Metro tünellerinde uygulanan şemsiye-kemer yönteminin sayısal analizi

Özet

Tünel tasarımcıları, zayıf zeminlerde projelenen tüneller için inşa sırasında işçi ve yapım güvenliği ve özellikle şehir içinde daha da önem taşıyan yüzey oturmaları gibi kritik konuları denetim altına almak durumundadır. Bu çalışmada, zayıf zeminlerdeki tünel inşaatlarında tünelin göçmeden açılabilmesi ve tünel içi (konverjans) ve yüzey deformasyonlarını denetim altına almak için uygulanan şemsiye-kemer (umbrella-arch) yönteminin, tünel içi ve arazide oluşturduğu iyileşmelerin etkileri parametrik olarak incelenmiştir. Sayısal hesaplamalarda sonlu elemanlar yöntemi ile çalışan Plaxis yazılımı kullanılmıştır. Sayısal analizlerde, zemin davranışını temsil etmek amacıyla elastoplastik Mohr-Coulomb zemin modeli kullanılmıştır. Hesaplamalar, 2 boyutlu düzlem- gerilme ortamında elastik mesnetlere oturan kiriş kabulleriyle yapılmıştır. Yapılan sayısal modellemeler sonucunda şemsiye borularının uzunluklarının (Lp) en büyük yüzey oturmalarına (smaks) etkisi için farklı her tünel derinliğinde (Z) geçerli olabilecek bir bağıntıdan söz etmek mümkün görülmemektedir. Ancak, şemsiye borularının boylarının (Lp) artırılmasının oturmaların yüzey dağılımı üzerinde olumlu bir etki yaparak yüzey oturma bölgesini daralttığı anlaşılmıştır. Şemsiye-kemer borularının uygulama açısının yataydan uzaklaşması (β≠0o) yüzey oturma dağılımına ve aynada oluşan eksenel deformasyonlara (dx) olumsuz etki yaptığı, uygulama açısını artırmanın daha yüksek eksenel deformasyonlar verdiği görülmektedir. Şemsiye borularına verilecek en elverişli açının tünel eksenine paralel olduğu (β=0o) ve uygulamada boruların mümkün olan en küçük açı ile imal edilmesinin uygun olacağı sonucuna ulaşılmıştır. Şemsiye-kemer boru boylarının (Lp) tünel tavanı düşey deformasyonlarını her kazı kademesi için azalttığı görülmüştür. Şemsiye-kemer borularının boylarının (Lp) ayna yatay deformasyonlarını olumlu yönde etkilediği ve daha uzun boru boyu kullanmanın ayna yatay deformasyonlarını azalttığı görülmüştür.

Abstract

As a result of rapid urbanization, complex transportation networks have been built to overcome the demand for public transport. In urban areas the surface settlements (which take place during tunnel construction and service life) should be within the tolerance limits and should not effect nearby the superstructures. The tunnel excavation and support system should provide an adequate tunnel wall and face stability for worker and equipment safety and should prevent a possible collapse. The umbrella-arch method can be defined as a reinforcement technique which involves installing pipes ahead of the tunnel face prior to the excavation in order to limit the deformations that occur in the crown, face and surface settlements, in order to provide a longer stand-up time and to excavate the tunnel in safety. Quantifying the level of improvement provided by the reinforcements would enhance the design stage. The media in which a tunnel is going to be excavated would usually expose heterogenous and unisotropic properties and the tunnel route possesses varying cross-sections such as stations, rail switches, service depots etc. Therefore, there is a need to use simple and flexible methods that are applicable to different underground conditions. In this study, the effects of umbrella arch pipe roofing method on limiting the aforementioned deformations are investigated by numerical methods. Modelling each umbrella pipe individually by using 3D methods is not very efficient in application projects for the reasons summarized below; • There are too many parameters affecting the reinforcement behaviour in tunnel excavation. • Software chosen should be capable of reflecting the real in situ behavior of the material (stressstrain, long/short term behavior, pore-water pressures and movements, interaction between the support material etc.) in a convenient manner. • Commercial software avaliable on the market are usually not user-friendly and requires extensive training. • These 3D analyses require special and expensive hardware setups. • Solution times are unacceptably long for the conditions where a quick respond is needed. These points urge the engineer to use more practical 2D software applications capable of reflecting the real in situ behaviour within a reasonable accuracy. This study presents the results of over 100 parametric Finite Element analyses of umbrella arch tunnel roof reinforcing based on two dimensional plane strain conditions with the assumption of beam on elastic multi-supports inserted in elastoplastic medium. Therefore, the analyses performed are on the longitudinal profile. In the constitutive model, the soil is discretized as 15 noded triangular elements; the umbrella pipes are modelled as beam elements of 5 nodes each of which has three degrees of freedom; the steel sets are modelled as strut elements which are one node spring elements of constant spring stiffness (normal stiffness) which are fixed at one end at a predefined length. The lateral far boundaries are taken at least eight times the diameter of the tunnel in order to obtain more accurate Finite Element Method (FEM) results. The vertical boundary of the model changes by the depth of tunnel. The out-of-plane dimension is taken as unit width (1m), therefore, some modifications are applied on the stiffness properties of beams. The tunnel is assumed to be excavated in a cohesive medium. For practical reasons it is assumed that no ground water exists. Total excavation length is 10m which is achieved by ten steps of 1m long advances. The cover depth (C), the length of umbrella pipes $(L_p)$, the length of overlapping of pipes $(L_o)$ and the application angle of pipes $(beta)$ are the main constituents of parametric study. The results of parametric study show that it is not possible to deduce a general expression which is valid for all tunnel depths that the length of pipes $(L_p)$, have a positive effect on decreasing maximum surface settlements $(s_{max})$. However, the length of pipes has a possitive effect on narrowing the settlement trough, and decreasing the crown settlements and lateral face deformations (dx). The increase in the thickness of pipe reinforcing provides lining stability and limits the tunnel and surface deformations. Deviation of the application angle of pipes from horizontal plane, negatively affects the settlement trough, and lateral face. However, because it is not possible to place the pipes laterally due to the space that is occupied by the overlap, smallest minimum angle should be applied in order to achieve the best benefit from the method.