عنوان

مدل‌سازی تحلیلی اندرکنش بین تونل‌‌های تحت فشار و توده‌سنگ‌‌های مچاله شونده

Number

پ۲۸۹۷۲

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

مدل‌سازی تحلیلی اندرکنش بین تونل‌‌های تحت فشار و توده‌سنگ‌‌های مچاله شونده

First Statement of Responsibility

میلاد ظاهری

Name of Publisher, Distributor, etc.

فنی و مهندسی عمران

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۲

Specific Material Designation and Extent of Item

۳۲۲ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مهندسی عمران گرایش ژئوتکنیک

Date of degree

۱۴۰۲/۰۵/۰۴

Text of Note

تونل‌سازی در شرایط مچاله شوندگی یکی از مسائل چالش برانگیز و معضل آفرین در مهندسی ژئوتکنیک به شمار می‌رود؛ چرا که در این شرایط، سنگ‌ها دارای مقاومت فشاری کم بوده و تحت تأثیر فشار و تنش بسیار زیادی قرار دارند؛ به طوری که تغییر شکل‌‌های مضاعفی در طول زمان از خود نشان می‌‌دهند. در صورتی که تونل‌سازی در زیر آب زیرزمینی انجام گرفته و یا تونل از نوع تحت فشار باشد، این مشکل دو چندان می‌شود؛ زیرا علاوه بر این که جابجایی‌های بسیار بزرگی در طول زمان رخ می‌دهد و این امر منجر به افزایش بار وارده به سیستم نگهداری تونل می‌شود، تراوش آب نیز پایداری توده سنگ اطراف تونل‌‌های تحت فشار را تحت تأثیر قرار می‌‌دهد که نمی‌‌توان اثر آن را نادیده گرفت. این تراوش آب به داخل تونل و یا از داخل تونل به خارج آن، به نوبه خود می‌‌تواند سبب مشکلات زیادی از قبیل افزایش جابجایی تونل و کاهش پایداری و مقاومت توده سنگ گردد. در اثر تراوش آب، المان‌های توده سنگ اطراف تونل تحت نیروهای حجمی تراوش قرار می‌‌گیرند و این امر می‌‌تواند منجر به ایجاد ترک‌‌ها و درزهای جدیدی در توده سنگ و در نهایت، موجب تغییر مقدار نفوذپذیری آن شود. تغییر در میزان نفوذپذیری، سبب تغییر در فشار آب حفره‌‌ای و نیروی تراوش شده و آن نیز تنش‌‌های مؤثر را تغییر می‌دهد. تغییر شکل ناشی از مچاله شوندگی، وضعیت توده سنگ اطراف تونل و نفوذپذیری آن را تحت تأثیر قرار داده و این امر موجب تغییر نیروی تراوش در طول زمان می‌شود. بدین سبب لازم است این اثرات متقابل مچاله شوندگی و نیروی تراوش در طول زمان مطالعه شده و تنش وارده بر لاینینگ تونل در طول زمان به دست آید.مسأله فوق‌الذکر برای شرایطی که در آن، حفاری تونل به روش دینامیت گذاری کنترل نشده انجام گرفته باشد، بیشتر حالت بحرانی نشان می‌دهد. توضیح اینکه، حفاری به روش آتشکاری کنترل نشده موجب می‌گردد تا توده سنگ نزدیک دیواره‌ی تونل به شدت آسیب ببیند و خصوصیات آن تغییر کند. در این صورت، توده سنگ از یکسو درجه بالاتری از مچاله شوندگی را از خود نشان داده و تنش وارده بر لاینینگ تغییر می‌کند و از سویی دیگر، به دلیل آسیب ناشی از آتشکاری، نفوذپذیری توده سنگ آسیب دیده افزایش پیدا می‌کند که این امر موجب تغییر نیروی تراوش وارده بر لاینینگ می‌گردد. در نتیجه، پیش‌‌بینی نادرست نیروهای وارده بر لاینینگ به ویژه در طول زمان می‌تواند موجب بروز ناپایداری‌‌هایی چون نشت بیش از حد آب از تونل گردد.در این رساله، برای مطالعه تونل‌های تحت فشار در شرایط مچاله شوندگی توده سنگ از روش تحلیلی استفاده شد تا اندرکنش هیدرومکانیکی در نظر گرفته شود. در چنین شرایطی، با در نظرگیری رابطه بین تنش‌ها و کرنش‌ها در طول زمان، معادلات تراوش و تعادل به صورت همزمان حل گردید. با در نظرگیری اندرکنش هیدرومکانیکی، مدل ویسکو الاستیک برگر به توده سنگ و ناحیه آسیب دیده اختصاص داده و تغییرات نفوذپذیری با زمان و مکان در نظر گرفته شد. این روش، امکان حل مسأله را در زمان بسیار کوتاهی فراهم می‌کند و نیز تغییرات نفوذپذیری با زمان و مکان ممکن می‌شود. این در حالی است که حل این مسأله در نرم‌افزارهای تحقیقاتی مثل FLAC3D، با کامپیوترهای موجود بسیار زمان‌بر بوده و نفوذپذیری به صورت پیش فرض ثابت در نظر گرفته می‌شود. بعد از ارائه روش تحلیلی، مدل عددی این مسأله در نرم‌افزار FLAC3D ایجاد و با مدل تحلیلی ارائه شده صحت‌سنجی شد. سپس، برای در نظرگیری رفتار واقعی‌تر توده سنگ، مدل ویسکو الاستو پلاستیک CVISC (مدل برگر همراه با مدل خرابی موهر- کولمب) به توده سنگ اصلی و ناحیه آسیب دیده اختصاص داده شد. در این خصوص نیز، زیر برنامه‌ای در مورد نفوذپذیری متغیر توده سنگ تهیه و به نرم‌افزار اضافه گردید. نتایج حاصل از این مدل‌سازی‌ها حاکی از آن است که تأثیر افزایش ضخامت ناحیه آسیب دیده در کوتاه مدت، بسیار بیشتر از تأثیر آن در دراز مدت است. گفتنی است، در شرایطی که رفتار توده سنگ ویسکو پلاستیک انتخاب گردد، نقش نحوه حفاری تونل بر میزان همگرایی تونل افزایش می‌یابد. همچنین، با و یا بدون وجود ناحیه آسیب دیده، مقدار جابجایی در توده سنگ (در فواصل دور از دیواره تونل) در شرایطی که نفوذپذیری توده سنگ ثابت است بیشتر از حالتی است که نفوذپذیری تابع مکان و زمان است. حال آن که، این اختلاف در پیش‌بینی جابجایی‌ها در شرایطی که درجه مچاله شوندگی توده سنگ زیاد است، بسیار کمتر از حالتی است که توده سنگ دارای درجه مچاله شوندگی شدید است. ضمناً، در طول زمان، هر چه تعداد ترک‌ها و عرض ترک‌ها و به تبع آن نفوذپذیری توده سنگ ویسکو الاستیک افزایش یابد، تنش کل وارده بر لاینینگ تونل تحت فشار، کاهش یافته و در نتیجه، جابجایی دیواره تونل افزایش می‌یابد.در نهایت، با استفاده از مدل‌سازی‌های فوق، موضوع و تأثیر عدم قطعیت در تخمین خصوصیات توده سنگ به ویژه نفوذپذیری در میزان تنش وارده بر لاینینگ تونل‌های تحت فشار قبل از بهره‌برداری (حین ساخت) و هم در زمان بهره‌برداری مطالعه گردید. در این بخش، توزیع نرمال برای متغیرهای توده سنگ در نظر گرفته شد و نوع توزیع احتمالاتی تنش وارده بر لاینینگ و میزان جابجایی دیواره تونل محاسبه گردید. هدف از این بخش، تعیین محتمل‌ترین مقدار تنش وارده بر لاینینگ و میزان جابجایی دیواره تونل در شرایط مختلف است. ضمناً این مطالعه، این امکان را میسر می‌سازد که قضاوت نمود آیا در نظرگیری مقادیر متوسط خصوصیات توده سنگ در جهت اطمینان است و یا خلاف جهت اطمینان. نتایج مطالعه حاکی از آن است که مقدار تنش وارده بر لاینینگ حاصله از روش قطعی، تفاوت چندانی با محتمل‌ترین مقدار آن ندارد. با این وجود، استفاده از روش قطعی در پیش‌بینی میزان جابجایی دیواره تونل نسبت به روش احتمالاتی در جهت اطمینان است.

Text of Note

Tunneling in squeezing conditions is one of the challenging and problematic issues in the geotechnical engineering. Because in this condition, rock masses have low compressive strength, and are located at great depths. These rock masses show great time-dependent convergences. In the tunnels located below groundwater tables or in the pressurized tunnels, this condition can be more problematic. The reason for this can be explained by the fact that in squeezing conditions, very large displacements occur over time, which can lead to an increase in the stress exerted on the tunnel supporting system. Besides, water seepage also affects the stability of the rock mass around the pressurized tunnels, and its effects cannot be ignored. The seepage of water into the tunnel or from the tunnel towards the rock mass can cause many problems such as increasing the displacement of the tunnel and reducing the stability and decreasing the strength of the rock mass. Due to the water seepage, the elements of the rock mass around the tunnel are subjected to seepage volumetric forces and this can lead to the creation of new cracks and joints in the rock mass. And finally, the permeability coefficients of the rock mass will be changed. This change in permeability of the rock mass leads pore water pressures, seepage forces, and effective stresses to change. Therefore, the extra deformation caused by the squeezing conditions changes both the state of the rock mass around the tunnel and rock mass permeability. Hence, the seepage force will be changed over time. Therefore, it is necessary to study the mutual effects of squeezing condition and seepage force over time, and the stress acting on the lining should be obtained over time.The above-mentioned problem will be more challenging when the tunnel is excavated by the poor quality blasting or uncontrolled blasting. Note that in the poor quality blasting, the rock mass near the tunnel boundary is severely damaged, and therefore, the properties of this zone are different from the undamaged rock mass. In this case, on the one hand, the rock mass shows a higher degree of squeezing, which changes the stress exerted on the lining, and on the other hand, due to the damages caused by poor quality blasting, the permeability of the damaged rock mass increases. In this condition, the seepage force acting on the lining is altered. As a result, incorrect prediction of the stresses exerted on the lining over time can cause instabilities such as excessive water leakage from the tunnel.In this thesis, in order to consider the hydro-mechanical interaction, the analytical method was used to study the behavior of the pressurized tunnels in the squeezing conditions. Via this method, by considering the relationship between stresses and strains over time, the seepage and equilibrium equations were simultaneously solved. By considering the hydro-mechanical interaction, the Burgers viscoelastic model was assigned to both the rock mass and the damaged zone. Besides, permeability changes with time and distance were considered. The analytical method provides the possibility of solving the problem in a very short time, and considering the changes in permeability coefficients with time and distance is possible. Meanwhile, solving this problem in FLAC3D software is very time-consuming, and the value of the permeability coefficient is considered constant throughout the model, by default. After obtaining the analytical solution, the numerical model of the problem was created in FLAC3D software and verified with the proposed analytical model. Then, to consider a more realistic behavior of the surrounding rock mass, the visco-elasto-plastic CVISC model (Burgers model combined with the Mohr-Coulomb failure model) was assigned to both the undamaged and damaged rock masses. In this regard, to implement the variable permeability coefficients in the model, a subroutine was written using the FISH programming language of FLAC3D software.The results of this study indicate that the effect of the thickness damaged zone in the instantaneous displacement of the tunnel is much greater than its effect over long times. It should be noted that, for the visco-plastic rock mass, the effect of the tunnel excavation method on the tunnel convergence is greater. Also, with or without existing the damaged zone, if a constant permeability coefficient is assigned to the rock mass, the value of rock mass displacement (at distances away from the tunnel wall) is greater than the case in which the permeability coefficient varies with time and distance. However, this difference in the prediction of tunnel displacements in the extreme squeezing conditions is much less than that in the case of severe squeezing conditions. Also, as the number of cracks and their width increase over time, and consequently the permeability of the viscoelastic rock mass increases, the total stress exerted on the lining of the pressurized tunnel decreases and hence, the value of the tunnel displacement increases.Finally, by using the above methods, the issue and effect of uncertainty in estimating of the rock mass properties, especially permeability, on the total stress exerted on the lining of the pressurized tunnel, before (during construction) and during the operation of the pressurized tunnel, were studied. In this section, the rock mass properties were assumed to follow the normal distribution, and the type of probability distribution of the stress exerted on the tunnel supporting system and the tunnel wall displacement was determined. The purpose of this section was to determine the most probable values of the stress exerted on the tunnel supporting system and the tunnel wall displacement in different conditions. Also, this study makes it possible to judge whether considering mean values of rock mass properties is reliable or not. The results indicate that the value of stress exerted on the tunnel supporting system resulting from the deterministic method is not much different from its most probable value. Nevertheless, using the deterministic method in predicting the tunnel displacement is more reliable than the probabilistic method.

Variant Title

Analytical analysis of the interaction of pressurized tunnels and squeezing rock masses

Entry Element

‏ظاهری،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏میلاد

Relator Code

تهیه کننده

Entry Element

‏ رنجبرنیا،

Entry Element

‏زارعی فرد،

Part of Name Other than Entry Element

‏مسعود

Part of Name Other than Entry Element

محمد رضا

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏تبریز