مدلسازی عددی تعیین الگوی بهینه کابل کششی در تحلیل پایداری فضاهای زیرزمینی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشگاه تربیت مدرس

3 دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم وتحقیقات

10.22034/anm.2025.23174.1678

چکیده

نگهداری فضاهای زیرزمینی یکی از مهم‌ترین مقوله‌های مهندسی معدن و عمران است که کابل‌های کششی به‌عنوان یکی از رایج‌ترین ابزارهای نگهداری در این فضاها به‌کار می‌روند. در این پژوهش، در محیطی پیوسته، با استفاده از نرم‌افزار FLAC3D، الگوهای مختلف کابل کششی شامل آرایش‌های مرسوم، کوتاه–بلند، و پیچشی در شرایط توده‌سنگ بسیار ضعیف مدل‌سازی شده تا اثر آن‌ها بر پایداری تونل بررسی شود. هدف این مطالعه، تعیین الگوی بهینه کابل کششی برای کاهش مصرف مصالح و دستیابی به حداکثر پایداری است. نتایج نشان داد که الگوی کوتاه–بلند با طول‌های 5 و 5/7 متر و فاصله‌گذاری 5/1 × 2/2 متر، جابجایی تونل را از 7 سانتی‌متر (حد مجاز ساکورایی) به 5/5 سانتی‌متر کاهش می‌دهد. همچنین، این الگو مصرف کابل کششی را تا 10 درصد (معادل 175 متر در 28 متر طول تونل) نسبت به الگوی مرسوم کاهش داد. الگوی پیچشی با طول 5/7 متر نیز کمترین جابجایی (5/3 سانتی‌متر) را به همراه داشت، اما الگوی کوتاه-بلند به دلیل سهولت اجرا و صرفه‌جویی اقتصادی به‌عنوان الگوی بهینه پیشنهاد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Modeling for Determining the Optimal cable Bolt Pattern in the Stability Analysis of Underground Spaces

نویسندگان [English]

  • Mosleh Eftekhari 1
  • Mohammad Hossein Mokhtarzadeh 2
  • Amir Hossein Kazemaini Nik 3
1 Department of Mining Engineering
2 Tarbiat Modares University
3 Islamic Azad University, Science and Research Branch
چکیده [English]

Summary

One of the most important challenges in underground excavation projects is ensuring stability in weak ground conditions. Cable bolts are widely used as a reinforcement system due to their high load-bearing capacity and flexibility in various geological environments. In this study, numerical modeling using FLAC3D was conducted to evaluate different cable bolt patterns, including conventional, short–long, and spiral arrangements. The results showed that the short–long pattern, with alternating bolt lengths of 5 and 7.5 m at a spacing of 1.5 × 2.2 m, reduced tunnel displacement from 7.0 cm (Sakurai’s allowable limit) to 5.5 cm while lowering cable consumption by about 10% (equivalent to 175 m in a 28 m tunnel). The spiral arrangement using 7.5 m bolts achieved the lowest displacement (3.5 cm), although it required more complex installation. Overall, the short–long pattern was identified as the most practical and cost-effective option, balancing stability improvement and material savings, and is therefore recommended as the optimal support design in weak ground conditions.



Introduction

The stability of underground excavations is one of the most critical issues in mining and civil engineering. Among the available support systems, cable bolts are widely applied due to their high load-bearing capacity and suitability in weak ground conditions. However, inappropriate design or arrangement may lead to unnecessary material consumption or insufficient support. This study focuses on determining an optimal cable bolt pattern to enhance tunnel stability while minimizing material usage.



Methodology

A continuous medium was numerically modeled using FLAC3D software to simulate the behavior of underground tunnels supported by cable bolts. Several bolt patterns were investigated, including the conventional arrangement, the short–long alternating pattern, and the spiral arrangement. The analysis considered tunnel displacement, plastic zone development, and material consumption to evaluate the efficiency of each support scheme.



Results and Conclusions

Simulation results showed that the short–long cable bolt pattern significantly reduced tunnel displacement compared to the conventional arrangement, achieving stability with about 10% less material consumption. The spiral arrangement further decreased displacement but required more complex installation. Overall, the short–long pattern was identified as the most practical and economical option, providing improved stability while reducing support costs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cable bolt
  • Cable bolt Pattern
  • Stability analysis
  • Optimization
  • Tunnels and Underground spaces

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 15 شهریور 1404
  • تاریخ دریافت: 04 خرداد 1404
  • تاریخ بازنگری: 28 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش: 15 شهریور 1404