SUPERVISOR
Saeed Mahdavi,Raheb Bagherpour,Lohrasb Faramarzi
سعید مهدوی (استاد مشاور) راحب باقرپور (استاد راهنما) لهراسب فرامرزی (استاد راهنما)
STUDENT
Mahmood Sarikhani khorami
محمود ساریخانی خرمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Analysis of Geomechanical Parameters and in situ Stresses of rock mass in the Isfahan - Shiraz railway Tunnel using back Analysis based on displacement monitoring
The design of underground structures requires planning and an adequate understanding of the geotechnical conditions of the area that is being excavated. The selection of the engineering form and size of underground excavations, stability analysis and design of the support system depend on in situ stresses and geomechanical parameters of the rock mass. In recent years, the back analysis method has been widely applied in geotechnical engineering especially in the underground works. The method is based on the required input physical and mechanical informations, and can be divided into displacement back analysis method, stress back analysis method and coupled back analysis method. The back analysis applied in this research based on the displacement back analysis method. In this research work the mechanical properties of the rock mass and the initial stresses were obtained from back analysis of the displacement data. Determination of the rock mass strength parameters is very difficult especially in weak rocks. Design of structures on or in the rock will encounter fewer problems if the rock mass properties are available. In situ tests and back analysis based on the acquired data from instrumentation can be used to determine the strength properties of rock mass. Back analysis can be very important in this regard and is less expensive than in situ tests. The Isfahan-Shiraz railway tunnel No.1 is located in a high stress zone of Sanandaj-Sirjan. Before excavation the tunnel, the geotechnical and geophysical studies has not performed to identify the type of rocks and water condition of the rock mass. The tunnel is in the Shemshak formation belonging to the Jurassic period and the geologic formations are often contain coal shale and sandstone lenses. Due to the large deformation, the convergence tapes have been installed during and after the excavation. In this research, for the first time, optimized direct back analysis using genetic algorithm was performed for Isfahan-Shiraz railway tunnel No. 1 by three-dimensional finite difference software (FLAC 3D ). The elastic modulus, stress ratio, cohesion and internal friction angle have been determined by applying a new method in back analysis. In this method, displacement was assumed as a function of the unknown parameters. The differential of the function was integrated and two equations were obtained. These equations were solved by using genetic algorithm. Genetic algorithm showed that this method is a powerful tool to evaluate and optimize the rock mass geomechanical parameters. Moreover, the support system of the tunnel has been analyzed in this research. The support system of the tunnel includes implementation and installation of steel frames, wire mesh and shotcrete. The ground- support interaction method was used to determine the applied load on the support system. Capacity diagrams of the support system were plotted to evaluate the safety factor. The results showed that the support system doesn’t have enough safety.
اجرای سازه های بزرگ زیرزمینی، انتخاب شکل هندسی و اندازه مقطع، تحلیل پایداری و طراحی سیستم نگهداری آن ها، تابع خواص ژئومکانیکی و شرایط تنش منطقه می باشد. تعیین پارامترهای مقاومت ی توده سنگ، خصوصاً سنگ های شکسته مشکل می باشد. در صورت داشتن خواص مقاومتی توده سنگ، طراحی و اجرای سازه هایی که بر سنگ و یا در سنگ قرار دارند با مشکلات کمتری مواجه خواهد شد. برای دستیابی به این مهم یا باید بطور مستقیم با انجام آزمایشات برجا، خواص مقاومتی و تغییرشکل پذیری توده سنگ را تعیین کرد، و یا با استفاده از نتایج ابزار دقیق و به کمک تحلیل برگشتی پارامترهای مقاومتی توده سنگ را ارزیابی کرد. استفاده از تحلیل برگشتی می تواند در این خصوص بسیار با اهمیت و کم هزینه تر از انجام آزمایشات مستقیم باشد. راه آهن اصفهان- شیراز یک پروژه ملی است و شامل پنج تونل به طول 5/4151 متر می باشد. از این پنج تونل، تونل شماره 1 و 2 دارای شرایط تکتونیکی پیچیده ای می باشند. تونل شماره 1 راه آهن اصفهان-شیراز که در این مطالعه مورد تحلیل قرار گرفته است، در زون تحت تنش سنندج-سیرجان واقع شده است. قبل از حفر تونل هیچگونه مطالعات ژئومکانیکی و ژئوفیزیکی جهت شناسایی جنس طبقات و وضعیت آب در مسیر تونل انجام نشده است. این تونل در سازند شمشک متعلق به دوره ژوراسیک واقع شده و از نظر وضعیت و تشکیلات زمین شناسی اغلب شامل شیل های زغالی و لنزهای ماسه سنگی می باشد. در زمان حفرتونل، به دلیل مشکلات ناشی از ناپایداری تونل، مترهای همگرایی جهت اندازه گیری همگرایی دیواره ها بعد ازحفر و در زمان حفاری، نصب شده است. با توجه به تغییرشکل های زیاد که با گذشت زمان مقدار آن ها در حال افزایش بوده است، نیاز به تعیین تنش های برجا و پارامترهای ژئومکانیکی توده سنگ می باشد. در این مطالعه برای اولین بار تحلیل برگشتی بهینه شده مستقیم با استفاده از الگوریتم ژنتیک برای تونل شماره 1 راه آهن اصفهان- شیراز بوسیله ی نرم افزار سه بعدی تفاضل محدود (FLAC3D) انجام شده است. مدول الاستیک، چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی و نسبت تنش های برجا با به کارگیری روش جدیدی تعیین شده اند. در این روش همگرایی تونل بصورت تابعی از این پارامترها درنظرگرفته شد و با انتگرال گیری از دیفرانسیل این تابع، معادلاتی بدست آمد. با حل این معادلات بوسیله ی الگوریتم ژنتیک، پارامترها تعیین شدند. نتایج تحقیق نشان می دهد که پارامترهای محاسبه شده، تطابق خوبی با شرایط زمین شناسی و تکتونیکی منطقه دارند. استفاده از الگوریتم ژنتیک نشان می دهد که این روش، ابزار قوی برای ارزیابی و بهینه سازی پارامترهای ژئومکانیکی توده سنگ می باشد. انجام تحلیل حساسیت بر روی نسبت تنش های برجا و پارامترهای ژئومکانیکی توده سنگ نشان می دهد که همگرایی تونل به شدت به مدول تغییرشکل پذیری توده سنگ و نسبت تنش های برجا وابسته می باشد. همچنین در این مطالعه، سیستم نگهداری موقت تونل مورد تحلیل قرار گرفته است. سیستم نگهدارنده موقت تونل مورد مطالعه شامل اجرا و نصب قاب های فولادی و شبکه های فولادی و شاتکریت است. در این مطالعه با استفاده از روش اثر متقابل نگهداری- زمین، بارهای اعمالی بر روی نگهداری موقت تعیین و با استفاده از دیاگرام های ظرفیت نگهداری، ایمنی این سیستم نگهداری بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که سیستم نگهداری از ایمنی لازم برخوردار نمی باشد.