نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد دهم، شمارۀ 1 بهار 1931 7823

کاربرد آنالیز احتمال در تعیین عمق بهینه تونل قطار
شهری مشهد

غلامرضا خانلری*؛ دانشگاه بوعلی سینا همدان، گروه زمین شناسی محمد غفوری؛ دانشگاه فردوسی مشهد، گروه زمین شناسی
جواد احمدزاده؛ دانشگاه بوعلی سینا همدان، گروه زمین شناسی سلمه افشار؛ دانشگاه فردوسی مشهد
تاریخ: دریافت 3/6/39 پذیرش 6/9/39 چکيده
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

این پژوهش روي خاک هاي واقع در امتداد خط دوم قطار شهري مشهد صورت گرفته است. اطلاعات حاصل از آزمون هاي نفوذ استاندارد و سایر تست هاي برجا و آزمایشگاهی به منظور دست یابی به عمق بهینۀ تونل، استفاده شده اند که با تکیه بر آن ها می توان تراز استقرار دستگاه حفاري را تعیین کرد. بدین منظور، ابتدا محدوده هاي عددي براي هر کدام از متغیرهاي معادلات مربوط به جابه جایی الاستیک، نشست و روان گرایی از داده هاي موجود تعیین شده و سپس این داده ها براي مدل هوشمند و مبتنی بر جست و جو موسوم به الگوریتم ژنتیک از نوع چندمنظوره تعریف شدند. جست و جو در فضاي عددي معادلات مذکور منجر به تعیین چند نقطۀ بهینه براي عمق تونل شده که موثق بودن آن ها با مدل عددي از نوع اجزاي محدود بازبینی و تأیید شده است. نتایج حاکی از به دست آمدن عمق بهینه با روش الگوریتم ژنتیک در عمق هاي 93 و 91 متري و روش اجزاي محدود در عمق 93 متري است. ضمناضمناً ضرایب اطمینان مستخرج از روش اجزاي محدود نیز مورد آنالیز احتمال قرار گرفت و توزیع آن bimodal به دست آمد. این به معنی آن است که در مناطق داراي ضریب اطمینان زیاد، مصالح پیش تحکیم یافته اند و در مناطق داراي ضریب اطمینان کم تر احتمالااحتمالاً از مواد ریزشی و دانه درشت هستند. نتایج آنالیز احتمال براي ضرایب اطمینان حاکی از کاهش آن از عمق 93
7822
متر به پایین تر است. از این رو، عمق 93 متر به عنوان عمق بهینه نهایی براي حفر تونل انتخاب و پیشنهاد شده است. نتایج حاکی از تطابق خروجی مدل هوشمند )الگوریتم ژنتیک( و مدل عددي )اجزاي محدود( است به نحوي که میتوان این روش ها را مکمل و جانشین یک دیگر در طراحی تونل ها منظور کرد.
واژه های کليدی: نشست خاک، روان گرایی، الگوریتم ژنتیک چندمنظوره، ضریب اطمینان ،آنالیز احتمال.

[email protected] نویسنده مسئول *

مقدمه
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

حضور آب زیرزمینی، پدیدۀ روان گرایی، جابه جایی الاستیک به دلیل تغییر شکل اولیه تا نصب نگه دارنده و نشست در خاکهاي بالاي تونل از جمله مشکلاتی هستند که ممکن است پایداري فضاي زیرزمینی حفر شده را به مخاطره اندازند. سه مقوله انرژي، انتقال آب و حمل و نقل به عنوان دغدغه هاي بزرگ در جوامع صنعتی امروزي مطرح هستند که قویااً با مباحثی چون احداث فضاهاي زیرزمینی در تعامل هستند. پژوهش در زمینۀ شناخت رفتار خاک )قبل، حین و پس از اجرا( در طراحی و حفاري تونل هاي شهري، به منظور شناخت تأثیر اجراي پروژه روي سازه ها و در حالت کلی بر محیط اطراف و مصالح در برگیرنده تونل ها، در اولویت تحقیقات مهندسی قرار دارد. اولین هدف تحقیق حاضر که روي خاک هاي مسیر خط دوم قطار شهري شهر مشهد انجام گرفته، تعیین عمقی است که بتوان پایداري لازم براي یک تونل زیرسطحی شهري را در قالب کم ترین مقدار نشست، جابه جایی و روان گرایی در تودۀ خاک تضمین کرده و به تبع آن عمق حفاري را بهینه کرد. دومین هدف از این پژوهش استفاده از روش هاي محاسباتی هوشمند و بحث در مورد کارایی آن ها در یافتن عمق بهینه تونل و آنالیز اعتماد پذیري آن ها با روش هاي عددي و آنالیز احتمال در تعیین ضریب اطمینان است. زیرا در روش هاي محاسباتی عددي، عدم قطعیت ها در محاسبۀ ضریب ایمنی نقش پررنگی ندارند. در حال حاضر روش متعارف براي تعیین عمق اجراي تونل اتکا به عدد آزمون نفوذ استاندارد و ضرایب مقاومت برشی خاک )چسبندگی و زاویۀ اصطکاک داخلی( است.
7823زمين شناسي مسير طرح
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

مسیر خط دوم قطار شهري شهر مشهد مجموعاًمجموعا با طول 11 کیلومتر از شمال شرق در امتداد S45°W با خاک هاي ریزدانه چسبنده با طبقه بندي متحد CL شروع میشود. در این خاک ها، دانسیتۀ خشک بین (3(KN/m 9/19 و 1/11 و عدد نفوذ استاندارد اصلاح نشده ((NSPT بین 96 تا 16 متغیر است. NSPT کم مربوط به لایههاي سست سطحی خاک و به دلیل وجود نداشتن روبارههاي قبلی و اعداد بزرگ تر مربوط به لایههاي عمیقترند. در لابلاي این خاک ها، عدسیهاي ماسهاي با بافت SC-SM و SC بهچشم میخورد که NSPT در آنها بیش تر است. با حرکت بهسمت جنوبغربی لایههاي سیلتی با بافت ML و سپس لایههاي ماسهاي SC-SM ،SM و SC ظاهر میشوند که مقدار NSPT در آنها افزایش می یابد. در این خاک ها، عدسیهاي رسی با بافت CL و عدسی هاي شنی با بافت GC-GM ،GC و GM وجود داشته و NSPT به طور موضعی در شن ها افزایش و در خاک هاي رسی کاهش م ییابد. شکل 1 نقشۀ پراکندگی سطحی خاک هاي مختلف را در بستر شهر و مسیر خط 9 قطار شهري و شکل 9 مقطع زمین شناسی مسیر تونل خط 9 قطار شهري مشهد را نشان می دهد که با توجه به اطلاعات گمانه هاي مسیر ترسیم شده است. شایان ذکر است که عمق اکثر گمانهها بین 03 تا 01 متر است و فقط 0 حلقه از آنها عمقی کم تر از 91 متر دارند. در گسترۀ شهر مشهد و به طور عرضی با نزدیک تر شدن به رشته گرانیتی کوه سنگی )به سمت جنوب غرب( خاک ها دانه درشت تر می شوند. این خاک ها در روند طولی تغییرات چندانی را نشان نم یدهند. جز آن که، در امتداد میدان شهدا تا ایستگاه پایانی خط دوم اختلاط سطحی خاک سیلتی با خاک رس به چشم می خورد. عموماعموماً روند گسترش خاک ها از امتداد رودخانه کشف رود که در شمال شرقی دشت مشهد در جریان است، تبعیت می کند. افزایش ضخامت لنزهاي ماسه اي و گاهی شنی به سمت کوه سنگی نیز چشم گیر است. براي بررسیهاي مربوط به آنالیز احتمال، اطلاعات ژئوتکنیکی حاصل از تست هاي آزمایشگاهی و برجا تا حد ممکن جمع آوري شدهاند. پارامترهاي ژئوتکنیکی مورد نیاز از تستهاي برجا مانند بارگذاري صفحهاي و لرزهنگاري گمانهاي1 حاصل شدهاند. این پارامترها شامل مدول الاستیسیته، چسبندگی زهکشی نشده خاک، زاویۀ اصطکاک داخلی، چسبندگی مؤثر و سرعت موج لرزه اي برشی هستند که 7833
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

به ازاي عمق آزمایش شده در جدول 1 آورده شده اند. مقادیر مدول الاستیسیته در جدول 1 با استفاده از آزمایش بارگذاري صفحه اي در چاهک هاي دستی و بقیه پارامترها از طریق آزمایش مقاومت فشاري سه محوري حاصل شده اند. اطلاعات هر ردیف در جدول 1، مربوط به یک تراز عمقی آزمایش شده و سرعت موج برشی با آزمایش لرزه نگاري گمانه اي تعیین شده است.
به منظور کسب اعتبار علمی براي نتایج این تحقیق ،اعداد NSPT طبق رابطۀ 1 تصحیح شده اند که شامل ضرایب تصحیح سندان، انرژي، شدت ضربات چکش، فشار سربار، نمونه گیر، طول راد، قطر گمانه و آهنگ نواخت چکش در مقاطع آزمایشی مختلف هستند:
N60= NSPT × (CA × CE × CC × CN × CS × CR × CB × CBC) )1(
جدول 1. اطلاعات حاصل از تست های آزمایشگاهي و برجا در گمانه های مسير تونل
Soil type Vs (m/s) E (kg/cm2) Cu (kg/cm2) φ'(º) C’ (kg/cm2) (m) عمق
شن 603 133 – 93 3/9 93
ماسه 603 03 – 93 3/91 93
رس 913 93 3/0 90 3/11 91
رس 113 93 – 93 3/0 91
رس – 93 3/6 93 3/01 91
رس – 93 3/6 93 3/01 91
رس – 93 3/6 93 3/01 93
رس – 93 1 01 3/1 03
رس – 93 3/0 93 3/9 93
ماسه – 03 3/0 91 3/9 93
رس – 93 3/0 91 3/9 03
رس – 93 3/0 91 3/01 03
رس – 93 1 91 3/1 03
رس – 93 1 91 3/9 03
رس – 93 – 93 3/1 03
رس 613 93 3/6 93 3/9 91
7831

126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

199058-2767075

شکل 1. نقشۀ پراکندگي سطحي خاک های مختلف در بستر شهر مشهد به همراه مسير خط 8، ]1[، SW .]8[NE

شکل 8. مقطع زمين شناسي مسير خط 8 قطار شهری مشهد به همراه جانمایي گمانه ها
7838
ضرایب تصحیح در رابطۀ 1 از چپ به راست به ترتیب ضرایب اصلاحی سندان (CA)، انرژي (CE)، شدت ضربات چکش (CC)، فشار سربار (CN)، نمونه گیر (CS)، طول راد (CR)، قطر گمانه و آهنگ نواخت چکش هستند. به دلیل نبودن آب زیرزمینی در مسیر پژوهش و عمق زیاد تراز آب، صرفاًصرفا به تصحیح تنش روباره طبق رابطۀ 9 اکتفا شده است که براي خاک هاي تحکیم نیافته و سست مانند مسیر بررسی شده اختصاص دارد ]9[:

)9(
بهينه یابي
براي محاسبه کم ترین مقادیر جابه جایی الاستیک، روان گرایی و نشست در ارتباط با عمق و قطر تونل و به تبع آن، مناسب ترین عمق براي تونل، از الگوریتم ژنتیک (GA) استفاده شد. دو مزیت عمده ،GA را از روش هاي بهینه یابی عددي استاندارد متمایز می سازد:
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

الف( ایجاد جمعیتی از نقاط داده اي به جاي ایجاد یک نقطه در هر دور جستجو یا هر نسل که متعاقبامتعاقباً به جاي جستجو و تعیین نقطه پاسخ بهینه از چند نقطه معدود، پاسخ مسئله از جمعیتی از داده ها جستجو و تعیین می شود.
-149362794128

ب( به جاي انتخاب یک پاسخ بهینه در هر دور و آن هم به روش محاسبه جبري، جمعیتی از پاسخ ها یا افراد بهینه را با محاسباتی مبتنی بر انتخاب تصادفی1، انتخاب کرده و مورد ارزیابی شایستگی قرار می دهد. پژوهش ها و بررسی هایی در زمینه بهینه سازي در تونل ها انجام شده است که از جمله آن ها انتخاب سیستم نگه دارنده بهینه براي تونل انتقال آب قمرود )دلارام و دیگران ،1901( ]0[ و تعیین حداقل عمق مجاز یکی از خطوط متروي تهران با هدف کم ترین آسیب به سازه هاي مجاور به روش اجزاي محدود، که 13 متر تعیین شده است )عظیمی و دیگران ،1906( ]1[ اما در زمینه کاربرد GA در مبحث تونلرنی با هدف کاستن انواع ریسک ها در تونل، کم است و تنها بررسی درزمینۀ بهینه یابی تراز کم ترین جابه جایی در حفاري تونل ها، مقالۀ گوان9 و همکاران )9333( ]6[ است. که در آن با استفاده از الگوریتم عصبی- ژنتیکی، مقادیر بهینه فاکتورهاي تغییر شکل تودۀ سنگ به خصوص مدول تغییرشکل آن، در دراز مدت، پیش بینی شده است.
1. Random Choice 2. Guan
7837
به منظور یافتن عمق بهینه در ارتباط با کم ترین مقادیر نشست، پتانسیل روان گرایی و جابه جایی الاستیک محیط تونل، روابط ذیل به عنوان توابع هدف در نظر گرفته شده و سپس با الگوریتم ژنتیک چندمنظوره با بهینه یابی محدود شده )مقید( ]1[، به موازات هم حداقل یابی شده اند:
الف( رابطۀ پک1 در سال 1363 ]0[، در ارتباط با برآورد نشست:
Sx2

Smax exp(

2i2 ) )9(
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

که در آن S مقدار نشست سطح زمین در محلی با فاصله x از محور تونل ،Smax حداکثر نشست ایجاد شده و پارامتر “i” فاصله نقطه عطف نمودار نشست تا محور تونل است، روابط کلود9 و اسمیت9 در سال 1301 ]3[، بهدلیل کامل تر بودن )داشتن هر دو متغیر عمق و شعاع تونل( و اتکینسون0 و پوتس1 در سال 1311 ]13[ که براي بررسی تونل هاي شهري کشور انگلستان و براي ماسه هاي سست پیشنهاد کرده اند، از بین سایر روابط پیشنهاد شده براي “i”، به منظور تعیین تابع هدف مسئله نشست انتخاب شده اند )جدول9(.
جدول 8. روابط مختلف پيشنهاد شده برای فاکتور “i” ]13[
مشاهدات فرمول ” i”
تونل هاي انگلستان iZ
26404615625

R 2R0
تونل هاي انگلستان iZ
16413245131

R  (2R0 )0.8
در جدول 9 مقادیر 0Z و R به ترتیب عمق محور تونل از سطح زمین برحسب متر و R شعاع حقیقی تونل بر حسب متر است. ضمناضمناً عبارت Z0/2R بدین معنی است که نشست در صورت رخ داد، در مقطع عرضی تونل، همواره به فاصله حداقلی دو برابر قطر تونل در پیرامون تونل روي می دهد.
ب( رابطۀ هوک6 و همکاران در سال 1331 ]11[ و هم چنین چن1 و همکاران در سال 1333

1. Peck 2. Clough 3. Schmidth 4. Atkinson
.5 Potts 6. Hoek 7. Chen
7833
]19[، در ارتباط با برآورد جاب هجایی الاستیک به صورت رابطۀ 9 بیان می شود:
(1)R2
U  1

E ( 0 P)i

r )9(
که درآن U درصد جابه جایی الاستیک، υ نسبت پواسون مصالح میزبان ،E مدول یانگ مصالح بر حسب مگاپاسکال، r شعاع داخلی تونل بعد از نصب نگه دارنده بر حسب متر، 0σ تنش برجا بر حسب نیوتن بر متر مربع، Pi ظرفیت نگه دارنده تونل بر حسب نیوتن بر متر مربع است.
ج( ضریب اطمینان که جها1 وسوزوکی9 پیشنهاد کردند ]19[، در ارتباط با تعیین پتانسیل وقوع روان گرایی:
FS
FSdesign 

FSmin )0(
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3287 ]

که در آن FS و FSmin ضرایب اطمینان حداکثر و حداقل است و به ترتیب از روابط )1( و )6( دست می آیند:
CRR7.5
FS  CSRN K Ka  )1(
22VCRR2 1
1117248-407382

FSmin  expmin ln[(VCSR1)(VCRR1)]ln VCSR21 )6(
 
که در آن 7.5CRR نسبت مقاومت سیکلی زمین براي زمین لرزه اي به بزرگی 1/1 ریش تر است و از رابطۀ )1( به دست می آید، CSRN، نسبت تنش چرخه اي نرمال شده براي زمین لرزهاي به بزرگی 1/1 است که از رابطۀ )0( بهدست میآید. K و Kα بهترتیب ضرایب تصحیح تنش مؤثر روباره و شیب زمین هستند. VCSR و VCRR به ترتیب واریانس هاي تنش تناوبی نرمال شده و نسبت مقاومت برشی تناوبی هستند. βmin حداقل مقدار اندیس اطمینان براي یک سطح ریسک مشخص و با حداکثر 1 است. یزدانفر در سال 1906، شتاب افقی زلزله را براي دشت مشهد، 91/3 به دست آورده



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید