in Civil Engineering; Faculty of Engineering, Electronic Campus, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor; Department of Mining Engineering, Faculty of Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Summary
In recent years, mountain tunneling method such as SEM/NATM has been used for tunnel construction even in urban areas because of its cost effectiveness. When this method is used in urban areas compared to mountainous areas, it is important to impose some constrained conditions, such as restrictions of surface settlement and ground water drawn down, because of existing constructions such as buildings, pile foundations and underground pipes around the tunnel face. It is said that the increase of the use of mountain tunneling method in the urban areas is due to the development of auxiliary methods such as face bolting and forepoling.
Because of plain-strain condition in tunnel excavation along the tunnel axis direction, some two-dimensional (2D) models have been applied to evaluate the ground surface settlement generated by different phases of excavation. The deformation modes of tunneling face are different. The excavation face deformation is a three-dimensional (3D) problem. It would be more complicated considering forepoling implementation and face injection effects on deformations. The longitudinal displacement profile of the tunnel crown has been generated by 3D models and the typical proposed stress release relations in this research work have beem compared and evaluated.
 
Introduction
A method for reducing-induced ground movements in open-faced tunneling is to use tunnel support methods such as  forepoling umbrella system. Forepoles are often used for supporting the ground ahead of the tunnel face during excavation. They also provide temporary support to unlined portion of tunnels. Forepoles are usually installed along the tunnel periphery in the longitudinal direction to form a supportive arch ahead of the tunnel face. This paper investigates the effect of forepoles on the stability of the tunnel face and ground surface settlement during a tunnel excavation in Tehran alluvium.
 
Methodology and Approaches
This study was conducted based on 2D and 3D numerical models of Zarbalizadeh-Maddah underpass tunnel for controlling the face stability and deformation of the surrounding ground using PLAXIS finite element software.
 
Results and Conclusions
The results of the 2D numerical modeling carried out in this research work represent the stable conditions of the tunnel due to the acceptable capacity of the support systems (primary and temporary) designed in different sections of the tunnel (e.g. side walls, middle walls, and invert) against different combinational loads. In spite of the stable condition of the tunnel, the surface subsidence obtained from the 2D numerical modeling (43 mm) represents a relatively high value of deformation of the ground surface compared to the instrumentation data (30 mm) recorded during the tunnel excavation. In order to more accurately investigate the effect of forepoling on the control of the surface subsidence, 3D modeling of the excavation stages was performed considering the longitudinal deformation profile (LDP) of the tunnel face. The results indicate a lower value of surface subsidence (32 mm) compared to the 2D modeling (43 mm). The 3D modeling results are also in very good agreement with the instrumentation data of the surface subsidence (30 mm). 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ground Surface Subsidence
  • SEM/NATM
  • Pre-Support System
  • Forepoling
  • Railway Traffic Loading
  • 2D & 3D Numerical Modeling
  • Finite Element mMethod (FEM)
  • Zarbalizadeh-Maddah Underpass Tunnel