STUDI ANALISIS PENGARUH PEMBANGUNAN TEROWONGAN MRT TERHADAP LINGKUNGAN SEKITAR DENGAN METODE ELEMEN HINGGA TUGAS AKHIR SEBAGAI SALAH SATU SYARAT UNTUK MENYELESAIKAN PENDIDIKAN SARJANA TEKNIK DI PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL
Oleh
ANDAR H TAMPUBOLON NIM : 15002049
PEMBIMBING
Ir. I WAYAN SENGARA, MSCE, Ph. D
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
TUGAS AKHIR
oleh
ANDAR H TAMPUBOLON 15002049
DISETUJUI Oleh
PEMBIMBING
Ir. I WAYAN SENGARA, MSCE, Ph. D
MENGETAHUI
KOORDINATOR TUGAS AKHIR KELOMPOK KEPAKARAN GEOTEKNIK
KETUA PROGRAM STUDI
Dr. Ir. ENDRA SUSILA, MT
Dr. Ir. HERLIEN D. SETIO
BANDUNG, 3 JULI 2007
ABSTRAK
STUDI ANALISIS PENGARUH PEMBANGUNAN TEROWONGAN MRT TERHADAP LINGKUNGAN SEKITAR DENGAN METODE ELEMEN HINGGA, Andar H Tampubolon (15002049), Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan, Institut Teknologi Bandung, 2007. Jakarta merupakan salah satu kota di Indonesia dengan kondisi kemacetan lalulintas yang sangat parah dan untuk mengatasi masalah tersebut maka di Jakarta direncanakan akan dibangun fasilitas MRT yang terdiri dari konstruksi jalan layang, underpass, dan beberapa sistem transportasi pendukung lainnya. Dalam tugas akhir ini konstruksi pembangunan terowongan dibahas secara lebih spesifik. Studi ini membahas pengaruh deformasi yang terjadi akibat pembangunan terowongan terhadap lingkungan sekitarnya. Terowongan dimodelkan digali pada kedalamam 15 m, 20 m, dan 25 m. Dalam proses konstruksi, penggalian dilakukan dengan menggunakan Tunnel Boring Machine (TBM). TBM merupakan mesin yang sering digunakan dalam penggalian terowongan yang dilengkapi dengan shield untuk menjaga kestabilan lubang bukaan terutama untuk kasus pengalian di tanah lunak, sehingga proses penggalian dapat dilakukan secara terus menerus. Metode ini disebut metode Shield Tunneling. Pemasangan lining (penyangga) dapat juga dilakukan secara simultan dengan kegiatan penggalian. Metode elemen hingga yang dipakai dalam analisis antara lain Plaxis 2D dan Plaxis 3D Tunnel. Proses perhitungan yang dilakukan dalam tugas akhir ini antara lain dengan membandingkan perhitungan settlement ataupun deformasi secara empiris dengan perhitungan menggunakan program elemen hingga 2D. Untuk pemodelan, terowongan dimodelkan dengan model plain strain dengan 15 node. Perhitungan menunjukkan bahwa terdapat perbedaan hasil antara kedua metode tersebut, yang memberikan deformasi yang lebih kecil pada perhitungan empiris. Perbedaaan yang dihasilkan sebesar ± 2 cm. Galian terowongan menggunakan penyangga beton setebal 20 cm dengan perkuatan baja. Analisis program memperlihatkan bahwa deformasi yang terjadi akibat penggalian terowongan, tidak begitu besar sehingga tidak memberikan pangaruh yang signifikan terhadap kondisi tanah permukaan dan lingkungan di sekitarnya. Deformasi pada lining/pemyangga terowongan juga tidak terlalu besar. Untuk mengetahui bagaimana pola keruntuhan dari sebuah lubang bukaan di bawah tanah secara lebih akurat, maka analisis 3D pun dilakukan. Dari analisis 3D diketahui bahwa terdapat beberapa hal yang tidak dapat dimodelkan dalam model 2D. Dengan analisis secara 3D, kita dapat melihat bahwa ada dua hal yang dapat menyebabkan terjadinya penururnan akibat galian terowongan. Kedua hal tersebut antara lain adalah volume loss dan perpindahan arah longitudinal. Sehingga deformasi yang dihasilkan oleh analisis 3D lebih representatif jika kita bandingkan dengan analisis 2D yang hanya dapat memodelkan volume loss. Dalam tugas akhir ini, volume loss yang terjadi diambil sebesar 2 %. Dalam melakukan analisis konstruksi terowongan, sebaiknya analisis dilakukan secara 3D. Karena hasil yang didapatkan dari analisis 3D lebih akurat dan representatif jika dibandingkan dengan analisis 2D. Kata kunci : Terowongan, TBM, Shield Tunneling, Plaxis, Ground Water Control, Lining, Tegangan, Deformasi, Volume loss
KATA PENGANTAR
Puji syukur kita panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini mengkaji tentang pengaruh pembangunan terowongan MRT dikawasan jalan Jendral Sudirman dan jalan M. H Thamrin Jakarta terhadap lingkungan sekitarnya dengan menggunakan metode elemen hingga Plaxis 2D dan plaxis 3D Tunnel. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana di program studi Teknik Sipil Institut Teknologi Bandung. Tugas Akhir ini bertujuan untuk mengenalkan dan menerapkan peranan metodologi, serta mengembangkan kemampuan memecahkan masalah ataupun mengembangkan keterampilan dalam suatu kemampuan tertentu. Tugas Akhir pada dasarnya merupakan latihan pemahaman menyeluruh mengenai bidang ilmu Teknik Sipil, yang merangkum bagian-bagian yang dipelajari secara terpisahpisah dalam kurikulum, dengan mendalami salah satu bidang kepakaran yang tersedia. Dalam menyelesaikan pembuatan Laporan Tugas Akhir ini, kami selaku penulis mendapatkan banyak bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan banyak terima kasih, terutama kepada: 1. 2. 3. 4. 5.
Bapak Ir. I Wayan Sengara, M.Sc, Ph.D., selaku dosen pembimbing Tugas Akhir. Bapak Dr. Ir. Bigman Marihat Hutapea., selaku dosen penguji Tugas Akhir. Bapak Dr. Ir. Endra Susila, MT., selaku dosen penguji Tugas Akhir. Orang tua dan keluarga dari penulis yang telah memberikan dorongan moril dan materiil, serta Semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari laporan ini belum sepenuhnya sempurna. Untuk itu kritik dan saran sangat kami harapkan untuk menyempurnakan laporan ini. Penulis berharap semoga Laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat dan pengetahuan bagi semua pihak khususnya dalam dunia geoteknik di Indonesia.
Bandung, Juni 2007
Penulis
iv
Terimakasihku untuk.. ¾ Tuhan Yesus, selalu menyertai aku hari ini, besok dan selamanya. ¾ Bapak dan Ibu atas segala curahan cinta dan kasih sayang yang diberikan selama hidupku, mulai dari aku mulai berteriak pada dunia sampai saatnya nanti aku memberi pada dunia. ¾ Adik-adikku, Merliance, Tian, Karmel, dan Justin. Abangmu telah lulus, harapan ku adalah agar kalian mendapat yang terbaik dari dunia. ¾ Oppung, yang ga pernah berhenti menasihatiku dan memberikan dukungan untukku. Diusia senja masih menyempatkan waktu untuk memikirkan nasehat yang tepat untukku. ¾ Keluarga besarku, Bapak Tua dan Mak Tua, Amangboru dan Namboru, Uda dan Inang Uda, Tulang dan Nantulang, para sepupu tercinta, dan keponakankeponakaku. ¾ Keluarga Besar Lab. Geoteknik PPAU-ITB, untuk Pak Putu, Uun dan Rikka terimakasih karena sudah banyak membantu dalam pengejaan tugas akhir ini. ¾ Keluarga Besar Rumah C, khususnya untuk mas Pandu dan Azwar yang telah menutupi ketidaktahuanku akan plaxis. ¾ Keluarga Besar Lab. Mekanika Tanah ITB, khususnya untuk bang Fritz yang telah bersedia menyempatkan waktunya untuk menjawab pertanyaan-pertanyaanku. ¾ Team TURBO : Suker (dan Renni juga), Harry-Unchu, Keong, Woro, Memes, Rian, Bang Tongki, Romy, Vian. Terimakasih atas semua yang kalian berikan padaku, atas DoTa-nya yang sempat membuat TA-ku cemburu karena aku lebih senang bermain dengan DoTa daripada dengan TA, atas tawa, dan segala kehidupan malam di Bandung yang pernah kita cicipi, dan atas semua kebersamaan kita. ¾ Alamanda C-50, atas tempat tidur, makan, minum, es krim, internet, dan semua fasilitasnya. Terimakasih untuk kedua orang tua Woro. ¾ Teman-temanku, David, Samuel X, Edgar, Rocky, Pay, Ara. Terimakasih untuk semuanya. Dukungan kalian sangat berharga buatku, kebersamaan kita dulu, sekarang dan besok takkan terupakan. ¾ Teman-teman di Goethe Institute Bandung. Buat tawa dan candanya. Terimakasih ¾ Geotek HMS-ITB’02, Manto, Ghozy, Stanno, Dadan, Sofie, Rozy, Sony. Terimaksih untuk ilmu-ilmu yang dibagikan denganku, semoga kita semua mendapat yang terbaik dan dapat memajukan dunia goteknik Indonesia. ¾ Kawan-kawan di studio monorel, Dede, Zaki, Adhiet, Nina, Ncos, Cumay. Terimakasih untuk studionya, sangat bermanfaat. ¾ Kawan-kawan dari The Fellowship of Jhonny The Red, Edwin, Yudha-Ki Ageung Serang, Sony, Bagus’Bogel’, Dadan. Kapan kita jalan-jalan lagi untuk menjernihkan otak? ¾ Bos-Bis 2002, Dimas, Buna, Gillmar, Salman, Budi, Lukas, Ijem, fathir, Anjar, Fitrah, Ridwan-Srigala, Adi, Ijal, Pebri, Jabal, Renal, Chirul, Oji, Nia, Fika, Manda, Jade, Stella, Putri, Rini, dan bos-bis 2002 yang lain yang tak dapat kusebutkan satu persatu. Semoga sukses menyertai kalian. HmS 2002 adalah yang terbaik. ¾ Teman-teman HMS 97-2005,yang telah menjadi teman yang baik selama ± 5 tahun ini. ¾ HMS-ku yang udah memberiku banyak pelajaran yang bermanfaat. Dengan S’mangat ayo maju terus, hidup HMS-ITB. ¾ Diriku sendiri, aku sudah lulus.
iii
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR
i ii iv v viii ix
BAB I
PENDAHULUAN 1.1. UMUM 1.2. LATAR BELAKANG 1.3. RUANG LINGKUP DAN ASUMSI DASAR 1.4. TUJUAN 1.5. SISTEMATIKA PEMBAHASAN
1-1 1-1 1-2 1-3 1-3 1-3
BAB II
STUDI LITERATUR 2.1. KLASISIFIKASI TEROWONGAN 2.1.1. Terowongan Sipil dan Terowongan Tambang 2.1.2. Klasifikasi Terowongan Berdasarkan Fungsinya 2.1.3. Klasifikasi Menurut Material Lokasi Dibangunnya Terowongan 2.1.4. Klasifikasi Menurut Kedalaman 2.2. METODE-METODE PEMBUATAN TEROWONGAN 2.2.1. Penggalian 2.2.1.1. Metode ‘Full Face’ 2.2.1.2. Metode ‘Heading and Bench’ 2.2.1.3. Metode ‘Dirft’ 2.2.1.3.1. Center Drift 2.2.1.3.2. Side Drift 2.2.1.3.3. Top Drift 2.2.1.3.4. Bottom Drift 2.2.1.4. Metode Sumuran Vertikal (Vertical Shaft) 2.2.1.5. Metode Pilot tunnel 2.3. TEORI MEKANIKA TANAH 2.3.1. Hubungan Tegangan Regangan 2.3.2. Kriteria Keruntuhan 2.3.3. Kriteria Keruntuhan Mohr-Coulomb 2.3.4. Percobaan-percobaan Menentukan Parameter Kekuatan Tanah 2.3.4.1. Direct shear Test (Uji Geser Langsung) 2.3.4.2. Triaxial Test 2.3.5. Karakteristik Tanah 2.3.5.1. Analisa Stabilitas Terowongan 2.3.5.2. Kondisi-kondisi Lainnya yang Mempengaruhi Stabilitas 2.3.5.3. Pengendalian Air Tanah 2.4. METODE ELEMEN HINGGA 2.4.1. Persamaan Konstitutif
2-1 2-1 2-1 2-2 2-4 2-5 2-5 2-6 2-6 2-6 2-7 2-7 2-8 2-9 2-9 2-10 2-10 2-11 2-11 2-12 2-12 2-14 2-14 2-15 2-16 2-17 2-20 2-20 2-25 2-26 v
2.5. 2.6.
2.4.1.1. Material Elastik Linier 2.4.1.2 Kondisi plane Strain 2.4.1.3 Kondisi Plane Stress 2.4.1.4 Kondisi Axially Symetric Solid 2.4.2. Program Elemen Hingga (PLAXIS) 2.4.2.1. Plaxis 2D 2.4.2.2. Plaxis 3D (Tunnel) 2.4.3. Model Material 2.4.3.1. Model Mohr-Coulomb (Plastik Sempurna) 2.4.3.1.1. Parameter Dasar Mohr-Coulomb KEGAGALAN DALAM KONSTRUKSI TEROWONGAN STUDI TERHADAP PENELITIAN SEBELUMNYA
2-26 2-28 2-29 2-29 2-30 2-30 2-31 2-33 2-35 2-35 2-38 2-40
BAB III METODOLOGI 3-1 3.1. KONSEP RANCANGAN TEROWONGAN 3-1 3.1.1. Tegangan Pada Tanah 3-1 3.1.1.1. Kondisi dekat dengan permukaan 3-1 3.2. METODA ANALSIS KESTABILAN 3-5 3.2.1. Metode Analitik 3-5 3.2.2. Metode Observasi 3-6 3.2.2.1. Teknik Pemantauan Batuan 3-7 3.2.2.2. Metode Convergence Confine-ment 3-7 3.2.2.3. Metode NATM 3-7 3.2.3 Metode Empirik 3-7 3.2.4 Metode Numerik 3-8 3.3. METODE KONSTRUKSI TEROWONGAN : TANAH LUNAK 3-9 3.3.1. Shield Tunnelling 3-10 3.3.1.1. Open Shield 3-10 3.3.1.2. Closed dan Half Shields 3-10 3.3.2. TBM (Tunnel Boring Machine) 3-12 3.3.2.1. Komponen Dasar TBM 3-12 3.3.3. Metode Open Cut and Cover 3-13 3.3.4. Metode Box Jacking 3-15 3.4. NATM : Aplikasi pada Tanak Lunak 3-16 3.5. PERBAIKAN KESTABILAN DAN METODE PELAKSANAAN 3-16 3.5.1. Penyangga Kayu 3-17 3.5.2. Penyangga Baja 3-17 3.5.2.1. Besi Cetak (Cast Iron Lining) 3-17 3.5.2.2. Baja (Steel Tunnel Lining) 3-18 3.5.3. Penyangga Batuan (Rock Bolt) 3-19 3.5.4. Penyangga Beton 3-20 3.5.4.1. Shotcrete 3-20 3.5.4.2. Precast Concrete Lining 3-21 3.6. METODE PERHITUNGAN 3-22 3.6.1. Perhitungan Dengan Metode Konvensional 3-22 3.6.2. Perhitungan Dengan Metode Eleman Hingga (PLAXIS 2D) 3-23 3.6.3. Analisis Stabilitas Tahapan Konstruksi dengan PLAXIS 3D 3-23 3.6.3.1. Langkah-langkah pemodelan dengan PLAXIS 3D 3-23 vi
BAB IV STUDI KASUS 4.1. DESKRIPSI LOKASI STUDI 4.2. TEROWONGAN SUDIRMAN –THAMRIN 4.3. MODEL TANAH 4.4.
4.5. 4.6. BAB V
HASIL OUT PUT PLAXIS 4.4.1. Terowongan di Kawasan Sudirman 4.4.1.1 Proses konstruksi Terowongan Dilakukan Secara Bersamaan 4.4.1.2. Proses Konstruksi Terowongan Dilakukan Setelah Terowongan Kanan Selesai 4.4.2. Terowongan Dikawasan Thamrin 4.4.2.1. Proses Konstruksi Terowongan Dilakukan Secara Bersamaan 4.4.2.2. Proses Konstriksi Terowongan Dilakukan Setelah Terowongan Kanan Selesai 4.4.3. Perbandingan Plaxis Dengan Metode Empirik 4.4.3.1. Plaxis 2D 4.4.3.2. Metode Empirik PEMODELAN DENGAN PLAXIS 3D PEMBAHASAN
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. KESIMPULAN 5.2. SARAN
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
4-1 4-1 4-1 4-4 4-5 4-5 4-5 4-6 4-8 4-8 4-9 4-10 4-11 4-11 4-12 4-15 5-1 5-1 5-3
xi xiv
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Gambar 2.2. Gambar 2.3. Gambar 2.4. Gambar 2.5. Gambar 2.6. Gambar 2.7. Gambar 2.8. Gambar 2-9 Gambar 2.10. Gambar 2.11.
Gambar 2.12. Gambar 2.13. Gambar 2.14. Gambar 2.15. Gambar 2.16. Gambar 2.17. Gambar 2.18. Gambar 2.19. Gambar 2.20. Gambar 2.21. Gambar 2.22. Gambar 2.23 Gambar 2.24. Gambar 2.25. Gambar 2.26. Gambar 2.27. Gambar 3.1. Gambar 3.2.
Gambar 3.3. Gambar 3.4. Gambar 3.5. Gambar 3.6. Gambar 3.7. Gambar 3.8. Gambar 3.9. Gambar 3.10. Gambar 3.11.
Penggalian Permukaan Lubang Bukaan Metode Heading Dan Bench Metode Center Drift Metode Side Drift Metode Top Drift Metode Bottom Drift Metode Sumuran Vertikal Metode Pilot Tunnel Contoh Hubungan Tegangan-Regangan Untuk Material Yang Ideal Dan Asli Garis Keruntuhan menurut Mohr dan hukum keruntuhan Mohr–Coulomb (a) Skema diagram direct shear aparatus (b) Hasil Tes (Pasir Padat) (c) Diagram Mohr Untuk Sampel Dengan Kerapatan Relatif Sama (a) Skema Diagram Triaxial Aparatus (b) Asumsi Kondisi Tegangan Ilustrasi dari proses Dewatering Tipikal Instalasi Deep well Aplikasi Grouting Pada Saluran Air Pemakaian Compressed Air dalam Penggalian Terowongan Proses Ground Freezing pada Terowongan Essen Ilustrasi prinsip Eektro-osmosis pada Proses Dewatering Hubungan antara variabel-variabel dalam penyusunan persamaan elemen hingga (Chen and Baladi, 1985) Elemen Axisymmetric (Cook, 1989) Elemen sgitiga 6 titik (node) dan 15 titik Geometri NATM Tunnel, Penampang Melintang (Kiri) Dan Tampak Samping (Kanan) Pembuatan mesh 3D Elemen 3D Lembar-tab Parameter untuk model Mohr-Coulomb Definisi E0 Dan E50 Untuk Hasil Uji Triaksial Terdrainase Standar Lingkaran-Lingkaran Tegangan Saat Mengalami Leleh; Satu Lingkaran Menyentuh Garis Keruntuhan Coulomb Tahapan Perencanaan Pembuatan Terowongan (BIENIASWKI, 1984) Variasi Perbandingan Tegangan Horizontal Rata–Rata Dengan Tegangan Vertikal Terhadap Kedalaman Di Bawah Permukaan ( Setelah Brown Dan Hoek) Plot Tegangan Vertikal Dengan Kedalaman Dibawah Permukaan Tegangan Pada Terowongan Dengan Beban Gravitasi Perpindahan Pada Terowongan Dengan Beban Gravitasi Tegangan pada Terowongan dengan Beban non-Hidrostatik Tegangan pada Terowongan dengan Beban Hidrostatik Distribusi Tegangan dan Perpindahan Disekitar Terowongan Profil Penurunan Permukaan Komponen dasar metode Open Shield Mesin Penggali Terowongan untuk Tanah Lunak
2-6 2-7 2-8 2-9 2-9 2-9 2-10 2-11 2-13 2-14 2-15 2-15 2-15 2-16 2-16 2-21 2-21 2-22 2-23 2-24 2-24 2-26 2-29 2-31 2-32 2-33 2-33 2-36 2-37 2-38 3-1
3-2 3-3 3-4 3-4 3-4 3-4 3-6 3-9 3-11 3-13 ix
Gambar 3.12. Gambar 3.13. Gambar 3.14. Gambar 3.15. Gambar 3.16. Gambar 3.17. Gambar 3.18. Gambar 3.19. Gambar 3.20. Gambar 3.21. Gambar 3.22. Gambar 4.1. Gambar 4.2. Gambar 4.3. Gambar 4.4. Gambar 4.5. Gambar 4.6. Gambar 4.7. Gambar 4.8. Gambar 4.9. Gambar 4.10. Gambar 4.11. Gambar 4.12. Gambar 4.13. Gambar 4.14.
Mesin Penggali Terowongan untuk Tanah Lunak Mesin Penggali Terowongan untuk Tanah Lunak Aplikasi NATM, Frankfurt Metro, setelah Barbendererde Penyangga Kayu di Terowongan Besi Cetak Segmen Baja Hasi Fabrikasi Expansion Cell Cement Grout Tipikal Drymix Shotcrete Tipikal Wet Shotcrete Segmen Dari Beton Cetak Alternatif Alinemen Vertikal MRT Blok M - Setasiun Kota (JTCA, 1999) Rencana Rute MRT Blok M – Setasiun Kota Alternatif 3B (JTCA, 1999) Penurunan akibat Pembangunan Terowongan Total Displacements Penurunan Akibat Pembangunan Terowongan Kanan Penurunan Total Setelah Kedua Terowongan Selesai Digali Total Displacements Penurunan akibat Pembangunan Terowongan Total Displacements Penurunan Akibat Pembangunan Terowongan Kanan Penurunan Total Setelah Kedua Terowongan Selesai Digali Total Displacements Penurunan Akibat Penggalian Terowongan (a) Deformasi disekitar Terowongan Ganda; (b) Perpindahan Total Terowongan Ganda; (c) Deformasi Terowongan Tunggal; (d) Karakteristik Perpindahan Total Tunggal; (e) Deformasi Terowongan Tunggal Kondisi Undrained; (f) Karakteristik Perpindahan Total Tunggal Kondisi Undrained
3-13 3-14 3-15 3-17 3-18 3-19 3-19 3-20 3-20 3-21 3-21 4-2 4-3 4-5 4-6 4-6 4-7 4-7 4-8 4-8 4-9 4-9 4-10 4-11 4-12 4-12 4-13 4-13 4-14 4-14
x
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Tunnelman’s Ground Classification Tabel 2.2. Kriteria Stabilitas Lempung Plastik Pada Kedalaman Lebih Besar Dari 2 Kali Diameter Tabel 4.1. Data Teknis Fase 1 Alternatif 3B (JTCA, 1999) Tabel 4.2. Parameter Tanah Dikawasan Jl. Sudirman Tabel 4.3. Parameter Tanah Dikawasan Jl. M. H. Thamrin
2-17 2-19 4-2 4-4 4-4
viii
