Stabilitas muka terowongan adalah tantangan teknis penting, terutama saat penggalian dilakukan di bawah muka air tanah atau dalam kondisi geoteknik yang buruk. Penelitian dalam dokumen ini menyajikan pendekatan Limit Analysis terkini untuk mengevaluasi efek dari tiga aspek utama yang sering dihadapi dalam proyek-proyek terowongan modern: panjang free span, penguatan dengan forepole umbrella, dan drainase muka baik dalam kondisi steady-state maupun transient.
1. Pengaruh Free Span terhadap Stabilitas Muka Terowongan
Free span mengacu pada bagian dari muka terowongan yang tidak diberi penyangga setelah penggalian. Studi ini menunjukkan bahwa:
- Peningkatan panjang free span mengurangi kestabilan muka terowongan, namun tidak secara langsung memengaruhi geometri blok rotasi di depan muka.
- Panjang free span maksimal yang dapat stabil sendiri (LMAX) berkisar antara 1 hingga 3 meter, tergantung pada kohesi tanah (c) dan sudut gesek dalam (φ). Misalnya, untuk tanah dengan φ=30° dan c=25 kPa, muka terowongan hanya bisa stabil sendiri jika free span-nya kurang dari 1 m.
- Pada kondisi dengan φ ≥ 35°, mekanisme yang diajukan mampu memprediksi tekanan runtuh dengan akurasi tinggi, menunjukkan deviasi <3.5 kPa dibandingkan simulasi numerik dengan OptumG2.
2. Efektivitas Forepole Umbrella sebagai Sistem Penguatan
Forepole umbrella adalah metode penguatan yang umum digunakan dalam New Austrian Tunneling Method (NATM), terutama untuk tanah kohesif lunak. Penelitian ini menemukan bahwa:
- Dua mode kegagalan utama dari elemen forepole yang diperhitungkan adalah gaya geser dan momen lentur.
- Penerapan forepole umbrella berhasil menurunkan tekanan runtuh hingga 30–40%, tergantung jenis dan dimensi elemen struktural yang digunakan.
- Studi kasus menggunakan tiga konfigurasi:
- Light umbrella (diameter 25 mm, jarak 1 m): tekanan runtuh berkurang dari 27.4 kPa menjadi 20.5 kPa.
- Heavy umbrella (diameter 139.7 mm, ketebalan 14.2 mm, jarak 0.3 m): penurunan lebih signifikan.
- Ditemukan bahwa untuk penguatan ringan, mekanisme runtuh terdiri dari dua blok; sementara pada penguatan berat, cukup satu blok rotasi karena tanah di bawah payung mengalami kegagalan lokal.
3. Pengaruh Drainase Muka dalam Kondisi Jenuh Air
Advance drainage sangat penting dalam menjaga stabilitas terowongan di bawah muka air tanah. Penelitian ini membedakan efeknya dalam dua kondisi:
3.1 Kondisi Steady-State
- Drainase borehole (dua titik di bagian atas muka) dapat mengurangi tekanan runtuh hingga 25–30%.
- Penempatan borehole (“upper” vs “lower”) tidak terlalu signifikan kecuali pada variasi posisi muka air tanah:
- Upper drainage efektif saat Hw/D > 4.
- Lower drainage lebih baik untuk Hw/D < 3.
- Geometri keruntuhan juga berubah: tanpa drainase, mekanisme cenderung horizontal dan panjang ke depan; dengan drainase, lebih vertikal dan mendekati crown tunnel.
3.2 Kondisi Transient
- Dalam kondisi waktu nyata, pore pressure negatif berkembang sesaat setelah penggalian, memberikan efek stabilisasi sementara.
- Seiring waktu, tekanan negatif ini hilang akibat rembesan, dan muka terowongan bisa runtuh jika tidak didukung dengan cukup cepat.
- Drainase mempercepat pengembalian ke steady-state namun dapat menyebabkan penurunan permukaan yang lebih besar (settlement), terutama akibat kombinasi aliran air dan rendahnya tekanan dukungan.
4. Validasi dan Perbandingan Model
Seluruh pendekatan analitis dibandingkan dengan model numerik dari FLAC3D dan OptumG2:
- Perbedaan tekanan runtuh antara pendekatan analitis dan simulasi <5%, menjadikan metode ini efisien untuk estimasi awal desain tanpa komputasi berat.
- Model ini cocok untuk tanah berfriksi tinggi (φ ≥ 35°) namun perlu disesuaikan untuk kondisi lempung atau tanah jenuh dengan kohesi tinggi.
Refleksi & Relevansi Industri
Dalam praktik rekayasa bawah tanah, kesalahan dalam memperkirakan stabilitas muka dapat menyebabkan over-excavation, collapse, bahkan kerugian finansial besar. Pendekatan Limit Analysis yang diperluas seperti dalam studi ini memberikan kerangka kerja cepat namun andal untuk merancang:
- Durasi advance tunneling yang aman.
- Desain penguatan dengan data geoteknik minimum.
- Strategi drainase berbasis kondisi air tanah lokal.
Penelitian ini relevan bagi proyek-proyek subway, terowongan air bersih, dan infrastruktur bawah tanah lainnya, terutama di wilayah berair tinggi seperti kota pesisir dan daerah aluvial.
Sumber : PhD Thesis tentang Stabilitas Muka Terowongan: Analisis Free Span, Penguatan Forepole Umbrella, dan Drainase di Bawah Muka Air Tanah.