امروزه در شهرهای بزرگ، مترو ها و تونل های شهری به عنوان یکی از کلیدی ترین و مهم ترین زیرساخت های شبکه حمل و نقل شهری به شمار می آیند. هر چه محیط شهری شلوغ تر و فضای سطحی محدودتر شده، نیاز به ایجاد سازه های زیر سطحی مانند تونل ها برای تامین این زیرساخت ها، بیشتر احساس می شود. با توجه به اینکه، پروژه های جدید تونل باید در زیر مناطق پر جمعیت شهری ساخته شوند، ساخت و اجرای این سیستم های زیرزمینی ممکن است عوارضی را برای تاسیسات و آسیب به سازه های سطحی و زیر سطحی در پی داشته باشد. هدف اصلی این تحقیق مدلسازی عددی نشست ساختمان های خط یک مترو تبریز در اثر حفاری تمام مقطع به روش epb می باشد. بدین منظور ابتدا نتایج حاصل از رفتارسنجی ساختمان های واقع در محدوده ایستگاه 11 تا 12 خط یک مترو تبریز که با استفاده از دوربین نقشه برداری انجام گرفته شده بود دسته بندی و جابجایی نهایی ساختمان-ها حاصل گردید. با استفاده از اندیس آسیب پذیری رانکین و نتایج نهایی رفتارنگاری، ساختمان های محدوده مورد بررسی طبقه بندی شده و مشخص گردید ساختمان های شماره 3، 4، 5، 6، 20، 21، 22، 23، 32، 33، 34، 40، 41، 42، 43 نسبت به سایر ساختمان ها در معرض آسیب بیشتری قرار دارند. به همین منظور برای بررسی بیشتر از مدلسازی عددی سه بعدی با استفاده از نرم افزار plaxis 3d tunnel برای بررسی مقاطع بحرانی مورد نظر استفاده شده است. برای تعیین دقیق منحنی نشست ساختمان ها، تحلیل حساسیت در راستای طولی مدل انجام گرفته شده و با توجه به نتایج حاصل از تحلیل حساسیت مشخص گردید که در فاصله d3 از ابتدا و انتهای ساختمان تا مرز مدل نشست ها به حالت ایستا می رسد. سپس با استفاده از این مدل بهینه، نشست سطح زمین و ساختمان ها در 7 فاز هنگام عبور دستگاه حفاری از زیر یا کنار ساختمان و یک فاز نهایی که آخرین سیستم نگهداری نصب شده به فاصله d3 از انتهای ساختمان قرار دارد بررسی شده و در نهایت به مقایسه نتایج حاصل از مدل عددی و نتایج واقعی پرداخته شده است. این مقایسه نشان می دهد که مقادیر بدست آمده از مدل عددی در محدوده نتایج حاصل از رفتارنگاری ساختمان ها قرار دارند. همچنین محدوده تاثیر حفاری تونل در تمامی مقاطع در جهت عرضی، تا 40 متری از محور مرکزی تونل بوده و ساختمان ها هر چه دورتر از محور مرکزی تونل قرار بگیرند، تاثیرپذیری کمتری از مراحل مختلف تونلسازی دارند.

یکی از پارامترهای مهم در حفاری تونل ها در مناطق شهری با استفاده از ماشین سپر فشار تعادلی زمین (epb)، فشار نگهداری جبهه کار تونل می باشد، چرا که اعمال فشار کم تر یا بیش تر از حد تعادلی به ترتیب باعث ریزش و بالازدگی در جبهه کار تونل و سطح زمین می شود که نتیجه آن توقف در حفاری، نشست یا بالازدگی در سطح زمین، آسیب به ساختمان های اطراف تونل و افزایش هزینه ها می شود. فشار لازم برای نگهداری جبهه کار تونل با استفاده از سرعت گردش نقاله مارپیچ به عنوان تابعی از نرخ نفوذ ماشین کنترل می شود. فشار مناسب برای نگهداری جبهه کار تونل با در نظر گرفتن پارامترهای هندسی تونل، بارهای ترافیکی و سازه ا ی، سطح آب زیرزمینی، پارامترهای فیزیکی و مکانیکی خاک و ارتفاع روباره به کمک روش های تجربی- تحلیلی (تعادل حدی و آنالیز حدی) و عددی برآورد می شود. در این تحقیق پایداری جبهه کار در تونل جمع آوری آّ ب های سطحی ابوذر با استفاده از روش های تجربی- تحلیلی و عددی (المان محدود) بررسی شده است سپس مقادیر بدست آمده از این روش ها با هم مقایسه شده است و در نهایت به منظور بررسی تاثیر پارامتر های مختلف روی فشار سینه-کار، آنالیز حساسیت روی این پارامترها صورت گرفته است و مشخص شد که آب زیرزمینی و چسبندگی بیش ترین تاثیر را در فشار نگهداری جبهه کار دارد.

ساخت تونل و فضاهای زیرزمینی در مناطق شهری روز به روز در حال گسترش است. اکثر این فضاها به علت نزدیک بودن به سطح زمین در بستر خاکی حفر می شوند. در محیط های خاکی یکی از موارد مهم جهت کنترل پایداری تونل و جلوگیری از نشست سطح، فشار سینه کار و فشار تزریق است. در پروژه مترو تونل خط 7 قطعه شرقی غربی تهران، تونل با ماشین حفاری مکانیزه از نوع متعادل کننده فشار زمین ( epb) حفر می شود. در این تحقیق با تمرکز بر روی چهار مقطع از این تونل به بررسی تاثیر فشار سینه کار بر نشست سطح زمین پرداخته شد. فشار سینه کار در چهار حالت فشار اولیه، 5/1 برابر فشار اولیه، 2 برابر فشار اولیه، 4 برابر فشار اولیه و فشار تزریق در 5 حالت بدون اعمال تزریق، برابر فشار سینه کار، 5/0 بار بیشتر از فشار سینه کار، 1 بار بیشتر از فشار سینه کار و 2 بار بیشتر از فشار سینه کار با استفاده از مدل سازی عددی و سه بعدی اجزاء محدود و نرم افزارplaxis3d tunnel v 1.2 مورد تحلیل قرار گرفت. برای حالت h<2d تاثیرات فشار سینه کار و فشار تزریق بر نشست سطح به مراتب بیشتر از حالت h>2d است نتایج نشان می دهد افزایش 4 برابری فشار سینه کار حداکثر باعث کاهش 5 میلی متر ماکزیمم نشست می شود. بنابراین اگرچه افزایش فشار سینه کار باعث کاهش نشست شده است ولی این میزان بسیار ناچیز است. در این پروژه میزان فشار تزریق در کاهش نشست بسیار تاثیر گذار است. فشار بهینه تزریق، 5/0 بار بیشتر از فشار سینه کار ارزیابی شد. افزایش فشار تزریق بیش از این تاثیر چندانی بر میزان نشست ندارد. اعتبار سنجی نتایج با استفاده از ابزار بندی در سطح زمین و بر روی دو مقطع از تونل انجام گرفته است. با مقایسه مدل سازی و نتایج حاصل از ابزاربندی نشان می دهد صحت روند مدل سازی به خوبی انجام گرفته است.

هایی است که در مورد روش های حفاری آن انجام گرفته است. روش های مختلفی به منظور حفر و احداث تونل ها اعم از تونل های شبکه مترو، راه آهن، انتقال آب، صنعتی، معدنی و غیره وجود دارد. این روش ها به دو دسته کلی حفاری سنتی و مکانیزه طبقه بندی می شوند. حفاری سنتی در نواحی شهری عمدتا شامل روش های کند و پوش (cut & cover)، پوش و کند (cover & cut) و روش جدید حفاری اتریشی (natm) می باشد. مورد مطالعاتی مورد نظر در این طرح تونل راه آهن تهران- تبریز می باشد. این تونل در منطقه 17 تهران به روش پوش و کند در حال کار است. عرض هر تونل 11 متر و ارتفاع هرکدام 7/7 متر می باشد. بررسی های اولیه نشان می دهد که این تونل می تواند به روش natm نیز ادامه پیدا کند. از ویژگی های قطعه مورد بررسی، تونل بزرگ مقطع با روباره کم عمق شهری می-باشد. همچنین امکان حفاری مکانیزه به دلیل طول کم در این محل وجود ندارد. لذا این موضوع مشکلات و بحث هایی را در زمینه انتخاب روش حفاری مناسب برای کارفرما ایجاد کرده است. در این طرح با توجه به محدودیت های موجود تونلسازی در نواحی شهری، ابتدا به امکان سنجی حفر تونل به روش natm و نیز مدلسازی عددی این روش با استفاده از روش عددی تفاضل محدود و نرم افزار تحلیل عددی flac 3d پرداخته شده و نیز تحلیل حساسیت پارامتری بر روی تاثیر ترتیب حفاری و نگهداری، میزان گام پیشروی و نیز وجود و یا عدم وجود نگهداری مناسب بر روی این امکان پذیری پرداخته شده و سپس نتایج بدست آمده با طراحی های روش پوش و کند مقایسه و در نهایت روش مناسب حفر تونل بهمراه سیستم نگهداری مناسب در این قطعه ارائه شده است. این طرح پیشنهادی شامل یک تونل دوقلوی natm با دهانه 13 متر و ارتفاع 9 متر و سطح مقطع 109 متر مربع، تحت روباره 6 متر بوده که عرض ستون بین دو تونل 2 متر می باشد و در سطح زمین نیز ساختمان و یا تاسیساتی وجود ندارد. با توجه به مدلسازی های انجام گرفته از دو تونل natm پیشنهادی و پوش و کند با کمک نرم افزار flac 3d، طرح natm پیشنهادی از نظر میزان نشست ایجاد شده در سطح زمین و نیز نواحی تنش ایجاد شده، مناسبتر و بهینه تر بوده و بعنوان جایگزین روش اجرایی پوش و کند در این ناحیه بحرانی معرفی شده است.

با توجه به رشد روز افزون جمعیت و در نتیجه ترافیک شهری، لزوم استفاده از وسایل حمل و نقل ریلی به سرعت در حال گسترش است. امروزه سازه های زیرزمینی به ویژه تونل ها نقش مهمی در توسعه ی حمل و نقل شهری ایفا می کنند. روش های مختلفی به منظور حفر و احداث تونل ها اعم از تونل های شبکه مترو، راه آهن، انتقال آب، صنعتی، معدنی و غیره وجود دارد. این روش ها به دو دسته ی کلی حفاری سنتی و مکانیزه طبقه بندی می شوند. روش عمده ی تونل سازی مکانیزه در محیط های شهری که عمدتاً متشکل از زمین های آبرفتی هستند، استفاده از tbm است. یکی از عوامل مهم در تصمیم گیری مدیران پروژه و مهندسان طراح در مرحله ی مطالعات امکان پذیری و طراحی، ضریب بهره وری tbm است. ضریب بهره وری درصدی از زمان است که دستگاه صرف حفاری می کند. از جمله موارد موثر بر فرآیند تونل سازی و ضریب بهره وری در زمین های نرم و به ویژه محیط های شهری، عوامل ژئوتکنیکی، معارضان شهری (محیطی)، عوامل مربوط به طراحی است. در پایان نامه ی حاضر به بررسی تاثیر عوامل ذکر شده بر ضریب بهره وری tbm در تونل سازی در زمین های نرم و به ویژه محیط های شهری پرداخته می شود. به این منظور قطعه شرقی- غربی خط 7 متروی تهران به طور خاص مورد بررسی قرار می گیرد. ماشین مورد استفاده در این پروژه، tbm نوع فشار تعادلی زمین (epb) است. به منظور تحلیل این مساله از رویکرد سیستم های مهندسی سنگ (res) استفاده می شود. عوامل موثر در نظر گرفته شده در این پژوهش شامل 14 مورد است که برای کدگذاری ماتریس اندرکنش ایجاد شده، روش کدگذاری نیمه عددی خبره ی احتمالاتی (pesq) مورد استفاده قرار می گیرد. با استفاده از رویکرد res، شاخصی تحت عنوان شاخص بهره وری در طول مسیر تونل محاسبه شده و با ضریب بهره وری حاصل از زمان های پروژه مقایسه گردیده است. نتایج حاصل از این مقایسه به صورت رابطه ای لگاریتمی با ضریب تعیین 724/0r² = بوده و می توان با استفاده از این رابطه مقادیر ضریب بهره وری را برای ادامه ی مسیر تونل مورد مطالعه محاسبه کرد. همچنین نتایج این پژوهش قابلیت کاربرد در پروژه های مشابه را دارد.

پیش بینی دقیق نرخ نفوذماشین حفاردر پروژه های حفاری در سنگ سخت تأثیر زیادی در تخمین میزان هزینه و مدت زمان اجرای پروژه دارد. تا کنون مدل های بسیاری برای پیش بینی نرخ نفوذماشین حفار ارائه شده است؛ کههر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود بوده اند. طی بررسی های انجام شده بهترین مدل به منظور پیش بینی نرخ نفوذ،مدل های امتیازدهی می باشند. در تجربیات گذشته نشان داده شده است که اصلاح شاخص های رده بندی توده سنگ به تنهایی نمی تواند شاخص خوبی به منظور پیش بینی نرخ نفوذ باشد. در نتیجه نیاز به معرفی یک شاخص جدید که دربرگیرنده پارامتر های ماشین حفار به همراه شرایط زمین باشند احساس می شد. در این تحقیق با استفاده از ابزار تطبیقی جعبه ابزار شبکه عصبی نرم افزارmatlab سعی شد پارامترهای موثر بر نرخ نفوذ ماشین حفار تونلبا کمترین همپوشانی و بیش ترین تأثیر انتخاب شوند؛ اینپارامترهاعبارت اند از سرعت چرخش سر حفار، نیروی پیشران به ازای هر کاتر، امتیازرده بندی توده سنگ اصلاح شده، مقاومت کششی؛همچنین برای وزن دهی به پارامترها با استفاده از نظر متخصصان و به وسیله تحلیل سلسله مراتبی فازی دلفی وزن هر یک از پارامترها به دست آمد تا مدل جدید از وابستگی کمتری به داده ها وجامعیت بیشتری برخوردار باشد. با توجه به اهمیت نسبی پارامترهای مورد استفاده مجموع امتیازات،100 در نظر گرفته شده است. همچنین در طبقه بندی جدید هر چهار پارامتر به تنهایی طبقه بندی و مورد امتیازدهی به صورت غیرخطی قرار گرفتند، در مرحله بعد برای اعتبارسنجی سیستم،امتیازدهی جدید برای برداشت های به دست آمده از 18 قطعه با خصوصیات ژئومکانیکی مختلف در پروژه تونل انتقال آب زاگرساعمال شد.سپس به کمک تحلیل رگرسیونی رابطه ریاضی y = 0.0621x - 0.8098بین امتیاز به دست آمده از مدل جدید با مقادیر واقعی نرخ نفوذ با ضریب تعیین r² = 0.9191به دست آمد.در ادامه مقادیر پیش بینی شده به وسیله مدل جدید با مقادیر پیش بینی شده به وسیله مدل های دیگر و مقادیر واقعی نرخ نفوذ مقایسه و مورد تحلیل قرار گرفتند. مقادیر پیش بینی شده به وسیله مدل جدید،بیش ترین نزدیکی را با مقادیر واقعی نرخ نفوذ نسبت به مدل-های دیگر بررسی شده از خود نشان داد.