مطالعه عددي اندركنش تونل‌هاي زير‌زميني با گسل نرمال

Numerical study on interaction of normal fault with underground tunnels

در بسياري از موارد، تونل‌ها به عنوان زيرساخت‌هاي حياتي در حمل‌و‌نقل شهري در مناطق لرزه‌خيز و در مجاورت گسل‌ها احداث مي‌شوند. در هنگام وقوع زلزله، در اثر جابجايي تفاضلي طرفين گسل، سطح زمين دچار گسيختگي شده و مي‌تواند به سازه‌هاي زيرسطحي در مجاورت گسل خسارات جدي وارد سازد. بررسي زلزلههاي گذشته مانند زلزله‌هاي تركيه و تايوان در سال 1999 نشان مي‌دهدكه با اجتناب از ساخت و ساز در پهنه‌ي گسل نمي‌توان به‌طور كامل سازه‌ها را از تهديدات ناشي از گسلش در امان داشت. بنابراين، درك درست مكانيزم‌هاي موجود در فرايند انتشار گسلش و اندركنش آن با سازه‌هاي زير‌سطحي مي‌تواند در طراحي منطقي و كاهش خطرات ناشي از گسلش راهگشا باشد. در اين تحقيق، پس از صحت‌سنجي مدلسازي عددي المان محدود ABAQUSبا نتايج مدل فيزيكي، به مطالعه اندركنش گسل نرمال با تونل‌هاي زير‌زميني پرداخته مي‌شود. تأثير پارامترهاي مختلف مانند موقعيت تونل نسبت به مسير گسلش در حالت آزاد، عمق تونل، صلبيت تونل و زاويه گسل بر اندركنش گسل و تونل بررسي مي‌گردد. نتايج نشان مي‌دهد كه قرارگيري تونل در ناحيه برشي در خاك موجب انحراف مسير گسلش مي‌شود و مشخص شد كه عمق مدفون تونل و قطر آن از پارامترهاي مؤثر در گسترش ناحيه برشي در گسلش نرمال در خاك و تغيير‌شكل سطحي زمين است. مقايسه نتايج عددي بيانگر اين است كه ميزان تغييرمكان سطحي در حالت گسل با زاويه 45 درجه نسبت به حالت 60 درجه بيشتر است.

In many cases, tunnels that are considered critical underground infrastructure for urban transportation are built in high seismicity areas and active fault zones. Fault displacements during earthquakes may interact with sub-surface structures leading destructions. Recent earthquakes, such as the 1999 earthquakes in Turkey and Taiwan, revealed that by avoiding construction in the fault zone, the structures are not completely safe for fault threats. Therefore, it is necessary to evaluate the interaction mechanism between structures and fault rupture for effective design to reduce the hazards associated with surface faulting. Verified finite element modeling is used in this study to investigate normal fault-tunnel interaction. The effect of different parameters such as horizontal tunnel distance relative to rupture path in free field condition, tunnel depth, tunnel rigidity, and fault angle on fault–tunnel interaction are studied. The results indicated that the tunneling in the path of fault rupture causes a diversion of rupture path. The burial depth of the tunnel and its diameter are effective parameters in the propagation of the shear zone in the sand layer and surface deformations. With increasing the tunnel depth, the rupture path inclines more, and the shear zone is extended over a wider area. Comparison of numerical results demonstrated that surface displacement in normal fault of dip angle 45° is higher than 60°.