تعیین عمق مناسب برای حفر تونل‌های مترو با توجه به دیدگاه‌های فنی و هزینه‌ای؛ مطالعه موردی خط دوم قطار شهری تبریز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته مکانیک سنگ؛ دانشکده‌ مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود

2 دانشیار؛ دانشکده‌ مهندسی معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود

3 دکتری استخراج معدن، مهندسین مشاور پردیسان سازه طراحان

چکیده

عمق حفر تونل­های قطار شهری، به طور مستقیم روی هزینه­های حفر تونل و همچنین احداث ایستگاه­های قطار تاثیر دارد. کمینه کردن این هزینه­ها هدف تمام مدیران پروژه تونل­سازی است. در این تحقیق تاثیر عمق­های مختلف حفر تونل خط دو قطار شهری تبریز از دو دیدگاه فنی و هزینه­ای بررسی شده و عمق بهینه برای حفر تونل تعیین شده است. از دیدگاه فنی، نشست سطحی زمین مد نظر قرار گرفته است. در صورتی که مقدار نشست سطح زمین از 25 میلی­متر بیشتر باشد، باید مقدار روباره تا زمانی افزایش یابد که نشست سطح زمین به کمتر از 25 میلی­متر برسد. هزینه­های حفر تونل و همچنین احداث ایستگاه­ها نیز، دیدگاه هزینه­ای را در تعیین عمق بهینه تونل تشکیل می­دهند. برای این منظور، در این تحقیق، با افزایش عمق حفر تونل و همچنین با توجه به فاصله­ی ایستگاه­ها از هم، برای مقایسه هزینه­های احداث تونل و همچنین ساخت ایستگاه­ها، به سناریوهای متفاوت پرداخته شده است. نتایج نشان می­دهند؛ اعماقی که در آن روباره تونل کمتر از قطر تونل است، از دیدگاه فنی دارای نشست بیشتر از حد مجاز است؛ بنابراین حفر تونل در چنین عمق­هایی توصیه نمی­شود. از سوی دیگر، هزینه­های احداث تونل، با افزایش عمق ابتدا روند کاهشی داشته و سپس وقتی که روباره تونل از دو برابر مقدار قطر تونل بیشتر شود، هزینه­ها مجددا روند افزایشی می­یابد. هزینه­های احداث ایستگاه­ها با افزایش عمق احداث ایستگاه­ها، بیشتر شده و با روند تقریبا یکنواخت، افزایش می­یابد. بر اساس مطالعات انجام شده بر مبنای قیمت ابتدای سال 1399، احداث ایستگاه یک طبقه (در عمق بیشتر از شعاع تونل و کمتر از قطر تونل) هزینه­ای برابر با 95 میلیارد تومان و هزینه­ی احداث ایستگاه چهار طبقه (در اعماق بیشتر از دو برابر قطر تونل)، برابر با 250 میلیارد تومان است. بررسی و تحلیل نتایج سناریوهای مختلف مجموع هزینه­های ساخت تونل و ایستگاه­ها که در طول 17 کیلومتر مسیر مورد مطالعه با روش حفر مکانیزه این تحقیقات خط دوم قطاری شهری تبریز انجام شده است، نشان می­دهد، هر چه فاصله ایستگاه­ها از هم بیشتر شود، تاثیر عمق در مجموع هزینه­های ساخت تونل و اجرای ایستگاه­ها، کاهش می­یابد. با این وجود برای حفر تونل در زیر بافت شهری که فاصله ایستگاه­ها از هم عمدتا بین 800 تا 1200 متر است، مناسب­ترین عمق برای احداث تونل و ساخت ایستگاه­ها از هر دو دیدگاه فنی و هزینه­ای، عمقی است که تونل دارای روباره بیشتر از مقدار قطر تونل و همچنین کمتر از یک و نیم برابر قطر تونل داشته باشد

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimization of depth for subway tunnel excavation considering Technical and economic perspective (case study; the second line of the Tabriz subway)

نویسندگان [English]

  • M.R. Akbarzadeh Arpachaei 1
  • Seyed M. Jalali 2
  • A.R. Talebinezhad 3
1 M.Sc. Student in Rock Mechanics; Faculty of Mining Eng., Petroleum and Geophysics, Shahrood University of Technology
2 Associate Professor; Faculty of Mining, Petroleum and Geophysics, Shahrood University of Technology
3 PhD in Mining Engineering, Manager of Pardisan Sazeh Tarahan Company
چکیده [English]

In this research, the effect of different tunnel depths, has been investigated from both technical and economic perspectives. Then, the optimal depth for the construction of subway tunnels has been determined according to both views. Ground surface settlement with different overburdens is the technical perspective. In this study, the allowable surface settlement limit is considered 25 mm. If the ground surface settlement is more than the allowable limit, It cannot be technically suitable for tunnel excavation. Estimation of tunnel excavation costs as well as construction costs of metro stations, along the second line of the Tabriz subway form the economic perspective of this study, to optimization of depth for subway tunnel. This research has been undertaken to identify and optimization of depth for subway tunnel excavation considering Technical and economic perspective, in the second line of the Tabriz subway as a case study. The Line 2 of Tabriz Metro consists of a double-track tunnel with a total length of 21km and 20 underground stations. The ground of the second line of the Tabriz subway is classified in two modes; The first case is, based on the type of ground and the second case is, based on the amounts of overburdens in the tunnel route. In the first case; The different layers of land along the tunnel route are classified into four general categories. In the second case; Tunnel overburdens are classified into five general categories along the tunnel route based on their height. In this research, FLAC3D V6.00.69 software was used. The amount of ground surface settlement has been investigated in 16 different models. Grounds that have more settlement than the allowable depth limit, cannot be suitable for tunnel excavation. Then, the informations related to the tunnel excavation costs as well as construction costs of metro stations, along the second line of the Tabriz subway have been calculated. Next, the optimal depth is determined from an economic perspective. Depths where the tunnel overburden is less than the diameter of the tunnel, are technically more than the allowable settlement limit, and it is not recommended that the tunnel be excavated in that spatial range of the ground. On the other hand, the investigation of this study showed that with increasing depth of tunnel, the tunnel excavation costs initially decreased, and after that when the tunnel overburdens are more than twice the diameter of the tunnel, it increases again. Also, with the increase of tunnel overburden, the construction costs of metro stations have increased. So that the construction costs of a one-story station is equal to 95 billion tomans. Meanwhile, the construction costs of a four-story station was equal to 250 billion tomans, which is much more than the previous case. Therefore, the optimal depth for the construction of tunnels and stations is when the tunnel has more overburden than the diameter of the tunnel and also less than one and a half times the diameter of the tunnel.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Optimization of depth for subway
  • tunnel excavation costs
  • Construction costs of metro stations
  • Numerical modelling
  • Ground surface settlement
  • Tabriz subway line 2
  • FLAC3D "
, 1-10.
Akbarzadeh, M. R., Jalali, S. E., & Talebinezad, A. R. (2021). Optimization of construction depth for subway considering the type of ground and support system characteristics (case study; Tabriz metro line 2) Faculty of Mining, Petroleum & Geophysics Engineering, Shahrood University of Technology, M.Sc. Thesis.
Benardos, A., Sourouvali, N., & Mavrikos, A. (2021). Measuring and benchmarking the benefits of Athens metro extension using an ex-post cost benefit analysis. Tunnelling and Underground Space Technology, 111, 103859.
Caporaletti, P. (2005). Tunnelling in layered ground and its effects on pre-existing masonry structures Ph. D. thesis. University of Rome ‘‘La Sapienza’’. Italy.
Imensazan, C. (2015). Geological and Engineering Geological Report for the second line of the Tabriz subwa.
Koyama, Y. (2003). Present status and technology of shield tunneling method in Japan. Tunnelling and Underground Space Technology, 18(2-3), 145-159.
Liu, B., Wang, Y., Zhao, G., Yang, B., Wang, R., Huang, D., & Xiang, B. (2021). Intelligent Decision Method for Main Control Parameters of Tunnel Boring Machine based on Multi-Objective Optimization of Excavation Efficiency and Cost. arXiv preprint arXiv:2104.14975.
Mahmoodzadeh, A., Mohammadi, M., Abdulhamid, S. N., Nejati, H. R., Noori, K. M. G., Ibrahim, H. H., & Ali, H. F. H. (2021). Predicting construction time and cost of tunnels using Markov chain model considering opinions of experts. Tunnelling and Underground Space Technology, 116, 104109.
Mahmoodzadeh, A., & Zare, S. (2016). Probabilistic prediction of expected ground condition and construction time and costs in road tunnels. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8(5), 734-745.
Mair, R., Taylor, R., & Bracegirdle, A. (1993). Subsurface settlement profiles above tunnels in clays. Geotechnique, 43(2), 315-320.
Migliazza, M., Chiorboli, M., & Giani, G. (2009). Comparison of analytical method, 3D finite element model with experimental subsidence measurements resulting from the extension of the Milan underground. Computers and Geotechnics, 36(1-2), 113-124.
Moavenzadeh, F., & Markow, M. J. (1976). Simulation model for tunnel construction costs. Journal of the Construction Division, 102(1), 51-66.
Möller, S. C. (2006). Tunnel induced settlements and structural forces in linings. Univ. Stuttgart, Inst. f. Geotechnik Stuttgart, Germany.
Nematollahi, M., & Dias, D. (2019). Three-dimensional numerical simulation of pile-twin tunnels interaction–Case of the Shiraz subway line. Tunnelling and Underground Space Technology, 86, 75-88.
New, B. M. (1991). Tunnelling induced ground movements: predicting their magnitude and effects. 4th Int. Conf. Ground Movements and Structures,
O'REILLY, M. P., & New, B. (1982). Settlements above tunnels in the United Kingdom-their magnitude and prediction (090048862X).
Paraskevopoulou, C., & Benardos, A. (2013). Assessing the construction cost of Greek transportation tunnel projects. Tunnelling and Underground Space Technology, 38, 497-505.
Peck, R. B. (1969). Deep excavations and tunneling in soft ground. Proc. 7th ICSMFE, 1969, 225-290.
Rostami, J., Sepehrmanesh, M., Gharahbagh, E. A., & Mojtabai, N. (2013). Planning level tunnel cost estimation based on statistical analysis of historical data. Tunnelling and Underground Space Technology, 33, 22-33.
Sharifzadeh, M., Khademi, J., & Torkamani, A. (2015). Mechanized Shield Tunneling_.