bab ii studi literatur - · pdf filestudi analisis pengaruh pembangunan terowongan mrt...

Studi Analisis Pengaruh Pembangunan Terowongan MRT Terhadap Lingkungan Sekitar Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga

II-1

BAB II

STUDI LITERATUR

Terowongan adalah lubang bukaan mendatar atau sedikit miring yang dibuat di bawah

tanah, gunung, sungai, laut, daerah industri, bahkan pemukiman padat penduduk. Ada dua

tujuan utama manusia membuat terowongan. Terowongan yang dibuat untuk mengambil

bahan galian dibawah tanah, dikenal dengan dengan terowongan tambang. Terowongan yang

dibuat untuk menembus rintangan alam atau rintangan yang dibuat oleh manusia disebut

terowongan sipil.

Konsep perancangan lubang bukaan adalah sesuatu hal yang relatif baru. Konsep ini

berbeda dengan konsep perancangan struktur pada teknik sipil pada umumnya. Metoda

pelaksanaan memegang peranan yang sangat besar dalam konsep rancangan terowongan.

2.1. KLASIFIKASI TEROWONGAN

Terowongan dapat diklasifikasikan berdasarkan berbagai kriteria. Kriteria yang paling

dasar adalah mengklasifikasikan terowongan menjadi terowongan sipil dan terowongan

tambang. Kriteria ini menyangkut faktor keamanan, kenyamanan serta biaya yang sangat

berpengaruh dalam perancangan sebuah terowongan.

2.1.1. Terowongan sipil dan terowongan tambang

Banyak kriteria yang membedakan antara terowongan sipil dengan terowongan

tambang. Perbedaan-perbedaaan yang mendasar adalah sebagai berikut :

Terowongan Sipil Terowongan Tambang

Karena biasanya digunakan untuk

infrastruktur terowongan sipil dibuat

permanen

Bersifat sementara, tergantung pada

kandungan mineral yang akan ditambang

Diperuntukkan untuk masyarakat umum Hanya untuk kegiatan penambangan

Tidak terlalu panjang Terowongan tambang biasanya sangat

panjang, karena mineral-mineral yang akan

diambil sangat jauh didalam tanah

BAB II Studi Literatur


II-2

Ditempatkan pada batuan atau daerah yang

memerlukan eksplorasi lebih lokasi

terperinci.

Keadaaan batuan (Ground Condition)

dalam pertambangan lebih teridentifikasi

karena aktivitas penambangan sudah

berlangsung selama bertahun-tahun.

Terowongan sipil biasanya dibangun pada

kedalaman ± 500m

Umumnya sangat dalam

Kondisi tegangan bersifat statis Kondisi tegangan bersifat dinamis, karena

pada tambang kegiatan penggalian

berlangsung secara terus menerus sehingga

perubahan tegangan pada batuan selalu

berubah-ubah.

Lokasi diusahakan pada kondisi

tanah/batuan yang baik.

Lokasi ditentukan oleh daerah-daerah yang

mengandung mineral tambang.

2.1.2. Klasifikasi terowongan berdasarkan fungsinya

Berdasarkan fungsinya terowongan dapat dibagi menjadi menjadi dua, yaitu :

1. Terowongan lalulintas

a. Terowongan kereta api

Terowongan ini digunakan sebagai prasarana transportasi jalur kereta api.

Terowongan ini biasanya ditemukan didaerah-daerah pegunungan, tetapi ada juga

yang dibangun dibawah pemukiman padat.

b. Terowongan jalan raya

Terowongan ini dipakai untuk lalulintas jalan raya. Terowongan jenis ini dapat

diklasifikasikan menjadi tiga jenis, yakni : terowongan yang dibangun untuk

kendaraan bermotor, terowongan interkoneksi yang melewati daerah berbukit didalam

kota. Terowongan ini biasanya merupakan lanjutan dari jalan raya (jalan arteri) yang

memiliki bentuk penampang tinggi untuk mendapatkan peranginan alam, serta

terowongan yang melewati bawah sungai didaerah perkotaan. Terowongan ini

dibangun untuk menggantikan jembatan di sungai yang lalulintas kapalnya sangat

sibuk.

c. Terowongan pejalan kaki



II-3

Terowongan ini termasuk dalam grup terowongan jalan (road tunnel) dengan

penampang yang lebih kecil. Terowongan ini biasanya dibangun dibawah jalan raya

yang ramai atau dibawah sungai dangkal sebagai tempat untuk para pejalan kaki.

d. Terowongan navigasi

Terowongan ini dibuat untuk kepentingan penyaluran air di kanal-kanal dan

sungai-sungai yang menghubungkan satu kanal atau sungai ke kanal yang lainnya.

Terowongan ini juga ditemukan di pegunungan untuk memperpendek jarak

penyaluran air. Kerena lining dari terowongan ini sangat rentan terhadap retakan,

maka pada daerah-daerah yang memiliki potensi gerakan tektonik serta formasi dan

struktur batuannya banyak mengandung patahan dan rekahan, maka terowongan

navigasi sebaiknya tidak dibangun pada daerah tersebut.

e. Terowongan transportasi di bawah kota

Biasanya terowongan ini dibangun di bawah kota yang penduduknya padat

sebagai alternatif pempangunan jalan raya.

f. Terowongan transportasi di tambang bawah tanah.

Terowongan ini dibuat sebagai jalan masuk kedalam tambang bawah tanah

yang digunakan untuk lalulintas para pekerja tambang, mengangkut peralatan

tambang, mengangkut batuan dan bijih hasil penambangan.

2. Terowongan angkutan

a. Terowongan stasiun pembangkit listrik tenaga air

Terowongan yang penampangnya terisi penuh oleh air langsung dari reservoir

ke turbin disebut terowongan tekan (pressure Tunnel), sedang terowongan yang hanya

mengalirkan air dari satu tempat ke tempat yang lai dinamakan terowongan saluran

(discharge tunnel)

b. Terowongan penyediaan air

Menyalurkan air dari mata air ketempat penyimpanan didalam kota atau

membelokkan air ketempat penyimpanan tersebut.

c. Terowongan untuk saluran air kotor

Terowongan ini dibangun untuk membuang air kotor dari kota atau pusat

industri ketempat pembuangan yang sudah disediakan.

d. Terowongan yang digunakan untuk kepentingan umum

Terowongan ini biasanya dibangun didaerah perkotaan untuk menyalurkan

kabel listrik dan telepon, pipa gas dan air, dan juga pipa-pipa lainnya yang penting,



II-4

dibuat dibawah saluran air, jalan raya, jalan kereta api, blok bangunan untuk

memudahkan inspeksi secara kontiniu, pemeliharaan dan perbaikan sewaktu-waktu

kalau ada kerusakan.

e. Terowongan untuk angkutan didalam daerah industri pabrik

Terowongan ini digunakan untuk menyalurkan produk-produk hasil industri,

ataupun sebagai jalan akses untuk penyaluran limbah.

2.1.3. Klasifikasi menurut material lokasi dibangunnya terowongan.

Dalam pembangunan terowongan, terdapat dua material utama lokasi pembangunan

yakni tanah dan batuan. Kondisi ini memberikan perbedaaan dalam metode perancangan dan

pelaksanaan terowongan. Beberapa perbedaaan yang muncul dapat kita tinjau dari segi :

1. Metoda Pelaksanaan

Terowongan yang dibangun pada tanah lunak biasanya bisa digali dengan menggunakan

tenaga manusia, dengan metode cut and cover dan dengan menggunakan jacking.

Sedangkan pada batuan penggalian terowongan harus dilakukan dengan bantuan

peralatan-peralatan khusus. Penggunaan bahan peledak, pemboran dengan menggunakan

road header, ataupun menggunakan Tunnel Boring Machine merupakan beberapa

alternatif dalam pembangunan terowongan pada batuan.

2. Material lokasi dibangunnya terowongan

Secara umum kita ketahui bahwa batuan lebih kuat dari tanah. Kekuatan batuan selain

ditentukan oleh materialnya sendiri juga ditentukan oleh kondisi geologinya. Kondisi-

kondisi seperti rekahan, patahan, dan retakan akan membentuk bidang-bidang lemah pada

struktur batuan. Sedangkan untuk tanah, karena tidak memiliki karakteristik seperti

batuan, maka kekuatannya hanya ditentukan oleh material penyusun tanah itu sendiri.

3. Keadaaan tegangan awal

Batuan memiliki keadaaan tegangan yang lebih kompleks daripada tanah. Selain

tegangan overburden pada batuan juga ditemukan tegangan tektonik dan tegangan sisa

(residual stress). Pada tanah biasanya yang diperhitungkan adalah tegangan overburden

saja.

4. Pengalaman desain empiris

Dalam pertambangan jenis-jenis batuan telah diklasifikasikan berdasarkan pengalaman

empiris. Klasifikasi ini disebut dengan Klasifikasi Massa Batuan. Klasifikasi massa



II-5

batuan merupakan cikal bakal dari pendekatan rancangan empiris yang secara luas

digunakan pada rekayasa batuan. Dalam kenyataannya, klasifikasi digunakan sebagai

dasar praktis untuk merancang struktur bawah tanah yang kompleks. Untuk terowongan

pada tanah, karena masih jarang dilakukan sehingga dalam pelaksanaannya, para

pelaksananya harus melakukan beberapa test dan analisis untuk memodelkan kondisi

tanah dimana terowongan itu akan dibangun.

2.1.4. Klasifikasi menurut kedalaman.

Menurut kedalamannya terowongan dibedakan menjadi dua jenis yakni terowongan

dalam dan terowongan dangkal. Suatu terowongan dianggap dalam jika kedalaman

terowongan lebih besar dari 20 kali jari-jari terowongan.

Pada terowongan dalam, kondisi tegangan dianggap sama disegala arah. Hal ini

disebabkan karena kedalaman terowongan sehingga perbedaaan antara tegangan vertikal dan

tegangan horizontal semakin kecil. Jika kita membuka lubang galian bulat di tempat yang

dalam, maka kenyataan yang terjadi adalah respon deformasi yang sama pada seluruh dinding

lubang galian.

Pada terowongan dangkal, perbedaan antara tegangan vertikal dengan tegangan

horizontal masih sangat berpengaruh pada perilaku tanah. Hal in menyebabkan adanya

perbedaaan perilaku bagian atas, tengah dan bawah terowongan. Pengaruh dari beban

permukaan juga menjadi pertimbangan tersendiri, sehingga dapat kita simpulkan bahwa

analisis pada terowongan dangkal lebih rumit daripada terowongan dalam.

2.2 METODE-METODE PEMBUATAN TEROWONGAN

Berbagai macam metode pembuatan terowongan pada batuan maupun tanah telah

dikembangkan oleh manusia. Metode-metode tersebut memiliki karakteristik masing-masing,

baik itu kelebihan maupun kekurangan. Tetapi secara umum metode pembuatan lubang

bukaan terowongan dapat dikelompokkan menjadi 2 bagian, yaitu :

a. cara portal

b. cara open cut


Gambar 2.1. Penggalian Permukaan Lubang Bukaan

2.2.1. Penggalian

2.2.1.1. Metode ‘Full Face’

Merupakan metoda dimana seluruh penampang terowongan digali secara bersamaan.

Metode ini sangat cocok untuk terowongan dengan penampang melintang kecil hingga

terowongan hingga terowongan dengan diameter 3 meter.

a. Keuntungan

• Dengan menggali seluruh penampang lubang bukaan, maka dapat

mempercepat pekerjaan.

• Lintasan untuk pembuangan hasil peledakan dapat langsung dipasang

bersamaan pada saat proses penggalian berikutnya.

• Proses tunneling dapat dilakukan secara berkelanjutan

b. Kerugian

• Membutuhkan alat-alat mekanis dalam jumlah besar

• Tidak dapat digunakan pada kondisi batuan / tanah yang tidak stabil

• Terbatas untuk terowongan yang memiliki lintasan pendek

2.2.1.2. Metode ‘Heading’ dan ‘Bench’

Metode Heading dan Bench merupakan cara penggalian, dimana bagian atas

penampang terowongan digali terlebih dahulu sebelum bagian bawah penampangnya. Setelah

penggalian bagian atas mencapai panjang 3-5 m (heading), penyangga bawah penampang


II-6


dikerjakan (bench cut) sampai membentuk penampang terowongan yang diinginkan. Proses

ini diulangi sampai seluruh lintasan terowongan tercapai.

a. Keuntungan

• Memungkinkan pengerjaan pengeboran dan pembuangan sisa peledakan

dilakukan secara simultan

• Metode ini efektif untuk terowongan berukuran penampang besar dengan

lintasan yang relatif panjang

• Metode ini dapat diterapkan pada setiap kondisi batuan

b. Kerugian

• Waktu pengerjaan relatif lebih lama jika dibandingkan dengan metode full

face.

Gambar 2.2. Metode Heading Dan Bench

2.2.1.3. Metode ‘Drift’

2.2.1.3.1. Center Drift

Metode ini dimulai dengan penggalian lubang berukuran 2.5 m x 2..5 m sampai

dengan 3 m x 3 m dari portal ke portal. Perluasannya dimulai setelah penggalian center drift

selesai, dengan membuat lubang-lubang untuk bahan peledak yang dibor melingkar pada

selimut drift oleh alat bor yang dipasang pada sumbu terowongan (Gambar 2.3).


II-7


Gambar 2.3. Metode Center Drift

a. Keuntungan

• Memberikan sistem ventilasi yang baik

• Kerena ukurannya cukup kecil, maka tidak memerlukan sistem penyangga

yang cukup rumit

• Mucking dapat dikerjakan bersamaan dengan pekerjaan penggalian

b. Kerugian

• Center drift harus sudah selesai terlebih dahulu sebelum melakukan perluasan

lubang.

• Alat bor dipasang dengan pola tertentu, sehingga seringkali spasi alat bor

tersebut dirubah dan disesuaikan dengan kondisi batuan yang akan diledakkan.

2.2.1.3.2. Side Drift

Pada metode ini dua drift digali sekaligus pada sisi-sisi penampang, sepanjang

lintasan terowongan. Proses selanjutnya adalah penggalian bagian arch, yang diikuti dengan

pemasangan penyangga sementara. Setelah penyangga selesai dipasang, penggalian bagian

tengah dikerjakan.

a. Keuntungan

• Proses lining dapat dikerjakan sebelum penggalian bagian tengah dilaksanakan

• Metode ini efektif untuk terowongan besar dengan kondisi batuan yang buruk

b. Kerugian

• Pekerjaan perluasannya harus menunggu drift selesai dikerjakan seluruhnya.


II-8


Gambar 2.4. Metode Side Drift

2.2.1.3.3. Top Drift

Banyak digunakan pada penggalian endapan di suatu tambang. Metode ini tidak jauh

berbeda dengan metode heading dan bench.

Gambar 2.5. Metode Top Drift

2.2.1.3.4. Bottom Drift

Metode ini dimulai dengan membuka bagian bawah penampang. Pembukaan lubang-

lubang bahan peledak untuk membuka bagian atas penampang dilakukan dengan membor

dari bottom drift vertikal keatas.

Gambar 2.6. Metode Bottom Drift


II-9


2.2.1.4. Metode Sumuran Vertikal (Vertical Shaft)

Metode ini dilaksanakan dengan membuat lubang vertikal tegak lurus sampai pada

terowongan yang akan digali. Dengan dibuatnya satu buah lubang yang memotong lintasan

terowongan akan didapatkan paling sedikit tiga buah heading face.

Gambar 2.7. Metode Sumuran Vertikal

2.2.1.5. Metode Pilot Tunnel

Pilot Tunnel digali pada jarak ± 25 m dari sumbu terowongan yang direncanakan

dengan ukuran 2 x 2 m2 sampai dengan 3 x 3 m2. Penggalian terowongan utama dilakukan

dengan metode drift. Kemudian pada setiap interval tertentu, digali suatu potongan

menyilang (cross cut) sampai memotong sumbu utama terowongan yang direncanakan.

a. Keuntungan

• Metode ini efektif untuk terowongan yang lintasannya panjang, dengan

kondisi topografi yang tidak memungkinkan untuk membuat sumuran

• Dapat berfungsi sebagai ventilasi

• Mucking dapat dilakukan dengan cepat

b. Kerugian

• Memerlukan lebih banyak waktu dan biaya dibandingkan dengan metode –

metode penggalian lainnya.


II-10


Gambar 2.8. Metode Pilot Tunnel

2.3. TEORI MEKANIKA TANAH

2.3.1. Hubungan Tegangan – Regangan

Hubungan tegangan-regangan dari baja lunak diperlihatkan pada Gambar 2.9a. Mulai

dari bagian awal sampai dengan batas proposional atau titik leleh disebut dengan elastik

linier. Kondisi ini menunjukkan bahwa material akan kembali ke bentuk semula ketika

tegangan dilepaskan, selama tegangan yang terjadi berada dibawah titik leleh. Material juga

memiliki kurva tegangan-regangan yang non linier tapi tetap bersifat elastik, seperti

dijelaskan pada Gambar 2.9b. Perhatikan bahwa hubungan tegangan-regangan tidak

dipengaruhi oleh waktu. Jika waktunya merupakan variabel, maka material tersebut bersifat

visko-elastik. Material tanah dan polimer-polimer pada umumnya bersifat visko-elastik

Karakteristik dari material sebenarnya dapat disempurnakan dengan beberapa

hubungan tegangan-regangan, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.9c, d, dan f. Hubungan

tegangan-regangan yang lebih realistik adalah elasto-plastik (Gbr.2.9d). Material tersebut

bersifat elastik linier sampai pada titik leleh σy ; kemudian menjadi plastik sempurna.

Perhatikan bahwa material sempurna dan elasto-plastik tetap meregang walaupun tanpa

tegangan tambahan yang dikenakan pada material.

Kadang-kadang material seperti besi cetak, beton, dan batu pada umumnya bersifat

getas. Dengan kondisi seperti ini material-material tersebut mengalami regangan yang kecil


II-11


ketika penambahan tegangan. Kemudian, pada titik tertentu material tersebut runtuh

(Gbr.2.9e).

Lebih kompleks lagi namun tetap realistis, adalah material dengan work hardening

(Gbr 2.9f). Material ini akan menjadi lebih kaku (modulus semakin besar) seiring dengan

terjadinya regangan atau material tersebut bekerja memikul beban. Kebanyakan tanah juga

memiliki sifat work hardening, misalnya lempung atau pasir yang dipadatkan. Material

dengan sifat work softening (Gbr 2.9f) menunjukkan penurunan tegangan ketika material

tersebut diregangkan setelah tegangan puncak. Tanah lempung sensitif merupakan

merupakan salah satu contoh dari material ini.

2.3.2. Kriteria Keruntuhan

Dari kurva tegangan-regangan kita dapat menentukan lokasi atau titik keruntuhan dari

suatu material. Titik ini disebut dengan titik keruntuhan. Dalam beberapa kondisi, jika suatu

material diberi tegangan tertentu sampai mencapai titik lelehnya, regangan ataupun defleksi

yang terjadi sangat besar sedemikian sehingga material tersebut akan mengalami kegagalan.

Ini berarti bahwa material tersebut tidak mampu lagi memikul beban yang bekerja. Kriteria

keruntuhan yang biasa dipakai adalah kriteria keruntuhan Mohr-Coulomb.

2.3.3. Kriteria Keruntuhan Mohr-Coulomb

Mohr (1980) menyuguhkan teori keruntuhan tentang material yang menyatakan

bahwa keruntuhan pada suatu material akibat kombinasi kritis antara tegangan normal dan

geser, dan bukan hanya akibat tegangan normal maksimum atau tegangan geser maksimum

saja. Jadi, hubungan antara tegangan normal dan geser pada sebuah bidang keruntuhan dapat

dinyatakan dalam bentuk berikut (Gambar 2.10a).

)(στ ff = (2-1)

Garis keruntuhan (failure envelope) yang dinyatakan oleh persamaan (2-1) diatas sebenarnya

berbentuk lengkung seperti terlihat pada Gambar 2.10b. Untuk sebagian besar masalah-

masalah mekanika tanah, garis tersebut cukup didekati dengan sebuah garis lurus yang

menunjukkan hubungan linier antara tegangan normal dengan geser (Coulomb, 1776).


II-12


σ

σy

σ

σ

σ

σ

σ

Є Є

Є Є

Є Є

Proportial limit

(a) Mild Steel (b) Nonlinier elastic

(c) Perfectly plastic (d) Elasto - plastic

(e) Brittle (f) Work hardening and work softening

σy σy

Work Hardening

Work Softening

Gambar 2.9. Contoh Hubungan Tegangan-Regangan Untuk Material Yang Ideal

Dan Asli.

Persamaan tersebut dapat kita tulis sebagai berikut :

Φ+= tanστ cf (2-2)


II-13


dengan

c = kohesi

ф = sudut geser internal

Hubungan diatas disebut juga dengan kriteria keruntuhan Mohr-Coulomb

τ

σ

Hukum keruntuhan Mohr - Coulomb

Garis keruntuhan menurut Mohr

c

Ф σy

σ

τ

τ τ

Bidang keruntuhan

σx

(a) (b)

Gambar 2.10. Garis Keruntuhan menurut Mohr dan hukum keruntuhan Mohr-Coulomb

2.3.4. Percobaan-percobaan Menentukan Paramater Kekuatan Tanah

2.3.4.1.Direct Shear Test (Uji Geser Langsung)

Test ini merupakan tes tertua yang pernah dilakukan untuk memperoleh parameter

kekuatan geser dari tanah. Gaya normal diaplikasikan pada sampel tanah didalam kotak uji

melalui loading cap. Dalam uji geser ini, gaya geser, deformasi horisontal, dan deformasi

vertikal dapat diukur. Dengan membagi gaya geser dan gaya normal tehadap luas sampel

maka akan diperoleh nilai tegangan geser dan tegangan normal pada saat runtuh. Bidang

runtuh untuk tes ini dipaksakan untuk terjadi disepanjang bidang antara dua belahan kotak

geser tersebut.


II-14


P

δ

(a) Apparatus

∆H

(b) Hasil Test

(c) Diagram Mohr

σn3 = P3 /A

σn2 = P2 /A

σn1 = P1 /A

o T

τ = T/A

c

b

a

δ

σn3 σn2 σn1

δ

0

0

+

-

∆H

a b

c

ф

σn3 σn2 σn1

Gambar 2.11. (a) Skema Diagram Direct Shear Aparatus; (b) Hasil Tes (Pasir Padat);

(c) Diagram Mohr Untuk Sampel Dengan Kerapatan Relatif Sama

2.3.4.2. Tiaxial Test

Sekitar tahun 1930, A. Casagrande melakukan penelitian lebih lanjut terhadap

pengujian cylindrical compression dengan tujuan untuk mengatasi kelemahan-kelemahan

pada uji geser langsung. Walaupun alat untuk uji ini lebih kompleks, tetapi lebih fleksibel dan

kontrol dalam pengujian sangat baik. Beberapa tipe uji triaksial yang sering dilakukan antara

lain :

a. Uji Unconsolidated Undrained (UU): Uji ini tidak mengizinkan terjadinya

konsolidasi. Sampel tanah diruntuhkan pada kondisi air tidak teralirkan.

b. Uji Consolidated Drained (CD): Sampel tanah terkonsolidasi dan diruntuhkan pada

kondisi air teralirkan.

c. Uji Consolidated Undrained (CU): Sampel tanah terkonsolidasi dan diruntuhkan pada

kondisi air tak teralirkan.


II-15


∆H

Cap Soil Specimen

Rubber membrane

To volume change or water pressure measurement device (∆ Vol or ∆u)

σcell

(a)

σaxial

σcell

σaxial = ( σ1 – σ3 )

σcell = σ2l = σ3

} σ1

Gambar 2.12. (a) Skema Diagram Triaxial Aparatus (b) Asumsi Kondisi Tegangan

2.3.5. Karakteristik Tanah

Dalam proses konstruksi terowongan, tanah lunak merupakan material yang dapat

dipindahkan dengan alat-alat sederhana seperti cangkul dan sekop, walaupun sebenarnya alat-

alat tersebut tidak dipakai dalam pembuatan lubang galian. Pembuatan lubang galian pada

tanah lunak, seyogyanya memerlukan informasi tentang kondisi tanah subsurface disekitar

lokasi terowongan. Seperti kita ketahui bahwa setiap jenis tanah memiliki kekuatan yang

berbeda dalam memberikan respon terhadap proses konstruksi ataupun gangguan yang

terhadap tanah tersebut. Informasi ini nantinya akan digunakan sebagai referensi terhadap

metode pelaksanaan pekerjaan terowongan, baik itu dimensi lubang bukaan, teknik

penggalian, dan penyangga.


II-16


Pada tabel 2.1 Terzaghi dan Heuer melakukan beberapa klasifikasi terhadap kondisi

tanah yang umumnya ditemukan.

Tabel 2.1 Tunnelman’s Ground Classification*

CLASSIFICATION BEHAVIOR TYPICAL SOIL TYPES Firm Heading can be advanced without

initial support , and final lining can be constructed before ground starts to move.

Loess above water table, hard day, marl, cemented sand and gravel when not highly overstressed.

Raveling Slow raveling Fast raveling

Chunks or flakes of material begin to drop out of the arch or walls sometime after the ground has been exposed, due to loosening or to overstress and "brittle" fracture (ground separates or breaks along distinct surfaces, opposed to squeezing ground). In fast raveling ground, the process starts within a few minutes, otherwise the ground is slow raveling.

Residual soils or sand with small amounts of binder may be fast raveling below the water table, slow raveling above. Stiff fissured clays may be slow or fast raveling depending upon degree of overstress.

Squeezing Ground squeezes or extrudes plasti- cally into tunnel, without visible fracturing or loss of continuity, and without perceptible increase in water content. Ductile, plastic yield and flow due to overstress.

Ground with low frictional strength. Rate of squeeze depends on degree of overstress. Occurs at shallow to medium depth in clay of very soft to medium consistency. Stiff to hard clay under high cover may move in combination of raveling at execution surface and squeezing at depth behind face.

Running Cohesive running Running

Granular materials without cohesion arc unstable at a slope greater than their angle of repose (= 30`-35° ). When exposed at steeper slopes they run like granulated sugar or dune sand until the slope flattens to the angle of repose.

Clean, dry granular materials, Apparent cohesion in moist sand, or weak cementation in any granular soil, may allow the material to stand for a brief period of raveling before it breaks down and runs. Such behavior is cohesive running.

Flowing A mixture of soil and water flows _ into the tunnel like a viscous fluid. The material can enter the tunnel , from the invert as well as from the face, crown, and wall, and can flow for great distances, completely fill- ing the tunnel in some cases.

Below the water table in silt, sand, or gavel without enough clay content to give significant cohesion and plasticity. May also occur in highly sensitive clay when such material is distrubed.

Swelling Ground absorbs water, increases in volume, and expands slowly into the tunnel. y_

Highly preconsolidated clay with plasticity index in excess of about 30, generally containing significant percentages of mont morillonite.

*

Modified from Terzaghi1 by Heuer2

2.3.5.1. Analisa Stabilitas Terowongan

Penelitian yang dilakukan oleh Broms dan Bennermark mengatakan bahwa kegagalan

pada permukaan tanah lempung vertikal akan terjadi mengikuti persamaan :

ZBC

Pz

611

2

+≥

π (2-3)


II-17


dengan

Pz = tekanan overburden total pada kedalaman z

C = undrained shear strength tanah lempung

B = lebar lubang bukaan

Untuk nilai Z/B ≥ 2, nilai kritis dari Pz/C sekitar 6. Namun, jika nilai Z/B ≤ 2, maka

nilai kritis harus dihitung dengan persamaan

ZB

BZ

CPz

611

12

+

−+= (2- 4)

Bersama dengan rekomendasi dari Deere et al (1969) dan Peck, maka kriteria

stabilitas dari muka terowongan dapat didasarkan atas beberapa kriteria, yakni :

a. Jika 32 −<CPz , pergerakan dari muka terowongan masih relatif kecil dan bersifat

elastik.

b. Jika 63 <<CPz , pergerakan dari muka terowongan mulai bersifat pastik, dan

meningkat secara bertahap seiring dengan meningkatnya rasio CPz .

c. Jika 6>CPz , kondisi kritis dari stabilitas muka terowongan akan tercapai dan muka

terowongan memiliki potensi keruntuhan yang tinggi.

Material-material tanah yang bersifat getas (brittle) atau mudah retak (fissured)

seringkali tidak stabil dalam kondisi rasio Pz/C yang rendah. Peck mengklasifikasikan

material-material tersebut berdasarkan nilai stability factor-nya.

Tabel 2.2 menampilkan hubungan faktor stabilitas dengan sifat-sifat dari tanah

kohesif.


II-18


Tabel 2.2 Kriteria Stabilitas Lempung Plastik Pada Kedalaman Lebih Besar Dari 2 Kali Diameter

Nr =(Ps – Pa)/Su

Nr = stability factor PZ = total vertical pressure, depth z Pa = air pressure above atmosphere Su = undrained shear strength of clay

VALUE EFFECT ON TUNNELING* O F Nr General shear failures and ground movement around tunnel heading cause shield control to become difficult; shield tends to dive. 7 Shear failure ahead of tunnel causes ground movements into the face even in shield tunneling. 6

Clay may squeeze rapidly into shield void. Squeeze loads on tunnel supports must be con sidered.

5

Tunneling without 4 unusual difficulties

Rate of squeeze does not present a problem. 1 *The analysis may be applied to silts only if their properties are adequately defined by their undrained shear strengths.

Untuk tanah lempung yang terkonsolidasi lebih, terdapat perbedaaan dalam analisa

stabilitas yang disertai dengan fenomena tanah mengembang (Swelling). Pembangunan

terowongan pada material ini menghasilkan kondisi dimana terjadi pelepasan tegangan pada

tepi penggalian. Pada tanah lempung jenuh, perbedaaan resultan tegangan akan menyebabkan

air pori mengalir ke zona relaksasi. Berdasarkan derajat terkonsolidasi lebihnya tanah, proses

mengembang ini akan terus terjadi hingga lubang bukaan benar-benar tertutup. Metode yang

paling efisien dalam mengatasi kondisi material tersebut adalah dengan melakukan

pemasangan lining tepat setelah dilakukannya proses penggalian pada lubang bukaan.

Tanah lempung sensitif merupakan jenis tanah yang juga sering dijumpai dalam

proses konstruksi terowongan. Jenis material ini memiliki kekuatan tekan bebas dari material

terganggu sekitar 411 kali daripada kekuatan tekan bebas material tidak terganggu.

Lempung jenis ini memiliki kadar air yang sangat tinggi dan kehilangan kekuatan akibat

ganguan dihubungkan dengan perubahan permeabilitas. Proses konstruksi terowongan pada

tanah lempung sensitif selalu menyebabkan proses pembentukan kembali material tanah


II-19



II-20

terganggu dan berkurangnya kekuatan material dekat dengan batas penggalian yang

menyebabkan bergeraknya material tanah mengisi ruang kosong dibelakang shield.

2.3.5.2. Kondisi-kondisi Lainnya yang Mempengaruhi Stabilitas

Pada umumnya sering kita temui tanah-tanah yang telah terganggu akibat konstruksi

sebelumnya atau tanah lempung yang mengandung material batuan. Kesulitan yang sering

dialami dalam proses konstruksi terowongan pada material tanah yang mengandung batuan

biasanya muncul pada saat proses pemindahan massa batuan tersebut. Tanah disekeliling

batuan harus dibiarkan tanpa penyangga untuk menyediakan ruangan bekerja agar diperoleh

waktu kestabilan yang lebih lama (Stand up Time). Di daerah perkotaan, sering kali ditemui

fondasi-fondasi gedung yang sudah tidak berfungsi lagi. Tetapi sebagian besar fondasi

tersebut terbuat dari kayu, sehingga dengan teknologi yang tepat maka masalah tersebut dapat

diatasi.

2.3.5.3. Pengendalian Air Tanah

Pengendalian air tanah merupakan salah satu hal yang paling penting dalam proses

konstruksi terowongan. Metode-metode yang digunakan untuk mengendalikan air tanah

antara lain dewatering, grouting, compressed air, freezing, dan electro-osmosis.

a. Dewatering

Proses dewatering dalam konstruksi terowongan pada mulanya merupakan

metode yang paling ekonomis dalam mengendalikan muka air tanah. Teknik tersebut

pada dasarnya melibatkan alat penurunan air tanah dengan membuat beberapa seri

lubang bor yang lewat di samping terowongan dan kemudian memompa air keluar

dengan menggunakan pompa yang diletakkan didalam tanah ataupun dipermukaan

tanah. Hasil dari proses tersebut adalah untuk mengurangi atau menghilangkan

tekanan air di sekitar terowongan. Hal ini dikenal dengan pressure reducing process

atau drawdown process (Jones M.B., 1985). Sayangnya, ada kemungkinan efek

samping konsolidasi tanah dan kenaikan berat efektif akibat pengurangan air.

Penurunan akibat konsolidasi ini dapat merusak struktur bangunan disekitar area yang

diturunkan muka air tanahnya. Ilustrasi proses dewatering dan alat well point untuk

memompa air dapat dilihat pada Gambar 2.13 dan Gambar 2.14.


Gambar 2.13. Ilustrasi dari proses Dewatering, A : Tekanan air Total

B : Tekanan air yang telah dikurangi

Gambar 2.14. Tipikal Instalasi

Deep well

b. Grouting

Grouting dapat didefinisikan sebagai proses injeksi cairan bertekanan pada

lubang bukaan di tanah, rekahan pada batuan, atau pada galian buatan yang ditemukan

di rekahan belakang lining terowongan dan lain-lain, dimana cairan tersebut seiring

dengan berjalannya waktu akan mengeras dan menutup lubang ataupun rekahan yang

terjadi (Ischy dan Glossop, 1962). Studi Analisis Pengaruh Pembangunan Terowongan MRT Terhadap Lingkungan Sekitar Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga

II-21


Tujuan dasar dari grouting adalah untuk menutup rongga dan jalur aliran pada

tanah/batuan sehingga air tanah tidak dapat mengalir melalui jalur tersebut dan masuk

ke galian (pengurangan permeabilitas) dan/atau untuk menambah kekuatan material

tanah sehingga proses konstruksi terowongan pada tanah apung tidak mengalami

kesulitan, dan juga untuk meningkatkan faktor keselamatan. Disamping itu, metode

grouting ini digunakan dalam konstruksi terowongan dalam hubungannya untuk

mengurangi penurunan permukaan dan sebagai tambahan teknik perkuatan untuk

struktur diatasnya pada area perkotaan. Gambar 2.15 memberikan penjelasan

mengenai prinsip grouting.

Gambar 2.15. Aplikasi Grouting Pada Saluran Air

c. Compressed Air

Compressed Air merupakan metode yang paling sering digunakan dalam

stabilitas tanah untuk terowongan yang dibangun pada lapisan permeabel dibawah

muka air tanah, dimana proses dewatering tidak praktis dilakukan khususnya untuk

terowongan dibawah muka air. Metode ini juga dapat bertindak sebagai penyangga

pada terowongan di tanah lunak, dan meningkatkan faktor stabilitas melebihi batas

kritis di tanah lempung yang mengalami pemampatan (squeezing clays). Tujuan

metode ini adalah untuk menyeimbangkan tekanan hidrostatis diluar terowongan.

Gambar 2.16 memperlihatkan penggalian lapisan tanah dengan compressed air.


II-22


Gambar 2.16. Pemakaian Compressed Air dalam Penggalian Terowongan

d. Ground Freezing

Proses membekukan lapisan tanah yang mengandung air merupakan sebuah

metode yang sangat rumit dan memerlukan keahlian serta biaya operasi yang sangat

mahal tetapi sangat efektif dalam pengendalian sementara air tanah ataupun

peningkatan stabilitas. Agar proses ini berhasil maka didalam tanah harus dipastikan

memiliki air, sebab proses ini tidak akan meningkatkan karakteristik dari tanah tanpa

air (kering). Gambar 2.17 memperlihatkan proses freezing yang dilakukan di tanah.

Proses freezing ini dapat dilakukan dengan menggunakan refrigerated brine dan

nitrogen cair.

e. Electro-osmosis

Electro-osmosis merupakan teknik pengeringan yang digunakan khususnya

untuk stabilitas lempung lunak dan lanau dimana pengeringan dengan metode

konvensional tidak dapat dilakukan. Metode ini didasarkan pada prinsip elektrolisis,

dengan dua elektroda yang dimasukkan kedalam tanah dengan dialiri oleh arus listrik.

Berdasarkan proses kimia dari elektrolisis, molekul-molekul air akan ditarik oleh

katoda (elektroda negatif) dan kemudian akan dipompakan ke atas melalui elektroda

tersebut. Prinsip umum dari electro-osmosis diperlihatkan pada Gambar 2.18.


II-23


Gambar 2.17. Proses Ground Freezing pada Terowongan Essen

Gambar 2.18. Ilustrasi prinsip Eektro-osmosis pada Proses Dewatering


II-24


2.4. METODE ELEMEN HINGGA

Apabila terdapat suatu sistem yang dikenai gaya luar, maka gaya luar tersebut diserap

oleh sistem tersebut dan akan menimbulkan gaya dalam dan perpindahan. Untuk mengetahui

besarnya gaya dalam dan perpindahan akibat gaya luar tersebut, perlu dibentuk suatu

persamaan yang mewakili sistem tersebut.

Salah satu metoda yang mewakili adalah metode elemen hingga. Keseluruhan sistem

dibagi kedalam elemen-elemen dengan jumlah tertentu. Selanjutnya dibentuk persamaan

[ ]{ } { }RDK =

Dimana : [ ]=K matriks kekakuan global

{ }=D matriks perpindahan global

{ }=R matriks gaya global

Proses pembentukan persamaan diatas harus memenuhi kondisi berikut :

1. Kesetimbangan, yaitu kesetimbangan gaya-gaya yang bekerja pada setiap elemen dan

keseluruhan material.

2. Kompatibilitas, berkaitan dengan geometri dari material yaitu hubungan perpindahan

dengan dan regangan.

3. Persamaan konstitutif dari material, mengenai hubungan tegangan-regangan yang

merupakan kareakteristik dari material.

Kondisi batas dan kondisi awal gaya-gaya dan perpindahan secara khusus harus

memenuhi kondisi kesetimbangan dan kondisi kompatibilitas. Hubungan ketiga kondisi

diatas tergambar dalam bagan berikut :


II-25


Gaya dan Tegangan

Permukaan Fi, Ti

Perpindahan Ui

Tegangan σij

Regangan Εij

Kompatibilitas Kesetimbangan

Persamaan Konstitutif

Gambar 2. 19. Hubungan antara variabel-variabel dalam penyusunan persamaan elemen hingga

(Chen and Baladi, 1985)

2.4.1. Persamaan Konstitutif

Diantara ketiga kondisi yang harus dipenuhi dalam pembentukan persamaan elemen

hingga, persamaan konstitutif adalah yang paling rumit. Persamaan konstitutif tidak sama

untuk semua material. Persamaan konstitutif harus didekati oleh fungsi yang sederhana

maupun yang cukup kompleks.

Persamaan konstitutif menggambarkan komponen-komponen tegangan σ dan

komponen regangan ε pada setiap titik pada keseluruhan sistem. Hubungan ini bisa sederhana

atau cukup rumit tergantung dari material yang dianalisa.

Persamaan konstitutif untuk setiap material ditentukan dengan percobaan dan

mungkin merupakan suatu fungsi dari besaran fisik yang terukur selain tegangan dan

regangan seperti suhu dan waktu, atau parameter internal yang tidak dapat diukur langsung.

Efek parameter internal pada hubungan tegangan-regangan dari suatu material diantaranya

adalah sejarah tegangan dan reregangan, atau sejarah kejadian mekanis yang terjadi mengenai

material tersebut.

2.4.1.1. Material Elastik Linier

Hubungan tegangan-regangan dalam suatu bahan yang bersifat linier dikenal dengan

hukum Hooke. Menurut Hooke, satuan perpanjangan elemen dalam batas proporsionalnya

diberikan oleh :


II-26


x

xx E

σε = (2-5)

diman E adalah modulus elastisitas bahan.

Perpanjangan elemen dalam arah x ini didikuti dengan komponen melintang

x

xy E

συε −= (2-6)

x

xx E

συε −= (2-7)

dimana υ adalah konstanta Poisson Ratio.

Untuk bahan yang isotropik modulus elastisitas bahan dalam segala arah sama besar.

Dengan demikian diperoleh keseluruhan tegangan normal sebagai berikut :

( )[ ]zyxx Eσσυσε +−=

1 (2-8)

( )[ ]zxyy Eσσυσε +−=

1 (2-9)

( )[ ]yxzz Eσσυσε +−=

1 (2-10)

Untuk kondisi regangan geser akibat tegangan geser adalah :

G

xyxy

τγ = (2-11)

G

xzxz

τγ = (2-12)

G

yzxyz

τγ = (2-13)

dimana : )1(2 υ+

=EG (2-14)

Dalam bentuk matriks tegangan-regangan ε = C σ diatas menjadi :


II-27

⎪⎪⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

+

+

+

−−

−−

−−

=

)1(200000

0)1(20000

00)1(2000

0001

0001

0001

1

υ

υ

υ

υυ

υυ

υυ

EC (2-15)


Dengan menginvers persamaan diatas akan diperoleh hubungan σ = K ε :

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

−

−

−

−

−−

−

−+== −

22100000

02210000

00221000

0001

0001

0001

)21)(1(1

υ

υ

υ

υυυ

υυυ

υυυ

υυECK (2-16)

2.4.1.2. Kondisi Plane Strain

Dalam banyak analisa bangunan geoteknik seperti terowongan, galian dan

sebagainya, analisa dilakukan dengan menyederhanakan bangunan tersebut. Analisa

dilakukan dengan mengambil suatu penampang seragam dan menganalisanya secara 2D.

Regangan tegak lurus penampang dianggap nol. Kondisi ini dinamakan Plane Strain dan

secara matematis dituliskan dengan εz = γyz = γzy = 0.

Hubungan tegangan-regangan { } [ ]{ }εσ C= untuk kondisi plane strain dan isotropik

menjadi :

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

−

−+=

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

xy

y

x

xy

y

x E

γεε

υυυ

υυ

υυτσσ

22100

0101

)21)(1( (2-17)

σz diperoleh dari persamaan E

xyzz

υσυσσε

++== 0 setelah nilai σx dan σy.


II-28


2.4.1.3. Kondisi Plane Stress

Kondisi plane stress adalah kondisi dimana tegangan pada salah satu sumbu bernilai

nol, misalnya sumbu z. Secara matematis dituliskan σz = τyz = τxy = 0. Kondisi ini misalnya

terjadi pada suatu pelat atau cangkang tipis.

Hubungan tegangan-regangan { } [ ]{ }εσ C= untuk kondisi plane stress dan isotropik

menjadi :

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−=

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

xy

y

x

xy

y

x E

γεε

υυ

υ

υτσσ

2100

0101

1 2 (2-18)

2.4.1.4. Kondisi Axially Symetric Solids (Axisymmetric)

Kondisi axisymmetric diperoleh dengan memutar bidang 2D pada suatu sumbu salam

satu putaran. Koordinat yang digunakan adalah r, ф, dan z. Kondisi ini misalnya terjadi pada

analisa test triaxial atau pada bangunan lain yang berbentuk silinder.

Gambar 2.20. Elemen Axisymmetric (Cook, 1989)

Hubungan tegangan-regangan { } [ ]{ }εσ C= untuk kondisi axisymmetric dan isotropik adalah :

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

−−

−+=

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

xy

z

r

xy

z

r

E

γεεε

υυυυ

υυυυυυ

υυτσσσ

θθ

221000

010101

)21)(1( (2-19)


II-29



II-30

2.4.2. Program Elemen Hingga (Plaxis)

Perkembangan dari program PLAXIS, dimulai pada tahun 1987 di Technical

University of Delft. Tujuan awalnya adalah untuk mengembangkan penggunaan kode metode

elemen hingga 2D untuk analisa timbunan sungai pada tanah lunak di Belanda, namun

kemudian program ini berkembang sehingga mencakup sebagian besar masalah-masalah

rekayasa geoteknik. Untuk perkembangan lebih lanjut, program 2D tersebut kemudian

dekembangkan lagi menjadi program PLAXIS 3D.

2.4.2.1 Plaxis 2D

PLAXIS merupakan sebuah paket elemen hingga yang bertujuan untuk menganalisis

deformasi dan stabilitas dalam proyek rekayasa geoteknik. Dibawah ini diberikan penjelasan

singkat tentang karakteristik progam PLAXIS 2D secara umum.

a. Model Geometri

Pada bagian ini, user dapat memasukkan informasi tentang geometri struktur,

lapisan tanah, tahap konstruksi, beban dan kondisi batas yang dapat digambarkan

pada area gambar yang telah tersedia. Pada tahap ini juga dapat dilakukan pemodelan

interaksi antara struktur-tanah yang dimodelkan dengan interface.

b. Kondisi Batas

Pada tahap ini, user dapat memasukkan kondisi batas yang diaplikasikan pada

tanah penentuan beban yang bekerja, serta menentukan reaksi perletakan, rol, sendi,

jepit, ataupun tidak terkekang) pada lokasi tertentu yang dijadikan kondisi batas.

c. Karakteristik material Tanah

Pada tahap ini, user dapat memasukkan parameter-parameter tanah seperti φ,

γ, υ, E, dan lain-lain sesuai dengan model material tanah yang kita inginkan. Setiap

model material, mencerminkan perilaku tanah yang ditinjau. Oleh karena itu, semakin

kompleks model tanahnya, maka perilaku tanah yang dimodelkan akan semakin

akurat.Untuk komponen-komponen lainnya seperti balok, PLAXIS juga menyediakan

beberapa model. Parameter yang diperlukan untuk model ini antara lain EI dan EA.

d. Mesh Generation

PLAXIS secara otomatis dapat melakukan prosedur pembangunan mesh

secara otomatis. Dimana geometri dibagi-bagi menjadi elemen-elemen dasar serta

elemen struktur yang bersesuaian. Elemen yang digunakan adalah elemen segitiga

yang memiliki 6 titik (node) dan 15 node. Dari titik tersebut dapat diperoleh informasi


mengenai deformasi dan tegangan yang terjadi. Sehingga semakin banyak titiknya,

semakin akurat pula perhitungan yang dilakukan.

Gambar 2.21. Elemen sgitiga 6 titik (node) dan 15 titik

e. Kondisi awal

Pada umumnya, kondisi awal mencakup kondisi air tanah awal, konfigurasi

geometri awal, dan kondisi tegangan efektif awal.

f. Perhitungan dan Output

PLAXIS memberikan beberapa point perhitungan sesuai dengan kebutuhan

user baik perhitungan deformasi tanah, maupun tegangan tanah. Pada tahap ini, user

juga dapat mengatur tahapan konstruksi dari struktur yang dianalisis. User juga dapat

memperoleh hasil output perhitungan PLAXIS yang akan ditampilkan oleh PLAXIS

antara lain tegangan, tekanan air, deformasi, dan lain-lain.

2.4.1.2. Plaxis 3D (Tunnel)

PLAXIS 3D Tunnel merupakan paket elemen hingga dalam bidang geoteknik, yang

khusus bertujuan untuk analisis deformasi dan stabilitas terowongan secara 3D. Untuk

PLAXIS 3D, akan dibahas mengenai tahap penggalian dan metode konstruksi dari NATM.

Metode ini melakukan penggalian terowongan dengan memisahkan anatara penggalian

crown, bench, dan invert. Dibawah ini diberikan penjelasan singkat tentang karakteristik

progam PLAXIS 3D.


II-31


Gambar 2.22. Geometri NATM Tunnel, Penampang Melintang (Kiri) Dan Tampak Samping

(Kanan)

a. Geometri

Pada bagian ini, user dapat memasukkan informasi tentang geometri dari

terowongan yakni NATM Tunnel, geometri lapisan tanah, yang digambarkan pada

area gambar yang telah tersedia. Pada tahap ini juga dapat dilakukan pemodelan

interaksi antara struktur-tanah yang dimodelkan dengan interface.

b. Kondisi batas

Pada tahap ini, user dapat memasukkan kondisi batas yang diaplikasikan pada

tanah penentuan beban yang bekerja, serta menentukan reaksi perletakan, rol, sendi,

jepit, ataupun tidak terkekang) pada lokasi tertentu yang dijadikan kondisi batas.

c. Karakteristik material Tanah

Pada tahap ini, user dapat memasukkan parameter-parameter tanah seperti φ,

γ, υ, E, dan lain-lain sesuai dengan model material tanah yang kita inginkan. Setiap

model material, mencerminkan perilaku tanah yang ditinjau. Oleh karena itu, semakin

kompleks model tanahnya, maka perilaku tanah yang dimodelkan akan semakin

akurat.Untuk komponen-komponen lainnya seperti balok, PLAXIS juga menyediakan

beberapa model. Parameter yang diperlukan untuk model ini antara lain EI dan EA.

d. Mesh Generation

Untuk PLAXIS 3D, pertama-tama kita harus membangun mesh 2D terlebih

dahulu, kemudian mesh 3D dapat dibangun. Elemen yang digunakan adalah elemen

segitiga yang memiliki 15 node.


II-32


Gambar 2.23 Pembuatan mesh 3D

Gambar 2.24. Elemen 3D

e. Perhitungan dan Output

Untuk proses perhitungan, PLAXIS akan melakukan analisis berdasarkan

tahap-tahap konstruksi. User dapat mengatur dan mensimulasikan tahap konstruksi

yang dilakukan sesuai dengan metode NATM seperti perubahan distribusi tegangan

hidrostatik, aplikasi beban, beban arah sumbu z, perpindahan, regangan volume,

perubahan parameter tanah (misalnya peningkatan kekuatan tanah), atau untuk akurasi

perhitungan sebelumnya. Untuk output-nya, PLAXIS 3D akan menampilkan kondisi

tegangan yang terjadi sewaktu proses penggalian dilaksanakan.

2.4.2. Model Material

PLAXIS mendukung berbagai model konstitutif untuk memodelkan perilaku dari

material tanah maupun material kontinum lainnya. Model-model ini dan parameter-

parameternya akan dibahas secara mendetil dalam Modul Model Material. Berikut adalah

pembahasan singkat tentang model-model yang tersedia :

a. Model Linier Elastis :

Model ini menyatakan hukum Hooke tentang elastisitas linier isotropis. Model

ini meliputi dua buah parameter kekakuan, yaitu modulus Young, E, dan angka


II-33



II-34

Poisson, ν.Model linier elastis sangat terbatas untuk pemodelan perilaku tanah. Model

ini terutama digunakan pada struktur-struktur yang kaku dalam tanah.

b. Model Mohr Coulomb :

Model yang sangat dikenal ini digunakan untuk pendekatan awal terhadap

perilaku tanah secara umum. Model ini meliputi lima buah parameter, yaitu

modulus Young, E, dan angka Poisson, ν, kohesi, c, sudut geser, φ, dan sudut

dilatansi, ψ.

c. Model Jointed Rock :

Model ini merupakan model elastis-plastis dimana penggeseran plastis hanya

dapat terjadi pada beberapa arah penggeseran tertentu saja. Model ini dapat digunakan

untuk memodelkan perilaku dari batuan yang terstratifikasi atau batuan yang

memiliki kekar (joint).

d. Model Hardening Soil :

Model ini merupakan model hiperbolik yang bersifat elastoplastis, yang

diformulasikan dalam lingkup plastisitas dari pengerasan akibat friksi (friction

hardening plasticity). Model ini telah mengikutsertakan kompresi hardening untuk

memodelkan pemampatan tanah yang tidak dapat kembali seperti semula

(irreversible) saat menerima pembebanan yang bersifat kompresif. Model

berderajat dua ini dapat digunakan untuk memodelkan perilaku tanah pasiran,

kerikil serta jenis tanah yang lebih lunak seperti lempung dan lanau.

e. Model Soft Soil :

Model ini merupakan model Cam-Clay yang digunakan untuk

memodelkan perilaku tanah lunak seperti lempung terkonsolidasi normal dan

gambut Model ini paling baik digunakan untuk situasi kompresi primer.

f. Model Soft Soil Creep :

Model ini merupakan model berderajat dua yang diformulasikan dalam

lingkup viskoplastisitas. Model ini dapat digunakan untuk memodelkan perilaku

tanah lunak yang bergantung pada waktu (time-dependent) seperti lempung

terkonsolidasi normal dan gambut. Model ini telah mengikutsertakan kompresi

logaritmik.

g. Model Tanah dari Pengguna :

Dengan pilihan ini maka pengguna dapat menggunakan model-model

konstitutif lain diluar model-model standar dalam PLAXIS. Penjelasan detil dari

fasilitas ini diberikan dalam Modul Model Material.



II-35

2.4.2.1. Model Mohr-Coulomb (Plastisitas Sempurna)

Plastisitas dihubungkan dengan terbentuknya regangan yang tidak dapat kembali

seperti semula. Untuk mengevaluasi apakah telah terjadi plastisitas terjadi dalam perhitungan,

sebuah fungsi leleh (yield function), f, dinyatakan sebagai fungsi dari tegangan dan regangan.

Sebuah fungsi leleh umumnya dapat dinyatakan sebagai suatu bidang dalam ruang tegangan

utama. Sebuah model plastis-sempurna merupakan suatu model konstitutif dengan bidang

leleh tertentu, yaitu bidang leleh yang sepenuhnya didefinisikan oleh parameter model dan

tidak dipengaruhi oleh peregangan (plastis). Untuk kondisi tegangan yang dinyatakan oleh

titik-titik yang berada di bawah bidang leleh, perilaku dari titik-titik tersebut akan

sepenuhnya elastis dan seluruh regangan dapat kembali seperti semula.

2.4.2.1.2. Parameter Dasar Model Mohr-Coulomb

Model Mohr-Coulomb membutuhkan total lima buah parameter, yang umum

digunakan oleh para praktisi geoteknik dan dapat diperoleh dari uji-uji yang umum dilakukan

di laboratorium. Parameter-parameter tersebut bersama satuan dasarnya adalah sebagai

berikut :

E : Modulus Young [kN/m2]

ν : Angka Poisson [-]

φ : Sudut geser [°]

c : Kohesi [kN/m2]

ψ : Sudut dilatansi [°]


Gambar 2.25. Lembar-tab Parameter untuk model Mohr-Coulomb

Modulus Young (E)

PLAXIS menggunakan modulus Young sebagai modulus kekakuan dasar dalam

model elastis dan model Mohr-Coulomb, tetapi beberapa modulus alternatif juga ditampilkan.

Modulus kekakuan mempunyai dimensi sama dengan dimensi tegangan. Nilai dari parameter

kekakuan yang digunakan dalam suatu perhitungan memerlukan perhatian khusus karena

kebanyakan material tanah menunjukkan perilaku yang non-linier dari awal pembebanan.

Dalam mekanika tanah, kemiringan awal dari kurva tegangan-regangan umumnya

dinotasikan sebagai E0 dan modulus sekan pada 50% kekuatan dinotasikan sebagai E50 (lihat

Gambar 2.19). Untuk material dengan rentang elastisitas linier yang lebar maka penggunaan

E0 adalah realistis, tetapi untuk masalah pembebanan pada tanah, umumnya digunakan E50.

Pada pengurangan beban, seperti pada kasus terowongan dan galian, perlu digunakan Eur dan

bukan E50.


II-36



II-37

hal ini, pengguna yang belum berpengalaman disarankan untuk memasukkan nilai yang kecil

untuk kohesi (gunakan c > 0.2 kPa).

Gambar 2.26. Definisi E0 Dan E50 Untuk Hasil Uji Triaksial Terdrainase Standar

Untuk tanah, modulus pengurangan beban Eur dan modulus pembebanan E50

cenderung semakin meningkat terhadap peningkatan tegangan keliling yang bekerja. Karena

itu, lapisan tanah yang dalam cenderung mempunyai kekakuan yang lebih tinggi

dibandingkan dengan lapisan tanah yang dangkal.

Angka Poisson ( ν)

Uji triaksial terdrainase standar dapat menghasilkan perubahan volume yang

signifikan pada awal pemberian beban aksial, yang menghasilkan konsekuensi berupa nilai

angka Poisson awal ( ν0) yang rendah. Pada beberapa kasus, khususnya pada masalah

pengurangan beban, mungkin realistis untuk menggunakan nilai awal yang rendah, tetapi

secara umum saat menggunakan model Mohr-Coulomb, Penentuan angka Poisson cukup

sederhana jika model elastis atau model Mohr-Coulomb digunakan untuk pembebanan

grvitasi (dengan meningkatkan ΣMweight dari 0 ke 1 pada perhitungan plastis). Dalam

banyak kasus akan diperoleh nilai ν yang berkisar antara 0.3 dan 0.4. Umumnya, nilai

tersebut tidak hanya digunakan pada kompresi satu dimensi, tetapi juga juga dapat digunakan

untuk kondisi pembebanan lainnya. Namun untuk kasus pengurangan beban, lebih umum

untuk menggunakan nilai antara 0.15 dan 0.25.

Kohesi (c)

Kekuatan berupa kohesi mempunyai satuan tegangan. PLAXIS dapat menangani pasir

non-kohesif (c = 0), tetapi beberapa pilihan akan berjalan kurang baik. Untuk menghindari

| σ1- σ3|

E0 E50

1 1

regangan - ε1



II-38

asukkan dalam satuan derajat. Sudut geser yang tinggi,

padat, akan mengakibatkan peningkatan beban komputasi plastis.

t

eser. Karena itu, sudut geser yang tinggi sebaiknya dihindari saat melakukan perhitungan

Sudut dilatansi, ψ (psi), dinyatakan dalam derajat. Selain tanah lempung yang

berlebih, tanah lempung cenderung tidak menunjukkan dilatansi sama

2.5. EGAGALAN DALAM KONSTRUKSI TEROWONGAN

m proses penggalian

rowongan. Hal ini menyangkut aspek keselamatan jangka pendek yakni pada masa

Sudut geser ( φ)

Nilai sudut geser, φ (phi), dim

seperti pada pasir

Waktu komputasi akan meningkat kurang-lebih secara ekponensial terhadap sudu

tegangan

geser

g

awal untuk suatu proyek tertentu. Sudut geser akan menentukan kuat geser seperti

ditunjukkan pada Gambar 2.27 dengan menggunakan lingkaran tegangan Mohr.

Sudut dilatansi ( ψ)

terkonsolidasi sangat

sekali (yaitu ψ = 0). Dilatansi dari tanah pasir bergantung pada kepadatan serta sudut

gesernya. Untuk pasir kwarsa besarnya dilatansi kurang lebih adalah ψ ≈ φ – 30°. Walaupun

demikian, dalam kebanyakan kasus sudut dilatansi adalah nol untuk nilai φ kurang dari 30°.

Nilai negatif yang kecil untuk ψ hanya realistis untuk tanah pasir yang sangat lepas.

K

Ketidakpastian kondisi tanah memerlukan perhatian lebih dala

te

- σ3

- σ1

- σ2

φ

- σ3 -σ2 -σ1

tegangan

normal

c

Gambar 2.27. Lingkaran-Lingkaran Tegangan Saat Mengalami Leleh;

Satu Lingkaran Menyentuh Garis Keruntuhan Coulomb



II-39

ikasikan dua yaitu :

a. Keruntuhan yang terjadi selama masa konstruksi

b. n sudah

yang paling sering terjadi adalah pada saat konstruksi terowongan masih

berlangsung. Keberhasilan dalam proses penggalian lubang bukaan serta stabilitasnya sangat

erat hu

si telah sering terjadi. Terowongan

Wilson, Hawai, dengan lebar 10.4 m, dan tinggi 7.9 m dan panjang 823 m digali dikaki

pegunu

engalami

keruntuhan setelah proses konstruksi dari terowongan tersebut selesai. Hal ini terjadi karena

kondisi

ah berbeda

dengan batuan, terutama dengan adanya air tanah. Untuk itu sangat penting bagi kita untuk

menget

konstruksi maupun, jangka panjang. Faktor keamanan dalam terowongan memerlukan

standar yang sangat tinggi. Desain detail, perencanaan, konstruksi dan pelaksanaan, serta

pengoperasian terowongan memiliki peran yang sangat penting.

Secara umum keruntuhan pada terowongan dapat diklasif

Keruntuhan yang terjadi pada saat konstruksi terowongan telah selesai da

beroperasi.

Keruntuhan

bungannya dengan penggunaan penyangga sementara secara efektif sampai dengan

pemasangan lining secara permanen pada terowongan.

Beberapa kasus kegagalan pada tahap kontruk

ngan vulkanik yang mengandung lava dan debu. Setelah penggalian sepanjang 100 m,

terjadi kegagalan dimana terowongan tersebut runtuh dan dipenuhi lumpur pada jarak 24 m

dari muka terowongan. Keruntuhan kemudian terjadi 35 hari kemudian pada saat penggalian

kembali terowongan. Untuk mengatasi masalah ini, konstruksi terowongan dilakukan dengan

menggali bagian top heading dan saluran air terlebih dahulu. Setelah menyelesaikan top

heading, konstruksi selanhutnya dilaksanakan berdasarkan tahap-tahap konstruksi.

Terowongan Woohead di Inggris dengan lebar 9.3 m, dan tinggi 8.03 m m

tanah yang sulit dan kurangnya pengetahuan terhadap karakteristik tanah.

Dari kasus diatas dapat kita tarik kesimpulan bahwa perilaku tanah sangatl

ahui kondisi tanah dimana akan dibangun terowongan. Metoda konstruksi yang dipilih

juga harus sesuai dengan kondisi geologi serta karakteristik tanah.



II-40

.6 STUDI TERHADAP PENELITIAN SEBELUMNYA

terowongan dengan menguji

etepatan metoda-metoda konvensional dan dibandingkan dengan metode elemen hingga.

an

enyangga penggunakan program elemen hingga.

nelitian dengan memodelkan proses galian

bertahap serta pengaruh konstruksi MRT terhadap bangunan sekitar. Dalam paper tersebut,

model

nstruksi galian

dengan menggunakan metode elemen hingga. Analisis dilakukan dengan memodelkan

2

Ghalba (2002) melakukan studi analisis terhadap lining

k

Budiawan (2002) melakukan analisis tahapan konstruksi galian dalam deng

p

Sengara dan Widiadi (2000) melakukan pe

tanah didekati dengan model hiperbolik. Pemodelan juga dilakuan terhadap konstruksi

stasiun bawah tanah WMATA dan terowongan Thamrin Berdasarkan penelitian tersebut

didapat kesimpulan bahwa dengan metode elemen hingga non linier dapat menghasilkan

output yang cukup realistik mendekati dengan perhitungan dilapangan.

Widiadi (1997) melakukan studi analisis terhadap terhadap tahapan ko

perilaku tanah dengan model hiperbolik. Studi ini membandingkan kinerja antara program

EPSSIP dengan SIGMA/W.

bab ii studi literatur - · pdf filestudi analisis pengaruh pembangunan terowongan mrt...

Documents