مدل‌سازی فیزیکی تونل کم عمق در خاک دانه‌ای سست با سطح زمین شیب‌دار

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی مقطع دکتری؛ دانشکده‌ مهندسی معدن، پردیس دانشکده‌های فنی

2 دانشکده‌ مهندسی معدن، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران

3 دانشکده مهندسی معدن و منابع انرژی، دانشگاه UNSW، سیدنی، استرالیا

4 دانش آموخته‌ مقطع کارشناسی؛ دانشکده‌ مهندسی معدن، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران

10.22044/tuse.2020.9268.1386

چکیده

پیش بینی جابه‏جایی های سطحی و زیرسطحی در عملیات حفاری فضاهای زیرزمینی یک امر حیاتی در راستای ایمنی و برنامه‏ریزی حوادث احتمالی است. مدلسازی فیزیکی بدلیل انجام مدلسازی در یک محیط واقعی و همچنین با استفاده از مواد طبیعی نقش بسیار مهمی در این زمینه بخصوص در زمین های نرم ایفا کرده است. این پژوهش نتایج یک سری مدلسازی فیزیکی حفرتمام مقطع تونل در اعماق کم خاکهای ماسه ای، در شرایط شیبدار بودن سطح زمین، را ارائه میکند. استفاده از صفحات شفاف در ساخت محفظه‏ی این مدل اجازه‏ی عکسبرداری از جابجایی های خاک در هنگام حفر تونل را میسر کرده است. با توجه به این امکان، از آنالیز تصویری به منظور ثبت جابجایی های خاک و نشست سطح زمین استفاده شده است. نتایج آزمایش ها در این پژوهش حاکی از آن است که در صورت شیبدار بودن سطح زمین بالای تونل، منحنی نشست سطح نامتقارن بوده و سطح شکست ایجاد شده در بالادست شیب به صورت دوخطی با زاویه شیب‌های متفاوت ظاهر می شود. گرچه حتی با وجود سطح شیبدار حداکثر نشست سطح در راستای تاج تونل اتفاق می‌افتد، اما در عمق یکسان تونل، مقدار نشست برای سطح زمین شیبدار حدود 25 درصد بیشتر از حالت سطح زمین افقی است. براساس کنتورهای جابجایی، محدوده تخریب شده در اطراف تونل به دو ناحیه نزدیک تونل و ناحیه نزدیک به سطح زمین تقسیم بندی شد. در ناحیه نزدیک تونل، شیب دیواره مرز تخریب در بالادست شیروانی حدود 10 درجه کمتر از دیواره مرز تخریب در پایین دست شیروانی بوده که نشان از گستردگی بیشتر محدوده تخریب به سمت بالادست شیروانی دارد. در ناحیه نزدیک به سطح زمین، شیب دیواره مرز تخریب مستقل از عمق تونل بوده و در همه مدل‌ها مقدار ثابت 54 درجه را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Physical Modeling of Shallow Tunnels in Loose Granular Soils with a Sloping Ground Surface

نویسندگان [English]

  • N. Moussaei 1
  • M. H. Khosravi 2
  • M. Farouq Hossaini 3
  • Seyed F. Alerasul 4
1 University of Tehran
2 University of Tehran
3 School of Minerals and Energy Resources Engineering, UNSW, Sydney, Australia
4 University of Tehran
چکیده [English]

The prediction of the surface settlement and ground displacement due to the underground excavation is a key factor for the stabilization and planning to control probable incidents. Due to the real condition and natural modeling materials, physical modeling has critical role in this area. In this research, a series of physical model tests was conducted to study the influence of tunnel depth on the ground deformation and ground surface settlement in a loose sandy ground. Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used, as a non-destructive image processing technique, to measure the ground deformation and surface settlement during the tunneling process. The results show that in case of a sloping ground surface, the settlement trough is asymmetric and the deformed zone and ground settlement in extended upward the slope. Although the maximum surface settlement still appeared along the crown of the tunnel, its value increased up the 25%, compared to a horizontal ground surface with a tunnel at the same depth. The deformed areas in the models were divided into two district portions; the deformed zone close to the tunnel and the deformed zone close to the ground surface. In the deformed zone close to the tunnel, in general, the dip of the boundary increased with an increase of the tunnel depth. Moreover, the lower side boundary was about 10 degrees steeper that the upper side boundary. In the deformed zone close to the ground surface, the deformed boundary has an inclination of 54 degrees for all the models, independent of the tunnel depth. .

کلیدواژه‌ها [English]

  • shallow tunnel
  • Sloping Ground Surface
  • Loose Granular Soil
  • Physical Modeling
  • Image Processing
Abdoli Fazel, A., Emami Tabrizi, M., & Afshin, H., 2015. Physical modeling of settlement in sandy soil due to mechanized tunneling. Tunneling & Underground Space Engineering (TUSE) 69-84.

Bai, Z., & Wu, S. C. (2012). Calculation method of surrounding rock pressure for shallow and unsymmetrical tunnel under deep valley terrain. Advanced Materials Research, 170-173, 1382-1387.

Boonsiri, I., & Takemura, J. (2015). A Centrifuge Model Study on Pile Group Response to Adjacent Tunnelling in Sand. Japan Society of Civil Engineers, 3, 1-18.

Dargahi, M., 2010, Study of the Effect of Plastic Fines on the Anisotropic Behavior of Saturated Sands under Undrained Loading Condition, Bachelor Thesis, University of Tehran, College of Engineering.

Gharehdash, S., Barzegar, M., 2013. Numerical Analysis of the Effect of Tunnel- Building Interaction on Surface Settlement. Tunneling & Underground Space Engineering (TUSE) 49-64.

Hossaini, S.M.F., Shaban, M., Talebinezhad, A., )2010(. Effect of space between twin tunnel faces on the surface settlement. International Mining Congress and Expo, Tehran.

Katoh, Y., Miyake, M., & Wada, M. (1998). Ground deformation around shield tunnel. Paper presented at the Proceedings of the International Conference on Centrifuge Modelling (Centrifuge’98).

Khosravi, M., Pipatpongsa, T., & Takemura, J. (2013). Experimental analysis of earth pressure against rigid retaining walls under translation mode. Geotechnique, 63(12), 1020.

Kirsch, A. (2010). Experimental investigation of the face stability of shallow tunnels in sand. Acta Geotechnica, 5(1), 43-62.

Kutter, B. (1994). Collapse of cavities in sand and particle size effects. Proceedings of Centrifuge 94, 809-815.

Lei, M., Peng, L., & Shi, C. (2015). Model test to investigate the failure mechanisms and lining stress characteristics of shallow buried tunnels under unsymmetrical loading. Tunnelling and Underground Space Technology, 46, 64-75. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2014.11.003

Marshall, A., Farrell, R., Klar, A., & Mair, R. (2012). Tunnels in sands: the effect of size, depth and volume loss on greenfield displacements. Geotechnique, 62(5), 385.

Moussaei, N., Khosravi, M. H., Hosseini, M. F., Alerasoul, S. F., 2016. Numerical study of the influence of depth, Gap parameter and in situ stresses on the surface settlements. 6th Iran Rock Mechanics Conference (IRMC)

Moussaei, N., Khosravi, M. H., & Hossaini, M. F. (2019). Physical modeling of tunnel induced displacement in sandy grounds. Tunnelling and Underground Space Technology, 90, 19-27.

Moussaei, N., Sharifzadeh, M., Sahriar, K., & Khosravi, M. H. (2019). A new classification of failure mechanisms at tunnels in stratified rock masses through physical and numerical modeling. Tunnelling and Underground Space Technology, 91, 103017.

Pan, H. K., Zhang, Y. G., & Hu, J. C. (2011). The mechanics analysis and feedback design for shallow multi-arch tunnel under unsymmetrical pressure. Advanced Materials Research, 261-263, 1114-1118.

Rahman Nezhad, R., Esfandiari, M., Namazi, A., Jamshidi, H., 2013. Numerical Analysis of Longitudinal and Transverse Surface Settlement Induced by EPB Tunneling- A Case Study: Shiraz Subway Tunnels, Tunneling & Underground Space Engineering (TUSE), 88-100

Yang, X. L., & Wang, J. M. (2008). Stress dilatancy analysis of shallow tunnels subjected to unsymmetrical pressure. Central South University of Technology, 15, 28-33.

Zuo, C. Q., Chen, J. P., & Liu, H. (2011). Load calculation method of tunnels with shallow buried depth and unsymmetrical pressure in regions of weak fissured surrounding rock. Advanced Materials Research, 243-249, 3364-3369.