Οι Σήραγγες του Τμήματος Παναγιά-Ανήλιο της Ν.Σ.Γ. Καλαμπάκα- Ιωάννινα-Ηγουμενίτσα. Γενικές Αρχές Σχεδιασμού Σήραγγας σε Υψηλά Υπερκείμενα

Transcript

1 Οι Σήραγγες του Τμήματος Παναγιά-Ανήλιο της Ν.Σ.Γ. Καλαμπάκα- Ιωάννινα-Ηγουμενίτσα. Γενικές Αρχές Σχεδιασμού Σήραγγας σε Υψηλά Υπερκείμενα The Tunnels of Panagia-Anilio Section of the New Kalambaka-Ioannina- Igoumenitsa Railway. General Design Principals for Tunnel Design in High Overburden Gottfried Braun Thomas Marcher Ludwig Schwarz Ηλίας Μιχάλης ILF Consulting Engineers, Τμήμα σηράγγων, Υπεύθυνος Έργου ILF Consulting Engineers, Επικεφαλής Γεωτεχνικού Τμήματος ILF Consulting Engineers, Γεωλογικό Τμήμα, Τεχνικός Γεωλόγος Πολιτικός Μηχανικός Ε.Μ.Π., Εδαφομηχανικός, MSc, DIC ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Κατά μήκος του τμήματος Παναγιά Ανήλιο της νέας σιδηροδρομικής γραμμής Καλαμπάκας Ιωαννίνων Ηγουμενίτσας, προβλέπεται η κατασκευή τεσσάρων σηράγγων σε δυσμενές γεωλογικό περιβάλλον και μεταβλητό βάθος. Στην περιοχή επικρατεί το Οφιολιθικό Σύμπλεγμα και ο Πινδικός Φλύσχης. Το Οφιολιθικό Σύμπλεγμα βρίσκεται επωθημένο επί του Φλύσχη, δημιουργώντας μία εντόνως διαταραγμένη ζώνη σημαντικού πάχους. Η τεκτονική διαταραχή και η αποσάθρωση οδηγεί σε συνθήκες έντονης σύνθλιψης, δημιουργώντας πολύ δυσμενείς συνθήκες διάνοιξης. Στο άρθρο παρουσιάζονται πρακτικές και μεθοδολογίες εκτίμησης των δυσμενών εδαφικών συνθηκών με την εφαρμογή προηγμένων υπολογιστικών μεθόδων και τα αποτελέσματα της διερευνήσης λύσεων σχεδιασμού για να αντιμετωπίσουν τις δυσμενείς γεωτεχνικές συνθήκες. ABSTRACT : Along Panagia Anilio section of the new Kalampaka Ioannina Igoumenitsa railway, four tunnels are to be constructed in an adverse geo environment and under various depths. The area is dominated by the Ophiolithic Complex and the Pindos Flysch. The contact of the two units is highly disturbed with the Ophiolithic Complex being overthrust onto the Pindos Flysch, creating a thick thrust zone. Tectonic deformation and weathering result in severe squeezing ground, creating extremely difficult tunnelling conditions. The paper presents strategies and methodologies to evaluate the difficult ground conditions, applying state of the art techniques, and the results of the investigations in terms of tunnel design in order to handle the difficult underground conditions. 1. Γενική περιγραφή έργου Το υπό μελέτη τμήμα νέα Σ/Γ Καλαμπάκας Ιωαννίνων Ηγουμενίτσας ξεκινά πλησίον του Μαλακασίου και καταλήγει δυτικά του Ανηλίου και περιλαμβάνει, εκτός των άλλων, την κατασκευή 3 γεφυρών, μήκους 253 m, 154 m και 421 m και 4 σήραγγες μήκους 974 m (σήραγγα Σ19), 783 m (σήραγγα Σ22), 1,001 m (σήραγγα Σ23) και 10,353 m (σήραγγα Σ24) η οποία αποτελεί το αντικείμενο του παρόντος άρθρου και η οποία διασχίζει την Οροσειρά της Πίνδου με μέγιστο υπερκείμενο περί τα 900 m. Ο σχεδιασμός προβλέπει μονή σήραγγα δύο κατευθύνσεων. Η ταχύτητα σχεδιασμού είναι 160 χλμ/ώρ και η μέγιστη κλίση ορίζεται σε 17,5. Η μελέτη της σήραγγας βασίζεται στις αρχές της Νέας Αυστριακής Μεθόδου (NATM) και διαχειρίζεται, κατά θέσεις δυσμενείς συνθήκες διάνοιξης λόγω των υψηλών υπερκείμενων και των πτωχών συνθηκών βραχόμαζας. 2. Γεωλογία - Γεωτεχνικά Δεδομένα 2.1 Γεωλογία περιοχής έργου Η ευρύτερη περιοχή του έργου εντάσσεται στη Ζώνη της Πίνδου με κυρίαρχη γεωτεχνική ενότητα τον φλύσχη της Πίνδου ο οποίος εμφανίζεται υπό μορφή ιλυολίθων, ψαμμιτών ή κρο- 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 1

2 καλοπαγών, καθώς επίσης και χαρακτηριστικών εναλλαγών τους. Κατά τη νεοελληνική φάση, η Ζώνη της Πίνδου επωθήθηκε από το οφιολιθικό σύμπλεγμα το οποίο δημιουργήθηκε κυρίως στη διάρκεια του Ιουρασικού και αποτελείται από περιδοτίτες, δουνίτες και χαρτσβουργίτες, κατά θέσεις σερπεντινιωμένους, με παρεμβολές ιζηματογενών πετρωμάτων όπως σχιστοκερατόλιθοι. Από γεωλογικής άποψης, η σήραγγα μπορεί να διαιρεθεί σε δύο τμήματα. Από το μέτωπο εισόδου (χθ 44,769) έως τη χθ. 49,460 η σήραγγα διέρχεται εντός του οφιολιθικού συμπλέγματος οπότε και εισέρχεται στη ζώνη επώθησης με μέγιστο υπερκείμενο περί τα 815 m. Στη συνέχεια η σήραγγα εισέρχεται στην ιλυολιθική φάση του Φλύσχη έως τη χθ. 52,080 και ακολούθως στην ψαμμιτική φάση έως το μέτωπο εξόδου (Φωτογραφία 1). 2.2 Γεωτεχνική Έρευνα Οι γεωλογικές και γεωτεχνικές συνθήκες διάνοιξης διερευνήθηκαν με την εκτέλεση 19 γεωτρήσεων καθώς επίσης και μέσω της εκτέλεσης σημαντικού αριθμού επιτόπου και εργαστηριακών δοκιμών. Σχετικές λεπτομέρειες συνοψίζονται από τους Μιχάλης κ.α. (2010). Με βάση τα αποτελέσματα της γεωτεχνικής έρευνας προκύπτει η σύνθετη φύση των γεωλογικών και γεωτεχνικών συνθηκών κατά μήκος της σήραγγας. Οι συνθήκες βραχόμαζας μεταβάλλονται από συμπαγές, ανθεκτικό πέτρωμα έως πλήρως αποσαθρωμένο, εξαλλοιωμένο, πρακτικά εδαφοποιημένο υλικό. Οι ανωτέρω συνθήκες ενδέχεται να εμφανίζονται σε οποιοδήποτε βάθος και να μεταβάλλονται συχνά με αποτέλεσμα έντονα μεταβλητές και δυσμενείς συνθήκες διάνοιξης. 2.3 Γεωτεχνική αξιολόγηση Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της γεωτεχνικής έρευνας ακολουθεί τις οδηγίες OEGG (2006), δηλαδή καθορισμός τύπων βραχόμαζας, αξιολόγηση συμπεριφοράς βραχόμαζας και συμπεριφοράς συστήματος άμεσης υποστήριξης και επιλογή μέτρων άμεσης υποστήριξης. Με βάση τα αποτελέσματα της γεωτεχνικής έρευνας, η βραχόμαζα κατά μήκος της σήραγγας ταξινομήθηκε σε κατηγορίες και για την κάθε κατηγορία προσδιορίστηκαν χαρακτηριστικές παράμετροι με την εφαρμογή διαφόρων ημιεμπειρικών μεθόδων (Hoek & Diederichs (2006), Marinos & Hoek (2001), Μαρίνος κ.α. (2007) και Τσιαμπάος & Σαμπατακάκης (2004) και την κρίση Μηχανικού. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της γεωτεχνικής αξιολόγησης προέκυψε η κρισιμότητα προσδιορισμού του μέτρου Ελαστικότητας των διαφόρων τύπων/ κατηγοριών βραχομάζας, σε σχέση με τα υψηλά υ- περκείμενα. Οι λεπτομέρειες της εφαρμοζόμενης μεθοδολογίας και τα αποτελέσματα της αξιολόγησης συνοψίζονται από τους Μιχάλης κ.α. (2010). Με την ολοκλήρωση της ανωτέρω αξιολόγησης επιλέχθηκαν οι γενικές αρχές διάνοιξης της σήραγγας ανάλογα με τη συμπεριφορά των απαραίτητων συστημάτων άμεσης υποστήριξης και επιλέχθηκαν οι τυπικές διατομές άμεσης υποστήριξης της σήραγγας κατ αντιστοιχία με τις καθορισμένες κατηγορίες γεωμηχανικής συμπεριφοράς βραχομάζας. Στα παρακάτω κεφάλαια συνοψίζονται, ενδεικτικά, οι στρατηγικές που ακολουθήθηκαν προκειμένου για την εκτίμηση της κάθε κατηγορίας συμπεριφοράς της βραχομάζας και του συστήματος άμεσης υποστήριξης, έτσι ώστε να προκύψει ο προσδιορισμός των κατάλληλων τυπικών διατομών άμεσης υποστήριξης. 3. Αρχές Σχεδιασμού 3.1 Μελέτη Σήραγγας Σύμφωνα με τις προδιαγραφές του έργου, η διατομή της σήραγγας είναι μονής γραμμής δύο κατευθύνσεων. Εκ της ορισθείσης ταχύτητας σχεδιασμού του Έργου, προσδιορίζονται η βασική γεωμετρία της διατομής της σήραγγας. Για λόγους ασφαλείας, σε περίπτωση κινδύνου, προβλέπεται πεζοδρόμιο ελάχιστου πλάτους 1.20 m και καθαρού ύψους 2.20 m στη δεξιά πλευρά με συνεχές κιγκλίδωμα σε ύψος 1.3 m κατά μήκος του εσωραχίου της σήραγγας. Κάτω από το πεζοδρόμιο προβλέπεται κεντρικός σωλήνας πυρόσβεσης και πυροσβεστικοί κρουνοί (ανά 125 μ. στο πλευρικό τοίχωμα της σήραγγας. Η σιδ/κή επιδομή περιλαμβάνει στρωτήρες, πλάτους 3,4 μ. ενώ στη διατομή της τελικής επένδυσης προβλέπεται, για κατασκευαστικούς λόγους, επιφάνεια πλάτους 30 cm άνω της σιδηροτροχιάς. Για την αντιμετώπιση των αναμενόμενων συνθηκών σύνθλιψης της βραχόμαζας και την τήρηση των απαιτήσεων σχεδιασμού, εφαρμόζεται η διατομή τύπου 2, η οποία οδηγεί σε μικρότερο όγκος εκσκαφής και πάχος προσωρινής και τελικής επένδυσης. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 2

3 PINDOS FLYSCH OPHIOLITIC COMPLEX SANDSTONE DOMINATED SILTSTONE PERIDOTITE / SERPENTINITE Σχήμα 1. Γεωτεχνική μηκοτομή σήραγγας Σ24 Figure 1. Longitudinal section of Σ24 tunnel Το σύνολο του απαιτούμενου εξοπλισμού Η/Μ και λειτουργίας, εγκαθίσταται εντός της διατομής χωρίς περιορισμό της αναγκαίας περιοχής ασφαλούς κυκλοφορίας των συρμών. Ο σχεδιασμός της σήραγγας περιλαμβάνει την άμεση υποστήριξη εξ εκτοξευομένου σκυροδέματος και τη μόνιμη επένδυση από επί τόπου έγχυτο σκυρόδεμα. Μεταξύ αυτών των δύο επενδύσεων προβλέπεται η τοποθέτηση υδατοστεγούς μεμβράνης. Ανάλογα με τις ιδιότητες της περιβάλλουσας βραχομάζας προβλέπεται διατομή σήραγγας με επίπεδη πλάκα πυθμένα (τύπος 1), για καλές εν γένει γεωτεχνικές συνθήκες, και διατομή με ανεστραμμένο θόλο σταθερής καμπυλότητας (τύπος 2), για δυσμενείς γεωτεχνικές συνθήκες. cross section type 1 (good to fair ground conditions) SO±0.00 cross section type 2 (bad to worse ground conditions) Σχήμα 2. Διατομή Σήραγγας (τύποι 1 & 2) Figure 2. Tunnel cross section (type 1& 2) 0.65 Σε ήπιες συνθήκες σύνθλιψης, προβλέπεται η διατομή με μεγαλύτερη καμπυλότητα των πλευρικών τοιχωμάτων (τύπος 3A). Σε συνθήκες «ισχυρής» σύνθλιψης και μέγιστα υπερκείμενα προβλέπεται κυκλική διατομή (τύπος 3B). Στο παρακάτω Σχήμα 3 παρουσιάζεται ενδεικτική απεικόνιση της γεωμετρίας της διατομής. cross section type 3A (squeezing to bad ground conditions) SO±0.00 cross section type 3B (squeezing to worst ground conditions) 5.50 Σχήμα 3. Διατομή Σήραγγας (τύπος 3A& 3B) Figure 3. Tunnel cross section (type 3A& 3B) Στη διατομή τύπου 1, άνω της επίπεδης πλάκας πυθμένα διατάσσονται ρείθρα σκυροδέματος, τα οποία καλύπτουν τις εσχάρες καλωδίων και τον κεντρικό αγωγό πυρόσβεσης. Στους τύπους 2 και 3 τα ρείθρα αυτά κατασκευάζονται επάνω από το σκυρόδεμα πλήρωσης του ανεστραμμένου τόξου. 3.2 Πρόσθετες Απαιτήσεις Ασφαλείας Σύμφωνα με τα Ευρωπαϊκά Πρότυπα και τις Κατευθυντήριες Οδηγίες Ασφαλείας Σιδ/κών Σηράγγων, για σήραγγες με μήκος άνω των m θα πρέπει να σχεδιαστούν πρόσθε ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 3

4 τες έξοδοι κινδύνου πέραν των ανωτέρω προβλεπόμενων για θέματα ασφάλειας. Στην περίπτωση της σήραγγας Σ24 (10,353 m), προβλέπεται παράλληλη σήραγγα διαφυγής η οποία συνδέεται με την κυρίως σήραγγα με συνδετήριες στοές ανά 500 m. Η διατομή της σήραγγας διαφυγής είναι σχεδιασμένη για τη διάσωση επιβατών και τη λειτουργία διασωστικών οχημάτων. Εντός της διατομής των συνδετήριων στοών προβλέπεται η εγκατάσταση ηλεκτροστασίου για την ανεξάρτητη λειτουργία και τροφοδοσία του ηλεκτρικού δικτύου και δεξαμενή νερού πυρόσβεσης. Ο εξαερισμός της σήραγγας Σ24 επιτυγχάνεται μέσω των στομίων της σήραγγας διαφυγής και των συνδετηρίων σηράγγων. 4. Γεωτεχνικά Προσομοιώματα 4.1 Γενικά Το παρόν κεφάλαιο επικεντρώνεται στα γεωτεχνικά προσομοιώματα, που χρησιμοποιούνται για την Προμελέτη της άμεσης υ- ποστήριξης της σήραγγας S24. Για την μήκους 10χλμ σήραγγα Σ24 οι εξεταζόμενες διατομές κατανέμονται καθ' όλο το μήκος της σήραγγας έτσι ώστε να καλύπτουν τα ποικίλα ύψη υπερκειμένων και τις ποικίλες συνθήκες πετρωμάτων που απαντώνται. 4.2 Επί τόπου εντατικές συνθήκες Δεδομένης της απουσίας επιτόπου δοκιμών, γίνονται οι παρακάτω παραδοχές: ενδέχεται να εμφανιστούν υψηλότερες οριζόντιες επί τόπου καταπονήσεις, στην περιοχή του έργου. οι επί τόπου τάσεις δεν προέρχονται μόνο από το φορτίο των υπερκείμενων στρώσεων. Οι εγκλωβισμένες τάσεις λόγω των υψηλότερων υπερκείμενων στο παρελθόν και οι ποικίλες τεκτονικές κινήσεις συνέβαλαν στο σημερινό επί τόπου πεδίο τάσεων. Ιδιαίτερα τα πετρώματα με χαρακτηριστικά μεγάλης ακαμψίας και αντοχής τείνουν να διατηρούν τις εγκλωβισμένες τάσεις λόγω έντονης συμπίεσης ή / και των τεκτονικών δυνάμεων λόγω των κινήσεων του φλοιού της γης. Λόγω της έλλειψης δεδομένων, θεωρείται ότι οι κατακόρυφες τάσεις αυξάνονται γραμμικά με το βάθος (γεωστατική προσέγγιση). Το μέγεθος των οριζόντιων τάσεων θα υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον λόγο των οριζόντιων τάσεων προς τις κατακόρυφες τάσεις, δηλ. του συντελεστή «ωθήσεων γαιών» σε ηρεμία, Κ 0. Γίνονται οι παρακάτω παραδοχές για την προσομοίωση της επί τόπου εντατικής κατάστασης: η τιμή του Κ 0 σε λιγότερο συνεκτικούς σχηματισμούς του υπεδάφους θεωρείται ότι είναι στην περιοχή τιμών μεταξύ 0,5 1,0 οι υψηλές οριζόντιες τάσεις (Κ 0 2,0) περιορίζονται σε τμήματα με συνεκτική βραχόμαζα τιμές του Κ 0 οι οποίες συντελούν σε τάσεις υψηλότερες της αντοχής της βραχόμαζας, θεωρούνται μη ρεαλιστικές 4.3 Παραδοχές προσομοίωσης Μέθοδος σύγκλισης-αποτόνωσης Οι λύσεις «κλειστής» μορφής εξακολουθούν να έχουν μεγάλη σημασία για σκοπούς εννοιολογικού σχεδιασμού για την κατανόηση των φαινόμενων απόκρισης εκσκαφών σηράγγων. Μία από αυτές είναι η μέθοδος σύγκλισης αποτόνωσης. Πρόκειται για μία αναλυτική λύση αλληλεπίδρασης πετρώματος - υ- ποστήριξης, με βάση την ανάπτυξη μίας πλαστικής ζώνης στη βραχόμαζα η οποία περιβάλλει μία σήραγγα (Σχήμα 4). Σχήμα 4. Η φιλοσοφία της αλληλεπίδρασης εδάφους-κατασκευής μέσω της μεθόδου σύγκλισης-αποτόνωσης. Figure 4. Soil-structure interaction philosophy of the convergence-confinement method Το πλεονέκτημα τέτοιων μεθόδων είναι η α- πλότητα της προσέγγισης και η εξοικονόμηση χρόνου που προσφέρει η διαδικασία. Παρόλα αυτά, οι παραδοχές της εν λόγω μεθόδου, όπως η κυκλική σήραγγα και το υδροστατικό πεδίο τάσεων, περιορίζουν αυτές τις μεθόδους κυρίως σε αρχικά στάδια μελετών. Με βάση τις οριακές συνθήκες των 3 διατομών της σήραγγας Σ24 μπορεί να δει κανείς ότι ικανοποιητικές συνθήκες ισορρο- 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 4

5 πίας της ακτινικής σύγκλισης της εκσκαφής της σήραγγας επιτυγχάνεται για τις διατομές I και II χωρίς ειδικά στοιχεία υποστήριξης (Σχήμα 5). Μόνο η διατομή III χαρακτηρίζεται από έντονα θλιπτικές συνθήκες και κατά συνέπεια θα πρέπει να σχεδιαστεί ειδική υποστήριξη σήραγγας. Σαν πιθανή μέθοδος κατασκευής άμεσης υποστήριξης προτάθηκε να συμπεριληφθούν «διαρρέοντα στοιχεία, τα οποία θα αναλάμβαναν τις αναμενόμενες υψηλές παραμορφώσεις χωρίς υπέρμετρη καταπόνηση. Σχήμα 5. Μέθοδος σύγκλισης αποτόνωσης για τις διατομές I III της Σήραγγας Σ24. Figure 5. Convergence-confinement method for sections I-III of tunnel Σ Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων Οι υπολογισμοί πραγματοποιούνται μέσω συνεχούς προσομοιώματος διδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων. Για τις παρούσες διερευνήσεις, χρησιμοποιείται το λογισμικό Plaxis. Οι διαστάσεις του προσομοιώματος είναι αρκετά μεγάλες, έτσι ώστε οι συνοριακές του συνθήκες να μην επηρεάζουν την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Οι αρχικές συνοριακές συνθήκες του πλέγματος των πεπερασμένων στοιχείων είναι οι παρακάτω: το επάνω όριο είναι ελεύθερο, τα πλευρικά όρια διαθέτουν κατακόρυφες κυλίσεις και το κάτω όριο του προσομοιώματος είναι απόλυτα σταθερό. Η βραχομάζα διακριτοποιείται με συνεχή στοιχεία 15 κόμβων, τα οποία χρησιμοποιούν τον ελαστοπλαστικό καταστατικό νόμο Mohr- Coulomb για την περιγραφή της μη - γραμμικής συμπεριφοράς τάσεων - παραμορφώσεων της βραχομάζας. Η εκσκαφή μίας σήραγγας γενικά οδηγεί σε μία σύνθετη εντατική κατάσταση στο μέτωπο της σήραγγας. Σε συγκεκριμένη απόσταση πίσω από το μέτωπο της σήραγγας, όπου έχει εφαρμοστεί η άμεση υποστήριξη, μπορούν να υποτεθούν συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης. Ωστόσο, η κατανομή των τάσεων και των παραμορφώσεων πλησίον του μετώπου της σήραγγας είναι τρισδιάστατη. Για τη μελέτη των μέτρων άμεσης υποστήριξης, απαιτείται να γίνει η προσέγγιση της τρισδιάστατης συμπεριφοράς πλησίον του μετώπου, με χρήση διδιάστατων προσομοιωμάτων. Τα προσομοιώματα επίπεδης παραμόρφωσης παρουσιάζουν έντονη εξάρτηση από τον υποτιθέμενο βαθμό αποτόνωσης των τάσεων της βραχομάζας, κατά το χρόνο της ε- γκατάστασης της άμεσης υποστήριξης. Συνεπώς, είναι απαραίτητο να γίνει θεώρηση των παραμορφώσεων της βραχομάζας οι οποίες προηγούνται της ίδιας της εκσκαφής, π.χ. η προσομοίωση του λεγόμενου φαινομένου επιμερισμού του φορτίου. Για την αξιολόγηση της αποτόνωσης τάσεων της βραχομάζας έμπροσθεν του μετώπου της σήραγγας λόγω της εκσκαφής, χρησιμοποιείται η λεγόμενη μέθοδος ''β''. Η αρχική τάση (pk) η ο- ποία επενεργεί γύρω από την εκσκαφή της σήραγγας διαιρείται στη συνιστώσα (1-β) p k η οποία εφαρμόζεται στην ανυποστήρικτη σήραγγα έμπροσθεν του μετώπου και τη συνιστώσα β pk η οποία εφαρμόζεται στην υ- ποστηριζόμενη σήραγγα. Ο συντελεστής (1- ) αντιπροσωπεύει το συντελεστή αποτόνωσης τάσεων (Σχήμα 6). Ο συντελεστής αποτόνωσης τάσεων μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με τους Kielbassa et al. (1991). Το τμήμα των τάσεων οι οποίες επενεργούν στη βραχομάζα έ- μπροσθεν του μετώπου και το τμήμα το ο- ποίο επενεργεί στο σύστημα βραχομάζας άμεσης υποστήριξης, εξαρτάται από: α) το μέγεθος της εκσκαφής β) την ακαμψία της βραχομάζας και της άμεσης υποστήριξης και γ) το ανυποστήρικτο μήκος της εκσκαφής. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο υπολογισμός του συντελεστή αποτόνωσης τάσεων από τους Kielbassa et al. (1991) βασίζεται στη θεωρία Ελαστικότητας. Σε περίπτωση αστοχίας έμπροσθεν του μετώπου λόγω υ- ψηλού πεδίου αρχικών τάσεων, ο συντελεστής αποτόνωσης τάσεων αυξάνεται με βάση την εμπειρία και την κρίση του Μηχανικού. Το Σχήμα 7 απεικονίζει μία γραμμική αύξηση της ακαμψίας με το βάθος κατά τον Marcher (2010). Λόγω των παρατηρήσεων ότι το μέτρο E της βραχόμαζας αυξάνεται με το βάθος της σήραγγας (Asef at al., 2002) και ότι η εξάρτηση από το βάθος του μέτρου E είναι εντονότερη σε ασθενέστερες βραχόμαζες (Verman et al., 1997), η προσομοίωση των συνθηκών ασθενούς βραχόμαζας σε 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 5

6 συνδυασμό με υψηλά υπερκείμενα, γίνεται λαμβάνοντας υπόψη μία σχέση του μέτρου ελαστικότητας με το οριζόντιο πεδίο τάσεων. Η προσέγγιση βασίζεται στην εξής βασική παραδοχή: 3( t) 200 b (1) cj E 3( t) E 3( t 0) 3( t) b b e 0.18 Λόγω των υψηλών τάσεων που επενεργούν στη στάθμη της σήραγγας, η επένδυση θα πρέπει να είναι πιο εύκαμπτη ώστε να ανθίσταται σε υψηλότερες παραμορφώσεις. Συνεπώς, τοποθετούνται χαλύβδινα «διαρρέοντα» στοιχεία στην επένδυση εξ εκτοξευομένου σκυροδέματος, που μπορούν να αναλάβουν τις εφαπτομενικές παραμορφώσεις. Μόνο όταν κλείσει το κενό που σχηματίζεται από αυτά τα στοιχεία, δημιουργείται ένας ά- καμπτος δακτύλιος και η επένδυση έχει τη δυνατότητα να φέρει το προβλεπόμενο φορτίο. Σε μία πρώτη προσέγγιση, αυτά τα «διαρρέοντα» στοιχεία μπορούν να προσομοιωci cj (2) Σχήμα 7. Διατομή Σ24 με υψηλά υπερκείμενα Figure 7. Σ24 tunnel section under high overburden Το E 0 χρησιμοποιείται για τη βραχόμαζα κοντά στην επιφάνεια και κοντά στο άνοιγμα της σήραγγας (E MN/m²). Η επιφάνεια υψηλής παραμόρφωσης πλησίον της σήραγγας έχει οριστεί από την περιοχή χαλάρωσης σύμφωνα με τον Protodjakonov, που δίνει ύψος περίπου 60m. Η θεωρία του Protodjakonov βασίζεται στον απλό προσδιορισμό του φυσικού φαινομένου «θόλου» μέσα στη βραχομάζα (Σχήμα 8). Εκτός της περιοχής αυτής, οι επιπτώσεις των πλευρικών πιέσεων δίνουν μέγιστη τιμή του μέτρου Ελαστικότητας βραχομάζας E 1 =4000 MN/m². Τα στάδια υπολογισμού για την ανάλυση με τα ανώτατα υπερκείμενα (διατομή III) είναι τα εξής: 1. αρχικό γεωστατικό πεδίο 2. αποτόνωση τάσεων στο άνω τμήμα 3. τοποθέτηση αγκυρίων στο άνω τμήμα 4. αποτόνωση τάσεων σε αναβαθμίδα & πυθμένα 5. τοποθέτηση υποστήριξης στην αναβαθμίδα και τον πυθμένα (σκληρυμένο εκτοξευόμενο σκυρόδεμα) Σχήμα 6. Αποτόνωση τάσεων σε διδιάστατους υπολογισμούς πεπερασμένων στοιχείων Figure 6. Confinement of stesses in 2D finite elements calculations Σχήμα 8. Η θεωρία του Protodjakonov για την εκτίμηση της πίεσης πετρώματος Figure 8. Protodjakonov theory for estimation of rock mass pressure Το Σχήμα 7 απεικονίζει τη διατομή με υψηλά υπερκείμενα, θεωρείται ότι η αρχική εντατική κατάσταση δίνεται από βάρος υπερκειμένων ύψους περίπου 500m. Σχήμα 9. FE - διαρρέοντα στοιχεία Figure 9. F.E. Yielded elements 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 6

7 θούν με την καθυστέρηση της τοποθέτησης της επένδυσης εκτοξευόμενου σκυροδέματος, συνεπώς επιτρέποντας την παραμόρφωση του εδάφους χωρίς μεταβίβαση φορτίων στην επένδυση. Στο παρόν προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων, έχει πραγματοποιηθεί μία λεπτομερής ανάλυση των «διαρρεόντων» στοιχείων. Τα «διαρρέοντα» στοιχεία έχουν προσομοιωθεί σαν ειδικά στοιχεία δοκών με τις παρακάτω ιδιότητες: E=840 MPa, ισοδύναμη επιφάνεια: m², μέγ. αξονικό φορτίο: N pl = 1,05 MN. Αυτά τα στοιχεία έχουν συμπεριληφθεί στην επένδυση όπως υποδεικνύεται στο Σχήμα Σχόλια - Παρατηρήσεις Η μελέτη της επένδυσης εκτοξευόμενου σκυροδέματος πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα EC2. Εφαρμόστηκε επιμέρους συντελεστής ασφαλείας 1,35 σε όλα τα νεκρά φορτία και φορτία βραχομάζας. Οι τιμές των επιμέρους συντελεστών ασφαλείας ελήφθησαν m = 1.5 για οπλισμένο σκυρόδεμα και s =1.15 για τον χαλύβδινο οπλισμό. Οι υπολογισμένες μετακινήσεις της επένδυσης επιτρέπουν τον προσδιορισμό κριτηρίων παραμόρφωσης για τις επιμέρους τυπικές διατομές εκσκαφής και άμεσης υποστήριξης. 5. Εκσκαφή και άμεση υποστήριξη 5.1 Τύποι εκσκαφής και άμεσης υποστήριξης Η διάνοιξη των σηράγγων (κύριας και διαφυγής) και των συνδετηρίων σηράγγων προβλέπεται ότι θα γίνει με χρήση εκρηκτικών και εν μέρει εκσκαπτικών μηχανημάτων. Η διατομή εκσκαφής της κυρίως σήραγγας γενικά διαιρείται σε άνω τμήμα, βαθμίδα και ανεστραμμένο τόξο πυθμένα (όπου απαιτείται). Λόγω των αρχών NATM, διαφορετικές κατηγορίες εκσκαφής/ υποστήριξης έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να προσαρμόζονται στην επί τόπου συμπεριφορά της βραχόμαζας. Τα κριτήρια αντιστοίχησης των επιμέρους τύπων εκσκαφής/ άμεσης υποστήριξης είναι: Ο χρόνος αυτοϋποστήριξης της ανυποστήρικτης υπόγειας διατομής Η προσωρινή ευστάθεια της υποστηριζόμενης υπόγειας διατομής Για το χρόνο αυτοϋποστήριξης, βασικό κριτήριο είναι το μήκος βήματος εκσκαφής και το εμβαδόν της διατομής της εκσκαφής. Ένα κύριο στοιχείο της υποστήριξης της σήραγγας είναι η οπλισμένη αρχική επένδυση με εκτοξευόμενο σκυρόδεμα. Το πάχος κυμαίνεται από 10 cm έως 30 cm, ανάλογα με τη συμπεριφορά της βραχόμαζας και την α- παιτούμενη αντίσταση υποστήριξης της εκσκαπτόμενης διατομής της σήραγγας. Η συστηματική τοποθέτηση ηλώσεων αυξάνει την ευστάθεια της βραχόμαζας που περιβάλλει την εκσκαφή. Για τη αύξηση της α- ντοχής της επένδυσης από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα χρησιμοποιούνται πρόσθετα στοιχεία, όπως μεταλλικά πλέγματα, πλαίσια ή δικτυωτά πλαίσια, τα οποία ενσωματώνονται στην επένδυση του εκτοξευόμενου σκυροδέματος. Προβλέπεται επίσης η τοποθέτηση δοκών προπορείας για την προυποστήριξη της οροφής της σήραγγας. 5.2 Εκσκαφή και υποστήριξη σε συνθήκες σύνθλιψης της βραχομάζας Για το κεντρικό τμήμα της σήραγγας Σ24 ε- κτιμώνται έντονες θλιπτικές συνθήκες βραχομάζας εντός της διακριτής ζώνης ρήγματος του Φλύσχη της Πίνδου σε ύψος υπερκειμένων 800 m περίπου. Για σήραγγες μεγάλου βάθους, το δυναμικό σύνθλιψης των βραχομαζών μπορεί να είναι μεγάλης σημασίας για το εφικτό των εκσκαφών των σηράγγων. Ανάλογα με την αρχική εντατική κατάσταση γύρω από το άνοιγμα και την αντοχή της βραχόμαζας, η συμπίεση του πετρώματος οδηγεί σε ιδιαίτερα υψηλή σύγκλιση του τοιχώματος της σήραγγας. Για την κάλυψη αυτών των φαινόμενων και σύμφωνα με τα προβλεπόμενα από τη ΝΑΤΜ, προτείνεται η τοποθέτηση εύκαμπτης επένδυσης από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα με ενσωματωμένες σχισμές, εύκαμπτες χαλύβδινες ενισχύσεις και ηλώσεις υψηλού φορτίου μήκους 6 m και 8 m. Φωτογραφία 1. Κατασκευή σηράγγων σε συνθλίβον έδαφος (παράδειγμα) Photo 1. Tunnel construction in squeezing ground (example) Επιπλέον, τοποθετούνται χαλύβδινα «διαρρέοντα» στοιχεία (σε κύκλο στη Φωτογραφία 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 7

8 1) στις σχισμές του εκτοξευόμενου σκυροδέματος. 5.3 Μεθοδολογία εκσκαφής και υποστήριξης Τα έργα εκσκαφής και άμεσης υποστήριξης θα πραγματοποιηθούν μέσω των κατηγοριών εκσκαφής/ υποστήριξης σε αντιστοιχία με τις επικρατούσες γεωτεχνικές συνθήκες. Η επιλογή της κατάλληλης κατηγορίας θα γίνεται βάσει των περιβαλλουσών συνθηκών βραχομάζας. Σε συνδυασμό με τις εργασίες διάνοιξης και υποστήριξης απαιτείται η εκτέλεση συστηματικών μετρήσεων παραμορφώσεων της υποστηριζόμενης περιοχής της σήραγγας, προκειμένου να αξιολογηθεί η ευστάθεια της υποστήριξης της σήραγγας και η εντατική και παραμορφωσιακή συμπεριφορά της περιβάλλουσας βραχόμαζας. Αυτές οι πληροφορίες, σε συνδυασμό με την συστηματική γεωλογική χαρτογράφηση κατά την εκσκαφή, συνιστούν την μεθοδολογία για την εκτίμηση της επάρκειας της επιλεγόμενης κάθε φορά τυπικής διατομής εκσκαφής και υποστήριξης. Το παρακάτω σχήμα δίνει μία γενική περιγραφή της επάρκειας της εφαρμοζόμενης κατηγορίας υποστήριξης. ± 0 Δυσμενής απόκλιση Επ. συναγερμού: Δεν επαρκούν τα μέτρα υποστήριξης Επ. εγρήγορσης: απαιτούνται πρόσθετες έρευνες (μέτρα) Στάθμη 0: περιοχή επαρκούς υποστήριξης Ευνοϊκή απόκλιση Απαιτείται βελτιστοποίηση των μέτρων υποστήριξης Πρέπει να εφαρμοστούν αντίμετρα χρόνος ΧΘ σήραγγας Σχήμα 11. Αξιολόγηση των μέτρων υποστήριξης Figure 11. Support measures evaluation 6. Συμπεράσματα Το εξεταζόμενο τμήμα της υπό μελέτη νέας Σ/Γ Καλαμπάκας Ιωαννίνων Ηγουμενίτσας περιλαμβάνει εκτός των άλλων τη μεγαλύτερη σήραγγα (Σ24) της σιδ/κής γραμμής μήκους 10 km περίπου η οποία θα διανοιχθεί εντός της σύνθετης γεωλογικής δομής της οροσειράς της Πίνδου. Στο κεντρικό τμήμα της σήραγγας με ύψη υπερκειμένων άνω των 800 m, εκτιμάται η παρουσία της ζώνης επώθησης του Φλύσχη της Πίνδου με «πτωχές» συνθήκες βραχόμαζας και αναμένονται φαινόμενα έντονης σύνθλιψης κατά τη διάνοιξη. Το παρόν άρθρο παρουσιάζει τις γενικές αρχές σχεδιασμού της σήραγγας Σ24 και τα προτεινόμενα μέτρα εύκαμπτης υποστήριξης. Τέτοια μέτρα υποστήριξης έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία σε παρόμοιες συνθήκες βραχομάζας και σε άλλα σήραγγες στην Ευρώπη. 7. Βιβλιογραφία Asef, M. & Reddish, D.J Η επίδραση της τάσης περιορισμού στο μέτρου παραμόρφωσης της βραχόμαζας. Gèotechnique 52, No. 4: Hoek, E. and Diederichs, M.S. (2006). Εμπειρική εκτίμηση του μέτρου βραχόμαζας. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 43, pp Kielbassa, S. & Duddeck, D Πεδία τάσεων - παραμορφώσεων στο μέτωπο της σήραγγας τρισδιάστατη ανάλυση για δισδιάστατη τεχνική προσέγγιση στο: Rock Mechanics and Rock Engineering, 24, Marcher T Μερικές τεχνικές μοντελοποίησης για σήραγγες μεγάλου βάθους σε πέτρωμα με μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων συνεχούς μέσου. NUMGE Trindheim (προς δημοσίευση). Marinos, P. and Hoek, E. (2001). Εκτίμηση των γεωτεχνικών ιδιοτήτων ετερογενών βραχομαζών όπως ο φλύσχης. Bull. Eng. Geol. Env., Vol. 60, pp Marinos, P., κ.α., Δείκτης γεωλογικής αντοχής (GSI). Εργαλείο χαρακτηρισμού για την εκτίμηση των τεχνικών ιδιοτήτων βραχόμαζας. Underground Works under Special Conditions, eds: Romana, Perucho & Ollala, Taylor & Francis publ., pp.13-21, London(pb: ). Μιχάλης H. K. κ.α Οι σήραγγες του τμήματος Παναγιάς - Ανήλιου της νέας σιδ/ικής γραμμής Καλαμπάκας-Ιωαννίνων- Ηγουμενίτσας. Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της Γεωτεχνικής Έρευνας. OEGG (2006): Κατευθυντήρια οδηγία Γεωμηχανικών Μελετών υπόγειων έργων με συμβατική εκσκαφή. OEGG Salzburg. Τσιαμπάος Γ. και Σαμπατακάκης N. (2004), Θεωρήσεις επί της αντοχής ανέπαφων ι- ζηματογενών πετρωμάτων. Engineering Geology, Vol. 72, pp Verman, M., Singh, B., Viladkr, N., & Jethwa, J.L Επίδραση βάθους σήραγγας στο μέτρο παραμόρφωσης της βραχόμαζας. Rock Mech. Rock Eng. 30 (3): ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 8