Abstract
A simplified procedure based on finite element method (FEM) is developed in this paper for analyzing the longitudinal performance of shield tunnels considering the longitudinal variation of geotechnical parameters. Herein, the spatial variation of soil properties of the ground under the tunnel is explicitly considered. The validity of the FEM solution is verified by analytical solutions and model tests with various assumed scenarios. The random field theory is employed to model the spatial variation (in the longitudinal domain) of the subgrade reaction coefficient, which is a key soil parameter for FEM analysis of the longitudinal performance of shield tunnels. A hypothetical example is presented to demonstrate the capability of the simplified FEM procedure in analyzing the longitudinal performance of a shield tunnel with spatial soil variability. The results show that the overall settlement of the tunnel is mainly affected by the mean of soil properties, while the extent of the tunnel differential settlement is significantly affected by the variation and scale of fluctuation of soil properties
چکیده
در این مقاله یک دستورالعمل ساده سازی شده بر مبنای روش اجزای محدود (FEM) به منظور تحلیل عملکرد طولی تونل‌های سپری، با در نظر گرفتن تغییرات طولی پارامترهای ژئوتکنیکی ارائه شده است. در اینجا تغییرات مکانی خواص خاکِ زمین زیر تونل، بطور خاص مورد توجه قرار گرفته است. اعتبار جواب FEM بوسیله حل تحلیلی مسئله و تست‌های مدل تحت سناریو‌های مختلف، مورد بررسی قرار گرفت. از نظریه میدان‌های تصادفی برای مدلسازی تغییرات مکانیِ (در راستای طولی) ضریب واکنش بستر استفاده شد که یکی از پارامترهای کلیدی خاک برای تحلیل FEM عملکرد طولی تونل‌های سپری به شمار می‌رود. برای روشن شدن ظرفیت این دستورالعملِ مبتنی بر FEM ساده سازی شده در تحلیل عملکرد طولی تونل‌های سپری با تغییرات مکانی در پارامترهای خاک، یک مثال فرضی ارائه شده است. نتایج نشان می‌دهند که نشست کلی تونل عمدتاً متأثر از میانگین خواص خاک است، در حالیکه میزان نشست تفاضلی تونل به شدت تحت تأثیر تغییرات و مقیاس نوسانات در خواص خاک می‌باشد.
1-مقدمه
از 170 سال پیش که احداث اولین تونل سپری در لندن به پایان رسید، تونل سازی با استفاده از سپر، با توجه به انعطاف پذیری، گزینش پذیری و حداقل اثرگذاری روی ترافیک زمینی و سازه‌های سطحی، طرفداران بیشتری پیدا کرد [18]. اگرچه روش طراحی تونل‌های سپری از مدل‌های تجربی به مدل‌های مبتنی بر مکانیک تغییر کرده است، اما رویه‌های فعلی طراحی آسترکشی قطعه ای، هنوز هم بر اساس تحلیل مقاطع بحرانی تونل و با در نظر گرفتن شرایط کرنش صفحه‌ای انجام می‌شوند [2، 17، 18، 32]. علاوه بر این، انتخاب مقاطع بحرانی هم کاملاً به شکل ذهنی انجام می‌شود؛ بطوریکه ممکن است مقطعی که عمیق‌ترین روبار را دارد، مقطعی که کم عمق‌ترین روبار را دارد، یا پایین‌ترین سطح ایستابی به عنوان مقطع بحرانی انتخاب شوند. همچنین ممکن است مقطعی با اضافه بار زیاد، مقطعی تحت بارهای غیرهم مرکز یا سطح غیرتراز به عنوان مقطع بحرانی انتخاب شود، یا حتی ممکن است این مقطع در جایی انتخاب شود که تونل دیگری در حال حاضر وجود دارد یا در آینده احداث خواهد شد..