نوشته های مشابه
یکی از مسائل اصلی در حفاری تونل در زمین‌های نرم با استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)، تامین پایداری جبهه کار حفاری است که این امر معمولا با اعمال فشار جبهه کار مناسب تامین می‌شود. محاسبه مقدار فشار جبهه‌کار در پیشبرد عملیات اجرایی و کنترل نشست‌های ناشی از حفاری بخصوص در تونل‌های کم عمق از بالایی برخوردار است. مقدار این فشار با پارامترهایی همچون جنس زمین، عمق تونل، تنش‌های جانبی زمین و ابعاد تونل مرتبط است. نکته مهم در تعیین مقدار فشار جبهه‌کار، در نظر گرفتن پدیده قوس‌زدگی در بالای تونل است. بدین معنی که تنها بخشی از وزن خاک روباره به جبهه‌کار منتقل می‌شود. برای محاسبه فشار نگهداری جبهه‌کار تاکنون روش‌های متعددی با مکانیزم‌های شکست مختلف ارائه شده است. از نظر تاریخی روش‌های اولیه، روش‌های پلاستیسیته کرانه بالا و کرانه پایین برای مواد ترسکا است. بعد از آن روش‌های تعادل حدی با فرض معیار مور-کولمب بود. از جمله آنها می‌توان به مدل برامز و بنرمارک، مدل اتکینسون و پوتس و مدل دیویس اشاره کرد. مدل دیگری با سه نوع مکانیزم شکست تک بلوکی، دوبلوکی و تک بلوکی معکوس بر اساس کرانه بالا و کرانه پایین متوسط ارائه شده که نتایج دو روش اولی با سانتریفوژ مطابقت خوبی دارد. در همه مدل‌های ارائه شده تا آن موقع توجهی به غیرهمگن بودن محیط نشده بود. بعد از آنها هیرمن و کاتزنبک یک مدل دو بعدی بر اساس تعادل حدی گوه در محیط‌های غیرهمگن به کار گرفتند. فشار جبهه‌کار از روش‌های متعدد بدست می‌آید، به طور کلی روش‌های تعیین فشار جبهه‌کار به سه دسته تجربی، تحلیلی و عددی تقسیم می‌شوند اما در این مطالعه سعی کرده‌ایم تا روش‌هایی را بیان کنیم که در آنها از قوس‌شدگی استفاده شده است.
تامین پایداری جبهه کار در حفاری تونل و استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)
روش‌های تجربی که از قوسی‌زدگی در محاسبات فشار جبهه‌کار استفاده شده است:
روش ترزاقی
از بین روش‌های تجربی روش ترزاقی براساس تئوری قوسی‌شدن خاک است که اگر قسمتی از توده خاک در بالای فضای تونل در حین حفاری به حد تسلیم برسد، خاک در آن ناحیه دچار ریزش شده و در نتیجه توده‌های خاک مجاور نیز تحت تاثیر ناحیه سست‌شدگی از وضعیت ساکن خود خارج می‌شوند. حرکت خاک در ناحیه سست‌شدگی با ممانعت قسمتی از خاک که بین ناحیه سست‌شده و ناحیه ثابت مواجه می‌شود، بنابراین مقاومت برشی توده تسلیم شده را تا حد امکان در جای خود نگه داشته و باعث کم شدن فشار روی سیستم نگهداری می‌شود. در نواحی کم عمق (۲B1>H) مطابق شکل۱ ناحیه سست‌شده به سطح زمین می‌رسد که اصطلاحاً حالت بدون قوس را تشکیل می‌دهد. در نواحی عمیق (۲B1<H) قوسی مطابق شکل ۲ در بالای تونل تشکیل می‌شود. در این حالت، توده خاک بالای قسمت قوسی و بار ثابت روی سطح زمین به عنوان یک بار بار ثابت روی اعمال می‌شود.
شکل ۱ ناحیه سست‌شدگی در تونل‌های کم عمق
شکل ۲ تشکیل قوس در تونل‌های عمیق
ترزاقی اطلاعات و آزمایشات زیادی از پروژه‌های مختلف تونل‌سازی به منظور طراحی بار وارده روی سیتم نگهداری، تحت شرایط مختلف زمین‌شناسی جمع‌آوری کرد و بسیاری از این توصیه‌های ترزاقی هنوز هم قابل قبول می‌باشد. ترزاقی در نظر گرفت بار روی سیستم نگهداری ناشی از ارتفاع موادی می‌باشد که در سقف تونل تمایل به افت دارند. مکانیزم رفتار قوسی در شکل۳ نشان داده شده است.
شکل ۳ قوس زمین
از دیدگاه ترزاقی از تمامی شرایط زمین‌شناسی، سنگ‌های خرد شده و ماسه دارای اثر قوسی هستند. رفتار قوسی شدن نشان دهنده ظرفیت سنگ‌هایی که در بالای تونل واقع شده و قسمت زیادی از وزن لایه‌های بالایی را تحمل می‌کنند. قسمتی از زمین که این بار را منتقل می‌کند قوس زمین می‌گویند.
تامین پایداری جبهه کار در حفاری تونل و استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)
شکل ۴ رابطه بین ارتفاع سست‌شدگی با ارتفاع روباره روی یک تونل در ماسه یا سنگ خردشده
همان‌طور که در شکل ۴ دیده می‌شود، با افزایش ارتفاع، بار روی سیتم نگهداری نیز زیاد می‌شود اما با افزایش عمق تونل از یک حدی به بعد، بار روی سیستم نگهداری ثابت باقی می‌ماند.
در نهایت ترزاقی یک مدل ساده برای محاسبه بار روی سیستم نگهداری بیان کرد. وزن قسمت اصلی روباره با ارتفاع H توسط نیروهای اصطکاکی به موادی که در اطراف تونل واقع شده منتقل می‌گردد. سقف تونل فقط یک قسمتی از ارتفاع HP را تحمل می‌کند که به این ارتفاع، ارتفاع روباره معادل گفته می‌شود.
ترزاقی پیشنهاد کرد که ضخامت قوس زمین (D) را به اندازه ۵/۱ برابر عرض بارگذاری (B1) قرار دهیم. در داخل محدوده قوس زمین، حرکت کوچکی به داخل تونل باعث کاهش بار سنگ روی سیستم نگهداری می‌شود که مقدار آن را Hpmin می‌گویند. اگر میزان نشست از این حد بیشتر شود بار سنگ روی سیستم نگهداری افزایش یافته که مقدار آن را Hpmax می‌گویند. طبق پیشنهاد ترزاقی برای جلوگیری از افزایش ارتفاع سست‌شدگی، باید سیستم نگهداری بلافاصله بعد از حفر فضا نصب شود. همچنین مطابق شکل ۴، بعد از نصب سیستم نگهداری حدودا ۱۵ درصد به ارتفاع ست‌شدگی اولیه اضافه می‌شود که به آن زمان افزایش ارتفاع قوس می‌گویند.
تامین پایداری جبهه کار در حفاری تونل و استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)
ترزاقی برای محاسبه ارتفاع سست‌شدگی مطابق شکل ۵ رابطه زیر را ارائه نموده است.
Hp=C×(B+Ht)=c×B1
شکل ۵ مدل بار روی تونل
مقدار ضریب ثابت C برای حالتی که تونل بالاتر یا زیر سطح آب زیرزمینی حفاری شده باشد در جدول ۱ آمده است.
جدول ۱ ارتفاع سست‌شدگی در روش ترزاقی
|
نوع خاک |
تونل پایین تراز آب زیرزمینی |
تونل بالای تراز آب زیرزمینی | |||
|
Hpmax |
Hpmin | Hpmax |
Hpmin |
||
|
ماسه متراکم |
اولیه |
۱٫۰۲(B+Ht) | ۰٫۵۴ (B+Ht) | ۰٫۶۰ (B+Ht) | ۰٫۲۷(B+Ht) |
| نهایی | ۱٫۳۸(B+Ht) | ۰٫۶۲(B+Ht) | ۰٫۶۹(B+Ht) | ۰٫۳۱(B+Ht) | |
|
ماسه خشک |
اولیه | ۱٫۰۲(B+Ht) | ۰٫۹۴(B+Ht) | ۰٫۶۰(B+Ht) | ۰٫۴۷(B+Ht) |
| نهایی | ۱٫۳۸(B+Ht) | ۱٫۰۸(B+Ht) | ۰٫۶۹(B+Ht) |
۰٫۵۴(B+Ht) |
|
و فشار جانبی در جلوی ماشین حفاری را به صورت زیر بدست آورد:
روش‌های تحلیلی که از قوس زدگی در محاسبات فشار جبهه‌کار استفاده شده است:
روش Horn
طرح كلي گسيختگي سه بعدي براي اولين بار توسط اين روش معرفي شد، كه شامل گوه‌اي در قسمت پايين و سيلویي در قسمت بالا ميباشد (شكل۶) اين روش دستور عملي كاربردي براي تعيين فشار نگهداري جبهه‌كار ارائه نكرد، ولي بعدها توسط محققين ديگري اين روش بسط داده شد.
تامین پایداری جبهه کار در حفاری تونل و استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)
شکل ۶ نمایی از طرح گسیختگی سه‌بعدی
روش Jancsecz
جانسز و استاینر در سال ۱۹۹۴ روابطی برای مدل گوه سه بعدی هورن (۱۹۶۱) ارائه دادند. آنها تاثیر قوسی شدن خاک بالای TBM را نیز در نظر گرفتند و با استفاده از آن ضریب فشار فعال سه بعدی خاک تحت عنوان KA3 را برای مقادیر مختلف روباره و زاویه اصطکاک داخلی طراحی کردند. مدل گسيختگي در اين روش مطابق با شكل ۶ است (مدل Horn) و بار ناشي از وزن خاك نيز براساس روش ترزاقي محاسبه مي‌شود. مؤلفه‌هاي اين روش در شكل ۷ نشان داده شده است.
در این روش حداقل فشار نگهداری از این رابطه تعییین می‌شود
که در رابطه بالا Ka3D: ضریب فشار فعال سه‌بعدی زمین، σv’: فشار قائم موثر و P: فشار آب است.
تامین پایداری جبهه کار در حفاری تونل و استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)
شکل ۷ نمایی از مکانیسم گسیختگی و مولفه‌های آن
شکل ۸ نمایی از چگونگی توزیع بار روی جبهه‌کار تونل در روش جانسکز و استاینر
روش کواری و آنگوستا
کواری و آنگوستا در سال ۱۹۹۶، مكانيزم شكست سينه‌كار در شرايط زهكشي شده (خشك) را مورد مطالعه و بررسي قرار دادند. آنها بیان داشتند که مابين فشار آب و فشار موثر در اتاقك حفاري تفاوت وجود دارد و پايداري جبهه‌كار تونل از طريق اثر تركيبي اين دو عامل، تحت كنترل است. آنها تاثیر قوسی شدن خاک بالای TBM را نیز در محاسبات خود نظر گرفتند. این روش مبتنی بر نظریه سیلوی جانسکز و مدل سه‌بعدی سیلو و گوه هورن است. کلیات چگونگی اعمال بار در این روش در شکل ۹ نشان داده شده است.
تامین پایداری جبهه کار در حفاری تونل و استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)
شکل۹ مدل سیلو و گوه در روش کواری و آنگوستا
روش محکم و همکاران
این روش به عنوان یک مدل سه‌بعدی بر مبنای نظریه تعادل حدی، برای تحلیل پایداری تونل قبل از نصب سیستم نگهداری صلب، به کار رفته است. که در آن شکست به دو صورت پیچ لگاریتمی و سیلندری بروز می‌نماید. بار عمودی به کمک روابط ترزاقی محاسبه می‌شود. بر طبق توضیحات مچکم و لسچینسکی معادله تعادل بین نیروها و ممان‌های قائم به صورت زیر می‌باشد:
R و r به ترتیب بردارهای شعاع روی سطح جبهه‌کار تونل و صفحه لغزش هستند. N و n به ترتیب نماینده بردارهای نرمال روی سطح جبهه‌کار و سطح لغزش می‌باشند. T خط مماس بر سطح لغزش و p نیروی خارجی عمل کننده روی سطح جبهه‌کار می‌باشد. m مقاومت برشی و f ضریب ایمنی می‌باشد. از حل این معادله سطح لغزش همانند شکل ۱۰ بدست می‌آید.
تامین پایداری جبهه کار در حفاری تونل و استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)
شکل ۱۰ مکانیزم شکست در روش محکم
روش برویر
مدل پایداری گوه یک روش تعادل حدی است که اساس آن از روش سیلو و گوه گرفته شده است. اولین مسئله در روش سیلو و گوه این است که خاک در آن همگن فرض می‌شود که این مسئله با در نظر گرفتن لایه‌های غیرهمگن خاک در روش برویر برطرف شده است. دومین مسئله انتقال نیروی نگهداری روی اسکلت خاک است که در مدل جانسکز و کواری تمام نیروی نگهداری روی گوه موثر فرض می‌شدند و جبهه‌کار نشت‌ناپذیر فرض می‌شود. اگر از دوغاب بنتونیت برای نگهداری جبهه‌کار استفاده شود، بنتونیت تا یک طول مشخصی قبل از تشکیل کیک فیلتر نفوذ می‌کند که این مسئله تنها در زمان توقف اهمیت دارد. سومین مسئله با در نظر گرفتن قوس خاک، برآورد دقیق‌تری از کمترین فشار نگهداری حاصل می‌شود. در مدل گوه و سیلوی برویر مطابق شکل ۱۱ گوی شکستی به N قطعه کوچکتر به صورت افق تقسیم شده است.
تامین پایداری جبهه کار در حفاری تونل و استفاده از سپر تعادلی زمین(EPB TBM)
شکل ۱۱ مدل چند گوه‌ای
این قطعه‌ها هر کدام ممکن است ضخامت متفاوتی داشته باشند. به هر حال هر کدام از قطعه‌ها همگن فرض می‌شوند و با توجه به این شرایط زاویه گوه i بین قطعه i صفحه گسیختگی و صفحه افقی تعریف می‌شود. زاویه شکست هر گوه با سعی و خطا به اندازه‌ای در نظر گرفته می‌شود که بیشترین نیروی خاک در حالت شکست بدست آید. هر قطعه در نتیجه نیروهایی از قطعه بالا (i-1) و قطعه پایین (i+1) یعنی به ترتیب Qa(i) و Qb(i)، وزن موثر گوه Gw(i) و نیروی روباره Gs(i) را تحمل می‌نماید. در صفحات شکست مایل نیروی چسبندگی K(i) موازی با سطح و نیروی اصطکاک R(i) که ناشی از نیروی عمودی N(i) بر سطح شکست عمل می‌کند. فرض می‌شود بر سطوح جانبی هر گوه نیروی برشی T(i) اعمال می‌شود، که در همان جهت K(i)، در خلاف جهت تغییر شکل گوه اعمال می‌شود. تعادل نیروها وقتی حاصل می‌شود که نیروی موثر خاک E(i) در سطحی که با نیروی آب W(i) جمع می‌شود، معادل نیروی نگهداری S(i) گردد.
