پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

بررسی عددی تأثیر تراز آب زیرزمینی بر نیروی برشی و ممان خمشی پوشش تونل‌های دایره‌ای در شرایط استاتیکی و دینامیکی (مطالعه موردی: تونل مترو اصفهان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مهندسی عمران، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
چکیده
پایداری لرزه‌ای سازه‌های زیرزمینی یکی از پیچیده‌ترین مباحث ژئوتکنیک لرزه‌ای است. از میان عوامل مؤثر بر رفتار لرزه‌ای تونل‌ها، تأثیر مایعات زیرزمینی نقشی تعیین‌کننده در تغییر توزیع تنش‌ها، جابه‌جایی‌ها و نیروهای درونی ایفا می‌کند. در این پژوهش، تأثیر تراز آب زیرزمینی بر رفتار لرزه‌ای تونل‌های دایره‌ای در مناطق زلزله‌خیز با استفاده از روش عددی المان محدود موردبررسی قرارگرفته است. مدل‌سازی عددی به کمک نرم‌افزار PLAXIS انجام شد و اندرکنش خاک، سازه و آب در شرایط دینامیکی تحلیل گردید. تحلیل‌ها در سه حالت مختلف سطح آب (پایین‌تر از کف تونل، در امتداد محور تونل، و بالاتر از تاج تونل) صورت گرفت. نتایج نشان داد افزایش سطح آب زیرزمینی باعث کاهش نیروی محوری و ممان خمشی در پوشش تونل می‌شود، به‌طوری‌که در شرایط دینامیکی، نیروی برشی تاج تونل تا ۵۵٪ و ممان خمشی تا ۴۰٪ کاهش یافت. همچنین مشاهده شد که تغییرات فشار منفذی نقش قابل‌توجهی در توزیع تنش مؤثر دارد و در صورت عدم کنترل سطح آب، رفتار دینامیکی تونل به سمت ناپایداری متمایل می‌گردد. نیروی برشی در تاج تونل با افزایش عمق قرارگیری تونل افزایش می‌یابد. نیروی برشی ایجاد شده در شرایط دینامیکی نسبت به شرایط استاتیکی مقادیر بیشتری را از خود نشان می هد. نتایج این تحقیق می‌تواند در طراحی لرزه‌ای تونل‌ها، به‌ویژه در مناطق با سطح آب بالا و خاک‌های اشباع، مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Bending Moment and Shear Force in a Tunnel in Static and Dynamic States with the Presence of Groundwater Using the Finite Element Method

نویسندگان English

Masoud Khahanipour 1
Mohammadreza Rasouli 2
1 Department of Civil Engineering, TN.C, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, TN.C, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
چکیده English

The seismic stability of underground structures is one of the most complex aspects of geotechnical earthquake engineering. Among various factors influencing tunnel behavior, groundwater plays a crucial role in altering stress distribution, displacement, and internal forces. In this study, the influence of groundwater level on the seismic behavior of circular tunnels located in seismic regions is analyzed using the finite element method through PLAXIS 2D software. The interaction between soil, structure, and pore pressure under dynamic conditions is modeled for three groundwater levels: below the invert, along the tunnel axis, and above the crown. The results indicate that increasing groundwater level reduces axial force and bending moment within the tunnel lining, with up to 55% and 40% reductions at the crown under dynamic loading, respectively. Pore pressure variations were found to significantly affect effective stress distribution, and uncontrolled groundwater levels could lead to instability under seismic excitation. The outcomes of this research provide practical guidance for seismic design of tunnels in saturated and high-water-table regions.

کلیدواژه‌ها English

Tunnel
Groundwater
Seismic Analysis
Finite Element Method
Geotechnical Stability
 
-Dengke Wang, Jianjun Luo , Feilong Li, Guanqing Wang, Lei Wang, Jie Su, ZhenGao and Kunyao Yin (2022). Dynamic Response and Service Life of Tunnel Bottom Structure Considering Hydro-Mechanical Coupling Effect under the Condition of Bedrock Softening Materials 2022, 15(18), 6496 doi.org/10.3390/ma15186496
-Dimitrios Kolymbas (2005). Tunnelling and tunnel mechanics—a rational approach to tunnelling by Dimitrios Kolymbas. Acta Geotech. 1, 75–76 (2006).
doi.org/10.1007/s11440-006-0007-7
-Fahimi-Heidari, H., & Zarei, A. (2019). Semi-analytical analysis of tunnel stability based on Hoek–Brown criterion. Iranian Geotechnical Conference Proceedings, Tehran.
-Futai, M., & Cacciari, C. (2020). Stability analysis of tunnels under cyclic loading. Computers and Geotechnics, 127, 103–141.
Hashash, Y. M. A., Hook, J. J., Schmidt, B., & Yao, J. I. C. (2001). Seismic design and analysis of underground structures. Tunnelling and Underground Space Technology, V.16, Issue 4, October, Pages 247-29. doi.org/10.1016/S0886-7798(01)00051-7
Hesami, S., & Ahmadi, S. (2013). Numerical analysis of ground settlement due to tunneling using PLAXIS. Journal of Geotechnical Studies, 7(2), 45–58.
Leca, E. (2007). Settlement control in urban tunneling. Geotechnique, 57(9), 769–782.
-Min, X., Wang, J., Liu, Z. et al. (2025) Detection of structural diseases in tunnels under water-rich environments and performance evaluation of lining drainage structures. Discov Appl Sci 7, 709.  doi.org/10.1007/s42452-025-07379-2
-Rajayi, M., et al. (2024). Probabilistic analysis of soil parameters in urban excavation. Iranian Journal of Geotechnical Engineering, 18(2), 75–89.
Sun, H., Li, Y., & Zhang, P. (2021). Numerical modeling of cable-reinforced tunnels under lateral pressure. Engineering Geology, 290, 106–130.
-Tarifard, A., Görög, P. & Török, Á. (2022). Long-term assessment of creep and water effects on tunnel lining loads in weak rocks using displacement-based direct back analysis: an example from northwest of Iran. Geomech. Geophys. Geo-energ. Geo-resour. 8, 31. doi.org/10.1007/s40948-022-00342-0
-Wang, R., Zhang, D., Guo, C., & Yan, J. (2025). Development of urban rail tunnels under cyclic loading. Tunnelling and Underground Space Technology, 139,105–118.
-Xin Han, Pierpaolo Oreste &  Fei Ye (2023). The Buoyancy of the Tunnel Segmental Lining in the Surrounding Filling Material and its Effects on the Concrete Stress State Geotechnical and Geological Engineering Published: 10 October 2022 Vol. 41, 741–758. doi.org/10.1007/s10706-022-02299-z
Yang, L., Linlin, Y., & Zhao, W. (2025). Dynamic response of segmental tunnel linings under train-induced loads. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 173, 108–122.
-Yueyue Zhu and Cheng Liu (2022). Study on the Influence of Internal Water Pressure on the Internal Force of Circular Hydraulic Tunnel Lining­, Applied Sciences Appl. Sci. 12(21), 11271.­doi.org/10.3390/app122111271
-Zhongju Feng, De Li, Fuchun Wang, Liang Zhang, Siqi Wang (2024). Field Test and Numerical Simulation Study on Water Pressure Distribution and Lining Deformation Law in Water-Rich Tunnel Crossing Fault Zones. Applied Sciences Appl. Sci. 14(16), 7110 .­doi.org/10.3390/app14167110