محاسبه فشار پایداری جبهه کار دستگاه حفاری متعادل کننده فشار زمین به روش تحلیل حدی المان محدود دوبعدی (مطالعه موردی تونل خط یک مترو اهواز)

انتظارمرنه, محمدرضا; اسلامی حقیقت, عباس; حاجی حسنی, محسن

doi:10.22065/jsce.2024.437451.3335

محاسبه فشار پایداری جبهه کار دستگاه حفاری متعادل کننده فشار زمین به روش تحلیل حدی المان محدود دوبعدی (مطالعه موردی تونل خط یک مترو اهواز)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

محمدرضا انتظارمرنه ¹

عباس اسلامی حقیقت ²

محسن حاجی حسنی ³

¹ گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه

² عضو هیئت علمی

³ دانشگاه ارومیه

10.22065/jsce.2024.437451.3335

چکیده

در سال های اخیر استفاده از دستگاه های حفاری مکانیزه مانند دستگاه متعادل کننده فشار زمین، برای حفاری تونل بطور گسترده ای رواج یافته است. طراحی مناسب این دستگاه ها نیازمند مطالعه و بررسی دقیق توده خاک اطراف محل حفاری می باشد. یکی از پارامتر های مهم در این مطالعات، فشار پایداری جبهه کار لازم برای جلوگیری از گسیختگی توده خاک اطراف محل حفاری ناشی از فروریزش و بالازدگی خاک می باشد که توسط دستگاه حفاری به توده خاک اعمال می شود. در این پژوهش با استفاده از روش تحلیل حدی المان محدود و مدلسازی دوبعدی، فشار پایداری جبهه کار تونل خط یک مترو اهواز مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. این روش، ترکیبی از روش آنالیز حدی و مش بندی المان محدود می باشد. نتایج بدست آمده از این روش از دقت بسیار بالایی برخوردارند به نحوی که میانگین کران بالا و پایین بدست آمده را می توان تقریبی مناسب از بار واقعی در نظر گرفت. درصد اختلاف بین کران بالا و پایین بدست آمده از این روش به طور متوسط در حالت فروریزش کمتر از 3/0 درصد و در حالت بالازدگی کمتر از 2 درصد می باشد. این نتایج نشان می دهند که استفاده از روش آنالیز حدی المان محدود دوبعدی جهت بررسی فشار پایداری جبهه کار به عنوان یک تخمین اولیه، روش بسیار مناسبی می باشد.

کلیدواژه‌ها

تحلیل حدی المان محدود دوبعدی

فشار پایداری جبهه کار

آنالیز حدی

کران بالا

کران پایین

موضوعات

مهندسی تونل

عنوان مقاله English

Face stability analysis for an EPB shield sunnel by using two-dimension finite element limit analysis (Case study: Ahwaz metro tunnel line 1)

نویسندگان English

MR Entezar ¹

Abbas Eslami Haghighat ²

Mohsen Hajihassani ³

¹ Urmia University

² faculty member

³ Urmia University

چکیده English

In recent years, earth pressure balance (EPB) tunnel boring machines (TBMs) have become widely used for tunnel excavation. Proper design of TBMs requires detailed study and examination of the soil conditions around the excavation site. A key parameter in these studies is the stability pressure of the working face, which is applied to the soil mass by the TBM to prevent collapse and uplift of the soil. This study analyses and investigates the stability pressure of the working face of Ahvaz metro tunnel line 1 using finite element limit analysis and two-dimensional modelling. This method, which combines limit analysis and finite element meshing, yields highly accurate results. The average of the upper and lower limits obtained can serve as a reliable approximation of the actual load. In the collapse state, the percentage difference between the upper and lower limits is typically less than 0.3%, and in the uplift state, it is generally below 2%. These results suggest that the two-dimensional finite element limit analysis method is a highly suitable initial approach for estimating the stability pressure of the working face. These results suggest that the two-dimensional finite element limit analysis method is a highly suitable initial approach for estimating the stability pressure of the working face.

کلیدواژه‌ها English

Finite Element Limit Analysis

Stability Pressure

Upper Bound

Lower Bound

2D Analysis

[1] A. Koohsari, R. Kalatehjari, S. Moosazadeh, M. Hajihassani, and M. Tarafrava, “Measurement and enhancing prediction of EPBM torque using actual Machine data,” Measurement, vol. 223, p. 113780, Dec. 2023, doi: 10.1016/J.MEASUREMENT.2023.113780.

[2] R. HILL, “A VARIATIONAL PRINCIPLE OF MAXIMUM PLASTIC WORK IN CLASSICAL PLASTICITY,” Q. J. Mech. Appl. Math., vol. 1, no. 1, pp. 18–28, Jan. 1948, doi: 10.1093/qjmam/1.1.18.

[3] D. C. Drucker, W. Prager, and H. J. Greenberg, “Extended limit design theorems for continuous media,” Q. Appl. Math., vol. 9, no. 4, pp. 381–389, 1952, doi: 10.1090/qam/45573.

[4] N. Khezri, H. Mohamad, M. HajiHassani, and B. Fatahi, “The stability of shallow circular tunnels in soil considering variations in cohesion with depth,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 49, pp. 230–240, Jun. 2015, doi: 10.1016/J.TUST.2015.04.014.

[5] J. H. Atkinson and D. M. Potts, “Subsidence above Shallow Tunnels in Soft Ground,” J. Geotech. Eng. Div., vol. 103, no. 4, pp. 307–325, Apr. 1977, doi: 10.1061/AJGEB6.0000402.

[6] E. H. Davis, M. J. Gunn, R. J. Mair, and H. N. Seneviratine, “The stability of shallow tunnels and underground openings in cohesive material,” geotechnique, vol. 30, no. 4, pp. 397–416, 1980.

[7] E. Leca and L. Dormieux, “Upper and lower bound solutions for the face stability of shallow circular tunnels in frictional material,” Géotechnique, vol. 40, no. 4, pp. 581–606, 1990.

[8] E. Leca and M. Panet, “Application du calcul à la rupture à la stabilité du front de taille d’un tunnel,” Rev. française géotechnique, no. 43, pp. 5–19, 1988.

[9] C. Carranza-Torres, “Computation of factor of safety for shallow tunnels using Caquot’s lower bound solution,” Turin Geod., 2004.

[10] A. I. Caquot and J. Kerisel, “Traité de mécanique des sols,” (No Title), 1956.

[11] G. Mollon, D. Dias, and A.-H. Soubra, “Face Stability Analysis of Circular Tunnels Driven by a Pressurized Shield,” J. Geotech. Geoenvironmental Eng., vol. 136, no. 1, pp. 215–229, Jul. 2009, doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000194.

[12] X. W. Tang, W. Liu, B. Albers, and S. Savidis, “Upper bound analysis of tunnel face stability in layered soils,” Acta Geotech., vol. 9, no. 4, pp. 661–671, Jul. 2014, doi: 10.1007/S11440-013-0256-1/METRICS.

[13] S. W. Sloan, “Lower bound limit analysis using finite elements and linear programming,” Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech., vol. 12, no. 1, pp. 61–77, 1988, doi: 10.1002/nag.1610120105.

[14] S. W. Sloan, “Upper Bound Limit Analysis Using Finite,” Int. J. Numer. Anal. …, vol. 13, no. November 1987, pp. 263–282, 1989, [Online]. Available: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/nag.1610130304/full

[15] S. W. Sloan and A. Assadi, “Undrained stability of a plane strain heading,” Can. Geotech. J., vol. 31, no. 3, pp. 443–450, 1994, doi: 10.1139/t94-051.

[16] J. Shiau and F. Al-Asadi, “Three-Dimensional Heading Stability of Twin Circular Tunnels,” Geotech. Geol. Eng., vol. 38, no. 3, pp. 2973–2988, 2020, doi: 10.1007/s10706-020-01201-z.

[17] D. T. Tran, D. R. Kumar, S. Keawsawasvong, W. Wipulanusat, and P. Jamsawang, “Innovative approaches for predicting seismic stability of circular and rectangular tunnels in cohesive-frictional soils using machine learning and finite element limit analysis,” Model. Earth Syst. Environ., Aug. 2024, doi: 10.1007/S40808-024-02080-6.

[18] M. A. Khan, M. R. Sadique, I. H. Harahap, M. Zaid, and M. M. Alam, “Static and Dynamic Analysis of the Shielded Tunnel in Alluvium Soil with 2D FEM Model,” Transp. Infrastruct. Geotechnol., vol. 9, no. 1, pp. 73–100, Feb. 2022, doi: 10.1007/S40515-021-00160-Z.

[19] Y. Liu, Z. F. Wang, Y. Q. Wang, and X. L. Hou, “Investigation on the failure mechanism for surrounding rock in small interval tunnels using finite element limit analysis method,” Eng. Fail. Anal., vol. 164, 2024, doi: 10.1016/j.engfailanal.2024.108719.

[21] “Ahwaz urban railway project, line 1,” 2015.