Fuzzy Analysis and Risk Management of Water Inrush by Numerical Simulation and FMEA under Uncertainty for Emamzade Hashem Tunnel

Document Type : Research Article

Authors

1 Dept. of Mining and metallurgy, Urmia University of Technology, Iran

2 MSc of Mining, Zam Asia Co.

10.29252/anm.2019.4861.1127

Abstract

Summary
Tunneling under the water table is a complex condition for projects. Most important consequences of tunneling in this situation are water inrush, bad working condition, mudflow, low advance rate, and humans injuring. These hazards can impose high costs for a project especially for TBM tunneling that requires high investments funds. This paper estimates water inflow by the finite element method in the second part of Emamzade Hashem tunnel and providing risk management for these hazards using the FMEA method.
 
Introduction
The second part of Emamzade Hashem tunnel is the longest road tunneling project in Iran that will be excavated by a TBM. TBM tunneling in hard rock and faulty zone have lots of hazards that may cause many stops in the project according to previous similar projects around the world. Risk management could classify hazards and make them predictable and controllable.
 
Methodology and Approaches
In this paper, water flow ratio was estimated by numerical simulation with FLAC 2D. Following that, the classical risk of water inrush was calculated by the FMEA method studying several similar projects. A fuzzy analysis was then applied to increase the accuracy of the results. To this end, after estimating water inflow for each section of the tunnel, the time and costs of each hazard were calculated by studying similar projects. Risk number was estimated and managed through the FMEA method based on the calculations. The reduction actions were suggested for the hazards with high-risk numbers.
 
Results and Conclusions
The results of the study indicated that tunneling in the middle part of the tunnel has high risk due to high water pressure according to classical and fuzzy analysis. It has resulted that the performance of fuzzy analysis is higher than classical analysis.

Keywords

Main Subjects

Full Text

ظهور نشانه‌های وجود آب در هنگام تونل‌سازی، برای عوامل اجرایی و طراحان به عنوان نشانه‌های هشدار دهنده به شمار می‌رود. کاهش مقاومت توده سنگ و احتمال ریزش همراه با فشار بالای آب، سخت شدن شرایط کاری و استهلاک تجهیزات از جمله مهم‌ترین پیامدهای تونل‌سازی در این شرایط هستند. این پیامدها می‌توانند موجب تأخیرهای پی در پی و افزایش هزینه‌های پروژه به ویژه در روش مکانیزه شوند. در همین راستا ارزیابی ریسک هجوم آب زیرزمینی از اهمیت زیادی برخوردار است. ریسک معیاری است که می‌تواند میزان پرخطر بودن مخاطرات محتمل را با روش‌های مختلف به صورت کمی یا کیفی مشخص کند. تاریخچه مدیریت ریسک به بعد از جنگ جهانی دوم بر می‌گردد، اما مدیریت ریسک به شکل امروزی از سال‌های 1956 و 1964 گسترش پیدا کرد [1]. در صنعت تونل‌سازی گرچه در دهه‌های پایانی قرن بیستم به موضوع ریسک پرداخته شده است اما ورود جدی مدیریت ریسک به حوزه تونل‌سازی را می‌توان در سال 2004 با انتشار دستورالعمل مدیریت ریسک انجمن بین‌المللی تونل دانست [2]. از این تاریخ تا کنون پژوهش‌های متعددی در خصوص ارزیابی ریسک در تونل‌سازی انجام شده که آب زیرزمینی و مسائل مرتبط با آن یکی از پارامترهای اصلی تحقیق بوده است.

شهریار و همکاران در سال 2008 با استفاده از روش‌های درخت تصمیم و ماتریس ریسک و با در نظر گرفتن پارامترهای ژئوتکنیکی از جمله آب زیرزمینی به انتخاب ماشین حفاری تمام مقطع مناسب برای تونل نوسود پرداخته‌اند [3]. در سال 2010، موضوع انتخاب TBM مناسب برای تونل زاگرس توسط خادمی و همکاران، بر اساس پارامترهای ژئوتکنیکی مانند هجوم آب و با استفاده از نظریه فازی در روش تحلیل سلسله مراتبی مورد بررسی قرار گرفته است [4]. ساندر1 و همکاران در سال 2012 به بررسی مخاطرات خسارت‌زا در طول 30 کیلومتری تونل گاتهارد2 پرداخته‌اند. در این پژوهش هجوم آب زیرزمینی به داخل تونل که در برخی موارد دمای آن به 48 درجه سانتی‌گراد می‌رسید، اصلی‌ترین دلیل توقف‌های حفاری در طول زمان اجرای پروژه عنوان شده است [5]. در سال 2012 موضوع آنالیز ریسک متروی شهر پروتو توسط سوسا3 و همکاران با روش شبکه‌های بیزین بررسی شده است. احتمال برخورد با شرایط زمین‌شناسی، سطح پیزومتریک آب‌های زیرزمینی، احتمال وجود آسیب‌های سطح زمین، ترکیب گروه کلاس‌های زمین‌شناسی، سطح آسیب‌ها از جمله ویژگی‌هایی بوده‌اند که در این پژوهش مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند[6]. جورادو4 و همکاران در سال 2012 به ارزیابی ریسک مخاطرات ساخت یک ایستگاه مترو با روش آنالیز درخت خطا پرداختند. در این تحقیق مشخص شد هجوم آب با فشار بالا دارای بیشترین میزان ریسک در بین مخاطرات محتمل است [7].

در سال 2013 از روش ماتریس ریسک در پژوهش مرادی و همکاران و با در نظر گرفتن مسائلی نظیر آب زیرزمینی، هجوم گاز، حفرات کارستی استفاده شده است [8]. لی5 و لی در سال 2014 طی مطالعاتی با عنوان «پژوهش روی سیستم‌های ارزیابی ریسک برای هجوم آب در طول ساخت تونل در ساختارهای کارستی» به بررسی ریسک هجوم آب با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی فازی در این تونل‌ها پرداخته‌اند [9]. در سال 2015 از روش آنالیز درخت خطا و تحلیل سلسله مراتبی، برای ارزیابی ریسک تونل‌سازی مکانیزه در سه حوزه شرایط ژئوتکنیکی، TBM و مسائل مدیریت ساخت، در پژوهش چانگ و همکاران استفاده شده است [10]. معراج و همکاران در سال 2015 با به کارگیری شبکه عصبی به ارزیابی ریسک نشست زمین در تونل‌سازی مکانیزه در محیط‌های شهری و با استفاده از روش FMEA فازی پرداخته‌اند [11]. مطالعات انجام گرفته نشان می‌دهد که آب زیرزمینی همواره جزء مسائل اصلی در ارزیابی ریسک‌های ژئوتکنیکی بوده است. از دیگر نتایج می‌توان به کاربرد بیشتر روش‌های ماتریس ریسک و آنالیز درخت خطا در اکثر پژوهش‌ها اشاره کرد. در این تحقیق، تلاش بر این است تا با استفاده از روش‌های عددی، دبی آب ورودی به تونل قطعه دوم امام‌زاده هاشم (ع) محاسبه شود. در ادامه با بررسی وضعیت پروژه‌های مشابه در برخورد با پدیده هجوم آب، ریسک این مخاطره با استفاده از روش FMEA به صورت کلاسیک و فازی به طور مجزا، محاسبه خواهد شد.

References

[1] G. Dionne, Risk management: History, definition, and critique. Risk Management and Insurance Review 16 (2013) 147-166.
[2] S. Degn Eskesen, P. Tengborg, J. Kampmann, T. Holst Veicherts, Guidelines for tunnelling risk management: international tunnelling association, working group No. 2. Tunnelling and Underground Space Technology 19 (2004) 217-237.
[3] K. Shahriar, M. Sharifzadeh, J.K. Hamidi, Geotechnical risk assessment based approach for rock TBM selection in difficult ground conditions. Tunnelling and Underground Space Technology 23 (2008) 318-325.
[4] J.K. Hamidi, K. Shahriar, B. Rezai, J. Rostami, H. Bejari, Risk assessment based selection of rock TBM for adverse geological conditions using Fuzzy-AHP. Bulletin of engineering geology and the environment 69 (2010) 523-532.
[5] M. Rehbock-Sander, Y. Boissonnas, Challenges in Design and Construction of a 30-km Hard Rock TBM Drive with an Overburden Reaching 2,400 Meters at the Gotthard Base Tunnel, North American tunnelling Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Colorado, 2012.
[6] R.L. Sousa, H.H. Einstein, Risk analysis during tunnel construction using Bayesian Networks: Porto Metro case study. Tunnelling and Underground Space Technology 27 (2012) 86-100.
[7] A. Jurado, F. De Gaspari, V. Vilarrasa, D. Bolster, X. Sánchez-Vila, D. Fernàndez-Garcia, D. Tartakovsky, Probabilistic analysis of groundwater-related risks at subsurface excavation sites. Engineering Geology 125 (2012) 35-44.
[8] M.R. Moradi, M.A.E. Farsangi, Application of the Risk Matrix Method for Geotechnical Risk Analysis and Prediction of the Advance Rate in Rock TBM Tunneling. Rock Mechanics and Rock Engineering 47 (2013) 1951-1960.
[9] X. Li, Y. Li, Research on risk assessment system for water inrush in the karst tunnel construction based on GIS: Case study on the diversion tunnel groups of the Jinping II Hydropower Station. Tunnelling and Underground Space Technology 40 (2014) 182-191.
[10] K.-C. Hyun, S. Min, H. Choi, J. Park, I.-M. Lee, Risk analysis using fault-tree analysis (FTA) and analytic hierarchy process (AHP) applicable to shield TBM tunnels. Tunnelling and Underground Space Technology 49 (2015) 121-129.
[11] M. Rafie, F. Samimi Namin, Prediction of subsidence risk by FMEA using artificial neural network and fuzzy inference system. International Journal of Mining Science and Technology 25 (2015) 655-663.
[12] Design and construction studding of Emamzade Hashem lot2, Sahel consulting engineer, Tehran (in persian).
[13] D.F. Cooper, Project risk management guidelines: managing risk in large projects and complex procurements.  (2005)
[14] D. Cooper, The Australian and New Zealand standard on risk management, AS/NZS 4360: 2004. Tutorial Notes: Broadleaf Capital International Pty Ltd (2004).
[15] B.M. Ayyub, Risk Analysis in Engineering and Economics, CRC Press, 2003.
[16] Q. Gong, L. Yin, Q. She, TBM tunneling in marble rock masses with high in situ stress and large groundwater inflow: a case study in China. Bulletin of Engineering Geology and the Environment 72 (2013) 163-172.
[17] W. Brundan, Robbins 10m double shield tunnel boring machines on Srisailam left bank canal tunnel scheme, Alimineti Madhava Reddy project, Andhra Pradesh, India, Proceedings of the Rapid Excavation and Tunneling Conference, 2009.
[18] Y. Boissonnas, experience gained in mechanical and conventional excavations in long alpline tunnelling in Switzerland, Rapid excavation  and tunnelling conference, SME, Las Vegas, 2009, pp. 471-488.
[19] Y. Boissonnas, TBM drive in hard rock under high overburden at the Gotthard base tunnel in Switzerland, Rapid excavation and tunneling conference SME, San Francisco, 2011, pp. 654-667.
[20] K. Bucher, I. Stober, U. Seelig, Water deep inside the mountains: Unique water samples from the Gotthard rail base tunnel, Switzerland. Chemical Geology 334 (2012) 240-253.
[21] H. Duddeck, Challenges to tunnelling engineers. Tunnelling and Underground Space Technology 11 (1996) 5-10.
[22] E. Eberhardt, Numerical modelling of three-dimension stress rotation ahead of an advancing tunnel face. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 38 (2001) 499-518.
[23] H. Ehrbar, Gotthard Base Tunnel, Switzerland. Experiences with different Tunnelling Methods, Proc. 2º Congresso Brasileiro de Túneis e Estruturas Subterrâneas, Sao Paulo, 2008.
[24] M. Herrenknecht, O. Böckli, K. Bäppler, Gotthard-Base Tunnel, Section Faido, Previous experience with the use of the TBM, Rapid excavation and tunnelling conference, Las Vegas, SME Inc. Littleton, 2009, pp. 1182-1205.
[25] S. Loew, G. Barla, M. Diederichs, Engineering geology of Alpine tunnels: Past, present and future, Geologically active—Proceedings of the 11th IAEG Congress, 2010, pp. 201-253.
[26] M. Ramoni, G. Anagnostou, Thrust force requirements for TBMs in squeezing ground. Tunnelling and Underground Space Technology 25 (2010) 433-455.
[27] I. Vicenzi, S. Pedrazzini, A. Ferrari, G. Gubler, O. Böckli, Deep tunnelling in hardrock with large diameter TBM: What’s up? An experience from the Gotthard Base Tunnel.  (2007).
[28] F. Mendana, Guadarrama tunnel construction with double shield TBMs, Rapid Excavation and Tunnelling Conference, USA, 2007, pp. 1079-1093.
[29] J.R. Ortiz, Geomechanical problems in recent Spanish tunnels. Geotechnical Risk in Rock Tunnels: Selected Papers from a Course on Geotechnical Risk in Rock Tunnels, Aveiro, Portugal, 16–17 April 2004 (2006) 119.
[30] M. Peláez González, J. Arroyo Cedrón, N. Alonso Fernández, Experience acquired in the excavation of railway tunnels in Spain using tunnel boring machines, Safe tunnelling for the city and for the environment, ITA World Tunnel Congress, 2009.
[31] I. Tardáguila, B. Celada, J.M. Galera, Geotechnical control during the excavation of the tunnel of Guadarrama. (2007).
[32] J. Gisbert, Environmental and geotechnical problems in karstic terrains crossed by tunnels. A case study, Geophysical Research Abstracts, 2007, pp. 06244.
[33] M.P. González, J.C.A. Cedrón, N.A. Fernandez, EXPERIENCE ACQUIRED IN THE EXCAVATION OF RAILWAY TUNNELS IN SPAIN USING TUNNEL BORING MACHINES, Proceedings of the World Tunnel Congress, Budapest, Hungary, 2009.
[34] R. Grandori, Abdalajis east railway tunnel (Spain) – double shield universal TBM cope with extremely poor and squeezing formations. Tunnelling and Underground Space Technology 2 (2006) 268.
[35] R. Grandori, Abdalajis east railway tunnel (Spain)? double shield universal TBM cope with extremely poor and squeezing formations. Tunnelling and Underground Space Technology 21 (2006) 268.
[36] W. Gütter, P. Romualdi, New design for a 10 m universal double shield TBM for long railway tunnels in critical and varying rock conditions, Proceedings of Rapid excavation & Tunnelling Conference, 2003.
[37] D. Peila, S. Pelizza, Ground probing and treatments in rock TBM tunnel to overcome limiting conditions. Journal of mining science 45 (2009) 602-619.
[38] U. FCC-ACCIONA, SINGLE SHIELD TBM PERFORMANCE IN CARBONIFEROUS ROCK THE CASE STUDY OF PAJARES-SOTIELLO PERFORMANCE DES TUNNELIERS A BOUCLIER SIMPLE EN ROCHES CARBONIFERES ETUDE DU CAS DE PAJARES-SOTIELLO.
[39] e. Fernández, P. navarro, A. sanz, TBM and NATM combined solution for a very deep tunnel - the "Pajares" case, Rapid Excavation and Tunneling Conference Proceedings, 2009, pp. 1218-1235.
[40] G. Barla, Larger diameter TBM tunnel excavation in weak environmental conditions. News Journal, International Society for Rock Mechanics 5 (1999) 48-54.
[41] G. Barla, S. Pelizza, TBM tunnelling in difficult ground conditions, ISRM International Symposium, International Society for Rock Mechanics, 2000.
[42] B. Maidl, L. Schmid, W. Ritz, M. Herrenknecht, Hardrock tunnel boring machines, John Wiley & Sons, 2012.
[43] J. Zhao, Q. Gong, Rock mechanics and excavation by tunnel boring machine–issues and challenges, Rock Mechanics in Underground Construction–Proceedings of the ISRM International Symposium, 2006, pp. 83-96.
[44] T. Carter, Himalayan Ground Conditions challenge innovation for successful TBM Tunnelling, Invited paper in Proc. Hydrovision India 2011 Conf, Delhi. SESSION 5c:(Risk Management in Tunnelling), 20pp, 2011.
[45] I. Mcfeat-Smith, Tunnelling in the Himalayas: risk assessment and management for tunnelling in extreme geological conditions, Proceedings of world tunnel Congress, 2008, pp. 1748-1760.
[46] B. Khalighi, Highly successful ground support for high cover: A case study of the west Qinling rail tunnels, Rapid Excavation and Tunneling Conference Proceedings, Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Colorado, 2013, pp. 240-250.
[47] K. Kovari, R. Fechtig, C. Amstad, Experience with large diameter tunnel boring machines in Switzerland. Developments in geotechnical engineering 74 (1993) 485-496.
[48] J. Clark, S. Chorley, The Greatest Challenges in TBM Tunneling: Experiences from the Field. North American Tunneling: 2014 Proceedings (2014).
[49] G. Exadaktylos, M. Stavropoulou, G. Xiroudakis, M. de Broissia, H. Schwarz, A spatial estimation model for continuous rock mass characterization from the specific energy of a TBM. Rock mechanics and rock engineering 41 (2008) 797-834.
[50] R. Grandori, M. Sem, A. Lembo-Fazio, R. Ribacchi, Tunnelling by double shield TBM in the Hong Kong granite, 8th International Congress for Rock Mechanics, 1995, pp. 569-574.
[51] O. Balmer, F. Chavan, Tunnel of Moutier, Switzerland: change from a TBM to the german excavation method, Rapid excavation  and tunnelling conference, Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Colorado, USA, 2011, pp. 723-738.
[52] X.Y.X.L.C. Daoci, Y. Cihao, Application of geological survey technique during Pinglin tunnel construction [J]. Modern Tunnelling Technology 2 (2001) 008.
[53] D.-J. Tseng, B.-R. Tsai, L.-C. Chang, A case study on ground treatment for a rock tunnel with high groundwater ingression in Taiwan. Tunnelling and Underground Space Technology 16 (2006) 175-183.
[54] Y. Tseng, S. Wong, B. Chu, C. Wong, The Pinglin Mechanized Tunneling in difficult Ground. St 8th Congr. of IAEG, Vancouver (Canada) (1998) 21-25.
[55] L.A. Zadeh, Fuzzy sets. Information and control 8 (1965) 338-353.
[56] C.T. Leondes, Fuzzy logic and expert systems applications, Academic Press, 1998.
[57] Y.-M. Wang, K.-S. Chin, G.K.K. Poon, J.-B. Yang, Risk evaluation in failure mode and effects analysis using fuzzy weighted geometric mean. Expert Systems with Applications 36 (2009) 1195-1207.
[58] C. Shi-Jay, C. Shyi-Ming, Fuzzy risk analysis based on similarity measures of generalized fuzzy numbers. Fuzzy Systems, IEEE Transactions on 11 (2003) 45-56.
Journal of Analytical and Numerical Methods in Mining Engineering
Volume 9, Issue 19
September 2019
Pages 1-16

Files

History

  • Receive Date: 20 February 2016
  • Revise Date: 04 June 2019
  • Accept Date: 23 June 2019

Share

How to cite

Statistics