ΜΑΘΗΜΑ: ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΥΔΡΟΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΕΣ: Β. ΧΡΗΣΤΑΡΑΣ, Καθηγητής Β. ΜΑΡΙΝΟΣ, Επ. Καθηγητής ΒΟΗΘΗΤΙΚΟ ΦΥΛΛΑΔΙΟ 8ης ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΙΤΛΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Αξιολόγηση τεχνικογεωλογικών συνθηκών κατά µήκος σήραγγας 1. ΣΚΟΠΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Σκοπός της άσκησης είναι η κατασκευή γεωλογικής τοµής σήραγγας από επιφανειακές εµφανίσεις και γεωτρήσεις. Ορισµός τεχνικογεωλογικών τύπων ενοτήτων. Εκτίµηση τεχνικογεωλογικής συµπεριφοράς (καταπτώσεις, συγκλίσεις, εισροές) κατά µήκος της σήραγγας. Προτάσεις για µέτρα υποστήριξης (ποιοτικά). Γενικές αστάθειες στις σήραγγες Χωρίζονται σε: i. Τασικές αστοχίες: Αστοχίες που προκαλούνται από ολόκληρο το δακτύλιο της βραχόµαζας γύρω από τη σήραγγα: περίπτωση βραχόµαζας µε πολύ φτωχά µηχανικά χαρακτηριστικά και µεγάλα υπερκείµενα. ii. Βαρυτικές αστοχίες: Αστοχίες που προκαλούνται από την ύπαρξη τοπικών ασθενών επιπέδων ασυνεχειών µε δυσµενή, ως προς το άνοιγµα της σήραγγας προσανατολισµό. a) ολίσθηση της βραχόµαζας κατά το επίπεδο ασυνεχειών µε τη δηµιουργία σφηνών (αλληλεπίδραση τεµνόµενων διακριτών ασυνεχειών). Σε σχετικά υγιείς βραχόµαζες στις οποίες υπάρχουν κυρίαρχα επίπεδα ασυνεχειών. b) Κατάπτωση τύπου καµινάδας (πολλά τεµάχη) ή καταρροή βραχόµαζας (συνεχής πτώση πολλών µικρών τεµαχών). Τύποι συµπεριφοράς της βραχόµαζας Ευσταθής Σφηνοειδείς ολισθήσεις αποκολλήσεις Παραµορφώσεις (µικρές ή µεγαλύτερες) µε την εκδήλωση διατµητικών αστοχιών σε ζώνη περιµετρικά της σήραγγας Εκτίναξη βράχων Καταρροή γεωυλικού Ροή γεωυλικού µε νερό Διόγκωση Ανισότροπες παραµορφώσεις Εκσαφή της σήραγγας σε φάσεις Βασικά µέτρα προσωρινής υποστήριξης σήραγγας Εκτοξευόµενο σκυρόδεµα (µαζί µε µεταλλικό πλέγµα και µεταλλικές ίνες οπλισµού. Αγκύρια βράχου Μεταλλικά πλαίσια Ελαφρά βλήτρα προπορείας (Spiles) Οµπρέλα βαριών δοκών προπορείας (Forepole umbrella) Προσωρινό ανάστροφο τόξο Αποστραγγιστικές και ανακουφιστικές οπές
2. ΚΛΕΙΔΙΑ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ Α. Κλειδιά άσκησης: i Γεωλογικό µοντέλο Β. Θεωρητικές γνώσεις για την επίλυση (Προσοχή: βρείτε τις αντίστοιχες διαφάνειες στην σχετική παρουσίαση!!!) 1. Ποιές οι µέθοδοι διάνοιξης σηράγγων; 2. Τι είναι η συµβατική µέθοδο διάνοιξης της σήραγγας; ii Τύπος βραχόµαζας (ανάλογα µε την λιθολογία, τον κερµατισµό, την αποσάθρωση και την περατότητα) iii Εκτίµηση συµπεριφοράς κατά µήκος σήραγγας: a. Γενικά: Βαρυτικές ή τασικές αστοχίες b. Ειδικά: Σφήνες, καταπτώσεις τύπου καµινάδας, καταρροή εδάφους, συγκλίσεις. 3. Ποια τα στάδια µελέτης µιας σήραγγας; 4. Ποιές οι µέθοδοι έρευνας κατά την µελέτη µιας σήραγγας; 5. Ποιοι οι µηχανισµοί αστοχίας σε µια σήραγγα; iv Εισροές υπογείων νερών: Ανάλογα µε την περατότητα και την στάθµη των υπογείων υδάτων σε σχέση µε τον άξονα της σήραγγας. v Μέτρα υποστήριξης στις σήραγγες: Ελαφριά µέτρα, µέτρια µέτρα, βαριά µέτρα υποστήριξης. 6. Τι πρέπει να προβλέπει ο γεωλόγος κατά µήκος µιας σήραγγας; 7. Ποιές παράµετροι αντοχής µας ενδιαφέρουν στον σχεδιασµό µιας σήραγγας; 8. Πως παρακολουθείτε η κατασκευή µια σήραγγας; Προσοχή: Στα πρανή έχουµε αντι-στήριξη Στις σήραγγες έχουµε υπο-στήριξη 9. Τι έρευνες κάνει ο Γεωλόγος για τα υπόγεια νερά σε µία σήραγγα; Στα φράγµατα έχουµε διαφυγές υπογείων υδάτων Στις σήραγγες έχουµε εισροές υπογείων υδάτων Στίς σήραγγες έχουµε καταπτώσεις και παραµορφώσεις Στα πρανή έχουµε κατολισθήσεις και καταπτώσεις βράχων Στις θεµελιώσεις έχουµε καθιζήσεις και θραύση εδάφους 10. Πότε έχουµε εισροές µέσα σε µία σήραγγα και πότε όχι;
3. ΒΗΜΑΤΑ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 1. Γεωλογικό µοντέλο Γενικά προσοχή σε: Στρωµατογραφική σειρά και αν δει ικανοποιείται τότε να ερµηνεύεται πάνω στην τοµή γιατί (π.χ. ρήγµα). Να διατηρούνται τα πάχη που έχουν δωθεί στην άσκηση Να διαβάσετε τις σηµειώσεις που συνήθως σας δίνουν βοήθειες-περιορισµούς για το πώς θα φτιάξεται το καταλληλότερο µοντέλο. Βήµατα συµπλήρωσης γεωλογικού µοντέλου: I. Φτιάξτε σε µία άκρη την σειρά των πετρωµάτων από το νεότερο στο αρχαιότερο. Δεδοµένο που θα δίνεται ή θα πρέπει γενικά να γνωρίζετε. Έτσι θα γνωρίζετε τη φυσιολογική σειρά των πετρωµάτων σε βάθος. Αν κάπου στα δεδοµένα (είτε επιφανείας είτε γεωτρήσεων) αυτή η σειρά έχει αλλάξει (π.χ. ένα αρχαιότερο πέτρωµα είναι πάνω από ένα νεότερο) τότε υπάρχει τεκτονική επαφή, όπως ένα ρήγµα. II. Βρίσκω τα όρια επαφές των πετρωµάτων (µε τα άλλα πετρώµατα). Χωρίς ακόµα να ενωθούν γραµµές ίδιων επιφανειών µεταξύ τους. Καθορισµός ορίων o Τα έχει χαρτογραφηµένα στην επιφάνεια o Τα δίνει στις γεωτρήσεις o Γνωρίζοντας µόνο µία επαφή από γεώτρηση (και όχι όλες), δηλαδή το άνω ή κάτω όριο ενός σχηµατισµού και παράλληλα το πάχος του. Έτσι µπορούµε να βρούµε το κάτω ή άνω όριο αντίστοιχα, δηλαδή που αρχίζει το άλλο σύµφωνο πέτρωµα. Σηµείωση: Αν δίνεται κάπου ότι υπάρχει ένα πέτρωµα χωρίς να δίνεται κάποιο όριο του, τότε αυτό αξιοποιείται ως δεδοµένο επαλήθευσης. Π.χ. Αν προεκτείνουµε από κάποιο άλλο σηµείο (που γνωρίζουµε σίγουρα-π.χ. γεώτρηση) µία επαφή, µε κλίση προς το σηµείο που γνωρίζουµε, το πέτρωµα είναι αυτό που περιµένουµε; III. Έλεγχος επαφών (επιφανειακές εµφανίσεις και γεωτρήσεις) των πετρωµάτων µε σκοπό βέβαια την προεκβολή και συνέχειά τους στο χώρο ώστε να συµπληρωθεί το γεωλογικό µοντέλο. Χωρίς ακόµα να ενωθούν γραµµές ίδιων επιφανειών µεταξύ τους. o Έλεγχος αν οι επαφές είναι σύµφωνα µε την στρωµατογραφική σειρά (σειρά αρχαιότητας) o Αν ΝΑΙ συνεχίζω o Αν ΌΧΙ πιθανώς στα ενδιάµεσα αυτά σηµεία να υπάρχει ένα ρήγµα και δεν µπορώ να προεκτείνω επαφές ίδιων πετρωµάτων (π.χ. ασβεστόλιθο µε ιλυόλιθο) και να τις ενώσω. Πρέπει να φέρω σύµφωνα µε άλλα πιθανά δεδοµένα κάποιο ρήγµα το οποίο οριοθετεί πλέον το µοντέλο σε περιοχές (τεµάχη) εκατέρωθεν του ρήγµατος. IV. Έλεγχος αν προεκτείνοντας τις γραµµές κοινών επαφών από γεωτρήσεις ή/και επιφανειακές εµφανίσεις, αυτές ταυτίζονται. Αν ΝΑΙ τότε τις ενώνω Αν ΌΧΙ τότε ενδιάµεσα στα σηµεία πληροφοριών υπάρχει τεκτονική επαφή ρήγµα και όχι κανονική συνέχεια ή πτύχωση (προσοχή όµως να κρατάτε το πάχος σταθερό). V. Άλλες σηµαντικές ενδείξεις τεκτονικής δράσης (πιθανή παρουσία ρήγµατος ή πτύχωσης): ο Σηµαντική αλλαγή κλίσης (>20 ). Πολύ πτωχή ποιότητα πετρωµάτων (αυτή θα δίνεται είτε ποιοτικά είτε αριθµητικά π.χ. RQD=0) VI. Πρώτα θα σχεδιάζεται το ρήγµα και έπειτα οι επαφές VII. VIII. Άλλες βασικές πληροφορίες για τη συµπλήρωση του γεωλογικού µοντέλου Αν δίνεται ότι οι γεωλογικές επιφάνειες είναι στο χώρο επίπεδες... Τότε σηµαίνει ότι τα πετρώµατα δεν µπορούν να είναι πτυχωµένα αφού πρέπει να διατηρούν σταθερή κλίση. Αν δεν το αναφέρει τότε δεν είναι απαραίτητη η παρουσία ρήγµατος για τη διατάραξη της σειράς των πετρωµάτων αλλά και µία πτύχωση αρκεί να διατηρείται σταθερό το πάχος. Άλλες βασικές πληροφορίες για τη συµπλήρωση του γεωλογικού µοντέλου Αν οι γεωλογικές επιφάνειες είναι πτυχωµένες δεν είναι απαραίτητη η παρουσία ρήγµατος για τη διατάραξη της σειράς των πετρωµάτων αλλά και µία πτύχωση αρκεί να διατηρείται σταθερό το πάχος. Προσοχή: Τα γεωλογικά στρώµατα διατηρούν σταθερή την παραλληλία µεταξύ τους ενώ η κλίση τους έχει αλλάξει λόγω των ρηγµάτων. Παρόλα αυτά, η κλίση διατηρείται σταθερή σε κάθε τέµαχος. Σηµείωση 1: Πρόκειται για πραγµατική περίπτωση (Σήραγγα Μοναστηρίου, Υδαταγωγού Μόρνου) όπου έγιναν οι απαραίτητες απλουστεύσεις για τους εκπαιδευτικούς σκοπούς της άσκησης.
3. ΒΗΜΑΤΑ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 2. Καθορισµός τύπων βραχόµαζας Γενικά Πρέπει να βασιστεί στην οριοθέτηση των παραµέτρων (αντοχής και παραµορφωσιµότητας) εκείνων όπου καθορίζουν τη συµπεριφορά της βραχόµαζας και επηρεάζουν τη µέθοδο διάνοιξης, το χρόνο και το κόστος Έτσι ένας τύπος βραχόµαζας είναι ένα σύνολο γεωυλικών µε όµοιες µηχανικές, φυσικές ή και υδραυλικές ιδιότητες και όχι απαραίτητα ίδιων λιθολογιών. Ο αριθµός των τύπων αυτών εξαρτάται από τις επιτόπου συνθήκες γεωλογίας. Ειδικά µε βάσει: 1. Λιθολογία 2. Κερµατισµός δοµή (τεκτονισµός αλλά και στοιχεία γέννεσης όπως στρώσειςσχιστότητα) 3. Χαρακτηριστικά αποσάθρωσης 4. Χαρακτηριστικά περατότητας Εδώ δεν έχετε αναλυτικά στοιχεία για τα παραπάνω. Συνεπώς θα πρέπει να βασιστείτε µόνο στην λιθολογία και το γεωλογικό µοντέλο (λογική τεκτονικής καταπόνησης στην περιοχή). 3. Για την εκτίµηση του GSI κατά µήκος της σήραγγας δεν σας δίνονται αναλυτικά στοιχεία. Για το λόγο αυτό πρέπει να κάνετε εύλογες παραδοχές για την ποιότητα της βραχόµαζας (δίνοντας ένα µικρό φάσµα «από-έως») κατά µήκος της σήραγγας. Θα βασιστείτε κυρίως στο γεωλογικό µοντέλο που έχετε κατασκευάσει. Χρησιµοποιήστε το βασικό διάγραµµα για το GSI των ασβεστολίθων-δολοµιτών και το διάγραµµα GSI του φλύσχη για τον φλύσχη (βλέπε προηγούµενες ασκήσεις). Δώστε στις απαντήσεις τα σχετικά διαγράµµατα και όχι µόνο τιµές. 4. Εκτίµηση της συµπεριφοράς κατά µήκος της σήραγγας Ο διαχωρισµός της συµπεριφοράς κατά µήκος της σήραγγας γίνεται: Αρχικά µε την οµογενοποίηση όµοιων τεχνικογεωλογικών τύπων βραχόµαζας (και επιτόπου συνθηκών (π.χ. ύψος υπερκειµένων) (βλέπε 1 ο ερώτηµα) Στη συνέχεια θα πρέπει να σκεφτείτε τις επιτόπου τάσεις, δηλαδή το βάθος της σήραγγας (βάρος υπερκειµένων) και αν αλλάζει η συµπεριφορά ενός τύπου βραχόµαζας όταν αυτός βρίσκεται σε διαφορετικά βάθη: στα στόµια (κοντά στην επιφάνεια) λίγο µέσα στο βουνό χωρίς να είναι επηρρεασµένο από τις επιφανειακές συνθήκες Σε µεγαλύτερα βάθη και µεγαλύτερες πιέσεις Τέλος, µια ειδική συµπεριφορά θα ήταν σε περιοχές µέ έντονη υδροφορία (προβλήµατα εισροών και καταπτώσεων). Παράδειγµα: µια κερµατισµένη βραχόµαζα µπορεί να αστοχεί και να δηµιουργεί υπερεκσκαφή τύπου καµινάδας κάτω από συνθήκες µικρής πλευρικής πίεσης. Η ίδια βραχόµαζα κάτω από µέτριες πιέσεις µπορεί να είναι ευσταθής ενώ σε µεγάλες µπορεί να προκαλέσει παραµορφώσεις µε διατµητικές αστοχίες. 4. Εκτίµηση της συµπεριφοράς κατά µήκος της σήραγγας Εδώ θα πρέπει να διερευνήσετε: i. Που είναι ο υδροφόρος ορίζοντας σε σχέση µε τη σήραγγα a. Αν είναι πάνω από τη σήραγγα i. Αν είναι περατά τα γεωυλικά θα έχω θέµατα εισροών ii. Αν δεν είναι περατά δεν θα έχω εισροές b. Αν είναι κάτω από τη σήραγγα i. Αν είναι περατά τα γεωυλικά θα έχω περιοδικά προβληµατα εισροών (µεταβατική ζώνη) ii. Αν δεν είναι περατά δεν θα έχω εισροές. Εδώ δεν έχετε αναλυτικά στοιχεία για τα παραπάνω. Συνεπώς θα πρέπει να βασιστείτε µόνο στο γεωλογικό µοντέλο και τα στοιχεία που σας δίνει (όχι πηγές στην άµεση περιοχή της σήραγγας).
3. ΒΗΜΑΤΑ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 5. Εκτίµηση συγκλίσεων Για την εκτίµηση του µεγέθους των συγκλίσεων χρησιµοποιείται ο λόγος σ cm /p o (βλέπε διάγραµµα-µε ευκρίνεια στην παρουσίαση). Οι υψηλότερες συγκλίσεις θα πραγµατοποιηθούν εκεί όπου το σ cm /p o έχει τη χαµηλότερη τιµή. Το σ cm είναι η αντοχή της βραχόµαζας (που την βρίσκουµε από το κριτήριο αστοχίας Hoek and Brown) και p o οι επιτόπου τάσεις. Εκεί δηλαδή που έχουµε την πιο πτωχή βραχόµαζα (αντοχή βραχόµαζας σcm) ή/και υψηλά υπερκείµενα (p o ). 6. Μέτρα υποστήριξης Δεν χρειάζεται να αναφέρετε αναλυτικά µέτρα υποστήριξης εδώ αλλά να διαφοροποιήσετε σε ελαφριά-µέτρια-βαριά τα µέτρα κατά µήκος της σήραγγας. Eπιτόπου τάση p o = γ * Η γ: ειδικό βάρος υλικού (π.χ. 0,025 ΜΝ/m 3 ) H: το πάχος των υπερκειµένων σε m. (βάθος σήραγγας στο σηµείου υπολογισµού) Με τα παραπάνω µεγέθη το p o που υπολογίζουµε είναι σε MPa. Υπολογισµός σ cm : Το σ cm µπορεί να υπολογιστεί γραφικά από το παρακάτω διάγραµµα (βλέπε παρουσίαση). Παραδείγµατα υποστήριξης 1. Μία βραχόµαζα µε καθόλου έως µέτριο κερµατισµό και µέτρια έως µεγάλη αντοχή απαιτεί ελαφριά µέτρα υποστήριξης (π.χ. Αγκύρια και εκτοξευµένο σκυρόδεµα) για να υποστηρίξει τις πιθανές σφήνες. Η ίδια βραχόµαζα αλλά πιο κερµατισµένη (π.χ. Σε ζώνες ρηγµάτων) θα χρειαστεί πιο βαριά µέτρα υποστήριξης όπως κάποια προ-υποστήριξη (δοκίδες προπορείας) και βέβαια αγκύρια, µεταλλικά πλαίσια και σκυρόδεµα) 2. Μία πτωχής ποιότητα βραχόµαζα µε χαµηλή αντοχή κάτω από κάποιο βάρος υπερκειµένων (π.χ.>100m) θα παρουσιάζει παραµορφώσεις (συγκλίσεις) και θα πρέπει να υποστηριχθεί µε βαριά µέτρα (π.χ. µεγάλου πάχους εκτ. Σκυρόδεµα, πολλά και πυκνά αγκύρια µεγάλου µήκους, βαριά µεταλλικά πλαίσια και πιθανώς κάποια υποστήριξη µετώπου) Η ίδια βραχόµαζα αν συναντηθεί πιο «ρηχά» τότε θα έχει καλύτερη συµπεριφορά και δεν θα παρουσιάσει τα ίδια προβλήµατα άρα θα θέλει και ηπιότερα µέτρα υποστήριξης. Προσοχή στα στόµια (είσοδος-έξοδος) των σηράγγων: Τα γεωυλικά έχουν πιο φτωχές ιδιότητες λόγω της αποσάθρωσης και χαλαρής-ανοικτής δοµής τους. Εκεί απαιτείται ισχυρή υποστήριξη.
4. ΜΟΡΦΗ ΑΠΑΝΤΗΣΕΩΝ 1. Συµπληρώστε την τοµή έτσι ώστε να φαίνονται ξεκάθαρα οι επαφές. Να σηµειώνονται καθαρά οι τεκτονικές επαφές και µέσα στο στρώµα να τονίζονται στοιχεία της πιθανής ιστορίας του σχηµατισµού (π.χ. µικροπτυχώσεις ή έντονος κερµατισµός ή έντονη αποσάθρωση). Προσοχή: να σχεδιάζετε πάντα το τεχνικό έργο (εδώ άξονα της σήραγγας). 2. Δώστε τους τύπους βραχόµαζας σε πίνακα µε τα χαρακτηριστικά τους (ποιότητα) 3. Για την συµπεριφορά χρησιµοποιήστε τους ταξινοµηµένους τύπους αστοχίας 4. Γενικά ότι απαντήσεις δίνεται προσπαθήστε να το δείξετε και κατα µήκος της σήραγγας αφού την χωρίσετε σε τµήµατα. 5. Οι απαντήσεις να αιτιολογούνται! 6. Πολύ σηµαντικό! Προτιµήστε σε αυτή την άσκηση να δουλέψετε τις απαντήσεις σε υπολογιστή. Έτσι θα φτιάξετε εύκολα πίνακες. Οι απαντήσεις να είναι συνοπτικές αλλά πλήρεις. 4. Οι πλήρεις απαντήσεις σας θα σας βοηθήσουν στο διάβασµα για τις τελικές εξετάσεις (θα κατανοείτε τι διαβάζετε!!!) 5. Μην αντιγράψετε τα θεωρητικά στοιχεία που σας δίνονται στις παρουσιάσεις!!! Αυτά αποτελούν µόνο τη βάση για τις πιο εξειδικευµένες για την άσκηση απαντήσεις. 6. Οι καλές έως πολύ καλές ασκήσεις αξιολογούνται µε ακόµα καλύτερο συντελεστή για τη τελική βαθµολογία (αυτό ισχύει τόσο για τους «οριακούς» όσο και για τους «υψηλότερους» βαθµούς). 7. Οι απαντήσεις δεν πρέπει να δίνονται πρόχειρα και επιγραµµατικά. Οι ασκήσεις αυτές θα βαθµολογούνται αρκετά χαµηλά και δεν θα λαµβάνονται - θετικά υπόψη στο τέλος. 8. Οι «αντιγραφές» δεν θα λαµβάνονται βέβαια υπόψη. Βιβλιογραφία Άσκησης Hoek, E., Marinos, P., 2000. Predicting tunnel squeezing in weak heterogeneous masses. Tunnels and Tunnelling International, Part 1 November Issue 2000, pp. 45-51; Part 2 December 2000, pp. 34-36. Marinos, V., Marinos, P., Hoek, E., 2005. The geological strength index: applications and limitations. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 64, pp. 55-65. Marinos V., Fortsakis P., Prountzopoulos G. «Estimation of geotechnical properties and classification of geotechnical behaviour in tunnelling for flysch rock masses» (2011). Proceedings of the 15th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, A. Anagnostopoulos et al. (Eds.), Part 1, pp. 435-440, Athens. Η άσκηση είναι τροποποιηµένη έκδοση από τους Μαρίνος Π., Τσιαµπάος Γ. και Μαρίνος Β. (Μάθηµα Τεχνικής Γεωλογίας, Σχολή Πολ. Μηχανικών, ΕΜΠ).
5. ΔΕΝΔΡΟΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ