REVIEW JURNAL

TEROWONGAN BATUAN DAN TANAH

ADHITYA YOGA P

305343

PROGRAM PASCA SARJANA JURUSAN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2015

A Review of the Effects of Tunneling on Adjacent Piles

Mustafa Hasan AbdullahPhD student,

Department of Civil and Structural Engineering, University Kebangsaan Malaysia, Malaysiae-mail: mha@eng.ukm.my

Mohd Raihan TahaProfessor and head, Department of Civil and Structural Engineering, University Kebangsaan

Malaysia, Malaysiae-mail: drmrt@eng.com.my

A. PENDAHULUAN

Jurnal ini membahas tentang pengaruh pembangunan terowongan terhadap bangunan disekitarnya

terutama bangunan yang menggunakan tiang pancang sebagai fondasi utamanya. Banyak kota-kota

besar yang telah menggunakan terowongan sebagai jalur penghubung baik itu transportasi, saluran air

maupun sarana telekomunikasi. Dengan adanya peningkatan akan kebutuhan terowongan, maka perlu

dilakukan penelitian tentang adanya pengaruh pembuatan terowongan terhadap fondasi bangunan

yang sebagian besar menggunakan fondasi tiang. Dalam jurnal ini dibahas mengenai pengaruh

tegangan dan deformasi yang terjadi pada pile akibat adanya pekerjaan terowongan yang biasanya

memiliki kedalaman yang hampir sama dengan perletakan fondasi tiang. Beberapa peneliti lain pernah

meneliti pengaruh pembuatan terowongan terhadap fondasi tiang dengan menggunakan model

numerik dan uji laboratorium. Jurnal ini merangkum beberapa penelitian yang berhubungan dengan

efek tunneling pada tiang didekatnya, termasuk pemodelan numerik dan uji laboratorium. Dilakukan

perbandingan beberapa metode yang telah dilakukan. Selain itu, jurnal ini akan membahas pendekatan

yang berbeda dalam menggambarkan efek ini.

B. METODE

Dalam penelitian ini akan dibandingkan beberapa metode pengujian yaitu:

1. Metode Komputasi

a. Metode analitis, biasanya digunakan untuk mendapatkan karakteristik deformasi pada zona

di antara terowongan dan fondasi tiang yang berdekatan. Salah satu pemodelan yang dilakukan adalah

dengan menggunakan Mindlin’s Model. Randolph-Wroth logarithmic attenuation function digunakan

untuk mengetahui respon vertikal dan Mindlin’s Model untuk respon lateral untuk mensimulasikan

interaksi antar tiang. Respon dari kelompok tiang karena tunneling diperoleh dengan prinsip

superposisi. Metode ini diperiksa dengan melakukan perbandingan hasil yang diperoleh oleh program

Boundary Element Method, data uji centrifuge dan pengukuran lapangan. Perbandingan menunjukkan

keterkaitan yang baik antara studi ini terutama untuk efek analisis non-linear. Seperti ditunjukkan

dalam gambar 1, tiang dekat permukaan tanah memiliki penurunan yang lebih besar dari penurunan

tanah disekitar tiang yang dapat menyebabkan gaya tarik sebagian tiang.

b. Metode numerik, digunakan untuk merumuskan masalah geoteknik yang digunakan untuk

mensimulasikan hubungan tegangan-regangan dari tanah. Selain itu, beberapa model konstitutif tanah

telah dikembangkan, yang mana sebagian besar terbentuk dari persamaan matematika yang rumit.

Banyak peneliti mengembangkan dan menerapkan berbagai model tanah konstitutif untuk tunneling

dan khususnya dalam interaksi terowongan-tanah-tiang. Terlepas dari sejumlah besar model tanah

konstitutif, para peneliti berfokus pada Mohr-Coulomb, elasto-plastic, elastic, Displacement Control

Model (DCM), hardening hoil model dan soft-soil model).

i. Mohr-Coloumb Model, adalah model awal yang menggambarkan hubungan linier pada zona

elastis, sedangkan grafik berbentuk kurva pada zona plastis seperti pada Gambar 2. Model ini

terdiri dari lima parameter yaitu modulus Young, Poisson’s ratio, effective friction angle,

effective cohesion, dan sudut dilatansi.

Gambar 2 Asumsi model Mohr-Coloumb

Penelitian mengenai pengaruh tunneling di tanah berlempung dan berpasir di struktur

jembatan dengan fondasi tiang dilakukan di stasiun metro Beijing. Studi dilakukan secara

empiris, teoritis dan numerik (menggunakan Mohr-Coulomb Model) dan data pengujian

lapangan. Berdasarkan data uji lapangan, ditemukan bahwa pondasi tiang pancang setelah

tunneling menunjukkan penurunan yang besar dibandingan sebelum proses tunneling, untuk

pengaruh tunneling yang sama (Gambar 3). Peneliti menyimpulkan bahwa efek beban

tambahan dari struktur yang sudah ada meningkatkan efek deformasi pada tanah. Peneliti juga

merekomendasikan prosedur kontrol harus mempertimbangkan kapasitas struktur diatasnya,

prediksi tunneling dan dewatering dan penurunan fondasi tiang pancang, dan pelaksanaan

langkah-langkah perkuatan untuk tunneling yang dekat dengan fondasi tiang.

Gambar 3. Penurunan fondasi tiang selama tunneling

ii. Elastic Model

The finite- and boundary-element (FAB) methods digunakan untuk menggambarkan interaksi

terowongan-tanah-tiang. Metode elemen hingga yang digunakan untuk memprediksi

pergerakan tanah di area bebas, sedangkan respon dari tiang tertanam terhadap gerakan tanah

tersebut diprediksi dengan metode boundary element. Hasil penelitian menunjukkan

hubungan yang baik antara prediksi dari respon tiang yang diperoleh dengan metode FAB dan

analisis elemen hingga 3D (Gambar 4).

Gambar 4. Perbandingan FE dan BE terhadap penurunan

iii. Elasto-Plastic Model

Efek tunneling pada shotcrete linning dan rock bolting dipelajari oleh Liu et al. (2008) dengan

menggunakan model konstitutif ini. ABAQUS dan TUNNEL3D digunakan dalam analisis

melalui tiga dimensi (3D) pada perhitungan elemen hingga ditambah dengan prosedur

tunneling, interaksi antara lapisan shotcrete dan massa batuan, interaksi antara rock bolts dan

massa batuan, dan perilaku elasto-plastik massa batuan, lapisan shotcrete dan rock bolts.

Mereka menyimpulkan bahwa tunneling itu mempengaruhi sistem pendukung yang ada

terowongan yang berdekatan terutama ketika muka terowongan melewati sistem dukungan

yang ada.

iv. Displacement Control Model (DCM)

Model ini diterapkan untuk mempelajari efek tunneling pada tiang terdekat menggunakan

analisis elemen hingga 3D. Hasil model dibandingkan dengan uji centrifuge dan satu set studi

parametrik. Perbandingan menunjukkan hubungan yang baik antara hasil. Mereka

menyimpulkan bahwa kekuatan internal tiang yang terdapat tunneling dan deformasi

tergantung pada jarak antara tiang dan terowongan, panjang tiang ke terowongan, rasio

kedalaman dan hilangnya volume. Mereka mengamati bahwa ada dua zona yang berbeda

yang dibagi oleh garis 45° diproyeksikan dari springline terowongan. Tiang menjadi sasaran

kekuatan tarik dan penurunan besar di zona pengaruh, sedangkan di luar zona pengaruh,

beban tarik dan penurunan kecil. Hasil pemodelan menunjukkan bahwa efek dari tunneling

pada kelompok tiang lebih kecil dari pada tiang tunggal di lokasi yang sama.

v. Hardening Soil Model

Hardening Soil Model dianggap sebagai second order model untuk tanah. Ini termasuk

friction hardening dan cap hardening. Yang pertama digunakan untuk model regangan geser

plastik dalam tekanan deviatorik, kemudian digunakan untuk model regangan volumetrik

plastik dalam kompresi primer. Karakteristik model termasuk kekakuan menurut Power Law

(m), regangan plastik karena tekanan deviatorik primer (E ref50), regangan plastik karena

kompresi primer (Erefoed), parameter input elastic unloading/ reloading (Eref

ur, νur) dan kriteria

kegagalan menurut model Mohr-Coulomb (c, φ dan ψ) (Ti et al., 2009). Lee et al. (2009) dan

Mika et l. (2009) meneliti efek tunneling pada tiang dan struktur di dekatnya dan

menggunakan model konstitutif ini dalam analisis mereka. Lee et al. (2009) menggunakan

program elemen hingga, Plaxis-GID untuk kasus tunneling di Singapura. Analisis ini

melibatkan efek tunneling pada tiang yang berdekatan dalam tiga dimensi. Mereka

menggunakan model Hardening Soil-Small untuk memprediksi perilaku tanah lempung

berpasir. Metode pelepasan tegangan digunakan untuk model penggalian terowongan pada

kondisi penurunan tetap. Hasil analisis yang diukur adalah penurunan permukaan tanah dan

bawah permukaan perpindahan horizontal (lihat Gambar 5).

Gambar 5. Penurunan setelah pemasangan terowongan

2. Metode Eksperimental

Meskipun pengembangan di metode komputasi menghasilkan penelitian analitis dan numerik,

peneliti lebih memilih untuk mendukung studi mereka dengan eksperimen dan model uji. Metode

eksperimental telah memainkan peran penting dalam ilmu tunneling. Beberapa uji yang dilakukan

untuk mengetahui perilaku tiang akibat dekatnya penggalian terowongan.

a. Photo-Elasticity Model

Standing dan Leung (2005) menyelidiki perilaku efek tiang pada terowongan menggunakan

metode Photo-Elasticity. Mereka menggunakan sebuah alat dengan berbagai komponen

Photo-Elasticity untuk mensimulasikan terowongan dan pola tegangan yang dikembangkan

dalam tanah granular di sekitarnya selama proses pemancangan tiang (lihat Gambar 6a dan

6b). Hasil penelitian menunjukkan bahwa untuk tiang yang memiliki jarak dari pusat

terowongan kurang dari diameter terowongan, ada pengalihan tegangan dari kaki tiang ke

pinggiran terowongan. Hal ini ditunjukkan oleh garis-garis cahaya terang bergabung dasar

tiang, yang mewakili beban yang sangat besar (Gambar 6c). Jumlah garis meningkat selama

kedalaman penetrasi tiang meningkat, dan mencapai maksimum pada kedalaman tertentu dari

penetrasi tiang tergantung pada posisi lateral.

(a) (b)

(c)

Gambar 6. Skema pengujian

b. Photogrammetric Technique

Photogrammetric Technique digunakan oleh Lee dan Yoo (2006) dan Lee dan Bassett (2007).

Lee dan Yoo (2006) mempelajari perilaku 2D dari model terowongan yang berdekatan

dengan deretan tiang selama penggalian terowongan. Model tiang-tanah-terowongan dibuat

dari campuran batang aluminium dengan berbagai ukuran (Gambar 9a dan 9b). Sebuah teknik

fotogrametri mengadopsi analisis gerakan pusat terowongan sehubungan dengan hilangnya

volume. Mereka menyimpulkan bahwa lokasi ujung tiang mempengaruhi pergerakan

terowongan, dan model terowongan dapat bergeser ketika beban tiang terletak di dekat area

terowongan (lihat Gambar 9c).

Dalam Lee dan Bassett (2007), interaksi terowongan-tanah-tiang dievaluasi menggunakan uji

model laboratorium dua dimensi dan analisis numerik. Mereka menggunakan batang

aluminium untuk model pengujian karena aluminium dapat dianggap sebagai bahan granular.

Mereka mengukur perpindahan penanda reflektif menggunakan berbagai teknik fotogrametri.

Hasil analisis elemen hingga menunjukkan hubungan yang baik dengan hasil uji model.

Mereka menyimpulkan bahwa gaya aksial tiang sangat dipengaruhi oleh lokasi ujung tiang

dari garis tengah terowongan. Juga mereka menunjukkan bahwa zona pengaruh bergantung

pada lokasi ujung tiang, kehilangan volume, kekuatan tanah, beban yang bekerja pada tiang,

ukuran pile, efek pelebaran bahan granular, dan ukuran terowongan.

(a) (b)

(c)

Gambar 9. Skema pengujian dan hasil

c. Small Scale Testing Model

Meguid dan Mattar (2009) merancang pengujian untuk mengetahui pengaruh dari fondasi

tiang pancang yang ada pada perubahan tekanan dalam sistem lapisan fleksibel terowongan

pada tanah lunak kohesif. Mereka membangun model pengujian skala kecil untuk

mensimulasikan proses penggalian terowongan dan pemasangan linning di dekat tiang, yang

simetris dipasang pada jarak pemisahan 0.7D, 2D, dan 2.7D dari tepi terowongan, dan

tekanan lapisan diukur di setiap tahap uji. Model ini terdiri dari pipa baja galvanis dengan

diameter luar 152 mm, dan diameter bagian dalam 150 mm, sedangkan pipa casing adalah

sekitar 405 mm (Gambar 10). Proses penggalian terowongan dilakukan dengan menggunakan

kepala piston berdiameter 12 mm ulir dengan lubang yang terhubung ke jack hidrolik. Model

tiang terdiri dari 30 tiang diameter 25 mm, dan terdiri dari batang baja yang terletak simetris

dalam tiga baris dari lima tiang di kedua sisi terowongan. Mereka tetap pada arah horisontal

di bagian atas dan bawah kotak dengan grid logam dan dengan piring kayu berlubang. Hasil

penelitian menunjukkan penurunan berkelanjutan ketika tiang terletak dalam jarak satu

diameter terowongan dari lapisan terowongan (lihat Gambar 11).

Gambar 10. Pile group arrangement

Gambar 11. Results

d. Centrifuge Model Test

Ong et al. (2007) mempelajari efek tunneling di tanah lempung yang berdekatan dengan tiang.

Mereka menggunakan kedua model tes centrifuge dan analisis elemen hingga untuk

mengevaluasi gerakan tanah karena tunneling dan efek gerakan tanah pada tiang tunggal

bebas. Terdiri dari stainless baja paduan wadah tanah kotak dengan dimensi internal panjang

525 mm, lebar 200 mm, sedangkan tingginya 490 mm. Model terowongan terbuat dari

stainless steel, sementara tiang terbuat dari tabung aluminium persegi. Momen lentur dan

gaya aksial sepanjang tiang diukur dengan menggunakan alat pengukur tekanan melekat

sepanjang poros tiang. Selain itu mereka mengembangkan teknik untuk mensimulasikan

deformasi bagian dalam terowongan di springline terowongan. Teknik ini dilakukan dengan

melarutkan busa polystyrene kepadatan tinggi ditempatkan di luar lapisan terowongan

menggunakan pelarut organik, aseton. Mereka juga membuat outlet debit untuk

memungkinkan drainase aseton ke dalam rongga terowongan.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa penurunan tanah meningkat dengan seiring dengan

waktu penggalian terowongan, namun besarnya kenaikan ini lebih kecil daripada yang

diamati dalam uji centrifuge (lihat Gambar 12). Ini mungkin disebabkan oleh rekonsolidasi

dari tanah lempung, dengan disipasi tekanan air pori yang disebabkan oleh tunneling. Seperti

yang ditunjukkan Gambar 13, jelas bahwa tiang telah mengalami penurunan yang besar yang

meningkat dengan waktu.

Gambar 12. Perbandingan penurunan Gambar 13. Penurunan tiang

C. KESIMPULAN

Berbagai metode pemodelan interaksi terowongan-tanah-tiang pancang adalah faktor yang

paling penting dari desain terowongan. Metode yang terdapat dalam jurnal ini didasarkan

pada pendekatan yang berbeda (misalnya analitis, numerik dan eksperimental) memberikan

hasil juga berbeda dari perilaku tiang karena tunneling. Namun demikian, pada pemaparanya

tidak memberikan penjelasan yang baik untuk perkiraan masalah yang lebih kompleks. Di sisi

lain, pendekatan numerik didukung oleh metode elemen hingga memainkan peran penting

dalam analisis tunneling, dan efek tunneling pada tiang. Berbagai konsep yang didasarkan

pada model konstitutif (misalnya Mohr-Coulomb, elasto-plastic, elastic, Displacement

Control Model (DCM), hardening hoil model dan soft-soil model) memahami perilaku

masalah ini dan aplikasinya. Sementara itu, peneliti mengembangkan model-model konstitutif

untuk mendapatkan hasil realistis dibandingkan dengan data lapangan.

Uji eksperimen diadopsi oleh banyak peneliti dan menjadi referensi untuk verifikasi. Inti

dari pendekatan ini adalah bagaimana membangun sebuah kondisi yang menyerupai yang

asli. Metode ini didasarkan pada photo-elasticity, photogrammetric technique, small scaling

model, atau uji centrifuge. Meskipun semua metode analisis interaksi terowongan-tanah-tiang

ini adalah pendekatan, tetapi mereka saling melengkapi satu sama lain dan membuat rantai

yang bersambungan antara asumsi dan teori-teori untuk menjelaskan fenomena ini. Sementara

itu, metode ini memiliki kelebihan dan kekurangan, harus mempertimbangkan ketika

digunakan. Tabel 1 menunjukkan keuntungan dan kerugian dari beberapa metode yang

dipaparkan.

Tabel 1. Keuntungan dan kerugian beberapa metode yang disajikan

Metode Keuntungan Kerugian

Metode Analistis

Mindlin’s Model

Dapat menjelaskan deformasi secara

vertikal dan horisontal dalam beberapa

langkah perhitungan

Hasilnya tidak seakurat

pendekatan numerik

Metode Numerik

Mohr-Coloumb

Model

Sederhana dan dapat diaplikasikan untuk

three dimensional stres space model

Tidak dapat mengetahui

pengaruh rotasi sumbu tegangan

utama yang memiliki efek dalam

analisis terowongan dimana

likuifaksi mungkin terjadi

Elastic ModelMemberikan hasil yang wajar untuk kasus

pembebanan kecil

Tidak dapat memprediksi hasil

yang realistis untuk efek

unloading

Elasto-Plastic Model

Membantu untuk memahami perilaku tegangan regangan tanah selama pembebanan dan unloading perbedaan antara recoverable and irrecoverable deformations

Memiliki banyak parameter

dapat mencapai 15, dan beberapa

membutuhkan tes laboratorium

khusus

Displacement

Control Model

(DCM)

Memprediksi gerakan bawah permukaan

secara realistis

Menghasilkan penurunan yang

lebih besar dari penurunan di

lapangan

Hardening Soil

Model

Terdapat dua jenis pengerasan (misalnya friction hardening dancap hardening) yang memberikan

deskripsi akurat untuk masalah yang

melibatkan pengurangan tegangan efektif

rata-rata dan perubahan kekuatan geser

Kegagalan dalam model ini

didefinisikan dengan cara kriteria

kegagalan Mohr-Coulomb

Metode Eksperimental

Photo-Elasticity

ModelMemberikan indikasi kasar tentang

transfer tekanan dari terowongan ke tiang

Kurangnya pengamatan terhadap

deformasi dan rayapan (creep)

Photogrammetric Menganalisis gerakan pusat terowongan Tidak dapat mensimulasikan

Technique sehubungan dengan penyusutan volume model dua dimensi

Small Scale Testing

ModelSimulasi baik pada muka terowongan

Hasil yang baik telah diambil

ketika tiang diatur secara simetris

di sekitar terowongan

Centrifuge Model

Test

Melakukan simulasi di lingkungan semi-

ideal dan memberikan hasil yang nyata

untuk jangka pendek dan jangka panjang

Tidak dapat mengetahui efek

rayapan