طراحی و ارزیابی تونل ها در مناطق شهری-دستاورد ها و چالش های مدلسازی

امروزه با پیشرفت فناوری، سهولت نسبی در حفاری و ساخت سازه‌های زیرزمینی، محدودیت‌های فضاهای سطحی، برای اجرای طرح‌های عمرانی و نیز به واسطه مسائل سیاسی و امنیتی، توجه بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه به احداث سازه‌های زیرزمینی برای کاربردهای عمرانی معطوف شده است. از میان آن‌ها، تونل‌های شهری علاوه بر کاهش تاثیرات مخرب زیست محیطی، کوتاه‌تر نمودن مسیرها و بهبود کارائی ترافیک، به سبب استفاده عمومی و طولانی مدت از آن‌ها، بایستی دارای ایمنی بالایی باشند. تونل‌ها به عنوان پروژه‌های بزرگ ملی و سرمایه گذاری‌های زیربنایی درنظر گرفته می شوند و هزینه‌های هنگفتی در سراسر جهان برای ساخت این سازه‌ها هزینه می‌شود. با نگاه به گذشته، سازه‌های زیرزمینی نسبت به سازه‌های سطحی در برابر بارهای دینامیکی آسیب کمتری را متحمل شده اند. در سال‌های اخیر زلزله‌های بزرگی مانند زلزله 1995 کوبه در ژاپن، 1999 چی‌چی در تایوان، 1999 کوکالی در ترکیه و 2008 ونچوان در چین باعث شده اند سازه‌های زیرزمینی خطرات قابل ملاحظه ای را تجربه کنند. شواهدی وجود دارد که نشان می دهد ایمنی تونل‌ها در مناطق فعال لرزه‌ای مسئله بسیار مهمی است اما این مسئله هنوز به صورت کامل شناخته نشده است یا حداقل در هنگام ارزیابی و طراحی به خوبی بررسی نشده است. زمین لرزه‌ها با وارد آوردن آسیب شدید یا تغییرشکل بیش از حد ساختار تونل، احتمالاً به طور قابل توجهی روی کارایی تونل‌ها تاثیر می گذارند. در این مقاله ابتدا پاسخ‌های ثبت شده تونل‌های واقعی در هنگام زلزله‌های گذشته، مکانیسم پاسخ لرزه‌ای تونل و پارامترهای موثر در پاسخ لرزه‌ای تونل‌ها بررسی می‌شود. در ادامه، خلاصه‌ای از مطالعات صورت گرفته در ارتباط پاسخ لرزه‌ای تونل‌ها با آزمایش‌های فیزیکی (آزمایش سانتریفیوژ، میز لرزش و آزمایش‌های استاتیکی) ارائه می‌دهد. به دنبال آن در مورد روش‌های تحلیلی، تجربی، شبه استاتیکی و عددی تحلیل دینامیکی تونل بحث می‌شود. در انتها نیز بحث ناهمگنی و کاربرد میدان تصادفی برای تحلیل دینامیکی پرداخته شده است و دستاوردها چالش‌های موجود در این زمینه مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این مقاله، خلاهای کلی موجود در درک پاسخ لرزه‌ای تونل‌ها در تلاش برای کار بیشتر در این موضوع‌ها توسط نویسندگان شناسایی شده است.

seismic design and assessment of urban tunnels- a literature review on modelling studies

advancements in tunnelling technologies and ease of implementation of drilling methods in addition of other political and security issues made the construction of underground structures as an important alternative for answering the demands of population growth and the limitations of surface spaces in urban areas. underground roads and highways, various types of tunnels and urban subway networks are the examples of underground structures being constructed and rapidly implemented in different countries. meanwhile, for reducing negative effects to the environment, shortening the routes and improving traffic efficiency, urban tunnels should have high level of safety standards in design, construction and operation. tunnels are considered major national projects and infrastructure investments, and huge costs are incurred around the world to build these structures. in countries located in highly active seismic zone, such as iran, seismic researches for such important underground structures should not be ignored. the safety of such structures should be provided with respect to all loading demands and hazards issues associated with the site, including seismic loads. reviewing seismic events in the past shows that underground structures have suffered less damage than above ground structures against seismic loads. however, in recent years, major earthquakes such as the 1995 kobe earthquake in japan, the 1999 chi-chi earthquake in taiwan, the 1999 kocaeli earthquake in turkey, and the 2008 wenchuan earthquake in china have caused underground structures to experience significant damage. there is evidence to conclude that the structural vulnerability of a tunnel in seismically active areas is an important issue but is either not yet well understood or not well assessed at the time of construction, emphasising that dynamic analysis of these structures against seismic loads is necessary. earthquakes are likely to significantly affect tunnel performance by causing severe damage or excessive deformation of the tunnel structure. to understand the seismic-induced behaviour and performance of urban tunnels, this paper provides the state of the art in modelling studies of seismic design and assessment of tunnels. the review includes an investigation in seismic responses of real tunnels reported during past seismic events, the probable mechanisms caused damages in tunnels and physical and numerical methods used until now to either investigate those mechanisms or implemented in new designs. as an introduction, the seismic performance of tunnels affected by previous seismic events discusses first, emphasising the effective parameters in evaluation of tunnel seismic response and the relationship between the parameters, and the damage levels caused during earthquakes. subsequently, the paper continues with a comprehensive literature review on the experimental methods used to investigate seismic-induced response in tunnels including physical testing, centrifuge tests, shaking table tests, and static tests. analytical, quasi-static and numerical methods of dynamic analysis of tunnels and the accuracy of these methods are discussed then in details referring to some examples. the paper also reviews the effects of soil heterogeneity in the seismic response of tunnel and application of the random field for dynamic analysis of underground structures.  examining the achievements and challenges remained in the field, the paper concludes with the existing gaps in the field to stimulate readers for doing more relevant researches.