تحلیل و مقایسه پایداری توده سنگبا استفاده از روش های تجربی و عددی

دسته	زمین شناسی مهندسی
گروه	سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری	بیست و پنجمین گردهمائی علوم زمین
نویسنده	وجیهه علیان
تاريخ برگزاری	۰۱ اسفند ۱۳۸۵

چکیده:

در بررسى پایدارى تونل و طرح سیستم نگهدارنده اولیه و همچنین زمان خودنگدار تونل در بخشهاى تاج و دیواره تونل روشهاى مختلفى پیشنهاد شده است که بر اساس مطالعات تجربى و مشاهدات عینى در مورد تونلهاى قبلى مى باشد. نتایج حاصل از روشهاى تجربى از جمله طبقه بندى ژئومکانیکى RMR (Bieniawski ۱۹۸۹) و اندکس کیفى تونل زنى در سنگ Q (Barton et al. ۱۹۹۸) دید کلى در مورد جنس سنگ ارائه نموده و توصیه هایى در مورد سیستم نگهدارنده را مى دهند که تا حد زیادى نیز مشاهدات تجربى تائید کننده آن است. اما امروزه با پیشرفت کامپیوتر و گسترش روشهاى عددى، نرم افزارهاى مختلفى براى آنالیز سازه هاى گوناگون پدید آمده اند که با استفاده از آن ها مى توان تنش، کرنش و جابجائى را در نقاط مختلف سازه به صورت دقیق (با قبول خطاى ناشى از محدودیتهاى فرضیات نرم افزار) بدست آورد. بنابر این تنها اتکا به یافته هاى تجربى و صرفنظر کردن از روشهاى عددى ناکافى بنظر مى رسد و حتى مى توان از روشهاى عددى به عنوان ابزارى نیرومند، در کنار یافته هاى تجربى استفاده کرد. در این مقاله ابتدا با استفاده از روش هاى تجربى، پایدارى تونل و نوع سیستمهاى نگهدارنده در مقطع ورودى تونل پس از حفارى مورد بررسى قرار گرفته و سپس در روش عددى (نرم افزار plaxis) تنشها و تغییر مکانها در این زون انجام شده است ودر نهایت نتایج حاصل از این روش ها با هم مقایسه گردیده است.

Abstract:

In tunnel analysis stability, design of temporary support system and also determination of self supporting time of tunnel (walls and crown) various methods are proposed based on the experimental investigations and monitoring excavated tunnels. The results of the empirical methods (Q-system and Rock Mass Rating (RMR)) generally determine the characteristics of rock mass and recommend the support system.Due to development of computers and numerical methods, much software are developed for analyzing structure giving exact stress، strain and deformations in different parts of the structure، whereas by experimental methods these may not be possible. And we can use numerical methods as a powerful tool close to experimental data.The main objectiveof this study is to assess the engineering geological characteristic of the rock mass and to suggest appropriate support recommendations along the auto road tunnel project، named as Gardaneh Rokh, which is located along the Isfahan-Shahrekord highway.In this paper، the stability of tunnel inlet including surrounding rock mass is assessed by empirical، analytical methods. Also the tunnel support is determined according to the Q-system, Rock Mass Rating (RMR) methods.The analysis is also conducted by numerical methods using Plaxis software،with and without support system.

تحلیل و مقایسه پایداری توده سنگبا استفاده از روش های تجربی و عددی

◊◊◊◊◊◊◊

وجیهه علیان، دانشجوی کارشناسی ارشد رشته زمین شناسی مهندسی دانشگاه اصفهان

محمود هاشمی اصفهانیان،دکتری مکانیک سنگ از انستستو تکنولوژی IIT دهلی هندوستان، 2000، عضو هیئت علمی دانشگاه اصفهان

اکبر قاضی فرد، دکتری زمین شناسی مهندسی از دانشگاه رالا- میسوری آمریکا،1990، عضو هیئت علمی دانشگاه اصفهان

مهدی یزدی، دکتری چینه و فسیل شناسی از دانشگاه مک کواری استرالیا، 1996، عضو هیئت علمی دانشگاه اصفهان

◊◊◊◊◊◊◊

چکیده:

در بررسی پایداری تونل و طرح سیستم نگهدارنده اولیه و همچنین زمان خودنگدار تونل در بخشهای تاج و دیواره تونل روشهای مختلفی پیشنهاد شده است که بر اساس مطالعات تجربی و مشاهدات عینی در مورد تونلهای قبلی می باشد. نتایج حاصل از روشهای تجربی از جمله طبقه بندی ژئومکانیکی RMR (Bieniawski 1989) و اندکس کیفی تونل زنی در سنگ Q (Barton et al. 1998) دید کلی در مورد جنس سنگ ارائه نموده و توصیه هایی در مورد سیستم نگهدارنده را می دهند که تا حد زیادی نیز مشاهدات تجربی تائید کننده آن است. اما امروزه با پیشرفت کامپیوتر و گسترش روشهای عددی، نرم افزارهای مختلفی برای آنالیز سازه های گوناگون پدید آمده اند که با استفاده از آن ها می توان تنش، کرنش و جابجائی را در نقاط مختلف سازه به صورت دقیق (با قبول خطای ناشی از محدودیتهای فرضیات نرم افزار) بدست آورد. بنابر این تنها اتکا به یافته های تجربی و صرفنظر کردن از روشهای عددی ناکافی بنظر می رسد و حتی می توان از روشهای عددی به عنوان ابزاری نیرومند، در کنار یافته های تجربی استفاده کرد. در این مقاله ابتدا با استفاده از روش های تجربی، پایداری تونل و نوع سیستمهای نگهدارنده در مقطع ورودی تونل پس از حفاری مورد بررسی قرار گرفته و سپس در روش عددی (نرم افزار plaxis) تنشها و تغییر مکانها در این زون انجام شده است ودر نهایت نتایج حاصل از این روش ها با هم مقایسه گردیده است.

Abstract:

◊◊◊◊◊◊◊

مقدمه :

تونل گردنه رخ با طول 1300 متر در راستای N28 با مقطع نعل اسبی (ارتفاع 8.62 متر و عرض 13 متر)، در حال حفاری می باشد‌. محل پروژه احداث تونل گردنه رخ در مسیر جاده باغ بهادران به طرف شهرکرد در مرز استان اصفهان و استان چهار محال و بختیاری واقع شده است. جاده ی اصفهان-شهرکرد از نظر اقتصادی و استراتژیکی از شاهراه های بسیار مهم و حیاتی در کشور به شمار می رود و این موضوع با توجه به اینکه راه ارتباطی بین مراکز استان اصفهان و استان چهار محال و بختیاری با جاده ی بین اصفهان و اهواز مشترک است، از اهمیت دو چندان برخوردار می باشد. منطقه مورد بررسی در زون سنندج- سیرجان واقع شده است و رسوبات تشکیل دهنده این منطقه اساسا" شامل سنگ آهک خاکستری اربیتولین دار، آهک مارنی و کنگلومرا می‌باشد. سن این رسوبات متعلق به کرتاسه تا ائوسن است. مختصات جغرافیایی تونل برابر32 21' 06'' عرض جغرافیایی و 51 02' 47'' طول جغرافیایی است، محدوده تونل از ساختار تکتونیکی ویژه ای برخودار می باشد که به دلیل چین خوردگی، ناهمواری سطوح لایه بندی و احتمالا" تشکیل برخی از گسلهای فرعی، شیب و امتداد لایه ها ثابت و یکنواخت نیست. محدوده طرح شامل سنگ آهک خاکستری با سن آپتین می باشد[3].

◊◊◊◊◊◊◊

بحث :

بر اساس استاندارد ISRM(1981) سیستم ناپیوستگیهای موجود در منطقه مورد بررسی قرار گرفت، که با توجه به وضعیت ساختاری منطقه، و براساس اطلاعات ساختاری برداشت شده، مسیر تونل به 13 ناحیه ساختاری تقسیم گردیده است. در ناحیه 1 ساختاری تونل (توده سنگهای مقطع ورودی تونل) 3 دسته درزه اصلی به همراه درزه های اتفاقی شناسائی واندازه گیری شد. بر اساس مشخصات سیستمهای درزه در محدوده مورد نظر میانگین پارامترهای ژئو مکانیکی این محدوده بشرح زیر است:

طبقه بندی توده سنگ:

در این مقاله از سیستم‌های طبقه بندیRMR (بنیاوسکی 1973، 1989) و Q (بارتن و همکاران 1974) جهت طبقه بندی سنگهای در برگیرنده تونل استفاده گردیده است. برای طبقه بندی ژئومکانیکی توده سنگ بر اساس سیستم RMR(Bieniawski 1989) در محدوده ساختاری مورد نظر امتیازهای مربوط به هر پارامتر در جدول شماره 1 ارائه شده است، همچنین پارامترهای ژئومکانیکی توده سنگ تعیین شده بااستفاده از سیستم RMR آورده شده است.

جدول 1 طبقه بندی توده سنگ بر اساس سیستم RMR

ردیف	ارزش	امتیاز	پارامترهای ژئومکانیکی توده سنگ
مقاومت فشاری توده سنگ	MPa 120 - 80	12-7	C=200-285 kpa j = 25-34
مقدار RQD	90 تا 100	17
فاصله بندی درزه ها	0.6-0.2 متر	10
شرایط ناپیوستگی	بیشتر از 10 میلیمتر	0
وضعیت آب	خشک تا نمناک	15-10
جهات درزه ها	نامطلوب	8.5-0
جمع امتیاز توده سنگ	سنگ ضعیف تا نسبتا” خوب	54- 32

همچنین برای طبقه بندی ژئومکانیکی توده سنگ بر اساس سیستم Q (Barton et al. 1997) در این ناحیه ساختاری با توجه به جدول شماره 2 امتیاز های زیر حاصل شد:

جدول 2 طبقه بندی توده سنگ براساس سیستم Q

اندیس کیفی سنگ	سنگ خوب	RQD=85-90
تعداد دسته درزه ها	4دسته درزه اصلی و درزه های اتفاقی	Jn =15*2
وضعیت سطوح درزه ها	موجدار- زبر	Jr = 3
ماده پر کننده درزه ها	کلسیت– رس سیلتی	Ja = 3
مقدار آب بین درزه ها	خشک	Jw=1
ضریب کاهش تنش	تنش متوسط تا کم	SRF=1

سنگ ضعیف

Q=2.83-3

تخمین سیستم نگهدارنده با استفاده از روشهای تجربی:

جهت تعیین میزان بار مؤثر بر روی سیستم نگهدارنده از طبقه بندی Q و RMR استفاده شده است. بارتن (Barton et al. 1997) بر اساس مقدار Q و عدد زبری درزه ها jr میزان فشار واردبر سیستم نگهدارنده را بر اساس فرمول زیر ارائه کرد [1]:

رابطه 1

بنیاوسکی (1989) نیز بر اساس میزان RMR، پهنای تونل W بر حسب متر و وزن واحد حجم روباره g بر حسب KN/m³، میزان فشار واردبرسیستم نگهدارنده را به صورت رابطه زیر ارائه نمود:

رابطه 2

جدول 3 میزان فشار وارده بر سیستم نگهدارنده

سیستم طبقه بندی	Q	RMR
مقدار فشار نگهدارنده(MPa)	0.047	0.16

براساس فشار وارده بر سیستم نگهدارنده و شرایط توده سنگهای در بر گیرنده این زون ساختاری، سیستم نگهدارنده مناسب توسط روشهای تجربی تخمین زده شده است که نتایج حاصله در جدول شماره 4 نشان داده شده است.

جدول 4 برآورد سیستم نگهدارنده مناسب توسط روشهای تجربی

سیستم طبقه بندی	سسیستم Q (بارتن 1993)	سیستم RMR (بنیاوسکی 1989)
نوع سیستم نگهدارنده	پیچ سنگ با فاصله 1.5متری در سطوح بدون شاتکریت و 2 متری در سطوح شاتکریت زده به طول 3 متر 5 تا 9 سانتی متر شاتکریت	پیچ سنگ با فاصله 1.5 و 2 متری به طول 4 متر 5 تا 10 سانتی متر شاتکریت

مشاهده می شود که با اینکه در روش Q توده سنگ ضعیفتر در نظر گرفته می شود ولی میزان نگهدارنده مورد نیاز با میزان نگهدارنده بدست امده از روش RMR، تقریبا" یکسان بدست می آید.

استفاده از روش های عددی در محاسبات پایداری

طی چند دهه ی اخیر تجربه نشان داده است که روش های تجربی وتئوریک نمی تواند به طور کامل رفتار سازه های سطحی و زیر زمینی را تحلیل نمایند. آنها فقط می توانند تنش و ابعاد سازه را به هم نسبت دهند اما تغییر مکان های داخلی مدل و سازه های مجاور را نمی توان به راحتی با این روش ها تحلیل نمود. مشخصه ی اصلی روشهای عددی این است که یک ساز ه ی بزرگ به المان های نسبتا" کوچک تقسیم می شود و سپس معادلات مشخصه ی المان های منفرد و معادلات اندر کنشی میان آنها برقرار می گردد. این معادلات به طور همزمان با استفاده از کامپیوتر حل می شوند[3].

از میان مدلها و روشهای مختلف، مدل پیوسته و روش اجزاء محدود انتخاب گردید. همچنین در میان نرم افزار های مختلفی که در این زمینه وجود دارد نرم افزار Plaxis یکی از بهترین آنها می باشد که در مدل کردن محیط های پیوسته به کار می رود.

اطلاعات ورودی به برنامه یPlaxis و نتایج تحلیل:

در پروژه های ژئوتکنیکی ومکانیک سنگی اولین پارامتری که دانستن آن الزامی است وزن مخصوص توده سنگ می باشد که وزن مخصوص توده ی سنگ در پروژ ه ی مورد بررسی 27 KN/m3 در نظر گرفته شده است. از آنجایی که سطح آب زیر زمینی در منطقه ی مورد مطالعه در اعماق زیاد می باشد و عملا" هیچ تاثیری در محاسبات تنش پس از حفر تونل نخواهد داشت سطح آن را در پایین ترین عمق محدوده ی محاسبات تنش در نظر می گیریم. در نتیجه مقادیر پارامتر های مرتبط با آب هیچ تاثیری در نتایج نخواهد داشت. منظور از محدوده ی محاسبات تنش، محدوده ای است که با حفر تونل هیچ تغییر قابل توجهی در مقادیر تنش قبل از حفر آن در بیرون از این محدوده ایجاد نخواهد شد. مدل رفتاری که برای توده ی سنگ در نظر گرفته شده است مدل موهر– کلمب می باشد که در این مدل احتیاج به دانستن E،n،c ،j،y می باشد. همچنین پارامتر مهم دیگری که در نتایج خروجی برنامه دخالت دارد ضریب فشار جانبی (نسبت تنش های افقی به قائم) می باشد[ 2، 5].

مقادیر پارامترهای مورد نظر در جدول شماره 5 آورده شده است:

پارامتر	n	E	y	j	c	k
مقدار	24/0	Mpa 68/4891	0	°31	Kpa245

کلید واژه ها: سایر موارد