تحليل پايداري درازمدت تونل‌ها با درنظر گرفتن هوازدگي توده‌سنگ

Long-term Stability Analysis of Tunnels Considering Rock Mass Weathering

در اين مقاله، روشي جديد بمنظور تحليل پايداري و ارزيابي بارهاي درازمدت وارد بر تونل‌ها با درنظر گرفتن پديده هوازدگي توده‌سنگ ارائه شده است. پس از تعريف انواع هوازدگي در سنگ‌ها و شرايط رخداد آنها، هوازدگي شيميايي بخصوص در سنگ‌هاي رسوبي بعنوان هوازدگي محتمل در اطراف تونل‌ها معرفي شده است. همچنين، روش مناسبي بمنظور ارزيابي دقيق‌تر پتانسيل هوازدگي در اطراف تونل‌ها با توجه جنس توده‌سنگ ارائه شده است. در اثر هوازدگي، خواص ژئومكانيكي سنگ‌‎ها تحت تاثير قرارگرفته و برخي پارامترهاي آن كاهش مي‌يابند. بررسي‌هاي انجام شده نشان مي‌دهد كه پارامترهاي مقاومتي (زاويه اصطكاك داخلي و چسبندگي) و مدول يانگ توده‌سنگ‌ها در اثر هوازدگي شيميايي مي‌توانند بترتيب 30% و 40% مقادير اوليه خود كاهش يابند. از طرف ديگر، با گذشت زمان، سيستم نگهداري موقت تونل‌ها نيز بدليل تماس مستقيم با محيط پيرامون شديداً تحت تاثير عوامل مخرب محيطي قرار گرفته و اجزاي آن به تدريج كارايي خود را از مي‌دهند. تاثيرگذاري اين عوامل مخرب محيطي بر سيستم نگهداري موقت تونل‌ها نيز بررسي شده و بسته به شرايط محيطي و نحوه ساخت يك تونل، سه حالت مختلف جهت مدل‌سازي آن در تحليل‌هاي درازمدت پيشنهاد گرديده است. كليه مراحل تحليل پايداري درازمدت بصورت كاربردي با استفاده از يك مطالعه موردي (تونل ترشان از آزاد‌راه خرم‌آباد-پل زال) تشريح شده است. ارزيابي رفتار تونل با استفاده از نمودار واكنش زمين در درازمدت و همچنين نمودار اندركنش زمين-سيستم نگهداري بيان شده است. نتايج تحليل‌هاي درازمدت نشان مي‌دهد كه هوازدگي توده‌سنگ منجر به تغيير تعادل كوتاه‌مدت بين توده‌سنگ و سيستم نگهداري شده و نهايتاً باعث ايجاد تعادل جديدي در درازمدت خواهد شد. نقطه تعادل درازمدت با همگرايي بيشتر ديواره تونل و افزايش قابل توجه فشار وارد بر پوشش نهايي توام خواهد بود. علاوه بر اين، ناحيه پلاستيك اطراف تونل نيز در درازمدت گسترش خواهد يافت.

In this paper, a new methodology is proposed for stability analysis and evaluation of long-term loads in tunnels considering rock mass weathering. Having been defined different kinds of weathering and conditions required for their occurrence, chemical weathering has been recognized as the dominant weathering around tunnels. Moreover, a useful approach for evaluation of weathering potential of tunnels according to the type of rock is presented. Weathering affects the geomechanical properties of rocks and can reduce some of these parameters. Previous laboratory studies show that strength parameters (i.e. internal friction and cohesion) and Young s modulus of rocks may reduce by 30% and 40%, respectively because of chemical weathering. On the other hand, as time lapses, temporary support elements, due to direct exposure to detrimental agents of the surrounding environment, degrade and gradually lose their load bearing capacity. Effects of these detrimental agents on the temporary support elements have been discussed and three scenarios for dealing with this phenomenon are proposed. All of these steps are explained through a case study (Torshan tunnel from Khorramabad-Pol-e-Zal freeway). Evaluation of the tunnel behavior is carried out using long-term ground reaction and long-term ground-support interaction curves. The results show that the rock mass weathering perturbs the short-term ground-support equilibrium point which finally creates a new equilibrium point in longterm. Long-term equilibrium point is associated with more tunnel wall convergence and considerable increase of pressure on the final lining. The extent of plastic zone around the tunnel is also increased in long term.