فهرست مطالب

مهندسی تونل و فضاهای زیرزمینی - سال ششم شماره 1 (تابستان 1396)

نشریه مهندسی تونل و فضاهای زیرزمینی
سال ششم شماره 1 (تابستان 1396)

  • تاریخ انتشار: 1396/07/20
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مقاله پژوهشی
  • حمید شری زاده، سعید دهقان * صفحات 1-15
    مهمترین عامل تصمیم گیری در تونل های متقاطع غیرهمسطح، تعیین فاصله بهینه بین تونل ها می باشد. از نظر تئوری ، هر چه فاصله تونل ها بیشتر باشد، مناسب تر است ولی از نظر بهره برداری، هرچه تونل ها به یکدیگر و به سطح زمین نزدیک تر باشند‏، تا زمانی که به سایر سازه های زیرسطحی آسیبی نرسانند، مناسب تر است. این تحقیق با هدف تعیین فاصله بهینه تونل های متقاطع انجام شده است و در آن از تحلیل های عددی سه بعدی توسط نرم افزار المان محدود GTS NX کمک گرفته شده است. در این تحقیق به کمک اطلاعات حاصل از محل تقاطع تونلهای خطوط 6 و 7 متروی تهران دو سناریو اصلی مورد بررسی قرار گرفته است. در سناریوی اول تونل عمیق به سمت تونل کم عمق و در سناریو دوم تونل کم عمق به سمت تونل عمیق جابجا شد.. در هر سناریو مدل های عددی که در هر یک از آن ها تونل ها نسبت به حالت قبل 40 سانتیمتر تغییر وضعیت داده بودند‏، مورد بررسی قرار گرفت و نزدیک کردن تونل ها تا آنجا ادامه پیدا کرد که نشست سطح زمین یا کرنش های بوجود آمده در مدل از حد مجاز تجاوز ننموده و پوشش بتنی با مشخصات موجود پاسخگوی تنش های وارده باشد. نتایج نشان می دهد سناریوی دوم گزینه مناسب تری بوده و در آن می توان فاصله تونل ها را تا 80 سانتیمتر، بدون تغییر در سازه بتنی تونل ها، کاهش داد.
    کلیدواژگان: تونل های متقاطع، مترو تهران، بهینه سازی فاصله، MIDAS GTS NX، روش عددی
  • علی روزی طلب*، سید امین اصغری پری، سید علی اصغری پری، ساسان معتقد صفحات 17-26
    در بررسی حاضر، تاثیرنقش لایه بندی زمین بر پاسخ لرزه ای لاینینگ تونل های با مقطع دایره ای مورد بررسی قرار گرفته است. تلاش های زیادی در زمینه ی مطالعه ی پاسخ لرزه ای زمین های متجانس و همگن صورت گرفته است. مدل اجزاء محدود کرنش صفحه ای، در یک مقطع عرضی انتخابی از تونل دایره ای قرار گرفته در یک زمین متشکل از دو (یا چند) لایه ی همگن، برای مشخص کردن تاثیر لایه بندی زمین بر پاسخ لرزه ای تونل ها در تاج تونل و همچنین در کف آن ساخته و نتایج آن بررسی شده است. نتایج مشخص می کند که شرایط لایه بندی زمین، علی الخصوص تعداد لایه ها، نقش مهمی در شرایط تاثیرنیروهای زلزله برخورنده به لاینینگ تونل ایفا می کند. مدل ها ثابت می کند که زمانی که تونل به طور کامل در یکی از دو لایه ی خاک همگن متوالی قرار گرفته باشد، نیروی لرزه ای ایجاد شده در لاینینگ تونل در مقایسه با حالتی که فقط یک لایه خاک داشته باشیم،بسیار متفاوت است. همچنین اگر تونل از درون هر دو لایه ی همگن بگذرد، بیشترین شدت نیروی وارد بر پوشش تونل زمانی اتفاق می افتد که لایه ی خاک همگن پایینی میزان سختی بالایی داشته باشد.
    کلیدواژگان: تونل دایره ای، تغییر شکل بیضوی، آنالیز لرزه ای، خاک همگن، آباکوس
  • رضا محمدی *، جعفر خادمی حمیدی، فرهاد صمیمی نمین صفحات 27-42
    برآورد نیروهای برش وارد بر یک تیغه دیسکی منفرد در فرآیند برش سنگ برای طراحی و پیش بینی عملکرد ماشین های حفر تونل (TBM) مورد استفاده قرار می گیرد. از طرفی، نیروهای برش نتیجه فشار در ناحیه تماس بین برش دهنده دیسکی و سطح سنگ است. در این مطالعه، مدل سازی عددی فرآیند برش خطی سنگ به وسیله برش دهنده دیسکی با استفاده از کد تجاری المان محدود ABAQUS مطرح شده است و برای راستی آزمایی مدل، فشار ناحیه تماس دیسک و سنگ در مقایسه با رابطه نیمه نظری رستمی(1997) مورد بررسی قرار گرفته است و با حصول درصد خطای کمتر از 14 درصد، مطابقت بسیار خوبی بین مدل و رابطه نیمه نظریی در ناحیه توزیع فشار زیر دیسک حاصل شده است. از دیگر نتایج شبیه سازی عددی انجام شده، تاثیر پارامترهای هندسی دیسک بر توزیع فشار در ناحیه تماس دیسک و سنگ در فرآیند برش خطی سنگ است.
    کلیدواژگان: برش خطی سنگ، برش دهنده دیسکی، توزیع فشار ناحیه تماس، ماشین حفر تونل، مدل سازی عددی
  • علیرضا کارگر *، رضا رحمان نژاد، محمد علی حاج عباسی صفحات 43-56
    در این مقاله تونل های نعل اسبی همراه با لاینینگ بتنی نسبت به نسبت سختی، ضخامت نسبی و نسبت تنش برجا، در شرایط وجود فشار زمین و فشار آب داخلی در تونل آنالیز حساسیت شده اند. محیط توده سنگ و بتن الاستیک فرض شده و از توابع پتانسیل مختلط همراه با نگاشت همدیس برای بررسی فوق کمک گرفته شده است. بررسی ها نشان دادند که افزایش نسبت سختی موجب افزایش تنش مماسی در نقاط بحرانی سازه در بتن شده اما موجب کاهش آن در سقف در محیط سنگی می شود. مشاهده گردید که در نسبت های سختی بالا در ضخامت های نسبی کمتر از 0.04 تنش مماسی بشدت افزایش می یابد که در طراحی می بایست از این امر اجتناب نمود. افزایش نسبت تنش برجا نیز موجب افزایش تنش مماسی در سقف و کاهش آن در دیواره شد. بررسی ها نشان دادند که تغییرات تنش مماسی در نسبت های سختی کمتر از یک برای یک نسبت تنش برجا به مراتب کمتر از تغییرات آن برای مقادیر نسبت های سختی بیش از یک است.
    کلیدواژگان: تونل های نعل اسبی، توابع پتانسیل مختلط، نگاشت همدیس، آنالیز حساسیت، تنش
  • امیر آزادمهر *، سید محمد اسماعیل جلالی صفحات 57-78
    پیش بینی قابلیت تخریب توده سنگ، یکی از عوامل مهم در موفقیت روش تخریب توده ای است. مقاومت ماده سنگو ویژگی های مقاومتی و هندسی ناپیوستگی ها از ویژگی های طبیعی موثر بر قابلیت تخریب توده سنگ هستند. علاوه بر این، عوامل محیطی، هندسی و عملیاتی نیز تاثیر قابل توجهی بر قابلیت تخریب توده سنگ دارند. بررسی کارهای انجام شده نشان می دهد که روش های موجود کلیه عوامل موثر در روند تخریب را در نظر نگرفته اند. در مقابل با کاربرد روش های سیستمی نظیر روش سیستم های مهندسی سنگ (RES) می توان تاثیرتعداد بیشتری از عوامل موثر را در نظرگرفت. این مطالعه کاربرد روش RES را برای تعیین قابلیت تخریب توده سنگ ارائه می کند. به منظور اعتبارسنجی روش ارائه شده، نتایج حاصل از روش های تجربی و روش RES در سه معدن التنینت (Elteniente)، کمث(Kemes) و آیرون کپ (Ironcap) مقایسه شده است. در این تحقیق، در گام اول قابلیت تخریب معادن التنینت، کمث، آیرون کپ، با استفاده از روش های تجربی لابسچر، نمودار پایداری توسعه یافته ی ماتیوس و روش های استوارت و فورسیت بررسی شده و در گام بعد پس از پیاده سازی سیستم مهندسی سنگ، مهمترین عوامل تاثیرگذار بر سیستم شناسایی و شاخص قابلیت تخریب برای این معادن محاسبه و نتایج آن با نتایج روش های تجربی مقایسه شده است. بررسی نتایج نشان می دهد، عوامل ژئومکانیکی بالاترین سهم اثرگذاری و عوامل هندسی بالاترین سهم اثرپذیری را در سیستم دارا هستند. همچنین عوامل ژئومکانیکی و محیطی به ترتیب بالاترین و کمترین اندرکنش ب سیستم را دارند. گرچه شعاع هیدرولیکی محاسبه شده در روش های تجربی با یکدیگر اختلاف دارد ولی روند یکسانی را دنبال می کنند و همچنین همخوانی خوبی بین نتایج روش سیستم های مهندسی سنگ و روش های تجربی وجود دارد.
    کلیدواژگان: سیستم مهندسی سنگ، تخریب پذیری، تخریب توده ای، شاخص تخریب
  • محسن موسیوند، محمد ملکی*، مسعود نکویی، محمدرضا منصوری صفحات 79-94
    در این تحقیق به مطالعه اثر نوع مراحل حفاری روی پارامتر کاهش تنش پرداخته شده است. به این منظور در ابتدا، با استفاده از مقطعی از تونل خط 2 متروی کرج و تحلیل بازگشتی، کالیبراسیون پارامترهای مدل انجام گرفت. سپس با در نظرگیری مراحل حفاری متداول در صنعت تونل سازی و مترو با استفاده از یک سری شبیه سازی های عددی توسط نرم افزارهای تفاضل محدود FLAC 2D و FLAC 3D به مطالعه ضریب آزادی تنش در هر گام از مراحل حفاری متداول در تونل حفاری شده مرحله ای (NATM) پرداخته شد. در انتها به منظور بررسی در نظرگیری ضریب آزادی تنش متناسب با هر گام حفاری در روش همگرایی همجواری به محاسبه نشست های زمین اطراف تونل، با در نظر گرفتن متغیرهای فوق، پرداخته شد. نتایج تحلیل ها نشان دهنده اثرات غیرقابل اجتناب مراحل حفاری روی ضریب کاهش تنش در روش همگرایی همجواری است؛ و لحاظ ننمودن این متغیر در تعیین ضریب کاهش تنش می تواند منجر به خطاهای زیادی در تحلیل و طراحی تونل شود.
    کلیدواژه ها
    کلیدواژگان: روش همگرایی همجواری، تحلیل بازگشتی، مراحل حفاری، تونل سطحی، زمین نرم، تونل غیر دایره ای
|
  • Hamid Sherizadeh, Saeed Dehghan * Pages 1-15
    In non-level crossing tunnels, optimization of distance between tunnels is one of the most important factors. In theory, the more distance between the tunnels, the more appropriate it is, but in terms of operation, the closer the tunnels are to each other and to the surface, as long as there is no damage to other subsurface structures, the more suitable it is. The main objective of this study is to optimize and determine the minimum allowable distance in intersecting of non-level tunnels. To achieve this objective, three dimensional numerical models were developed by MIDAS GTS NX (a finite element numerical analysis software) and the geometry and the initial distance of tunnels were considered according to the basis of information received from the intersection of Tehran subway tunnels, no 6 and no 7. In this research, two main scenarios have been examined: in the first, a deep tunnel getting closer to a shallow tunnel and in the second, a shallow tunnel to a deep tunnel. In each scenario, several numerical models were developed where each tunnel get closer to each other for 40 cm. This process continued until ground subsidence or strain in the models exceed the permissible level and where there is no need to change any of designed properties of the lining of the tunnels. The results show the second scenario is more suitable, especially in the case of ground subsidence. In this scenario the distance between the tunnels can be reduced to 80 cm without any change in the structural parameters of lining of both tunnels. The results of this study can be considered in designing and excavating of non-level crossing tunnels.
    Summary First, all the assumptions considered is intended. Then, literatures were reviewed and the project is introduced precisely. Finally the 3D model by finite element software was done, and improvement of distance between tunnels in two scenarios was investigated. At last after investigating a different parameters the best distance between tunnels has been chosen.
    Introduction This research has been done by numerical finite element method. According to subway networks development, constructing the underground structures has always been a challenge. In this research one of the most important challenges (improvement the distance between tunnels) has been answered.
    Methodology and Approaches Because there are a various factors affecting the interaction of non-level crossing tunnels, so the best method for investigating these problems, are numerical models. And because the medium that tunnels are constructed in, is continuum, the finite element method for solving the problem is used. Due to 3D nature of the problem, 3D modeling is used.
    Results and Conclusions As mentioned before, the best scenario is to move the shallow tunnel downward toward the deep tunnel.
    Keywords: Crossing tunnels, Tehran subway, Distance improvement, MIDAS GTS NX, numerical method
  • Ali Roozitalab *, Seyed Amin Asghari Pari, Seyed Ali Asghari Pari, Sasan Motaghed Pages 17-26
    Summary
    Seismic response of circular tunnels embedded in homogenous ground has been studied using the FEM code abaqus. Results show that the tunnel embedded in one layered ground has a completely different behavior in comparison with the same tunnel embedded in two( or more) layered ground.
    Introduction
    In this study, the effect of ground stratification on the seismic response of circular tunnel''s lining is investigated, as most practice-oriented studies consider homogeneous ground. The above mentioned situation has been argued detailed in the coming content.
    Methodology and Approaches
    A finite element plain-strain model of a circular tunnel''s cross-section embedded in an one and two-layered ground is used to highlight the influence of stratification on the tunnel''s seismic response at the crown, springline and invert points. The finite-element mesh grid simulates a 30-meter soil mass in a plain-strain condition with amount of 31226, 4-node rectangular elements in a rugged limestone rock. Ground and tunnel both are simulated with Single-phase linear elastic materials and Wang’s closed form solution is used to predict the seismic response of tunnel’s cross section. The model only considers the vertical propagation of shear waves in the visco elastic layers on a hard rock bed. The degrees of freedom at the bottom of the floor are completely restrained, because displacements are calculated from the base.
    Results and
    Conclusions
    The main parameters govern the calculated loads derived from analytic solutions are the compactness C, the F flexibility ratios, and the maximum rate of free shear strain ɣ. Results prove that the conditions of the ground layers, specially the amount of layers, play an important role in the situation of seismic forces encountering the tunnel lining. The layers interface was placed at the crown, center and invert level. . Models clarify that when the tunnel is fully embedded in one of the two consecutive layers, the seismic forces created in lining may vary significantly in comparison with the case that we have only one layer for tunnel to be embedded in. Furthermore if the tunnel intercepts both layers, maximum lining forces aggravation occurs when the lower layer is very stiff. When the tunnel passes through both layers of soil, the values of R follow the single-layer lining response for , otherwise less R values are obtained. For the lower stiffness of the layers, the R values obtained are almost unaffected by the higher hardness values, EV.
    Keywords: Circular Tunnel, Elliptical Deformation, Seismic Analysis, Hemogenous Soil, ABAQUS
  • Reza Mohammadi *, Jafar Khademi Hamidi Pages 27-42
    Estimation of cutting forces acting on a disc cutter while cutting rock has been used for cutter head design and performance prediction of tunnel boring machines (TBMs). On the other hand, cutting forces is resulted from pressure in contact zone between disc cutter and rock. In this study, numerical modeling of rock cutting procedure with disc cutter by applying commercial finite element code ABAQUS is performed and in order to validate this model, contact zone pressure between disc and rock was compared by Rostami(1997) ‘s semi-empirical model. Modeling Shows 14 error percentage that confirms good relation between two models. The other result of this modeling is study the effective geometrical parameters of disc in pressure distribution of contact zone area in linear rock cutting procedure.
    Summary
    In this Study, linear rock cutting procedure of a single disc cutter was modeled by Commercial finite element code ABAQUS/CAE. Numerical models of rock and disc with perfect match by laboratory testing of linear rock cutting test by Rostami(1997) was built and finally validated. Pressure distribution of cutting zone with considering of non-loading zones was studied and was compared with semi-empirical model of Rostami(1997). With lower than 14% of error percentage comparing laboratory result, This models shows a perfect match. Also, geometrical parameters of disc cutter was studied to find the effects on pressure distribution zone of contact area. With a longitude and a latitude cross sections of rock model in cutting path, it was concluded that with increasing edge and angle of disc tip, micro cracks was formed in rock. Although the disc diameter causes increasing weight of disc, resulted pressure distribution has less changes.
    Introduction Rock cutting procedures is an indentation of a cutter into rock that formed a pressure bubble immediate beneath cutter in rock and finally a soft powder is formed around the cutter. This bubble develop a crack pattern to rock material. In 1993, Rostami & Ozedmir believe that this bubble has a hydrostatic pressure forms that has linear behavior but in 1997 by calibration of disc and do more rock cutting tests, found out the other form of pressure bubble and non-loading zones exist in rear and forward of disc cutter in cutting procedure.
    Methodology and Approaches In order to modeling linear rock cutting procedures, Commercial finite element code ABAQUS/CAE was employed and for validating that, laboratory linear rock cutting test by Rostami (1997) was considered. Rock and disc cutter models was built in ABAQUS GUI module and to simulate rock behavior of rock model, Strength criterion with linear equation of state was implemented to material model. Boundary Condition for disc cutter was similar to TBM’s working status with linear velocity of 2 meter per seconds and angular velocity of 9.3 radians per seconds.
    Results and Conclusions The results from Numerical modeling of rock cutting that validated by laboratory test of Rostami (1997) shows prefect match with semi-empirical model. Even though this model can be employed in other applications of TBM designs, more study is needed to find out deeper issues of rock cutting procedures.
    Keywords: Linear Rock Cutting, Disc cutter, Pressure Distribution of contact zone, Tunnel Boring Machine, Numerical Modeling
  • Ali Reza Kargar *, Reza Rahmannejad, Mohammad Ali Hajabbasi Pages 43-56
    Summary
    In this study, horse-shoe tunnels have been analyzed with respect to the ratio of stiffness, relative thickness, and the ratio of in situ stress under the presence of earth pressure, and water pressure inside tunnels. Surrounding rock mass and concrete have been assumed as elastic materials, and complex potential functions along with conformal mapping have been used in the investigation. it was observed that an enhance in concrete stiffness resulted in increasing circumferential stress at key points. A critical value for lining thickness was obtained that for values smaller than which the circumferential stress exceedingly increased.
    Introduction
    Tunnels are the main infrastructures widely used for transportation, water passage, and other purposes such as underground mining. Among various tunnels configurations, horse-shoe tunnels are more popular for their merit of suitable stress distribution in surrounding rock, which makes them capable of maintenance in a wide variety of rocks, from soft to hard ones.
    Here a sensitivity analysis was conducted on the most important parameters for lining design of hydraulic horse-shoe tunnels. These parameters consist lining thickness, rock and concrete stiffness, initial in situ stress ratio and inside water pressure. To this aim, Muskhilishvili complex potential functions combined with conformal mapping were used. Concrete lining and the surrounding rock mass were assumed as linearly elastic materials, and the problem was tackled based on a plane strain scheme.
    Methodology and Approaches
    The impact of variation of input parameters were investigated on circumferential stress produced through lining and rock mass regions. Muskhilishvili complex potential functions along with conformal mapping were used in order to implement this investigation.
    Results and
    Conclusions
    It is demonstrated that increasing the ratio of stiffness will enhance circumferential stress at key points in the concrete, while reduce that at the roof in the rock mass. It is observed that for high ratio of stiffness when relative thickness is less than 0.04, the circumferential stress boosts, which should be evaded in design. An enhancement in the ratio of in situ stresses also raised circumferential stress at the roof, and reduced that at the wall. The investigations implied that the amount of the variations of circumferential stress corresponding to a ratio of in situ stress, where the ratio of stiffness is less than 1, were exceedingly lower than that when the ratio of stiffness is more than 1.
    Keywords: Horse-shoe tunnels, Complex potential functions, conformal mapping, Sensitivity Analysis, Stress
  • Amir Azadmehr *, Seyed Mohammad Esmaeel Jalali Pages 57-78
    Assessment of rock mass caveability is one of the important factors in the success of the block-caving mining. prediction of rock mass caveability is complicated due to the wide range of effective factors and the lack of complete knowledge of the impact of each factor on the rock mass caveability. Existing methods do not consider all the factors affecting the caveability process. This study uses the Rock Engineering systems (RES) approach to assess the rock mass caveability. After the implementation of the rock engineering system and ranking the influencing factors, the caveability index for selected mines was calculated. The results of this study have shown the sufficiency of RES approach in taking into account of all effective parameters.
    Introduction In mining methods based on caving of ore such as block caving and sublevel caving, caveability of ore and surrounding rocks is of great importance. If the caveability of ore, would not properly evaluated it will impose high cost and losing of time on mining companies.
    A major challenge in developing of existing caveability predicting methods is the taking into account of the values related to geomechanical, environmental, geometric and operational factors of rock mass, with a simple yet efficient method.
    Methodology and Approaches RES is a powerful system approach to study the effect of influencing factors on the performance of an engineering system. The first step of the method is to establish interaction matrix and coding of the matrix. The principal factors considered relevant to the caveability have listed along the leading diagonal of a square matrix and off-diagonal terms have been coded by ESQ method. Then by Using RES approach the effective parameters on caveability have ranked. In the next step caveability index of Elteniente, Kemess and Ironcap mines, determined and compared with the results of well-known experimental methods, as the Laubscher caving chart, the extended Mattew’s stability graph and Stewart and Forsyth methods.
    Results and Conclusions The results of this study have shown that Geomechanical factors are the most dominant and geometric factors are the most subordinate factors in the system. In addition, geomechanical and environmental factors have the highest and the least interaction on the system, respectively. Furthermore, although the hydraulic radius is different in experimental methods, but follows the same trend and there is a good agreement between the results of rock engineering systems and experimental methods there. At last a classification for the caveability index has introduced.
    Keywords: Block caving, Rock Engineering system, caving index, Caveability, RES
  • Mohammad Malki * Pages 79-94
    Summary Tunnel construction is in demand in many large cities in the world that facing a problem with traffic. Among 2D methods to tunnel analysis, the convergence–confinement method (CCM) is the most accurate method that analyzes the tunnel-ground-support interaction. Previous researchers’ studies have been done mostly to evaluate the affected parameters on CCM. But few of them are investigated how effected the shallow tunnels (anisotropic stresses) with any cross section shapes to the confinement loss values in all around perimeters of tunnel section.
    Introduction The aim of this study is to evaluate the effect of excavation pattern on stress reduction factor in shallow tunnels with horseshoe cross section shape in soft ground
    Methodology and Approaches For this purpose, at first, by considering the line two Karaj subway cross sections, using back analysis, calibration of Mohr-Coulomb constitutive model parameters was determined. Then, by considering common type of excavation patterns (full face and multi face), the three different curves, ground reaction curve, longitudinal displacement profile and support characteristic curve, which is required to obtain the stress reduction factor. This is done using a series of numerical analysis by FLAC 2D and FLAC 3D code. Back analysis is done to obtain soil parameters of Karaj subway line two. The stress reduction factor values are investigated in each excavation patterns in different points around the tunnel. Finally, the vertical and horizontal movement induced mentioned effects are evaluated in each tunnel stages.
    Results and Conclusions The results of this study show the good agreement of parameters obtain from back analysis to instrumentation data. Tunnel excavation pattern has significant effects on determining stress reduction factor in convergence confinement method for multi stage tunneling excavation. The results of analysis are shown a good capacity of model in reproduction of better and more precise tunnel behavior in shallow tunnels.
    Keywords: Convergence confinement method, Back analysis, excavation pattern, shallow tunnel, soft ground, non-circular tunnel