اثر پارامترهای عملیاتی مؤثر بر نشست سطح زمین در حفاری با دستگاه تعادلی فشار زمین EPBM (مطالعه موردی؛ تونل توسعه جنوبی خط 6 متروی تهران)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی‌ارشد؛ گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران

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

3 دانشیار؛ گروه مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات؛ دانشگاه آزاد اسلامی؛ تهران

10.22044/tuse.2019.8743.1373

چکیده

در مطالعه حاضر اثر برخی از مهمترین پارامترهای عملیاتی دستگاه تعادلی فشار زمین (EPBM) در زمان حفاری تونل بر میزان تغییرشکل و نشست سطح زمین مورد بررسی قرار گرفته است. اساس این تحقیق، به صورت مدلسازی عددی به روش تفاضل محدود (FDM) و با استفاده از نرم‌افزار FLAC3D است. مدل عددی ابتدا بر اساس شرایط هندسی و مشخصات فیزیکی و مکانیکی تونل خط 6 متروی تهران در بخش توسعه جنوبی (کیلومتراژ 600+02) ساخته شده و سپس بر پایه روش "تونل نامرئی" کالیبره و صحت‌سنجی شده است. از اینرو، در قالب تحلیل‌های پارامتریکی، اثر تنش ژئواستاتیکی در سینه‌کار تونل و فضای اطراف سپر (آنالوس) و نیز فشار تزریق گروت/ملات در پشت سگمنت بر میزان نشست سطح زمین مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با کاهش میزان فشار مرزی معادل (از kPa508 تا kPa 335) بر روی سینه کار و فضای آنالوس، تغییر زیادی در افزایش میزان نشست (از بازه 18/1 تا 48/1 میلیمتر) مشاهده نمی‌شود. همچنین نتایج حاصل از تحلیل پارامتریکی فشار گروت نشان داد که اعمال فشار گروت معادل با تنش ژئواستاتیکی قائم ( kPa335) نسبت به تنش ژئواستاتیکی افقی ( kPa357) در سینه کار تونل، اثر بیشتری در کنترل نشست سطح زمین دارد (به‌ترتیب 45/1 و 20/1 میلیمتر). ضریب فشار جانبی زمین کمتر از یک (K_0<1)، منجر به تخمین کمتر مقدار تنش ژئواستاتیکی افقی نسبت به تنش ژئواستاتیکی قائم شده است و در نتیجه اثرگذاری کمتر آن در کنترل میزان نشست سطح زمین مشاهده می‌شود. افزایش فشار گروت نسبت به تنش ژئواستاتیکی قائم منجر به کاهش قابل توجه نشست سطح زمین می‌گردد، اما افزایش بیش از اندازه این مقدار می‌تواند منجر به تغییرشکل و جابجایی‌های روبه بالا به صورت بالاآمدگی زمین در فاصله عرضی بیش از 20 متر (حدود 2 برابر قطر تونل) از محور تونل گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Effect of Operational Parameters Affecting Ground Surface in excavation with Earth Pressure Balance Shield Machine-EPBM (the case of Tehran Subway Southern Extension Tunnel- Line 6)

نویسندگان [English]

  • E. Bagheri 1
  • A. N. Dehghan 2
  • K. Ahangari 3
1 Department of Mining Engineering; Faculty of Engineering; Science and Research Branch; Islamic Azad University; Tehran; Iran
2 Department of Mining Engineering, Faculty of Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Department of Mining Engineering, Faculty of Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, the effect of some of the most important operational parameters of the tunnel boring machine (EPBM) has been investigated at the time of the tunnel excavation on the ground deformation and surface subsidence. The basis of this research is the finite difference method (FDM) using FLAC3D software. The numerical model was first constructed based on geotechnical parameters (physical and mechanical characteristics) of the Tehran Subway Southern Extension Tunnel-Line 6 and then calibrated and verified based on the "invisible tunnel" method. The results showed that by decreasing the boundary pressure on the face and the annulus, there is no significant change in the increase in the level of the surface subsidence. Also, the results of parametric analysis of the injection pressure of the grout showed that applying the pressure of the grout equivalent to the vertical geostatic stress relative to the horizontal geostatic stress in the tunnel face has more effect on the control of surface deformation and subsidence.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ground Surface Subsidence
  • EPB shield Machine
  • 3D Numerical Modeling
  • Finite difference method (FDM)
  • Face
  • annulus and grout pressure
  • Tehran Subway-Line 6
Alebouyeh, A., Dehghan, A. N., Goshtasbi, K. (2019). Identifying the geological hazards during mechanized tunneling in urban areas – the case of Tehran alluvium conditions. In Tunnels and Underground Cities. Engineering and Innovation Meet Archaeology, Architecture and Art (pp. 5264-5274). CRC Press.

Avanaki, M. J., & Dehghan, A. N. (2019). Seismic performance of steel fiber reinforced concrete segmented lining tunnels. In Tunnels and Underground Cities. Engineering and Innovation Meet Archaeology, Architecture and Art (pp. 5685-5691). CRC Press.

Avunduk, E., & Copur, H. (2018). Empirical modeling for predicting excavation performance of EPB TBM based on soil properties. Tunnelling and Underground Space Technology, 71, 340-353.

Bezuijen, A., & Talmon, A. M. (2014). Soil pressures at the cutting wheel and the pressure bulkhead of an EPB-shield. In 8th International symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground (IS-Seoul) (pp. 523-529). CRC Press.

Castellanza, R., Betti, D., & Lambrughi, A. (2008). Three-dimensional numerical models for mechanised excavations in urban areas. In Jornada tecnica tuneles con EPB (pp. 105-128).

Chakeri, H., Ozcelik, Y., Unver, B. (2013). Effects of important factors on surface settlement prediction for metro tunnel excavated by EPB. Tunn Undergr Space Technol, 36, pp 14–23.

Dehghan, A. N., Shafiee, S. M., & Rezaei, F. (2012). 3-D stability analysis and design of the primary support of Karaj metro tunnel: Based on convergence data and back analysis algorithm. Engineering geology, 141, 141-149.

Fang, Y., He, C., Nazem, A., Yao, Z., & Grasmick, J. (2017). Surface settlement prediction for EPB shield tunneling in sandy ground. KSCE Journal of Civil Engineering, 21(7), 2908-2918.

Guglielmetti, V., Grasso, P., Mahtab, A., & Xu, S. (2008). Mechanized tunnelling in urban areas: design methodology and construction control. CRC Press.

Grasmick, J., Rysdahl, B., Mooney, M. A., Robinson, B., Prantil, E., & Thompson, A. (2015). Evaluation of slurry TBM design support pressures using east side access Queens bored tunnels data. In Rapid Excavation and Tunneling Conference (RETC).

Goh, A. T. C., Zhang, W., Zhang, Y., Xiao, Y., & Xiang, Y. (2018). Determination of earth pressure balance tunnel-related maximum surface settlement: a multivariate adaptive regression splines approach. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 77(2), 489-500.

Kavvadas, M., Litsas, D., Vazaios, I., & Fortsakis, P. (2017). Development of a 3D finite element model for shield EPB tunnelling. Tunnelling and Underground Space Technology, 65, 22-34.

Karamniayi Far M., Dehghan A.N., (2019).  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. Tunneling & Underground Space Engineering (TUSE), 7(2), 63-85.

Leca E., New B., (2007). "Settlements induced by tunneling in soft ground", Tunnelling and Underground Space Technology, 22 (2) 119-149.

Lai, H., Zhao, X., Kang, Z., & Chen, R. (2017). A new method for predicting ground settlement caused by twin-tunneling under-crossing an existing tunnel. Environmental Earth Sciences, 76(21), 726.

Mooney, M. A., Grasmick, J., Kenneally, B., & Fang, Y. (2016). The role of slurry TBM parameters on ground deformation: Field results and computational modelling. Tunnelling and Underground Space Technology, 57, 257-264.

Mori, L., Mooney, M., & Cha, M. (2018). Characterizing the influence of stress on foam conditioned sand for EPB tunneling. Tunnelling and Underground Space Technology, 71, 454-465.

Sadeghi, M., Pourhashemi, S. M., Dehghan, A. N., & Ahangari, K. (2016). The Effect of Excavation Progress on the Behavior of Hakim Highway Tunnel Using Geotechnical Instrumentation. In ITA-AITES World Tunnel Congress (pp. 22-28).

Wood, A. M. (1975). The circular tunnel in elastic ground. Geotechnique, 25(1), 115-127.