بررسی و مقایسه نشست زمین در پروژه توسعه شمالی خط یک متروی تهران با استفاده از تحلیل عددی و نتایج عملی بدست آمده در زمان اجرا

پایان نامه ::بررسی و مقایسه نشست زمین در پروژه توسعه شمالی خط یک متروی تهران با استفاده از تحلیل عددی و نتایج عملی بدست آمده در زمان اجرا

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.S.c)
دانشکده فنی، گروه مهندسی معدن

فهرست مطالب:

چکیده    ۱
مقدمه    ۲
موقعیت جغرافیایی    ۳

فصل اول بررسی پروژه ارائه شده به همراه روند مراحل    ۵
۱ـ مقدمه    ۶
۱ـ۱ـ مطالعات ژئوتکنیک در شمال ایستگاهX1 پروژه توسعه شمالی خط یک متروی تهران    ۶
۱ـ۲ـ ویژگی‏های نشست زمین در اثر حفر تونل    ۶
۱ـ۳ـ بررسی نشست حاصل ازحفر تونل با استفاده ازتحلیل نرم‏افزار FLCA    ۷
۱ـ۴ـ آنالیز حساسیت    ۷
۱ـ۵ـ بررسی نشست حاصل از حفر تونل با استفاده از دانش نقشه‏برداری    ۷
۱ـ۶ـ مقایسه و نتیجه‏گیری    ۷

فصل دوم مطالعات ژئوتکنیک در شمال ایستگاهX1 پروژه توسعه شمالی خط یک متروی تهران    ۸
۲ـ شروع پروژه    ۹
۲ـ۱ـ اهداف مطالعات    ۹
۲ـ۲- بررسی‏های محلی و مطالعات کارگاهی    ۹
۲-۲-۱-عملیات گمانه‏زنی و نمونه‏برداری    ۹
۲-۲-۲- آزمایش‏های برجا    ۱۸
۲-۲-۲-۱- آزمایش نفوذ استاندارد (Standard Penetration Test)    ۱۸
۲-۳- بررسی‏های آزمایشگاهی    ۲۹
۲-۳-۱- آزمایش‏های شناسایی فیزیکی    ۲۹
۲-۳-۱-۱- آزمایش تعیین درصد رطوبت و وزن مخصوص ASTM (D2216-98, D854-02)    ۲۹
۲-۳-۱-۲-آزمایش دانه‏بندی و هیدرومتریASTM (D4216-85(02) & D422-63(02)    ۲۹
۲-۳-۱-۳- آزمایش تعیین وزن مخصوص با جیوه(BS 1377-2-1990)    ۴۰
۲-۳-۲- آزمایش‏های شناسایی مکانیکی    ۴۰
۲-۳-۲-۱- آزمایش برش مستقیم    ۴۰
۲-۴- مطالعات زمین‏شناسی مهندسی    ۴۷
۲-۴-۱- ویژگی‏ها و تقسیمات سنگ‏شناسی دامنه جنوبی البرز و رسوبات آبرفتی گستره تهران    ۴۷
۲-۴-۱-۱- مشخصات سنگ‏شناسی ارتفاعات شمال شهر تهران    ۴۷
۲-۵- وضعیت ژئوتکنیکی ساختگاه    ۴۸
۲-۵-۱- تشریع لایه‏های شناسایی شده    ۴۸
۲-۵-۲- وضعیت آب زیرزمینی    ۴۹
۲-۵-۳- خصوصیات فیزیکی لایه‏های خاک    ۵۰
۲-۵-۴- خصوصیات مکانیکی لایه‏های خاک    ۵۱
۲-۶- تعیین ظرفیت باربری و نشست خاک    ۵۲
۲-۶-۱-ضریب واکنش بستر (Ks) برای پی‏های سطحی    ۵۳
۲-۶-۲- رانش جانبی خاک    ۵۳

فصل سوم ویژگی‏های نشست زمین در اثر حفر مراحل    ۵۵
۳-۱- نشست سطحی در اثر حفر تونل    ۵۶
۳-۲- روش‏‏های پیش‏بینی نشست‏های زمین بر اثر حفر تونل    ۵۷
۳-۳- بررسی نشست مجاز حاصل از حفر تونل توسعه شمالی خط یک متروی تهران    ۵۸
۳-۴- بررسی تأثیر پارامترهای مختلف فیزیکی و هندسی بر روی نشست‏های سطحی    ۵۸

فصل چهارم بررسی نشست حاصل از حفر تونل با استفاده از تحلیل نرم افزار    ۶۲
۴ـ دلایل کاربرد روش‏های عددی در پیش‏بینی نشست سطحی ناشی از تونل‏سازی    ۶۳
۴-۱- ناشی از تونل سازی    ۶۳
۴-۲- معرفی نرم افزار FLAC    ۶۳
۴-۲-۱- پیشگفتار    ۶۳
۴-۲-۲- مقدمه    ۶۴
۴-۲-۳- ساختار GIIC    ۶۴
۴-۲-۴- محیط متن در FLAC    ۶۵
۴-۲-۵- پنجره MODEL OPTIONS    ۶۶
۴-۲-۶- تغییر ذخیره قسمت‏های اولیهGIIC    ۶۶
۴-۲-۷- کلیدهای ساخت مدل    ۶۷
۴-۳- محاسبات میزان نشست تونل X1 پروژه توسعه شمالی با استفاده از FLAC    ۶۹
۴-۳-۱-شبکه بندی    ۶۹
۴-۳-۲- شکل هندسی    ۶۹
۴-۳-۳- انتخاب مدل    ۶۹
۴-۳-۴- تغییرات مدل    ۷۰
۴-۳-۵- مقدار نیروی گرانش    ۷۰

فصل پنجم آنالیز حساسیت    ۸۰
۵-۱- آنالیز حساسیت    ۸۱

فصل ششم بررسی نشست حاصل از حفر تونل با استفاده از دانش نقشه‏ برداری    ۹۲
۶-۱- روش اندازه‏گیری نشست    ۹۳

فصل هفتم مقایسه و نتیجه‏ گیری    ۱۰۳
۷-۱- مقایسه    ۱۰۴
۷-۲- نتیجه‏گیری    ۱۰۵
فهرست منابع    ۱۰۷

فهرست اشکال

شکل۱ –  پروفیل و موقعیت ساختگاه مورد بررسی    ۴

شکل۲-۱- عملیات حفاری در محل گمانهBH1    ۱۱

شکل۲-۲-نمایی دیگر از عملیات حفاری در محل گمانهBH1    ۱۱

شکل۲-۳- عملیات حفاری در محل گمانهBH2    ۱۲

شکل۲-۴- نمایی دیگر از عملیات حفاری در محل گمانهBH2    ۱۲

شکل۱-۵- مقطع شماتیک از کوه‏های البرز در گذر از گستره تهران     ۱۳

شکل۲-۶-آبرفت‏های گستره تهران (جایکا، ۱۳۷۹)    ۱۴

شکل ۲-۷-مقطع طولی خاکزیر سطحی ساختگاه    ۱۵

شکل ۲-۸-مقادیر سرعت موج برشی بر اساس روابط همبستگی با NsptدرگمانهBH1    ۱۶

شکل ۲-۹-مقادیر سرعت موج برشی بر اساس روابط همبستگی با NsptدرگمانهBH2    ۱۷

شکل ۲-۱۰-مقطع گمانه شناسی ۱    ۱۹

شکل ۲-۱۱-مقطع گمانه شناسی ۲    ۲۰

شکل ۲-۱۲-مقطع گمانه شناسی ۳    ۲۱

شکل ۲-۱۳-مقطع گمانه شناسی ۴    ۲۲

شکل ۲-۱۴-مقطع گمانه شناسی ۵    ۲۳

شکل ۲-۱۵-مقطع گمانه شناسی ۶    ۲۴

شکل ۲-۱۶-مقطع گمانه شناسی ۷    ۲۵

شکل ۲-۱۷-مقطع گمانه شناسی ۸    ۲۶

شکل ۲-۱۸-مقطع گمانه شناسی ۹     ۲۷

شکل ۲-۱۹-مقطع گمانه شناسی ۱۰    ۲۸

شکل ۲-۲۰-منحنی دانه بندی خاک ۱    ۳۰

شکل ۲-۲۱-منحنی دانه بندی خاک ۲    ۳۱

شکل ۲-۲۲-منحنی دانه بندی خاک ۳    ۳۲

شکل ۲-۲۳-منحنی دانه بندی خاک ۴    ۳۳

شکل ۲-۲۴-منحنی دانه بندی خاک ۵    ۳۴

شکل ۲-۲۵-منحنی دانه بندی خاک ۶    ۳۵

شکل ۲-۲۶-منحنی دانه بندی خاک ۷    ۳۶

شکل ۲-۲۷-منحنی دانه بندی خاک ۸    ۳۷

شکل ۲-۲۸-منحنی دانه بندی خاک ۹    ۳۸

شکل ۲-۲۹-منحنی دانه بندی خاک ۱۰    ۳۹

شکل ۲-۳۰-آزمایش برش مستقیم(UU) 1    ۴۱

شکل ۲-۳۱-آزمایش برش مستقیم(UU) 2    ۴۲

شکل ۲-۳۲-آزمایش برش مستقیم (UU) 3    ۴۳

شکل ۲-۳۳-آزمایش برش مستقیم (UU) 4    ۴۴

شکل ۲-۳۴-آزمایش برش مستقیم (UU) 5    ۴۵

شکل ۲-۳۵-آزمایش برش مستقیم (UU) 6    ۴۶

شکل ۳-۱-منحنی نشست سطح زمین در اثر حفر تونل    ۵۷

شکل ۳-۲-نشست سطح زمین در قطرهای مختلف در حفاری تونل تک    ۵۹

شکل ۳-۳-نشست سطح زمین در عمق‏های مختلف در حفاری تونل تک    ۵۹

شکل ۳-۴-نشست سطح زمین در ضخامت پوشش‏های مختلف درحفاری تونل تک    ۵۹

شکل ۳-۵-نشست سطح زمین درK0های مختلف تونل درحفاری تونل تک    ۶۰

شکل ۳-۶-نشست سطح زمین در فاصله‏های مختلف تونل از ساختمان درحفاری تونل    ۶۰

شکل ۳-۷-تاثیر افت حجم‏های مختلف بر نشست‏های سطح زمین    ۶۰

شکل ۳-۸-نشست سطح زمین در لایه ‏بندی مختلف در گمانه‏های مختلف    ۶۱

شکل ۳-۹-تـآثیر فاصله های مختلف بین دو تونل بر نشست های سطحی زمین    ۶۱

شکل ۴-۱-مدل تونلX1پروژه توسعه شمالی متروی تهران در نرم‏افزارFLAC    ۷۳

شکل ۴-۲- بردار جابجایی تونل X1پروژه توسعه شمالی متروی تهران در نرم افزارFLAC    ۷۴

شکل ۴-۳- میزان نشست حاصل از حفاری تونلX1متروی تهران در نرم افزارFLAC    ۷۵

شکل ۴-۴- میزان تنش ماکزیمم د رراستای محور X    ۷۶

شکل ۴-۵- میزان تنش ماکزیمم در راستای محورY    ۷۷

شکل ۴-۶- میزان جابجایی اطراف تونل در راستای محورX    ۷۸

شکل ۴-۷- میزان جابجایی اطراف تونل در راستای محورY    ۷۹

شکل ۵-۱-میزان نشست جدید حاصل از افزایش پارامترC    ۸۲

شکل ۵-۲- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامترC    ۸۲

شکل ۵-۳- میزان نشست جدید حاصل از افزایش پارامترC    ۸۳

شکل ۵-۴- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامترC    ۸۳

شکل ۵-۵- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامترC    ۸۴

شکل ۵-۶- میزان نشست جدید حاصل از افزایش پارامترE    ۸۴

شکل ۵-۷- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامترE    ۸۵

شکل ۵-۸- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامترE    ۸۵

شکل ۵-۹- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامترE    ۸۶

شکل ۵-۱۰- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامترE    ۸۶

شکل ۵-۱۱- میزان نشست جدید حاصل از افزایش پارامتر    ۸۷

شکل ۵-۱۲- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامتر    ۸۷

شکل ۵-۱۳- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامتر  ۸۸

شکل ۵-۱۴- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامتر    ۸۸

شکل ۵-۱۵- میزان نشست جدید حاصل از افزایش مجدد پارامتر    ۸۹

شکل ۵-۱۶-نمایش میزان افت نشست با افزایش پارامتر c    ۹۰

شکل ۵-۱۷-نمایش میزان افت نشست با افزایش پارامتر E    ۹۰

شکل ۵-۱۸- نمایش میزان افت نشست با افزایش پارامتر     ۹۱

شکل ۷-۱- مقایسه میزان نشست حاصل از برداشت توسط دوربین و نرم افزار    ۱۰۴

فهرست جداول
جدول ۲-۱- موقعیت و مشخصات گمانه‏های حفاری شده    ۹
جدول ۲-۲- نتایج آزمایش تعیین وزن مخصوص    ۴۰
جدول ۲-۳-  تراز آب زیرزمینی در گمانه‏های مختلف برحسب متر    ۴۹
جدول ۲-۴- خصوصیات مکانیکی لایه L2 خاک در ساختگاه    ۵۲
جدول۳-۵- مقادیر ضریب واکنش بستر برای پی‏های سطحی    ۵۳
جدول۴-۶-ضرایب رانش جانبی خاک برای لایه L 2    ۵۴
جدول ۶-۱-برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران    ۹۴
جدول ۶-۲-برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران….    ۹۵
جدول ۶-۳-برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران…    ۹۶
جدول ۶-۴-برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران…    ۹۷
جدول ۶-۵-برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران…    ۹۸
جدول ۶-۶- برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران…    ۹۹
جدول ۶-۷-برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران…    ۱۰۰
جدول ۶-۸- برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران…    ۱۰۱
جدول ۶-۹-برداشت نقاط نشست سنجی تونل قطعه ۴ توسعه شمالی خط ۱ متروی تهران…    ۱۰۲

چکیده

در پروژه حاضر نشست سطح زمین در اثر حفر تونل در بخشی از مسیر توسعه شمالی خط یک متوی تهران و تأثیر احتمالی آن در سطح خیابان و سازه‏های مجاور مورد بررسی قرار گرفته است.
نشست سطحی یکی از مهمترین پدیده‏های ناشی از حفاری مترو می‏باشد که تقریباً در تمامی پروژه‏های مشابه دنیا مورد توجه کارشناسان قرار گرفته و توسعه‏های عملی جهت کنترل و محدود نمودن آن با توجه به روش‏های اجرایی مختلف ارائه گردیده است.
در این پروژه ضمن بیان بخشی از مطالعات ژئوتکنیک به بررسی نرم‏افزار FLAC و نتایج بدست آمده نشست سطح با استفاده از تحلیل این نرم‏افزار پرداخته است.
سپس نحوه اندازه‏گیری نشست زمین در بخشی از مسیر توسعه شمالی خط یک متروی تهران و نتایج عملی بدست آمده از این بررسی‏ها بیان گردید.
نتایج بدست آمده نشان می‏دهد که میانگین حداکثر نشست ناشی از حفر تونل مترو در منطقه برداشت ۶ میلیمتر بوده که این مقدار کمتر از نشست مجاز می‏باشد.

مقدمه

از اوایل قرن نوزدهم با توجه به سیر صعودی افزایش جمعیت کره زمین و تراکم جمعیت در شهرها از یکسو و پیشرفت تکنولوژی در تمامی زمینه‏های علمی و بالا رفتن سطح استاندارد زندگی از سوی دیگر، لزوم تحول و گسترش امکانات جهت تأمین نیازهای عمومی مورد توجه بیشتری قرار گرفت.
در طول چند دهه اخیر به منظور کنترل ترافیک در شهرهای بزرگ و همچنین کوتاه نمودن مسیر، اجرای حفاری‏های زیرزمینی سرعت فزاینده‏ای به خود گرفته است. اکتشاف، طراحی و برقراری ایمنی تونل‏ها و به طور کلی فضاهای زیرزمینی در حین ساخت و در صورت لزوم پایداری درازمدت آن، از جمله مسایلی است که بایستی توسط طراحان مدنظر قرار گیرد.
رابطه‏های تحلیلی متعددی در مورد محاسبه یا تخمین نشست زمین در اثر حفر تونل و چگونگی توزیع این نشست، تاکنون پیشنهاد شده است که برخی از آنها مبتنی بر اصول محاسباتی و براساس خواص خاک است و تعدادی مبتنی بر مشاهدات تجربی است. به علاوه بعضی از این رابطه‏ها فقط برای سطح خاک درنظر گرفته شده است در صورتی که در رابطه‏های پیشرفته‏تر و جدیدتر، دگرشکلی‏های عمق خاک و نیز جابه‏جایی‏های افقی خاک نیز مورد ارزیابی واقع شده است.
همچنین مقدار، جهت‏گیری و موقعیت حرکات زمین به شرایط ژئوتکنیکی موجود از قبیل، تنش‏های ژئواستاتیک، بارهای سطحی و همچنین شرایط آب در زیرزمین وابسته است.

 
موقعیت جغرافیایی

شهر تهران که بزرگترین منطقۀ مسکونی کشور را تشکیل می‏دهد بین ۳۵ تا ۵/۳۶ درجه شمالی و ۵۰ تا ۵۳ درجه طول شرقی نصف‏النهار گرینویچ قرار دارد و در دامنه جنوبی البرز مرکزی و شمالی‏ترین فرونشست ایران مرکزی واقع می‏باشد.
در شمال این شهر بخشی از رشته کوه البرز قرار دارد که قله توچال با ۳۹۵۷ متر ارتفاع از سطح دریا بلندترین نقطه این منطقه می‏باشد و شهر تهران بر روی نهشته‏های آبرفتی کواترنر در دامنه این ارتفاعات قرار گرفته است.
محدوده اجرای تونل متروی تهران در پروژه توسعه شمالی خط یک متروی تهران از خیابان دربند، روبه‏روی دانشگاه آزاد، واحد تهران شمال شروع و تا ایستگاه میرداماد واقع در اتوبان حقانی ادامه می‏یابد و ساختگاه مورد مطالعه از بالای دانشگاه شروع و در میدان قدس خاتمه می‏یابد.