تحلیل اندرکنش پوشش- توده سنگ در تونل‌های حفاری شده در توده سنگ هوک و براون با در نظر گرفتن ناحیه آسیب دیده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشکده عمران، مرکز آموزش عالی استهبان

2 استاد دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

در حال حاضر تونل‌ها با دو روش مکانیزه و سنتی حفاری می شوند. در روش حفاری سنتی به دلیل عملیات انفجار کنترل‌نشده توده‌سنگ ممکن است دچار آسیب شود. بنابراین یک ناحیه آسیب‌دیده یا به‌هم خورده در توده‌سنگ اطراف تونل شکل می‌گیرد. گسترش ناحیه آسیب‌دیده محدود است و تمام توده‌سنگ آسیب نمی بیند. در این مقاله یک مدل تحلیلی بسته برای تحلیل تونل‌های دایرهای حفاری شده در توده‌سنگ الاستوپلاستیک ترد با معیار گسیختگی هوک و براون ارائه شده‌است. در مدل ارائه شده شرایط متقارن محوری فرض شده است و بنابراین ناحیه آسیب‌دیده استوانه‌ای شکل خواهد بود. در این حالت ضریب به‌هم خوردگی تنها برای ناحیه آسیب‌دیده اعمال می شود. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش شدت آسیبدیدگی (کاهش کیفیت حفاری) بار وارده به پوشش و همگرایی توده‌سنگ افزایش می‌یابد. نتایج به‌دست آمده با روش مرسوم تحلیل تونل‌ها که آسیب‌دیدگی به کل توده‌سنگ اعمال می‌شود، مقایسه شد. نتایج نشان می‌دهد که در حالات خاص بدون آسیب‌دیدگی و آسیب‌دیدگی با شعاع بینهایت نتایج دو روش مرسوم و ارائه شده هم‌خوانی داشتند. با توجه به نتایج به‌دست آمده توصیه می شود که کیفیت حفاری بهبود یابد تا بتوان از مقاومت توده‌سنگ به بهترین شکل ممکن استفاده نمود. به هر حال در صورت رخ دادن آسیب‌دیدگی باید از روش تحلیل صحیح با انتخاب مقادیر مناسب برای شدت آسیبدیدگی (شعاع آسیب‌دیدگی و مقدار آسیب‌دیدگی در هر شعاع) استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Rock-lining interaction calculations for tunnels excavated in Hoek-Brown rock mass considering excavation damaged zone

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Zareifard 1
  • Ahmad Fahimifar 2
1 Department of civilengineering, Estahban higher education center
2 Department of civil and environment engineering, Amirkabir university of technology
چکیده [English]

In this paper, the behavior of tunnels under different damage conditions is examined. In this regard, a fully analytical solution is proposed. The solution is presented for a lined tunnels excavated in elastic–brittle–plastic rock masses with Hoek–Brown failure criterion. The damaged zone is assumed to have cylindrical shape with reduced parameters. On the other hand, the lining is assumed to be homogenous, elastic and cylindrical shaped. The interaction between the lining and the rock masses is also considered. The results obtained by the proposed solution are compared with other analytical and numerical methods. The results indicated that, the effects of the alteration of rock mass properties in the damaged zone may be considerable.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tunnel
  • Rock mass
  • Lining
  • Excavation-damaged zone
  • stress
  • displacement
[1]  Oriad, L.L., 1982. Blasting effect and their control. In: W. Hustrulid (Editor), Underground Mining Methods Handbook. Soc. Mining Eng., AIME, New York, pp. 1590.3061
[2]  MacKown, A.F., 1986. Perimeter controlled blasting for underground excavations in fractured and weathered rocks. Bull. Assoc. Eng. Geol. , XXIII(4): 461-478.
[3]  Ricketts, T.E., 1988. Estimating underground mine damage produced by blasting, 4th Mini Symp. On Explosive and Blasting Res., Soc. Explosive Eng., Anaheim, California, pp. 1-15.
[4] Andersson, P., 1992. Excavation disturbed zone in tunneling. SveBeFo Report No. 8 Swedish Rock Engineering Research, Stockholm.
[5]     Persson, P.-A., Holmberg, R. and Lee, J., 1996. Rock Blasting and Explosives Engineering. CRC, Tokyo, 265285 pp.
[6]     Raina, A.K., Chakraborty, A.K., Ramulu, M. and Jethwa, J.L., 2000. Rock mass damage from underground blasting, a literature review, and lab- and full scale tests to estimate crack depth by ultrasonic method. FRAGBLAST-International Journal for Blasting and Fragmentation, 4: 103-125.
[7]     Warneke, J., Dwyer, J.G. and Orr, T., 2007. Use of a 3-D scanning laser to quantify dift geometry and overbreak due to blast damage in underground manned entries. In: E. Eberhardt, D. Stead and T. Morrison (Editors), Rock Mechanics: Meeting Society’s Challenges and Demands. Taylor & Francis Group, London, Vancouver, Canada, pp. 93-100.
[8]     Saiang D, , 2004, Damaged rock zone around excavation boundaries and its interaction with shotcrete, Licentiate Thesis, Lulea˚ University of Technology, p 121
[9]     Holmberg, R. and Persson, P.-A., 1980. Design of tunnel perimeter blasthole patterns to prevent rock damage. Transc. Inst. Min. Metall.: A37-A40.
[10]  Malmgren, L., Saiang, D., Töyrä, J. and Bodare, A., 2007, The excavation damaged zone at Kiirunavaara mine, Sweden – by seismic measurements, Journal of Applied Geophysics, Vol. 61  1-15.11-15
[11]  Saiang, D. and Nordlund, E., 2009. Numerical Analyses of the Influence of Blast-Induced Damaged Rock Around Shallow Tunnels in Brittle Rock. Rock Mechanics & Rock Engineering, 42:421.
[12]  Yang RL, Rocque P, Katsabanis P, Bawden WF (1993) Blast damage study by measurement of blast vibration and damage in the area adjacent to blast hole. In: Rossmanith HP (ed) Rock fragmentation by blasting. Balkema, Rotterdam
[13]  Feng X-T, Zhang Z, Sheng Q (2000) Estimating mechanical rock mass parameters relating to the Three Gorges Project permanent shiplock using an intelligent displacement back analysis method. Int J Rock Mech Min Sci 37(7):1039–1054
[14]  Sheng Q, Yue ZQ, Lee CF, Tham LG, Zhou H (2002) Estimating the excavation disturbed zone in the permanent shiplock slopes of the Three Gorges Project, China. Int J Rock Mech Min Sci 39(2):165– 184
[15]  Sato T, Kikuchi T, Sugihara K (2000) In-situ experiments on an excavation disturbed zone induced by mechanical excavation in Neogene sedimentary rock at Tono mine, central Japan. Eng Geol 56(1–2):97–108
[16]  Brown, E.T., Bray, J.W., Ladanyi, B., Hoek, E., 1983. Ground response curves for rock tunnels. Journal of geotechnical Engineering 109 (1), 15–39.
[17]  Carranza-Torres, C., Fairhurst, C., 1999. The elastoplastic response of underground excavations in rock masses that satisfy the Hoek–Brown failure criterion. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 36, 777–809.
[18]  Sharan, S.K., 2003. Elastic–brittle–plastic analysis of circular openings in Hoek–Brown media. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 40, 817–824.
[19]  Zareifard, M.R., Fahimifar, A. 2016. Analytical solutions for the stresses and deformations of deep tunnels in an elastic-brittle-plastic rock mass considering the damaged zone, Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 58, September 2016, Pages 186-196. 18(5)
[20]  Zareifard, M.R., Fahimifar, A. 2014. Effect of seepage forces on circular openings excavated in Hoek–Brown rock mass based on a generalised effective stress principle, European Journal of Environmental and Civil Engineering. 18(5.(
[21]  Alonso, E., Alejano, L.R., Varas, F., Fdez-Manin, G., Carranza-Torres, C., 2003. Ground response curves for rock masses exhibiting strain-softening behavior. Int. J.Numer. Anal. Meth. Geomech. 27, 1153– 1185.
[22]  Carranza-Torres, C., 2004. Elasto-plastic solution of tunnel problems using the generalized form of the Hoek– Brown failure criterion. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 41, 480–481.
[23]  Park, K.-H., Kim, Y.-J., 2006. Analytical solution for a circular opening in, an elasto-brittle-plastic rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 43, 616–622.
[24]  Guan, Z., Jiang, Y., Tanabasi, Y., 2007. Ground reaction analyses in conventional tunneling excavation. Tunnel. Undergr. Space Technol.22, 230–237.
[25]  Lee, Y.,K., Pietruszczak, S., 2008. A new numerical procedure for elasto-plastic analysis of a circular opening excavated in a strain-softening rock mass. Tunnel Tunneling and underground space technology. 23(5), 588599.
[26]  Fahimifar, A., Zareifard, M.R., 2009. A theoretical solution for analysis of tunnels below groundwater considering the hydraulic– mechanical coupling. Tunnel. Underg. Space Technol., 24(26), 634-646.
[27]  Carranza-Torres, C. and Fairhurst, C., 2000. “Application of the convergence-confinement method of tunnel design to rock masses that satisfy the Hoek-Brown failure criterion”, Tunnelling and Underground Space Technology, 15(2), pp. 187-213.
[28]  Hoek, E., Carranza-Torres, C.T., Corkum, B,. Hoek–Brown failure criterion – 2002 edition. In: Proceedings of the 5th North American Rock Mechanics Symposium and 17th Tunnelling Association of Canada Conference, Toronto, 267–273, ., 2002.
[29]  Carranza-Torres, C. and Fairhurst , C.. On the stabiliy of tunnels under gravity loading, with post-peak softening of the ground. Int. J. Rock Mech. Min. Sci.. 34: 3-4, 1997.
[30]  Zareifard, M.R., Fahimifar, A. a new solution for shallow and deep tunnels by considering the gravitational loads. ACTA geotechnica Slovenica, 2(4), 37-49.  2012.
[31]  Timoshenko S. P., Goodier J.N., 1982. Theory of Elasticity, McGraw-Hill, New York.
[32]  RocScience, RocLab. Rocscience Inc., Toronto, Canada, 2002.
[33]  Phase2 v5.0, Two-dimensional finite element analysis program, Rocscience Inc. 2002.