برآورد فشار سینه کار تونل‌های شهری با روش حالت حدی سرویس (مطالعه موردی: پروژه توسعه جنوبی خط 6 متروی تهران)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه مکانیک سنگ و تونلسازی، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

تونل‌سازی در زمین‌های شهری عموماً به دلیل وجود سازه‌های حساس سطحی همراه با ملاحظات اجرائی خاص است که از آن جمله می‌توان به کنترل دقیق نشست‌های سطحی و فشار سینه کار اشاره نمود. فشار سینه کار بر اساس دو روش کلی حالت حدی نهایی و حالت حدی سرویس برآورد می‌شود. در این میان، فشار به دست آمده از روش حالت حدی سرویس، رابطه تنگاتنگی با مقادیر اُفت حجمی زمین و نشست حداکثر سطحی دارد. روش‌های موجود برای برآورد فشار سینه کار در حالت حدی سرویس عموماً بر اساس نتایج آزمایش‌های آزمایشگاهی (آزمایش گریز از مرکز تونل) یا داده‌های تجربی نسبتاً قدیمی توسعه یافته‌اند. در این مقاله ضمن بررسی اصول برآورد فشار سینه کار، بر پایه اطلاعات پروژه توسعه جنوبی خط 6 متروی تهران که در حال حضر در حال اجراست، به بررسی و مقایسه فشار واقعی و برآورد شده سینه کار در دو حالت حدی نهایی و سرویس در حالت خاک‌های با رفتار زهکش نشده پرداخته شده است. نتایج مقایسه‌ها نشان می‌دهد که اختلاف نسبتاً زیادی بین فشار واقعی سینه کار و فشار مورد انتظار طراحی به دست آمده از روش حالت حدی سرویس وجود دارد. برای بهبود عملکرد روش‌های حالت حدی سرویس، بر پایه اطلاعات پروژه توسعه جنوبی خط 6 متروی تهران، یک فرمول جدید برای برآورد عدد پایداری ارائه شده است. این فرمول دارای ضریب همبستگی نسبتاً بالایی است (84%) که بیانگر تطابق نسبتاً بالای اعداد پیش‌بینی شده و واقعی است. کاربرد اصلی نتایج این مقاله، استفاده از فرمول جدید برای تدقیق فشار طراحی سینه کار در زمان اجرای پروژه و همچنین برآورد مناسب فشار سینه کار برای مناطق حساس شهری بر اساس حد مجاز اُفت حجمی و نشست سطحی برای جلوگیری از به وجود آمدن خسارت‌های سازه‌ای است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Face Pressure Evaluation in Serviceability Limit State

نویسنده [English]

  • Ebrahim Farrokh
Mining Engineering, Amirkabir University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In urban areas, tunneling is accompanied by ground surface settlement. To reduce the risks of the operation, it is always required to have an assessment of ground surface settlement and face pressure. In the evaluation of the face pressure, there are two major sets of methods based on the ultimate limit state (ULS) (e.g. tunnel face failure), and serviceability limit state (SLS) (e.g. unacceptable settlement or heave). In a serviceability limit state, volume loss and surface settlement are used for the analysis of the face pressure. The methods developed for the analysis of SLS face pressure are based on the results of small-scale centrifuge tests or case studies with the unpressurized face. Hence, realistic face pressure cannot be evaluated with these methods. This paper summarizes the major strategies for the evaluation of face pressure in an undrained condition. The outlined methods are utilized to evaluate tunnel face pressure in the Tehran metro line 6, south extension (ML6-SE) project. Results of the analyses showed that predicted face pressures with the SLS methods are far above the required face pressure. To make realistic SLS face pressure evaluations in this project (considering a maximum allowable surface settlement of 10 mm), using ground characteristics and TBM operational parameters, a new formula was introduced with a coefficient of determination of 84%. The results of this paper can be very helpful for both the design phase of a tunneling project and the construction period to adjust the face pressure based on the requirement of the allowable surface settlement.

کلیدواژه‌ها [English]

  • tunneling
  • face pressure
  • surface settlement
  • serviceability limit state
  • stability number
[1] Horn, N., 1961. “Horizontal earth pressure on vertical end faces of tunnel tubes”. In the National Conference of the Hungarian Civil Engineering Industry, pp. 7-16.
[2] Anagnostou, G., Kovari, K. 1996. “Face Stability Conditions with Earth-Pressure-Balanced Shields”. Tunneling and Underground Space Technology, No. 2, pp. 165-173.
[3] Mohkam, M., Wong, Y.W. 1989. “Three dimensional stability analysis of the tunnel face under fluid pressure”. In G. Swoboda, editor, Numerical Methods in Geomechanics, PP. 2271–2278, Rotterdam, 1989. Balkema.
[4] Mollon, G., Dias, D., Soubra, A.H. 2010. “Face stability analysis of circular tunnels driven by a pressurized shield”. J. Geotech. Geoenvir. Eng., 136, pp. 215–29.
[5] DIN 4085.2007-10. 2007. Soil - calculation of earth pressure Subsoil - calculation of earth pressure.
[6] Herrenknecht, M., Thewes, M., Budach, Ch. 2011. “The development of earth pressure shields. From the beginning to the present”. Geomechanics and Tunneling, No. 1, pp. 11-35.
[7] Shirlaw, J.N., 2012. “Setting operating pressures for TBM tunneling”. Geotechnical Aspects of Tunneling for Infrastructure Development, Hong Kong, pp. 7-28.
[8] Broere, W. 2001. “Tunnel face stability and new CPT applications”. PhD Thesis, Delft University.
[9] Proctor, R.V., White, T.L. 1977. Earth Tunneling with Steel Supports. Commercial Shearing and Stamping Co, Youngstown, 247 p.
[10] Zizka, Z., Thewes, M. 2016. Recommendations for face support pressure calculations for shield tunneling in soft ground, German Tunneling Committee, ITA-AITES.
[11] Sun, S., Pei, H., Zhang, S.  2006. “Analysis of face stability and ground settlement in EPB Shield tunneling for the Nanjing metro”. The Geological Society of London, IAEG, Paper number 274.
[12] Broms, B.B, Bennermark, H. 1967. “Stability of Clay in Vertical Openings”. J Soil Mech Fdns Div, ASCE, 193, SM1, pp. 71-94.
[13] Macklin, S. 1999. “The prediction of volume loss due to tunneling in over consolidated clay based on heading geometry and stability number”. Ground engineering, 32(4), pp. 30–33.
[14] Kimura, T., Mair, R.J. 1981. “Centrifugal testing of model tunnels in soft clay”. In. Proceedings of 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm, 15 –19 June 1981. Rotterdam. Balkema, pp. 319–22.
[15] Dimmock, P.S., Mair, R.J. 2007. “Estimating volume loss for open-face tunnels in London clay”. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Geotechnical Engineering, UK, vol. 160, Issue GE1, pp. 13-22.
[16] Peck, R. B., 1969. “Deep excavations and tunneling in soft ground”. In: Proc. 7th Int. Conf. on SMFE. pp. 225–290.
[17] Loganathan, N., 2011. An innovative method for assessing tunneling-induced risks to adjacent structures. New York: Parsons Brinckerhoff Inc. One Penn Plaza New York.
[18] Mair, R.J., 1993. “Developments in geotechnical engineering research: application to tunnels and deep excavations”. Unwin Memorial Lecture 1992, Proceedings Institution of Civil Engineers. Civil Engineering, Vol. 93, pp.27-41.