Tinjauan Kekuatan Sistem Penyangga Terowongan dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga

Transkripsi

1 Tinjauan Kekuatan Siste Penyangga Terowongan dengan Menggunakan Metode Eleen Hingga A Review of Tunnel Supporting Systes Using Finite Eleent Method Arwan Apriyono dan Suiyanto # Prodi Teknik Unsoed Abstract In the developing countries like Indonesia, especially in the big cities like Jakarta, tunnel constructions should be considered to solve traffic probles. Besides, geological and topographical condition in Indonesia that is rich of ine aterials aking tunnel construction will be developed in the future. But then, to the present tie, there are too any cases of failure of tunnel construction in several countries. This failure caused by supporting syste of tunnel doesn t capable to support the construction. Based on this phenoenon, it was necessary to research about review of supporting syste strength of tunnel construction. Stability analysis of ine tunnel that belongs to P.T. Aneka Tabang Tbk, located in Pongkor Mountain, Bogor, West Java, would be done in this research. This analysis was conducted with nuerical ethod using plaxis 3D tunnel software. Slice of tunnel along 15 eters of length will be analyzed in this research. This slice would be divided into three step of excavation. Mohr Coloub aterial odel were used in soil aterial. Whereas linear elastic odel were used in other aterials likes shotcrete, rock bolt and steel sets. Three variation conditions of tunnels would be considered in this research naely tunnel without supporting syste, tunnel with original supporting syste (sae as in the research location), and tunnel with Q syste supporting syste. In this research, exaination would be done for the change of displaceent of the tunnel construction in consequence of the three conditions above. The results of this research show that the installation of supporting syste reduced displaceent of the tunnel significantly. Average decreasing of displaceent value as a result of the original supporting syste is 12.5 c (46.30 %). Whereas, average decreasing of displaceent as a result of the Q syste supporting syste is 9.25 c (34.26%). Although not as strength as original supporting syste, the Q syste supporting syste deserves to be considered in supporting syste analysis. Keywords tunnel, stability analysis, supporting syste, nuerical siulation, finite eleent ethod, displaceent. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Pebuatan terowongan untuk konstruksi jalan raya bawah tanah, bangunan tabang ataupun saluran air, telah banyak dikebangkan di negara-negara aju. Terowongan jalan raya sangat efektif digunakan untuk engatasi asalah keacetan lalu lintas dan engurangi alineen vertikal (Pakbaz & Yareevand, 2005). Di negara-negara berkebang seperti Indonesia, khususnya di kota besar seperti Jakarta, pebuatan terowongan jalan raya sudah selayaknya dipertibangkan untuk engatasi asalah keacetan lalu lintas. Selain itu, kondisi topografi Indonesia yang eiliki banyak kontur pegunungan dan kondisi geologi yang kaya ineral tabang akan ebuat teknologi terowongan seakin berkebang di Indonesia (Munawar, 2007 dan Bronto, 2006). Salah satu hal yang harus diperhatikan dala konstrusi terowongan adalah siste penyangga. Siste penyangga erupakan kekuatan utaa terowongan dala enahan beban terowongan. Kasus keruntuhan terowongan akibat kegagalan siste penyangga telah banyak terjadi di beberapa negara. Diantaranya adalah kerusakan terowongan jalan raya yang terjadi di London, Inggris pada tahun Keruntuhan disebabkan karena siste penyangga terowongan tidak kuat untuk enahan beban yang diberikan kepadanya (Woolcock, 2005). Dengan elihat fenoena-fenoena bahwa teknologi terowongan akan seakin berkebang di Indonesia dan epertibangkan pentingnya analisis siste penyangga terowongan, penulis eandang perlu dilakukan penelitian tentang tinjauan kekuatan penyangga pada konstruksi terowongan. Apabila kekuatan penyangga suatu terowongan dapat dianalisis dengan baik, hal tersebut akan eberikan kontribusi terhadap perkebangan teknologi terowongan di Indonesia, sehingga kerusakan konstruksi terowongan dapat dihindari. Selain itu, peilihan siste penyangga dapat dilakukan seefisien ungkin, sehingga lebih ekonois. Penelitian ini bertujuan untuk epelajari etode eleen hingga enggunakan software plaxis untuk siulasi analisis stabilitas terowongan dengan enggunakan etode eleen hingga, dan enentukan desain etode perkuatan terowongan yang tepat untuk antisipasi keruntuhan terowongan. Dinaika Rekayasa Vol. 6 No. 1 Februari 2010 ISSN

2 Arwan Apriyono dan Suiyanto Tinjauan Siste Penyangga Terowongan Dengan Menggunakan Metode Eleen Hingga : B. Kriteria Keruntuhan Batuan Kriteria keruntuhan assa batuan ulai dikebangkan oleh Hoek & Brown pada tahun Revisi terakhir dipublikasikan pada tahun 2002 dengan eberikan beberapa odifikasi dari edisi-edisi sebelunya. Hubungan antar tegangan pada batuan, berdasarkan kriteria keruntuhan Hoek & Brown dinyatakan dala persaaan berikut ini (Hoek & Brown, 2002)....(1) dengan : : tegangan efektif ayor (kn/ 2 ), : tegangan efektif inor (kn/ 2 ), b, dan a : konstana reduksi assa batuan, yang dihitung dengan persaaan:...(2)..(3)...(4) dengan, D : derajat ketergangguan dari assa batuan, GSI : konstanta kondisi perukaan batuan. C. Siste Penyangga Terowongan Terdapat beberapa jenis siste penyangga dala pebuatan terowongan, seperti berikut ini. 1) Shotcrete Menurut Kolybas, 2005, shotcrete erupakan beton yang diseprotkan untuk enabah kekuatan suatu perukaan. Beton yang digunakan sebagai shotcrete, eiliki karakteristik yang hapir saa dengan beton biasa, hanya saja, odulus elastisitas beton yang digunakan sebagai shotcrete lebih rendah daripada beton biasa. Kekuatan shotcrete bertabah seiring dengan pertabahan uur shotcrete. Ketebalan shotcrete pada konstruksi terowongan, tergantung dari luas bukaan terowongan. 2) Rockbolt Menurut Singh, 2006, rockbolt adalah bahan batang yang terbuat dari baja, berpenapang bulat yang digunakan untuk enyangga assa batuan. Kekuatan rockbolt, biasanya diukur dengan elaksanakan uji tarik (pull test) di lapangan. Berdasarkan Handbook of Road Power, 2006, kekuatan perkuatan ini ditentukan oleh beberapa paraeter diantaranya diaeter, panjang, dan jarak antar rockbolt. 3) Steel Rib Steel rib erupakan salah satu jenis penyangga konstruksi terowongan yang terbuat dari baja. Tipe steel rib dapat dilihat dala Gabar 1 (Singh dan Rajnish, 2006). Hoek & Brown (2002) juga engeukakan persaaan, yang eberikan korelasi dengan kriteria keruntuhan Mohr-Coloub. Nilai kohesi tanah dan sudut gesek dala pada selubung keruntuhan Mohr-Coloub diperoleh dengan persaaan berikut ini....(5) Gabar 1 Tipe steel rib (Singh dan Rajnish, 2006)....(6) D. Metode Eleen Hingga dala Plaxis Pada etode eleen hingga, kontinu dibagi enjadi sejulah eleen, dan setiap eleen euat sejulah titik nodal. Setiap titik nodal epunyai 34

3 Dinaika Rekayasa Vol. 6 No. 1 Februari 2010 ISSN sejulah derajat kebebasan yang terkait dengan nilai diskret dari paraeter yang tidak diketahui. Pada software plaxis, digunakan eleen segitiga dengan 6 titik atau 15 titik nodal untuk eodelkan lapisan tanah dan klaster voluetrik lainnya, seperti dapat dilihat pada Gabar 2 di bawah ini. adalah rockbolt pada konstruksi terowongan yang diodelkan sebagai anchor. Gabar 2 Posisi titik nodal pada eleen segitiga (Brinkgreve, 2007). Eleen segitiga dengan 15 titik nodal enggunakan interpolasi dengan orde epat untuk perpindahan dan integrasi nuerik elibatkan 12 titik Gauss dan untuk eleen segitiga dengan 6 titik nodal, enggunakan interpolasi dengan orde dua dan integrasi nuerik elibatkan 3 buah titik Gauss. Pada eleen segitiga, selain digunakan dua buah koordinat (, digunakan juga koordinat penolong ( ) seperti terlihat pada Gabar 3 di bawah ini. Gabar 4 Bentuk idealisasi plane strain. (Brinkgreve, 2007). Pada sofware plaxis, asalah ini disederhanakan dengan enggunakan engekuivalensi nilai EA (axial stiffness). Nilai EA ekuivalen dihitung dengan persaaan sebagai berikut ini. dengan... (7) : axial stiffness ekuivalen, : axial stiffness anchor, : jarak antar anchor. METODE PENELITIAN A. Lokasi Penelitian Penelitian ini erupakan analisis stabilitas terowongan tabang, ilik PT Aneka Tabang Tbk, yang berlokasi di Gunung Pongkor, Bogor, Jawa Barat, seperti dala Gabar 5 di bawah ini. Gabar 3 Penepatan posisi titik nodal pada eleen segitiga (Brinkgreve, 2007). E. Idealisasi plane strain dala Plaxis Idealisasi plane strain erupakan perodelan struktur tiga diensi enjadi bentuk dua diensi. Idealisasi ini dapat dilakukan apabila struktur cukup panjang dengan penapang elintang seraga. Beban bekerja sepanjang struktur pada bidang x-y. Displaceent dan regangan pada arah subu z saa dengan nol. Secara lebih jelas, idealisasi plane strain seperti dala Gabar 4. Pada asalah praktis, terdapat beberapa kasus diana bagian suatu struktur tidak dapat diodelkan dengan idealisasi plane strain. Salah satu contohnya Gabar 5 Lokasi penelitian (Anta, 2007). 35

4 Arwan Apriyono dan Suiyanto Tinjauan Siste Penyangga Terowongan Dengan Menggunakan Metode Eleen Hingga : B. Bahan dan Alat Alat yang digunakan untuk analisis terdiri dari, a. perangkat keras (hard ware), berupa koputer dengan spesifikasi Prosessor Genuine Intel T1080 Core 1.73 Ghz, eory 515 MB, VGA 128 MB, b. perangkat lunak (software), berupa progra Plaxis 3D Tunnel dengan operating syste windows XP profesional. C. Tahapan Penelitian ini terbagi dala beberapa tahapan sebagai berikut ini. 1) Pengupulan data sekunder Data sekunder terowongan eliputi data lokasi, geoetri terowongan, uji batuan dan tanah diabil dari terowongan tabang ilik PT Aneka Tabang dengan lokasi di Gunung Pongkor Jawa Barat. Lokasi penelitian adalah terowongan tabang ilik PT Aneka tabang UPBE Pongkor Jawa Barat. Posisi lokasi terletak pada jarak 40 k sebelah barat Kota Bogor. Untuk analisis dipilih terowongan di Blok Ciurug Level 600, 2) Analisis data lapangan Analisis data lapangan digunakan untuk engetahui geoetri struktur dan paraeter odel, yang nantinya akan digunakan dala siulasi analisis. Geoetri odel ditentukan dari cross section dan long profil terowongan serta peta topografi lapangan. Sifat ekanik tanah pada area tabang dibagi ke dala tiga kategori yaitu aterial tanah asli, aterial tabang (hasil ledakan) dan aterial isian (sisa tabang). 3) Penentuan odel nueris Model nueris yang dipakai dala analisis ditentukan berdasarkan data lapangan dengan penyederhanaan tertentu disesuaikan dengan keterbatasan progra. Halhal yang terkait dengan peodelan nueris adalah sebagai berikut ini. a. Potongan terowongan yang dianalisis sepanjang 15 dibagi dala 3 tahap penggalian terowongan. b. Siste penyangga segera dipasang setelah penggalian terowongan sedala 5 eter. Gabar 6 Model terowongan dala Plaxis 3D. c. Material tanah dianggap hoogen, paraeter assa tanah adalah hasil analisis progra Rock Lab v.1.0 dengan input data dari uji intack rock di laboratoriu. d. Model aterial yang digunakan dala siulasi nueris adalah odel aterial Mohr-Coloub Model nueris terowongan pada software plaxis dapat dilihat pada Gabar 6. 4) Hitungan odel dengan software Plaxis Siulasi perhitungan dilakukan terhadap tiga variasi kondisi terowongan yaitu, kondisi terowongan tanpa siste penyangga, kondisi terowongan dengan penyangga sesuai di lokasi penelitian dan kondisi terowongan dengan penyangga sesuai Q syste. 5) Analisis Hasil dan Pebahasan Analisis dengan enggunakan software plaxis akan enghasilkan nilai displaceent di sekitar dinding terowongan. Perbedaan kekuatan asing-asing kondisi terowongan dapat diaati dari nilai-nilai displaceent yang dihasilkan. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Uu Terowongan tabang Ciurug L 600, yang terletak di Gunung Pongkor, Jawa Barat, epunyai bentuk topografi berupa pegunungan, dengan elevasi uka tanah Terowongan ini eiliki panjang ± 1,5 k dengan lebar bukaan 4. Cross section terowongan adalah seperti dala Gabar 7 di bawah ini. 36

5 Dinaika Rekayasa Vol. 6 No. 1 Februari 2010 ISSN Gabar 7 section terowongan (Anta, 2007). Uji sifat ekanis tanah pada area tabang dilakukan terhadap aterial-aterial tanah asli, aterial tabang (ore) dan aterial isian (sisa tabang). Berdasarkan uji di laboratoriu yang telah dilakukan oleh PT Aneka Tabang Tbk, diperoleh paraeter untuk asingasing jenis aterial beserta interfacenya, seperti dala Tabel 1 di bawah ini. B. Hasil Siulasi Nueris Untuk endapatkan hasil yang lebih jelas dari nilai displaceent terowongan, nilai displaceent diaati pada titik tertentu pada terowongan. Titik pengaatan displaceent berada pada bagian atas terowongan seperti ditunjukkan pada Gabar 8. Titik tersebut erupakan bagian terowongan yang terjadi displaceent terbesar. Titik pengaatan diletakkan pada bagian uka (Titik A), kedalaan 5 (Titik B), kedalaan 10 (Titik C) dan kedalaan 15 (Titik D). Berdasarkan hasil siulasi nueris diperoleh nilai displaceent untuk ketiga kondisi terowongan. Pengaatan displaceent dilakukan pada setiap titik pengaatan pada daerah atap terowongan. Nilai displaceent ketiga kondisi terowongan di titik-titik pengaatan, untuk asing-asing tahap penggalian terowongan, secara lebih jelas dapat dilihat pada Gabar 9, Gabar 10 dan Gabar 11. TABEL 1 SIFAT MEKANIS TANAH CIURUG L600 (ANTAM, 2007) Gabar 8 Titik pengaatan displaceent terowongan Berdasarkan hasil uji yang telah dilakukan oleh PT Aneka Tabang Tbk., assa batuan yang terdapat pada lokasi penelitian secara uu asuk dala kelas III, dengan nilai Rock Mass Rating (RMR) batuan berkisar Nilai RMR untuk Blok IIIC sebesar 42. Kekuatan assa batuan dihitung berdasarkan klasifikasi Hoek-Brown (2002), dengan enggunakan progra Rock Lab v 1.0. Material tanah yang dipakai dala peodelan nueris adalah tanah asli breksi tufa. Input data diabil dari hasil uji intack rock yang telah dilakukan di laboratoriu dan hasil pengaatan kondisi batuan di lapangan. Dari hasil hitungan progra Rock Lab v 1.0, dapat diperoleh paraeter assa batuan yang akan digunakan dala siulasi nueris. Rekapitulasi paraeter assa batuan seperti dala Tabel 2 di bawah ini. TABEL 2 PARAMETER MASSA BATUAN (ANTAM, 2007) Paraeter Nilai Satuan c Mpa o E MPa Displaceent () A B C D Titik Pengaatan Tanpa Penyangga Dengan Penyangga Sesuai Lokasi Dengan Penyangga Berdasar Q Siste Gabar 9 Displaceent pada titik-titik pengaatan untuk ketiga kondisi terowongan pada penggalian tahap 1 (5) ) ( 20.0 t n e 15.0 ce la 10.0 isp D A B C D Titik Pengaatan TanpaPenyangga DenganPenyanggaSesuai Lokasi DenganPenyanggaBerdasarQSiste Gabar 10 Displaceent pada titik-titik pengaatan untuk ketiga kondisi terowongan pada penggalian tahap 2 (10). 37

6 Arwan Apriyono dan Suiyanto Tinjauan Siste Penyangga Terowongan Dengan Menggunakan Metode Eleen Hingga : ) ( 20.0 t n e 15.0 ce la 10.0 isp D A B C D Titik Pengaatan TanpaPenyangga DenganPenyanggaSesuai Lokasi DenganPenyanggaBerdasarQSiste Gabar 11 Displaceent pada titik-titik pengaatan untuk ketiga kondisi terowongan pada penggalian tahap 3 (15). Dari gabar diatas, dapat dilihat bahwa peasangan siste penyangga engakibatkan penurunan nilai displaceent di sekitar dinding terowongan. Hal ini disebabkan karena siste penyangga eberikan kekuatan dan kekakuan di sekitar dinding terowongan. Displaceent terbesar terowongan terjadi pada tahap akhir pengggalian untuk seua kondisi terowongan. Apabila diaati nilai displaceent terbesar, aka perbedaan nilai displaceent, antara terowongan tanpa siste penyangga dengan terowongan enggunakan site penyangga adalah sebagai berikut. TABEL 3 PERBANDINGAN DISPLACEMENT TEROWONGAN TANPA SISTEM PENYANGGA DENGAN TEROWONGAN DENGAN PENYANGGA SESUAI LOKASI PENELITIAN Displaceent () Penurunan No Titik Non Dengan Penyangga Penyangga () (%) 1 A B C D Rerata TABEL 4 PERBANDINGAN DISPLACEMENT TEROWONGAN TANPA SISTEM PENYANGGA DENGAN TEROWONGAN DENGAN PENYANGGA BERDASAR Q SISTEM No Titik Non Penyangga Displaceent () Dengan Penyangga Penurunan () (%) 1 A B C D Rerata Dari Tabel 3 dan Tabel 4, dapat dilihat bahwa siste penyangga engurangi nilai displaceent pada terowongan secara signifikan. Siste penyangga sesuai lokasi penelitian engurangi nilai displaceent rerata sebesar 12,5 (46.30%), sedangkan siste penyangga berdasarkan Q siste engurangi nilai displaceent rerata sebesar 9.25 (34.26%). Siste penyangga sesuai lokasi penelitian lebih kuat apabila dibandingkan dengan siste penyangga berdasarkan Q siste. Walaupun deikian, analisis penyangga berdasarkan Q siste layak dipertibangkan dala perencanaan. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesipulan Dari hasil dan pebahasan, dapat ditarik beberapa kesipulan sebagai berikut ini. a. Software Plaxis 3D Tunnel dapat eodelkan perilaku deforasi terowongan dengan cukup baik, walaupun harus dilakukan beberapa penyederhanaan odel untuk enyesuaikan dengan keterbatasan progra. b. Peasangan siste penyangga engakibatkan penurunan nilai displaceent di sekitar dinding terowongan. Siste penyangga di lokasi penelitian, enyebabkan penurunan nilai displaceent rerata sebesar 12,5 (46.30 %), sedangkan siste penyangga berdasarkan Q siste enyebabkan penurunan nilai displaceent rerata sebesar 9.25 c (34,26 %). c. Walaupun tidak sekuat siste penyangga sesuai di lokasi penelitian, siste penyangga berdasarkan Q siste engurangi nilai displaceent terowongan secara signifikan, sehingga pantas untuk dipertibangkan dala perencanaan. B. Saran Saran yang dapat diberikan penulis untuk pengebangan penelitian ini adalah sebagai berikut ini. a. Diperlukan penelitian lebih lanjut dengan eperhitungkan faktor diskontinuitas batuan pada perodelan nueris. b. Dikebangkan untuk perencanaan terowongan transportasi dengan data yang lebih lengkap. DAFTAR PUSTAKA Anta, 2007, Data-data Pekerjaan Terowongan Ciurug Level 600, Tidak dipublikasikan, Bogor. Bronto S., 2006, Fasies Gunung Api dan Aplikasinya, Jurnal Geologi Indonesia, Vol. 1 No. 2 Juni 2006: Departent of Epyoeyent and Industrial Relation, 2007, Tunnelling Code of Practice 2007, Queensland, Australia. Fauzi, 2007, Daerah Rawan Gepa Bui Tektonis di Indonesia, Pusat Gepa Nasional Badan Meteorologi dan Geofisika, Jakarta. Hoek E., 2002, A Brief History of The Developent of The Hoek-Brown Failure Criterion, Hoek E., 2002, Hoek-Brown Failure Criterion 2002 Edition, http: // Hoek, 2006, Practical Rock Engineering, tidak diterbitkan, Canada. Kolybas, D, 2005, Tunneling and Tunnel Mechanic, Spinger, Berlin. Singh, B, 2006, Tunneling in weak rock, Elsevier Ltd, London, England. Suhendro B, 2000, Metode Eleen Hingga dan Aplikasinya, Laboratoriu Struktur Universitas Jenderal Soediran, Yokyakarta. Woolcock N, 2005, National Union of Rail, Maritie & Transport Workers (RMT) 38