Μεθοδολογίες και φορτίσεις σχεδιασµού της τελικής επένδυσης σηράγγων. Παρουσίαση στοιχείων από σήραγγες της Εγνατίας Οδού.

Transcript

1 Μεθοδολογίες και φορτίσεις σχεδιασµού της τελικής επένδυσης σηράγγων. Παρουσίαση στοιχείων από σήραγγες της Εγνατίας Οδού. Π.Ι. Φορτσάκης Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, Υποψήφιος ιδάκτοράς ΕΜΠ. Τοµέας Γεωτεχνικής. Κ.Α. Μαγκανάς Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, Μεταπτυχιακός Φοιτητής ΕΜΠ. Μ.I. Καββαδάς Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ. Τοµέας Γεωτεχνικής. Λέξεις κλειδιά: Σήραγγες, τελική επένδυση, σχεδιασµός, γεωτεχνικές συνθήκες ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η παρούσα εργασία διερευνά τη διαφορετικότητα στις εφαρµοζόµενες µεθόδους υπολογισµού των φορτίσεων που ασκούνται στην τελική επένδυση σηράγγων και τη συσχέτιση των γεωτεχνικών παραµέτρων του γεωυλικού µε το στατικό πάχος σκυροδέµατος και τον οπλισµό που προτείνεται σε επίπεδο µελέτης, µέσα από περιπτώσεις σηράγγων της Εγνατίας Οδού. Η διαφορετικότητα αυτή οφείλεται, κυρίως, στην έλλειψη ευρέως αποδεκτής θεωρητικής προσέγγισης για τον υπολογισµό των φορτίων της τελικής επένδυσης από το περιβάλλον γεωυλικό. Οι διαθέσιµες εµπειρικές και αναλυτικές σχέσεις δεν µπορούν να ποσοτικοποιήσουν µε τρόπο ικανοποιητικό την αλληλεπίδραση µεταξύ γεωυλικού και κατασκευής, µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει η αναµενόµενη συσχέτιση µεταξύ των γεωτεχνικών συνθηκών και της αντοχής της τελικής επένδυσης, όπως διαπιστώνεται από τις σήραγγες που εξετάστηκαν. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συµβατική µέθοδος διάνοιξης και υποστήριξης σηράγγων περιλαµβάνει δύο κύριες κατασκευαστικές φάσεις. Αρχικά, µε τη διάνοιξη, τοποθετούνται τα µέτρα άµεσης υποστήριξης τα οποία περιλαµβάνουν, κυρίως, εκτοξευόµενο σκυρόδεµα, αγκύρια βράχου και µεταλλικά πλαίσια, σε διάφορους συνδυασµούς, ενώ έπεται η κατασκευή της τελικής επένδυσης της σήραγγας µε την οποία διαµορφώνεται η διατοµή λειτουργίας. Η λογική διαστασιολόγησης και οι απαιτήσεις της κάθε φάσης είναι διαφορετικές. Η άµεση υποστήριξη στοχεύει στην αποτροπή των µετακινήσεων κοντά στο µέτωπο διάνοιξης και στην προστασία του προσωπικού και των µηχανηµάτων κατά τη διάρκεια των εργασιών διάνοιξης δηµιουργώντας ένα ασφαλές περιβάλλον εργασίας, ενώ παράλληλα περιγράφει τη θέση τοποθέτησης της τελικής επένδυσης. Σκοπός της τελικής επένδυσης στις σήραγγες είναι η ανάληψη των φορτίσεων που αναµένεται να προκύψουν στην τεχνική διάρκεια ζωής του έργου, η επίτευξη αποδεκτού επιπέδου ασφάλειας και η ικανοποίηση των απαιτήσεων λειτουργικότητας και αισθητικής. Η ιδιαιτερότητα που παρουσιάζει η τελική επένδυση οφείλεται στο γεγονός ότι αποτελεί συγχρόνως έργο τόσο γεωτεχνικής όσο και δοµοστατικής φύσης, επειδή φορτίζεται από το περιβάλλον γεωυλικό µε ένταση που εξαρτάται από την αλληλεπίδραση του µε την άµεση υποστήριξη αλλά και µε την ίδια την τελική επένδυση (π.χ. ακαµψία και χρόνος κατασκευής). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 1

2 2 ΦΟΡΤΙΑ ΤΗΣ ΤΕΛΙΚΗΣ ΕΠΕΝ ΥΣΗΣ Ο καθορισµός των φορτίων που αναλαµβάνει η τελική επένδυση σε µία σήραγγα είναι µία σύνθετη διαδικασία, για την οποία µέχρι σήµερα δεν υπάρχει µία ευρέως αποδεκτή µέθοδος (US Department of Transportation, 1983). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα φορτία που προέρχονται από το περιβάλλον γεωυλικό δεν είναι µονοσήµαντα καθορισµένα, αλλά είναι αποτέλεσµα της αλληλεπίδρασης του συστήµατος γεωυλικού µέτρα άµεσης υποστήριξης τελική επένδυση και εξαρτώνται από το χρόνο. Στη συνέχεια γίνεται αναλυτική παρουσίαση και σχολιασµός των φορτίων που αναλαµβάνει η τελική επένδυση των σηράγγων και πρέπει να λαµβάνονται υπόψη στο σχεδιασµό. 2.1 Φορτία από το περιβάλλον γεωυλικό Η φόρτιση της τελικής επένδυσης από το περιβάλλον γεωυλικό, πέραν των φορτίων που αρχικά είχαν αναληφθεί από τα µέτρα άµεσης υποστήριξης, οφείλεται κυρίως στα φαινόµενα της διόγκωσης και του ερπυσµού του γεωυλικού εκ των διατµητικών τάσεων από τη διάνοιξη της σήραγγας. Ερπυσµός είναι το φαινόµενο της συνεχούς αύξησης των παραµορφώσεων του γεωυλικού υπό σταθερό εντατικό πεδίο. Η κατασκευή, όµως, της τελικής επένδυσης παρεµποδίζει την εκδήλωση των µακροχρόνιων παραµορφώσεων, µε αποτέλεσµα τη συνεχή και αυξανόµενη φόρτισή της. Έντονη ερπυστική συµπεριφορά παρουσιάζουν κυρίως τα εδαφικά υλικά και οι µαλακοί ή αποσαθρωµένοι βράχοι. Το µέγεθος των φορτίων λόγω ερπυσµού εξαρτάται από τα µηχανικά χαρακτηριστικά του γεωυλικού και το ύψος υπερκειµένων, καθώς και το χρόνο κατασκευής της τελικής επένδυσης (Καββαδάς, 24). Το φαινόµενο της διόγκωσης παρουσιάζεται σε ορισµένους αργιλικούς εδαφικούς σχηµατισµούς ή σε βραχόµαζες µε µεγάλη περιεκτικότητα σε ορισµένα αργιλικά ορυκτά. Η εκσκαφή της σήραγγας προκαλεί µείωση της µέσης τάσης στην πλαστική περιοχή και ανάπτυξη αρνητικής πίεσης πόρων µε αποτέλεσµα την απορρόφηση ποσότητας ύδατος από το γεωυλικό και τη διόγκωσή του. Εφόσον η κατασκευή της τελικής επένδυσης δεν επιτρέπει την εξέλιξη του φαινοµένου, παρατηρείται ανάπτυξη πιέσεων του γεωυλικού σε αυτή. 2.2 Φορτία από τα µέτρα άµεσης υποστήριξης Τα φορτία που αναλαµβάνονται αρχικά από τα µέτρα άµεσης υποστήριξης, όπως είναι το εκτοξευόµενο σκυρόδεµα, τα αγκύρια και τα µεταλλικά πλαίσια, µεταφέρονται σταδιακά στην τελική επένδυση της σήραγγας µέσα στην τεχνική διάρκεια ζωής του έργου. Το ποσοστό των φορτίων που µεταφέρεται στην τελική επένδυση εξαρτάται από τις παραδοχές σχεδιασµού, τα χαρακτηριστικά των υλικών και τις γεωτεχνικές συνθήκες. Η φόρτιση της τελικής επένδυσης από τα αγκύρια οφείλεται κυρίως στη βαθµιαία αποφόρτισή τους µε το χρόνο λόγω παγίωσης της κεφαλής τους, σε περίπτωση που η σήραγγα διανοίγεται σε γεωυλικό µε ερπυστική συµπεριφορά και δευτερογενώς στη µακροχρόνια διάβρωσή τους, ενώ η φόρτιση από τα χαλύβδινα πλαίσια στην ανεπαρκή κάλυψη και στην επικράτηση δυσµενών γεωτεχνικών συνθηκών, όπως η διαβρωτική δράση του υπόγειου νερού σε όξινο περιβάλλον. Όσον αφορά στο εκτοξευόµενο σκυρόδεµα ο υπολογισµός του γίνεται µε θεώρηση συντελεστή ασφαλείας προσωρινού έργου. Επίσης, το εκτοξευόµενο σκυρόδεµα παρουσιάζει έντονη ερπυστική συµπεριφορά λόγω της ανάληψης µεγάλων φορτίων σε «νεαρή ηλικία» (Μπακογιάννης, 24) και του τρόπου κατασκευής του, καθώς εµπλουτίζεται µε επιταχυντές πήξης. Το φορτίο που µεταβιβάζεται από το εκτοξευόµενο σκυρόδεµα στην τελική επένδυση προκύπτει από τη διαφορά µεταξύ του συντελεστή ασφαλείας µόνιµου και προσωρινού έργου και από τη διαφορά µεταξύ του 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 2

3 ερπυσµού του οπλισµένου σκυροδέµατος της τελικής επένδυσης και του εκτοξευόµενου σκυροδέµατος. 2.3 Υδατικές πιέσεις Οι υδατικές πιέσεις στην τελική επένδυση της σήραγγας εξαρτώνται από τη θέση της σε σχέση µε τον υδροφόρο ορίζοντα, από τον τρόπο κατασκευής και από τη λειτουργία της σήραγγας. ιακρίνονται σε εξωτερικές όταν η σήραγγα βρίσκεται κάτω από τη στάθµη του υδροφόρου ορίζοντα (υδροστατικές πιέσεις, πιέσεις λόγω ροής ύδατος) και σε εσωτερικές σε περίπτωση που η σήραγγα λειτουργεί ως αγωγός νερού υπό πίεση. Συνήθως για την αποτόνωση των υδατικών πιέσεων κατασκευάζεται ειδικό σύστηµα αποστράγγισης µε γεωυφάσµατα, των οποίων όµως η αποτελεσµατικότητα µέσα στην τεχνική διάρκεια ζωής του έργου διακατέχεται από µεγάλη αβεβαιότητα. 2.4 Σεισµική δράση Η συµπεριφορά των σηράγγων σε σεισµό εξαρτάται κυρίως από την ακαµψία της σε σχέση µε το περιβάλλον γεωυλικό. Συνήθως το περιβάλλον γεωυλικό είναι πολύ «άκαµπτο» σε σχέση µε την τελική επένδυση της σήραγγας, µε αποτέλεσµα το έργο να παρακολουθεί την κίνηση του γεωυλικού, χωρίς την ανάπτυξη επιπλέον φορτίων (Καββαδάς, 25). Συνεπώς, η σεισµική φόρτιση των σηράγγων ανάγεται σε κινηµατική επιβολή των σεισµικών παραµορφώσεων του εδάφους (Κόλιας, 24), οι οποίες όµως παραλαµβάνονται ευχερώς από τους αρµούς της τελικής επένδυσης. Επίσης, πρέπει να σηµειωθεί ιδιαιτέρως η περίπτωση στην οποία ο σεισµός συνοδεύεται µε µόνιµες µετακινήσεις των σχηµατισµών που διασχίζει η σήραγγα. Το φαινόµενο αυτό µπορεί να συναντηθεί σε κλιτυοσήραγγες, όπου είναι πιθανή η δηµιουργία κατολίσθησης λόγω σεισµού και στις σήραγγες που διασχίζουν ενεργά ρήγµατα. 2.5 Μόνιµα φορτία Στα µόνιµα φορτία συµπεριλαµβάνονται το ίδιον βάρος της τελικής επένδυσης, τα φορτία από τον ηλεκτροµηχανολογικό εξοπλισµό, καθώς και τα φορτία από υφιστάµενες κατασκευές. 2.6 Κινητά φορτία Στην κατηγορία αυτή συµπεριλαµβάνονται τα φορτία έκρηξης και πρόσκρουσης οχήµατος σε περίπτωση οδικής ή σιδηροδροµικής σήραγγας. 2.7 Φορτία καταναγκασµού (επιβαλλόµενες παραµορφώσεις) Ως φορτία καταναγκασµού θεωρούνται η θερµοκρασιακές µεταβολές, καθώς και η συστολή ξήρανσης και ο ερπυσµός του σκυροδέµατος της τελικής επένδυσης. Στο σχεδιασµό τις τελικής επένδυσης λαµβάνονται υπόψη θερµοκρασιακές διαφορές µεταξύ εσωτερικής παρειάς και εξωραχίου της τελικής επένδυσης και θερµοκρασιακές µεταβολές στο σύνολο του έργου. Η συστολή ξήρανσης, και ο ερπυσµός του σκυροδέµατος λαµβάνονται υπόψη ως ισοδύναµη θερµοκρασιακές µεταβολές. 2.8 Μεταγενέστερες κατασκευές Φορτία από επιφανειακές ή υπόγειες κατασκευές που πρόκειται να πραγµατοποιηθούν. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 3

4 3 ΜΕΘΟ ΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ Τα στοιχεία που χρησιµοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία προέρχονται από µελέτες κατασκευής της τελικής επένδυσης σηράγγων ενός σύγχρονου έργου όπως η Εγνατία Οδός. Οι σήραγγες που επιλέχθηκαν είναι οδικές, αποτελούµενες από δύο κλάδους και δύο λωρίδες κυκλοφορίας ανά κλάδο, ενώ σε συγκεκριµένες περιπτώσεις χρησιµοποιείται τρίιχνη διατοµή για λειτουργικούς λόγους. Συγκεκριµένα έγινε έλεγχος 37 δίδυµων σηράγγων (περίπου 65% επί του συνόλου των σηράγγων της Εγνατίας Οδού) συνολικού µήκους ,87 m (περίπου 67% επί του συνολικού µήκους των σηράγγων της Εγνατίας Οδού). Οι επιλεχθείσες σήραγγες δεν συµπεριλαµβάνουν έργα εκσκαφής & επανεπίχωσης, αλλά µόνο σήραγγες υπόγειας διάνοιξης. Από την έρευνα, προέκυψαν στοιχεία για τις προτεινόµενες ποσότητες σκυροδέµατος και οπλισµού σε συνολικά 166 τυπικές διατοµές τελικής υποστήριξης. Οι διατοµές αυτές αποτελούν διατοµές του υπογείου έργου και όχι διατοµές υποστήριξης των περιοχών των στοµίων ή συνδετήριων στοών, καθώς αυτές αποτελούν ειδικές περιπτώσεις σχεδιασµού. Το σύνολο των µελετών για τις υπόψη σήραγγες είναι 38 (ΕΟΑΕ, ), καθότι για µια εκ των σηράγγων υπήρξε δεύτερη υποβολή µελέτης και ο αριθµός των διαφορετικών µελετητικών οµάδων που είχαν εκπονήσει τις µελέτες είναι 19. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η διαφορετικότητα της προσέγγισης της διαστασιολόγησης που εφαρµόζει η εκάστοτε µελετητική οµάδα, καθώς οι διακεκριµένες χρησιµοποιούµενες µέθοδοι ανέρχονται στις 2, ενώ υπάρχουν και µελέτες στις οποίες η διαστασιολόγηση του φορέα προκύπτει από συνδυασµό µεθόδων. 3.1 Μέθοδοι υπολογισµού των φορτίων από το περιβάλλον γεωυλικό επί της τελικής επένδυσης Κατά την έρευνα έγινε κατηγοριοποίηση των χρησιµοποιούµενων µεθόδων υπολογισµού των φορτίων από το γεωυλικό στην τελική επένδυση σηράγγων σε έξι (6) γενικές κατηγορίες, οι οποίες είναι: Εµπειρικές µέθοδοι Με βάση τις µεθόδους αυτές υπολογίζεται το φορτίο (κατακόρυφο και οριζόντιο) που ασκείται στην επένδυση των σηράγγων από το γεωυλικό µέσω σχέσεων που έχουν προκύψει εµπειρικά και περιλαµβάνουν ως κύριες παραµέτρους την ποιότητα του γεωυλικού και τις διαστάσεις της σήραγγας. Για την εκτίµηση των φορτίων γίνονται ορισµένες παραδοχές ανάλογα µε την εφαρµοζόµενη µεθόδου. Οι παραδοχές αυτές αφορούν κυρίως στο βάθος της σήραγγας, την ακαµψία της επένδυσης και την ενεργοποίηση του περιβάλλοντος γεωυλικού στην ανάληψη φορτίων. Σε αυτές τις µεθόδους συγκαταλέγονται η µέθοδος µέσω του δείκτη RMR (Bieniawski), η µέθοδος µέσω του δείκτη Q (Barton) καθώς και η εµπειρική µέθοδος Terzaghi. Αναλυτικές µέθοδοι Στις µεθόδους αυτές γίνεται θεώρηση ενός συγκεκριµένου τµήµατος του γεωυλικού, από το οποίο φορτίζεται η τελική επένδυση. Η τελική φόρτιση προκύπτει µέσω αναλυτικών σχέσεων, οι οποίες προκύπτουν από την επίλυση διαφορικών εξισώσεων και ως κύριες παραµέτρους, περιέχουν τα χαρακτηριστικά του γεωυλικού και τις διαστάσεις της σήραγγας. Σε αυτές τις µεθόδους συγκαταλέγεται η αναλυτική µέθοδος Terzaghi, κατά την οποία γίνεται υπολογισµός των φορτίων από το χαλαρωµένο υπερκείµενο γεωυλικό θεωρώντας ύψος επιρροής 2,5 φορές τη διάµετρο της σήραγγας, και η µέθοδος Protodyakonov κατά την οποία επιλέγεται παραβολική εδαφική µάζα που φορτίζει τη στέψη της σήραγγας. Αριθµητικές µέθοδοι µε προσοµοίωση του γεωυλικού Κατά τις αριθµητικές µεθόδους µε προσοµοίωση του γεωυλικού γίνεται χρήση πεπερασµένων στοιχείων για την προσοµοίωση της συµπεριφοράς του συστήµατος γεωυλικού, άµεσης υποστήριξης και τελικής επένδυσης.. Η κατασκευή της τελικής επένδυσης θεωρείται ως φυσική συνέχεια της εκσκαφής και τοποθέτησης των µέτρων άµεσης υποστήριξης και αποτελεί, ίσως, την πιο πλήρη προσέγγιση του προβλήµατος 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 4

5 Μεταφορά των φορτίων της άµεσης υποστήριξης Στην περίπτωση αυτή θεωρείται ότι η τελική επένδυση φορτίζεται µε τις τάσεις που αναπτύσσονται στη επιφάνεια εκσκαφής κατά το προηγούµενο στάδιο ισορροπίας, µετά την τοποθέτηση των διατοµών άµεσης υποστήριξης. Στις µελέτες που εξετάστηκαν διαπιστώθηκε ότι εφαρµόζεται η συγκεκριµένη µεθοδολογία, συχνά τα φορτία που υπολογίζονταν από την άµεση υποστήριξη προσαυξάνονταν µε βάση την εµπειρία του µελετητή. Νεκρό φορτίο πλαστικής ζώνης Η εκτίµηση του φορτίου στην τελική επένδυση της σήραγγας γίνεται µε βάση τη θεώρηση ότι το βάρος της ζώνης πλαστικοποίησης, η οποία προέκυψε από την εκσκαφή της σήραγγας µέσω αριθµητικών µεθόδων, µεταφέρεται ως νεκρό φορτίο στην τελική επένδυση. Εµπειρία του µελετητή Σε ορισµένες µελέτες τα τελικά φορτία προέκυπταν µε βάση την κρίση του µελετητή η οποία σχετίζεται µε εµπειρία από ήδη κατασκευασµένα τµήµατα της ίδιας σήραγγας ή άλλων σηράγγων σε παρόµοιες συνθήκες ή µε συνεκτίµηση των αποτελεσµάτων περισσότερων της µίας από τις παραπάνω αναφερθείσες µεθόδους. Στο Σχήµα 3-1 φαίνεται ιστόγραµµα, όπου αναδεικνύεται η διαφορετικότητα των εφαρµοζόµενων µεθόδων υπολογισµού των φορτίων του γεωυλικού στη µόνιµη επένδυση. Παρατηρείται µια προτίµηση των µελετητών στην εφαρµογή εµπειρικών µεθόδων και µεθόδων µεταφοράς των φορτίων της άµεσης υποστήριξης. Ο συνολικός αριθµός που προκύπτει είναι µεγαλύτερος του αριθµού των µελετών καθώς σε ορισµένες µελέτες έχουν εφαρµοστεί πάνω από µία µέθοδοι Αριθµός µεθόδων Εµπειρικές µέθοδοι Αναλυτικές µέθοδοι Αριθµητικές µέθοδοι µε προσοµοίωση του γεωυλικού Μεταφορά των φορτών της άµεσης υποστήριξης Νεκρό φορτίο πλαστικής ζώνης Εµπειρία του µελετητή Σχήµα 3-1: Μέθοδοι υπολογισµού των φορτίων από το περιβάλλον γεωυλικό στην τελική επένδυση σηράγγων της Εγνατίας Οδού 3.2 Συµµετοχή των µέτρων άµεσης υποστήριξης Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2.2, τα φορτία που παραλαµβάνουν τα µέτρα άµεσης υποστήριξης µειώνονται σταδιακά. Εποµένως, στο σχεδιασµό της τελικής επένδυσης υπάρχουν σοβαρές αµφιβολίες για το αν πρέπει να ληφθούν υπόψη και σε τι ποσοστό τα µέτρα άµεσης υποστήριξης. Όπως φαίνεται στο Σχήµα 3-2, στις µελέτες που εξετάστηκαν παρατηρείται µια γενική τάση πλήρους απενεργοποίησής τους, ενώ σε τρεις (3) εκ των µελετών ελήφθη στους υπολογισµούς µερική συµµετοχή των µέτρων άµεσης υποστήριξης και συγκεκριµένα του 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 5

6 εκτοξευόµενου σκυροδέµατος, η οποία υπολογιζόταν µε βάση εµπειρικές εκτιµήσεις του µελετητή. Ωστόσο είναι αναγκαίο να σηµειωθεί, ότι στο κεφάλαιο Β των Οδηγιών Σύνταξης Μελετών Εγνατίας Οδού (ΕΟΑΕ, 21) αναφέρεται ότι στο σχεδιασµό της τελικής επένδυσης πρέπει να γίνει θεώρηση πλήρους απενεργοποίησης των µέτρων άµεσης υποστήριξης Αριθµός µελετών Πλήρης απενεργοποίηση µέτρων άµεσης υποστήριξης Μερική απενεργοποίηση µέτρων άµεσης υποστήριξης Μη διαθέσιµα στοιχεία Σχήµα 3-2: Συµµετοχή των µέτρων άµεσης υποστήριξης στο σχεδιασµό της τελικής επένδυσης σηράγγων της Εγνατίας Οδού 3.3 Μέθοδοι προσοµοίωσης του ερπυσµού Όσον αφορά στις µεθόδους µε τις οποίες λαµβάνεται υπόψη από τους µελετητές ο ερπυσµός στο σχεδιασµός, διακρίνονται τρεις (3) διαφορετικές νοοτροπίες: Αποµείωση του µέτρου ελαστικότητας του γεωυλικού Η προσοµοίωση του φαινόµενου γίνεται µε αποµείωση του µέτρου ελαστικότητας του περιβάλλοντος γεωυλικού σε µία περιοχή συγκεκριµένης έκτασης γύρω από τη σήραγγα. Συνυπολογισµός στα φορτία του γεωυλικού Στην κατηγορία αυτή θεωρήθηκε ότι ανήκουν οι µελέτες στις οποίες γίνεται αναφορά στο φαινόµενο του ερπυσµού, αλλά τα φορτία υπολογίζονται µε κάποια εκ των προαναφερθέντων µεθόδων χωρίς περαιτέρω αποµείωση του µέτρου ελαστικότητας του γεωυλικού. Σε πολλές εκ των µελετών, το φαινόµενο του ερπυσµού δεν λαµβάνεται υπόψη, γεγονός που πιθανώς οφείλεται τόσο στη δυσχέρεια προσοµοίωσής του όσο και στην έλλειψη ευρέως αποδεκτής θεωρητικής προσέγγισης, όπως έχει προαναφερθεί. Αξίζει να σηµειωθεί ότι στις περισσότερες από αυτές τις περιπτώσεις τα χαρακτηριστικά του γεωυλικού και το ύψος των υπερκειµένων, δεν δικαιολογούν το γεγονός ότι το φαινόµενο του ερπυσµού δεν ελήφθη υπόψη στο σχεδιασµό. Στο Σχήµα 3-3 φαίνεται σχηµατικά η διαφορετικότητα στις προσεγγίσεις του φαινόµενου του ερπυσµού. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 6

7 Αριθµός µεθόδων Αποµείωση µέτρου ελαστικότητας Συνυπολογισµός στα φορτία του γεωυλικού. εν ελήφθη υπόψη στο σχεδιασµό Σχήµα 3-3: Μέθοδοι προσοµοίωσης του ερπυσµού του γεωυλικού στην τελική επένδυση σηράγγων της Εγνατίας Οδού 3.4 Υπολογισµός σεισµικών φορτίων στο σχεδιασµό Ιδιαίτερη ανοµοιοµορφία παρατηρήθηκε µεταξύ των µελετών και στην αντιµετώπιση των σεισµικών φορτίων κατά το σχεδιασµό, όπως φαίνεται στο Σχήµα 3-4. Στις περιπτώσεις που ελήφθησαν υπόψη τα σεισµικά φορτία στο σχεδιασµό, είτε πραγµατοποιήθηκε έλεγχος παραµορφώσεων µε κινηµατικές µεθόδους,, είτε έγινε θεώρηση θλιπτικών και εφελκυστικών τάσεων, λόγω της διέλευσης των σεισµικών κυµάτων, ο υπολογισµός των οποίων πραγµατοποιήθηκε µε βάση τα στοιχεία της ζώνης σεισµικής επικινδυνότητας του ΝΕΑΚ, που ανήκει το έργο Αριθµός µελετών Μελέτες στις οποίες ελήφθη υπόψη η σεισµική φόρτιση Μελέτες στις οποίες δεν ελήφθη υπόψη η σεισµική φόρτιση 1 Μη διαθέσιµα στοιχεία Σχήµα 3-4: Υπολογισµός σεισµικών φορτίων στο σχεδιασµό της τελικής επένδυσης σηράγγων της Εγνατίας Οδού 4 ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΛΙΚΗΣ ΕΠΕΝ ΥΣΗΣ Με βάση όσα παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 3, ο σχεδιασµός της τελικής επένδυσης σηράγγων γίνεται από τους µελετητές µε χρήση πολλών διαφορετικών µεθοδολογιών, όσον αφορά στον υπολογισµό των φορτίσεων από το γεωυλικό και στην προσοµοίωση του φαινοµένου του 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 7

8 ερπυσµού, καθεµία από τις οποίες έχει προκύψει µε διαφορετικές παραδοχές. Επίσης, πρέπει να αναφερθεί ότι κάθε εµπειρική σχέση έχει προκύψει από διαφορετικά δεδοµένα, τα οποία συνήθως προέρχονται από περιοχές και υλικά µε εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Για τη διερεύνηση της επίδρασης των διαφορετικών µεθοδολογιών στο σχεδιασµό γίνεται µία προσπάθεια να ποσοτικοποιηθούν µε ένα αντιπροσωπευτικό δείκτη οι γεωτεχνικές παράµετροι σχεδιασµού και τα προτεινόµενα µέτρα κάθε διατοµής τελικής επένδυσης από τις µελέτες των υπόψη σηράγγων. Προφανώς, οι διατοµές της τελικής επένδυσης που προτείνονται από τους µελετητές είναι αποτέλεσµα όλων των προαναφερθέντων φορτίσεων, στο κεφάλαιο 2. Επειδή, όµως, όλες οι φορτίσεις εκτός από αυτές που προέρχονται από το γεωυλικό είναι σχεδόν ή και εντελώς όµοιες για κάθε τυπική διατοµή µπορεί να θεωρηθεί ότι οι γεωτεχνικές συνθήκες είναι αυτές που αποτελούν τον παράγοντα εκείνο που θα διαφοροποιήσει τις προτεινόµενες διατοµές. Κάνοντας λοιπόν την παραδοχή, η οποία ελάχιστα απέχει από την πραγµατικότητα, ότι οι υπόλοιπες φορτίσεις αποτελούν κοινό σηµείο για όλες τις σήραγγες, αναµένει κανείς η ποσότητα των µέτρων υποστήριξης να παρουσιάζει σαν γενική τάση µία φθίνουσα πορεία µε τη βελτίωση των γεωτεχνικών παραµέτρων σχεδιασµού. 4.1 Γεωτεχνικές συνθήκες Από τις διαθέσιµες µελέτες σχεδιασµού τελικής επένδυσης ελήφθησαν τεχνικογεωλογικές και γεωτεχνικές παράµετροι σχεδιασµού των διατοµών τελικής επένδυσης. Τελικά, ως αντιπροσωπευτικός δείκτης των γεωτεχνικών συνθηκών για κάθε διατοµή επελέγη ο λόγος σ cm /p o, όπου σ cm είναι η αντοχή του γεωυλικού σε µονοαξονική θλίψη και p o οι γεωστατικές τάσεις στο επίπεδο της σήραγγας. Η επιλογή του συγκεκριµένου λόγου ως αντιπροσωπευτικού δείκτη έγινε διότι µέσω αυτού γίνεται ποσοτικοποίηση τόσο των µηχανικών χαρακτηριστικών του γεωυλικού, όσο και του µεγέθους των φορτίων που εφαρµόζονται στην περιοχή της σήραγγας. Όσο µικρότερη είναι η τιµή του λόγου τόσο πιο δυσµενείς είναι οι γεωτεχνικές συνθήκες. Η αντοχή της βραχόµαζας σε µονοαξονική θλίψη υπολογίζεται µε βάση το κριτήριο αστοχίας Mohr-Coulomb από τη σχέση: σ = 2 c tan(45 + φ / 2) cm όπου c = συνοχή του γεωυλικού και φ = γωνία τριβής του γεωυλικού Οι γεωστατικές τάσεις υπολογίζονται από τη σχέση: p = γ h όπου γ = ειδικό βάρος υπερκείµενου γεωυλικού και h = ύψος υπερκειµένων 4.2 ιατοµές τελικής επένδυσης Από τις διαθέσιµες µελέτες ελήφθησαν στοιχεία για το πάχος των διατοµών τελικής επένδυσης (h) και για τη συνολική ποσότητα του οπλισµού κάθε διατοµής σε κιλά ανά µέτρο µήκους σήραγγας (Μ). Επισηµαίνεται ότι στην ποσότητα του οπλισµού συµπεριλαµβάνονται όλα τα είδη των οπλισµών που τοποθετούνται (διαµήκεις, περιφερειακοί, συνδετήρες, οπλισµοί θεµελίων). Στη συνέχεια έγινε προσπάθεια ποσοτικοποίησης των µεγεθών αυτών µέσω αντιπροσωπευτικών δεικτών. Τονίζεται ότι η προσπάθεια αυτή περιέχει πολλές παραδοχές και αβεβαιότητες, οι οποίες όµως είναι κοινές για όλες τις διατοµές. Εποµένως τα µεγέθη που προκύπτουν δεν έχουν αξία ως απόλυτα µεγέθη, αλλά µόνο ως µέτρο σύγκρισης µεταξύ των διατοµών. Τελικά οι αντιπροσωπευτικοί δείκτες που επιλέχθηκαν είναι οι εξής: Πάχος διατοµής τελικής επένδυσης (h) Ποσότητα οπλισµού διατοµής τελικής επένδυσης ανά µέτρο µήκους σήραγγας (M) (1) (2) 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 8

9 Πάχος διατοµής τελικής επένδυσης επί ποσότητας οπλισµού διατοµής τελικής επένδυσης ανά µέτρο µήκους σήραγγας (h M) Ισοδύναµα εντατικά µεγέθη αντοχής Για τον υπολογισµό των ισοδύναµων εντατικών µεγεθών αντοχής ακολουθήθηκε η εξής διαδικασία: Θεωρήθηκε τµήµα της σήραγγας πλάτους 1 µέτρου, για το οποίο είναι γνωστά το πάχος του και η ποσότητα του οπλισµού εντός αυτού σε κιλά. Στη συνέχεια υπολογίστηκε ο όγκος του οπλισµού και, διαιρώντας µε το µήκους του κυκλικού τµήµατος, το αντίστοιχο εµβαδόν τού. Το εµβαδόν αυτό θεωρήθηκε ότι είναι ισοµερώς κατανεµηµένο στην εσωτερική και εξωτερική στοιβάδα του φορέα ως περιφερειακός οπλισµός. Τέλος, υπολογίστηκαν τα ισοδύναµα εντατικά µεγέθή: Ισοδύναµη αξονική δύναµη αντοχής (Ν eq ) N eq = ( A c A s ) f cd + A s f yd (3) Ισοδύναµη ροπή αντοχής σε καθαρή κάµψη (M eq ) Ισοδύναµη συνολική ροπή αντοχής (Μ eq, tot ) M eq = N eq ( h / 8) + M eq (4) Το µέγεθος αυτό, αν και δεν έχει φυσικό νόηµα, χρησιµοποιήθηκε για να δώσει µία συνδυασµένη εικόνα, καθώς η αξονική δύναµη «ευνοεί» τις διατοµές µε µεγάλα πάχη και η ροπή αντοχής σε καθαρή κάµψη τις διατοµές µε µεγάλη ποσότητα οπλισµού. Ως µοχλοβραχίονας επιλέχτηκε το h/8 κατόπιν στατιστικής επεξεργασίας των αποτελεσµάτων έτσι ώστε τα δύο µεγέθη να έχουν περίπου ίση επίδραση στο τελικό µέγεθος Μ eq, tot. 4.3 Αποτελέσµατα αναλύσεων Αρχικά έγινε υπολογισµός των συντελεστών συσχέτισης του δείκτη γεωτεχνικών συνθηκών µε όλους τους δείκτες της τελικής επένδυσης. Τα αποτελέσµατα που προέκυψαν παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί: Πίνακας 1. Συντελεστές συσχέτισης δεικτών τελικής επένδυσης µε το λόγο σ cm /p Συντελεστές συσχέτισης µε σ cm /p o h M h M N eq M eq M eq,tot Παρατηρούµε, ότι όλοι οι συντελεστές συσχέτισης είναι αρνητικοί αλλά πάρα πολύ κοντά στο µηδέν. Το γεγονός ότι είναι αρνητικοί σηµαίνει ότι αύξηση του λόγου σ cm /p συνοδεύεται µε µείωση των δεικτών της τελικής επένδυσης. Το γεγονός, όµως, ότι η απόλυτη τιµή όλων των συντελεστών συσχέτισης είναι µικρότερη από.15, σηµαίνει ότι µε βάση τα δεδοµένα που χρησιµοποιήθηκαν στη ανάλυση, τα µεγέθη αυτά δε συσχετίζονται. Στη συνέχεια παρουσιάζονται και σχολιάζονται διαγράµµατα, στα οποία απεικονίζονται τα αποτελέσµατα των αναλύσεων. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 9

10 Ισοδύναµη ροπή αντοχής τελίκής επένδυσης (MNm) Αντοχή γεωυλικού/γεωστατικές τάσεις (σcm/po) Σχήµα 4-1: Συσχετισµός γεωτεχνικών συνθηκών µε ισοδύναµη συνολική ροπή αντοχής (Μ eq,tot ) της τελικής επένδυσης σηράγγων της Εγνατίας Οδού Είναι εµφανές από το Σχήµα 4-1, ότι δεν υπάρχει κάποια «λογική» στη µεταβολή του µεγέθους της ισοδύναµης ροπής αντοχής σε σχέση µε τις γεωτεχνικές παραµέτρου σχεδιασµού της κάθε διατοµής. Στο σηµείο αυτό πρέπει να επισηµανθεί ότι στο κεφάλαιο των Ο.Σ.Μ.Ε.Ο. (ΕΟΑΕ, 21) ορίζεται ελάχιστο πάχος τελικής επένδυσης ίσο µε 3-4cm ανάλογα µε το εµβαδόν της διατοµής της σήραγγας. Εποµένως, τα στοιχεία των διατοµών για γεωυλικά µε καλές ιδιότητες είναι σχεδόν βέβαιο ότι έχουν προκύψει, όχι µε βάση τα εντατικά µεγέθη των αναλύσεων αλλά µε βάση τις ελάχιστες απαιτήσεις του κανονισµού. Για το λόγο αυτό έγινε χωριστή έρευνα για τις διατοµές στις οποίες ο λόγος σ cm /p είχε τιµές µικρότερες από.5, δηλαδή οι γεωτεχνικές συνθήκες θεωρούνται πολύ δυσµενείς. Ισοδύναµη ροπή αντοχής τελίκής επένδυσης (MNm) Αντοχή γεωυλικού/γεωστατικές τάσεις (σcm/po) Σχήµα 4-2: Συσχετισµός γεωτεχνικών συνθηκών µε ισοδύναµη συνολική ροπή αντοχής (Μ eq,tot ) για διατοµές µε λόγο σ cm /p <.5 της τελικής επένδυσης σηράγγων της Εγνατίας Οδού 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 1

11 Παρατηρούµε ότι και στο σχήµα 4-2 υπάρχει πολύ µεγάλη διακύµανση των τιµών της συνολικής ισοδύναµης ροπής αντοχής. Για ίδιες τιµές του λόγου σ cm /p παρουσιάζονται τιµές της ροπής που διαφέρουν έως και 5%. Τέλος στο Σχήµα 4-3 παρουσιάζεται διάγραµµα του λόγου σ cm /p µε το γινόµενο του πάχους της διατοµής τελικής επένδυσης επί την ποσότητα του οπλισµού για δυσµενείς γεωτεχνικές συνθήκες, στο οποίο φαίνεται, επίσης, η πολύ µεγάλη διακύµανση των στοιχείων της τελικής επένδυσης. Γινόµενο πάχους τελικής επένδυσης και ποσότητας οπλισµού (m*kg/m) Αντοχή γεωυλικού/γεωστατικές τάσεις (σcm/po) Σχήµα 4-3 Συσχετισµός γεωτεχνικών συνθηκών µε γινόµενο πάχους τελικής επένδυσης και ποσότητας οπλισµού για διατοµές µε λόγο σ cm /p <.5 της τελικής επένδυσης σηράγγων της Εγνατίας Οδού 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η τελική επένδυση αποτελεί µία κατασκευή τόσο γεωτεχνικής όσο και δοµοστατικής φύσεως. Τα φορτία της τελικής επένδυσης δεν µπορούν να καθοριστούν µονοσήµαντα, καθώς είναι αποτέλεσµα της αλληλεπίδρασης του συστήµατος γεωυλικό - µέτρα άµεσης υποστήριξης - τελική επένδυση. Μέχρι σήµερα δεν υπάρχει µία ευρέως αποδεκτή µέθοδος για τον υπολογισµό των φορτίσεων και το σχεδιασµό της τελικής επένδυσης. Στις µελέτες τελικών επενδύσεων χρησιµοποιούνται κυρίως εµπειρικές ή αναλυτικές σχέσεις. Η αβεβαιότητα που υπάρχει στον τρόπο ανάλυσης φαίνεται και µέσα από τα στοιχεία των σηράγγων της Εγνατίας Οδού για τις µεθόδους που χρησιµοποιήθηκαν από τους µελετητές στο σχεδιασµό, όσον αφορά στα φορτία από το γεωυλικό, την προσοµοίωση του ερπυσµού, τα σεισµικά φορτία και τα µέτρα άµεσης υποστήριξης. Οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται δεν περιγράφουν ικανοποιητικά το φαινόµενο της αλληλεπίδρασης γεωυλικού κατασκευής και δεν παρέχουν επιστηµονικώς ορθά αποτελέσµατα, όσον αφορά στο µέγεθος των φορτίσεων µε αποτέλεσµα την πολύ µεγάλη διακύµανση στις ποσότητες των µέτρων τελικής υποστήριξης, όπως φαίνεται και από τα ποσοτικά στοιχεία που παρουσιάστηκαν στην εργασία. Επίσης, δεν θα µπορούσαν να θεωρηθούν ούτε ασφαλείς, ούτε οικονοµικές καθώς σε γεωυλικά µε έντονη ερπυστική συµπεριφορά υποεκτιµούν τις τιµές των φορτίσεων και σε γεωυλικά στα οποία ο ερπυσµός είναι αµελητέος υπερεκτιµούν τις τιµές των φορτίσεων. Ωστόσο, το γεγονός ότι µέχρι σήµερα οι αστοχίες σε τελικές επενδύσεις σηράγγων είναι ελάχιστες είναι µία σηµαντική ένδειξη ότι µάλλον τα µεγέθη που προκύπτουν από την εφαρµογή τους είναι υπερσυντηρητικά. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 11

12 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστίες εκφράζονται προς την Εγνατία Οδό Α.Ε. και στο ερευνητικό πρόγραµµα του Γεωτεχνικού Τοµέα του Ε.Μ.Π. µε τίτλο «Έρευνα επί της συµπεριφοράς των γεωυλικών κατά την κατασκευή των σηράγγων της Εγνατίας Οδού Α.Ε. και επί των παραγόντων διαµόρφωσης του τελικού κόστους κατασκευής.» για την υποστήριξή τους και την παραχώρηση των πρωτογενών στοιχείων. Επίσης, ιδιαίτερες ευχαριστίες εκφράζονται προς τον Καθηγητή κ. Παύλο Μαρίνο του Γεωτεχνικού Τοµέα της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών του ΕΜΠ για τις κριτικές παρατηρήσεις του. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ US Department of Transportation Design Recommendations for Concrete Linings of Transportation Tunnels Καββαδάς Μ. 24. Φόρτιση της µόνιµης επένδυσης σηράγγων από περιβάλλον έδαφος. Ανάλυση και διαστασιολόγηση µόνιµης επένδυσης σηράγγων. σελ Ελληνική Επιτροπή Σηράγγων & Υπογείων Έργων Καββαδάς Μ. 25. Σηµειώσεις σχεδιασµού υπογείων έργων. Εκδόσεις ΕΜΠ. Κόλιας Β. 24. Μόνιµη επένδυση σηράγγων. Ανάλυση και διαστασιολόγηση στην πράξη. Ανάλυση και διαστασιολόγηση µόνιµης επένδυσης σηράγγων. σελ Ελληνική Επιτροπή Σηράγγων & Υπογείων Έργων Μπακογιάννης Γ. 24. ράσεις, µέθοδοι και µοντέλα ανάλυσης µόνιµης επένδυσης σηράγγων. Ανάλυση και διαστασιολόγηση µόνιµης επένδυσης σηράγγων. σελ Ελληνική Επιτροπή Σηράγγων & Υπογείων Έργων Οδηγίες Σύνταξης Μελετών Έργων Οδοποιίας (Ο.Σ.Μ.Ε.Ο.). 21. EOAE Μελέτες σχεδιασµού τελικής επένδυσης σηράγγων Εγνατίας Οδού ΕΟΑΕ 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, Οκτωβρίου, 26 12