SUPERVISOR
Saeed Mahdavi,Raheb Bagherpour,Lohrasb Faramarzi
سعيد مهدوي (استاد مشاور) راحب باقرپور (استاد راهنما) لهراسب فرامرزي (استاد راهنما)
STUDENT
Mahmood Sarikhani khorami
محمود ساريخاني خرمي
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.
چکيده اجراي سازه هاي بزرگ زيرزميني، انتخاب شکل هندسي و اندازه مقطع، تحليل پايداري و طراحي سيستم نگهداري آن ها، تابع خواص ژئومکانيکي و شرايط تنش منطقه مي باشد. تعيين پارامترهاي مقاومت ي توده سنگ، خصوصاً سنگ هاي شکسته مشکل مي باشد. در صورت داشتن خواص مقاومتي توده سنگ، طراحي و اجراي سازه هايي که بر سنگ و يا در سنگ قرار دارند با مشکلات کمتري مواجه خواهد شد. براي دستيابي به اين مهم يا بايد بطور مستقيم با انجام آزمايشات برجا، خواص مقاومتي و تغييرشکل پذيري توده سنگ را تعيين کرد، و يا با استفاده از نتايج ابزار دقيق و به کمک تحليل برگشتي پارامترهاي مقاومتي توده سنگ را ارزيابي کرد. استفاده از تحليل برگشتي مي تواند در اين خصوص بسيار با اهميت و کم هزينه تر از انجام آزمايشات مستقيم باشد. راه آهن اصفهان- شيراز يک پروژه ملي است و شامل پنج تونل به طول 5/4151 متر مي باشد. از اين پنج تونل، تونل شماره 1 و 2 داراي شرايط تکتونيکي پيچيده اي مي باشند. تونل شماره 1 راه آهن اصفهان-شيراز که در اين مطالعه مورد تحليل قرار گرفته است، در زون تحت تنش سنندج-سيرجان واقع شده است. قبل از حفر تونل هيچگونه مطالعات ژئومکانيکي و ژئوفيزيکي جهت شناسايي جنس طبقات و وضعيت آب در مسير تونل انجام نشده است. اين تونل در سازند شمشک متعلق به دوره ژوراسيک واقع شده و از نظر وضعيت و تشکيلات زمين شناسي اغلب شامل شيل هاي زغالي و لنزهاي ماسه سنگي مي باشد. در زمان حفرتونل، به دليل مشکلات ناشي از ناپايداري تونل، مترهاي همگرايي جهت اندازه گيري همگرايي ديواره ها بعد ازحفر و در زمان حفاري، نصب شده است. با توجه به تغييرشکل هاي زياد که با گذشت زمان مقدار آن ها در حال افزايش بوده است، نياز به تعيين تنش هاي برجا و پارامترهاي ژئومکانيکي توده سنگ مي باشد. در اين مطالعه براي اولين بار تحليل برگشتي بهينه شده مستقيم با استفاده از الگوريتم ژنتيک براي تونل شماره 1 راه آهن اصفهان- شيراز بوسيله ي نرم افزار سه بعدي تفاضل محدود (FLAC3D) انجام شده است. مدول الاستيک، چسبندگي، زاويه اصطکاک داخلي و نسبت تنش هاي برجا با به کارگيري روش جديدي تعيين شده اند. در اين روش همگرايي تونل بصورت تابعي از اين پارامترها درنظرگرفته شد و با انتگرال گيري از ديفرانسيل اين تابع، معادلاتي بدست آمد. با حل اين معادلات بوسيله ي الگوريتم ژنتيک، پارامترها تعيين شدند. نتايج تحقيق نشان مي دهد که پارامترهاي محاسبه شده، تطابق خوبي با شرايط زمين شناسي و تکتونيکي منطقه دارند. استفاده از الگوريتم ژنتيک نشان مي دهد که اين روش، ابزار قوي براي ارزيابي و بهينه سازي پارامترهاي ژئومکانيکي توده سنگ مي باشد. انجام تحليل حساسيت بر روي نسبت تنش هاي برجا و پارامترهاي ژئومکانيکي توده سنگ نشان مي دهد که همگرايي تونل به شدت به مدول تغييرشکل پذيري توده سنگ و نسبت تنش هاي برجا وابسته مي باشد. همچنين در اين مطالعه، سيستم نگهداري موقت تونل مورد تحليل قرار گرفته است. سيستم نگهدارنده موقت تونل مورد مطالعه شامل اجرا و نصب قاب هاي فولادي و شبکه هاي فولادي و شاتکريت است. در اين مطالعه با استفاده از روش اثر متقابل نگهداري- زمين، بارهاي اعمالي بر روي نگهداري موقت تعيين و با استفاده از دياگرام هاي ظرفيت نگهداري، ايمني اين سيستم نگهداري بررسي شده است. نتايج نشان مي دهد که سيستم نگهداري از ايمني لازم برخوردار نمي باشد.