با افزایش روزافزون جمعیت، شهرها نیازمند سازه های بلندمرتبه برای زندگی ساکنان و سازه های سنگینی همچون پل ها برای دسترسی های سریع تر جمعیت می باشند. همینطور در شهر های بزرگ نیازمند تونل هایی برای مقاصد مختلف همچون جابجایی تاسیسات، ز خودروها و تونل های مترو که یکی از دغدغه های مهندسین می باشد. از طرفی اکثر این تونل ها در شهرها در مجاورت سازه های سنگینی که عمدا دارای فونداسیون های عمیق و نیمه عمیق می باشند احداث می شوند. حفاری تونل باعث ایجاد جابجایی های بلندمدت و کوتاه مدت در سطح زمین شده است که این تاثیرات در شمع های موجود در مجاورت محل حفاری تونل بیشتر می باشد. طوری که جابجایی های شکل گرفته در زمین به شمع ها انتقال یافته و باعث ایجاد نیروی محوری در شمع می گردد. تمامی این بررسی ها حول اثرات حفاری بر روی سازه ها و شمع های مجاور از منظر ضریب ایمنی حفاری بسیار حایز اهمیت می باشد. بر این اساس در پژوهش حاضر به تحلیل سه بعدی با استفاده از نرم افزار المان محدود ABAQUS اثرات حفاری تونل با قطر ها و جانمایی های مختلف بر روی فونداسیون عمیق موجود در پل در محل حفاری پرداخته شده است. نتایج نشان داد که جانمایی تونل درصورتی که بصورت نامناسب انتخاب شود، دارای اثرات مخربی در نشست های نوک شمع ها، تغییرات نیرو محوری شمع ها و نشست های سطحی تونل خواهد بود. همچنین با افزایش قطر تونل، میزان نشست های گروه شمع ها زمانی که تونل دقیقا در زیر محل گروه شمع ها قرار دارد در حدود 29% افزایش می یابد. هنگامی که محل احداث تونل مابین گروه شمع ها و در عمقی بالاتر نسبت به نوک شمع ها قرار می گیرد میزان نشست ها به حالت بحرانی تغییر کرده و با افزایش قطر تونل، میزان نشست نوک شمع حداکثر 9/48% افزایش و میزان نشست سطح زمین نیز، 3/54% افزایش می یابد.

برای کنترل نشست ناشی از حفر تونل در مناطق شهری و ایمنی سازه های مجاور، عوامل تاثیرگذار در عملیات حفر باید با توجه به شرایط ژئوتکنیکی منطقه و روش اجرا به درستی تعیین شود. در روش حفاری مرحله ای، طول گام و توالی مراحل حفاری اصلی ترین عوامل تاثیرگذار از بعد اقتصادی و اجرایی هستند. این دو عامل ارتباط تنگاتنگی با زمان و هزینه اجرای تونل ها به روش حفاری مرحله ای دارند، بنابراین تعیین بهینه آنها یکی از چالش های اصلی به شمار می آید. در این مقاله، تاثیر تغییرات طول گام و مراحل حفاری در خط 4 متروی تهران، با توجه به در حال اجرا بودن آن، بر میزان نشست سطح مورد بررسی قرار گرفت. از روش سه بعدی اجزای محدود برای تخمین نشست در حالت های مختلف طول گام و توالی مراحل حفاری استفاده شد. نتایج نشان داد که با توجه به خواص ژئوتکنیکی منطقه و ابعاد حفریه، طول گام های حفاری محافظه کارانه تعیین شده و پیشنهاد می شود برای بالا بردن راندمان اجرایی، واحد طول گام حفاری در زیر خیابانها در قسمت فوقانی 2 متر و در قسمت زیرین 3متر، و در زیر ساختمانها واحد طول گام حفاری در قسمت فوقانی 1 متر و در قسمت زیرین 3متر انتخاب شود.

یکی از مهم ترین مواردی که در طراحی، تحلیل و ساخت تونل های شهری NATM موردتوجه قرار می گیرد میزان نشست سطح زمین در حین ساخت تونل است. نشست بیش ازحد زمین معمولاً به تأسیسات، ساختمان های مجاور و زیرساخت های شهری آسیب های جبران ناپذیری وارد می کند؛  جهت تحلیل واقعی و بررسی دقیق نشست سطح زمین در حفاری تونل های شهری لازم است تا شرایط واقعی خاک موردتوجه قرار گیرد. روش های استفاده شده مرسوم در ارزیابی نشست سطح زمین معمولاً تغییرپذیری مکانی خصوصیات خاک را در نظر نمی گیرند بلکه خصوصیات خاک به صورت قطعی در محاسبات لحاظ می شود بنابراین در این مطالعه سعی شده جهت مدل سازی شرایط واقعی خاک، تغییرپذیری مکانی مدول یانگ خاک با استفاده از یک میدان تصادفی سه بعدی مدل شده و با روش عددی تفاضل محدود ترکیب شود سپس با تحلیل های پارامتریک از مقیاس های مختلف نوسان توسط شبیه سازی مونت کارلو، برای هر میدان تصادفی ایجادشده حداکثر نشست سطح زمین به دست آید. نتایج نشان می دهد که مقدار میانگین و ضریب تغییرات مربوط به حداکثر نشست  به ترتیب با افزایش مقیاس نوسان از 28 میلی متر به 31 میلی‎متر و از 02/0 به 35/0 افزایش می یابد. همچنین تغییرپذیری خصوصیات خاک هم در بزرگی و هم در توزیع تغییر شکل زمین در سه بعد، مؤثر بوده و نادیده گرفتن آن منجر به دست کم گرفتن خطر نشست بیش ازحد سطح زمین می شود.

تونل انتقال آب گلاس (کانی سیب) به منظور هدایت آب مازاد رودخانه ی گلاس به حوضه آبریز دریاچه ارومیه و دشت نقده و تأمین آب زراعی بخش عمده ای از این اراضی است. در مسیر تونل قسمت آبرفت با طول تقریبی 1800 متر وجود دارد که به لحاظ ژئوتکنیکی دارای شرایط خاصی است. مدل سازی این تونل به روش های NATM و مکانیزه با استفاده از نرم افزارهای FLAC3D وPLAXIS 3D TUNNEL انجام و نتایج با یکدیگر مقایسه شد. نتایج به دست آمده نشان داد که پایداری قسمت آبرفت با استفاده از روش های حفاری NATM و ترکیب با روش های بهسازی، تأمین نمی شود. جهت صحت سنجی، طول کوتاهی از تونل در آبرفت حفاری شد که به علت ناپایداری شدید و خطر ریزش تونل ادامه حفاری در آبرفت متوقف شد. با مدل سازی روش مکانیزه در دو نرم افزار فشار سینه کار برابر 9 بار به عنوان فشار تعادل محاسبه شد. همچنین در این فشار حداکثر جابه جایی جبهه حفاری در دو نرم افزار 6 تا 7 سانتیمتر به دست آمد.

امروزه با پیشرفت فناوری، سهولت نسبی در حفاری و ساخت و سازهای زیرزمینی، توجه بسیاری از کشورها به احداث فضای زیر زمینی معطوف شده است. نیاز به سیستم حمل و نقل زیرزمینی در اکثر شهرهای بزرگ جهان به ویژه برای جاهایی که با مشکل ترافیک مواجه هستند، کاملا محسوس است. این سیستم نیازمند یک سازه تونل است که در مناطق شهری عمدتا در زمین های سست و در بخش های سطحی احداث می شود و تاثیر آن می تواند تا سطح زمین گسترش یابد. انتخاب بهترین روش برای حفاری این تونل ها تابعی از خصوصیات خاک، مقطع و موقیعت تونل است که باید به بررسی آنها با توجه به منطقه حفاری پرداخته شود. در این تحقیق موارد ذکر شده برای خط 3 متروی اصفهان در منطقه ایستگاه کشاورزی که قرار است به روش NATM حفاری گردد جهت یافتن بهینه ترین حالت حفاری بررسی شده است. نتایج این تحقیق نشان می دهد که انتخاب الکوی روش حفاری می تواند اثرات مهمی بر روی نشست، تغییر شکل مقطع تونل و جابجایی افقی در سطح زمین داشته باشد. بر اساس نتایج بدست آمده، تاثیر شرایط بارگذاری، هندسه استقرار، الگوی حفاری، آرایش متفاوت سازه های سطحی، مقدار سربار، ابعاد صفحه اعمال سربار بر روی رفتار تونل بررسی شده است.

این مطالعه بر اساس مدل سازی های دوبعدی (2D) و سه بعدی (3D) مراحل مختلف حفاری تونل زیرگذر ضربعلی زاده-مداح تحت بار ترافیک ریلی جهت ارزیابی تغییر شکل و نشست سطح زمین به کمک نرم افزار المان محدود پلکسیس (PLAXIS) انجام گرفته است. نتایج حاصل از مدل سازی عددی دوبعدی معرف شرایط پایدار تونل به واسطه ظرفیت قابل قبول سیستم-های نگهداری (اصلی و موقت) طراحی شده در بخش های مختلف تونل (دیواره های اصلی، میانی و کف بند) در برابر بارهای ترکیبی مختلف است. همچنین بر اساس آنالیز حساسیت انجام شده در مدل سازی دوبعدی، مقاومت چسبندگی و مدول الاستیسیته از پارامترهای المان معادل سیستم فورپولینگ استفاده شده در اطراف تونل به عنوان سیستم پیش نگهداری، به ترتیب بیشترین تأثیر در کنترل نشست سطح زمین دارند. علی رغم وضعیت پایدار تونل، مقدار نشست سطحی به دست آمده از مدل سازی عددی دوبعدی (44 میلی متر) بزرگ تر از حداکثر مقدار نشست مجاز تونل (43 میلی متر) بوده است و نیز معرف تغییر شکل نسبتاً زیاد سطح زمین در مقایسه با داده های ثبت شده توسط ابزار دقیق (30 میلی متر) در حین حفاری و اجرای تونل دارد. به منظور بررسی دقیق تر اثر فورپولینگ بر کنترل نشست سطحی، مدل سازی سه بعدی مراحل حفاری با لحاظ نمودن پروفیل تغییر شکل طولی (Longitudinal Deformation Profile) (LDP) سینه کار تونل انجام گرفت. نتایج حاصل معرف مجاز بودن حداکثر مقدار نشست سطحی به دست آمده از مدل سازی سه بعدی (32 میلی متر) بوده و همچنین از تطابق بسیار خوبی با داده های ابزار دقیق (30 میلی متر) برخوردار است. با توجه به اینکه در مدل سازی سه بعدی مقدار ترخیص یا رهاسازی تنش در مراحل مختلف حفاری بر اساس پروفیل تغییر شکل طولی سینه کار در نظر گرفته می شود، ازاین رو مقادیر ترخیص تنش لحاظ شده در مدل سازی سه بعدی نسبت به مدل سازی دوبعدی که بر اساس روابط تجربی لحاظ می شوند، به شرایط واقعی زمین در زمان اجرای تونل نزدیک تر و دقیق تر می باشند.