Γεωλογικοί και γεωτεχνικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις υπερεκσκαφές σε σήραγγες που διανοίγονται με χρήση εκρηκτικών υλών

Γεωλογικοί και γεωτεχνικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις υπερεκσκαφές σε σήραγγες που διανοίγονται με χρήση εκρηκτικών υλών Geological and geotechnical factors affecting overbreak in drill and blast tunnels ΜΠΑΚΟΓΙΑΝΝΗΣ ΣΩΤΗΡΗΣ Μεταλλειολόγος Μηχανικός ΜΠΑΚΟΓΙΑΝΝΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Μεταλλειολόγος Μηχανικός ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Ως υπερεκσκαφές θεωρούνται οι υλοποιούμενες κατά τη διάνοιξη της σήραγγας διαφοροποιήσεις από τις προκαθορισμένες στη μελέτη γραμμές εκσκαφής. Τα γεωλογικά και γεωτεχνικά χαρακτηριστικά της βραχομάζας που μπορούν να επηρεάσουν τις υπερεκσκαφές είναι : η αντοχή του αδιατάρακτου βράχου, το επί τόπου εντατικό καθεστώς κατ κυρίως οι ασυνέχειες της βραχομάζας (ειδικότερα δε : ο προσανατολισμός τους σε σχέση με την περίμετρο του ανοίγματος, η απόστασή τους, το μέγεθος των τεμαχών, το άνοιγμα και η ύπαρξη διήθησης νερού σε αυτές). Οι συνέπειες της παρουσίας υπερ ή υπο εκσκαφών οριοθετούνται σε οικονομικό επίπεδο, σε τεχνικές επιπτώσεις και στο χρόνο ολοκλήρωσης της κατασκευής. ABSTRACT : Overbreak is the implemented (during the tunnel advance), alterations of the predefined in the design excavation lines of the tunnel cross section. Geological and geotechnical characteristics that can affect overbreak are the strength of intact rock, the in situ stress field and mainly rock discontinuities (especially orientation in relation to the perimeter of the tunnel, distance, block size, aperture and water seepage along discontinuities). Consequences of overbreak can be defined as economical, technical and in completion time. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ως υπερ ή υπο εκσκαφές ορίζονται οι υλοποιούμενες κατά τη διάνοιξη της σήραγγας (κατά την ανατίναξη ή μετά από αυτή και πάντως πριν από, ή κατά, την εφαρμογή της αρχικής υποστήριξης) διαφοροποιήσεις από τις προκαθορισμένες στη μελέτη γραμμές εκσκαφής της διατομής μίας σήραγγας και εφφράζονται σε m ή m 2 και m 3. Δεν αφορά διαφοροποιήσεις που μπορούν να συμβούν λόγω μεγάλων συγκλίσεων, (μεγαλύτερων από τις προβλεπόμενες), μετακινήσεων της περιβάλλουσας βραχομάζας, ανεπάρκειας του συστήματος της αρχικής υποστήριξης, ή χρονικώς συνηρτημένης συμπεριφοράς της βραχομάζας. Aπό τις μεθόδους διάνοιξης σηράγγων, η μέθοδος διάτρησης και ανατίναξης είναι γενικά 1 παραδεκτό ότι παράγει τις μεγαλύτερες υπερεκσκαφές ή και υποεκσκαφές. 2. ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΥΠΕΡΕΚΣΚΑΦΩΝ Με βάση τον ορισμό τους στην παρ.1 οι υπερή υπο εκσκαφές ταξινομούνται με βάση το γεωμηχανικό μηχανισμό δημιουργίας τους και τη χρονική φάση που παρουσιάζονται. Α. Άμεσες υπερεκσκαφές. Δημιουργούνται ακαριαία αμέσως μετά την ανατίναξη και αφορούν την κινηματικά επιτρεπτή απομάκρυνση τεμαχών βραχομάζας που σχηματίζονται από τις ασυνέχειες της επί τόπου βραχομάζας και αυτές που προκύπτουν από τη δράση των εκρηκτικών. Οι υπερεκσκαφές αυτές από τη φύση τους επηρεάζονται από το σχήμα της σήραγγας, τα

χαρακτηριστικά της βραχομάζας και αυτά της ανατίναξης. Β. Υπερεκσκαφές από το ξεσκάρωμα της οροφής και των παρειών ή/και το καθάρισμα αυτών και κυρίως του δαπέδου της σήραγγας. Γ. Δευτερογενείς υπερεκσκαφές, οι οποίες εμφανίζονται κάποιο χρόνο μετά την ανατίναξη και μέχρι την ολοκλήρωση των μέτρων αρχικής υποστήριξης, ή σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, αν αυτά απουσιάζουν. Δ. Υπερεκσκαφές ειδικών μορφών αστοχίας όπως: καταρρεύσεις (με βαρυτικό μηχανισμό αστοχίας σε χαμηλής αλληλεμπλοκής τεμαχών βραχομάζες), καμινάδες (μηχανισμός αστοχίας τύπου σιλό), συνάντηση πληρωμένων καρστικών εγκοίλων που αδειάζουν το υλικό πλήρωσης μέσα στην διανοιγόμενη σήραγγα κ.λ.π. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την δημιουργία και το μέγεθος των υπερεκσκαφών μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κύριες ομάδες: τη γεωλογική και γεωμηχανική ταυτότητα της βραχομάζας, τα χαρακτηριστικά της μεθόδου διάτρησης και ανατίναξης και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της σήραγγας. 3. Η ΓΕΩΛΟΓΙΚΗ ΚΑΙ ΓΕΩΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΒΡΑΧΟΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΟΙ ΥΠΕΡΕΚΣΚΑΦΕΣ Τα γεωλογικά και γεωμηχανικά χαρακτηριστικά της βραχομάζας που μπορούν να επηρεάσουν τις υπερεκσκαφές είναι: 3.1.Το επί τόπου εντατικό καθεστώς. Οι υπερεκσκαφές εξαρτώνται από το λόγο της μέγιστης και της ελάχιστης τάσης καθώς και το λόγο της μέγιστης τάσης προς την αντοχή της βραχομάζας. Ως γενική αρχή θα θεωρήσουμε ότι μικρότερες υπερεκσκαφές παρουσιάζονται όταν σ 3 /σ 1 1 (υδροστατικό εντατικό πεδίο) που αντιστοιχεί σε μεγάλα σχετικά βάθη (τα τεμάχη της βραχομάζας περιορίζονται επαρκώς από την σ 3 ), ενώ όταν σ 3 /σ 1 <0,5 σε σχετικά αβαθείς σήραγγες αναμένονται μεγαλύτερες υπερεκσκαφές με αποκολλήσεις τεμαχών και ασύμμετρες εκσκαφές. Στο Σχήμα 1 δείχνονται οι παρατηρηθέντες τύποι αστοχίας για τα διάφορα μεγέθη της κατακόρυφης τάσης. Γενικότερα σε συνθήκες με υψηλές τιμές τάσεων και σε σκληρούς βράχους αναμένεται εκδήλωση ψαθυρής αστοχίας με μορφή απολεπίσεων (spalling) που θα εκδηλωθούν στη διεύθυνση των ελάχιστων τάσεων και που μπορούν να προκαλέσουν, εκτός των άλλων και σημαντικές υπερεκσκαφές. Σχήμα 1. Αστοχίες με την αύξηση της κατακόρυφης τάσης σε σκληρό χαλαζίτη (από Hoek1966). Figure 1. Failures with increasing of vertical stress in quartzite, (after Hoek 1966) Οι Martin et al (1999) έδειξαν ότι υπάρχει σχέση ανάμεσα στην έκταση της αστοχίας και τη μέγιστη εφαπτομενική τάση (προς τη μονοαξονική αντοχή του αδιατάρακτου βράχου), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Σχήμα 2.Βάθος αστοχίας προς τη μέγιστη τάση (Martin et al 1999) Figure 2. Depth of failure from tunnels (Martin et al 1999) 2

Οι παρατηρήσεις αυτές και η μελέτη των περιπτώσεων αστοχιών σε σήραγγες έχουν δείξει τα εξής: Α.Αυτή η ψαθυρή, τασικά ελεγχόμενη αστοχία αρχίζει να εκδηλώνεται περίπου στο 0,30,5 της σ c, εξαρτάται δε ουσιαστικά μόνο από τη μέγιστη τάση. Β.Δεν παρατηρούνται υπερεκσκαφές σε μία μέγιστη συνοριακή τάση 0,4*σ c (τιμή κατωτέρου ορίου καθώς δεν έχουν συμπεριληφθεί οι σήραγγες χωρίς αστοχίες). Οι Martin et al (1999) προσπάθησαν να ποσοτικοποιήσουν την εμφάνιση της τασικά ελεγχόμενης ψαθυρής αστοχίας με την εισαγωγή του Damage Index D i = σ max /σ c ως συνάρτηση του RMR (ή GSI) και του λόγου σ 1 /σ c, όπου σ max : η μέγιστη εφαπτομενική τάση στο όριο ενός κυκλικού ανοίγματος, σ c :η μονοαξονική θλιπτική αντοχή. Η συσχέση αυτών παρουσιάζεται στο σχήμα 3. Σημειώνουμε ότι η αστοχία αυτή αρχίζει να εμφανίζεται όταν D i >0,4 (για D i <0,4 ελαστική συμπεριφορά) ή σ 1 /σ c >0,15. και το μέσο του δαπέδου καθώς και στα μέσα των παρειών μετά τη διάνοιξη, υπολογίστηκαν και παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Είναι προφανές ότι η σχέση σ h / σ ν είναι καθοριστική για το μέγεθος και τη θέση εμφάνισης πιθανών αστοχιών. Έτσι είναι δυνατό να παρουσιαστούν υπερεκσκαφές αν το πραγματικό εντατικό καθεστώς διαφέρει από αυτό που λήφθηκε υπόψη κατά τη σύνταξη της μελέτης, ιδιαίτερα στις θέσεις όπου ο τροποποιημένος συντελεστής υπερφόρτισης (modified overload factor OFM= σ θ /UCS) υπερβαίνει τη μονάδα. σ h / σ ν σ θ στο μέσο της οροφής και το μέσο του δαπέδου σ θ στα μέσα των παρειών 0 σ ν 3 σ ν 0,33 0 2,67 σ ν 0,5 0,5 σ ν 2,5 σ ν 1 2 σ ν 2 σ ν 1,5 3,5 σ ν 1,5 σ ν 2 5 σ ν σ ν Σχήμα 3. Ψαθυρή αστοχία ως συνάρτηση του GSI και του λόγου σ 1 /σ c. (Kaiser et al 2000) Figure 3. Brittle failure related with GSI and σ 1 /σ c. (Kaiser et al 2000) Ιδιαίτερη σημασία έχει το επί τόπου εντατικό καθεστώς για την έκταση και τη θέση της αναμενόμενης αστοχίας. Ενδεικτικά θεωρούμε μια κυκλική σήραγγα και κύριες τάσεις στην κατακόρυφη διεύθυνση σ ν και οριζόντια σ h. Οι εφαπτομενικές τάσεις σ θ στο μέσο της οροφής 3 Πίνακας 1: Οι εφαπτομενικές τάσεις ως συνάρτηση του λόγου σ h / σ ν Table 1.Tangential stresses as function of σ h / σ ν ratio. Σε κατατμημένες βραχομάζες χαμηλές τιμές του εντατικού πεδίου είναι δυνατό να δίνουν μικρές τιμές της κάθετης τάσης στο επίπεδο της ασυνέχειας με αποτέλεσμα την αστοχία σε αυτή. Υψηλές τιμές των επί τόπου τάσεων είναι δυνατό να επηρεάσουν τη διατρησιμότητα της βραχομάζας, τις επιδόσεις του διατρητικού εξοπλισμού και τελικά τη διάταξη των διατρημάτων με παράπλευρα αποτελέσματα την παρουσία υπερεκσκαφών. Επίσης είναι δυνατόν οι ακτινικές ρωγμές από την ανατίναξη της εκρηκτικής ύλης να καμπυλώνονται προς την κατεύθυνση της μέγιστης τάσης, οι μικρορωγμές να κλείνουν υπό την παρουσία μεγάλης τάσης (πάνω από 150 ΜΡα), με αποτέλεσμα τη δημιουργία υπερεκσκαφών ή υποεκσκαφών. 3.2. Η αντοχή του αδιατάρακτου βράχου. Υψηλή αντοχή απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας για την κοπή και θρυμματισμό, συνεπώς και η

κατανομή της εκρηκτικής ύλης στην προς ανατίναξη μάζα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν καλύτερη (μεγάλη ειδική διάτρηση), ενώ και η αποδομητική επίδραση της ανατίναξης στην περιβάλλουσα βραχομάζα είναι σημαντική. Επίσης με υψηλή αντοχή αδιατάρακτου βράχου, από την ανατίναξη αναμένεται ότι θα αυξάνεται η πιθανότητα διεύρυνσης προϋφισταμένων ασυνεχειών που έχουν σημαντικά χαμηλότερες αντοχές, παρά η ανάπτυξη νέων ρηγματώσεων στη μάζα του αδιατάρακτου βράχου. Συνεπώς στην περίπτωση αυτή αναμένεται υπερεκσκαφή το εύρος της οποίας καθορίζεται κυρίως από τα χαρακτηριστικά των ασυνεχειών. Η αντοχή του βράχου πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στην επιλογή της εκρηκτικής ύλης ώστε να βελτιστοποιείται η έκταση της ζώνης έντονου θρυμματισμού. Εκτεταμένη ζώνη έντονου θρυμματισμού μπορεί να δώσει υπερεκσκαφές στα περιμετρικά διατρήματα, ενώ στα διατρήματα παραγωγής μπορεί να παρεμποδίζει την ανάπτυξη της μεταβατικής ζώνης θρυμματισμού και ρηγματώσεων, με αποτέλεσμα την αύξηση του φορτίου των λοιπών σειρών και τελικά την παρουσία υποεκσκαφών σε κάποιες περιπτώσεις. Έτσι σε βράχους χαμηλής θλιπτικής αντοχής θα πρέπει να επιλέγονται εκρηκτικά χαμηλής πυκνότητας και ταχύτητας. 3.3.Οι ασυνέχειες της βραχομάζας. Η επίδραση των ασυνεχειών στην παρουσία υπερεκσκαφών ή υποεκσκαφών θα πρέπει να αναζητηθεί σε δύο τομείς: Α) στη δημιουργία τεμαχών από τις ασυνέχειες της βραχομάζας, τις ρωγμές που παράγονται από την ανατίναξη και την περίμετρο της εκσκαφής και Β) στην αποτελεσματικότητα της ανατίναξης. Οι ασυνέχειες της βραχομάζας περιγράφονται και χαρακτηρίζονται, σύμφωνα με την επιλογή της ISRM (1978), από δέκα παραμέτρους: τον προσανατολισμό, την απόσταση, την εμμονή, την τραχύτητα, την αντοχή των τοιχωμάτων, το άνοιγμα, το υλικό πλήρωσης, τη διήθηση νερού, τον αριθμό των συστημάτων και το μέγεθος του τεμάχους. Για την έκταση των υπερεκσκαφών οι πλέον κρίσιμες παράμετροι είναι: i. Απόσταση ασυνεχειών.(αναφερόμαστε στη μέση απόσταση η οποία για μία οικογένεια ασυνεχειών ορίζεται ως S=L/N όπου L: το μήκος δειγματοληψίας και Ν ό αριθμός των ασυνεχειών. Aντίστοιχα η συχνότητα ν μιας οικογένειας ασυνεχειών θα είναι ν=1/s ή ν=ν/l). Η απόσταση των ασυνεχειών σε μεγάλο βαθμό καθορίζει το μέγεθος των τεμαχών αδιατάρακτου βράχου που συγκροτούν τη βραχομάζα. Στην περίπτωση όπου η απόσταση των ασυνεχειών είναι μεγαλύτερη από το άνοιγμα της σήραγγας τότε η αναμενόμενη υπερεκσκαφή είναι μηδενική. Όταν η απόσταση των ασυνεχειών είναι πολύ μικρότερη από το άνοιγμα της σήραγγας τότε η αναμενόμενη υπερεκσκαφή τείνει πάλι προς το μηδέν (οπωσδήποτε αυξάνει ο κίνδυνος καταπτώσεων και γενικά βαρυτικά ελεγχόμενων κατακρημνίσεων). Τούτο μπορεί να αποδοθεί στο γεγονός ότι η εκτεταμένη παρουσία ασθενών επιπέδων εμποδίζει τη διάδοση του εκρηκτικού κύματος και την περαιτέρω αποδόμηση του γεωυλικού. ii. Το μέγεθος των τεμαχών. Είναι οι διαστάσεις του τεμάχους του αδιατάρακτου βράχου που προκύπτει από τα αλληλοτεμνόμενα σύνολα ασυνεχειών. Ο καθορισμός του μεγέθους αυτού, ιδιαίτερα στη φάση της μελέτης, εμπεριέχει σημαντικές αβεβαιότητες και αυθαίρετες (υποκειμενικές) πολλές φορές προσεγγίσεις δεδομένου και του τριδιάστατου χαρακτήρα του μεγέθους. Το μέγεθος των τεμαχών εξαρτάται κατά κύριο λόγο από την απόσταση των ασυνεχειών, τον αριθμό των συστημάτων και την εμμονή τους. Στη δημιουργία των υπερεκσκαφών, το μέγεθος και το σχήμα των τεμαχών διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο. Όπως τονίζεται (ISRM 1978) ο συνδυασμός των ιδιοτήτων του μεγέθους των τεμαχών και της διατμητικής αντοχής των διεπιφανειών των τεμαχών καθορίζουν τη συμπεριφορά της βραχομάζας υπό δεδομένες εντατικές συνθήκες. Βραχομάζες αποτελούμενες από μεγάλα τεμάχη τείνουν να είναι λιγότερο παραμορφώσιμες και στην περίπτωση των υπόγειων κατασκευών αναπτύσσουν το ευνοϊκό φαινόμενο της ανάπτυξης θόλου και την αλληλεμπλοκή των τεμαχών. iii. Το άνοιγμα των ασυνεχειών, που αναφέρεται στις ανοιχτές ασυνέχειες, καθορίζει και το βαθμό αλληλεμπλοκής των τεμαχών της βραχομάζας. iv. Η διήθηση νερού μέσω των ασυνεχειών, η οποία δημιουργεί τη δευτερογενή διαπερατότητα των βραχομαζών, επιδρά στην παρουσία των υπερεκσκαφών με τη μείωση των μηχανικών χαρακτηριστικών του υλικού πλήρωσης ή και την απόπλυση και απομάκρυνσή του και με την ανάπτυξη υδραυλικών τάσεων και δυνάμεων. 4

v. Ο προσανατολισμός σε σχέση με την περίμετρο του ανοίγματος. Γενικά όταν οι ασυνέχειες παρατάσσονται περίπου κάθετα στον άξονα της σήραγγας οι υπερεκσκαφές είναι μικρότερες από την περίπτωση της παράλληλης παράταξης. Στον πίνακα 2 δίνεται γενικά η επίδραση της παράταξης σε σχέση με τη διεύθυνση του άξονα της σήραγγας. Παράταξη κάθετη ςτον άξονα Προχώρηςη την κλίςη 45 0 90 0 πολφ ευνοϊκή κατά 20 0 45 0 ευνοϊκή Προχώρηςη αντίθετα από την κλίςη 45 0 90 0 μζτρια 20 0 45 0 δυςμενήσ Παράταξη παράλληλη άξονα 45 0 90 0 πολφ δυςμενήσ 0 0 20 0 δυςμενήσ ανεξάρτητα από την παράταξη ςτον 20 0 45 0 μζτρια Πίνακας 2. Η επίδραση της παράταξης και κλίσης των ασυνεχειών στην εμφάνιση των υπερεκσκαφών (Bell et al 1995) Table 2. Discontinuities strike and dip impact on overexcavations (Bell et al 1995) Στην περίπτωση των οριζόντιων στρωμάτων, η παρουσία και άλλων κατακόρυφων ή παρακατακόρυφων ασυνεχειών οδηγεί σε εκτεταμένες υπερεκσκαφές. Στις περιπτώσεις αυτές η έκταση της υπερεκσκαφής εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τον λόγο S/B όπου S η απόσταση των ασυνεχειών και Β το άνοιγμα της σήραγγας. Όταν S/B 1/3 η εκσκαφή είναι ευσταθής και η υπερεκσκαφή από την παρουσία αυτών των ασυνεχειών είναι αμελητέα. Στις λοιπές περιπτώσεις για τον υπολογισμό των αναμενόμενων υπερεκσκαφών θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και η γωνία τριβής των ασυνεχειών. Ο Müller (1978) πρότεινε τρεις παράγοντες για την πρόβλεψη των υπερεκσκαφών: την απόσταση των ασυνεχειών, τον τύπο των τεμαχών και το βαθμό διαχωρισμού της βραχομάζας. Ο τύπος των τεμαχών χαρακτηρίζεται από το λόγο της μεγαλύτερης προς τη μικρότερη διάστασή τους. Για το βαθμό διαχωρισμού θα αναφέρουμε λίγα επί πλέον, καθώς δεν περιλαμβάνεται στις παραπάνω δέκα παραμέτρους της ΙSRM (1978). Για τον καθορισμό του βαθμού διαχωρισμού αναφερόμαστε κατ αρχήν σε ένα σύνολο ασυνεχειών. Θεωρούμε μια υποθετική επίπεδη τομή η επιφάνεια της οποίας συμπίπτει με το επίπεδο μιας ασυνέχειας του συνόλου. Αυτή η τομή τέμνει πλήρως το θεωρούμενο όγκο του 5 βραχώδους τεμάχους όπου μπορούν να θεωρηθούν συνθήκες συνέχειας, δίνοντας μια επιφάνεια εμβαδού Α. Ο λόγος μεταξύ του εμβαδού της υποθετικής διατομής και του εμβαδού της ασυνέχειας αντιπροσωπεύει το λόγο του ασυνεχούς προς το συνεχές ήτοι x=k/a. Μία συγκεκριμένη τιμή του x αντιστοιχεί σαν ποσοστό στο διάκενο μεταξύ των ζωνών που το γεωϋλικό θεωρείται συνεχές. Για ένα δοσμένο όγκο βραχομάζας, ο πραγματικός βαθμός διαχωρισμού για το ένα σύνολο ασυνεχειών θα δίνεται από την σχέση x R =ν* x όπου ν: η συχνότητα του συγκεκριμένου συστήματος ασυνεχειών. Εάν υπάρχουν περισσότερα σύνολα ασυνεχειών η ανωτέρω διαδικασία είναι παρόμοια απλά θέτοντας x=σk/a (θέτουμε δηλαδή το άθροισμα των Κ).Έτσι για x=0 έχουμε αδιατάρακτο συνεχή βράχο ενώ για x=1 έχουμε πλήρη διαχωρισμό. Παρόμοια η ανωτέρω θεώρηση μπορεί να επεκταθεί σε τριδιάστατη θεώρηση. Η πρόταση του Müller δείχνεται στο σχήμα 4. Σχήμα 4. Πρόβλεψη υπερεκσκαφών από την απόσταση των ασυνεχειών, τη μορφή των βραχωδών τεμαχών και το βαθμό διαχωρισμού των ασυνεχειών (Müller 1978) Figure 4. Overexcavations prediction from discontinuities distance, separation and block shape (Müller 1978) Οι παρατηρήσεις από το σχήμα 4 δείχνουν κατ αρχήν ότι οι υπερεκσκαφές είναι ανάλογες του λόγου d1/d3 (μικρότερη προς μεγαλύτερη διάσταση). Δηλαδή για κυβικά τεμάχη βραχομάζας οι υπερεκσκαφές μεγαλώνουν. Όπως επίσης αναμένεται οι υπερεκσκαφές

είναι ανάλογες του βαθμού διαχωρισμού. Αντίθετα οι υπερεκσκαφές σε σχέση με την απόσταση των ασυνεχειών λαμβάνουν τη μέγιστη τιμή για μια ενδιάμεση τιμή της απόστασης. Ειδικότερα μπορούν να διακριθούν οι παρακάτω περιπτώσεις: 1. Βαθμός διαχωρισμού υψηλός x~1 (και επί πλέον d1/d3~1 και σ c υψηλή) i. Για S/R < 0,07 (S: Απόσταση ασυνεχειών, R: ακτίνα της σήραγγας) ήτοι για πυκνές ασυνέχειες οι υπερεκσκαφές είναι ίσες με την απόσταση των ασυνεχειών ii. Μετράται το μήκος μιας ασυνέχειας στην οροφή της σήραγγας από την εμφάνισή της στο ένα τοίχωμα στο απέναντι τοίχωμα dlr. Η μέση υπερεκσκαφή στην οροφή εκτιμάται προσεγγιστικά σε 0,25* dlr. iii. Στο δάπεδο της σήραγγας η υπερεκσκαφή εκτιμάται σε 0,08* dlr. 2. Βαθμός διαχωρισμού ενδιάμεσος 0,7<x<1. Τα τεμάχη της βραχομάζας δεν διαχωρίζονται όπως στην παραπάνω περίπτωση, αλλά υπάρχουν γεφυρώσεις στην δομή τους από την αντοχή των οποίων εξαρτάται ουσιαστικά το μέγεθος των υπερεκσκαφών. Η αντοχή αυτή εξαρτάται από το βαθμό διαχωρισμού και την αντοχή του αδιατάρακτου βράχου ο οποίος δομεί τα τεμάχη. Όταν η αντοχή του αδιατάρακτου βράχου είναι μεγάλη και αντιστοιχεί σε ψαθυρή συμπεριφορά, η δράση του εκρηκτικού κύματος τείνει να επικεντρώνεται στα επίπεδα των ασυνεχειών, που παρουσιάζουν σημαντικά μικρότερη αντοχή σε σχέση με αυτή του βράχου, με αποτέλεσμα από τη δράση των εκρηκτικών να προκύπτει διασύνδεση του δικτύου των ασυνεχειών και βαθμός διαχωρισμού που πλησιάζει την μονάδα και η υπερεκσκαφή προσεγγίζεται όπως παραπάνω για x~1. Εάν δεν προκύπτει διασύνδεση των ασυνεχειών και ο βαθμός διαχωρισμού εξακολουθεί να παραμένει μικρότερος από την μονάδα, τότε η υπερεκσκαφή προσεγγίζεται με γραμμική παρέμβαση των τιμών που προκύπτουν για x~1 και x<0,7. Όταν όμως η αντοχή του αδιατάρακτου βράχου είναι μικρή, η υπερεκσκαφή ελέγχεται κατά κύριο λόγο από τις παραμέτρους και τα χαρακτηριστικά της ανατίναξης και λαμβάνει τιμές στο διάστημα 0,5S έως S. 3. Βαθμός διαχωρισμού χαμηλός 0<x<0,7. Η υπερεκσκαφή λαμβάνει μέγιστη τιμή μερικών cm. 4. Η ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΤΩΝ ΓΕΩΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΙΣ ΥΠΕΡΕΚΣΚΑΦΕΣ. Οι προσπάθειες για απευθείας συνάρτηση των γεωμηχανικών ταξινομήσεων με τις υπερεκσκαφές δεν έχει δώσει γενικώς αποδεκτά αποτελέσματα και ποσοτικές σχέσεις που να μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια για πρόγνωση. Ο Schmitz (2003) τονίζει ότι για τις διάφορες περιοχές τιμών RMR παρουσιάζονται διάφοροι τύποι υπερεκσκαφών και η σχέση RMR και υπερεκσκαφών δεν είναι γραμμική. Οι Schmitz et al (2006) δίνουν τη σχέση του σχήματος 5 μεταξύ υπερεκσκαφών και RMR. Σχήμα 5. Σχέση υπερεκσκαφών και RMR (Schmitz et al 2006) Figure 5. Overexcavations and RMR (Schmitz et al 2006) Η καμπύλη παρουσιάζει δύο κυρτώσεις εκ των οποίων η κύρτωση των χαμηλών τιμών RMR αποδίδεται σε μηχανισμούς καταρρεύσεων (με βαρυτικό μηχανισμό αστοχίας σε χαμηλής αλληλεμπλοκής τεμαχών βραχομάζες) καμινάδες (μηχανισμός αστοχίας τύπου σιλό), συνάντηση πληρωμένων καρστικών εγκοίλων που αδειάζουν το υλικό πλήρωσης μέσα στη διανοιγόμενη σήραγγα, ενώ η κύρτωση στις υψηλές τιμές RMR αντιστοιχεί σε άμεσες υπερεκσκαφές. Αυτή η δεύτερη κύρτωση αν απομονωθεί και θεωρηθεί αυτόνομα παρατηρούμε ότι διέρχεται από δύο θεωρητικά σημεία (0,0) και (100,0) που ερμηνεύονται ως εξής: Βραχομάζα με RMR=0 σημαίνει παρουσία άπειρων ασυνεχειών με συμπεριφορά εδάφους όπου είναι απίθανη η 6

υπερεκσκαφή με τη στενή έννοια που αποδώσαμε παραπάνω, αλλά αναμένεται και πιθανολογείται διατμητική αστοχία. Βραχομάζα με RMR=100 σημαίνει παρουσία αδιατάρακτου βράχου με απουσία ασυνεχειών και υπερεκσκαφών. Για την δεύτερη αυτή κύρτωση είναι χαρακτηριστική η ομοιότητα με τις καμπύλες του σχήματος 4. Oι Ibarra et al (1996) διαπίστωσαν ότι σε μία σήραγγα ο δείκτης ποιότητας βραχομάζας Q και η ειδική γόμωση των περιμετρικών διατρημάτων (PPF), έχουν σημαντική επίδραση στην παρουσία υπερεκσκαφών και υποεκσκαφών. Ειδικότερα προέκυψαν οι παρακάτω εξισώσεις: Υπερεκσκαφές (%)=0,12+15,07* PPF 2,55*log(Q) Yποεκσκαφές (%)=9,33 11,14* PPF + 0,72* log(q) Για τη συγκεκριμένη περίπτωση και για τα δεδομένα της υπόψη σήραγγας μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ο δείκτης Q επηρεάζει κάπως περισσότερο την δημιουργία υπερεκσκαφών, ενώ η παράμετρος ανατίναξης PPF τη δημιουργία υποεκσκαφών. Πάντως η τάση είναι σαφής ότι η αύξηση της ενέργειας της έκρηξης μειώνει τις υποεκσκαφές και αυξάνει τις υπερεκσκαφές. Σε ότι αφορά την επίδραση της ποιότητας της βραχομάζας επίσης η τάση είναι σαφής: επιδείνωση της ποιότητας Q αυξάνει τις υπερεκσκαφές και μειώνει τις υποεκσκαφές. O Barton (2007) ασχολήθηκε με το θέμα των υπερεκσκαφών, παράλληλα με την κατακρημνισιμότητα (cavability) της οροφής για την εφαρμογή αντίστοιχων μεθόδων εκμετάλλευσης. Ως γνωστόν ο δείκτης ποιότητας βραχομάζας είναι: Q= (RQD/J n )*(J r / J a )*( J w /SRF) Στην συνολική χρήση του δείκτη Q έχουν μεγάλη σημασία ο συντελεστής των συστημάτων ασυνεχειών J n και ο συντελεστής τραχύτητας των ασυνεχειών J r. Ο Barton τονίζει ότι πέρα από την συνολική τιμή του δείκτη Q για την επίτευξη ικανοποιητικής κατακρήμνισης πρέπει J n /J r 6. Τούτο σημαίνει ότι συνδυασμοί όπως 9/3 (τρία σύνολα ασυνεχειών / ασυνέχειες τραχείες ή ακανόνιστες, κυματώδεις) ή και 15/3 (τέσσερα σύνολα ασυνεχειών / ασυνέχειες τραχείες ή ακανόνιστες, κυματώδεις) μπορούν να αποδειχθούν ότι δεν κατακρημνίζονται αλλά παρουσιάζουν σημαντική διασταλτικότητα. Στην παραπάνω εξίσωση ορισμού του δείκτη Q ο πρώτος όρος RQD/J n αντιπροσωπεύει το σχετικό μέγεθος του τεμάχους, ενώ ο δεύτερος όρος J r / J a αντιστοιχεί στο συντελεστή τριβής των διεπιφανειών των γειτονικών τεμαχών. Ο συνδυασμός των τιμών των ανωτέρω συντελεστών μπορεί να δώσει τις δυσμενείς καταστάσεις για την εμφάνιση υπερεκσκαφών π.χ. J n 6 ή 9, J r / 2 και J a 1. 5. ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΥΠΕΡΕΚΣΚΑΦΩΝ ΚΑΙ ΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΤΟΥΣ Οι υπερεκσκαφές καταρχήν αυξάνουν την πραγματική διατομή της σήραγγας. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι τα μέτρα της αρχικής υποστήριξης (π.χ. πάχος εκτοξευομένου σκυροδέματος, μήκος αγκυρίων) είναι πιθανό να μην είναι επαρκή για τη νέα διατομή. Επί πλέον το προκύπτον ακανόνιστο σχήμα της περιμέτρου είναι πιθανό να συγκεντρώνει υψηλές τάσεις στο κέλυφος του εκτοξευομένου σκυροδέματος. Μια άλλη πτυχή αφορά τη δυνατότητα του εξοπλισμού να εξυπηρετήσει την νέα διατομή και να προσεγγίσει την περίμετρο με τις νέες διαστάσεις. Στις περιπτώσεις που προβλέπεται η τοποθέτηση ολόσωμων ή δικτυωτών πλαισίων, η παρουσία των υπερεκσκαφών εισάγει προβλήματα επαρκούς επαφής τους με τη βραχομάζα. Ο όγκος των υπερεκσκαφών πρέπει να μεταφερθεί εκτός σήραγγας για απόθεση, γεγονός που επιβαρύνει το συνολικό μεταφορικό έργο. Ο χώρος των υπερεκσκαφών επίσης θα πρέπει να πληρωθεί με σκυρόδεμα ή εκτοξευόμενο σκυρόδεμα. Για την αποφυγή της μακροχρόνιας χαλάρωσης της βραχομάζας στις περιοχές αυτές θα πρέπει να εξετάζεται η εκτέλεση τσιμεντενέσεων για την πλήρωση των κενών αυτών και την αποκατάσταση επαρκούς συνέχειας στα υλικά και τις διεπιφάνειες. Θα πρέπει να τονίσουμε ότι η προσπάθεια για την μείωση ή την εξάλειψη των υπερεκσκαφών αυξάνει την πιθανότητα εμφάνισης υποεκσκαφών (που μπορεί να συνυπάρχουν), συνεπώς η σχετική απόφαση είναι ένα τυπικό πρόβλημα βελτιστοποίησης του ολικού κόστους, λαμβάνοντας υπόψη ότι γενικά η αποκατάσταση υποεκσκαφών είναι δαπανηρότερη εργασία. Η γνώση που έχει αποκτηθεί επιτρέπει τη μελετητική διαχείριση του προβλήματος των υπερεκσκαφών για την ελαχιστοποίησή τους. Για την ορθολογικότερη προσέγγιση του θέματος θεωρούμε απαραίτητο στα περιεχόμενα της μελέτης σήραγγας να 7

περιλαμβάνεται αιτιολόγηση της επιλογής του σχήματος της διατομής και της όδευσης του άξονα, εκτίμηση των αναμενόμενων υπερεκσκαφών και μελέτη ανατινάξεων. Συνήθως στον καθορισμό του σχήματος της διατομής αποφεύγονται οξείες γωνίες που μπορούν να προκαλέσουν ανεπιθύμητες συγκεντρώσεις τάσεων. Σε κάποιες περιπτώσεις ωστόσο η συγκέντρωση τάσεων σε οξεία γωνία είναι δυνατόν να έχει σταθεροποιητικά αποτελέσματα όπως στην περίπτωση τεμαχώδους βραχομάζας όπου οι πλευρικές τάσεις περιορίζουν τη μετακίνηση και αποδιοργάνωσή της. Όταν οι ασυνέχειες είναι κάθετες ή παράλληλες στον άξονα της σήραγγας είναι προτιμότερο ένα παραλληλόγραμμο σχήμα που δίνει και τις μικρότερες υπερεκσκαφές, ενώ η υιοθέτηση θολωτής οροφής μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές υπερεκσκαφές λόγω διατμητικής καταπόνισης στην κλείδα. Γενικά θα πρέπει, όπου είναι δυνατό, να προσαρμόζεται η διατομή στα δομικά χαρακτηριστικά της βραχομάζας, ενώ το ίδιο ισχύει και για την όδευση του άξονα σε σχέση με τον προσανατολισμό των ασυνεχειών και των άλλων δομικών χαρακτηριστικών της βραχομάζας. 6.ΣΥΝΟΨΗ. 1. Τα γεωλογικά και γεωτεχνικά χαρακτηριστικά της βραχομάζας που επηρεάζουν τις υπερεκσκαφές είναι : η αντοχή του αδιατάρακτου βράχου, το επί τόπου εντατικό καθεστώς και κυρίως οι ασυνέχειες. 2. Οι πλέον κρίσιμες παράμετροι των ασυνεχειών που επηρεάζουν τις υπερεκσκαφές είναι: ο προσανατολισμός σε σχέση με την περίμετρο του ανοίγματος, η απόσταση, το μέγεθος των τεμαχών, το άνοιγμα και η διήθηση νερού σε αυτές. 3. Οι διάφορες δημοσιευμένες σχέσεις υπερεκσκαφών και γεωμηχανικών ταξινομήσεων αφορούν τις συγκεκριμένες περιπτώσεις και δεν θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη με απόλυτους όρους. Μπορούν όμως να βοηθήσουν στην ποιοτική διερεύνηση του προβλήματος. 4. Η επιλογή του σχήματος της διατομής και της όδευσης του άξονα, θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη και τα δομικά χαρακτηριστικά της βραχομάζας. 5. Οι συνέπειες της παρουσίας υπερ ή υπο εκσκαφών οριοθετούνται σε οικονομικό επίπεδο, σε τεχνικές επιπτώσεις και στο χρόνο ολοκλήρωσης. 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Barton Nick, Rock mass characterization for excavations in mining and civil engineering, Proceedings of the International Workshop on rock mass classification in underground mining, DHHS (NIOSH) Publication 2007 128, pp313 Bell F.G., Cripps J.C., Culshaw M.G., The significance of engineering geology to construction, Geological Society, London, Engineering Geology Special Publications 1995 vol.10, pp 329 Hoek Ε, 1966 Rock mechanics an introduction for the practical engineers: part 1, theoretical considerations Mining Magazine, 144, pp 236255ISRM COMMISSION ON STANDARDIZATION OF LABORATORY AND FIELD TESTS Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses, Int. J.Rock Mech. Min. Sci & Geomech. Abstr. Vol. 15 (1978) pp 319368 J.A. Ibarra, N.H. Maerz, J.A. Franklin, Overbreak and underbreak in underground openjngs Part 2: Causes and implications, Geotechnical amd Geological Engineering, 1996, 14, pp325340 Kaiser P.K., Diederichs M.S., Martin C.D., Sharp J., Steiner W., Underground works in hard rock tunnelling and mining, Invited Keynote, GeoEng 2000, Melbourne, Pennsylvania: Technomic Publishing pp841937 Μartin C.D., Kaiser P.K., McGreath D.R., Hoek Brown parameters for predicting the depth of brittle failure around tunnels, Can. Geotech, J. 36 (1) 1999, pp136151. Muller L. Der Felsbau. Dritter Band. Enke Verlag, Stuttgart 1978 Schmitz Robrecht, Line infrastructure and the role of engineering geology in analyzing overbreak, part I theoretical considerations, Ingeokring Vol 10, No 2, 2003, pp3141. Schmitz R., Viroux S., Charlier R, Hick S, The role of rock mechanics in analyzing overbreak: application to the Soumagne tunnel, in Eurock 2006 Multiphysics coupling and long term behavior in rock mechanics Van Gotthem, Charlier, Thimus and Tshibangu (eds) 2006 Taylor and Francis London ISBN 0415410010 pp631636 8