Κατασκευή Αγωγού Ομβρίων Υδάτων στη Βάρη με τη Μέθοδο της Προώθησης Σωλήνων. Construction in Vari of an underground sewer by Pipe Jacking

Transcript

1 Κατασκευή Αγωγού Ομβρίων Υδάτων στη Βάρη με τη Μέθοδο της Προώθησης Σωλήνων Construction in Vari of an underground sewer by Pipe Jacking ΣΑΚΚΑΣ, Κ.Γ. ΛΟΥΚΑΣ, Π.Γ. ΝΟΜΙΚΟΣ, Π.Π. ΣΟΦΙΑΝΟΣ, Α.Ι. Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργός, Ε.Μ.Π. Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργός, Ειδικά Τεχνικά Έργα, Κορωπί Αττικής Δρ. Μηχ. Μεταλλείων-Μεταλλουργός Ε.Μ.Π., Πολιτικός Μηχ. Ε.Μ.Π. Καθηγητής, Ε.Μ.Π. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Εξετάζεται η κατασκευή τμήματος αγωγού ομβρίων υδάτων κάτω από την αστική περιοχή της Βάρης, Αθηνών, με τη τεχνική της υπόγειας προώθησης σωλήνων. Περιγράφεται η κατασκευή των φρεάτων εισόδου και ανάκτησης του μηχανολογικού εξοπλισμού, καθώς και ο χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός τόσο για τη διάνοιξη των φρεάτων όσο και για τη διάνοιξη της μικροσήραγγας. Καταγράφεται ο κύκλος των εργασιών και τα συναντούμενα προβλήματα κατά τη διάνοιξη. Παρακολουθούνται οι ασκούμενες δυνάμεις προώθησης των σωλήνων. Οι μετρήσεις, σε συνδυασμό με την καταγραφή των εργασιών διάνοιξης παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για την επίδραση των διαφόρων παραμέτρων στο μέγεθος των απαιτούμενων δυνάμεων προώθησης. ABSTRACT : The construction of an underground sewer under the urban area of Vari, Athens, with the pipe jacking technique, is examined. The construction of the entry and reception shafts, as well as the equipment used for the shaft excavation and for microtunnelling is described. Excavation cycle is recorded along with the problems met during construction. Jacking forces during pipe jacking are measured. These measurements, in combination with the recording of work of excavation provide useful information on the effect of various parameters in the magnitude of the required jacking forces. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η τεχνική της προώθησης σωλήνων (pipe jacking) για την εγκατάσταση υπόγειων δικτύων εξυπηρέτησης, τυγχάνει ευρείας εφαρμογής διεθνώς τις τελευταίες δεκαετίες. Συνίσταται στην εκμηχανισμένη όρυξη σήραγγας μικρής διαμέτρου (μικροσήρραγγαmicrotunnel) και στην παράλληλη εγκατάσταση προκατασκευασμένων σωλήνων με τη βοήθεια υδραυλικής ώσης. Μεταξύ των πλεονεκτημάτων της μεθόδου είναι η ασφάλεια εργασιών που προσφέρει, αφού κανένα τμήμα του εδάφους δεν παραμένει ανυποστήρικτο κατά τη διάρκεια της διάνοιξης, ο περιορισμός των επεμβάσεων σε υφιστάμενες υποδομές, η αποφυγή καταστροφών σε υφιστάμενα δίκτυα εξυπηρέτησης και τέλος η ελαχιστοποίηση της όχλησης και του θορύβου στις γειτονικές περιοχές ώστε να μην επηρεάζεται ο τρόπος ζωής των κατοίκων. Για τους παραπάνω λόγους, η μέθοδος συνιστάται συνήθως σε κέντρα μεγάλων αστικών περιοχών. Η τεχνική της προώθησης σωλήνων περιλαμβάνει τη διαδικασία της εγκατάστασης τμημάτων σωλήνωσης, που ακολουθούν το μηχάνημα διάνοιξης της μικροσήραγγας, με προώθηση των τμημάτων αυτών με τη χρήση υδραυλικών εμβόλων. Για την εφαρμογή της μεθόδου απαιτείται η κατασκευή δύο φρεάτων: α) του φρέατος εισόδου (launch ή drive shaft), διά του οποίου καταβιβάζεται και εγκαθίσταται ο απαιτούμενος εξοπλισμός της προώθησης και η σωλήνωση, και β) του φρέατος εξόδου ή ανάκτησης (reception shaft) για την ανάκτηση του μηχανήματος της διάνοιξης. Οι σωλήνες εγκαθίστανται διαδοχικά από το φρέαρ εισόδου προς το φρέαρ ανάκτησης σχηματίζοντας ένα συνεχή αγωγό μέσα στο έδαφος. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 1

2 Στη παρούσα εργασία περιγράφεται η κατασκευή τμήματος αγωγού ομβρίων υδάτων κάτω από τη περιοχή της Βάρης στην Αθήνα με την τεχνική της προώθησης σωλήνων. Το έργο αποτελεί τμήμα του έργου αποχέτευσης ομβρίων χαμηλών σημείων Βάρης-Κορωπίου, που κατασκευάζεται με σκοπό τον περιορισμό των προβλημάτων που δημιουργούνται από τις βροχοπτώσεις. Αποτελείται από πέντε τμήματα διανοίξεων, όπως δείχνεται στο Σχήμα 1. κρυσταλλικό υπόβαθρο συνίσταται κατά κύριο λόγο από Ανώτερα και Κατώτερα μάρμαρα και δευτερευόντως από δολομιτικούς έως ασβεστολιθικούς σχηματισμούς. Το εξορυσσόμενο υλικό ήταν κυρίως αργιλικό. Εντούτοις, κατά τη διάνοιξη συναντήθηκαν και τμήματα σκληρού σχηματισμού, που προκάλεσαν διάφορα προβλήματα στην εκσκαφή, όπως περιγράφεται σε επόμενη παράγραφο. 2.2 Κατασκευή των φρεάτων ÖÅ4 Ïäüò ÄÞìçôñáò TìÞìá 1 TìÞìá 2 TìÞìá 4 ÖÅ3 TìÞìá 3 TìÞìá 5 Ïäüò ÂÜê ïõ ÖÅî2 ÖÅî1 ÖÅ2 ÖÅî3,, Õðüìíçìá ÖÅ1 ÖñÝáñ Åéóüäïõ ÖñÝáñ Åîüäïõ Σχήμα 1. Κάτοψη του συστήματος των φρεάτων και των αγωγών. Figure 1. Plan view of the sewer system. Παρακάτω αναλύεται το Τμήμα 1 του έργου, μήκους 147 μέτρων με εσωτερική διάμετρο αγωγού 1200 mm. Η φορά του είναι από το ΦΕ-4 προς το ΦΕξ-1 με κατηφορική κλίση i=2,55%. Το φρέαρ εισόδου (Σχήμα 2) είναι ορθογωνικής διατομής, διαστάσεων 7.50 x 2.80 m, και κατασκευάσθηκε σε δύο φάσεις, αρχικά μέχρι το βάθος των 3.0 m και στη συνέχεια μέχρι το τελικό βάθος των 5.0 m. Πριν από την εκσκαφή του φρέατος κατασκευάσθηκαν περιμετρικά 26 μικροπάσσαλοι μήκους 7.0 m, από δοκούς ΗΕΒ 140 πακτωμένες στα δύο τελευταία μέτρα του μήκους τους. Στη συνέχεια κατασκευάσθηκε ο κεφαλόδεσμος διαστάσεων 40x60 cm. Μετά την ολοκλήρωση της πρώτης φάσης εκσκαφής έως το βάθος των 3.0 m και την αποκάλυψη των δοκών των μικροπασσάλων, ακολούθησε η τοποθέτηση δομικού πλέγματος Τ188 και η εφαρμογή εκτοξευομένου σκυροδέματος πάχους 10 cm. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται και στη δεύτερη φάση εκσκαφής μέχρι το βάθος των 5 μέτρων. Για την εγκατάσταση του εξοπλισμού το δάπεδο του φρέατος σκυροδετείται με σκυρόδεμα εξομάλυνσης πάχους 10 cm. Το ΦΕξ-1 είναι κυκλικό με διάμετρο 3.0 m. Αποτελεί το φρέαρ εξόδου και ανάκτησης του εξοπλισμού και βρίσκεται στον πιο κεντρικό δρόμο της Βάρης. Η εκσκαφή του πραγματοποιήθηκε με μηχάνημα Casagrande Β140 κατασκευής πασσάλων και προσαρμογή διευρυντήρων διαμέτρου 2.2 m και 3.0 m, για την επίτευξη της τελικής διαμέτρου των 3.0 m. Η αντιστήριξη του φρέατος επιτυγχάνεται με εκτοξευόμενο σκυρόδεμα πάχους 7.5 cm ενισχυμένο με μεταλλικές ίνες 40 kg/m ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ 2.1 Γεωλογία της περιοχής Γεωλογικά η ευρύτερη περιοχή δομείται από Τριτογενείς χαλαρές αποθέσεις Ανώτερης (Στρώματα Πικερμίου) και Κατώτερης βαθμίδας και τοπικά καλύπτεται από σχιστόλιθους Αθηνών Κρητιδικής ηλικίας. Το 2.3 Εξοπλισμός της διάνοιξης Ο εξοπλισμός που απαιτείται για την εφαρμογή της μεθόδου προώθησης σωλήνων περιλαμβάνει τη διάταξη της προώθησης, τους σωλήνες, το εκσκαπτικό μηχάνημα, την ασπίδα και το σύστημα οδήγησης αυτής, το σύστημα αποκομιδής του εδάφους και τον εξοπλισμό επιφανείας. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 2

3 Σχήμα 2. Φρέαρ εισόδου. Figure 2. Launch shaft. Το σύστημα προώθησης αποτελείται από δύο υδραυλικά έμβολα και τη μονάδα μεταφοράς ισχύος (power pack) δυναμικότητας 500 bar. Τα έμβολα προώθησης προσαρμόζονται σε πλάτη αντίδρασης στο τοίχωμα του φρέατος εισόδου και ωθούν το δακτύλιο προώθησης, που λειτουργεί ως μέσο μεταβίβασης της υδραυλικής πίεσης στους σωλήνες. Η εσωτερική διάμετρος του δακτυλίου προώθησης είναι ίση με αυτή του σωλήνα (1200 mm) ενώ η εξωτερική λίγο μικρότερη από αυτή του σωλήνα. Η μονάδα μεταφοράς ισχύος αποτελείται από σύστημα δύο αντλιών που παρέχουν υδραυλικό λάδι στα έμβολα προώθησης. Η ρύθμιση της υδραυλικής πίεσης γίνεται από χειριστήριο στον πυθμένα του φρέατος. Οι σωλήνες είναι κατασκευασμένοι από σκυρόδεμα αντοχής C40/50 και οπλισμένοι με δομικό πλέγμα. Η εσωτερική διάμετρος του σωλήνα είναι 1200 mm και η εξωτερική 1490 mm, με πάχος 145 mm και μήκος l t =2540 mm. Το βάρος κάθε σωλήνα είναι w t = 3.6 t. Οι σωλήνες σχεδιάζονται ώστε να αντέχουν τις μεγάλες δυνάμεις προώθησης και την πίεση των υπερκειμένων. Στο ένα άκρο τους υπάρχει μεταλλικός δακτύλιος που τοποθετείται κατά τη διάρκεια κατασκευής του σωλήνα ο οποίος χρησιμεύει για τη συγκράτηση και τη σύνδεση των σωλήνων μεταξύ τους. Για την εξασφάλιση της χάραξης χρησιμοποιείται δέσμη Laser η οποία ελέγχει συνέχεια την ευθυγραμμία του αγωγού. Επίσης το μέτωπο τροφοδοτείται συνεχώς με αέρα από τον ανεμιστήρα που βρίσκεται στο φρέαρ εισόδου. Πριν από την έναρξη των εργασιών διάνοιξης σημειώνεται η ακριβής θέση εκκίνησης κατασκευής του αγωγού. Η εγκατάσταση του εξοπλισμού αρχίζει με την τοποθέτηση της βάσης του μηχανήματος εκσκαφής, που συνίστατο από δύο δοκούς HEB 300 μήκους 7 m. Οι δύο δοκοί τοποθετήθηκαν παράλληλα κατά το μήκος του φρέατος σε απόσταση μεταξύ τους 1.2 m. Η κατασκευή της βάσης προσαρμόσθηκε στο υψόμετρο της ροής του αγωγού. Ως ροή νοείται πάντοτε το υψόμετρο του κάτω μέρους της εσωτερικής διαμέτρου του αγωγού. Στη συνέχεια κατασκευάσθηκε η πλάτη αντίδρασης, πάχους 0.5 m, από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα 45 cm και σιδηρά λαμαρίνα πάχους 5 cm. Ακολουθεί η καταβίβαση του δακτυλίου προώθησης στο πυθμένα του φρέατος και προσαρμογή των δύο υδραυλικών εμβόλων σε αυτόν. Κατόπιν γίνονται όλες οι απαραίτητες συνδέσεις του συστήματος της υδραυλικής προώθησης με την μονάδα μεταφοράς ισχύος που βρίσκεται στην επιφάνεια του φρέατος και σύνδεση αυτής με το χειριστήριο που βρίσκεται στο πυθμένα του φρέατος. Ακολουθεί η εγκατάσταση των δικτύων παροχής ρεύματος από γεννήτρια που υπάρχει στην επιφάνεια του φρέατος. Τέλος καταβιβάζεται και εγκαθίσταται η μηχανή διάνοιξης με ενσωματωμένη μεταφορική ταινία και την κοπτική κεφαλή. Η εκσκαφή ξεκινάει και η ασπίδα προωθείται τόσο ώστε να υπάρχει χώρος για την καταβίβαση του βαγονέτου μεταφοράς του εξορυσσόμενου υλικού (Σχήμα 3). Τέλος γίνεται η εκκίνηση του κύκλου εργασιών για τη κατασκευή του αγωγού. 2.4 Κύκλος εργασιών Με την εγκατάσταση του μηχανήματος της εκσκαφής ξεκινά ουσιαστικά η κατασκευή του αγωγού. Ένας κύκλος εργασίας ξεκινάει από τη στιγμή που τοποθετείται ένας νέος σωλήνας. Αρχικά πραγματοποιείται εκσκαφή μήκους cm. Η εκσκαφή χρήζει ιδιαίτερης 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 3

4 προσοχής στη περίμετρο του μετώπου ώστε να εξασφαλίζεται η απαιτούμενη διατομή και η επιθυμητή υπερεκσκαφή. Το υλικό που εξορύσσεται μεταφέρεται μέσω της μεταφορικής ταινίας σε βαγονέτο και στη συνέχεια στον πυθμένα του φρέατος εισόδου, όπου το βαγονέτο ανελκύεται στην επιφάνεια και εκκενώνεται. ομοιόμορφη κατανομή της ώθησης από το δακτύλιο προώθησης, ενώ στο άλλο άκρο τοποθετείται περιμετρικά ελαστικό παρέμβυσμα που εξασφαλίζει στεγανότητα μεταξύ των συνδέσεων. Στη συνέχεια διανοίγονται τρεις οπές, μία στην οροφή και από μία σε κάθε παρειά του σωλήνα οι οποίες χρησιμεύουν για την εισπίεση μπεντονιτικού αιωρήματος και για την αποτόνωση του νερού που συναντιέται κατά την εκσκαφή. Οι εργασίες αυτές λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια του φρέατος. Ο σωλήνας καταβιβάζεται στο πυθμένα του φρέατος και τοποθετείται στη βάση. Γίνονται οι απαραίτητες συνδέσεις, αέρος, ρεύματος και σιδηροτροχιών και διαστέλλονται τα έμβολα προώθησης ώστε να ωθήσουν το δακτύλιο προώθησης μέχρι να ακουμπήσει πάνω στο νέο σωλήνα. Γίνεται τοπογραφικός έλεγχος της θέσης της δέσμης Laser και έλεγχος της χάραξης. Στη συνέχεια ξεκινά και πάλι ο κύκλος διάνοιξης της μικροσήραγγας. 2.5 Προβλήματα κατά τη διάνοιξη Σχήμα 3. Φωτογραφία εκκίνησης εκσκαφής. Figure 3. Photograph of excavation beginning. Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου εξαντληθεί το μήκος του βραχίονα της κοπτικής κεφαλής (εκσκαφή περίπου 40 cm). Τότε έχει έρθει η στιγμή της υδραυλικής προώθησης κατά την οποία το σύστημα ασπίδας-σωλήνων ωθείται σε μήκος ίσο με το μήκος εκσκαφής. Για την υδραυλική προώθηση τίθεται σε λειτουργία η μονάδα μεταφοράς ισχύος. Η προώθηση είναι της τάξης των cm. Μετά από τον κατάλληλο αριθμό προωθήσεων έρχεται η χρονική στιγμή της τοποθέτησης νέου σωλήνα. Για την τοποθέτηση του νέου σωλήνα αποσυνδέονται αρχικά τα δίκτυα αερισμού και ρεύματος. Στη συνέχεια συστέλλονται τα υδραυλικά έμβολα και οπισθοχωρεί ο δακτύλιος προώθησης ώστε να δημιουργηθεί ικανός χώρος για την καταβίβαση του σωλήνα. Στο ένα άκρο του σωλήνα τοποθετείται περιμετρικά ξύλινο παρέμβυσμα 3 cm, για την Τα σημαντικότερα προβλήματα, που αντιμετωπίσθηκαν, αφορούσαν την παρουσία ύδατος κατά τη διάνοιξη και τη συνάντηση σκληρών σχηματισμών, που δεν είχαν προβλεφθεί αρχικά. Τα πρώτα προβλήματα ανέκυψαν σε μήκος διάνοιξης 74 m περίπου και σχετίζονται με την εμφάνιση μεγάλης ποσότητας ύδατος στο μέτωπο. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος χρησιμοποιήθηκαν αντλίες για την απομάκρυνση του ύδατος κάτι το οποίο προκάλεσε και αύξηση του κόστους αλλά και συνάμα καθυστέρηση των εργασιών. Επίσης η εμφάνιση του ύδατος προκάλεσε προβλήματα και στη προώθηση. Το εδαφικό υλικό που προερχόταν από την εκσκαφή ήταν άργιλος η οποία λόγω της προσρόφησης του άφθονου ύδατος που είχε βρεθεί διογκωνόταν με αποτέλεσμα να «βεντουζάρει» (να έρχεται σε επαφή με όλη την επιφάνεια του σωλήνα περιμετρικά) πάνω στο σωλήνα και να προκαλεί υψηλές αντιστάσεις στη προώθηση. Αρκετά προβλήματα κατά τη διάνοιξη δημιουργήθηκαν κατά την εμφάνιση τμημάτων σκληρού σχηματισμού. Κάτι τέτοιο προκαλούσε αρκετές ζημιές στα υδραυλικά συστήματα του μηχανήματος και πολυήμερες καθυστερήσεις καθώς ο εξοπλισμός που υπήρχε δεν είχε τη δυνατότητα εκσκαφής σκληρού εδάφους. Αποτέλεσμα ήταν η πτωχή 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 4

5 υπερεκσκαφή και η δημιουργία αποκλίσεων από τη πορεία σχεδιασμού, με συνέπεια να προκαλούνται αυξημένες τριβές και αντιστάσεις του εδάφους. Το πρόβλημα της εκσκαφής αντιμετωπίσθηκε με τη χρήση του υδραυλικού σφυριού, που όμως προκαλούσε καθυστέρηση στην εκσκαφή και στην αποκομιδή του εξορυσσόμενου υλικού και δεν μπορούσε να επιτύχει την επιθυμητή υπερεκσκαφή με αποτέλεσμα να απαιτείται και χειρονακτική εκσκαφή. Προκειμένου να ξεπεραστούν οι μεγάλες τριβές, που δημιούργησαν τα παραπάνω αίτια, απαιτήθηκαν αυξημένες δυνάμεις προώθησης, με αποτέλεσμα την καταστροφή της πλάτης αντίδρασης και την ανάγκη ανακατασκευής της, κάτι που δημιούργησε καθυστερήσεις και επιβάρυνση του κόστους. Η ανακατασκευασμένη πλάτη αντίδρασης πέτυχε την ανάληψη δυνάμεων έως και 7000 kn. 3. ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΠΡΟΩΘΗΣΗΣ 3.1 Θεωρητικά στοιχεία Σημαντικό παράγοντα για την επιτυχή εφαρμογή της μεθόδου προώθησης σωλήνων αποτελούν οι δυνάμεις που απαιτούνται για την προώθηση του συστήματος ασπίδαςσωλήνων. Υψηλές τιμές των δυνάμεων αυτών μπορούν να προκαλέσουν θραύση ή ρωγμάτωση των σωλήνων (κυρίως στα άκρα τους), υπερφόρτιση της πλάτης αντίδρασης ή ακόμη και υπέρβαση της δυναμικότητας του συστήματος προώθησης. Το μέγεθος των απαιτούμενων δυνάμεων προώθησης εξαρτάται τόσο από τις διαστάσεις και το βάρος του αγωγού, όσο και από τη διατμητική αντίσταση του εδάφους κατά την προώθηση. Η τελευταία επηρεάζεται κυρίως από τις εδαφικές συνθήκες, τη μέθοδο εκσκαφής και τις τυχόν αποκλίσεις του αγωγού από την χάραξη (προκειμένου για θεωρητικά ευθύγραμμους αγωγούς). Η Pipe Jacking Association (1995) εκτιμάει τις τιμές της μέσης διατμητικής τάσης αντίστασης f στην εξωτερική επιφάνεια του σωλήνα μεταξύ των 5 και 15 kpa, ενώ άλλοι ερευνητές (Craig, 1983) δίνουν τιμές της σε αργίλους 5-20 kpa. Για τον υπολογισμό της διατμητικής αντίστασης του εδάφους μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο υποθέσεις (Sofianos et. al. 2004). Σύμφωνα με την πρώτη υπόθεση το έδαφος βρίσκεται σε πλήρη επαφή με την εξωτερική επιφάνεια του αγωγού, ο οποίος φορτίζεται από αυτό. Στη δεύτερη υπόθεση η διανοιγμένη μικροσήραγγα θεωρείται ευσταθής και το κάτω μέρος του σωλήνα ολισθαίνει στο έδαφος. Συνεπώς, η διατμητική αντίσταση αναπτύσσεται μόνο στο κάτω τμήμα του αγωγού, το οποίο έρχεται σε επαφή με το έδαφος λόγω του βάρους του. Όταν η διάνοιξη γίνεται σε ασταθείς σχηματισμούς, όπως σε πολύ μαλακές αργίλους ή σε χαλαρά κοκκώδη εδάφη, το έδαφος θα τείνει να έλθει σε πλήρη επαφή με την εξωτερική επιφάνεια του σωλήνα (πρώτη υπόθεση). Στην περίπτωση των μαλακών αργίλων η αντίσταση στην προώθηση μπορεί να συσχετισθεί με την αστράγγιστη διατμητική αντοχή της αργίλου (Milligan and Noris, 1999). Σε χαλαρά κοκκώδη εδάφη, απαιτείται υπολογισμός των δυνάμεων που ασκεί το έδαφος στο σωλήνα. Το γινόμενο των δυνάμεων αυτών επί το συντελεστή τριβής μ της διεπιφάνειας εδάφους-σωλήνα μπορεί να παρέχει την διατμητική αντίσταση του εδάφους στην προώθηση. Στη δεύτερη υπόθεση, μπορούν να θεωρηθούν δύο μηχανισμοί ανάπτυξης της διατμητικής αντίστασης. Σύμφωνα με τον πρώτο στη διεπιφάνεια εδάφους-σωλήνωσης αναπτύσσονται μόνο δυνάμεις τριβής και η δύναμη αντίστασης υπολογίζεται από το γινόμενο του βάρους του σωλήνα επί τον συντελεστή τριβής της διεπιφάνειας. Κατά το δεύτερο θεωρείται ότι η σωλήνωση ολισθαίνει σε μία επιφάνεια πλάτους b (Σχήμα 4) και η αντίσταση στην κίνηση του αγωγού προκαλείται λόγω συνάφειας της διεπιφάνειας εδάφους-σωλήνα. Οι Sofianos et. al. (2004) υπολόγισαν τιμές του πλάτους b, για την περίπτωση διάνοιξης αγωγού με παρόμοια χαρακτηριστικά με τον εξεταζόμενο στην παρούσα εργασία, μεταξύ του 0.22 και του Επιπλέον, για τον υπολογισμό της κλίσης j της δύναμης αντίδρασης του εδάφους, με βάση τη δεύτερη υπόθεση, παρέχουν τη σχέση: wt w j = tanδ + c b= t tan δ + C, C = c b (1) lt lt όπου w t, l t το βάρος και το μήκος κάθε σωλήνα αντίστοιχα, c η συνάφεια της διεπιφάνειας εδάφους-σωλήνωσης. Και στις δύο υποθέσεις απαιτείται να είναι γνωστός ο συντελεστής τριβής μ=tan(δ) της διεπιφάνειας εδάφους-σωλήνωσης, όπου δ η γωνία τριβής της διεπιφάνειας. Οι Stein et. al. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 5

6 (1989) διακρίνουν δύο περιπτώσεις για τις τιμές του συντελεστή μ: α) στις τιμές που αντιστοιχούν στην ενεργοποίηση της στατικής γωνίας τριβής, προκειμένου για τις δυνάμεις εκκίνησης και β) στις τιμές μετά την έναρξη της κίνησης του συστήματος ασπίδας-σωλήνωσης, προκειμένου για τις δυνάμεις προώθησης. Οι τιμές του μ που προτείνουν οι Stein et. al. δίνονται στον Πίνακα 1. Σχήμα 4. Επαφή σωλήνωσης-εδάφους. Figure 4. Contact between pipe and ground. Πίνακας 1. Συνήθεις τιμές του συντελεστή τριβής μ (Stein et al 1989). Table 1. Standard values for friction coefficient (Stein et al., 1989) Στατική τριβή Διεπιφάνεια σκυροδέματος και άμμου ή αμμοχάλικου Διεπιφάνεια σκυροδέματος και αργίλου Συντελεστής τριβής μ Τριβή ολίσθησης Διεπιφάνεια σκυροδέματος και άμμου ή αμμοχάλικου Διεπιφάνεια σκυροδέματος και αργίλου Γωνία τριβής δ ( ο ) Οι δύο υποθέσεις που αναπτύχθηκαν παραπάνω δεν λαμβάνουν υπόψη τους την επίδραση των αποκλίσεων της χάραξης στις δυνάμεις προώθησης. Σύμφωνα με απλουστευμένα θεωρητικά μοντέλα, οι δυνάμεις προώθησης μπορεί να αυξάνονται έως και 100 % στην περίπτωση εμφάνισης αποκλίσεων του αγωγού από την ευθυγραμμία (Milligan and Noris, 1999). 3.2 Μετρήσεις δυνάμεων προώθησης Η παρακολούθηση των δυνάμεων προώθησης κατά τη διάνοιξη είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη διαρκή εξέταση της καταλληλότητας του συστήματος προώθησης. Κατά τη διάνοιξη της μικροσήραγγας ελήφθησαν μετρήσεις της πίεσης προώθησης (Σακκάς, 2005) από αναλογικό πιεζόμετρο της μονάδας μεταφοράς ισχύος (powerpack) στον πυθμένα του φρέατος εκκίνησης. Σε κάθε μέτρηση ελήφθησαν οι τιμές τόσο της πίεσης εκκίνησης όσο και της πίεσης προώθησης. Ως πίεση εκκίνησης νοείται η μέγιστη καταγραφόμενη πίεση που απαιτείται για την εκκίνηση της προώθησης του συστήματος ασπίδας-σωλήνων, ενώ η σταθεροποιούμενη πίεση μετά την έναρξη της κίνησης είναι η πίεση προώθησης. Οι μετρούμενες πιέσεις μετατρέπονται στη συνέχεια σε δυνάμεις. Σύμφωνα με τα στοιχεία της μονάδας μεταφοράς ισχύος πίεση 1 bar ισοδυναμεί με δύναμη 12 kn. Οι μετρήσεις συσχετίσθηκαν με το αντίστοιχο μήκος εκσκαφής, που υπολογίζεται συναρτήσει του πλήθους των εγκατεστημένων σωλήνων, του μήκους της ασπίδας και του μήκους κάθε σωλήνα. Στο διάγραμμα του Σχήματος 5 (Σακκάς, 2005) παρουσιάζονται οι τιμές των δυνάμεων εκκίνησης P 0 και προώθησης P συναρτήσει του μήκους της διάνοιξης. Παρατηρείται ότι οι τιμές των δυνάμεων εκκίνησης και προώθησης συμπίπτουν για τα πρώτα 73 m της διάνοιξης. Μέχρι το μήκος αυτό η ταχύτητα προχώρησης της διάνοιξης ήταν αρκετά υψηλή, ενώ η παρουσία νερού ήταν σε μικρά έως μέτρια επίπεδα. P 0 ή P (kn) Δύναμη εκκίνησης P0 Δύναμη προώθησης P Μήκος εκσκαφής (m) Σχήμα 5. Δυνάμεις εκκίνησης και προώθησης. Figure 5. Static and dynamic jacking forces. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 6

7 Από το μήκος εκσκαφής των 73 m και ύστερα, παρατηρείται απόκλιση μεταξύ των τιμών των δυνάμεων εκκίνησης και προώθησης, η διαφορά των οποίων φτάνει έως και 1450 kn. Μια μέση τιμή της διαφοράς δυνάμεων εκκίνησης και προώθησης υπολογίστηκε στα 600 kn. Η διαφορά αυτή αποδίδεται στις διακοπές εργασιών, στη φτωχή υπερεκσκαφή και στην δημιουργία αποκλίσεων. Οι διακοπές των εργασιών αυξάνουν σημαντικά τις δυνάμεις εκκίνησης. Η πρώτη αύξηση της δύναμης εκκίνησης παρατηρείται στα 36.3 m, και αποδίδεται σε τριήμερο παύσης εργασιών. Όταν υπήρχε διακοπή των εργασιών για κάποιο χρονικό διάστημα όσο μικρό και αν ήταν αυτό, λόγω του βάρους των σωλήνων και της παρουσίας νερού στη πορεία του περάσματος το σύστημα ασπίδαςσωλήνων «κόλλαγε» και γινόταν δυσκολότερη η προώθηση του. Αυτό μπορεί να παρατηρηθεί στο μήκος των 74.3 m, όπου διακόπηκαν οι εργασίες για 10 ημέρες. Τότε η δύναμη εκκίνησης έφθασε την τιμή των 5400 kn, ενώ η τιμή της δύναμης προώθησης έπεσε στα 3960 kn. Ομοίως, σε μήκος εκσκαφής 96.3 m, η τιμή της δύναμης εκκίνησης άγγιξε τα 4200 kn ενώ η δύναμη προώθησης τα 3600 kn, αφού είχε προηγηθεί διήμερη διακοπή εργασιών. Το ίδιο παρατηρείται και στα m, όπου αυξήθηκε αρκετά η δύναμη εκκίνησης και συγκεκριμένα έφτασε τα 6000 kn ύστερα από τετραήμερη καθυστέρηση λόγω επισκευής του μηχανήματος εκσκαφής. Βασική αιτία δημιουργίας αυξημένων δυνάμεων εκκίνησης και προώθησης είναι η ποιότητα του εδάφους σε συνδυασμό με την πτωχή υπερεκσαφή. Ως ιδανικό έδαφος για την εφαρμογή της υδραυλικής προώθησης μπορεί να θεωρηθεί εκείνο όπου μία επαρκής υπερεκσκαφή είναι αρκετή ώστε να αποτρέψει την κάθιση του εδάφους πάνω στο σωλήνα και την επακόλουθη αύξηση των τριβών. Όταν η υπερεκσκαφή είναι πτωχή και το έδαφος σκληρό οι αναπτυσσόμενες τριβές είναι υψηλές. Στη περίπτωση του μαλακού εδάφους το σημείο της πτωχής υπερεκσκαφής δύναται να λειαίνεται κατά τη προώθηση του συστήματος ασπίδας σωλήνων. Στο σκληρό πέτρωμα αυτό δεν είναι δυνατό. Η επίδραση της πτωχής υπερεκσκαφής στο μήκος που συναντήθηκε σκληρός σχηματισμός κατά τη διάνοιξη του περάσματος, μπορεί να παρατηρηθεί από το διάγραμμα του Σχήματος 5. Στο διάστημα μεταξύ m συνέβη καταστροφή της πλάτης αντίδρασης. Έτσι μέρος της ισχύος προώθησης καταναλισκόταν στην υποχώρηση των στηρίξεων των εμβόλων προώθησης. Λόγω της συνεχούς αύξησης των πιέσεων κρίθηκε απαραίτητη η ανακατασκευή της πλάτης αντίδρασης, που είχε ως αποτέλεσμα την επιστροφή των πιέσεων σε χαμηλότερες τιμές. Στο μήκος των m η δύναμη προώθησης ξεπέρασε τα 6000 kn με αποτέλεσμα να πραγματοποιηθεί επέμβαση στη μονάδα μεταφοράς ισχύος ώστε να επιτευχθούν δυνάμεις έως και 7000 kn. Οι τιμές των δυνάμεων προώθησης από το σημείο αυτό και ύστερα μπορεί να έχουν απόκλιση από τις πραγματικές τιμές της τάξης των kn, καθώς δεν είναι γνωστή η συμπεριφορά της μονάδας μεταφοράς ισχύος μετά τη ρύθμιση της. Στο διάστημα μεταξύ 66.3 m και 68.8 m οι δυνάμεις εκκίνησης και προώθησης παρουσιάζουν μια αύξηση της τάξης των 360 kn. Στο σημείο αυτό εντοπίσθηκε απόκλιση από τη πορεία σχεδιασμού της σωλήνωσης. Εν τούτοις η επόμενη τιμή της δύναμης προώθηση που λήφθηκε στα 71.3 m ήταν μικρότερη αυτής των 68.8 m. Μία δεύτερη απόκλιση εντοπίσθηκε στα m. Οι αποκλίσεις αυτές συνέβαλαν με τη σειρά τους στην αύξηση των δυνάμεων προώθησης. 3.3 Διατμητική αντίσταση του εδάφους. Η ικανότητα του συστήματος προώθησης, που επιλέχθηκε με βάση την πρότερη εμπειρία από τη διάνοιξη αγωγών σε παρόμοιες γεωλογικές συνθήκες, ήταν 500 bar ή 6000 kn. Το σύστημα αυτό έπρεπε να εξασφαλίσει την προώθηση των σωλήνων, εξωτερικής διαμέτρου 1490 mm σε ένα συνολικό μήκος 147 m. Συνεπώς, η μέση διατμητική αντίσταση f στην εξωτερική επιφάνεια των σωλήνων, η οποία υπολογίζεται ως ο λόγος των δυνάμεων προώθησης προς την εξωτερική επιφάνεια της σωλήνωσης, δεν έπρεπε να υπερβαίνει τα 8.7kPa. Για τα πρώτα 20 m διάνοιξης του αγωγού, η οποία πραγματοποιείται σε στεγνές συνθήκες, παρατηρείται από το διάγραμμα του Σχ. 5 αύξηση των δυνάμεων προώθησης με κλίση j 1 =18.8 kn/m, από την οποία προκύπτει μία μέση διατμητική αντίσταση f 1 =j 1 /(πd e )=4.0 kpa. Εξετάζοντας την τιμή αυτή ως προς τη δεύτερη υπόθεση εφαρμόζεται η σχέση (1) αντικαθιστώντας σε αυτή τις γνωστές τιμές των j=j 1 =18.8 kn/m και w t /l t =14.7 kn/m, από όπου 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 7

8 προκύπτει η σχέση: C[kN/m] = c b= tanδ (3) Εάν θεωρηθεί ότι η αντίσταση του εδάφους οφείλεται αποκλειστικά στην τριβή προκύπτει τιμή του συντελεστή τριβής tanδ=1.3, που είναι πολύ υψηλότερη σε σχέση με αυτή που προτείνουν οι Stein et. al. (1989) σύμφωνα με τον Πίνακα 1. Αντίστοιχα, εάν η διατμητική αντίσταση οφείλεται αποκλειστικά στη συνάφεια της διεπιφάνειας εδάφουςσωλήνωσης, τότε προκύπτει τιμή της συνάφειας αυτής kpa, που είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με την τιμή της συνάφειας που υπολόγισαν οι Milligan and Norris (1999) με χρήση της δεύτερης υπόθεσης, για την περίπτωση διάνοιξης ενός αγωγού σε παρόμοιες συνθήκες. Στο διάστημα μεταξύ m η κλίση αύξησης των δυνάμεων προώθησης λαμβάνει τιμή j 2 =39.6 kn/m, που αντιστοιχεί σε μία μέση τιμή διατμητικής αντίστασης f 2 =8.5 kpa. Η τιμή αυτή εμπίπτει στο εύρος τιμών που προτείνει η Pipe Jacking Association (1995) για αργίλους. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η επιλογή της τεχνικής της υπόγειας προώθησης σωλήνων για τη διάνοιξη αγωγού ομβρίων υδάτων κάτω από την αστική περιοχή της Βάρης ελαχιστοποίησε τις ανεπιθύμητες επεμβάσεις σε υφιστάμενες υποδομές, καθώς και τις οχλήσεις στις γειτονικές περιοχές. Η παρακολούθηση όλων των φάσεων διάνοιξης του αγωγού έδωσε την δυνατότητα εξαγωγής χρήσιμων συμπερασμάτων για τις παραμέτρους που συντελούν στην επιτυχία της μεθόδου και για τα απρόβλεπτα προβλήματα που μπορεί να συναντηθούν. Σημαντικό στοιχείο αποτελούν οι δυνάμεις που απαιτούνται για την προώθηση της σωλήνωσης. Αυτές, επηρεάζονται τόσο από τις διαστάσεις του αγωγού, όσο και από ένα πλήθος παραγόντων όπως η ποιότητα του εδάφους, η παρουσία υπόγειου νερού, η μέθοδος εκσκαφής, οι τυχόν αποκλίσεις του αγωγού από την ευθυγραμμία κλπ. Η καταγραφή και επεξεργασία των δυνάμεων προώθησης, που απαιτήθηκαν στο υπό εξέταση έργο, παρείχαν χρήσιμα στοιχεία για την επίδραση παραγόντων όπως η παρουσία του υπόγειου νερού, οι διακοπές εργασιών, η εμφάνιση σκληρών σχηματισμών και οι δημιουργούμενες αποκλίσεις της χάραξης. Πληρέστερη εικόνα θα μπορούσε να παράσχει ένα σύστημα παρακολούθησης των αντιστάσεων κατά μήκος της σωλήνωσης, που θα έδινε τη δυνατότητα λήψης των κατάλληλων μέτρων για τη μείωση των αντιστάσεων στην προώθηση του σωλήνα. 5. ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ Κύριος του έργου είναι το ΥΠ.Ε.ΧΩ.ΔΕ. Μελετητής του έργου είναι ο Γ.Α. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ. Ανάδοχος του έργου είναι η «ΕΛΤΕΡ Α.Τ.Ε.-ΘΟΛΟΣ Α.Ε.». Υπεργολάβος κατασκευής pipe jacking η «ΕΔΡΑΣΗ Χ. ΨΑΛΛΙΔΑΣ Α.Τ.Ε.» 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Craig, R.N. (1983), Pipe Jacking: a state of the art review,ciria,technical Note 112, London, UK. Milligan, G.W.E. and Norris, P.M. (1999). "Pipe soil interaction during pipe jacking". Proceedings I.C.E., Geotechnical Engineering, 137(1), pp Pellet-Beaucour, A.L. and Kastner, R. (2002), Experimental and analytical study of friction forces during microtunneling operations. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 17, pp Pipe Jacking Association (1995), An introduction to pipe jacking and microtunnelling design, London, UK. Σακκάς, Κ.Γ. (2005), Διάνοιξη μικροσηράγγων στην Ελλάδα, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Τομέας Μεταλλευτικής, Ελλάδα. Σοφιανός, Α.Ι. (2005), Τεχνικές διάνοιξης σηράγγων, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, Ελλάδα, σ Sofianos, A.I., Loukas P. and Chantzakos Ch. (2004), Pipe Jacking a sewer under Athens. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 19, pp Stein, D., Mollers, K. and Bielecki, R. (1989), Microtunnelling. W. Ernst und Sohn, Berlin, pp ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 8