مطالعه رفتار تونل های مترو برای سیستم حفاری چند مرحله ای (مطالعه موردی: مترو قم)

گنجیان, نوید; میرسپاهی, مهراد; امیدی, فاطمه; امیدی, محمدعلی; حجازی راد, سعید; پناه, غلامرضا

doi:10.22065/jsce.2021.281896.2429

مطالعه رفتار تونل های مترو برای سیستم حفاری چند مرحله ای (مطالعه موردی: مترو قم)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ عضو هیات علمی دانشگاه آزاد واحد علوم تحقیقات

² دکتری تخصصی، گروه مهندسی عمران، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

³ دانشجوی کارشناسی عمران ، گروه مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران

⁴ فارغ التحصیل کارشناسی ارشد مهندسی ژئوتکنیک،دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

⁵ دکتری تخصصی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، گروه مهندسی عمران، تهران، ایران

⁶ دانشجوی کارشناسی ارشد ژئوتکنیک، گروه مهندسی عمران ، دانشگاه امیرکبیر، تهران، ایران

10.22065/jsce.2021.281896.2429

چکیده

حفر تونل در زمین نرم شهری محدودیت های خاص خود را دارد. از مهمترین این محدودیت ها، کنترل نشست سطحی است تا از وارد شدن خسارت به سازه های سطحی جلوگیری شود. بنابراین، انتخاب بهترین روش برای حفاری تونل بسیار اهمیت دارد. در میان روش های موجود برای حفر تونل های شهری، روش های حفاری مرحله ای بسیار پرکاربرد هستند. به طور معمول این روش ها قابل مقایسه با روش حفاری مکانیزه برای تونل های طویل نیستند. اما روش های حفاری مرحله ای برای حفاری تونل های کوتاه، مقاطع بزرگ مانند ایستگاه های مترو، مقاطع غیر دایروی و سازه های پیچیده مانند تقاطع ها بکار می روند. از جمله مهم ترین بخش های اجرایی حفاری مرحله ای، طول گام حفاری و فاصله بین جبهه کارها می باشد. با وجود اینکه این ۲ پارامتر از عوامل بسیار تأثیرگذار بر جنبه های فنی و اقتصادی روش حفاری مرحله ای می باشند، ولی فرآیند منسجمی برای تعیین این دو پارمتر وجود ندارد، در این تحقیق، مراحل حفاری تونل خط A متروی شهر قم به منظور تعیین طول گام حفاری و فاصله بین جبهه کارها بررسی شده است. روش حفر این تونل، طاق و پاطاق می باشد. با استفاده از مدلسازی المان محدود سه بعدی (Plaxis 3D Tunnel) حفاری تونل در حالت های مختلف پیشروی شبیه سازی شده است. هشت حالت پیشروی برای طول گام و شش حالت برای فاصله بین جبهه کارها در نظر گرفته شده است. طول گام حفاری و فاصله بین جبهه کارها با بررسی اثر حالت های مختلف پیشروی بر نمودارهای عرضی نشست سطحی، مقادیر نشست و جابجایی خاک اطراف تونل انتخاب می شود. بررسی ها نشان می دهد که گام حفاری یکسان ۱ متر برای قسمت فوقانی و تحتانی با فاصله ۲۵ متر بین جبهه کارها (فاصله ای بیشتر از یک قطر تونل)، بهترین کارایی را برای تونلسازی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مهندسی ژئوتکینک

عنوان مقاله [English]

Study of metro tunnel behavior for multi-stage excavating system (Case study: Qom metro)

نویسندگان [English]

Mehrad Mirsepahi ²
fatemeh omidi ³
Mohammad Ali Omidi ⁴
Saeed Hejazirad ⁵
gholamreza panah ⁶

² Ph.D., Department of Civil Engineering, Arak branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

³ Civil engineering student, Department of Civil Engineering, University of Science and Industry, Tehran, Iran

⁴ Amirkabir University Of Technology

⁵ PhD , Department of civil engineering, science and research branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

⁶ Master of civil engineering, Department of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, AUT (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran

چکیده [English]

Excavating tunnels in soft urban land has its own limitations. One of the most important limitations is the control of surface settlements to prevent damage to surface structures. Accordingly, choosing the best method for tunnel excavation is very significant. Among the existing methods for digging urban tunnels, step drilling methods are very widely used. Typically, these methods are not comparable to the mechanized drilling method for long tunnels. However, step drilling methods are used to drill short tunnels, large sections such as subway stations, non-circular sections, and complex structures such as intersections. Among the most important executive parts of step drilling are the length of the drilling step and the distance between the work fronts. Although these two parameters are very influential factors on the technical and economic aspects of the step drilling method, but there is no coherent process to determine these two parameters. In this research, the drilling stages of the tunnel of line A of Qom metro have been investigated in order to determine the length of the drilling step and the distance between the work fronts. The method of excavating this tunnel is pre support method. Using three-dimensional finite element modeling (Praxis 3D Tunnel), tunnel drilling is simulated in different progress modes. Eight progressive modes are provided for step length and six modes for spacing between fronts. The length of the drilling step and the distance between the work fronts are selected by examining the effect of different forward modes on the transverse diagrams of surface settlement, settlement values and soil displacement around the tunnel. Studies show that the same drilling step of 1 meter for the upper and lower parts with a distance of 25 meters between the fronts (a distance of more than one diameter of the tunnel), has the best performance for tunneling.

کلیدواژه‌ها [English]

excavation methods
Urban area
Ground surface settlement
excavating step length
Finite Element Method

مراجع

[1] Sinha, R. S., 1991. Underground structures: design and construction, Elsevier Science Publisher, New York, pp. 430-450.

[۲] علیزاده، ح. ر.، نواسانیان، م.، علوی خوشحال، م، ۱۳۸۵. بررسی مشکلات اجرایی و خطرات زمان بهره برداری تونل های شهری، دانشگاه صنعتی شریف، مجموعه مقالات هفتمین کنفرانس تونل ایران، ص ۸۱۹

[3] Ghorbani, M., Sharifzadeh, M., Yasrobi, S., Daiyan, M., 2012. Geotechnical, structural and geodetic measurements for conventional tunnelling hazards in urban areas - the case of niayesh road tunnel project, Tunnelling and Underground Space Technology (31), pp. 1-8.

[4] Tonon, F., 2010. Sequential excavation, NATM and ADECO: what they have in common and how they differ, Tunnelling and Underground Space Technology (26), pp. 245-265.

[5] Sandstörm, G. E., 1963. The history of tunnelling, underground workings through the Ages, Barrie and Rockliff.

[6] Donde, P. M., Wagner, H., 1992. NATM subway station in soft ground, Towards New Worlds in Tunnelling, Vietez - Utesa, Vol.2, Balkema, Rotterdam, pp. 523-533.

[7] Will, M., 1989. Excavation of large cross section tunnels in accordance with the basic principles of New Austrian Tunnelling Method (NATM), World Tunnelling, pp. 51-55.

[8] Chow, L., 1994. Principles of surface settlement due to tunnelling in soft ground, MSc Thesis, University of Oxford.

[9] U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration, 2009. Technical manual for design and construction of road tunnels - civil elements, USA.

[10] Lee, Y. Z., Schubert, W., 2008. Determination of the round length for tunnel excavation in weak rock, Journal of Tunnelling and Underground Space Technology (23), pp. 221-231.

[11] Jing. L, Hudson. J. A. 2002. Numerical methods in rock mechanics, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences (39), pp. 409-427.

[12] Katzenbach, R., Breth, H., 1981. Nonlinear 3D analysis for NATM in Frankfurt Clay, Proc. 10th Int. Conf. Soil Mech. and Found. Eng., vol. 1. Balkema, Rotterdam, pp. 315-318.

[13] Dasari, G. R., Rawlings, C. G., Bolton, M. D., 1996. Numerical modelling of a NATM tunnel construction in London clay, Proc. Of the International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Balkema, Rotterdam, pp. 491-496.

[14] Tang, D. K. W., Lee, K. M., Ng, C. W. W., 2000. Stress paths around a 3D numerically simulated NATM tunnel in stiff clay, Proc. of the International Sym-posium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Balkema, Rotterdam, pp. 443-449.

[15] Vermeer, P. A., Ruse, N., Marcher, T., 2002. Tunnel heading stability in drained ground. Felsbau 20, Vol. 6, pp. 8-18.

[16] Yoo, C., 2009. Performance of multi-faced tunnelling - a 3D numerical investigation, Journal of Tunnelling and Underground Space Technology (24), pp. 562-573.

[17] Sharifzadeh, M., Kolivand, F., Ghorbani, M., Yasrobi, S., 2013. Design of sequential excavation method for large span urban tunnels in soft ground - Niayesh tunnel, Tunnelling and Underground Space Technology (35), pp. 178-188.

[18] Yoo, C. (2013). Interaction between tunneling and bridge foundation–A 3D numerical investigation. Computers and Geotechnics, 49, 70-78.

[19] Wang, Z., Yao, W., Cai, Y., Xu, B., Fu, Y., and Wei, G. (2019). Analysis of ground surface settlement induced by the construction of a large-diameter shallow-buried twin-tunnel in soft ground. Tunnelling and Underground Space Technology, 83, 520-532

[20] Li, B., and Wang, Z. Z. (2019). Numerical study on the response of ground movements to construction activities of a metro station using the pile-beam-arch method. Tunnelling and Underground Space Technology, 88, 209-220.