Metaheuristic based backcalculation of rock mass parameters around tunnels

Abstract

Zemin koşullarındaki belirsizlik ve zemin yapı etkileşimlerinin kompleks etkileri nedeniyle, başta tüneller olmak üzere hemen her yer altı yapısının tasarımında kullanılan zemin parametrelerinin doğru belirlenmesi, yapılacak olan imalatların ekonomik olması açısından yüksek önem arz etmektedir. Laboratuvar ya da arazi testlerine ek olarak arazi gözlem ve verilerine dayanan ve bu nedenle yapının imalat koşullarını da daha gerçekçi olarak temsil eden geri hesaplama yöntemleri, Geoteknik Mühendisliği'nde popülerlik kazanmaktadır. Bu bağlamda; geri hesaplama yöntemleri kullanılarak, alt yapı yatırımlarının önemli bir kısmını oluşturan tünellerin inşaası sırasında gözlemlenen deformasyon verileri sayesinde, tüneller çevresindeki birimlere ait geomekanik parametreler, konvansiyonel yöntemlere göre çok daha gerçekçi şekilde elde edilebilmektedir. Bu parametrelerin hızlı bir şekilde elde edilmesi, imalatların devamı sırasında elde edilen parametrelerin kalibrasyonu açısından da önem arz etmektedir. Bu çalışmada, benzetimsel tavlama ve sürü optimizasyonu yöntemleri kullanılarak sonlu elemanlara dayanan bir geri hesaplama yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen platformda, metasezgisel optimizasyon algoritmaları, sonlu elemanlar yöntemine veri sağlayan akıllı bir parametre seçim yöntemi olarak geri hesaplama yönteminin içine gömülmüştür. Tünel yapılarının tepkileri ise 2 boyutlu sonlu elemanlar analizleri ile elde edilmiştir. Geliştirilen geri hesaplama platformu, Ankara-İstanbul Hızlı Tren Projesi kapsamında imal edilen ve Yeni Avusturya Tünel Metodu ile açılan T26 Tüneli inşası sırasında ölçülen deformasyon verileri kullanılarak test edilmiş, ve böylelikle sadece tünel çevresindeki grafit-şist birimlerine ait kaya kütle parametreleri değil ve aynı zamanda tünel çevresinde var olan gerilmelerin geri hesaplanması da sağlanmıştır. Elde edilen sonuçların başarısının, ölçüm verilerinin hassasiyetine ve kullanılan optimizasyon algoritmasının seçimine bağlı olduğu gözlenmiştir. Raporlanan parametreler aynı kaya kütle yapısına sahip birimlerde açılacak olan yeni yer altı yapılarının daha gerçekçi modellenmesinde ve kaya kütle davranışının daha doğru anlaşılmasında kullanılabilecektir. Bu çalışma, tüneller için kullanılan geri hesaplama yöntemlerinde, metasezgisel optimizasyon algoritmaları ve sonlu elemanlar metodu kullanılarak doğru parametrelerin daha hızlı ve daha yakın şekilde elde edilmesine olanak kılmıştır.

Due to uncertainities in the ground conditions and the complexity of soil-structure interactions, the determination of accurate ground parameters, which are not only used in tunnel construction but in the design of all underground structures, have a great significance in having structures that are cost-efficient. Backcalculation methods which rely not only on laborotory and field tests but also on field monitoring and field data provide real structure conditions and therefore it is gaining popularity in geotechnical engineering. In this sense, when compared to the conventional methods, backcalculation methods are able to attain accurate geomechanical parameters of materials surrounding the tunnels with the help of deformation data that is observed in tunnel constuctions. Tunnels are especially significant as they compose a great part of all underground structures. Obtaining these parameters in a fast manner is important in terms of the calibration of the parameters that are gathered during the construction. In this study, a finite element based backcalculation is developed by using Simulated Annealing and Particle Swarm Optimization methods. On the developed platform, the metaheuristic based algorithms, which are embedded into the back analysis platform as an intelligent parameter selection method which provide data for the finite element method. The response of the tunnel structure is obtained via two-dimensional finite element analyses. The developed back analysis platform is tested by using the deformation data which is gathered from the T26 tunnel construction within the scope of Ankara-Istanbul Highspeed railway project. The tunnel is opened with the New Austrian Tunnel Method and therefore, not only the rock mass parameters of the graphite-schist surrounding the tunnel but also the in-situ stress around the tunnel are backcalculated. Verifications is done by comparing the ground parameters that are gathered through the calculations with the laboratory results. It is observed that the success of the results is due to the optimization algorithm that has been used and the sensitivity of the measured values. The documented parameters can be used to better undertstand the rock mass behavior and to create more realistic models for the underground structures that have the same rock mass conditions. This study enabled to obtain the correct parameters in a fast and accurate manner by using optimization algorithms and finite element method for tunnels where backcalculation methods are used.