تحلیل دینامیکی تونل‌های دایروی شهری و اثر عوامل محیطی بر رفتار متفاوت این سازه‌ها

نوع مقاله: یادداشت فنی

نویسندگان

1 دکترای تخصصی عمران؛ گرایش خاک؛ دانشکده مهندسی؛ دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

2 دانشیار؛ گروه مهندسی عمران؛ دانشکده مهندسی؛ دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

تونل‌های زیرزمینی با مقطع دایروی امروزه کاربرد زیادی در زمینه‌ حمل و نقل دارند. یکی از بارزترین کاربردهای آن، متروهای شهری است که با کمک ماشین‌های حفر تونل (TBM) ایجاد می‌گردد. بررسی رفتار اینگونه سازه‌ها در برابر زلزله در زمان بهره‌برداری امری است که بایستی حتماً در هنگام طراحی مد نظر قرار گیرد. اگر چه خسارات ایجاد شده در سازه‌های مدفون در زلزله‌های اخیر کمتر از سازه‌های سطحی بوده است ولی از آنجا که اینگونه سازه‌ها به عنوان نقاطی امن در هنگام زلزله تلقی می‌شود بایستی حتماً در برابر نیروهای زلزله، مقاومت لازم را داشته باشند. در این تحقیق، ابتدا به چگونگی انتخاب پارامترهای دینامیکی خاک همچون مدول برشی دینامیکی و نیز میرایی پرداخته و نحوه‌ انجام تحلیل دینامیکی تونل‌های دایروی توسط نرم‌افزار PLAXIS توضیح داد شده است. تحلیل دینامیکی برای تونلی خاص برای دو مدل رفتاری خطی ارتجاعی و نیز موهر کلمب انجام گرفته و نتایج با هم مقایسه شده‌اند. در تحلیل های انجام گرفته شده برای درنظر گرفتن اثرات تغییرشکل ها و تغییرات تنش در محیط اطراف در اثر حفاری تونل، مراحل حفاری و تغییرات در پوشش تونل نیز وارد مدل شده و در انتها، تحلیل دینامیکی انجام گرفته است. در این بررسی، به پاسخ دینامیکی متفاوت این تونل‌ها در پارامترهای مختلف خاک پرداخته شده و اثرات تغییرات زاویه اصطکاک داخلی خاک، چسبندگی خاک، مدول برشی حداکثر و نیز میرایی خاک در حالات مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Dynamic analysis of circular urban tunneling and effects of different parameters on response of tunnels

نویسندگان [English]

  • Vahab Besharat 1
  • Jafar Boluri bazaz 2
1 Ph.D of Geotechnics; Civil Engineering department,Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran
2 Associate Professor; Faculty of Engineering, Civil Eng., Ferdowsi University of Mashhad
چکیده [English]

Circular Tunnels are used in urban transportation nowadays. One of their major applications is metro tunnel which is built by TBM. An investigation of these structures during an earthquake should be considered in design of these structures.
 
Methodology
For studying dynamic behavior of tunnel under earthquake motion, PLAXIS software, which is based on finite element code, is used. In this study, the method of seismic analysis of tunnel with PLAXIS is explained. For more accuracy, the data are used based on Tabriz tunnel properties. The dynamic properties of soil, and also, the method of iterative process for finding acceptable shear strain are obtained from previous study and the result of some dynamic tests. Numerical analyses are performed in both linear and Mohr-Coulumb model for soil.
 
Approaches
In order to investigate the effect of tunnel on earthquake motion, the diametric deflection of final lining is calculated on each analysis. The major forces such as bending moments and axial forces occur in maximum deflection in diameter. For finding the effective parameter on dynamic behavior of tunnel, sensitive analyses are performed. In these analyses, variations of dynamic parameters such as maximum acceleration, damping and shear modulus of soil are examined. Moreover, other mechanical properties of medium like friction angel of soil are selected for sensitive analysis. Geometrical properties of final lining such as thickness and diameter of lining are also used to calculate the flexibility ratio. Allowable stress and strain are also calculated and compared with the existence results.
 
Conclusions
The results of this study show that stress and strain are not different on acceleration below 0.5 g but the differentresults are more evident for acceleration more than 0.5 g. In addition on sensitive analysis in friction angle of soil, the rate of dynamic forces decreases to 30 degrees and then, the results show no variations. These effects are more significant in deeper tunnels.
Investigation on variations of dynamic results versus fallibility ratio show that with increasing this ratio, the rate of degradation of dynamic forces reduces and in F=25 and for more, these variations disappear, and thus, the results are independent of the diameter of the tunnel under study. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Circular Tunnel
  • Dynamic Analysis
  • Dynamic Shear Modulus
  • Damping
  • PLAXIS
[1]     Hashash Y. M. A., Hook J. J., Schmidt B. & Yao J. I. C. (2001), “Seismic  Design and Analysis of Underground Structure”, Tunneling and Underground Space Technology 16, 247–293.

[2]     FHWA, (2009). U.S. Department of Transportation Federal Highway administartion, "Technical Manual for design and Construction of Road Tunnel". FHWA-NHI-09-010

[3]     Pakbaz M.C., Yareevand, A., (2005). "2-D analysis of circular tunnel against earthquake loading", Tunnelling and Underground Space Technology 20, 411–417

[4]     Fakhimi, A.A., 1997. Theory and Manual of CA2 Software. Center forHousing and Building Research of Iran.

[5]     Shahrour, I., (1992). PECPLAS: Finite Element Software for the Resolution of Earthwork Problems. Actes du Colloque International Géotechnique & Informatique. Edition Presse ENPC, Paris. pp. 327–334.

[6]     Shahrour, F. Khoshnoudian, M. Sadek, H. Mroueh,(2010) Elastoplastic analysis of the seismic response of tunnels in soft soils, Tunnelling and Underground Space Technology

[7]     PLAXIS-B.V., (2002). PLAXIS: Finite element package for analysis of geotechnical structures, Delft, Netherland

[8]     Hardin B. O. & Dernevich, V. P. (1972), “Shear modulus and damping in soils: Design equation and curves”. Journal of Soil Mech. and Found., ASCE 98 (SM7), 289-324.

[9]     Kramer S. (1996), “Geotechnical earthquake engineering”, Prentice-Hall, Upper Saddle River.

[10]  Seed H.B.& Idriss, I. M. (1970), “Soil moduli and damping factors for dynamic response analyses”, Report EERC, 70-10, Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley.

[11]  Park, Kyung-Ho., Tantayopin K. & Tontavanich B. (2006), “Analytical Solutions for Seismic Design of Tunnel Lining in Bangkok MRT Subway”, Proceedings of the International Symposium on Underground Excavation and Tunneling, Bangkok, Thailand, pp. 541-550.

[12]  Schnabel P. B., Lysmer J. & Seed B. H. (1972), SHAKE, A Computer Program for Earthquake Response Analysis of Horizontally Layered Sites, Report No. EERC 72-12, University of California, Berkeley, CA, USA.