نشریه زمین شناسی مهندسی

---

رشد و توسعه شهرهای بزرگ نیازمند استفاده از شبکه‌های زیرزمینی در ایجاد زیرساخت‌ها و تسهیلات حمل و نقل شهری است. ساخت تونل در زمین‌های نرم معمولاً جابجایی خاک را به دنبال دارد که می‌تواند تاثیر جدی در پایداری و سلامت سازه‌های موجود داشته باشد. به منظور کاهش این جابجایی‌ها به ویژه در نواحی شهری، مجریان در ساخت تونل‌ها بیش از پیش از ماشین‌های حفر تونل (TBM) استفاده می‌کنند. از اینرو در نواحی شهری، پیش‌بینی جابجایی‌های زمین ناشی از حفر تونل چالش بزرگ مهندسی به شمار می‌رود. در این مقاله به منظور پیش‌بینی جابجایی‌های خاک که در حین ساخت بخشی از تونل خط 3 متروی تهران با استفاده از ماشین حفاری EPB (فشار تعادلی زمین) ایجاد می‌شوند، از یک مدل عددی سه بعدی و نرم افزار ABAQUS استفاده شده است. این بررسی شامل اکثر مؤلفه‌های تونل‌سازی سپری مانند فشار سینه کار، فشار تزریق، ماشین حفاری و تماس اصطکاکی سپر و خاک است. نتایج نشان می دهد که نشست سطحی ماکزیمم در این قسمت 5/2 سانتیمتر است که 5/0 سانتیمتر از حد مجاز آن بیشتر می‌باشد. همزمان با نشست‌های سطحی جابجایی‌های افقی در داخل توده خاک به وجود می‌آیند، که در دو جهت افقی شکل متفاوتی داشته و با افزایش عمق افزایش پیدا می‌کنند.

---

بیشینۀ نشست سطح زمین یکی از پارامترهای مهم در عملیات حفاری مکانیزه از نوع متعادل‌کنندۀ فشار زمین (EPB) است که قبل از حفاری باید تعیین شود. زمانی‌که مدل‌سازی بسیار پیچیده‌ می‌شود، روش‌های هوش مصنوعی به‌عنوان یک راه‌حل استفاده می‌شوند. این روش‌ها در ابتدا با استفاده از داده‌های واقعی آموزش می‌بینند و سپس به پردازش اطلاعات ناشناخته می‌پردازند. در این پژوهش برای پیش­بینی نشست زمین در تونل‌سازی مکانیزه از نوع EPB از روش‌های هوش مصنوعی سیستم استنتاج تطبیقی عصبی- فازی (انفیس) و ترکیب شبکۀ عصبی مصنوعی با الگوریتم بهینه­سازی مبتنی بر جغرافیای زیستی استفاده شده است. در این پژوهش دو مدل انفیس شامل انفیس- خوشه‌بندی کاهشی و انفیس- خوشه‌بندی C-means فازی استفاده شده است. برای اثبات توانایی روش‌های مذکور از داده‌های پروژه مترو بانکوک، تایلند استفاده شده است. در این مدل‌ها پارامترهای عمق، فاصله تا سینه کار، سطح آب زیرزمینی، متوسط فشار پشت کاتر، متوسط نرخ نفوذ، زاویه‌ای که درزه‌ها با سینه کار می‌سازند، فشار تزریق و درصد پرشدگی تزریق به‌عنوان ورودی و بیشینۀ نشست سطح زمین به‌عنوان خروجی درنظر گرفته شده است. برای بررسی عملکرد مدل‌ها از  دو شاخص آماری ضریب تعیین (R²)  و میانگین مربعات خطا استفاده شده است که نهایتاً انفیس- خوشه‌بندی کاهشی بهترین عملکرد را در بین سایر مدل‌ها داشته است.
 

---

عوامل مؤثر در نشست سطح زمین در روش حفاری مکانیزه را می‌توان عمدتاً به چهار دسته عوامل هندسی، عوامل ژئومکانیکی، پارامترهای کاری  ماشین حفاری و پارامترهای مدیریتی و اجرایی تقسیم‌بندی کرد. عوامل هندسی شامل عمق و قطر تونل هستند پارامترهای کاری ماشین شامل فشار وارد بر جبهه حفاری، فشار تزریق در پشت سگمنت‌ها و نیز میزان تغییر قطر (کاهش قطر دستگاه در طول) دستگاه است و پارامترهای ژئومکانیکی شامل مشخصات مکانیکی لایه‌های خاک بین تونل تا سطح زمین است. در تونل‌های مناطق شهری که بیش‌تر در عمق کم و در بستر خاکی حفر می‌شوند، فشار جبهه کار می‌تواند یکی از عوامل پیش‌گیری کنندۀ نشست سطح زمین باشد. در پروژۀ خطA  مترو قم، تونل با ماشین حفاری مکانیزه از نوع متعادل کنندۀ فشار زمین (EPB) حفر می‌شود. در این تحقیق با تمرکز روی پنج مقطع از این تونل، تأثیر فشار جبهه کار بر نشست سطح زمین تحلیل شده است. این پنج مقطع در کیلومترهای مختلف تونل در مکان‌هایی انتخاب شدند که در سطح  زمین پین‌های نشست  سنجی نصب شده‌اند و نتایج مدل‌سازی عددی قابل صحت‌سنجی هستند. برای بررسی اثر فشار سینه‌کار روی حداکثر نشست سطح زمین، چهار سطح فشار 100، 150، 200 و 400 کیلوپاسکال  بررسی شد. این فشارها  به‌ترتیب 1، 5/1، 2، و 4 برابر فشار اولیه جبهۀ کار بودند. نشست سطح زمین در این چهار سطح فشار با استفاده از نرم‌افزار اجزا محدود PLAXIS 3D TUNNEL ارزیابی شده است. اعتبارسنجی نتایج با استفاده از ابزاربندی در سطح زمین (پین‌های نشست سنجی) و روی تمامی این مقاطع انجام شده است. اعتبارسنجی انجام شده نشان داد که نتایج مدل‌سازی تطابق خوبی با نتایج پین‌های نشست‌سنجی دارد. مقایسۀ نتایج نشان می‌دهد افزایش 4 برابری فشار جبهۀ کار، حداکثر سبب کاهش 4.45 میلی متری نشست بیشینه می‌شود. بنابراین افزایش فشار جبهۀ کار، میزان نشست را کاهش می‌دهد اما این مقدار بسیار ناچیز است. هم‌چنین مشخص شد که افزایش بیش از اندازۀ فشار سینۀ کار (بیش از 200 کیلوپاسکال) نه‌تنها حداکثر نشست سطح زمین را کاهش نمی‌دهد بلکه باعث ایجاد شکست غیرفعال (Passive failure) یا همان بالازدگی در جلوی سپر روی سطح زمین زمین می‌شود.