مدل‌سازی هیدرومکانیک نشست تونل در محیط‌های شهری مطالعه موردی تونل مترو خط7 تهران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده معدن، نفت و ژئوفیزیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

10.29252/anm.2020.10069.1341

چکیده

افزایش جمعیت و توسعه شهرها، نقش تونل­ به‌عنوان راه‌حلی مناسب جهت رفع نیازهای مختلف، بخصوص حمل‌ونقل و کاهش ترافیک سطح شهرها را برجسته­تر می­کند. کنترل و تخمین نشست یکی از مهم‌ترین چالش­های حفر تونل در این مناطق است. به دلیل پیچیدگی­های موجود در بررسی همه‌جانبه کنترل و تخمین نشست، اغلب این بررسی­ها با ساده­سازی­های بسیاری همچون چشم­پوشی از تغییرات سطح آب زیرزمینی، عدم در نظر گرفتن پدیده­های توأمان و ... همراه بوده است که تأثیر بسیار محسوسی بر نتایج حاصل از این بررسی­ها داشته است. در زمان حفر تونل، فضای ایجادشده به‌عنوان یک کانال زهکشی عمل می­کند. آب موجود در محیط به درون فضای حفرشده وارد می­شود که این امر خود موجب تغییر در شرایط هیدرولیکی منطقه می­شود. این تغییر در شرایط هیدرولیکی، بر ویژگی­های مکانیکی محیط نیز اثر گذاشته و درنتیجه آن، امکان بروز جابجایی­های جداره تونل بیشتر می­شود. در این پژوهش، با توجه به این‌که 60 درصد از مسیر خط هفت متروی تهران زیر سطح ایستابی و مسیر حفاری تونل غالباً از مناطقی با بافت فرسوده عبور می­کند کنترل نشست از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. ازاین‌رو، با استفاده از نرم­افزار FLAC3D تغییر شکل­های به‌دست‌آمده در دو حالت توأمان (معادلات مکانیکی و هیدرولیکی به‌صورت هم‌زمان حل می­شوند) و غیر توأمان (معادلات مکانیکی و هیدرولیکی به‌صورت ترتیبی و جداگانه حل می­شوند) مدل‌سازی و با داده­های ابزار دقیق مقایسه می­شود. با توجه به نتایج، مدل‌سازی در حالت توأمان مطابقت بالاتری را از خود نشان می­دهد. همچنین تغییر شکل­های اطراف فضای حفاری به‌شدت، به شرایط زهکشی، سطح آب زیرزمینی، وضعیت تنش‌های برجا منطقه و زمان وابسته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Hydromechanical modeling of tunnel settlement in urban area-A case study, Tehran subway tunnel-line7

نویسندگان [English]

  • Ahmad Ramezanzadeh
  • Abedin hojjati tavandashti
Faculty of Mining, Petroleum and Geophysics
چکیده [English]

Summary
Increasing population and urban development highlight the role of tunnels as a suitable solution to meet various needs, especially transportation and reducing traffic in cities. The control and estimation of settlement of ground in tunneling is one of the most important challenges. In this study, tunnel is modeled in the FLAC3D software and Deformation due to drilling operations in both coupled and uncoupled modes is investigated.  Results shows that the coupled method is in more agreement with the instrumentation data than the uncoupled method.
Introduction
Direct hydromechanical interactions in the Earth's crust have been known since the late 1800s. an example of studies conducted in this field is given below:
Yoo et al. (2012) and (2008) using ABAQUS software examined the effect of groundwater drawdown on subsidence and displacements around the excavation. Zhou et al. (2018) and Lee et al. (2008) using FLAC3D software, the amplitude of excavation effect on deformation and pore pressure change was investigated. A review of studies shows that in most modeling have been carried out with simplifications such as not considering the drilling sequence, ignoring groundwater level and Pore pressure changes. These simplifications lead to far-fetched results.
Therefore, after selecting numerical software in accordance with the problem conditions, the three-dimensional model of the case study tunnel is modeled in the FLAC3D software. Based on the results, the coupled method is in more agreement with the instrumentation data than the uncoupled method. Also, the deformation around the excavation space is heavily dependent on the drainage and the groundwater level condition, so that the displacement and expansion of the plastic zone around the excavation space, in drained mode, is more than undrained. The long-term behavior of the tunnel in both drained and undrained mode shows that the deformation caused by drained does not change over time. Furthermore, in the drained condition, the displacement increases around the excavation space with over time.
 
Methodology and Approaches
Using FLAC3D software, the complete association between a porous deformable solid and a viscous fluid flowing through its pores can be modeled. The modeling of the study area has been done in two phases, mechanical and hydraulic. For modeling the mechanical phase, the soil is considered homogeneous and isotropic with full elastoplastic behavior and horizontal layering. The Mohr-Coulomb behavior model is used for the tunnel media, and the elastic behavioral model is used for the boring machine and lining.
 
Results and Conclusions
The most important results obtained from this study are as follows:
-          The parameters of in situ stress conditions, groundwater level and environmental drainage conditions have a great impact on the results of numerical modeling.
-          Comparison of the results with the instrument data shows that the amount of settlement created in the couple mode is more consistent with the instrument data.
-          Water outflow from excavation operations reduces the pore pressure and increases the effective stress around the excavation space.
Pore pressure changes indicate the importance of studying long-term behavior.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydromechanic couple
  • Porous media
  • saturation media
  • Tunnel settlement
  • Pore pressure
  • Numerical methods
  • FLAC3D

حفر تونل در مناطق شهری اغلب با چالش­های متعددی مواجه می­شود. در مناطق شهری با توجه به وجود آب زیرزمینی، عبور از مناطق مسکونی و بناهای تاریخی، لزوم رعایت ملاحظات مختلف زیست‌محیطی و فنی بسیار ضروری است. در این میان، موضوع نشست ناشی از تونل سازی در مناطق شهری با در نظر گرفتن سطح آب زیرزمینی و جنس زمین بسیار بحرانی است. موضوع نشست در متروی خط هفت تهران قطعه شمالی – جنوبی به‌عنوان یکی از عمیق­ترین خطوط مترو کشور و با عبور از بافت متراکم و فرسوده شهری بسیار حائز اهمیت است. همچنین حضور سطح بالایی از آب زیرزمینی شرایط طراحی و عملیاتی این پروژه را تحت تأثیر قرار داد. طی چند دهه گذشته، مطالعات و روش­های مختلف تحلیلی، تجربی و عددی برای تخمین میزان نشست ناشی از عملیات تونل سازی مکانیزه در شرایط مختلف مکانیکی و هیدرولیکی منطقه ارائه‌ شده است. بر اساس نتایج تحقیقات متعدد انجام‌شده روابط تجربی، تحلیلی یا عددی ساده به دلیل ساده­سازی­های فراوان و نیز تغییرات شرایط سطح ایستابی، سبب به دست آمدن نتایجی دور از واقعیت می­شوند که این خود باعث بروز مخاطراتی می­گردد؛ بنابراین برای ارزیابی دقیق نشست زمین در مناطق اشباع، کاربرد مدل‌سازی عددی توأمان هیدرومکانیک جهت تخمین نشست، ضرورت جدی خواهد داشت. رفتار محیط­های سنگی و خاکی عمدتاً تابعی از اندرکنش اجزای مختلف تشکیل‌دهنده‌ی این محیط­ها (فازهای جامد و مایع) است. مفهوم تنش مؤثر و تئوری پوروالاستسیته[i] از مفاهیمی است که توسط محققین مختلف بر اساس اندرکنش این فازها و به‌منظور تحلیل­های محیط­های متخلخل ارائه ‌شده است. تئوری مواد پوروالاستیک مدلی است که به شرح رفتار سیال درون محیط­های متخلخل می­پردازد. اساس این تئوری این است که فشار سیال درون محیط متخلخل بر روی تنش کلی، مؤثر است.



[i] Poroelasticity

 
[1]                  Wang, H. F. (2000). Theory of linear poroelasticity with applications to geomechanics and hydrogeology. Princeton University Press.
[2]                  Preisig, G. (2013). Regional simulation of coupled hydromechanical processes in fractured and granular porous aquifer using effective stress-dependent parameters (Doctoral dissertation, Université de Neuchâtel).
[3]                  Rutqvist, J., & Stephansson, O. (2003). The role of hydromechanical coupling in fractured rock engineering. Hydrogeology Journal, 11(1), 7-40.
[4]                  Li, X. B., Zhang, W., Li, D. Y., & Wang, Q. S. (2008). Influence of underground water seepage flow on surrounding rock deformation of multi-arch tunnel. Journal of Central South University of Technology, 15(1), 69-74.
[5]                  Prassetyo, S. H., & Gutierrez, M. (2016). Effect of surface loading on the hydro-mechanical response of a tunnel in saturated ground. Underground Space, 1(1), 1-19.
[6]                  Graziani, A., & Boldini, D. (2011). Influence of hydro-mechanical coupling on tunnel response in clays. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 138(3), 415-418.
[7]                  Cattoni, E., Miriano, C., Boco, L., & Tamagnini, C. (2016). Time-dependent ground movements induced by shield tunneling in soft clay: a parametric study. Acta Geotechnica, 11(6), 1385-1399.
[8]                  Wongsaroj, J., Soga, K., & Mair, R. J. (2013). Tunnelling-induced consolidation settlements in London Clay. Géotechnique, 63(13), 1103.
[9]                  Ahn, S. Y., Ahn, K. C., & Kang, S. G. (2006). A study on the grouting design method in tunnel under ground water. Tunnelling and Underground Space Technology, 21(3), 400.
[10]               Yoo, C. (2005). Interaction between tunneling and groundwater—numerical investigation using three dimensional stress–pore pressure coupled analysis. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental engineering, 131(2), 240-250.
[11]               Yoo, C., Lee, Y., Kim, S. H., & Kim, H. T. (2012). Tunnelling-induced ground settlements in a groundwater drawdown environment–A case history. Tunnelling and Underground Space Technology, 29, 69-77.
[12]               Yoo, C., Kim, S., & Lee, Y. (2008). Characteristics of tunneling-induced ground settlement in groundwater drawdown environment. IS-329.
[13]               Zhou, H., Gao, Y., Zhang, C., Yang, F., Hu, M., Liu, H., & Jiang, Y. (2018). A 3D model of coupled hydro-mechanical simulation of double shield TBM excavation. Tunnelling and Underground Space Technology, 71, 1-14.
[14]               Fattah, M. Y., Shlash, K. T., &  Salim,  N. M. (2013). Propagation of Plastic Zone around a Tunnel in Cohesive Soil. The second scientific engineering conference- university of mosul college of  engineering.
[15]               Liakos, A. L. (2000). Effect of soil consolidation on soil-lining interaction in tunnels (Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology).
[16]               Swoboda, G., & Abu-Krisha, A. (1999). Three-dimensional numerical modelling for TBM tunnelling in consolidated clay. Tunnelling and Underground Space Technology, 14(3), 327-333.
[17]               Chen, J. J. R., Ho, T. Y., Chen, F. S., & Chao, C. S. (1995). Consolidation settlements caused by a shield tunnel for the Taipei Mass Rapid Transit System. IAHS PUBLICATION, 135-140.
[18]               Cao, R. L., He, S. H., Wang, F., & Qi, F. L. (2013). Stability Analysis of Large Underground Station Based on Coupled Fluid-Solid Theorem. In Advanced Materials Research (Vol. 748, pp. 1104-1108). Trans Tech Publications.
[19]               Fan, Y., Ren, Z., Liu, K., Qiao, J., & Chen, X. (2015). Seepage-Stress Coupled Analysis on Shield Tunnel Face Stability in Layered Soil. In 3rd International Conference on Mechatronics, Robotics and Automation, Shenzhen, China, April.
[20]               Ji, Y. J., Liu, J. J., & Cheng, L. S. (2011). Numerical simulation of tunnel excavation considering fluid solid coupling. Rock and Soil Mechanics, 32(4), 1229-1233.
[21]               Li, G., & Liang, B. (2014). The effect of pore water pressure on response of roadway in soft rock. Physical and Numerical Simulation of Geotechnical Engineering, (15), 68.
[22]               Zhang, C., & Liu, J. (2012). Effects of Fluid-solid Coupling on Tunnel in a Saturated Soil Layer. Physical and Numerical Simulation of Geotechnical Engineering, (7), 37.
[23]               Höfle, R., Fillibeck, J., & Vogt, N. (2008). Time dependent deformations during tunnelling and stability of tunnel faces in fine-grained soils under groundwater. Acta Geotechnica, 3(4), 309-316.
[24]               Zaminfanavaran Consulting Engineer (ZAFA), 2007, Geotechnical investigations Final Report (In Persian).
[25]               Engineers, S. C. (2014). Engineering Report of the Eastern-Western Part of Tehran Subway Line 7. Tehran, Iran: Sepasad Engineering Company (In Persian).
[26]               Itasca. (2013). FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua), Version 5.01. Itasca Consulting Group Inc.
[27]              Bear, J. (1972). Dynamics of fluids in porous media. American Elsevier Publishing Company.